3.1 Công nghệ kênh quang
3.1.1 Kênh quang
Dung lượng truyền dẫn điểm-điểm đã tăng lên hơn hai lần trong vòng một thập kỷ qua nhờ việc sử dụng truyền dẫn sợi quang, với hệ thống có tốc độ 10Gb/s đang được xây dựng. Tuy nhiên, các hệ thông SDH, ATM, và hệ thống IP gặp phải một cản trở khi muốn tăng tốc độ truyền dẫn lên 10Gbps, đó chính là sự hạn chế tốc độ của thiết bị chuyển mạch điện tử tại các node. Công
nghệđường dẫn quang (Optical path) là bước ngoặt phá bỏ sự hạn chế này. Các đường dẫn quang được tách biệt bằng các bước sóng khác nhau. Sự ra đời của nó tạo ra bước nhảy vọt về cả dung lượng truyền dẫn và tốc độ chuyển mạch (Cross-
connect throughput) bằng việc khai thác các công nghệ WDM vàđịnh tuyến bước sóng (Wavelength routing).
Bảng 2. Các công nghệ kênh ghép kênh
Ở bảng 2 một số công nghệ ghép kênh và tạo đường dẫn khác nhau được so sánh về cách nhận biết path và cơ chế định tuyến. Các path lớp 2 được nhận ra nhờ nhãn/mào đầu (Label/header)gắn vào gói/tế bào(packet/cell). Các đường dẫn số của SDH và PDH ở lớp 1 được xác định bằng vị trí khe thời gian trong khung TDM. Trong WDM, các bước sóng được sử dụng để phân biệt các path với nhau. Định tuyến bước sóng có các đặc điểm quan trọng sau:
Định tuyến bằng phần cứng cho phép thông lượng của node định tuyến rất lớn.
Định tuyến dựa trên cơ chế Store and Forward rất khó, do thiếu bộ nhớ. Định tuyến bước sóng cho phép tại một thời điểm định tuyến được nhiều tín hiệu cóđịnh dạng khác nhau trên cùng một sợi quang.
Mặt mạnh của công nghệ WDM và định tuyến theo bước sóng là cho phép xây dựng được các hệ thống truyền dẫn quang có kích thước nhỏ, tiêu thụ công suất thấp, và có thông lượng cực lớn. Tuy nhiên số lượng path trên một sợi quang bị hạn chế khoảng nhỏ hơn 1000, dung lượng của một path khoảng hơn vài trăm Mb/s. Vì vậy đường dẫn quang được ứng dụng nhiều nhất là để tăng dung lượng đường trans access giữa các node như mô tả ở hình 19. Các đường
dẫn điện (Electric Path), như các đường dẫn số, VP, LSP, sẽđược sử dụng làm đường dẫn truy nhập dịch vụ để cung cấp các dịch vụ cụ thể và để thực hiện kỹ thuật lưu lượng cần thiết. Hiện tại các đường dẫn quang không những sẽ thay thế tất cả các đường dẫn điện, mà còn bổ sung cho chúng ví dụ dưới dạng các đường dẫn transacces. Theo đó, các mạng đường dẫn quang sẽ dần dần thay thế các mạng dựa trên đường dẫn điện.
Tóm lại, công nghệđường dẫn quang đã mạng lại lợi ích vô cùng to lớn cho mạng truyền dẫn nói chung, cụ thể là:
Ứng dụng công nghệ WDM nâng cao dung lượng truyền dẫn Định tuyến bước sóng nâng cao thông lượng của node chuyển mạch Khả năng truyền dẫn linh hoạt
Khả năng bảo vệ/phục hồi mạng hiệu quả
Dung lượng đường dẫn >1Gb/s, và số lượng đường dẫn trên một sợi quang <1000
Hình 24. Ứng dụng của đường dẫn quang
Nâng cao thông lượng chuyển mạch
Trong khi công nghệ WDM làm tăng dung lượng truyền dẫn, nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông sợi quang, thìđịnh tuyến bước sóng (Wavelength routing) lại mở rộng thông lượng của node chuyển mạch. Thông lượng của một hệ thống chuyển mạch đường dẫn quang lớn hơn hệ thống chuyển mạch TDM rất nhiều, đồng thời phần cứng thực hiện cũng đơn giản mặc dù lưu lượng cần chuyển qua rất lớn. Đó là bởi vìđịnh tuyến bước sóng không nhạy với dung lượng đường dẫn chỉ cần các thiết bị quang thụđộng (Passive Optical Devices),
không cần đồng bộ giữa các đường dẫn quang (các kênh WDM không cần được đồng bộ
Tăng thông lượng mạng với cơ chế Cut-through quang
Hình 25 so sánh công nghệ IPoWDM (IP over WDM) với các công nghệđường dẫn quang (ví dụ photonic MPLS ). Trong mạng IPoWDM, để truy nhập tuyến truyền dẫn sợi quang, tất cả các tín hiệu WDM trong sợi quang đó phải được biến đổi thành tín hiệu điện và kết thúc ở mỗi node. Toàn bộ băng thông tín hiệu trên mỗi tuyến phải được định tuyến (từng gói một) dựa trên phần mào đầu của gói tại mỗi node gói đi qua. Trong mạng IP, hầu hết các gói đơn giản chỉđi qua node, và chỉ một phần của toàn bộ dung lượng sợi quang được kết cuối tại mỗi node. Nếu lưu lượng được định tuyến không sử dụng chuyển đổi O/E và không thực hiện xử lý từng gói một tại node, thì việc xử lý IP tại node này được giảm thiểu và thông lượng tổng cộng của node tăng lên rất lớn. Điều này có thể thực hiện bằng việc sử dụng các đường dẫn quang vàđịnh tuyến bước sóng.
Hình 25. IP over WDM
Định tuyến đường dẫn quang có thể được thực hiện từ các linh kiện thụ động. Kỹ thuật này sẽ loại bỏ tình trạng nghẽn lưu lượng hay thấy ở các node định tuyến hiện nay. Đây làưu điểm đáng chúý khi dung lượng tuyến tổng cộng rất lớn do nó giảm thiểu việc chuyển đổi luồng bit tôc độ cao từ dạng nối tiếp sang song song và xử lý tín hiệu điện. Nghẽn thắt cổ chai do xử lý điện được tháo gỡ nhờ việc đưa ra sử dụng các đường dẫn quang.
Chi phí mạng có thể giảm nhờ việc sử dụng các đường dẫn quang (IP over Photonic) trong các mạng có thông lượng lớn. Hình 26 là một ví dụtính toán chi phí mạng. Giả thiết các giao diện IP router có tốc dộ 2.5Gb/s, và tốc độ truyền dẫn của một sợi quang 20Gb/s (ghép WDM 8 bước sóng). Chỉ có chi phí node làđược tính do chi phí truyền dẫn không quan trọng trong tổng chi phí mạng nhờưu điểm của truyền dẫn WDM. Rõ ràng là sử dụng chuyển mạch PTS sẽ giảm chi phí node tổng cộng so với phương pháp định tuyến IP xử lý tín hiệu điện (All-Electronic IP router) còn gọi là IPoWDM. Khi số node trung gian tăng lên, những lợi ích chi phí này càng trở lên quan trọng hơn. Lý do là bởi vìđịnh tuyến các đường dẫn quang dung lượng lớn sẽ giảm chi phí các node trung gian.
Hình 26. Giảm chi phí với hệ thống XC đường dẫn quang
Dễ dàng mở rộng thông lượng hệ thống chuyển mạch quang
Các đường dẫn quang dị bộ với nhau, nên rất dễđể thực hiện ghép/tách các đường dẫn quang tốc độ cao do không cần phải thực hiện đồng bộ bit. Đặc tính dị bộ này cho phép chúng ta thiết kế hệ thống chuyển mạch với khả năng tăng thông lượng (số bước sóng trên một sợi quang, số sợi quang, và tốc độ của kênh) bằng cách lắp thêm các module vào hệ thống (xem hình 27). Khi đó ta có thể thay đổi hệ thống dễ dàng nhằm đáp ứng mọi yêu cầu vềthông lượng đặt ra. Điều này đặc biệt cóý nghĩa kinh tế khi đầu tư xây dựng một hệ thống mới.
Hình 27. Mở rộng dung lượng hệ thống chuyển mạch quang
Là nền tảng hệ thống truyền dẫn
Đối với các dịch vụ IP, các công nghệ khác nhau như: IP overATM/ [SDH/SONET]/WDM hay IPover[SDH/SONET]/WDM đang được phát triển. Hình 28 là ví dụ một mô hình phân lớp, trong đó có một số chức năng của mỗi lớp bị lặp lại ở các lớp khác. Như các chức năng ghép kênh, định tuyến, và chức năng bảo vệ/phục hồi đều có mặt ở tất cả các lớp. Không chỉ tồn tại lặp lại chức năng, mà còn xảy ra xung đột về chức năng bảo vệ/phục hồi khi mạng xảy ra lỗi giữa các lớp.
Đối với mạng quang WDM, đường dẫn quang được thiết kế có thể hỗ trợ các định dạng tín hiệu điện khác nhau. Như đã nói ở trên, các dạng tín hiệu điện khác nhau được mang trên các bước sóng khác nhau trong một sợi quang sử dụng gán bước sóng. Rõ ràng, đường dẫn quang sẽ cung cấp một hạ tầng truyền dẫn truyền được nhiều dạng tín hiệu khác nhau, nhanh chóng và dễ dàng nâng cấp đểđưa ra các dịch vụ mới.
Hình 29. So sánh mạng định tuyến tín hiệu điện với mạng truyền dẫn quang
Hình 29 so sánh các mạng định tuyến công nghệđiện tử với mạng truyền dẫn quang dựa trên công nghệđường dẫn quang. Có hai đặc điểm quan trọng đối với mạng truyền dẫn quang. Thứ nhất là sựđơn giản hoá mạng truyền dẫn lõi ( ởđó chỉ cần định tuyến bước sóng và do vậy chỉ cần dùng một loại thiết bịđịnh tuyến OXC (Optical cross-connect)/OADM (Optical Add/Drop Multiplexer)), định tuyến cho các dạng tín hiệu điện khác nhau trong lớp quang. Thứ hai là việc tách các chức năng lớp lõi và lớp biên. Lớp lõi (core network) có nhiều node thông lượng cao được kết nối bằng các tuyến có dung lượng lớn và tất cảđều có dự phòng, có khả năng bảo vệ/phục hồi. Các node xử lý tín hiệu điện nằm ở mạng biên (edge network) kết nối trực tiếp với nhau bằng các đường dẫn quang.
3.1.2 Đường dẫn bước sóng và đường dẫn bước sóng ảo
Các đường dẫn quang được tách biệt với nhau bằng bước sóng của chúng. Có hai loại đường dẫn quang: WP (Wavelength Path) và VWP (Virtual
Wavelength Path). Đối với WP, một đường dẫn quang được thiết lập giữa hai node băng cách phân bổ một bước sóng cho đường dẫn đó. Các node trung gian dọc theo WP thực hiện định tuyến WP theo bước sóng này. Còn đối với VWP, bước sóng của nó được phân bổ trên từng tuyến (link). Vì vậy bước sóng của mỗi VWP trên tuyến chỉ cóý nghĩa nội bộ thay vì toàn mạng như của WP. Điều này giống như nguyên tắc gán VPI (Virtual Path Identifier) trong mạng ATM. Vì lí do này, loại này được gọi là Virtual WP. Trong mô hình VWP sẽ cần bộ chuyển đổi bước sóng tại các node chuyển mạch.
Hình 30. So sánh WP và VWP
Hình 30 so sánh hai loại đường dẫn quang này. Yêu cầu là phải thiết lập 4 WP, và 4 VWP trên các tuyến giống nhau. Kết quả là mô hình WP cần sử dụng 3 bước sóng, VWP sử dụng chỉ 2 bước sóng. Tức là mô hình VWP đã tối đa mức độ tái sử dụng lại bước sóng trong mạng cho phép sử dụng ít bước sóng hơn.
Trong quá trình sắp xếp tạo WP, bài toán gán bước sóng và bài toán định tuyến phải được giải quyết đồng thời, để mỗi WP được gán một bước sóng khác
nhau trên một sợi quang. Với tài nguyên biết trước (số sợi quang và số bước sóng trên một sợi), node phải định tuyến quang (Optical Path route) và gán bước sóng, theo một thuật toán tối ưu (RWA).
3.2 Công nghệ chuyển mạch kênh quang
Công nghệ chuyển mạch kênh được sử dụng từ lâu trong các hệ thống viễn thông. Nhược điểm của công nghệ này là thời gian chuyển mạch lớn và hiệu suất sử dụng tài nguyên thấp. Với sự phát triển bùng nổ lưu lượng IP, công nghệ chuyển mạch kênh dần bị thay thế bởi các cng nghệ chuyển mạch mới có tốc độ chuyển mạch cao: chuyển mạch gói (ATM), chuyển mạch nhãn (MPLS). Trong khi đó truyền dẫn cáp sợi quang dần khẳng định được những ưu điểm vượt trội của nó so với các loại truyền dẫn truyền thống. Trên môi trường truyền dẫn quang, ta có các loại chuyển mạch quang: Chuyển mạch kênh quang, Chuyển mạch quang gói (Optical Packet Switching), Chuyển mạch quang nhãn (Optical Label Switching), và chuyển mạch nhóm quang ( Optical Burst Switching).
Mạng đường dẫn quang WDM cung cấp các chức năng: truyền dẫn, ghép kênh, định tuyến, giám sát...vv, và xử lý trên nền quang. Hệ thống chuyển mạch đường dẫn quang (OPXC) tại mỗi node là thành phần quan trọng tạo nên
backbone cho mạng đường dẫn quang WDM.
Một hệ thống OPXC điển hình (xem hình 26) gồm bộ chuyển mạch quang (OXC), bộ chuyển đổi bước sóng (W/C), truyền dẫn WDM (WDM-T), và các chức năng ghép/tách tải (PAD- Payload Assembler/Disassembler). Chức năng W/C cần có trong mạng VWP nhưng lại không cần trong mạng WP. Giao diện Node –Mạng (ONNI- Optical Network-Node Interface) được cung cấp bởi WDM-T, và giao diện User-Mạng (OUNI- Optical User Network Interface) được thực hiện bởi PAD.
Hình 31. Cấu hình chức năng của một node OXPC
Hệ thống OPXC được thiết kế gồm N cổng sợi quang vào/ra, và có khả năng ghép WDM tối đa M bước sóng trên một sợi quang. Trong N cổng vào ra này, u cổng dùng cho các giao diện nội đài thông qua PAD với các thiết bịđiện tử khác (chuyển mạch điện tử). Khối OXC chuyển mạch bất kỳđầu vào quang đến đầu bất kỳ cổng sợi quang nào. Chức năng OXC cũng bao gồm cả chức năng xen/tách quang OADM (Optical Adds/Drops Multiplexing), dùng để xen/tách các đường dẫn quang từ/đến PAD . Hầu hết các hệ thống mạng Ring WDM chỉ thực hiện các chức năng OADM. Khối chức năng WDM-T đảm bảo chất lượng truyền dẫn WDM chất lượng cao với các node OPXC lân cận. Các chức năng 3R (Reshaping, Retiming, Regeneration) và giám sát chất lượng cũng có thể được tích hợp trọng khối WDM-T. Để toàn bộ mạng WDM được vận hành, quản lý, vàđiều khiển, thì mỗi khối chức năng phải có chức năng giám sát. Mạng WDM được thiết kế để có thể khôi phục khi nhận được các thông tin lỗi báo lỗi từ lớp truyền dẫn.
Hình 32. Sơ đồ phát triển công nghệ điều khiển đường dẫn quang
Các công nghệ điều khiển (thiết lập/khôi phục/ngắt) đường dẫn phát triển từ điều khiển tĩnh sang điều khiển động (xem hình 32). Hệ thống truyền dẫn quang điểm-điểm được xây dựng vào khoảng năm 1990 là bước phát triển đầu tiên của mạng quang WDM. Tiếp đến là phát triển mạng WDM vòng, có chức năng OADM bước sóng cố định sử dụng các bộ lọc quang. Việc phát triển các bộ chuyển mạch quang kích cỡ nhỏ mở đầu cho khả năng điều khiển linh hoạt bước sóng gán trong OADM. Các thế hệ tiếp theo của hệ thống WDM gắn liền với sự ra đời lần lượt của các hệ thống tại node mạng: OXPC, Photonic MPLS Router, Next-generation Photonic MPLS Router. Photonic MPLS Router gồm hai phần OPXC và IP Router , điều khiển mỗi đường dẫn quang theo lưu lượng IP. OPXC nhận các lệnh điều khiển thiết lập/giải phóng/ khôi phục đường dẫn quang từ IP router. Phần sau đây giới thiệu các cấu trúc khác nhau của OPXC có khả năng hỗ trợ các hệ thống mạng WDM vòng và mạng mesh-like mà việc vận hành chúng dựa trên mô hình client/server hoặc peer -to-peer.
3.2.1 Cấu trúc chuyển mạch WP
Hình 33. Cấu trúc hệ thống chuyển mạch WP
Cấu trúc hệ thống node OPXC loại WP được cho là đơn giản và chi phí hiệu quả so với loại VWP, mặc dù bài toán gán bước sóng phải được giải quyết xong trước khi cấu hình mạng. Loại hệ thống này phù hợp cho các mạng WDM với yêu cầu lưu lượng gần như cố định (tĩnh). Hai dạng cấu trúc chính của hệ thống thuộc loại này được cho trên hình 33. Trong cả hai cấu trúc đều yêu cầu cần có M bộ chuyển mạch ma trận NxN. Mỗi module chuyển mạch tương ứng với một bước sóng và thực hiện chuyển mạch WP của một trong N sợi quang đầu vào tới WP của một trong N sợi quang đầu ra. Sự khác nhau giữa hình 33.a và 33.b là việc sử bộ lọc điều chỉnh được (tunable filter) và bộ ghép nối quang (optical coupler) thay vì sử dụng các bộ Mux và Demux như trên hình 33.b. Khi tunalbe filter được sử dụng thay cho fixed-wavelength filer ở trước phần chuyển mạch ma trận NxN. Như ở hình 33.b, cùng một bước sóng trên các sợi quang đầu vào khác nhau, có thể kết thúc ở node. Không có bộ phát được vẽ trong hình 33 nghĩa là hệ thống chuyển mạch WP này là một hệ thống trong suốt (transparent system).
3.2.2 Cấu trúc hệ thống chuyển mạch WP/VWP
Một số cấu trúc có thể áp dụng cho cả hai loại hệ thống chuyển mạch WP và VWP. Hình 34.a mô tả cấu trúc có sử dụng các bộ chuyển mạch ghép nối và phân phối (DC-SWs). Hình 34.b là cấu trúc MxN DC-SW (chú ý rằng khối chức năng PAD không được vẽ). Cấu trúc này cho phép kết nối bất kỳ một trong M sợi quang ở đầu vào với một trong N sợi quang ở đầu ra. Nếu N=1 ta có bộ ghép quang Mx1. Với cấu hình như vậy, các đường dẫn quang đầu vào vàđầu ra
được nối với nhau theo cách không bị nghẽn. O đây hệ thống vận hành phần tử mạng (NE-Network Element) phải đảm bảo WP của bất kỳ sợi quang đầu vào nào không xảy ra tranh chấp với WP ở đầu ra . Nếu có chức năng chuyển đổi bước sóng W/C thì hệ thống dễ dàng tránh được tranh chấp về bước sóng ở đầu