Chất lượng dịch vụ trong mạng IP trên WDM.pdf

Chất lượng dịch vụ trong mạng IP trên WDM.pdf

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGÀNH: XỬ LÝ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG

LỜI NÓI ĐẦU

Trong một vài năm gần đây đã có sự bùng nổ về lưu lượng IP do sự phát triển của các ứng dụng đa phương tiện như HDTV, điện thoại Internet, âm thanh số…Điều này dẫn đến có nhiều nghiên cứu về các kỹ thuật phân chia trong truyền dẫn tốc độ cao cũng như các công nghệ chuyển mạch, trong đó WDM đã nổi lên như là một công nghệ truyền dẫn mạng lõi đường trục Internet thế hệ sau với khả năng hỗ trợ đồng thời nhiều kênh tốc độ cao trên một sợi cáp quang Một trong những vấn đề nảy sinh khi thực hiện kỹ thuật này đó là làm thế nào để hỗ trợ chất lượng dịch vụ (QoS) trong mạng IP trên WDM Lý do là bởi vì hiện tại IP cung cấp dịch vụ không kết nối, truyền dẫn không tin cậy và phân phối gói tin đáp ứng tốt nhất nhưng các ứng dụng thời gian thực hiện nay lại có yêu cầu về QoS rất cao Chất lượng dịch vụ đối với IP thường được đánh giá dựa vào các tiêu chí về tỷ lệ mất gói tin (được tính bằng số gói tin bị mất trên tổng số gói tin được truyền trên mạng), độ trễ gói tin (được tính là khoảng thời gian cần để truyền gói tin từ nguồn đến đích so với giá trị thời gian trung bình của các gói tin cùng nguồn /đích)

Trong mạng IP trên WDM, có ba phương pháp chuyển mạch được ứng dụng là chuyển mạch định tuyến bước sóng (WR), chuyển mạch gói quang (OPS) và chuyển mạch chùm quang (OBS) và mỗi phương pháp đều có các ưu nhược điểm khác nhau Tuy nhiên trong khuân khổ luận văn này chúng ta sẽ tập trung tìm hiểu chính về QoS của mạng IP trên WDM sử dụng công nghệ chuyển mạch chùm quang

Hiện nay, các mô hình QoS đều dựa trên chuyển mạch gói và qui định việc sử dụng bộ đệm để phân tách các lớp lưu lượng khác nhau được gọi là mô hình dựa trên bộ đệm (buffer-based) Thuật toán lập lịch trong mô hình này thường có độ phức tạp cao Ngoài ra nó rất khó có thể áp dụng vào các mạng WDM với nguyên nhân chính là bởi sự truyền dẫn của lưu lượng trong các phương pháp này dựa trên mô hình lưu-và-chuyển tiếp và sử dụng bộ đệm để tránh xung đột Do bộ đệm quang chưa phát triển

nên bộ đệm điện tử được sử dụng trong các chuyển mạch quang cùng với các bộ chuyển đổi quang-điện Mặc dù có các đường trễ quang (FDL) được sử dụng để thay thế các bộ chuyển đổi này nhưng thực tế nó chưa đáp ứng được đầy đủ các khả năng theo các yêu cầu chất lượng dịch vụ cơ bản

Mục đích của luận văn này là tìm hiểu về các mô hình QoS và các thuật toán có thể áp dụng cho mạng IP trên WDM, đặc biệt là với mạng WDM sử dụng công nghệ chuyển mạch chùm quang OBS Ngoài ra luận văn cũng đề cập đến phương pháp nâng cao hiệu năng QoS bằng cách chèn thêm các sợi trễ quang FDL

Bố cục của luận văn bao gồm 5 chương, chia thành hai phần chính Phần thứ nhất bao gồm ba chương đầu nói về các kiến thức tổng quan về hệ thống mạng quang sử dụng công nghệ WDM Chương 1 nói về mạng WDM và các thành phần cơ bản Chương 2 đề cập đến các kỹ thuật chuyển mạch quang, đặc biệt là hệ thống chuyển mạch chùm quang và các giao thức hỗ trợ QoS Chương 3 đề cập đến vấn đề tích hợp IP trên hệ thống mạng WDM và giao thức chuyển mạch nhãn đa giao thức sử dụng trong mạng này Phần thứ hai bao gồm hai chương cuối Chương 4 nói về các vấn đề về QoS trong mạng IP/WDM và các giải thuật lập lịch kênh trong chuyển mạch chùm quang OBS Chương cuối cùng sẽ xây dựng một mô phỏng hệ thống mạng WDM và đánh giá các kết quả thu được trên hệ thống mô phỏng này

Hà Nội, tháng 11 năm 2008

ĐỖ SINH TRƯỜNG

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

ABR Aggressive Burst Rescheduling: Tỏi lập lịch chựm quang linh hoạt ADM Add/Drop Multiplexer: Bộ ghép kênh xen/rẽ

APD Avalanche Photo Diode: Điốt quang thác APD

APS Automatic Protection Switching: Chuyển mạch bảo vệ tự động ATM Ansynchronous Transfer Mode: Kiểu chuyền dẫn không đồng bộ AWG Array Wave Grating: Cách tử AWG

BER Bit Error Ratio: Tỉ lệ lỗi bit

BPH Burst Header Packet: Gúi mào đầu chựm quang CB Control Burst: Chựm quang điều khiển

DB Data Burst: Chựm quang dữ liệu

DCG Dispersion Compensating Grating: Cách tử bù tán sắc DSF Dispersion-shifted Singlemode

DWDM Density Wavelengh Division Multiplexer: Ghép kênh theo bước sóng mật độ cao

DXC Digital Cross-connect: Bộ đấu nối chéo

EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier: Bộ khuếch đại quang sợi FDL Fiber Delay Line: Đường trễ quang

FFUC First Fit Unscheduled Channel: Kờnh chưa lập lịch phự hợp đầu tiờn FXC Fiber Cross-Connect: đấu chộo sợi quang

IP Internet Protocol: Giao thức Internet

ISDN Intergrated Service Digital Network: Mang số đa dịch vụ JET Just Enough Time

JIT Just In Time

LAUC Latest Available Unscheduled Channel: Kờnh chưa lập lịch khả dụng cuối cựng

LER Label Edge IP Router: bộ định tuyến biờn IP nhón

LIB Label Information Base: Cơ sở thụng tin nhón LSP Label-Switched Path: Đường chuyển mạch nhón

LSR Label Switched IP Router: bộ định tuyến IP chuyển mạch nhón MPLS Multi-Protocol Label Switching: Chuyển mạch nhón đa giao thức OADM Optical Add/Drop Multiplexer: Bộ xen/rẽ bước sóng quang

OBS Optical Burst Switching: Chuyển mạch chựm quang OC Optical Channel: Kênh quang

ODBR On-Demand burst rescheduling: Tỏi lập lịch chựm quang theo yờu cầu ODM Optical Demultiplexer: Bộ tách bước sóng quang

OPS Optical Packet Switching: Chuyển mạch gúi quang OSN Optical Swiching Node: Nỳt chuyển mạch quang OXC Optical Cross-connect: Bộ đấu nối chéo quang

SCU Switching Control Unit: Đơn vị điều khiển chuyển mạch SDH Synchronous Digital Hierarchy: Phân cấp số đồng bộ SMF Single Mode Fiber: Sợi quang đơn mốt

SNR Signal to Noise Ratio: Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

SOA Semiconductor Optical Amplifier: Khuếch đại quang bỏn dẫn SONET Synchronous Optical NETwork: Mạng quang đồng bộ

TAW Tell And Wait: Bỏo và chờ

TDM Time Division Multiplexing: Ghép kênh theo thời gian

WDM Wavelengh Division Multiplexer: Ghép kênh phân chia theo bước sang WIXC Wavelength Interchanging Cross Connect: Chuyển mạch trao đổi bước

súng

WSXC Wavelength Selective Cross Connect: Chuyển mạch lựa chọn bước súng

Hình 2.1 Chuyển mạch gói quang[23]

Hình 2.2 Mô hình chuyển mạch chùm quang (OBS)[23] Hình 2.3 OPS và OBS [12]

Hình 3.7 Mô hình mạng IP/MPLS/MPLambdaS định tuyến theo bước sóng[23] Hình 3.8 Truyền dẫn trục chính IP/ OBS WDM dùng MPLS[35]

Hình 3.9 Mô hình chức năng tại OXC hỗ trợ OBS và MPLS[35] Hình 3.10 Giao diện MAC giữa IP và các lớp OBS WDM[35] Hình 4.1 Thời gian trễ cho dịch vụ được bảo đảm [2]

Hình 4.2 Kiến trúc nút lõi (core node) trong mạng OBS [24]

Hình 4.4 Minh họa của thuật toán LAUC [2] Hình 4.5 Mô tả thuật toán LAUC-VF [2]

Hình 4.6 Ví dụ về phương pháp tái lập lịch [21] Hình 4.7 Ví dụ về tái lập lịch đa mức [21] Hình 4.8 Ví dụ về lập lịch đa mức [21]

Hình 4.9 Không lập lịch theo phương pháp LAUC, LACU-VF và ODBR [21] Hình 4.10 Ví dụ về thuật toán ABR [21]

Hình 4.11 Cấu trúc nút chuyển mạch quang [25] Hình 4.12 Cấu trúc bộ đệm FDL[25]

Hình 4.13 Phân tách lớp trong đặt trước tài nguyên[25] Hình 4.14 Sự khác biệt giữa FDL và hàng đợi [25] Hình 5.1 Kiến trúc OWns và các tầng

Hình 5.2 Các thành phần của OWns Hình 5.3 Ví dụ mô phỏng mạng với 25 nút

Hình 5.4 Mối quan hệ giữa xác suất bị chặn và hệ số chuyển đổi bước sóng Hình 5.5 Mối quan hệ giữa hệ số chuyển đổi bước sóng và trễ trung bình gói tin Hình 5.6 Mối quan hệ giữa số hop trung bình và hệ số chuyển đổi bước sóng

Hình 5.7 Mối quan hệ giữa độ hiệu dụng của liên kết với hê số chuyển đổi bước sóng Hình 5.8 Mối quan hệ giữa xác suất bị chặn và tải lưu lượng

Hình 5.9 Mối quan hệ giữa tải lưu lượng và trễ trung bình gói tin Hình 5.10 Mối quan hệ giữa lưu lượng tải và số hop trung bình Hình 5.11 Mối tương quan giữa tải lưu lượng và độ hiệu dụng liên kếtBảng 5.1 Xác suất bị chặn

Bảng 5.2 Trễ trung bình gói tin Bảng 5.3 Số hop trung bình

Bảng 5.4 Mối quan hệ giữa độ hiệu dụng của liên kết với hê số chuyển đổi bước sóng Bảng 5.5 Xác suất bị chặn và tải lưu lượng

Bảng 5.6 Trễ trung bình gói tin và tải lưu lượng biến đổi

Bảng 5.8 Mối tương quan giữa tải lưu lượng và độ hiệu dụng liên kết

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ MẠNG QUANG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG (WDM)

1.1 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA TRUYỀN DẪN SỢI QUANG

Truyền dẫn sợi quang bắt đầu được áp dụng từ thế kỷ 19 và cơ bản đã đáp ứng được nhu cầu truyền dẫn các dịch vụ hiện tại Các hệ thống truyền dẫn sợi quang với các ưu điểm về dung lượng truyền tải, băng thông, cự ly truyền dẫn lớn, tỷ lệ lỗi thấp, tránh được giao thoa điện trường, khả năng bảo mật đã ngày càng được nghiên cứu phát triển và ứng dụng rộng rãi

Trong truyền dẫn quang, người ta có xu hướng sử dụng những vùng phổ quang nhất định, ở đó suy hao quang được tính toán là thấp nhất Những vùng này, thường được gọi là cửa sổ, nằm giữa các khu vực có độ hấp thụ ánh sáng cao Ban đầu, hệ thống thông tin quang hoạt động ở cửa sổ thứ nhất, khu vực bước sóng xấp xỉ 850nm trước khi người ta nhận ra rằng ở cửa số thứ 2 (băng S), khu vực bước sóng 1310nm, có hệ số suy hao thấp hơn và thấp hơn nữa ở khu vực cửa sổ thứ 3 bước sóng 1550nm (băng C) Ngày nay, cửa sổ thứ tư (băng L) bước sóng 1625nm vẫn đang được nghiên cứu để ứng dụng Bốn cửa sổ đã trình bày được minh hoạ như trên hình 1.1

Hình 1.1 Vùng bước sóng [11]

Công nghệ WDM được áp dụng đầu tiên vào đầu những năm 80’s sử dụng 2 bước sóng cách nhau khá xa trong vùng 1310nm và 1550nm (hoặc 850nm hoặc 1310nm) và được gọi là WDM băng rộng Vào đầu những năm 90’s, bắt đầu xuất hiện công nghệ WDM thế hệ thứ 2, còn gọi là WDM băng hẹp, sử dụng từ 2 đến 8 kênh Các kênh này thuộc cửa sổ 1550nm và cách nhau khoảng 400GHz Đến giữa những năm 90’s, các hệ thống WDM mật độ cao (DWDM) được phát triển với 16 đến 40 kênh và khoảng cách mỗi kênh từ 100 đến 200 GHz Cho đến cuối thập kỷ 90, các hệ thống DWDM đã sử dụng tới 64 đến 160 kênh với khoảng cách mỗi kênh là 50 thậm chí 25 GHz [11]

1.2 NGUYÊN LÝ GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG 1.2.1 Định nghĩa

Ghép kênh theo bước sóng (WDM) là công nghệ truyền dẫn đồng thời nhiều bước sóng tín hiệu quang trong một sợi quang Ở đầu phát, các tín hiệu quang có bước sóng khác nhau được tổ hợp lại (ghép kênh) để truyền đi trên một sợi quang Ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp đó được phân giải (tách kênh) khôi phục lại thành các tín hiệu gốc và đưa đến các thiết bị đầu cuối khác nhau đến đích mong muốn

Hình 1.2 Sơ đồ chức năng hệ thống WDM [1]

Như minh họa trong hình 1.2, hệ thống WDM bao gồm các các chức năng thành phần như sau:

- Phát tín hiệu: Hệ thống WDM sử dụng nguồn tín hiệu Laser Yêu cầu đối với nguồn phát laser là phải có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ra ổn định, mức công suất phát đỉnh, độ rộng phổ, bước sóng trung tâm phải nằm trong giới hạn cho phép

- Ghép/Tách tín hiệu: Ghép tín hiệu là sự kết hợp một số bước sóng ánh sang khác nhau thành một tín hiệu tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang Tách tín hiệu là phân tách luồng tín hiệu tổng hợp đó thành các bước sóng tín hiệu riêng rẽ tại mỗi cổng đầu ra của bộ tách Khi nói đến các bộ tách/ghép tín hiệu, ta phải xét đến các tham số như khoảng cách giữa các kênh, độ rộng băng tần của các kênh bước sóng, bước sóng trung tâm của kênh, mức xuyên âm của các kênh, suy hao…

- Truyền dẫn tín hiệu: Quá trình truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang chịu sự ảnh hưởng của nhiều yếu tố: suy hao quang, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến, các vấn đề về khuếch đại tín hiệu…

- Khuếch đại tín hiệu: Được sử dụng trong các hệ thống truyền dẫn có khoảng cách xa nhằm đảm bảo chất lượng tín hiệu ở nơi nhận Có ba chế độ khuếch đại tín hiệu: khuếch đại công suất, khuếch đại đường và tiền khuếch đại

- Thu tín hiệu: Thu tín hiệu trong các hệ thống WDM cũng sử dụng các bộ tách sóng quang như các hệ thống thông tin quang thông thường: PIN, APD

1.2.2 Phân loại hệ thống WDM

Hệ thống WDM về cơ bản chia làm 2 loại: hệ thống đơn hướng và song hướng như minh hoạ trên hình 1.3 Hệ thống đơn hướng chỉ truyền theo một chiều trên sợi quang Do vậy, để truyền thông tin giữa 2 điểm cần 2 sợi quang Hệ thống WDM song hướng, ngược lại, truyền hai chiều trên một sợi quang nên chỉ cần một sợi quang để có thể trao đổi thông tin giữa 2 điểm

Cả hai hệ thống đều cĩ những ưu nhược điểm riêng Giả sử rằng cơng nghệ hiện tại chỉ cho phép truyền N bước sĩng trên một sợi quang, so sánh hai hệ thống ta thấy:

• Xét về dung lượng, hệ thống đơn hướng cĩ khả năng cung cấp dung lượng cao gấp đơi so với hệ thống song hướng Ngược lại, số sợi quang cần dùng gấp đơi so với hệ thống song hướng

• Khi sự cố đứt cáp xảy ra, hệ thống song hướng khơng cần đến cơ chế chuyển mạch bảo vệ tự động APS (Automatic Protection Switching) vì cả hai đầu của liên kết đều cĩ khả năng nhận biết sự cố ngay lập tức

• Về khía cạnh thiết kế mạng, hệ thống song hướng khĩ thiết kế hơn vì cịn phải xét thêm các yếu tố như: vấn đề xuyên nhiễu do cĩ nhiều bước sĩng hơn trên một sợi quang, đảm bảo định tuyến và phân bố bước sĩng sao cho hai chiều trên sợi quang khơng dùng chung một bước sĩng…

Hình 1.3- Hệ thống ghép kênh theo bước sóng song hướng và đơn hướng.[1]

Các bộ khuếch đại trong hệ thống song hướng thường có cấu trúc phức tạp hơn trong hệ thống đơn hướng Tuy nhiên, do số bước sóng khuếch đại trong hệ thống song hướng giảm ½ theo mỗi chiều nên ở hệ thống song hướng, các bộ khuyếch đại sẽ cho công suất quang ngõ ra lớn hơn so với ở hệ thống đơn hướng.

1.2.3 Ưu nhược điểm của công nghệ WDM

So với hệ thống truyền dẫn đơn kênh quang, hệ thống WDM cho thấy những ưu điểm nổi trội:

- Dung lượng truyền dẫn lớn: Hệ thống WDM có thể mang nhiều kênh quang, mỗi kênh quang ứng với tốc độ bit nào đó (TDM) Do đó hệ thống WDM có dung lượng truyền dẫn lớn hơn nhiều so với các hệ thống TDM Hiện nay hệ thống WDM 80 bước sóng với mỗi bước sóng mang tín hiệu TDM 2,5Gbit/s, tổng dung lượng hệ thống sẽ là 200Gbit/s đã được thử nghiệm thành công Trong khi đó thử nghiệm hệ thống TDM, tốc độ bit mới chỉ đạt tới STM-256 (40Gbit/s)

- Loại bỏ yêu cầu khắt khe cũng như những khó khăn gặp phải với hệ thống TDM đơn kênh tốc độ cao: Không giống như TDM phải tăng tốc độ số liệu khi lưu lượng truyền dẫn tăng, WDM chỉ cần mang vài tín hiệu, mỗi tín hiệu ứng với một bước sóng riêng (kênh quang), do đó tốc độ từng kênh quang thấp Điều này làm giảm đáng kể tác động bất lợi của các tham số truyền dẫn như tán sắc… Do đó tránh được sự phức tạp của các thiết bị TDM tốc độ cao

- Đáp ứng linh hoạt việc nâng cấp dung lượng hệ thống, thậm chí ngay cả khi hệ thống vẫn đang hoạt động: Kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng của các mạng hiện có mà không phải lắp đặt thêm sợi quang mới (hay cáp quang) Bên cạnh đó nó cũng mở ra một thị trường mới đó là thuê kênh quang (hay bước sóng quang) ngoài việc thuê sợi hoặc cáp Việc nâng cấp chỉ đơn giản là gắn thêm các Card mới trong khi hệ thống vẫn hoạt động (plug-n-play)

- Quản lý băng tần hiệu quả và thiết lập lại cấu hình một cách mềm dẻo và linh hoạt: Việc định tuyến và phân bổ bước sóng trong mạng WDM cho phép quản lý hiệu quả băng tần truyền dẫn và thiết lập lại cấu hình dịch vụ mạng trong chu kỳ sống của hệ thống mà không cần thi công lại cáp hoặc thiết kế lại mạng hiện tại - Giảm chi phí đầu tư mới

Bên cạnh những ưu điểm trên WDM cũng bộc lộ một số mặt hạn chế nằm ở ngay bản thân công nghệ Đây cũng chính là những thách thức cho công nghệ này:

- Dung lượng hệ thống vẫn còn quá nhỏ bé so với băng tần sợi quang: Công nghệ WDM ngày nay rất hiệu quả trong việc nâng cao dung lượng nhưng nó cũng chưa khai thác triệt để băng tần rộng lớn của sợi quang Cho dù công nghệ còn phát triển những dung lượng WDM cũng sẽ đạt đến giá trị tới hạn

- Chi phí cho khai thác tăng do có nhiều hệ thống cùng hoạt động hơn Tuy nhiên, chi phí cho bảo dưỡng hệ thống WDM vẫn nhỏ hơn rất nhiều nếu so sánh với hệ thống TDM có dung lượng tương đương

1.3 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG WDM 1.3.1 Nguồn phát

a Yêu cầu đối với nguồn phát

- Độ rộng phổ hẹp và phổ vạch: Nhìn chung, hệ thống WDM cũng sử dụng các nguồn phát giống như đối với hệ thống truyền dẫn đơn kênh cự ly dài Tuy nhiên trong trường hợp này chúng ta sử dụng loại Laser DFB hoặc DBR có duy nhất một vạch phổ trong dải phổ của nó Độ rộng phổ tuỳ thuộc vào số lượng kênh trong hệ thống và dung sai của các phần tử

- Độ ổn định bước sóng phát: Trong hệ thống WDM cần giảm thiểu sự thay đổi bước sóng nguồn phát trong suốt thời gian hoạt động để tránh được những ảnh hưởng không mong muốn đến chỉ tiêu hệ thống

- Khả chỉnh: Laser khả chỉnh có nghĩa rất lớn trong mạng quang tương lai, đặc biệt trong mạng quảng bá Khả năng điều chỉnh của bộ phát lẫn bộ thu ảnh hưởng đến chỉ tiêu của toàn bộ hệ thống

b Các loại nguồn phát được sử dụng hiện nay

Nguồn phát quang thường được sử dụng hiện nay là điode phát quang (LED) hoặc Laser bán dẫn (LD)

1.3.2 Phần tử tách ghép bước sóng

Các phần tử tách ghép bước sóng có các tham số cơ bản sau:

- Bước sóng trung tâm: Đối với cách tử là bước sóng tại trung tâm của băng phản xạ, còn đối với các bộ lọc là bước sóng nằm giữa hai bước sóng ở 2 cạnh của băng

- Băng tần: Băng tần đặc trưng cho dải bước sóng phản xạ đối với cách tử và dải bước sóng lọc đặc trưng bởi khoảng cách (theo thiết kế) giữa các cạnh bộ lọc - Đỉnh phản xạ: Đỉnh phản xạ định nghĩa cho cách tử, tương ứng lượng ánh sáng

phản xạ tại bước sóng trung tâm

- Bước sóng danh định: Bước sóng danh định sử dụng cho bộ lọc, được qui định từ nhà sản xuất Bước sóng trung tâm thực tế thường là khác bước sóng này - Suy hao xen: Suy hao xen là lượng tổn hao công suất trên tuyến truyền dẫn

quang do sự xuất hiện của các bộ ghép bước sóng

- Xuyên kênh: Xuyên kênh là sự xuyên nhiễu tín hiệu từ kênh này sang kênh khác, nói cách khác là sự xuất hiện của tín hiệu kênh này trong kênh lân cận Sự xuyên kênh này làm tăng nền nhiễu của kênh tín hiệu dẫn đến giảm tỷ số S/N - Độ rộng phổ của kênh: Độ rộng phổ của kênh là dải bước sóng dành cho mỗi

kênh Độ rộng phổ này phải đủ lớn để đảm bảo ngăn chặn được nhiễu giữa các

kênh, do đó nó được xác định tuỳ theo từng loại nguồn quang

1.3.3 Sợi quang

a Sợi SMF (theo ITU G.652)

Sử dụng loại sợi SMF cho phép đạt tới cự ly xấp xỉ 1000 km tại tốc độ STM-16 mà không cần sử dụng các bộ bù tán sắc Tuy nhiên với tốc độ STM-64 nếu sử dụng loại sợi này thì chỉ đạt được khoảng cách khoảng 60 km nếu không sử dụng bù tán sắc Cũng vì tán sắc lớn tại vùng bước sóng 1550 nm nên hiệu ứng FWM không xảy ra trong sợi SMF

b Sợi DSF (theo ITU G.653)

Loại sợi này đặc biệt phù hợp với các hệ thống đơn kênh, cự ly dài, dung lượng lớn Tuy nhiên loại sợi này được khuyến nghị là không sử dụng cho các hệ thống WDM Trong trường hợp tuyến đang sử dụng loại sợi này, muốn nâng cấp tăng dung lượng bằng kỹ thuật WDM thì phải chọn vùng bước sóng có tán sắc đủ lớn để tránh hiệu ứng FWM Điều này làm hạn chế khả năng tăng dung lượng của hệ thống

c Sợi NZ-DSF (theo ITU G.655)

Tán sắc của loại sợi này đủ nhỏ để cho phép truyền với tốc độ 10 Gb/s trên khoảng cách 300 - 400 km mà không cần bù tán sắc nhưng cũng đủ lớn để giảm ảnh hưởng của FWM trong dải băng của EDFA (từ 1530 - 1565 nm) Vì vậy loại sợi này đặc biệt thích hợp với các hệ thống WDM tốc độ cao, cự ly truyền dẫn lớn

1.3.4 Đầu thu (bộ tách sóng quang)

a PIN

- Hiệu suất lượng tử (QE): là tỷ lệ giữa số electron thu được tại vùng chuyển tiếp và số photon tới Hiệu suất lượng tử tuyệt đối là 1 nếu có 1 photon tới thì giải phóng 1 electron QE phụ thuộc vào bước sóng hoạt động

- Độ đáp ứng: Độ đáp ứng quan tâm đến năng lượng photon Nó được đo bằng dòng photo đầu ra của thiết bị (đơn vị là A) chia cho công suất quang đầu vào (đơn vị là W) Đối với một photodiode silic thì độ đáp ứng điển hình ở bước sóng 900nm là 0,44

1.3.5 Khuếch đại quang

Khuếch đại quang được sử dụng trọng các hệ thống truyền dẫn để tăng khoảng cách trạm lặp hay tăng cự ly truyền dẫn Khuếch đại trong các hệ thống WDM đóng vai trò đặc biệt quan trọng Do có nhiều kênh quang cùng hoạt động nên các yêu cầu về đặc tính khuếch đại của hệ thống WDM nghiêm ngặt hơn nhiều so với hệ thống đơn kênh Có nhiều kiểu khuếch đại nhưng cho đến nay người ta chủ yếu tập trung vào hai loại sau: khuếch đại quang bán dẫn (SOA) và khuếch đại quang sợi (AFA) Tuy nhiên, các phẩm chất của SOA trong cửa sổ sóng 1550 nm kém hơn AFA ở nhiều khía cạnh như: độ khuếch đại, công suất bão hoà và mức độ phụ thuộc phân cực nên trong các ứng dụng ngày nay khuếch đại quang sợi đã trở thành độc tôn Công nghệ khuếch đại quang sợi đã gặt hái được rất nhiều thành công và đến nay nó được đánh giá là công nghệ trụ cột trong tương lai của mạng quang

Thiết bị xen/rẽ kênh quang (OADM) thực hiện chức năng thêm vào và tách ra một kênh tín hiệu từ tín hiệu WDM mà không gây ra nhiễu với những kênh khác trong sợi Theo thời gian chức năng xen/rẽ kênh quang của OADM đã dần hoàn thiện và linh hoạt hơn

Hình 1.4 Bộ xen/rẽ kênh quang (OADM) [10]

1.4.1.2 Thiết bị OXC

Dưới góc độ phần tử mạng, thiết bị đấu nối chéo quang (OXC) là một phần tử chuyển mạch quang linh hoạt cho phép chuyển mạch tín hiệu tới từ một cổng đầu vào đến một hoặc nhiều cổng đầu ra khác nhau Dưới góc độ mạng, đấu nối chéo là một nút chuyển mạch mà trạng thái thay đổi theo hệ thống quản lý mạng chứ không theo báo hiệu trong mạng Do đó những thay đổi này thường kéo dài trong

khoảng thời gian tính bằng giây

Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống OXC 3×3 với hai bước sóng trên mỗi sợi quang [32]

Bộ đấu nối chéo quang (OXC) được xem như nền móng cho lớp mạng quang, nó đem lại cho người sử dụng khả năng lựa chọn mềm dẻo và linh hoạt cấu hình mạng (topo mạng) với độduy trì mạng cao Ngày nay các thiết bị này chủ yếu xuất hiện trong môi trường mạng đường trục Tuy nhiên những thiết bị loại này đang được trông đợi nhiều ở tất cả các cấp mạng bao gồm cả ở mạng nội hạt Rào cản hiện tại của những thiết bị này trong mạng thực tế đó là giá thành

Chức năng chính của OXC sẽ là khả năng tái cấu hình mạng một cách linh hoạt ở mức bước sóng cho khôi phục mạng hoặc thích ứng đối với những thay đổi nhu cầu băng tần.[10]

Một số chức năng của OXC hiện nay:

- Quản lý băng tần và kết nối để cung cấp kết nối cho các kênh thuê riêng và kết nối của các kênh quang (hỗ trợ cho tải SDH), cung cấp chức năng xen/rẽ bước sóng

- Sắp xếp hiệu quả bước sóng để tận dụng tốt hơn cơ sở hạ tầng đã có

- Phát triển từ từ các dịch vụ 10Gbit/s đến 40Gbit/s, đem lại một chi phí thấp cho mạng

- Bảo vệ và khôi phục mạng ở mức bước sóng - Định tuyến và liên kết ở mức bước sóng

Hiện nay, có thể phân thiết bị OXC thành hai loại chính: OXC dựa trên ma trận chuyển mạch điện (lõi điện) và OXC dựa trên ma trận chuyển mạch quang (lõi quang) Trước đây do công nghệ quang chưa chế tạo được chuyển mạch quang không gian lớn nên nhiều nhà sản xuất thiết bị hướng đến sử dụng ma trận điện trong các thiết bị đấu nối chéo quang của mình Chính vì vậy mà phần lớn thiết bị được quảng cáo ngày nay của một số hãng lớn như Ciena, Cisco Network, Sycamore được phát triển trên nền này Tín hiệu quang tới và ra khỏi OXC phải qua giao diện O/E, tốc độ xử lý cơ sở trong kiểu OXC này thường là 2,5Gbit/s [32]

Tuy nhiên khi nối chéo những tốc độ lớn như 10 hoặc 40Gbit/s thì các bị OXC này sẽ bộc lộ những nhược điểm về công nghệ của mình như xuyên kênh lớn, kích thước chuyển mạch nhỏ (<32x32), số lượng chuyển mạch lớn, trọng lượng nặng, và hơn cả giá thành sẽ bị đẩy lên rất cao vì phải chi trả cho các công nghệ để giải quyết những nhược điểm trên Do đó giải pháp xây dựng OXC với lõi quang trở nên hấp dẫn hơn cả và khắc phục được những nhược điểm nêu trên Hơn nữa, giá thành của các linh kiện quang (ma trận chuyển mạch quang) đã giảm xuống rất nhiều, trong tương lai gần nó hoàn toàn có thể so sánh với OXC dựa trên ma trận chuyển mạch điện

Dựa vào đặc tính chuyển mạch người ta chia OXC lõi quang thành ba loại chính:

a OXC chuyển mạch sợi (FXC)

Các nối chéo chuyển mạch sợi (FXC) thực hiện chuyển mạch tất cả kênh bước sóng từ một sợi đầu vào tới một sợi đầu ra, nó hoạt động như một bảng đấu sợi tự động

FXC là kiểu chuyển mạch ít phức tạp nhất trong số hai kiểu còn lại (do đó cũng rẻ hơn) Trong một số phần mạng mà việc bảo vệ chống đứt sợi là vấn đề chính thì FXC có thể là một giải pháp hợp lý Chúng tận dụng tối đa các công nghệ quang hiện tại Chúng có thể cung cấp các khả năng khôi phục và dự phòng đơn giản nhưng lại không linh hoạt (nhằm hỗ trợ các dịch vụ bước sóng điểm-điểm mới)

Hình 1.6 (a)OXC chuyển mạch sợi, (b)OXC chuyển mạch lựa chọn bước sóng, (c) chuyển mạch trao đổi bước sóng [32]

b OXC lựa chọn bước sóng (WSXC)

WSXC chuyển mạch một nhóm các kênh bước sóng từ một sợi đầu vào đến một sợi đầu ra Về mặt chức năng thì chúng yêu cầu giải ghép (theo tần số) các tín hiệu đến thành bước sóng ban đầu của chúng

WSXC còn có tính linh hoạt trong việc khôi phục dịch vụ Các kênh bước sóng có thể được bảo vệ riêng biệt nhờ cơ chế bảo vệ mesh, ring hoặc kết hợp

c OXC trao đổi bước sóng (WIXC)

WIXC hoàn toàn giống như WSXC mô tả trên nhưng có thêm khả năng chuyển đổi hoặc thay đổi tần số (hoặc bước sóng) của kênh từ tần số này đến tần số khác Đặc tính này làm giảm xác suất không được định tuyến từ sợi đầu vào đến sợi đầu ra do sự cạnh tranh bước sóng WIXC có tính linh hoạt cao nhất trong việc khôi phục và dự

phòng dịch vụ

1.4.2 Vấn đề thiết kế kỹ thuật trong mạng WDM

Thiết kế kỹ thuật của hệ thống WDM là rất phức tạp, nó là sự cân bằng của nhiều các yếu tố tác động Nhiều hiệu ứng trong hệ thống WDM đã được biết đến trong các hệ thống đơn kênh Tuy nhiên còn có một số hiệu ứng khác trong truyền dẫn WDM, bao gồm:

- Sự phân tách kênh và băng tần tín hiệu: Để giảm thiểu ảnh hưởng của SRS và đạt được độ bằng phẳng khuếch đại tối ưu từ các bộ khuếch đại ta phải sắp xếp các kênh càng gần nhau càng tốt Dĩ nhiên điều này sẽ cho chúng ta có được nhiều kênh hơn (nếu cần) và vì vậy dung lượng cũng cao hơn.Tuy nhiên, những tác động của FWM lại không cho phép các kênh có khoảng cách quá gần nhau

- Độ chính xác và giá thành phần tử quang: Nói chung, các phần tử quang càng chính xác và ổn định thì chúng càng có giá thành đắt Độ rộng phổ nguồn laser càng hẹp và tín hiệu của nó càng ổn định thì nó càng có giá thành cao hơn Những đánh giá tương tự cũng được xét cho các cách tử, bộ lọc, và phần lớn các thiết bị khác Đây là yếu tố quan trọng để quyết định độ rộng dải thông và khoảng cách kênh

- Kiểm soát tán sắc: ý nghĩa cơ bản của việc kiểm soát tán sắc là giảm nhỏ dải thông tín hiệu và sử dụng một số phương pháp bù tán sắc Việc sử dụng sợi DSF tại bước sóng tán sắc 0 (zero) là không thể được do vấn đề FWM Có thể giảm nhỏ dải thông tín hiệu nhưng dải thông lại bị giãn rộng ra do chúng tự điều chế và nếu ta giảm dải thông tín hiệu xuống thấp hơn 80 MHz thì lại xuất hiện những hạn chế do các hiệu ứng SBS Trong các hệ thống có cự ly dưới 100km tại tốc độ 2,4 Gbit/s trở lên sẽ cần đến một số phương thức quản lý tán sắc và bù tán sắc

- Công suất tín hiệu (cho mỗi kênh): Một trong các yếu tố để đánh giá hệ thống là nhu cầu làm tăng khoảng cách giữa các bộ khuếch đại Chi phí cho các bộ khuếch đại

không phải là vấn đề chính Chi phí cho việc lắp đặt và bảo dưỡng chúng tại các trạm dọc theo tuyến cáp cao hơn khá nhiều so với chi phí cho các bộ khuếch đại Vì vậy cần phải tăng tối đa công suất cho mỗi kênh Tuy nhiên có nhiều yếu tố ảnh hưởng làm hạn chế lượng công suất có thể được sử dụng:

• Công suất cực đại có ở các bộ phát Đây thực ra là công suất đầu ra lớn nhất của một EDFA đặt tại bộ phát Cho tới gần đây nó vẫn đạt khoảng 200 mW nhưng cùng với sự phát triển của các bộ khuếch đại EDFA nhiều tầng, thì giới hạn công suất đạt được ngày nay là 10 W

• Các hiệu ứng phi tuyến (SBS, SRS, CIP) gây ra những hạn chế lớn đối với lượng công suất có thể dùng cho mỗi kênh tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố

• Vấn đề an toàn cũng rất quan trọng Hầu như tất cả các hệ thống WDM đều được phân loại kỹ lưỡng theo độ nguy hiểm và cần thiết phải có những hệ thống bảo an được đặt ở những vị trí xác định có thể truy nhập hiệu quả chỉ riêng các dịch vụ có chất lượng

- Tạp âm: Như đã nói ở trên, tác động của sự tích luỹ tạp ASE được đánh giá chủ yếu là về khoảng cách bộ khuếch đại

- Loại sợi: Để giảm tán sắc ta nên sử dụng sợi DSF Tuy nhiên, sợi DSF lại làm tăng đáng kể các hiệu ứng FWM và SRS Do đó ta nên dùng cả sợi tiêu chuẩn lẫn sợi tối ưu hoá tán sắc (DOF)

1.5 TỔNG KẾT CHƯƠNG

Chương này giới thiệu tổng quan về công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM, sơ lược về nguyên lý ghép kênh cũng như các thành phần cơ bản của mạng WDM áp dụng trên thực tế Trong chương này cũng đề cập đến một số vấn đề thiết kế kỹ thuật trong mạng WDM Chương tiếp theo sẽ trình bày về vấn đề định tuyến và gán bước sóng và một số công nghệ chuyển mạch quang

Thông thường, các yêu cầu kết nối có thể được chia thành ba loại: tĩnh, tăng dần và động Với trường hợp lưu lượng tĩnh, tất cả các kết nối giữa hai đầu được biết trước, và việc xử lý chỉ là thiết lập quang tuyến cho các kết nối này theo một mô hình chung với yêu cầu là tối thiểu hóa các tài nguyên, ví dụ như số bước sóng sử dụng cho kết nối Một sự lựa chọn khác là có thể thiết lập càng nhiều kết nối càng tốt với một số lượng bước sóng cố định trên một đường quang (giả thiết là tất cả các sợi quang đều có cùng số lượng bước sóng) Vấn đề RWA của lưu lượng tĩnh là thiết lập quang tuyến tĩnh (Static Lightpath Establish) Trong trường hợp lưu lượng tăng dần với số lượng yêu cầu kết nối đến một cách tuần tự, một quang tuyến sẽ được thiết lập cho mỗi kết nối và nó sẽ được duy trì trong mạng không hạn định Đối với lưu lượng động, một quang tuyến được thiết lập cho mỗi kết nối khi có yêu cầu đến và chúng sẽ được giải phóng sau một khoảng thời gian nhất định Vấn đề RWA trong trường hợp này là thiết lập quang tuyến động (DLE- Dynamic Lightpath Establish), bao gồm thiết lập quang tuyến

và gán bước sóng cho chúng với xác suất bị chặn là nhỏ nhất, hoặc hoặc số lượng kết nối là lớn nhất[18]

Vấn đề RWA thường được chia làm hai vấn đề con như sau: - Lựa chọn tuyến

- Gán bước sóng

2.1.1 Lựa chọn tuyến

Có ba phương pháp được sử dụng để lựa chọn tuyến như sau:

- Tuyến cố định (fixed routing): Đây là phương pháp đơn giản được thực hiện khi tuyến cố định luôn được gán cho một kết nối giữa nguồn và đích cho trước Một ví dụ của phương pháp này chính là định tuyến đường ngắn nhất cố định (SP-Shortest path routing) Phương pháp này sử dụng các thuật toán tìm đường ngắn nhất để tìm ra một quang tuyến cho cặp nguồn-đích cho trước

- Định tuyến cố định thay thế (fixed-alternate routing) Có một danh sách các tuyến cố định được sắp xếp theo thứ tự tới từng nút đích Danh sách này nằm trong bảng định tuyến được duy trì bởi từng nút trong mạng Phương pháp định tuyến K đường ngắn nhất (K-shortest path) được sử dụng để tìm các tuyến có thể giữa mỗi cặp nguồn-đích Ví dụ, bảng này sẽ chứa danh sách tuyến ngắn nhất, tuyến thứ hai, tuyến thứ ba… Khi một yêu cầu kết nối đến, nút nguồn sẽ thiết lập kết nối của từng tuyến trong bảng định tuyến của nó một cách lần lượt cho đến khi nó tìm được một tuyến khả dụng Trong trường hợp không có tuyến nào trong bảng có thể dùng được thì yêu cầu kết nối này sẽ bị chặn[33]

- Định tuyến thích nghi (Adaptive routing): Tuyến được chọn một cách tự động từ nút nguồn đến nút đích, tùy thuộc vào trạng thái của mạng Trạng thái của mạng được xác định dựa vào các kết nối hiện tại trên mạng Ví dụ của phương pháp này chính là định tuyến đường ít tắc nghẽn nhất (least congested-path routing)

Phương pháp này có xác suất chặn kết nối thấp hơn hai phương pháp trên nhưng việc tính toán phức tạp hơn[34]

2.1.2 Gán bước sóng

Gán bước sóng là lựa chọn một bước sóng trong danh sách các bước sóng có thể dùng được cho một tuyến nhằm tối đa hóa hiệu quả của bước sóng đó Có một số mô hình cho phương pháp này như sau:

- Gán bước sóng một cách ngẫu nhiên (Random Wavelength Assignment) Phương pháp này sẽ lựa chọn một cách ngẫu nhiên một bước sóng trong số các bước sóng có thể sử dụng để gán cho tuyến

- Phù hợp đầu tiên (First-Fit): Trong trường hợp này, tất cả các bước sóng sẽ được đánh số và nó sẽ lựa chọn bước sóng khả dụng đầu tiên theo thứ tự

- Ít sử dụng nhất (Least-used): Phương pháp này nhằm cân bằng tải cho tất cả các bước sóng Tuy nhiên phương pháp này không được sử dụng nhiều trong thực tế bởi vì hiệu quả của nó được đánh giá thậm chí còn thấp hơn phương pháp gán ngẫu nhiên

- Sử dụng nhiều nhất (Most-used)Phương pháp này sẽ lựa chọn bước sóng được sử dụng nhiều nhất để gán cho tuyến Phương pháp này được dùng nhiều hơn hai phương pháp FF và LU[19]

Trong mạng WDM định tuyến theo bước sóng có sử dụng các bộ chuyển đổi bước sóng để chuyển đổi bước sóng ban đầu mang dữ liệu từ nút nguồn sang một bước sóng khác ở nút trung gian trước khi chuyển nó đến sợi quang kế tiếp Kỹ thuật này được gọi là sự chuyển đổi bước sóng[5] Mạng định tuyến theo bước sóng có khả năng này được gọi là mạng bước sóng khả chuyển (wavelength-convertible) Với các bộ chuyển đổi hoàn toàn, chúng có thể chuyển đổi một bước sóng bất kỳ sang một bước sóng bất kỳ khác Nếu như mỗi đường quang trong mỗi nút của mạng đều được trang

bị bộ chuyển đổi này thì mạng này được gọi là mạng khả chuyển hoàn toàn Khi đó mạng quang này tương đương như mạng chuyển mạch kênh truyền thống Như vậy, bộ chuyển mạch có thể nâng cao hiệu năng của mạng

2.2 CÁC KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH QUANG

Có ba kỹ thuật chuyển mạch quang chính được nghiên cứu trong các tài liệu về vận chuyển lưu lượng IP trong các mạng WDM Các kỹ thuật này bao gồm:

- Định tuyến bước sóng - Chuyển mạch gói quang - Chuyển mạch chùm quang

Do vậy, dựa vào các kỹ thuật chuyển mạch, các mạng IP/WDM có thể được phân loại như sau:

- Mạng định tuyến bước sóng - Mạng chuyển mạch gói quang - Mạng chuyển mạch chùm quang

2.2.1 Định tuyến bước sóng (WR-Wavelength Routing)

Trong các mạng định tuyến bước sóng, một tuyến toàn quang được thiết lập giữa các đầu của mạng và nó được gọi là quang tuyến Bằng cách sử dụng quang tuyến, nó có thể duy trì một kênh bước sóng dành riêng trên tất cả các kết nối dọc theo tuyến

Sau khi dữ liệu được truyền đi, quang tuyến này sẽ được giải phóng Trong mạng định tuyến bước sóng, các thiết bị kết nối chéo quang được sử dụng để kết nối quang điểm – điểm trong một topo bất kỳ Như đã đề cập trong phần trước, các thiết bị OXC có khả năng phân biệt các gói dữ liệu dựa trên cổng vào và bước sóng của nó sử dụng Do vậy, khi ta sử dụng mạng này thì dữ liệu được truyền giữa các điểm đầu cuối

sẽ không cần phải xử lý, không cần chuyển đổi điện/quang (E/O conversion) và không cần bộ đệm tại các nút trung gian Tuy nhiên, cũng giống như tất cả các mạng chuyển mạch, các mạng định tuyến bước sóng không chia sẻ tài nguyên và do vậy sự hiệu dụng của băng thông là thấp[2]

2.2.2 Chuyển mạch gói quang (OPS – Optical Packets Switching)

2.2.2.1 Giới thiệu chung

Như chúng ta đã nói ở phần trước, các mạng định tuyến theo bước sóng không hiệu quả trong hầu hết các trường hợp trừ khi kết nối được thiết lập và duy trì trong một khoảng thời gian tương đối dài Điều này chính là do định tuyến bước sóng tương tự như chuyển mạch kênh, tức là kết nối giữa hai đầu nguồn và đích phải được thiết lập trước khi dữ liệu có thể được truyền đi Quyết định chuyển cũng được tạo ra tại thời điểm thiết lập cuộc gọi và trong suốt quá trình diễn ra cuộc gọi, bộ chuyển mạch phải đọc, lưu và chuyển từng khung dữ liệu cuộc gọi mà nó nhận được Dữ liệu mào đầu (overhead) là rất lớn tại thời điểm thiết lập cuộc gọi và ít đi trong thời gian cuộc gọi thực hiện Tuy vậy, thông thường thời gian của cuộc gọi dài hơn rất nhiều so với thời gian thiết lập và ngắt cuộc gọi nên hiệu quả của phương pháp này là cao nếu như băng thông được tận dụng tối đa trong quá trình gọi Chính nhược điểm này của mạng định tuyến bước sóng làm cho các nghiên cứu tập trung vào phương pháp chuyển mạch gói quang bởi vì phương pháp này tận dụng được băng thông của mạng bằng cách sử dụng ghép kênh thống kê cho chia sẻ băng thông[2]

Trong các mạng chuyển mạch gói, lưu lượng IP được xử lý và chuyển mạch tại các bộ định tuyến IP theo từng gói tin một Mỗi gói tin IP đều chứa phần trọng tải (payload) và phần mào đầu (header) Phần mào đầu gói tin chứa thông tin cần thiết để định tuyến gói tin còn phần trọng tải chứa các bản tin dữ liệu Một bộ chuyển mạch gói quang WDM bao gồm bốn phần:

- Giao diện đầu vào (input interface): được sử dụng để mô tả và căn chỉnh gói tin, và tách gỡ thông tin mào đầu của gói tin

- Cơ cấu chuyển mạch (switching fabric): là phần lõi của bộ chuyển mạch Nó thực hiện chuyển mạch các gói tin trong vùng quang

- Giao diện đầu ra (output interface): được sử dụng để tái tạo tín hiệu quang và chèn thông tin mào đầu

- Đơn vị điều khiển (control unit): Được sử dụng để điều khiển chuyển mạch tiếp dựa trên các yêu cầu chứa trong phần mào đầu quang

2.2.2.2 Công nghệ chuyển mạch gói quang

Quá trình thực hiện của kỹ thuật chuyển mạch gói quang được mô tả trong hình 2.1

Hình 2.1 Chuyển mạch gói quang[23]

Từ hình trên ta có thể tóm lược các bước thực hiện của chuyển mạch gói quang như sau:

Đồng bộ hóa và khôi phục định thời gói tin

Thực hiện của đồng bộ hóa gói tin bao gồm một bộ nhận dạng bắt đầu gói tin được sử dụng để xác định vị trí bắt đầu của gói tin và một module trễ có thể lập trình được dùng để thay đổi thời gian đến của gói tin

Loại bỏ phần mào đầu gói tin

Phương pháp này được thực hiện bằng cách sử dụng bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA) và nó có thể được cải thiện nhờ kỹ thuật chuyển đổi bước sóng

Bộ đệm

Do không có bộ nhớ RAM quang học phù hợp cho các chuyển mạch gói quang, ta cần phải tìm một giải pháp khác, đó là bộ nhớ RAM điện tử Thiết bị này có tốc độ truy cập giới hạn và cần có bộ chuyển đổi quang-điện-quang và bộ đệm dựa trên các đường quang trễ có hoặc không có khả năng WDM

Định tuyến gói tin

Trong khi đang xử lý địa chỉ trong miền điện tử, các chuyển mạch gói quang sẽ chuyển hướng và lưu đệm các gói tin trong miền quang Có rất nhiều kiến trúc chuyển mạch gói khác nhau, ví dụ như chuyển mạch gói quang định tuyến theo bước sóng, chuyển mạch gói quảng bá và lựa chọn

Khi một gói tin đi đến bộ chuyển mạch quang WDM, đầu tiên nó được xử lý qua giao diện đầu vào, tại đây nó sẽ tách riêng phần thông tin mào đầu và phần dữ liệu sau đó phần mào đầu sẽ được chuyển đổi vào miền điện tử và được xử lý bởi khối điều khiển; trong khi đó phần dữ liệu vẫn nằm trong miền quang Sau đó phần dữ liệu sẽ được xử lý bởi cơ cấu chuyển mạch để chuyển đến cổng thích hợp Một đặc tính chính ở đây là quyết định khi nào thì cần phải đồng bộ Trong mạng này cơ cấu chuyển mạch tại một nút nhận các gói tin đến với thời gian căn chỉnh là nhỏ nhất Tuy nhiên, phương pháp này phức tạp hơn bởi vì chúng có các giai đoạn đồng bộ hóa căn chỉnh gói tin Một phương pháp khác là xây dựng một mạng không đồng bộ mà trong đó các gói tin có thể có kích thước khác nhau Kiến trúc của chuyển mạch trong trường hợp này đơn giản hơn mặc dù xác suất bất đồng gói tin cao hơn Sau khi dữ liệu truyền qua cơ cấu chuyển mạch, nó sẽ được kết hợp với mào đầu đã được chuyển đổi ngược lại vào miền quang tại giao diện đầu ra.[23]

2.2.3 Chuyển mạch chùm quang (OBS-Optical Burst Switching)

2.2.3.1 Giới thiệu chung

Từ hai phần trước chúng ta có thể thấy kỹ thuật định tuyến bước sóng không cần xử lý, không chuyển đổi quang-điện và không sử dụng bộ đệm tại nút trung gian, tuy nhiên nó lại không sử dụng hết băng thông Ngược lại, kỹ thuật chuyển mạch gói quang có thể nâng cao hiệu suất sử dụng băng thông bằng cách hợp kênh thống kê cho chia sẻ băng thông nhưng nó lại cần có bộ đệm Chính vì vậy cần kết hợp hai phương pháp này để đưa ra một phương pháp kế thừa các ưu điểm của hai phương pháp kể trên, gọi là kỹ thuật chuyển mạch chùm quang

Chuyển mạch chùm quang (OBS) được xây dựng dựa trên các tiêu chuẩn của tổ chức ITU-T dành cho chuyển mạch bó trong mạng ATM, được biết đến chuyển mạch khối ATM (ATM block transfer) OBS là kỹ thuật dùng để truyền đi một khối lượng lớn lưu lượng qua mạng vận chuyển quang bằng cách thiết lập một liên kết và chiếm giữ các tài nguyên cho chỉ một chùm quang (burst) Mô hình của chuyển mạch chùm quang được mô tả trong hình 2.2

Hình 2.2 Mô hình chuyển mạch chùm quang (OBS)[23]

Phần tử cơ bản của OBS là burst (chùm quang), được định nghĩa là một chuỗi các gói tin có cùng địa chỉ đích và có các đặc điểm giống nhau, ví dụ như là cùng di chuyển từ một lối vào đến lối ra của một nút và cùng được chuyển mạch tại các nút trung gian Mỗi một burst bao gồm hai phần: phần mào đầu và phần dữ liệu Phần mào

đầu được gọi là phần burst điều khiển (control burst-CB) và phần dữ liệu được gọi là burst dữ liệu (Data burst – DB) Trước tiên phần CB sẽ được truyền đi nhằm mục đích dành sẵn băng thông dọc theo tuyến truyền cho phần DB, và sau đó DB sẽ được theo tuyến băng thông này để đi đến nơi nhận [14]

2.2.3.2 So sánh OBS với OPS và WR

Do trong OBS bước sóng dùng để truyền chùm quang sẽ được giải phóng ngay khi chùm quang truyền qua kết nối đó nên các chùm quang từ nguồn khác đến đích khác hoàn toàn có thể sử dụng băng thông của cùng bước sóng trên kết nối này Kết quả này thể hiện sự sử dụng hiệu quả băng thông của OBS hơn so với WR đồng thời vẫn đáp ứng được các kết nối trong thời gian dài Kỹ thuật này cũng giải quyết được các vấn đề về giới hạn kết nối trong các mạng định tuyến theo bước sóng, nơi mà số lượng quang tuyến có thể thiết lập được bị giới hạn bởi số bước sóng khả dụng

Hình 2.3 (a) Chuyển mạch gói quang (b) Chuyển mạch chùm quang [12]

Ngoài ra, do sự hạn chế của CB, OBS còn có độ thích nghi với tắc nghẽn hoặc lỗi kết nối cao hơn so với OPS và nó hỗ trợ định tuyến dựa trên mức ưu tiên như trong chuyển mạch gói quang Tuy vậy, do OBS chuyển mạch các chùm quang với kích thước có thể lớn hơn rất nhiều lần so với các gói tin IP do đó tỷ lệ kích thước mào đầu

so với dữ liệu được truyền là thấp hơn

Tóm lại, có ba điểm khác biệt chính giữa chuyển mạch chùm quang với chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói quang.:

- Một chùm quang có tính chất cụm khi so sánh với các loại chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói

- Chuyển mạch chùm quang chiếm giữ băng thông theo tiến trình một chiều, nghĩa là nó có thể gửi dữ liệu đi mà không cần chờ bản tin xác nhận chiếm giữ thành công Tuy nhiên trong chuyển mạch kênh thì băng thông cho cuộc gọi cần phải được chiếm giữ cả hai chiều

- Trong chuyển mạch chùm quang, một chùm quang sẽ đi qua các nút trung gian mà không cần lưu trong bộ đệm, trong khi đối với chuyển mạch gói, các gói tin được lưu-và-chuyển tiếp (stored and forwarding) tại mỗi nút trung gian.[19]

2.2.3.3 Kỹ thuật chuyển mạch chùm quang

Trong một mạng IP/WDM, một chùm quang được cấu trúc ở đầu switch/router có thể chứa nhiều gói tin IP với kích thước vài megabyte dữ liệu (ảnh có độ phân giải cao hoặc một đoạn video clip) Có ba kỹ thuật chuyển mạch chùm quang được mô tả ở trong phần này:

- Kỹ thuật IBT(in-and-terminator): Trong kỹ thuật này, thông tin điều khiển (chứa địa chỉ nguồn và địa chỉ đích) được gửi đi như là mào đầu (với điều khiển trong băng) hoặc gói tin điều khiển (với điều khiển ngoài băng), tiếp theo là chùm

quang có chứa IBT để báo hiệu kết thúc chùm quang Băng thông sẽ được dành riêng cho chùm quang ngay khi thông tin điều khiển được xử lý, và nó sẽ được giải phóng ngay khi IBT được phát hiện Một trong những khó khăn của chuyển mạch chùm quang dựa trên IBT trong mạng quang là nhận dạng và xử lý IBT trong miền quang.[12]

- Kỹ thuật TAG(Tell-And-Go): Kỹ thuật này gần giống với kỹ thuật chuyển mạch kênh nhanh Nguyên tắc làm việc của nó như sau: Đầu tiên nút nguồn sẽ gửi đi một gói tin điều khiển nhằm chuẩn bị riêng băng thông và sau đó dữ liệu chùm quang tương ứng sẽ được truyền đi mà không cần phải chờ xác nhận bởi vì băng thông đã được dành riêng hoàn toàn cho kênh này Sau đó nút nguồn có thể gửi đi một bản tin điều khiển khác nhằm giải phóng băng thông vừa được cấp riêng, hoặc nó sẽ gửi đi một bản tin làm mới (refresh packet) để tiếp tục duy trì băng thông Băng thông sẽ tự động giải phóng trong trường hợp nó không nhận được một bản tin làm mới nào trong một khoảng thời gian nhất định.[22]

- Kỹ thuật RFD(reserve-a-fixed-duration): Trong kỹ thuật này, việc đặt trước băng thông được đóng tại từng switch, băng thông được dành riêng trong một khoảng thời gian nhất định dựa theo từng gói tin điều khiển.[15]

2.2.3.4 Giao thức JET (Just Enough Time)

Như chúng ta đã biết, kết nối được thiết lập dựa trên đặt trước từ hai phía dưới sự điều khiển phân tán trong các mạng điện thoại và mạng dữ liệu tốc độ cao Phương pháp tương tự cũng có thể được sử dụng trong mạng quang Tuy nhiên với tốc độ truyền 2.5 Gbps, một chùm quang có kích thước 500Kbytes có thể được gửi trong khoảng 1.6ms nhưng để nhận một ACK đến trong khoảng 500km thì mất khoảng 2.5ms Điều này chứng tỏ rằng giao thức đặt trước một chiều sẽ hiệu quả hơn là giao thức hai chiều áp dụng với lưu lượng lớn truyền trên một khoảng cách tương đối xa

Hình 2.4 Mô tả giao thức JET [27]

Hình trên mô tả ý tưởng cơ bản của giao thức JET (Just-Enough-Time) áp dụng cho OBS Đây là một dạng giao thức chiếm giữ một chiều[13][27] Để thực hiện gửi đi một chùm quang dữ liệu (gồm rất nhiều gói tin IP), một chùm quang điều khiển (được coi như là một gói tin IP bình thường), hay còn gọi là gói tin điều khiển, được gửi đi từ nút nguồn đến nút đích để chiếm giữ một tuyến toàn quang Một cách cụ thể hơn, mỗi nút tự chọn một bước sóng phù hợp trên kết nối của mình và để dành cho chùm quang dữ liệu tương ứng đến ngay sau đó, tạo nên chuyển mạch quang Để đơn giản, ta giả sử rằng tổng thời gian xử lý của gói tin điều khiển tại mỗi nút là δ; trong khi đó, sau khi chùm quang dữ liệu chờ tại nguồn trong miền điện tử trong khoảng thời gian T0, nó sẽ được gửi đi dưới dạng tín hiệu quang mà không cần phải chờ đến khi nhận được ACK từ đích Gọi L là số bước truyền trên tuyến thì T0 được chọn thấp nhất là (δ*L) để đảm bảo rằng mỗi nút có đủ thời gian để hoàn tất việc xử lý gói tin điều khiển trước khi chùm quang dữ liệu bắt đầu được truyền Kết quả là ngay khi chùm quang dữ liệu được truyền đi, nó vượt qua tất cả các nút trung gian mà không cần phải sử dụng bộ đệm, bộ chuyển đổi quang-điện-quang hay một thực thể IP trung gian nào

Trong bất kỳ một giao thức chiếm giữ một chiều nào đều có một vấn đề đặt ra, đó là tỷ lệ mất dữ liệu Cụ thể là nếu một gói tin điều khiển không thể thiết lập được băng thông tại một nút trung gian, thì chùm quang dữ liệu tương ứng có thể bị bỏ qua và một ACK từ chối sẽ được gửi đến nguồn để có thể gửi lại chùm quang dữ liệu đã mất Trong trường hợp này đoạn băng thông đã được thiết lập sẽ không được sử dụng và bị lãng phí Để loại trừ khả năng băng thông bị lẵng phí này, một chùm quang cần phải được lưu trong bộ đệm điện tử (sau khi đã được đi qua bộ chuyển đổi quang-điện) và tiếp tục gửi đến đích của nó sau một khoảng thời gian nhất định Người ta có thể sử dụng các FDL để cung cấp một số khoảng trễ tại các nút trung gian nhằm giảm thiểu nguy cơ trên.[13][27]

Ngoài ra xác suất mất dữ liệu cũng có thể được giảm thiểu mà không cần sử dụng đến các đường trễ quang Cụ thể hơn, ở đây một số chùm quang có thể được gán mức ưu tiên cao hơn bằng cách rất đơn giản là sử dụng thêm một khoảng trễ và do vậy đảm bảo xác suất truyền thành công sẽ tăng lên

Ngoài phương pháp báo hiệu JET ra còn có một số phương pháp báo hiệu khác trong mạng quang như là JIT (Just-In-Time) và TAW (Tell-And-Go).Các phương pháp này được giới thiệu trong [16][29]

2 3 TỔNG KẾT CHƯƠNG

Trong chương này chúng ta đã giới thiệu về các kỹ thuật định tuyến và gán bước sóng cơ bản trong mạng WDM Sau đó chúng ta đi tìm hiểu về các công nghệ chuyển mạch quang, đặc biệt là về công nghệ chuyển mạch chùm quang OBS Đây là vấn đề sẽ liên quan đến phần nội dung chính của luận văn, tìm hiểu về chất lượng dịch vụ trong mạng IP/WDM sử dụng chuyển mạch chùm quang Chương tiếp theo chúng ta sẽ nói đến sự tích hợp IP trên mạng WDM và các kỹ thuật liên quan

Chương 3

TRUYỀN DẪN IP TRÊN MẠNG WDM 3.1 SỰ TÍCH HỢP IP VÀ MẠNG QUANG

Ngày nay lưu lượng IP đã trở thành lưu lượng lấn át trên hầu hết các mạng viễn thông Sự phát triển và sử dụng rộng rãi của các mạng TCP/IP ủy thác các mạng IP không chỉ đáp ứng được sự phát triển mong muốn theo số lượng mà nó còn thỏa mãn các khía cạnh khác của các mạng viễn thông truyền thống ví dụ như sự chọn lọc và các phương thức điều khiển làm nó thuận tiện trong hoạt động hoặc hiệu năng Mặt khác, các mạng quang ngày càng được ứng dụng rộng rãi nhằm nâng cao băng thông, đáp ứng yêu cầu truyền thông ngày càng cao trên mạng Do đó, để nâng cao năng lực của hệ thống, công nghệ mạng IP cần phải được tích hợp với một mạng quang chặt chẽ hơn Để đạt được yêu cầu này, mạng quang cần phải linh hoạt, có khả năng tự cấu hình và có khả năng hỗ trợ các mô hình bảo vệ và khôi phục lỗi

3.1.1 Khái niệm

3.1.1.1 Mô hình mạng quang

Có rất nhiều phương pháp tích hợp IP trên mạng quang Tuy nhiên, vấn đề đầu tiên cần phải được đề cập đến đó là một mạng quang chính xác là như thế nào Chúng ta có thể định nghĩa mạng quang là một hệ thống truyền thông sử dụng các thiết bị quang và các kỹ thuật như là thực thể vận chuyển cơ bản được sử dụng rộng rãi trong các mạng SDH/SONET, WDM và các công nghệ kết nối quang như Ethernet quang tốc độ gigabit… Mục đích là làm cho mạng quang trở nên khác biệt với những mô hình mạng truyền thống như mạng điểm-điểm, mạng ring và mạng dạng lưới

Hình 3.1 Mô hình mạng quang [36]

Tổng quan thì mô hình mạng IP bao gồm rất nhiều bộ định tuyến IP tốc độ cao được kết nối với nhau bởi mạng lõi quang Các bộ định tuyến này thường nằm ở biên của mạng quang Như chúng ta có thể thấy ở hình 3.1, một mạng quang được kết nối bởi rất nhiều mạng khách hàng khác thông qua các giao diện người dùng (User Network Interface-UNI) Chú ý rằng các mạng khách hàngcó thể bao gồm các mạng IP và các dạng mạng khác, ví dụ như mạng STM Hơn nữa, chúng ta vẫn có thể thấy rằng bản thân một mạng quang bao gồm rất nhiều mạng con quang được kết nối với nhau thông qua giao diện nút mạng (Network Node Interface –NNI) Mạng quang được coi là mạng vận chuyển dữ liệu người dùng Mạng này là trong suốt đối với tốc độ và sự mã hóa của lưu lượng khách hàng

3.1.1.2 Các vấn đề chính

Vấn đề đầu tiên là làm thế nào để thích nghi và sử dụng các giao thức điều khiển IP trong sự điều khiển mạng quang Trong trường hợp này “nó bao gồm thiết kế mới các giao thức báo hiệu và điều khiển hoặc trang bị thêm các giao thức điều khiển và báo hiệu IP hiện có để sử dụng cho mạng quang nhằm mục đích quản lý gắn kết các đầu, cung cấp và khôi phục các quang tuyến dọc theo các mạng quang Vấn đề thứ hai đó chính là làm thế nào để vận chuyển lưu lượng IP trên mạng quang Điều này bao

hàm một số vấn đề, tập trung vào căn chỉnh các tuyến từ một điểm đầu IP đến một điểm khác qua mạng quang và xác định khả năng đến của IP

3.1.1.3 Mặt phẳng dữ liệu và mặt phẳng điều khiển

Giả sử rằng mặt phẳng dữ liệu sẽ sử dụng mô hình phủ (overlay) trong đó mạng quang cung cấp các đường ống (pipe) để truyền dẫn dữ liệu IP Thông qua các đường ống này, các gói tin IP có thể được vận chuyển và chúng không thể nhìn thấy các chuyển mạch quang từ góc độ gói tin Đặc tính chính của mô hình phủ này là các chuyển mạch quang đều không nhận thức được các gói tin IP một các rời rạc Chính vì vậy nó không thể xử lý từng gói tin IP rời rạc dựa vào phần đầu của bản tin được Do đó, giải pháp đưa ra hiện nay chính là sử dụng các bộ OXC có thể điều khiển động trong hệ thống mạng Với các bộ kết nối chéo quang OXC này, một tuyến quang sẽ được thiết lập trên mạng trước khi dữ liệu được truyền đi Kết quả là lưu lượng IP sẽ được xử lý bằng cách đưa vào đường hầm quang từ cổng vào (ingress) của mạng quang và đi ra khỏi mạng từ đầu ra (egress port)

Ngược lại với mặt phẳng dữ liệu, mặt phẳng điều khiển có thể nằm trong một số mô hình khác nhau Giống như với mặt phẳng dữ liệu, chúng ta cũng có thể giả sử mặt phẳng dữ liệu sử dụng mô hình phủ, ngoài ra còn một số mô hình khác như mô hình đồng đẳng (peer-to-peer), mô hình mở rộng… [36]

Trong một mạng quang, mặt phẳng điều khiển được sử dụng để phối hợp các giải thuật nhằm cung cấp các chức năng sau:

- Giao thức báo hiệu dùng để thiết lập, duy trì và ngắt một kết nối

- Quy trình định tuyến nhằm điều khiển cấu trúc liên kết mạng, sử dụng tài nguyên, và tính toán tuyến truyền

- Sắp xếp hệ thống đặt tên và định địa chỉ

- Giao thức báo hiệu dành cho truyền thông giữa thực thể yêu cầu dịch vụ và các thực thể cung cấp dịch vụ

3.1.2 Kiến trúc và các mô hình định tuyến

Như đã nói ở phần trên, theo quan điểm của kiến trúc mạng, mặc dù các mô hình mạng khác nhau về báo hiệu và kiến trúc điều khiển nhưng về cơ bản chúng có cùng mô hình truyền dữ liệu Mặt phẳng dữ liệu IP trên mạng quang được thực hiện trên mạng che phủ của tuyến quang Mặt khác, các bộ định tuyến IP và OXC có lại mối quan hệ đẳng cấp hoặc mối quan hệ dạng chủ-khách trong mặt phẳng điều khiển Như trong hình 3.2a ta thấy thiết bị của người dùng truy xuất các dịch vụ thông qua một giao thức báo hiệu UNI định nghĩa tốt để yêu cầu hoặc giải phóng các kết nối điểm – điểm đã thực hiện qua mạng quang Đây được gọi là mô hình che phủ (overlay model) do thiết bị người sử dụng không thể biết được cấu trúc bên trong của mạng quang[30] Hình 3.2b trình bày mô hình đồng cấp trong đó thiết bị của người sử dụng hoàn toàn nắm được cấu trúc của mạng quang, tạo nên quan hệ đồng cấp giữa các OXC của mạng quang và thiết bị người sử dụng Điều này dẫn đến kiến trúc IP trên mạng quang được định nghĩa một cách cơ bản bởi sự tổ chức của mặt phẳng điều khiển

Hình 3.2 Mối quan hệ giữa các bộ định tuyến IP và OXC trong mặt phẳng điều khiển (a) mô hình che phủ (overlay) (b) mô hình đồng cấp (peer) [36]

Từ hình 3.1 ở phần trước chúng ta có thể thấy rằng có hai loại giao diện chính trong mô hình mạng quang, giao diện NNI và giao diện UNI Giao diện NNI là giao diện giữa hai mạng quang với nhau, còn giao diện UNI là giao diện giữa mạng khách hàng và mạng quang Trong cả hai trường hợp, một phía của giao diện có thể coi như là bên đề xuất dịch vụ cho phía còn lại

Tùy thuộc vào các dạng dịch vụ và phương thức triệu gọi dịch vụ mà người ta có thể chia thành hai mô hình chính Mô hình thứ nhất được gọi là mô hình dịch vụ miền và mô hình thứ hai là mô hình dịch vụ hợp nhất[36] Hình 3.3 mô tả hai mô hình dịch vụ này Sự khác biệt giữa hai mô hình ở chỗ một mô hình có thể định địa chỉ khác biệt hoàn toàn trong khi mô hình sau có chung không gian địa chỉ

Hình 3.3 (a) Mô hình dịch vụ miền (b) Mô hình dịch vụ hợp nhất[36]

- Mô hình dịch vụ miền: Trong trường hợp này giao diện đưa ra một đề xuất rõ ràng về một bộ dịch vụ được định nghĩa tới người dùng Các mặt phẳng điều khiển và định địa chỉ được coi là hoàn toàn tách biệt với những cái đang tồn tại trong mạng quang cũng như trong mạng khách hàng Do đó, mỗi miền được coi như có báo hiệu và kiểu định địa chỉ riêng Điều này được minh họa trong hình 3.3a bằng đường nét đứt bao quanh