2.4.1 Lựa chọn các kiến trúc mạng tham chiếu
Trong thực tế các mạng quang thường được xây dựng theo kiến trúc phân cấp, mỗi cấp có thể xem như một miền mạng con. Các miền mạng con được triển khai thường sử dụng các cấu hình cơ bản như CS - Ring, OMS - Ring, và cấu hình lưới quang của các OXC.
• CS - Ring là một kiến trúc thuận lợi cho việc kết hợp các chức năng SDH của các thiết bị sẵn có trên mạng (định tuyến và bảo vệ MS) với chức năng định tuyến quang của các nút logic.
• OMS - SPRing là một kiến trúc mạng toàn quang tiên tiến hỗ trợ thực thi cả định tuyến và bảo vệ quang. Do đó kiến trúc này rất quan trọng đối với việc lập kế hoạch cho các mạng quang.
• Kiến trúc lưới quang của các OXC hỗ trợ định tuyến và hồi phục quang giúp đơn giản hoá sự phức tạp khi xây dựng các mạng cấu hình lưới dung lượng cao từ các thiết bị tầng điện.
Dựa trên ba cấu hình cơ bản CS - Ring, OMS - SPRing, và cấu hình lưới quang của các OXC chúng ta xây dựng bốn kiến trúc mạng tham chiếu sau:
• Kiến trúc CS - Ring hai mức: hình 2.23 thể hiện một kiến trúc CS- Ring/CS hai mức. λk λi λi λi CS - Ring CS - Ring CS - Ring Hình 2.23 Kiến trúc CS - Ring/CS - Ring
Đây là một kiến trúc phân cấp gồm hai CS - Ring liên kết với nhau thông qua các kết nối chéo SDH. Ưu điểm chính của kiến trúc này là việc cấp phát bước sóng có thể được lập kế hoạch cho mỗi Ring một cách độc lập.
• Kiến trúc OMS - SPRing hai mức: hình 2.24 thể hiện kiến trúc OMS- SPRing hai mức
Ưu điểm chính của kiến trúc này là kết nối quang giữa các Ring. Trong các hub khả năng mềm dẻo mức kênh quang phụ thuộc vào dung lượng kết nối chéo quang mà các OADM cung cấp.
• Kiến trúc hai mức lưới/Ring: hình 2.25 thể hiện kiến trúc lưới quang/ OMS-SPRing hai mức.
λi λi λk λi
OMS - SPRing
Hình 2.24 Kiến trúc OMS – SPRing hai mức
OMS - SPRing OMS - SPRing λk λi λi λi OMS - Ring OMS - Ring
Hình 2.25 Kiến trúc lưới quang/OMS - SPRing
OX C OX C OX C OX C
Đây là một kiến trúc có nhiều hứa hẹn ứng dụng nhất trong tương lai. Lưu lượng ở các Ring lớp dưới được tập hợp và truyền tải bởi lớp bên trên có lưu lượng rất cao giống như trong mạng SDH truyền thống. Trong một mạng lớn các OXC có thể có chức năng biến đổi bước sóng nhằm thiết lập rất nhiều tuyến quang. Phương thức bảo vệ kết nối mạng con (OSNCP) (bảo vệ tuyến 1+1) có thể là một lựa chọn cho kiến trúc này.
• Kiến trúc hai mức Ring/lưới: hình 2.26 thể hiện kiến trúc OMS- SPRing/ lưới quang hai mức.
Trong một số trường hợp kiến trúc này có thể cung cấp một giải pháp tối ưu, khi đó ta sẽ có một Ring quang dung lượng rất cao liên kết giữa các mạng con có cấu hình lưới ở tầng dưới. Vấn đề bảo vệ tương tự kiến trúc hai mức lưới/ring.
Bảng 2.1 So sánh một số tham số của bốn kiến trúc mạng tham khảo
Các tham số CS - Ring hai mức OMS-SPRing hai mức OMS - SPRing/ lưới quang Lưới quang/ OMS - SPRing Kết nối SDH(VC- 4/3/12) Quang(OC) bị hạn chế
Quang (OC) Quang(OC)
(VC-4/3/12) λk λi λi OX C OMS - SPRing λi
Hình 2.26 Kiến trúc OMS – SPRing/lưới quang
OX C OX C OX C OX C OX C OX C OX C
Phục hồi ở tầng quang
Không Có (hạn chế) Có (hạn chế) Có
Mềm dẻo SDH OXC Giới hạn Tốt Tốt
Mức kết nối
VC4 Bước sóng Bước sóng Bước sóng
Mức độ Thấp Tốt Tốt Tốt
Thiết bị Hub
SDXC OADM OXC OXC(SDXC)
Loại mạng con
Ring Ring Ring/OXC/Link Ring/OXC/Link
2.4.2 Liên kết giữa các mạng con và vấn đề bảo vệ
Hoạt động liên kết bảo vệ giữa các miền mạng quang phụ thuộc vào chức năng và đặc tính của các nút kép liên kết giữa các mạng con. Nhằm đơn giản hoá chủ đề phức tạp này ta chỉ tập trung vào phân tích kiến trúc mạng vòng ring hai sợi.
Trong các mạng quang thực tế, hai ring con thường liên kết với nhau thành một ring kép thông qua hai nút OADM và tạo lên hai kiến trúc: kiến trúc ring ảo (VRA), kiến trúc tách và chuyển tiếp.
2.4.2.1 Bảo vệ với kiến trúc ring ảo(VRA)
Kiến trúc ring ảo ban đầu có thể chỉ được ứng dụng cho OC - DPRing. Phương thức định tuyến và bảo vệ được chỉ ra trên hình 2.27a sử dụng các nút liên kết để chuyển tiếp viền (border) giữa các vòng ring tại cùng bước sóng.
Đối với OMS-SPRing như chỉ ra trên hình 2.27b cần thiết lập các bước sóng từ A tới B, và định tuyến các bước sóng theo một tuyến đường tách biệt. Trong thực tế hoạt động bảo vệ ở tầng OMS được kết hợp với phân tập tuyến ở tầng OCh. Các phương thức bảo vệ được áp dụng để phục hồi một sự cố nút hoặc đoạn liên kết xảy ra trong mỗi ring, còn chiến lược phân tập tuyến được dùng để phục hồi kết nối đối với sự cố đoạn liên kết giữa hai ring. Tuy vậy nếu các bước sóng nàycùng mang các kết nối tầng client như nhau thì giải
pháp này sẽ tồi hơn giải pháp ứng dụng VRA trên các OC - DPRing, vì nó yêu cầu băng thông gấp đôi mà không tăng được độ khả dụng. Nói chung khi ứng dụng phân tập tuyến tính thì mỗi tuyến giữa một cặp nút chỉ mang một nửa các kết nối tầng client giữa hai nút đó, dẫn đến hai hệ quả:
• Số lượng bước sóng mang trên tầng quang theo nguyên lý chỉ được một nửa nếu không thì sẽ không cung cấp được tài nguyên dự phòng mặc dù điều này có thể càng làm giảm thêm mức sử dụng thấp của các kênh quang khi lượng nhu cầu tầng client không đủ lớn.
• Khả năng phục hồi nhanh các kết nối client chống lại các sự cố được thực thi tại một trong hai tầng gần sự có hơn.
Trên thực tế trong những trường hợp này kiến trúc hình 2.27b sẽ truyền một nửa số kết nối của tầng client giữa hai nút A, B trên bước sóng λ1 và một nửa còn lại trên bước sóng λ2. Do đó nó có thể:
L1 L2 L3 L4 Nút A Nút B L1 L2 L3 L4 Nút A Nút B Hình a Hình b
Hình 2.27 Liên kết dual – homing dựa trên kiến trúc ring ảo, (a)áp dụng cho
• Phục hồi tất cả các kết nối client khi xảy ra một sự cố nút đơn hoặc sự cố đoạn đơn trong mỗi ring.
• Chỉ phục hồi một nửa các kết nối client khi xảy ra một sự cố đoạn liên kết.
Điều này giúp tăng cường hiệu quả sử dụng tài nguyên như khi sử dụng VRA trên OCh-DPRing nhưng lại giảm khả năng phục hồi nhanh liên kết. Do đó phương thức trong hình 2.27b không thể được xem như một liên kết dual- homing.
2.4.2.2 Các kiến trúc ring ảo cải tiến
Có một số kiến trúc khác có thể tăng cường hiệu năng của VRA trên OCh - DPRing mà không nhất thiết phải sử dụng chức năng tách và chuyển tiếp quang là giải pháp sử dụng một single - homing trên các ring liên kết vật lý với nhau qua các nút kép. Hình 2.28 miêu tả kiến trúc này trong các trường hợp OCh - DPRing và OMS - SPRing. Liên kết logic là một single-homing vì mỗi bước sóng được tách từ ring bởi duy nhất một OADM.
Mục đích ở đây là sử dụng mỗi bước sóng để truyền một nửa số kết nối tầng client nên về mặt nguyên lý thì yêu cầu tài nguyên giống như trường hợp của VRA trên OCh - DPRing (hoặc tốt hơn tương đương với OMS-SPRing).
Mỗi mạng con (SSN ví dụ một ring) không chỉ phục hồi một sự cố nút đơn hoặc sự cố đoạn đơn, mà có thể cho phép chống lại cả trường hợp nhiều xảy ra sự cố (mỗi sự cố trên một ring) giữa nút A và B. Nhưng cả hai kiến trúc này đều kém hơn kiến trúc sử dụng VRA trên OCh - DPRing tại các nút liên kết: chỉ phục hồi một nửa số kết nối tầng client khi xảy ra sự cố tại vị trí liên kết. Nếu thực thi bảo vệ cục bộ 1:N các kênh quang liên kết giữa L1 và L3,giữa L2 và L4 để vượt qua điểm yếu này thì giải pháp này cũng khá hiệu quả về mặt chi phí. L1 L2 L3 L4 Nút A Nút B L1 L2 L3 L4 Nút A Nút B Hình a Hình b
Nhìn toàn cảnh một mạng quang ta có thể thấy nó được cấu thành từ một mạng lõi (mạng trục - back bone) và các mạng con thành phần liên kết với mạng lõi mạng lõi và liên kết với nhau. Các kịch bản bảo vệ trong các mạng WDM được phân tích trong các cấu trúc tô - pô cơ bản như đường thẳng, vòng ring, lưới (mesh). Hai cấu hình vòng ring và mesh hiện đang thu hút được sự quan tâm chủ yếu của các nhà thiết kế. Sau đó nghiên cứu hoạt động này khi liên kết giữa các mạng con với nhau, và khi liên kết với các tầng khác bên trên (như SDH, ATM,IP…) .
Đối với cấu hình đường thẳng ta có thể áp dụng trực tiếp các kỹ thuật bảo vệ tuyến riêng/chia sẻ. Mặc dù được bảo vệ nhưng cấu hình này tiềm tàng rất nhiều nguy cơ như đứt cả tuyến cáp hay sự cố thiết bị nên nó chỉ được sử dụng ở giai đoạn đầu thử nghiệm chưa phát triển dung lượng mà không mấy khi được sử dụng trong các mạng qui mô lớn. Các phương thức bảo vệ 1+1/1:1 SONET/SDH. Điểm khác biệt giữa bảo vệ WDM và SDH là khi ở chỗ khi xuất hiện sự cố trên một sợi hoạt động thì chuyển mạch của đầu thu tương ứng của phía phát đó không biết gì. Trong khi ở SDH cả hai đầu thu đều biết trạng thái của sợi bảo vệ.
Các kiến trúc OCh - DPRing và OCh - SPRing thực thi bảo vệ ở lớp kênh quang. Các kiến trúc OMS - DPRing và OMS - SPRing thực thi bảo vệ ở lớp đoạn ghép kênh quang nên tất cả các kênh quang trên cùng một chặng sẽ được bảo vệ đồng thời khi xuất hiện sự cố.
OCh - DPRing sử dụng các chuyển mạch quang để chuyển mạch lưu lượng lên sợi bảo vệ khi xảy ra sự cố và không yêu cầu báo hiệu. Cấu hình này có thể chống lại sự cố chặng đơn, sự cố đa chặng, hay sự cố tại nút trung gian trên tuyến hoạt động nhưng có nhược điểm chung là yêu cầu chi phí đắt hơn so với các giải pháp khác. Trường hợp OC - DPRing bốn sợi nếu cho phép tái sử dụng các bước sóng thì tổng số bước sóng sẽ giảm xuống nhưng yêu cầu chuyển mạch bảo vệ ở cả hai đầu cuối để tránh xung đột bước sóng trên sợi bảo vệ khi xảy ra sự cố.
OCh - DPRing sử dụng hai sợi để truyền tải lưu lượng theo cả hai hướng. Trong điều kiện bình thường, mỗi sợi mang một bước sóng khác nhau (λ1
thuận chiều kim đồng hồ, λ2 ngược chiều kim đồng hồ). Nếu một đoạn hay một nút bị sự cố thì các nút kế cận sẽ định tuyến lại các bước sóng cho đoạn cung bù của nó.
Cấu hình OMS - SPRing phải thiết kế bảo vệ riêng cho từng chặn nên rất đắt và không có tính khả thi. Cấu hình OMS - SPRing bảo vệ chia sẻ nên cho phép sử dụng tài nguyên khá hiệu quả. OMS - 2 SPRing truyền lưu lượng trên cả hai sợi, mỗi sợi cấp phát một nửa tổng số các bước sóng cho các kênh hoạt động, nửa còn lại dự phòng bảo vệ các kênh hoạt động trên sợi kia. Nếu một đoạn hay một nút bị sự cố, các nút kế cận sử dụng các chuyển mạch 2×2 định tuyến lại các kênh hoạt động truyền qua đoạn cung đó lên các kênh bảo vệ của sợi truyền ngược hướng tại cùng một bước sóng hoạt động.
OMS - 4 SPRing là ring WDM hai hướng mỗi chặng có bốn sợi quang, một cặp sợi quang dùng để truyền lưu lượng hoạt động, một cặp sợi quang kia dành cho dự phòng bảo vệ cho cặp hoạt động. Khi xảy ra sự cố sử dụng các chuyển mạch nhanh 2×2 tại hai nút kế cận với sự cố chuyển mạch bảo vệ để
nối vòng lưu lượng trên các sợi hoạt động lên các sợi bảo vệ. Yêu cầu có báo hiệu để phối hợp chuyển mạch ở cả hai nút kết cuối sự cố.
Cả hai giải pháp bảo vệ 1+1 và 1:1 đều dành tới 50% dung lượng cho bảo vệ và có thể áp dụng bảo vệ từng kênh quang trong mạng lưới WDM, các OXC chuyển tiếp không phải cấu hình lại trong trường hợp xảy ra sự cố. Cơ chế bảo vệ riêng có thể phân chia thành hai loại: một là loại tuyến bảo vệ và tuyến hoạt động chỉ tách biệt về SRG, hai là tuyến bảo vệ và tuyến hoạt động tách biệt cả về SRG và các nút trung gian.
Trong bảo vệ chia sẻ tuyến, một tuyến quang bảo vệ giữa hai nút được thiết lập để bảo vệ cho N tuyến quang hoạt động giữa hai nút. Bước sóng dự phòng dành riêng trên các đoạn của đường dự phòng có thể chia sẻ với các đường dự phòng khác. Giải pháp này giảm được chi phí nhưng phức tạp hơn về cách thức thực hiện do yêu cầu trao đổi thông tin báo hiệu và phải cấu hình lại các OXC kết cuối các kênh WDM chia sẻ.
Đối với cấu trúc mạng quang WDM hình lưới (mesh) sử dụng các OXC để chuyển mạch quang trên toàn mạng. Có nhiều cách thực thi bảo vệ đoạn trong cấu hình mesh, nhưng trên thực tế có hai chiến lược cấp phát dung lượng dự phòng phổ biến: giải pháp sử dụng các vòng ring vu hồi và giải pháp tổng quát hoá vòng lặp ngược.
Nguyên lý các vòng ring vu hồi áp dụng cho mạng lưới WDM như sau: trước hết mạng được phân tích thành một số nhóm con các sợi, mỗi nhóm con được quản lý như một vòng ring và được trang bị một hệ thống bảo vệ OMS giống như OMS - SPRing. Khi đó mỗi hệ thống bảo vệ sẽ phản ứng với sự cố bằng cách nối vòng các kết nối bị sự cố. Một số giải pháp đang được nghiên cứu và hoàn thiện trên thế giới: giải pháp phủ nút. giải pháp phủ vòng, giải pháp phủ vòng kép và giải pháp P - cycle.
Trong thực tế các mạng quang thường được xây dựng theo kiến trúc phân cấp, mỗi cấp có thể xem như một mạng con. Các miền mạng con được triển khai thường sử dụng các kiến trúc cơ bản như CS - Ring, OMS - SPRing, và
kiến trúc lưới sử dụng các OXC. Dựa trên ba kiến trúc cơ bản này, ta có thể tạo ra bốn kiến trúc mạng tham chiếu là: CS - Ring hai mức, OMS - SPRing hai mức, kiến trúc lưới/ring, và kiến trúc ring/lưới.
Chương 3
PHỤC HỒI MẠNG VÀ PHÂN BỔ LẠI TÀI NGUYÊN
3.1 Các khái niệm3.1.1 Phục hồi 3.1.1 Phục hồi
Phục hồi là một phương thức sử dụng các tài nguyên dự phòng khả dụng để định tuyến lại lưu lượng sau khi xảy ra sự cố, theo tình trạng khi đó của mạng.
Ở chương II ta đã nói tới vấn đề bảo vệ. Điểm phân biệt giữa hai phương thức bảo vệ và phục hồi là: các kỹ thuật bảo vệ dựa trên các kịch bản để xác định tuyến /đoạn bảo vệ cho mỗi tuyến /đoạn hoạt động cần bảo vệ trước khi xảy ra sự cố, còn các kỹ thuật phục hồi sử dụng các thuật toán định tuyến để tìm một tuyến /đoạn dự phòng khả dụng thay thế tạm thời cho tuyến /đoạn hoạt động bị ảnh hưởng sau khi xảy ra sự cố. Do đó các kỹ thuật bảo vệ thường đáp ứng thời gian hồi phục nhanh hơn các kỹ thuật phục hồi động nhưng bù lại các kỹ thuật phục hồi cho phép sử dụng các tài nguyên dự phòng mềm dẻo hơn.
Như ta đã biết môi trường WDM được chia thanh 3 lớp; lớp kênh quang