Bảo vệ, phục hồi và phân bổ lại tài nguyên trong mạng truyền tải quang WDM luận văn tốt nghiệp đại học

Trờng Đại học vinh Khoa ĐIệN Tử VIễN THÔNG ===== ===== Đồ áN tốt nghiệp ĐạI HọC Đề tài: bảo vệ, phục hồi và phân bổ lại tài nguyên trong mạng truyền tải quang wdm Giảng viên hớng dẫn : ThS. Phạm Mạnh Toàn Sinh viên thực hiện : Thái doãn tiến Lớp : 47k - đtvt Vinh, 5/2011 MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU 1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WDM 3 1.1 Giới thiệu chung về hệ thống thông tin quang .3 1.2 Giới thiệu về công nghệ WDM 4 1.3 Các công nghệ dùng trong mạng thông tin quang 5 1.3.1 TDM (Time Division Multiplexing) 6 1.3.2 SONET/SDH .6 1.3.3 Gigabit Ethernet 8 1.4 Hệ thống thông tin quang nhiều kênh .8 1.5 Tiến trình phát triển mạng truyền tải .9 1.6 Công nghệ WDM .11 1.6.1 Ưu nhược điểm của công nghệ WDM .13 1.6.3 Cấu trúc mạng WDM .14 1.6.3.1 Mô hình phân lớp 15 1.6.3.2 Các phần tử trong mạng quang WDM .18 Chương 2. BẢO VỆ TRONG MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG WDM. .26 2.1 Sự cần thiết phải bảo vệ ở tầng quang 27 2.2 Các khái niệm cơ bản 29 2.2.1 Bảo vệ riêng 30 2.2.2 Bảo vệ chia sẻ .31 2.2.3 Bảo vệ đoạn ghép kênh quang 31 2.3 Các phương thức bảo vệ theo cấu hình mạng 31 2.3.1 Bảo vệ ở lớp kênh quang .31 2.3.1.1 Bảo vệ riêng cho cấu hình điểm - điểm .31 2.3.1.2 Bảo vệ riêng cho cấu hình ring (OCh - DPRing) 33 2.3.1.3 Bảo vệ chia sẻ cho cấu hình điểm - điểm 35 2.3.1.4 Bảo vệ chia sẻ cho cấu hình ring (OCh - SPRing) 36 2.3.1.5 Bảo vệ chia sẻ cho cấu hình Mesh 38 2.3.2 Bảo vệ ở lớp đoạn ghép kênh quang 42 2.3.2.1 Bảo vệ riêng cho cấu hình điểm - điểm .42 2.3.2.2 Bảo vệ riêng cho cấu hình vòng ring (OMS - DPRing) 43 2.3.2.3 Bảo vệ chia sẻ cho cấu hình vòng ring (OMS - SPRing) 44 2.4 Các phương pháp bảo vệ trong kiến trúc liên kết giữa các lớp quang .49 2.4.1 Lựa chọn các kiến trúc mạng tham chiếu 49 2.4.2 Liên kết giữa các mạng con và vấn đề bảo vệ 53 2.4.2.1 Bảo vệ với kiến trúc ring ảo (VRA) .53 2.4.2.2 Các kiến trúc ring ảo cải tiến 55 Chương 3. PHỤC HỒI MẠNG VÀ PHÂN BỔ LẠI TÀI NGUYÊN .60 3.1 Các khái niệm .60 3.1.1 Phục hồi .60 3.1.1.1 Phục hồi đầu cuối - tới - đầu cuối .61 3.1.1.2 Phục hồi tại nút kế cận sự cố .62 3.1.1.3 Phục hồi tại nút trung gian 63 3.1.2 Cấp phát tài nguyên 64 3.1.3 Các phương thức thực thi cấp phát tài nguyên .65 3.1.4 Cấp phát tài nguyên trong các kỹ thuật bảo vệ mạng 66 3.1.4.1 Bảo vệ trên chính bước sóng của thực thể được bảo vệ (khi chỉ có các nút WR) .66 3.1.4.2 Bảo vệ trên các bước sóng khác nhau (trường hợp có sẵn các nút WC) 67 3.1.4.3 Bảo vệ trên các tuyến đa bước sóng (trường hợp các nút WR khả dụng) 67 3.2 Phân bổ lưu lượng trong quá trình hồi phục mạng .67 3.2.1 Định tuyến lưu lượng và cấp phát tài nguyên cho các mạng quang WDM với lưu lượng tĩnh .67 3.2.2 Định tuyến lưu lượng và cấp phát tài nguyên cho các mạng quang WDM với lưu lượng tải động .69 3.2.3 Phương pháp định tuyến trong mạngWDM cấu trúc Ring .72 3.2.3.1 Định tuyến trong mạng ring đơn .74 3.2.3.2 Định tuyến trong mạng đa ring .80 3.2.4 Phương pháp định tuyến trong mạng quang WDM cấu trúc Mesh .83 3.2.4.1 Định tuyến cố định 83 3.2.4.2 Định tuyến luân phiên cố định 84 3.2.4.3 Định tuyến thích nghi .84 3.2.4.4 Định tuyến bảo vệ 85 3.3 Kết luận .87 KẾT LUẬN .88 TÀI LIỆU THAM KHẢO .89 DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU Hình 1.1 Băng tần truyền dẫn sợi quang .5 Hình 1.2: Ghép kênh theo thời gian 6 Hình 1.3: Nguyên tắc ghép kênh trong mạng SONET .7 Hình 1.4 Xu hướng phát triển kiến trúc mạng .11 Hình 1.5 Nguyên lý cơ bản của hệ thống thông tin quang .13 Hình 1.6. Các lớp con trong lớp quang của mạng WDM 16 Hình 1.7 Vị trí của hệ thống WDM trong mạng truyền .17 Hình 1.8 Xu hướng mạng truyền tải quang trong tương lai 18 Hình 1.9 Cấu trúc của một hệ thống WDM đơn giản .18 Hình 1.10 Cấu trúc bộ ghếp kênh xen rẽ .20 Hình 1.11 Các chức năng của OADM theo mô hình phân lớp 21 Hình 1.12 Thiết bị nối chéo .22 Hình 1.13 Chức năng của OXC theo mô hình phân lớp .22 Hình 1.14 Cấu trúc bộ ghép kênh quang .23 Hình 2.1 Hệ thống WDM cấu hình đường thẳng chuyển mạch bảo vệ 1+1 .31 Hình 2.2 Hệ thống WDM cấu hình đường thẳng chuyển mạch bảo vệ 1:1 32 Hình 2.3 OCh - DPRing hai sợi đơn hướng ở điều kiện bình thường và khi có sự cố .33 Hình 2.4 OCh - DPRing bốn sợi đơn hướng ở điều kiện bình thường và khi có sự cố .34 Hình 2.5 Mô hình chức năng của một nút OCh - DPRing .35 Hình 2.6 Mạng lưới WDM bảo vệ chia sẻ 1:N .35 Hình 2.7 OCh - SPRing khi bình thường và khi sự cố đoạn .36 Hình 2.8 OCh - SPRing khi bình thường và khi sự cố nút 37 Hình 2.9 Mô hình chức năng của một nút OCh - SPRing kế cận với sự cố .38 Hình 2.10 Bảo vệ đường trong cấu hình Mesh .39 Hình 2.11 OMS - DPRing hai sợi ở điều kiện bình thường và khi có sự cố 43 Hình 2.12 Mô hình chức năng của một nút OMS - DPRing hai sợi .43 Hình 2.13 Bảo vệ chia sẻ các kênh quang trong OMS - SPRing 44 Hình 2.15 Ring hai sợi hai hướng chuyển mạch bảo vệ đoạn ghép kênh .45 Hình 2.16 Ring hai sợi hai hướng bảo vệ sự cố đoạn OMS - 2SPRing 45 Hình 2.17 Ring hai sợi hai hướng bảo vệ sự cố nút OMS - 2 SPRing 46 Hình 2.18 Mô hình chức năng của một nút OMS - SPRing hai sợi kế cận với sự cố 46 Hình 2.19 Cấu hình của một nút sử dụng chuyển mạch quang2 × 2 (cross - bar) .47 Hình 2.20 Cấu hình của một nút sử dụng chuyển mạch quang 2 × 1 47 Hình 2.21 Ring bốn sợi hai hướng chuyển mạch bảo vệ đoạn ghép kênh 48 Hình 2.22 Ring bốn sợi hai hướng sự cố đoạn OMS - 4SPRing 48 Hình 2.23 Kiến trúc CS - Ring/CS - Ring 49 Hình 2.24 Kiến trúc OMS - SPRing hai mức 50 Hình 2.25 Kiến trúc lưới quang/OMS - SPRing .50 Hình 2.26 Kiến trúc OMS - SPRing/lưới quang 51 Hình 2.27 Liên kết dual - homing dựa trên kiến trúc ring ảo, (a)áp dụng cho OC- DPRing, (b) áp dụng cho OMS - SPRing 53 Hình 2.28 Kiến trúc ring ảo cải tiến, (a) OC- DPRing, (b) OMS - SPRing55 Hình 3.1 Mô tả phục hồi đầu cuối-tới-đầu cuối đối với sự cố đoạn liên kết .60 Hình 3.2 Mô tả phục hồi đầu cuối-tới-đầu cuối đối với sự cố nút 61 Hình 3.3 Mô tả phục hồi tại nút kế cận .61 Hình 3.4 Mô tả phục hồi tại nút trung gian đối với sự cố đoạn 62 Hình 3.4 Lưu đồ giải bài toán tối ưu 76 Hình 3.5 Mạng cấu trúc theo đa ring 80 Hình 3.6 Đường ngắn nhất cố định .83 Hình 3.7 Định tuyến luân phiên cố định .83 Hình 3.8 Định tuyến thích nghi từ nút 0 đến nút 2 .85 Bảng 2.1 So sánh một số tham số của bốn kiến trúc mạng tham khảo .51 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ADM Add Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen/rẽ AOTN All Optical Transport Network Mạng truyền tải toàn quang APD Avalance Photodiode Diôt tách sóng thác APS Automatic Protection Switching Chuyển mạch bảo vệ tự động ARC Alarm Reporting Control Điều khiển báo cảnh báo ASE Amplified Spontaneous Emission Phát xạ tự phát được khuyếch đại AST Alarm Status Function Chức năng trạng thái cảnh báo ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền không đồng bộ CTP Connection Termination Point Điểm đầu cuối kết nối DEMUX Demultiplexer Bộ tách kênh 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 DP-WSHR Dedecated-Path-Switched WDM self-healing ring Ring WDM tự hồi phục chuyển mạch bảo vệ tuyến riêng EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuyếch đại sợi có pha tạp Erbium FWM Four-Wave Mixing Trộn bốn bước sóng HP Higher order Path Tuyến bậc cao IP Internet Protocol Giao thức Internet ITU International Telecommunications Union Liên minh viễn thông quốc tế LC Link Connection Kết nối tuyến LOS Loss Of Signal Mất tín hiệu LP Lower order Path Tuyến bậc thấp LSA Link State Advertisement Thông báo trạng thái tuyến MPLS MultiProtocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức MP λ S MultiProtocol Labda Switching Chuyển mạch bước sóng đa giao thức MS Multiplex Section Đoạn ghép kênh M-WSHR Multiple WDM Self Healing Ring Protection Bảo vệ đa ring WDM tự hồi phục MUX Multiplexer Bộ ghép kênh NZ-DSF Non-ZeroDispersion Shifted Fibre Sợi dịch tán sắc khác không OA Optical Amplier Bộ khuếch đại quang OADM Optical Add/Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen/rẽ quang OBPSR Optical Bi-directional Protection Ring chuyển mạch bảo vệ tuyến Switching Ring hai hướng OBS Optical Bust Switching Chuyển mạch cụm quang OC Optical Carrier Truyền tải quang OC-DPRing Optical Carrier-Dedicated Protection Ring Ring bảo vệ dành riêng ở truyền tải quang OCG Optical Channel Group Nhóm kênh quang OCh Optical Channel Kênh quang OCh-DPRing Optical Channel-Dedicated Protection Ring Ring bảo vệ dành riêng ở kênh quang OCh-SPRing Optical Channel Shared Protection Ring Ring bảo vệ chia sẻ kênh quang O-E-O Optical-Enectronical-Optical Biến đổi quang-điện-quang OMS Optical Multiplex Section Đoạn ghép kênh quang OMS- DPRing Optical Multiplex Section -Dedicated Protection Ring Ring bảo vệ dành riêng ở đoạn ghép kênh quang OMSP Optical Multiplex Section Protection Bảo vệ đoạn ghép kênh OMS- SPRing Optical Multiplex Section -Shared Protection Ring Ring bảo vệ dùng chung ở đoạn ghép kênh quang OS Optical Source Nguồn quang OSNCP Optical Subnet Connection Protection Bảo vệ kết nối mạng con quang OTDM Optical Time Division Multiplexing Ghép kênh quang phân chia theo thời gian OTM Optical Termination Multiplexer Bộ đầu cuối ghép kênh quang OTS Optical Transmission Section Đoạn truyền dẫn quang OXC Optical Crossconnect Nối chéo quang PCM Pulse Code Modulation Điều chế xung mã PDH Plesiochronous Digital Hierachy Phân cấp số cận đồng bộ PIN Positive Intrinsic Negative Cấu trúc bán dẫn P-N có lớp tự dẫn bên trong PPS Path Protection Switching Chuyển mạch bảo vệ tuyến QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ SDH Synchronous Digital Hierachy Phân cấp số đồng bộ SNCP SubNet Connection Protection Bảo vệ kết nối mạng con SNR Signal-Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SONET Synchronous Optical Network Mạng quang đồng bộ TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời gian TWP Tuneable Wavelength Path Tuyến bước sóng đường hầm VC Virtual Carrier Mạch ảo VRA Virtual Ring Architecture Kiến trúc Ring ảo VWP Virtual Wavelength Path Tuyến bước sóng ảo WC Wavelength Converter Bộ chuyển đổi bước sóng WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng WP Wavelength Path Tuyến bước sóng WR Wavelength Receiver Bộ nhận bước sóng LỜI NÓI ĐẦU Xã hội phát triển kéo theo nhiều ngành khác phát triển mạnh mẽ, trong đó có viễn thông và công nghệ thông tin nhằm đáp ứng những nhu cầu ngày càng nhiều và càng cao của con người. Khách hàng ngày càng được cung cấp nhiều dịch vụ mới với chất lượng và tốc độ được cải tiến. Điều đó đồng nghĩa với việc các nhà cung cấp phải cải thiện các công nghệ cũ và nghiên cứu các công nghệ mới để đảm bảo cung cấp cho khách hàng các dịch vụ: đảm bảo chất lượng mà giá thành thấp. Một trong các giải pháp được đưa ra là công nghệ ghép kênh theo bước sóng (công nghệ ghép kênh quang WDM). Khái niệm ghép kênh quang đã xuất hiện từ năm 1958, nhưng mãi đến năm 1997 Tomlinson và Aumiller mới đưa vào ứng dụng đầu tiên trong thực tế. Ghép bước sóng quang hay còn gọi là ghép kênh quang theo tần số là một phương thức truyền dẫn mang lại nhiều lợi ích về kinh tế và vấn đề quản lý mạng. Chính vì vậy mà phạm vi ứng dụng của nó đã mở rộng một cách nhanh chóng. Các nhà tổ chức thế vận hội Olympic mùa đông 1992 đã sử dụng tuyến cáp quang ghép bước sóng để truyền các chương trình giữa các địa điểm thi đấu đến thành phố Alberville. Hiện ghép bước sóng quang đã được ứng dụng rộng rãi trên các mạng truyền dẫn như hệ thống truyền hình cáp, trong mạng nội hạt, trong mạng truy nhập thuê bao và chủ yếu là trong các hệ thống cáp quang biển. Ở Việt Nam, mạng lưới truyền tải quang trong những năm qua đã đáp ứng được nhu cầu của người sử dụng. Nhưng với xu hướng phát triển các dịch vụ đa phương tiện (yêu cầu băng thông lớn) thì mạng truyền tải đó sẽ sớm rơi vào tình trạng quá tải. Chính vì vậy, công nghệ ghép bước sóng quang (WDM) được chọn làm giải pháp để giải quyết vấn đề đó. Tháng 4 năm 1998, Việt Nam bắt đầu triển khai xây dựng trạm cập bờ tuyến cáp quang biển SEA - ME - WE 3 nối 33 quốc gia khác nhau của Châu Á và Tây Âu có tốc độ bit