›
›

Đồ án Nghiên cứu mạng IP/WDM - Mạc Văn Vũ

pdf 101 trang huongle 210
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đồ án Nghiên cứu mạng IP/WDM - Mạc Văn Vũ", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfdo_an_nghien_cuu_mang_ipwdm_mac_van_vu.pdf

Nội dung text: Đồ án Nghiên cứu mạng IP/WDM - Mạc Văn Vũ

  1. Đồ án tốt nghiệp BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÕNG ISO 9001:2008 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Ngƣời hƣớng dẫn: Thạc sỹ Đoàn Hữu Chức Sinh viên : Mạc Văn Vũ HẢI PHÕNG - 2010 1
  2. Đồ án tốt nghiệp BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÕNG NGHIÊN CỨU MẠNG IP/WDM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHÍNH QUY NGÀNH : ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Ngƣời hƣớng dẫn : Thạc sỹ Đoàn Hữu Chức Sinh viên : Mạc Văn Vũ Hải Phòng - 2010 2
  3. Đồ án tốt nghiệp BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÕNG NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Sinh viên : Mạc Văn Vũ Mã số : 100225. Lớp : ĐT1001 Ngành: Điện tử viễn thông. Tên đề tài : Nghiên cứu mạng IP/WDM. 3
  4. Đồ án tốt nghiệp NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI 1. Nội dung và các yêu cầu cần giải quyết trong nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp ( về lý luận, thực tiễn, các số liệu cần tính toán và các bản vẽ). 2. Các số liệu cần thiết để thiết kế, tính toán. 3. Địa điểm thực tập tốt nghiệp. Trung tâm Viễn thông Điện lực - Công ty TNHH MTV Điện lực Hải Dương 4
  5. Đồ án tốt nghiệp CÁN BỘ HƢỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Ngƣời hƣớng dẫn thứ nhất: Họ và tên : Đoàn Hữu Chức. Học hàm, học vị: Thạc sỹ. Cơ quan công tác : Trường Đại học Dân lập Hải Phòng. Nội dung hướng dẫn : Ngƣời hƣớng dẫn thứ hai: Họ và tên : Học hàm, học vị : Cơ quan công tác : Nội dung hướng dẫn : 5
  6. Đồ án tốt nghiệp Đề tài tốt nghiệp được giao ngày tháng năm 2010. Yêu cầu phải hoàn thành xong trước ngày tháng năm 2010. Đã nhận nhiệm vụ ĐTTN Đã giao nhiệm vụ ĐTTN Sinh viên Người hướng dẫn Hải Phòng, ngày tháng năm 2010. HIỆU TRƢỞNG GS.TS.NGƢT Trần Hữu Nghị PHẦN NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN 1. Tinh thần thái độ của sinh viên trong quá trình làm đề tài tốt nghiệp: 2. Đánh giá chất lượng của đồ án ( so với nội dung yêu cầu đã đề ra trong nhiệm vụ Đ.T.T.N trên các mặt lý luận, thực tiễn, tính toán số liệu ): 6
  7. Đồ án tốt nghiệp 3. Cho điểm của cán bộ hướng dẫn (ghi cả số và chữ) : Hải Phòng, ngày tháng năm 2010. Cán bộ hƣớng dẫn PHẦN NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA NGƢỜI CHẤM PHẢN BIỆN 1. Đánh giá chất lượng đề tài tốt nghiệp về các mặt thu thập và phân tích số liệu ban đầu, cơ sở lý luận chọn phương án tối ưu, cách tính toán chất lượng thuyết minh và bản vẽ, giá trị lý luận và thực tiễn đề tài. 7
  8. Đồ án tốt nghiệp 2. Cho điểm của cán bộ phản biện. (Điểm ghi cả số và chữ). Hải Phòng, ngày tháng năm 2010. Ngƣời chấm phản biện 8
  9. Đồ án tốt nghiệp MỤC LỤC Mục lục 1 BẢNG THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 11 LỜI MỞ ĐẦU 14 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG VÀ NGUYÊN LÝ GHÉP KÊNH THEO BƢỚC SÓNG WDM 16 1.1. Giới thiệu chương 16 1.2. Giới thiệu thông tin quang 17 1.2.1. Định nghĩa 17 1.2.2. Cấu trúc và các thành phần chính của hệ thống thông tin quang 17 1.3. Giới thiệu Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM 19 1.3.1. Định nghĩa 19 1.3.2. Sơ đồ khối tổng quát 20 1.3.3. Phân loại hệ thống WDM 21 1.3.4. Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ WDM 22 1.3.5. Vấn đề tồn tại của hệ thống WDM và hướng giải quyết trong tương lai 23 1.3.6. Chuyển mạch quang trong hệ thống WDM 23 1.3.7. Các thành phần chính của hệ thống WDM 24 CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN MẠNG IP/WDM 31 2.1. Tổng quan mạng IP/WDM 31 2.1.1. Lý do chọn IP/WDM 31 2.1.2. Các thế hệ WDM 33 2.1.3. Các ưu điểm của mạng IP over WDM 34 2.1.4. Các giải pháp phát triển mạng IP over WDM 34 2.1.5. Các chuẩn của mạng IP/WDM 38 2.1.6. Các mô hình liên mạng IP/WDM 39 2.2. Tổng quan cấu trúc mạng IP/WDM 41 2.2.1. Kiến trúc tổng quát mạng IP/WDM 41 2.2.2. Các kiểu kiến trúc của mạng IP/WDM 42 9
  10. Đồ án tốt nghiệp CHƢƠNG 3: CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG IP/WDM 47 3.1. IP và giao thức định tuyến 47 3.1.1. IPv4 và IPv6 47 3.1.2. Các giao thức định tuyến IP 47 3.2. MPLS, GMPLS và MP S 51 3.2.1. MPLS 51 3.2.2. GMPLS và MP S 52 3.3. Định tuyến và gán bước sóng tĩnh trong IP/WDM 52 3.3.1. Giới thiệu bài toán 52 3.3.2. Bài toán Định tuyến và gán bước sóng tĩnh S-RWA 53 3.4. Định tuyến và gán bước sóng động trong IP/WDM (D-RWA) 61 3.4.1. Giới thiệu bài toán 61 3.4.2. Bài toán Định tuyến động trong IP/WDM 62 3.4.3. Bài toán Gán bước sóng động trong IP/WDM 72 3.5. Sự giới hạn bước sóng (WR – Wavelength Reservation) trong IP/WDM 79 3.5.1. Phương pháp SIR 79 3.5.2. Phương pháp DIR 80 CHƢƠNG 4: KỸ THUẬT LƢU LƢỢNG TRONG MẠNG IP/WDM 83 4.1. Khái niệm kỹ thuật lưu lượng IP/WDM 83 4.2. Mô hình hóa kỹ thuật lưu lượng IP/WDM 84 4.2.1. Kỹ thuật lưu lượng chồng lấn 84 4.2.2. Kỹ thuật lưu lượng tích hợp 86 4.2.3. Nhận xét 87 4.3. Mô hình chức năng của kỹ thuật lưu lượng IP/WDM 88 4.4. Tái cấu hình trong kỹ thuật lưu lượng IP/WDM 91 4.4.1. Các điều kiện tái cấu hình mạng IP/WDM 91 4.4.2. Tái cấu hình mô hình ảo đường đi ngắn nhất 92 4.4.3. Tái cấu hình cho các mạng WDM chuyển mạch gói 95 KẾT LUẬN 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO 101 10
  11. Đồ án tốt nghiệp BẢNG THUẬT NGỮ VIẾT TẮT A APD Avalanche Photodiode Diode tách sóng quang thác lũ ATM Asynchronous Transfer Mode Kiểu truyền bất đồng bộ APS Automatic Protection Swithching Chuyển mạch bảo vệ tự động AWG Array Waveguide Grating Lọc quang mảng ống dẫn sóng B C CDM Code Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo mã CO Central Office Tổng đài trung tâm D DWDM Dense WDM WDM mật độ cao DSF Dipersion Shifted Fiber Sợi quang DSF EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi Erbium F FEC Forwarding Equivalence Class Nhóm chuyển tiếp tương đương I ISDN Itegrated Service Digital Network Mạng số tích hợp dịch vụ ITU-T Internation Telecommunication Union Tổ chức viễn thông quốc tế IETF Internet Engineering Task Force Nhóm đặc trách kỹ thuật Internet L LED Light Emitting Diode Diode phát quang LD Diode Laser Phần tử phát xạ ánh sáng LOH Line Over Head Mào đầu đoạn 11
  12. Đồ án tốt nghiệp LP Lightpath Đường đi ánh sáng LSA Link State Advertisements Thông điệp trạng thái liên kết M MPLS Multi-protocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường N NNI Network-to-Network Interface Giao diện liên mạng NNI O OXC Optical Cross Connect Bộ nối chéo quang OTN Optical Transport Network OLT Optical Line Terminator Thiết bị đầu cuối quang ONT Optical Network Terminal Bộ kết nối mạng cáp quang OADM Optical Add/Drop Multiplex Bộ ghép kênh xen/rớt quang OIF Optical Internetworking Forum Các tổ chức và diễn đàn quốc tế OLS Optical Label Switching Chuyển mạch nhãn quang OBS Optical Burst Switching Chuyển mạch nhóm quang OSC Optical Supervisory Channel Kênh giám sát quang OAM&P Operrations Adminnitration Maintenance And Provisioning Khai thác, quản lý và bảo dưỡng OSPF Open Shortest Path First Giao thức ưu tiên con đường ngắn ONU Optical Network Unit Thiết bị mạng quang ODN Optical Distribution Network Hệ thống phân phối mạng quang P PIN Positive Intrinsic Negative Diode bán dẫn PIN POH Path Over Head Chuyển mạch gói PDH Plesiochronous Digital Hierachy Ghép kênh cận đồng bộ số PIM Protocol Independent Multicast Multicast độc lập giao thức PIM-DM Dense Mode Chế độ độc lập PIM-SM Sparse Mode Chế độ thưa thớt POTS Plain Old Telephone Service Dịch vụ điện thoại truyền thống 12
  13. Đồ án tốt nghiệp R RIP Routing Information Protocol Giao thức thông tin định tuyến S STM-n Synchronous Transfer Module Modul truyền đồng bộ thứ n SDH Synchronous Digital Hierachy Ghép kênh đồng bộ số T TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia thời gian U UNI User-to-Network Interface Giao diện người sử dụng – mạng W WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng 13
  14. Đồ án tốt nghiệp LỜI MỞ ĐẦU Xu hướng giao thức IP trở thành tầng hội tụ cho các dịch vụ viễn thông ngày càng trở nên rõ ràng. Phía trên tầng IP, vẫn đang xuất hiện ngày càng nhiều các ứng dụng và dịch vụ dựa trên nền IP. Những ưu thế nổi trội của lưu lượng IP đang đặt ra vấn đề là các hoạt động thực tiễn kỹ thuật của hạ tầng mạng nên được tối ưu hoá cho IP. Mặt khác, quang sợi, như một công nghệ phân tán, đang cách mạng hoá ngành công nghiệp viễn thông và công nghiệp mạng nhờ dung lượng mạng cực lớn mà nó cho phép, qua đó cho phép sự phát triển của mạng Internet thế hệ sau. Sử dụng công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM dựa trên nền mạng hiện tại sẽ có thể cho phép nâng cao đáng kể băng thông mà vẫn duy trì được hiện trạng hoạt động của mạng. Nó cũng đã được chứng minh là một giải pháp hiệu quả về mặt chi phí cho các mạng đường dài. Khi sự phát triển trên toàn thế giới của sợi quang và các công nghệ WDM, ví dụ như các hệ thống điều khiển và linh kiện WDM trở nên chín muồi, thì các mạng quang dựa trên WDM sẽ không chỉ được triển khai tại các đường trục mà còn trong các mạng nội thị, mạng vùng và mạng truy nhập. Các mạng quang WDM sẽ không chỉ còn là các các đường dẫn điểm – điểm, cung cấp các dịch vụ truyền dẫn vật lý nữa mà sẽ biến đổi lên một mức độ mềm dẻo mới. Tích hợp IP và WDM để truyền tải lưu lượng IP qua các mạng quang WDM sao cho hiệu quả đang trở thành một nhiệm vụ cấp thiết. Do vậy, đồ án tốt nghiệp của em là “Nghiên cứu về mạng IP/WDM”. Đồ án trình bày các vấn đề cơ bản, kiến trúc, các kỹ thuật định tuyến cũng như vấn đề truyền tải lưu lượng trong mạng IP/WDM. Đồ án bao gồm 4 chương:  Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống thông tin quang và nguyên lý ghép kênh theo bƣớc sóng WDM. Chương này sẽ trình bày sơ đồ, các ưu nhược điểm và các thành phần chính của hệ thống WDM.  Chƣơng 2: Tổng quan mạng IP/WDM. Chương này sẽ trình bày khái niệm chung mạng IP/WDM, lý do chọn mạng IP/WDM, các thế hệ, ưu điểm, các giải pháp phát triển, các chuẩn và các kiểu kiến trúc của mạng IP/WDM. 14
  15. Đồ án tốt nghiệp  Chƣơng 3: Các giao thức định tuyến trong mạng IP/WDM. Chương này tập trung tìm hiểu việc định tuyến và gán bước sóng trong mạng IP/WDM. Trình bày chi tiết bài toán định tuyến và gán bước sóng tĩnh – động, sự giới hạn bước song WR trong mạng IP/WDM.  Chƣơng 4: Kỹ thuật lƣu lƣợng trong mạng IP/WDM. Chương này chỉ ra khái niệm, mô hình hóa kỹ thuật lưu lượng, tái cấu hình mô hình ảo đường đi ngắn nhất, tái cấu hình cho mạng WDM chuyển mạch gói. Thông qua đồ án em đã trình bày những hiểu biết của mình về một công nghệ mạng mới – mạng IP/WDM. Tuy nhiên, do năng lực và kiến thức còn nhiều hạn chế nên đồ án không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được những đóng góp quý báu của các Thầy – Cô giáo và toàn thể các bạn. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Thạc sĩ Đoàn Hữu Chức người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo để em có thể hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Em cũng xin cảm ơn tất cả các Thầy – Cô, gia đình và các bạn đã tận tình giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập tại trường. Em xin chân thành cảm ơn! Hải Phòng, ngày 10 tháng 7 năm 2010 Sinh viên Mạc Văn Vũ 15
  16. Đồ án tốt nghiệp CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG VÀ NGUYÊN LÝ GHÉP KÊNH THEO BƢỚC SÓNG WDM 1.1. Giới thiệu chƣơng Lượng thông tin trao đổi trong các hệ thống thông tin ngày nay tăng lên rất nhanh. Bên cạnh việc gia tăng về số lượng thì dạng lưu lượng truyền thông trên mạng cũng thay đổi. Dạng dữ liệu chủ yếu là lưu lượng Internet. Số người sử dụng truy cập Internet ngày càng tăng và thời gian mỗi lần truy cập thường kéo dài gấp nhiều lần cuộc nói chuyện điện thoại. Chúng ta đang hướng tới một xã hội mà việc truy cập thông tin có thể đáp ứng ở mọi lúc, mọi nơi chúng ta cần. Mạng Internet và ATM ngày nay không đủ dung lượng để đáp ứng cho nhu cầu băng thông trong tương lai. Lưu lượng Dữ liệu 250 200 150 Thoại 100 50 Năm 1996 1997 1998 1999 2000 2001 Hình 1.1. Sự gia tăng lưu lượng dữ liệu và tiếng nói qua các năm Kỹ thuật thông tin quang và sự ra đời của kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM được xem là vị cứu tinh của chúng ta trong việc giải quyết vấn đề trên. Bởi vì hệ thống thông tin quang có những khả năng vượt trội như: băng thông khổng lồ (gần 50 Tbps), suy giảm tín hiệu thấp (khoảng 0.2dB/km), méo tín hiệu thấp, đòi hỏi năng lượng cung cấp thấp, không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ, khả năng bảo mật cao Vì vậy thông tin quang nói chung và kỹ thuật WDM nói riêng được xem là kỹ thuật cho hệ thống thông tin băng rộng; không chỉ đặc biệt phù hợp với các tuyến thông tin đường dài, trung kế mà còn có tiềm 16
  17. Đồ án tốt nghiệp năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạng nội hạt và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và trong tương lai. Vì vậy việc nghiên cứu, xây dựng và phát triển hệ thống thông tin sợi quang là cần thiết cho nhu cầu phát triển thông tin trong tương lai. Trong chương này, chúng ta sẽ giới thiệu, tìm hiểu tổng quan hệ thống thông tin quang và kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM. 1.2. Giới thiệu thông tin quang 1.2.1. Định nghĩa Khác với thông tin hữu tuyến hay vô tuyến – các loại thông tin sử dụng môi trường truyền dẫn tương ứng là dây dẫn và không gian như hình 1.2 – thì thông tin quang là hệ thống truyền tin qua sợi quang như hình 1.3. Điều đó có nghĩa là thông tin được chuyển thành ánh sáng và sau đó ánh sáng được truyền qua sợi quang. Tại nơi nhận, nó lại được biến đổi thành thông tin ban đầu. Metal wire Sound Electrical Signal Electrical Signal Sound Hình 1.2. Thông tin hữu tuyến Sound Electrical Signal Electrical Signal Sound Optical Fiber Electrical Signal Optical Signal Optical Signal Electrical Signal Hình 1.3. Thông tin quang 1.2.2. Cấu trúc và các thành phần chính của hệ thống thông tin quang Mã Thiết bị Bộ Thiết bị Giải Phát hóa phát quang Sợi lặp Sợi thu quang mã Thu quang quang Hình 1.4. Cấu trúc của hệ thống thông tin quang 17
  18. Đồ án tốt nghiệp Các thành phần của tuyến truyền dẫn quang bao gồm: phần phát quang, cáp sợi quang và phần thu quang.  Phần phát quang: được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điều khiển liên kết với nhau. Phần tử phát xạ ánh sáng có thể là: Diode Laser (LD), Diode phát quang (LED). LED dùng phù hợp cho hệ thống thông tin quang có tốc độ không quá 200Mbps sử dụng sợi đa mode. LED phát xạ tự phát, ánh sáng không định hướng nên để sử dụng LED tốt trong hệ thống thông tin quang thì nó phải có công suất bức xạ cao, thời gian đáp ứng nhanh. LD khắc phục nhược điểm của LED, thường sử dụng LD cho truyền dẫn tốc độ cao. LD có nhiều ưu điểm hơn so với LED: phổ phát xạ của LD rất hẹp (khoảng từ 1 đến 4nm nên giảm được tán sắc chất liệu), góc phát quang hẹp (5-100), hiệu suất ghép ánh sáng vào sợi cao.  Cáp sợi quang: gồm các sợi dẫn quang và các lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ khỏi tác động có hại từ môi trường bên ngoài. Có thể chọn các loại sợi sau: sợi quang đa mode chiết suất nhảy bậc, sợi quang đa mode chiết suất giảm dần, sợi quang đơn mode.  Phần thu quang: do bộ tách sóng quang và các mạch khuếch đại, tái tạo tín hiệu hợp thành. Trong hệ thống thông tin quang, người ta quan tâm nhất đối với các bộ tách sóng quang là các diode quang PIN và diode quang kiểu thác APD được chế tạo từ các bán dẫn cơ bản Si, Ge, InP. Ngoài các thành phần chủ yếu này, tuyến thông tin quang còn có các bộ nối quang, các mối hàn, các bộ chia quang và các trạm lặp. Tất cả tạo nên một tuyến thông tin hoàn chỉnh. Tương tự như cáp đồng, cáp sợi quang được khai thác với điều kiện lắp đặt khác nhau, có thể được treo trên trời, chôn trực tiếp dưới đất hoặc đặt dưới biển, tùy thuộc vào các điều kiện lắp đặt khác nhau mà độ chế tạo của cáp cũng khác nhau và các mối hàn sẽ kết nối các độ dài cáp thành độ dài tổng cộng của tuyến được lắp đặt. Tham số quan trọng nhất của cáp sợi quang tham gia quyết định độ dài tuyến là suy hao sợi quang theo bước sóng. Nguồn phát quang ở thiết bị phát có thể sử dụng LED hoặc laser bán dẫn. Cả hai nguồn phát này đều phù hợp cho các hệ thống thông tin quang, với tín hiệu quang đầu ra có tham số biến đổi tương ứng với sự thay đổi của dòng điều biến. Bước sóng làm việc của nguồn phát quang cơ bản phụ thuộc vào vật liệu 18
  19. Đồ án tốt nghiệp chế tạo, đoạn sợi quang ra của nguồn phát quang phải phù hợp với sợi dẫn quang khai thác trên tuyến. Tín hiệu ánh sáng đã được điều chế tại nguồn phát quang sẽ được lan truyền dọc theo sợi quang để tới phần thu quang. Khi truyền trên sợi dẫn quang, tín hiệu thường bị suy hao và méo do các yếu tố hấp thụ, tán xạ, tán sắc gây nên. Bộ tách sóng quang ở phần thu thực hiện tiếp nhận ánh sáng và tách lấy tín hiệu từ hướng phát tới. Tín hiệu quang được biến đổi trở lại thành tín hiệu điện. Các photodiode PIN và photodiode thác APD đều có thể sử dụng làm các bộ tách sóng quang trong các hệ thống thông tin quang. Đặc tính quan trọng nhất của thiết bị thu quang là độ nhạy thu quang. Khi khoảng cách truyền dẫn khá dài, tới một cự ly nào đó, tín hiệu quang trong sợi bị suy hao khá nhiều thì cần thiết phải có các trạm lặp quang đặt trên tuyến. Những năm gần đây, các bộ khuếch đại quang đã được sử dụng để thay thế cho các thiết bị trạm lặp quang. 1.3. Giới thiệu Kỹ thuật ghép kênh theo bƣớc sóng WDM 1.3.1. Định nghĩa Ghép kênh theo bước sóng WDM là công nghệ “Trong một sợi quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng tín hiệu quang”. Ở đầu phát nhiều 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 ra “tách kênh”, khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khác nhau. Hay nói cách khác, WDM cho phép ta tăng dung lượng kênh mà không cần tăng tốc độ bit của đường truyền và cũng không dùng thêm sợi dẫn quang. Thực tế có thể hiểu đơn giản là thay vì truyền một sóng quang trên một sợi quang, bây giờ ta ghép nhiều sóng quang có bước sóng khác nhau nhờ vào một MUX – multiplexing rồi truyền trên một sợi quang. Ở đầu bên kia ta dùng DEMUX – demultiplexing để tách các sóng ra khác nhau. 19
  20. Đồ án tốt nghiệp 1.3.2. Sơ đồ khối tổng quát Tx1 Rx1 Tx2 DE Rx2 MUX Truyền tín hiệu trên sợi quang MUX EDFA EDFA TxN KĐ tín hiệu KĐ tín hiệu RxN Phát tín hiệu Thu tín hiệu Ghép tín hiệu Tách tín hiệu Hình 1.5. Sơ đồ chức năng hệ thống WDM  Phát tín hiệu: Trong hệ thống WDM, nguồn phát quang được dùng là laser. Hiện tại đã có một số loại nguồn như: laser điều chỉnh được bước sóng (Tunable Laser), Laser đa bước sóng 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, bước sóng trung tâm, độ rộng phổ, độ rộng điều biến phải nằm trong giới hạn cho phép.  Ghép/tách tín hiệu: Ghép tín hiệu WDM là sự kết hợp một số nguồn sáng khác nhau thành một luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang. Tách tín hiệu WDM là sự phân chia luồng ánh sáng tổng hợp đó thành các tín hiệu ánh sáng riêng rẽ tại mỗi cổng đầu ra bộ tách. Hiện tại có rất nhiều bộ tách ghép như: bộ lọc màng mỏng điện môi, cách tử Bragg sợi, cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp AWG, bộ lọc Fabry-Perot Và khi đó ta cần xét đến các tham số như: khoảng cách giữa các kênh, tính đồng đều của kênh, suy hao xen, suy hao phản xạ Bragg, xuyên âm đầu vào đầu ra.  Truyền dẫn tín hiệu: Quá trình truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang chịu sự ảnh hưởng của nhiều yếu tố: suy hao sợi quang, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến, vấn đề liên quan đến khuếch đại tín hiệu. Khuếch đại tín hiệu: hệ thống WDM hiện tại chủ yếu sử dụng bộ khuếch đại sợi quang EDFA. Tuy nhiên, bộ khuếch đại Raman hiện nay cũng đã được sử dụng trong thực tế. Có ba chế độ khuếch đại: khuếch đại công suất, khuếch 20
  21. Đồ án tốt nghiệp đại đường và tiền khuếch đại. Khi dùng bộ khuếch đại EDFA cho hệ thống WDM phải đảm bảo các yêu cầu sau:  Độ lớn khuếch đại đồng đều đối với tất cả các kênh của bước sóng (mức chênh lệch không quá 1dB).  Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không được gây ảnh hưởng mức công suất đầu ra của các kênh.  Có khả năng phát hiện sự chênh lệch mức công suất đầu vào để điều chỉnh lại các hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại là bằng phẳng đối với tất cả các kênh.  Thu tín hiệu: Thu tín hiệu trong các hệ thống WDM cũng sử dụng các bộ tách sóng quang như trong hệ thống thông tin quang thường: PIN, APD. 1.3.3. Phân loại hệ thống WDM Hệ thống WDM về cơ bản chia làm hai loại: hệ thống đơn hướng và hệ thống song hướng. Hệ thống đơn hướng chỉ truyền theo một hướng trên sợi quang. Do vậy, để truyền thông tin giữa hai điểm cần hai sợi quang. Hệ thống WDM song hướng, ngược lại truyền hai chiều trên một sợi quang lên chỉ cần một sợi quang để có thể trao đổi thông tin giữa hai điểm. Tx1 Rx1  1 ,  2 , ,  N Tx2 DE Rx2 MUX MUX EDFA 1 ,  2 , ,  N EDFA TxN RxN Hệ thống WDM đơn hướng Tx1 Rx1  1 ,  2 , ,  i Tx2 DE Rx2 MUX MUX (i 1),(i 2), ,N EDFA EDFA TxN RxN Hệ thống WDM song hướng Hình 1.6. Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng và song hướng 21
  22. Đồ án tốt nghiệp Cả hai hệ thống đều có ưu nhược điểm riêng: Giả sử rằng công nghệ hiện tại chỉ cho phép truyền N bước sóng trên một sợi quang, so sánh hai hệ thống ta thấy: . Xét về dung lượng, hệ thống đơn hướng có khả năng cung cấp dung lượng cao gấp đôi so với hệ thống song hướng. Ngược lại, số sợi quang cần dùng gấp đôi so với hệ thống song hướng. . Khi sự cố đứt cáp xảy ra, hệ thống song hướng không cần đến cơ chế chuyển mạch tự động APS (Automatic Protection Swithching) vì cả hai đầu của liên kết đều có khả năng nhận biết sự cố một cách tức thời. . Đứng về khía cạnh thiết kế mạng, hệ thống song hướng khó thiết kế hơn vì còn phải xét thêm các yếu tố như: vấn đề xuyên nhiễu do có nhiều bước sóng hơn trên một sợi quang, đảm bảo định tuyến và phân bố bước sóng sao cho cả hai chiều trên sợi quang không dùng chung một bước sóng. . 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 khuếch đại sẽ cho công suất quang ngõ ra lớn hơn so với hệ thống đơn hướng. 1.3.4. Ƣu điểm và nhƣợc điểm của công nghệ WDM Thực tế nghiên cứu và triển khai WDM đã rút ra được những ưu nhược điểm của công nghệ WDM như sau:  Ưu điểm của công nghệ WDM  Tăng băng thông truyền trên sợi quang với số lần tương ứng số bước sóng được ghép vào để truyền trên một sợi quang.  Tính trong suốt: Do công nghệ WDM thuộc kiến trúc lớp mạng vật lý nên có thể hỗ trợ các định dạng số liệu và thoại như: ATM, Gigabit Ethernet, ESCON, chuyển mạch kênh, IP,  Khả năng mở rộng: Những tiến bộ trong công nghệ WDM hứa hẹn tăng băng thông truyền trên sợi quang lên tới hàng Tbps, đáp ứng nhu cầu mở rộng mạng ở nhiều cấp độ khác nhau.  Hiện tại chỉ có duy nhất công nghệ WDM là cho phép xây dựng mô hình mạng truyền tải quang OTN (Optical Transport Network) giúp truyền tải nhiều loại hình dịch vụ, quản lý mạng hiệu quả, định tuyến linh động, 22
  23. Đồ án tốt nghiệp  Nhược điểm của công nghệ WDM  Vẫn chưa khai thác hết băng tần hoạt động có thể của sợi quang (chỉ mới tận dụng được băng C và băng L). Thường bước sóng nằm trong khoảng từ 1269nm đến 167nm.  Quá trình khai thác, bảo dưỡng phức tạp hơn gấp nhiều lần.  Nếu hệ thống sợi quang đang sử dụng là sợi DSF – Dipersion Shifted Fiber theo chuẩn G.653 thì rất khó triển khai WDM vì xuất hiện hiện tượng trộn bước sóng khá gay gắt. 1.3.5. Vấn đề tồn tại của hệ thống WDM và hƣớng giải quyết trong tƣơng lai Với hệ thống WDM, sợi quang cung cấp cho chúng ta tốc độ truyền mong muốn nhưng băng thông mang lại bị giới hạn bởi tốc độ xử lý ở các nút, do tốc độ xử lý ở các nút được thực hiện bằng điện tử, mà tốc độ điện tử lại thấp hơn rất nhiều so với tốc độ thông tin truyền trong sợi quang (khoảng vài Gbps). Như vậy, tín hiệu quang trên sợi khi đến nút sẽ được chuyển thành tín hiệu điện để thực hiện xử lý điện tử (sự chuyển đổi quang – điện O/E), sau đó được chuyển lại thành tín hiệu quang để truyền đi. Điều này đã làm giảm tốc độ mạng, giải pháp đặt ra là xây dựng mạng mà trong đó tín hiệu được xử lý hoàn toàn trong miền quang, gọi là mạng toàn quang. Trong mạng toàn quang, dữ liệu đi từ nguồn đến đích hoàn toàn dưới dạng quang mà không cần bất cứ sự chuyển đổi quang - điện nào trên đường đi, việc điều khiển xử lý chuyển mạch cũng được thực hiện dưới dạng quang. Tuy nhiên, mạng toàn quang hiện tại vẫn chưa được tiến hành thành công bởi những tồn tại của nó. Các thiết bị logic hoàn toàn trong miền quang khó thực hiện hơn nhiều so với các thiết bị logic điện tử. Bởi vì, khác với các electron thì các photon không tương tác ảnh hưởng lẫn nhau, thường thì các thiết bị logic phức tạp đều được tạo ra bằng cách sử dụng công nghệ điện tử. Bên cạnh đó, các trạm lặp bằng quang cũng rất khó thực hiện hơn nhiều so với các trạm lặp điện tử mặc dù các trạm lặp trong mạng toàn quang được đặt ở những khoảng cách định kỳ rất xa nhau. 1.3.6. Chuyển mạch quang trong hệ thống WDM Hầu hết các thiết bị mạng ngày nay đều dựa trên tín hiệu điện, điều đó có nghĩa tín hiệu quang cần chuyển đổi sang tín hiệu điện để được khuếch đại, tái tạo hoặc chuyển mạch và sau đó được chuyển đổi trở lại tín hiệu quang. Điều này nói đến sự chuyển đổi optical-to-electronic-to-optical (O-E-O) và là công 23
  24. Đồ án tốt nghiệp việc cốt lõi hết sức có ý nghĩa trong việc truyền tín hiệu. Số lượng lớn tín hiệu đi qua mạng quang cần được chuyển mạch qua các điểm khác nhau, được gọi là các node. Thông tin đến node sẽ được chuyển về phía trước theo hướng đến nơi mà nó được gửi tới qua đường tốt nhất có thể, con đường này có thể xác định bởi các yếu tố như khoảng cách, chi phí, độ tin cậy, băng thông của tuyến đó. Cách chuyển đổi tín hiệu để thực hiện chuyển mạch là để tách ánh sáng từ những đầu vào sợi quang, chuyển đổi nó sang tín hiệu điện và sau đó chuyển đổi trở lại tín hiệu ánh sáng laser, tín hiệu này được gửi đi trong sợi quang. Vấn đề cơ bản của chuyển mạch quang là thay thế sự tồn tại của chuyển mạch mạng điện bằng mạng toàn quang, sự cần thiết của việc chuyển đổi O-E-O được loại bỏ. Những thuận lợi của khả năng này khi tránh được việc chuyển đổi O-E-O là điều hết sức ý nghĩa. Đầu tiên chuyển mạch quang có thể rẻ hơn bởi vì không cần nhiều tín hiệu điện tốc độ cao đắt tiền. Các bộ chuyển mạch quang cho nhiều ứng dụng trong mạng quang. Một ứng dụng của chuyển mạch quang là cung cấp các lightpath. Với ứng dụng này, chuyển mạch được sử dụng bên trong bộ kết nối chéo nhằm cấu hình lại chúng để cung cấp các lightpath mới. Một phần mềm được thêm vào để quản lý mạng từ đầu cuối đến đầu cuối. Vì thế với ứng dụng này, các bộ chuyển mạch với thời gian chuyển mạch ms có thể chấp nhận, nhưng các bộ chuyển mạch ở đây đòi hỏi phải có kích thước lớn. Một ứng dụng quan trọng khác là chuyển mạch bảo vệ. Ở đây các chuyển mạch được sử dụng để chuyển các luồng lưu lượng từ sợi chính sang sợi khác trong trường hợp sợi chính gặp sự cố. Toàn bộ hoạt động như thời gian tìm ra lỗi, thông tin lỗi đến các phần tử mạng điều khiển việc chuyển mạch và quá trình chuyển mạch thực sự đòi hỏi phải hoàn thành trong thời gian rất ngắn. Có thể có nhiều dạng chuyển mạch bảo vệ khác nhau, phụ thuộc vào phương pháp được sử dụng, số các cổng chuyển mạch cần thiết có thể thay đổi từ hàng trăm đến hàng nghìn cổng khi sử dụng trong các bộ kết nối chéo bước sóng. 1.3.7. Các thành phần chính của hệ thống WDM Cấu trúc của mạng WDM gồm có các thành phần: thiết bị đầu cuối OLT, các bộ ghép kênh xen/rớt quang OADM, các bộ kết nối chéo quang OXC liên kết với nhau qua các kết nối sợi quang. Ngoài ra còn có bộ khuếch đại để bù suy hao trên đường truyền. 24
  25. Đồ án tốt nghiệp a) Thiết bị đầu cuối OLT Thiết bị đầu cuối OLT (Optical Line Terminator) là thiết bị được dùng ở đầu cuối của một liên kết điểm nối điểm để ghép và phân kênh các bước sóng. Thiết bị đầu cuối gồm có ba phần tử: bộ tiếp sóng (transponder), bộ ghép kênh các bước sóng (wavelength multiplexer) và bộ khuếch đại (optical amplifier). Bộ tiếp sóng làm nhiệm vụ thích ứng tín hiệu đi vào từ một người sử dụng mạng thành một tín hiệu phù hợp sử dụng trong mạng. Và ở hướng ngược lại nó làm thích ứng tín hiệu từ mạng quang thành tín hiệu phù hợp với người sử dụng. Giao diện giữa người sử dụng và bộ tiếp sóng có thể thay đổi dựa vào người sử dụng, tốc độ bít và khoảng cách hoặc suy hao giữa người dùng và bộ chuyển tiếp. Giao diện phổ biến nhất là giao diện SONET/SDH. Transponder Non ITU  ITU1 IP Router O/E/O MUX/DEMUX 123 Non ITU  O/E/O ITU2 SONET ITU  3 osc Laser SONET Receiver osc Optical Line Terminal Hình 1.7. Mô hình thiết bị đầu cuối OLT Sự thích ứng bao gồm nhiều chức năng, tín hiệu có thể được chuyển đổi thành bước sóng thích hợp hơn trong mạng quang, nó cũng có thể thêm vào các phần đầu header nhằm quản lý mạng. Bộ tiếp sóng cũng có thể giám sát tỷ lệ lỗi bít của tín hiệu ở điểm đi vào và đi ra trong mạng. Vì những lý do này nên bộ chuyển tiếp thực hiện chuyển đổi quang-điện-quang. Tín hiệu ra khỏi bộ tiếp sóng được ghép kênh với các tín hiệu khác ở các bước sóng khác nhau sử dụng bộ ghép kênh theo bước sóng trên một sợi quang. Thêm vào đó bộ khuếch đại có thể được dùng để khuếch đại công suất lên nếu cần thiết trước khi chúng được đưa đến bộ phân kênh. Những bước sóng này lại 25
  26. Đồ án tốt nghiệp được kết thúc trong một bộ tiếp sóng nếu có hoặc kết thúc trực tiếp trong thiết bị người sử dụng. Cuối cùng OLT cũng kết thúc một kênh giám sát quang (OSC). OSC được mang bước sóng riêng lẻ, khác với các bước sóng mang lưu lượng thực sự. Nó dùng để giám sát việc thực hiện của các bộ khuếch đại dọc theo liên kết cũng như cho các chức năng quản lý khác. b) Bộ ghép kênh xen/rớt quang OADM Bộ ghép kênh xen/rớt quang cung cấp một phương tiện điều khiển lưu lượng trong mạng. OADM có thể được dùng ở các vị trí khuếch đại trong các mạng đường dài nhưng cũng có thể sử dụng ở những phần tử mạng độc lập. Hiện nay có nhiều cấu trúc để cấu thành lên OADM đã được đưa ra, trong đó phần tử cơ bản vẫn là một hay nhiều bộ lọc. Một cách cơ bản có 3 cấu trúc OADM: cấu trúc song song, cấu trúc nối tiếp và cấu trúc xen/rớt theo băng sóng.  Cấu trúc song song: DEMUX MUX  w 1,2, ,w 1,2, ,w  2  1 Rớt Xen Hình 1.8a. Kiến trúc OADM dạng song song. Trong cấu trúc song song, tất cả các kênh tín hiệu đều được giải ghép kênh. Sau đó một số kênh tùy ý được cấu hình rớt, các kênh còn lại được cấu hình cho đi xuyên qua một cách thích hợp. Như vậy số kênh thực hiện xen/rớt, cụ thể kênh nào thực hiện xen/rớt là không cố định. OADM chế tạo theo cấu trúc song song sẽ không tạo ra nhiều ràng buộc khi thiết lập một đường quang giữa các nút trong mạng. Đồng thời, do OADM xử lý đối với tất cả các kênh bước sóng đi và suy hao thêm vào của tín hiệu khi đi qua OADM là cố định, không phụ thuộc vào số lượng kênh xen/rớt tại điểm nút. Hơn nữa việc xem rớt thêm các kênh không làm gián đoạn các kênh đang hoạt động. Tuy nhiên, so với 26
  27. Đồ án tốt nghiệp điều kiện thực tế, cấu trúc này không mang tính kinh tế do số lượng kênh xen/rớt tại mỗi nút thường không đáng kể so với số lượng kênh truyền trên sợi quang.  Cấu trúc nối tiếp: 1,2, ,w 1,2, ,w Rớt Xen 1 2 w Hình 1.8b. Kiến trúc OADM dạng nối tiếp Trong cấu trúc nối tiếp, một kênh đơn được thực hiện rớt và xen từ tập hợp các kênh đi vào OADM. Người ta gọi thiết bị này là OADM kênh đơn SC- OADM. SC-OADM là yếu tố cơ bản nhất cấu thành nên hệ thống OADM hoàn chỉnh bằng cách ghép nối tiếp nhiều SC-OADM lại với nhau. Trên thực tế thiết bị kiểu này cho tính kinh tế cao hơn so với cấu trúc song song nhưng suy hao thêm vào lớn do mắc nối tiếp các SC-OADM theo nhiều chặng. Việc xen/rớt các kênh mới sẽ làm gián đoạn các kênh khác. Do đó cần có kế hoạch phân bố bước sóng để hạn chế việc gián đoạn này.  Cấu trúc xen/rớt theo băng sóng: 1,2, ,w 1,2, ,w Rớt Xen 1,2, ,w Hình 1.8c. Kiến trúc OADM dạng xen/rớt theo băng sóng Trong cấu trúc này, một nhóm cố định kênh bước sóng được thực hiện xen/rớt tại mỗi nút mạng OADM. Các kênh được thiết lập thực hiện xen/rớt là các kênh liên tiếp nhau trong một băng sóng, sẽ được lọc bởi một bộ lọc có băng thông là các dải sóng, Sau đó chúng được đưa lên mức ghép kênh quang cao hơn và từ đó giải ghép kênh thành các kênh bước sóng riêng lẻ. Đây là cấu trúc trung hòa giữa hai cấu trúc trên. Số lượng tối đa kênh bước sóng được xen/rớt phụ thuộc vào băng thông của bộ lọc và nhà quản lý hệ thống trang thiết bị có bao nhiêu bộ chuyển đổi tín hiệu nút OADM. Tuy nhiên, số lượng các kênh 27
  28. Đồ án tốt nghiệp xen/rớt là bao nhiêu cũng không ảnh hưởng đến quá trình tính toán các đường quang khác trong mạng và độ suy hao của tín hiệu khi đi qua OADM. c) Bộ khuếch đại quang Nhằm bù lại sự suy hao tín hiệu trên đường truyền sợi quang cũng như tại các thiết bị (như các bộ ghép kênh) thì các bộ khuếch đại được đặt giữa các kết nối sợi quang ở những khoảng cách định kỳ. Loại khuếch đại quang điển hình là bộ khuếch đại quang sợi EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier – khuếch đại quang sợi có pha tạp Erbium). Bộ EDFA thực chất là sợi quang pha tạp có chức năng khuếch đại được tín hiệu ánh sáng, chúng có thể thay đổi các đặc tính vật lý của sợi theo nhiệt độ, áp suất và có tính chất bức xạ ánh sáng. Đặc điểm của sợi này là chúng có khả năng tự khuếch đại hoặc tái tạo tín hiệu khi có kích thích phù hợp. WDM EDF Đầu vào Đầu ra Bộ cách ly Bộ cách ly Hình 1.9. Bộ khuếch đại quang EDFA Theo hình vẽ thì ánh sáng bơm vào từ laser được kết hợp với tín hiệu vào nhờ sử dụng một bộ ghép WDM. Ánh sáng bơm này được truyền dọc theo sợi có pha Erbium và tín hiệu bơm này kích thích các ion Erbium lên mức năng lượng cao hơn. Sự dịch chuyển mức năng lượng của điện tử từ cao xuống thấp sẽ phát ra photon, được gọi là bức xạ tự phát nếu không có bất cứ tác động nào từ phía bên ngoài, còn gọi là bức xạ kích thích khi có mặt các photon chứa năng lượng bằng năng lượng dịch chuyển. Khi tín hiệu dữ liệu được truyền đến EDFA, tín hiệu dữ liệu này đến gặp các ion Er3+ đã được kích thích ở mức năng lượng cao. Quá trình này làm cho các ion nhảy từ trạng thái năng lượng cao xuống mức trạng thái năng lượng thấp nên phát ra photon, do đó sẽ khuếch đại công suất tín hiệu lên rồi truyền đi tiếp trong sợi quang. Thông thường, một bộ cách ly được dùng ở trước ngõ vào hoặc ngõ ra của bộ khuếch đại EDFA để ngăn cản sự phản xạ vào trong bộ khuếch đại này. 28
  29. Đồ án tốt nghiệp EDFA cho hệ số khuếch đại lớn, công suất ra lớn và nhiễu thấp, nó làm việc ở bước sóng 1500nm. Trong các hệ thống thông tin quang, để cho các EDFA hoạt động thì cần có nguồn bơm. Các nguồn bơm thực tế là các diode laser bán dẫn công suất cao dùng để cung cấp nguồn ánh sáng cho EDFA. EDFA có các đặc điểm sau:  Không có mạch tái tạo thời gian, mạch phục hồi (bộ chuyển đổi O/E và E/O). Do đó mạch sẽ trở nên linh hoạt hơn.  Công suất nguồn nuôi nhỏ nên khi áp dụng cho các tuyến thông tin vượt biên, cáp sẽ có cấu trúc nhỏ và nhẹ hơn cáp thường.  Giá thành của hệ thống thấp do cấu trúc của EDFA đơn giản, trọng lượng nhỏ, khoảng lặp và dung lượng truyền dẫn được nâng cao.  Ngoài ra do EDFA có khả năng khuếch đại nhiều bước sóng trong cùng một sợi nên nó có khả năng tăng dung lượng tốc độ lên đến 20Gbps hoặc cao hơn khi sử dụng kỹ thuật WDM. d) Bộ nối chéo quang OXC OLT OXC IP SONET ATM SDH Hình 1.10. Minh họa một mạng dùng OXC OXC cung cấp chức năng chuyển mạch và định tuyến để hỗ trợ các liên kết logic giữa hai node. Một OXC làm nhiệm vụ truyền thông tin trên mỗi bước sóng ở một đầu vào và nó có thể chuyển mạch đến một cổng ra riêng biệt. Một OXC với N cổng vào – N cổng ra mà các cổng này có khả năng xử lý W bước sóng trên mỗi cổng OXC (Optical Cross Connect) là thành phần chủ yếu để điều khiển các cấu trúc mắt lưới phức tạp và một số lượng lớn các bước sóng. OXC là thành phần mạng chính cho phép cấu hình lại mạng quang, mà ở đó các lightpath có thể thiết lập và kết thúc khi cần thiết mà không phải được cung cấp 29
  30. Đồ án tốt nghiệp cố định. OXC được cấu trúc với mạch tích hợp rất lớn và khả năng kết nối hàng ngàn đầu vào với hàng ngàn đầu ra tạo nên chức năng chuyển mạch và định tuyến. Trong thông tin quang, 40 kênh quang có thể được truyền đi trong một sợi đơn, OXC là thiết bị cần thiết để có thể tiếp nhận nhiều bước sóng khác nhau ở các đầu vào và định tuyến các bước sóng này đến các đầu ra thích hợp trong mạng. Như vậy có thể coi OXC là phần tử trung tâm của mạng. 30
  31. Đồ án tốt nghiệp CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN MẠNG IP/WDM 2.1. Tổng quan mạng IP/WDM Mạng IP/WDM được thiết kế để truyền dẫn lưu lượng IP trong một mạng quang, cho phép WDM tận dụng tối đa khả năng kết nối IP và dung lượng băng thông cực lớn của WDM. Kết hợp IP và WDM có nghĩa là, ở trong mặt phẳng dữ liệu ta có thể yêu cầu các tài nguyên mạng chuyển tiếp lưu lượng IP một cách hiệu quả; còn trong mặt phẳng điều khiển ta có thể xây dựng một mặt phẳng điều khiển đồng bộ. IP/WDM cũng đánh địa chỉ tất cả các mức trung gian của các mạng quang intra- , inter-WDM và các mạng IP. 2.1.1. Lý do chọn IP/WDM Giao thức Internet (IP) đã trở thành giao thức chuẩn phổ biến cho các dịch vụ mạng mới, do đó lưu lượng IP không ngừng tăng nhanh và dần thay thế các loại giao thức khác. Hằng năm, lưu lượng số tăng hơn lưu lượng thoại gấp 2 ÷ 4 lần. Đến năm 2009, lưu lượng số đã đạt đến gấp 30 lần lưu lượng thoại. Trong khi IP được xem như công nghệ lớp mạng phổ biến thì công nghệ WDM cung cấp khả năng dung lượng truyền dẫn lớn. Hơn nữa, khả năng cấu hình mềm dẻo của các bộ nối chéo quang OXC (Optical Cross Connect) đã cho phép xây dựng mạng quang linh hoạt hơn, nhờ đó các đường quang (lightpath) có thể được thiết lập theo nhu cầu. Một trong những thách thức quan trọng đó là vấn đề điều khiển các lightpath này, tức là phát triển các cơ chế và thuật toán cho phép thiết lập các lightpath nhanh và cung cấp khả năng khôi phục khi có sự cố, trong khi vẫn đảm bảo được tính tương tác giữa các nhà cung cấp thiết bị. Đã có nhiều phương pháp để cung cấp dịch vụ gói IP trên mạng WDM được đề nghị: IP/ATM/SDH over WDM, IP/SDH over WDM, v.v.v Tuy nhiên việc quản lý mạng theo các phương pháp trên gặp không ít khó khăn. Nguyên nhân chủ yếu gây nên sự phức tạp trong quản lý chính là sự phân lớp theo truyền thống của các giao thức mạng. Các mạng truyền thống có rất nhiều lớp độc lập, do đó có nhiều chức năng chồng chéo nhau ở các lớp và thường xuyên có sự mâu thuẫn lẫn nhau. Vì vậy, một trong những giải pháp để giảm chi phí xây dựng và quản lý mạng một cách triệt để đó là giảm số lớp giao thức. 31
  32. Đồ án tốt nghiệp Hơn nữa, khi dung lượng và khả năng kết nối mạng trong cả công nghệ IP và WDM tăng lên thì càng cần thiết tối ưu mạng IP và bỏ qua tất cả các công nghệ lớp trung gian để tạo nên mạng Internet quang thật sự hiệu quả và mềm dẻo. Tuy nhiên, các lớp trung gian cũng cung cấp một số chức năng có giá trị như kỹ thuật lưu lượng (Traffic Engineering) và khôi phục. Những chức năng này cần phải được giữ lại trong mạng IP/WDM bằng cách đưa chúng lên lớp IP hoặc xuống lớp quang. Từ đó người ta tiến hành nghiên cứu công nghệ IP over WDM. Đây là một công nghệ mới tuy rằng còn nhiều vấn đề chưa giải quyết nhưng với lợi ích của nó, thị trường rộng lớn và tương lai sáng sủa, các tổ chức viễn thông quốc tế đang triển khai công tác nghiên cứu công nghệ này. IP over WDM cung cấp khả năng truyền dẫn trực tiếp gói số liệu IP trên kênh quang, giảm sự trùng lặp chức năng giữa các lớp mạng, giảm bộ phận trung tâm dư thừa tại các lớp SDH/SONET, ATM; giảm thao tác thiết bị, dẫn đến giảm chi phí bảo dưỡng và quản lý. Do không phải qua lớp SDH và ATM nên gói số liệu có hiệu suất truyền dẫn cao nhất, đồng nghĩa với chi phí thấp nhất. Ngoài ra còn có thể phối hợp với đặc tính lưu lượng không đối xứng của IP, tận dụng băng tần nhằm giảm giá thành khai thác. Từ đó gián tiếp giảm chi phí cho thuê bao. Rõ ràng đây là một kết cấu mạng trực tiếp nhất, đơn giản nhất, kinh tế nhất, rất thích hợp sử dụng cho các mạng đường trục. Hình 2.1. Xu hướng tích hợp mạng Internet và quang. Một trong những thách thức lớn nhất ngày nay mà các nhà nghiên cứu chuyển mạch quang đó là việc phát triển các giao thức báo hiệu cho điều khiển động và hoạt động liên mạng của lớp quang. Dẫn đến phải có những chuẩn hóa riêng. Các tổ chức và diễn đàn quốc tế OIF (Optical Internetworking Forum), IETF và ITU đều đang nỗ lực gấp rút để thiết lập nên các phương pháp xác định việc điều khiển và kết nối giữa mạng WDM và IP. 32
  33. Đồ án tốt nghiệp 2.1.2. Các thế hệ WDM a) Thế hệ WDM thứ nhất Thế hệ WDM đầu tiên được sử dụng trong mạng WAN. Cấu hình mạng WAN/WDM được cài đặt nhân công hoặc cố định. Đường truyền WDM cung cấp các điểm kết nối điểm nối điểm với tốc độ thấp. Kỹ thuật chính trong WDM thế hệ đầu tiên là thiết kế và phát triển các Laser WDM, các kỹ thuật khuếch đại quang, các giao thức truy nhập và định tuyến tĩnh. Các thiết bị xen, rẽ bước sóng quang WADM cũng được sử dụng trong mạng MAN. Các thiết bị đấu nối chéo quang OXC được sử dụng để kết nối các vòng Ring WADM. Các kết nối này có thể là băng thông rộng hoặc băng thông hẹp. Ứng dụng của các hệ thống WDM thế hệ đầu tiên là các trung kế chuyển mạch cho tín hiệu thoại, các đường truyền E1, T1 (hiện nay vẫn còn rất nhiều ứng dụng trong viễn thông, đặc biệt là trong thông tin liên lạc). b) Thế hệ WDM thứ hai Thế hệ WDM thứ hai có khả năng thiết lập các kết nối từ đầu cuối đến đầu cuối trên lớp quang bằng cách sử dụng WXSC. Các đường quang này có cấu trúc (topology) ảo trên topology vật lý của cáp sợi quang. Cấu hình các bước sóng ảo này được cài đặt mềm dẻo hơn theo yêu cầu sử dụng. Kỹ thuật chính của thế hệ WDM thứ hai là xen, rẽ bước sóng quang, các thiết bị đấu nối chéo, bộ biến đổi bước sóng quang tại các bộ đấu nối chéo, định tuyến động và phân bố bước sóng quang, các giao diện để kết nối với các mạng khác. c) Thế hệ WDM thứ ba Thế hệ WDM thứ ba phát triển theo hướng mạng chuyển mạch gói quang không có kết nối. Trong mạng này, các nhãn hoặc mào đầu quang được gắn kèm với số liệu, được truyền cùng với tải và được xử lý tại các bộ chuyển mạch quang WDM quang. Căn cứ vào tỷ số của thời gian xử lý gói tin mào đầu và thời gian xử lý toàn bộ gói tin, các bộ chuyển mạch quang WDM có thể chia thành hai loại: chuyển mạch nhãn (OLS) hoặc chuyển mạch nhóm (OBS). Một số ví dụ thiết bị WDM thế hệ ba là: bộ định tuyến (Router) quang chuyển mạch nhãn, Router quang Gigabit, chuyển mạch quang nhanh. Khả năng kết hợp với nhau trong vận hành giữa mạng WDM và mạng IP là vấn đề trọng tâm trong mạng WDM thế hệ ba. Kết hợp định tuyến và phân bố bước sóng trên cơ sở chuyển mạch nhãn đa giao thức tổng quát (Generalized MPLS) thể hiện nhiều ưu điểm vượt trội. Nhiều kỹ thuật phần mềm quan trọng 33
  34. Đồ án tốt nghiệp như quản lý băng thông, đặt cấu hình, khôi phục, hỗ trợ chất lượng dịch vụ cũng đã được thực hiện. Thế hệ thứ nhất Thế hệ thứ hai Thế hệ thứ ba WADM OBS WSXC (OXC) OPR WAMP OLS DXC Định tuyến quang Chuyển mạch Chuyển mạch Chuyển mạch kênh WDM nhóm quang gói quang Hình 2.2. Mạng WDM qua các thế hệ. 2.1.3. Các ƣu điểm của mạng IP over WDM  IP/WDM thừa kế tất cả sự mềm dẻo và khả năng tương thích của giao thức điều khiển IP.  IP/WDM thay đổi băng thông động theo yêu cầu trong mạng cáp quang (Cung cấp các dịch vụ đáp ứng thời gian thực).  Cùng với sự hỗ trợ giao thức IP, IP/WDM sẽ đáp ứng được sự cùng hoạt động với nhau, cung cấp dịch vụ các nhà cung cấp thiết bị, dịch vụ.  IP/WDM có thể thực hiện khôi phục động bằng kỹ thuật điều khiển phân phối trong mạng (đây chính là kỹ thuật lưu lượng trong mạng IP/WDM mà chúng ta sẽ nghiên cứu cụ thể trong chương tiếp theo).  Đứng trên quan điểm dịch vụ, mạng IP/WDM có các ưu điểm về quản lý chất lượng, các chính sách và các kỹ thuật dự kiến sẽ sử dụng và phát triển trong mạng IP. 2.1.4. Các giải pháp phát triển mạng IP over WDM Mạng IP/WDM được thiết kế truyền lưu lượng IP trong mạng cáp quang để khai thác tối đa ưu điểm về khả năng đấu nối đa năng đối với mạng IP và dung lượng băng thông rộng của mạng WDM. 34
  35. Đồ án tốt nghiệp Hình 2.3 mô tả ba giải pháp IP over WDM là: Truyền IP trên ATM (IP over ATM), IP/MPLS over SONET/SDH và WDM, và IP/WDM sử dụng IP/MPLS trên WDM. IP ATM IP/MPLS SONET/SDH SONET/SDH IP/MPLS WDM WDM WDM Hình 2.3. Ba giải pháp IP over WDM (Mặt phẳng số liệu) a) Giải pháp truyền IP trên ATM (IP over ATM) Giải pháp thứ nhất là truyền IP trên ATM (IP over ATM), sau đó trên SONET/SDH và mạng quang WDM. Đối với giải pháp này, WDM được sử dụng như công nghệ truyền song công trên lớp vật lý. Ưu điểm của giải pháp này là sử dụng ATM có khả năng truyền nhiều loại tín hiệu khác nhau trong cùng đường truyền với yêu cầu chất lượng dịch vụ khác nhau. Một ưu điểm khác khi sử dụng ATM là tính mềm dẻo khi cung cấp dịch vụ mạng. Tuy nhiên, giải pháp này rất phức tạp, quản lý và điều khiển IP over ATM phức tạp hơn so với quản lý và điều khiển IP qua mạng thuê riêng (IP – Leased line). ATM sử dụng công nghệ chuyển mạch tế bào. Tế bào ATM có độ dài cố định 53 byte, trong đó có 5 byte mào đầu và 48 byte số liệu. Số liệu được gói hóa thành các tế bào để truyền và tái hợp ở đích. Lớp phụ (Sublayer) ATM SAR (Phân mảnh và tái hợp) thực hiện chức năng đóng gói này. Từ byte 48 trở lên thực hiện SAR rất khó khăn. Lớp ATM ở giữa lớp IP và WDM dường như không cần thiết. Quan điểm này được khẳng định bằng kỹ thuật MPLS của lớp IP. Các đặc điểm chính của MPLS là: . Sử dụng nhãn đơn giản, có độ dài cố định để nhận dạng đường dẫn (flows/paths). . Tách biệt đường điều khiển và đường truyền số liệu, đường điều khiển được sử dụng để khởi tạo đường dẫn, các gói tin được chuyển tới các nút mạng (hop) kế tiếp theo nhãn trong bảng chuyển tiếp. 35
  36. Đồ án tốt nghiệp . Nhãn đơn giản và duy nhất, mào đầu IP được xử lý và kiểm tra tại biên của mạng MPLS, sau đó các gói tin MPLS được chuyển tiếp dựa vào nhãn (thay vì phân tích mào đầu gói tin IP). . MPLS cung cấp đa dịch vụ. Ví dụ, mạng riêng ảo VPN được thiết lập bởi MPLS có mức ưu tiên được xác định bởi nhóm chuyển tiếp tương đương (FEC). . Phân loại các gói tin dựa theo quy luật, các gói tin được tập hợp vào nhóm chuyển tiếp tương đương dựa vào nhãn. Sắp xếp các gói tin vào FEC được thực hiện tại biên, ví dụ dựa theo nhóm của dịch vụ hoặc địa chỉ đích trong mào đầu gói tin. . Cung cấp khả năng điều khiển lưu lượng, nhờ đó có thể sử dụng để cân bằng tải bằng cách giám sát lưu lượng và điều khiển luồng trực tiếp hoặc theo tiến trình định trước. Trong mạng IP hiện tại, kỹ thuật điều khiển lưu lượng rất khó khăn định trước. Trong mạng IP hiện tại, kỹ thuật điều khiển lưu lượng rất khó khăn nếu không muốn nói là không thể thực hiện được bởi vì định tuyến lại không hiệu quả bằng điều chỉnh định tuyến gián tiếp và nó có thể là nguyên nhân gây tắc nghẽn tại một nơi khác trong mạng. MPLS cung cấp định tuyến nguồn (explicit path routing).Vì vậy nó có tính hội tụ cao và có khả năng chuyển tiếp theo nhóm. Ngoài ra, MPLS còn có một số công cụ khác như tạo kênh an toàn (Tunneling), ngăn ngừa, tránh vòng lặp (Loop), hợp nhất các luồng để điều khiển lưu lượng. b) Giải pháp IP/ MPLS over SONET/SDH và WDM Giải pháp thứ hai là IP/MPLS over SONET/SDH và WDM. SONET/SDH có một số ưu điểm sau: Thứ nhất, SONET/SDH có cấu trúc tách ghép tín hiệu quang tiêu chuẩn, nhờ đó tín hiệu tốc độ thấp có thể ghép, tách thành tín hiệu có tốc độ cao. Thứ hai, SONET/SDH cung cấp khung truyền chuẩn. Thứ ba, mạng SONET/SDH có khả năng bảo vệ, khôi phục, nhờ đó tín hiệu được truyền trong suốt tới lớp cao hơn (như lớp IP). Mạng SONET/SDH thường sử dụng cấu hình mạng vòng (Ring). Một số cấu hình bảo vệ có thể sử dụng là: 36
  37. Đồ án tốt nghiệp  Cấu hình 1+1 có nghĩa là số liệu được truyền trên hai đường trong hai hướng ngược chiều nhau, tín hiệu có chất lượng tốt hơn sẽ được chọn ở đích.  Cấu hình 1:1 có nghĩa là đường dự phòng tách biệt đối với đường hoạt động.  Cấu hình n:1 có nghĩa là n đường hoạt động sử dụng chung một đường dự phòng. Khai thác, quản lý, bảo dưỡng OAM&P là tính năng nổi bật của mạng SONET/SDH để truyền cảnh báo, điều khiển, các thông tin về chất lượng ở cả mức hệ thống và mức mạng. Tuy nhiên SONET/SDH mang số lượng thông tin mào đầu đáng kể, thông tin mào đầu này được mã hóa ở nhiều mức. Mào đầu đoạn POH được truyền từ đầu cuối tới đầu cuối. mào đầu đường LOH được sử dụng cho tín hiệu giữa các thiết bị đầu cuối như các bộ phận tách ghép kênh OC- n (STM-n). Mào đầu nhân đoạn SOH được sử dụng để thông tin giữa các phần tử mạng lân cận như các bộ lặp. Đối với tín hiệu OC-1 có tốc độ truyền 51.84Mb/s, tải của nó là đường truyền DS-3 chỉ có tốc độ 44.736Mb/s. c) IP/WDM sử dụng IP/MPLS trên WDM Giải pháp thứ ba IP/WDM sử dụng IP/MPLS trên WDM. Đây là giải pháp hiệu quả nhất trong ba giải pháp. Tuy nhiên nó yêu cầu lớp IP phải kiểm tra đường bảo vệ và khôi phục. Nó cũng cần dạng khung đơn giản để xử lý lỗi đường truyền. Có nhiều dạng khung IP over WDM. Một số hãng trên thế giới đã phát triển tiêu chuẩn khung mới như Slim SONET/SDH. Dạng khung này có chức năng tương tự như SONET/SDH nhưng với kỹ thuật mới hơn khi thay thế mào đầu và tương thích kích thước khung với kích thước gói. Một ví dụ khác là thực hiện dạng khung Gigabit Ethernet. 10 Gigabit Ethernet được thiết kế đặc biệt cho hệ thống ghép bước sóng quang mật độ cao DWDM. Sử dụng dạng khung Ethernet, kết nối Ethernet không cần thiết phải ghép tín hiệu sang dạng giao thức khác (như ATM) để truyền dẫn. Mạng IP truyền thống sử dụng báo hiệu trong băng (In band), trong phương thức báo hiệu này lưu lượng dữ liệu và lưu lượng điều khiển được truyền cùng nhau trên cùng đường nối. Mạng quang WDM có mạng truyền số liệu riêng cho bản tin điều khiển. Vì vậy, nó sử dụng báo hiệu ngoài băng (Out of band) như trên hình 2.3. 37
  38. Đồ án tốt nghiệp Lưu lượng dữ liệu Báo hiệu ngoài băng (a) Mạng WDM Lưu lượng dữ liệu và điều khiển Báo hiệu trong băng (b) Mạng IP truyền thống Hình 2.3. Báo hiệu trong băng và báo hiệu ngoài băng Trong mặt phẳng điều khiển, IP over WDM có thể cung cấp nhiều kiểu kiến trúc mạng. Kiến trúc mạng được lựa chọn phụ thuộc vào mạng hiện tại, người quản lý và người sở hữu. 2.1.5. Các chuẩn của mạng IP/WDM Hai tổ chức đưa ra tiêu chuẩn IP/WDM là nhóm đặc trách kỹ thuật Internet IETF( Internet Engineering Task Force) (www.ietf.org) và nhóm tiêu chuẩn hóa viễn thông, Tổ chức viễn thông quốc tế ITU-T (Internation Telecommunication Union). Các nhà kỹ thuật làm việc theo nhóm, mỗi nhóm giải quyết một lĩnh vực. Nhóm giải quyết lĩnh vực IP/WDM thuộc IETF nghiên cứu các vấn đề sau:  MPLS/MP S (Chuyển mạch bước sóng đa giao thức)/ GMPLS (Generalized MPLS).  Chức năng lớp 2 và lớp 3 trong mạng quang.  Các tiêu chuẩn kết nối mạng NNI quang (Network to Network Interface). Nhóm giải quyết lĩnh vực IP/WDM thuộc ITU-T nghiên cứu các vấn đề: Đặc điểm lớp 1 trong mô hình OSI, Kiến trúc và các giao thức mạng quang thế hệ sau (OTN), Kiến trúc của mạng quang chuyển mạch tự động. Với các ưu điểm của mạng quang này, ngày 20/04/1998, Cisco Systems và Ciena Coporation đưa ra diễn đàn kết nối mạng quang (Optical Internetworking Forum – OIF) (www.oiforum.org). Đây là diễn đàn mở, quan tâm đến việc thúc đẩy nhanh việc triển khai mạng Internet quang. Các thành viên của diễn đàn là: AT&T, Bellcore (Nay là Telcordia Technologies), Ciena 38
  39. Đồ án tốt nghiệp Corporation, Cisco Systems, Hewlett-packard, Qwest, Sprint và Worldcom (Nay là MCI Worldcom). OIF là nơi gặp gỡ của các nhà sản xuất thiết bị, người sử dụng, người cung cấp dịch vụ cùng nhau đưa ra các giải pháp và các vấn đề khác nhau để đảm bảo sự cùng hoạt động của các mạng quang. Hiện tại, có 5 nhóm làm việc trong OIF: Kiến trúc (Architecture), truyền dẫn (Carrier), khai thác, bảo dưỡng (OAM&P), lớp vật lý và kết nối (Physical and link layer), báo hiệu (Signalling). OIF đang triển khai các công việc thuộc lĩnh vực: Giao diện quang với người sử dụng (Optical UNI – User to Network Interface), Giao diện quang giữa các mạng (Optical NNI – Network to Network Interface). 2.1.6. Các mô hình liên mạng IP/WDM Hiện nay có hai xu hướng xây dựng mô hình tích hợp liên mạng IP/WDM. Đó là mô hình xếp chồng (Overlay) hay còn gọi là mô hình khách – chủ (Client-Server), tức là đặt toàn bộ sự điều khiển cho lớp quang ở chính lớp quang. Xu hướng thứ hai là mô hình ngang hàng (Peer), tức là dịch chuyển một phần điều khiển lên bộ định tuyến IP. Hình 2.4 minh họa hai mô hình tích hợp IP vào mạng WDM đang được các tổ chức chuẩn hóa theo đổi. Mô hình ngang hàng dựa trên giả thiết là việc điều khiển ở lớp quang được chuyển sang thực hiện ở lớp IP. Mô hình này xem xét kiến trúc mạng dưới quan điểm “định tuyến gói”. Trong khi đó mô hình xếp chồng dựa trên giả thiết điều khiển lớp quang là độc lập và lớp quang tạo nên một nền mở cho kết nối động của nhiều loại tín hiệu khác nhau bao gồm cả IP. Mô hình này xem xét kiến trúc mạng trên quan điểm “chuyển mạch kênh”. Cả hai mô hình đều giả định phát triển mạng quang thế hệ sau có tôpô dạng mắt lưới với nền điều khiển IP dựa trên chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS. Ứng dụng cụ thể của MPLS cho mô hình xếp chồng còn gọi là chuyển mạch đa giao thức tổng quát GMPLS. Kiến trúc điều khiển GMPLS cung cấp một tập các giao thức đơn giản, hoàn thiện tương thích với mạng IP đáp ứng cho mạng thế hệ sau. Quá trình điều khiển thống nhất xuyên suốt các lớp số liệu và quang sẽ đơn giản quá trình quản lý mạng có nhiều lớp và cải thiện hiệu quả sử dụng tài nguyên thông qua kỹ thuật lưu lượng giữa các lớp. Trong bối cảnh này, các giao thức định tuyến IP làm đòn bẩy cho việc nhận biết tôpô mạng và các giao thức báo hiệu MPLS được sử dụng cho thiết lập tự động. Ngoài ra, sử dụng các giao thức này cho điều khiển lớp quang sẽ giúp các nhà sản xuất thiết bị đảm bảo tính tương thích nhờ có các tiêu chuẩn rất phổ biến. Do vậy xu hướng chung 39
  40. Đồ án tốt nghiệp là sử dụng IP cho cả ba mặt phẳng chức năng của mạng: dữ liệu, điều khiển và quản lý. Thông tin topo báo hiệu, điều khiển NNI NNI UNI UNI Mô hình ngang bằng Mô hình xếp chồng Hình 2.4. Hai cấu trúc tích hợp mạng quang Mặc dù các mô hình tích hợp đều sử dụng kiến trúc theo kiểu IP, nhưng chúng quản lý các ứng dụng khác nhau. Chẳng hạn, mặt phẳng điều khiển quang sẽ điều khiển quá trình thiết lập bước sóng quang động nhờ các Router ở biên được nối với mạng quang. Khi tại Router xảy ra tắc nghẽn thì hệ thống quản lý mạng hay chính Router sẽ yêu cầu thiết lập luồng quang động. Sau đó các chuyển mạch quang sẽ tạo kênh quang mới để đáp ứng nhu cầu của Router. Vì vậy, thiết lập bước sóng động có thể thích nghi được với nhu cầu lưu lượng. Với mô hình xếp chồng thì cho phép mỗi Router giao tiếp trực tiếp với mạng thông qua giao diện UNI. Giao diện giữa các mạng con được thực hiện thông qua giao diện NNI. Mô hình giao diện UNI tương tự như mô hình trong mạng chuyển mạch kênh truyền thống như mạng ISDN. Trong mô hình này, mỗi mạng con sẽ tiến triển độc lập, nhờ đó cho phép các nhà khai thác mạng đưa các công nghệ mới mà không bị gánh nặng của các công nghệ cũ. Các nhà khai thác còn có thể đáp ứng được các cơ sở hạ tầng kế thừa hiện có. Quan trọng hơn là các nhà khai thác có thể tìm thấy được trong môi trường mạng quang nhiều nhà cung cấp, nó cho phép thực hiện được tính tương thích trong tương lai gần nhờ các giao diện UNI và NNI. Với mô hình ngang hàng cũng hỗ trợ cho thiết lập luồng động bằng cách sử dụng các luồng đầu cuối ở biên mạng quang và cho phép quản lý chúng từ xa. Mô hình ngang hàng giả định rằng các Router điều khiển lớp mạng quang. Mối quan hệ giữa IP Router và OXC là bình đẳng về mặt điều khiển. Vì vậy về mặt 40
  41. Đồ án tốt nghiệp báo hiệu và định tuyến sẽ không có sự phân biệt nào giữa UNI, NNI và giao diện giữa các Router. Trong mô hình này cần một khối lượng lớn thông tin trạng thái và điều khiển chuyển qua lại giữa lớp IP và quang. Do đó sẽ khó hơn cho việc kết nối trong môi trường có nhiều nhà khai thác so với mô hình xếp chồng. Mỗi mô hình có ưu điểm riêng, đặc biệt mô hình xếp chồng có ưu điểm nổi trội là khả năng tương thích dễ dàng. Về kiến trúc thì mô hình xếp chồng trực tiếp và đơn giản hơn. Với kiến trúc ngang hàng cần có thêm các thông tin giữa lớp IP và quang để quản lý các luồng đầu cuối chuyển lên luồng quang. Khối lượng lớn thông tin trạng thái và điều khiển này bao gồm sự truyền thông trực tiếp giữa các Router biên của mạng quang và sự truyền thông tin trong bản thân mạng quang. Mô hình xếp chồng cho phép đổi mới tại lớp quang độc lập với lớp IP trong khi vẫn cung cấp khả năng kết nối tương thích cần thiết cho các dịch vụ nhanh mà vẫn duy trì tính toàn vẹn thông tin của nhà khai thác mạng quang. Tuy nhiên, mô hình ngang hàng cho phép tích hợp hoàn toàn IP/quang tạo nên mạng Internet quang thống nhất. Do đó việc sử dụng và quản lý mạng trở nên hiệu quả hơn, phù hợp với các ISP hơn. Ngoài ra mô hình ngang hàng gần hơn với xu hướng chuyển mạch gói quang trong tương lai. 2.2. Tổng quan cấu trúc mạng IP/WDM 2.2.1. Kiến trúc tổng quát mạng IP/WDM Kiến trúc tổng quát của các mạng quang IP over WDM (Internet quang) được mô tả như hình 2.5. Hình 2.5 thể hiện nhiều mạng quang tồn tại trong miền quang, trong đó giao diện ENNI (External Network-to-Network Interface) được sử dụng để báo hiệu giữa các mạng quang với nhau. Một mạng quang riêng lẻ bao gồm các mạng quang nhỏ hơn và báo hiệu giữa chúng sử dụng giao diện INNI (Internal Network-to-Network Interface). Và một mạng quang nhỏ hơn đó gồm nhiều nút mạng quang (các bộ OXC) được nối với nhau bởi sợi quang. Các mạng khách hàng như IP, ATM, SONET giao tiếp với mạng quang thông qua giao diện UNI (User-to-Network Interface). Các kỹ thuật chuyển mạch quang quyết định loại dịch vụ mà mạng quang có thể cung cấp cho các mạng khách hàng. 41
  42. Đồ án tốt nghiệp Optical network Optical subnetwork UNI UNI IP Network OXC OXC OXC IP Network INNI INNI INNI UNI Optical Optical UNI IP NetWork IP Network subnetwork subnetwork INNI Other client ENNI ENNI Other client networks UNI UNI networks Optical Network (e.g.ATM) (e.g.ATM) Hình 2.5. Kiến trúc tổng quát của mạng IP over WDM 2.2.2. Các kiểu kiến trúc của mạng IP/WDM Như ta đã biết IP đã trở thành một lớp không thể thiếu trong các máy tính và mạng truyền thông. Nhiệm vụ quan trọng là tìm ra kết quả của việc truyền tải lưu lượng IP trong mạng IP/WDM. a) IP over point-to-point WDM Theo kiểu kiến trúc này, mạng WDM cho phép liên kết quang điểm – điểm được sử dụng để cung cấp, phục vụ cho việc truyền tải lưu lượng IP. Các thiết của mạng WDM như OADM không tạo thành một mạng lưới riêng. Thay vào đó, họ cung cấp một lớp liên kết vật lý giữa các bộ định tuyến IP. SONET có thể sử dụng làm khung truyền trên các kênh WDM. Các gói tin IP được đóng gói trong khung SONET sử dụng hệ thống Packet-over-SONET. Nhiều bộ định tuyến IP và các nhà cung cấp thiết bị, sản phẩm WDM ngày nay có thể hỗ trợ tích cực cho mạng IP over point-to-point. Hệ thống mạng IP over point-to-point WDM hiện nay đã triển khai một cách rộng rãi trong các mạng đường dài và các mạng đa truy cập. 42
  43. Đồ án tốt nghiệp Hình 2.6. IP over point-to-point WDM Đối với IP over point-to-point WDM, tôpô mạng được cố định và tất cả cấu hình mạng là tĩnh. Như vậy việc quản lý hệ thống mạng thường tập trung và tương tác giữa các lớp IP và WDM là tối thiểu. b) IP over reconfigurable WDM IP over reconfigurable WDM là kiểu kiến trúc thiết lập lại cấu hình mạng IP/WDM. Đối với kiểu kiến trúc này thì các giao diện định tuyến từ bộ định tuyến IP được kết nối đến giao diện chủ của mạng WDM. Hình 2.7 minh họa kiểu kiến trúc của mạng IP over reconfigurable WDM. Trong kiểu kiến trúc này, mạng WDM được kết nối chéo và giao diện của bộ ghép kênh xen/rẽ tự kết nối với nhau tạo thành mạng WDM là các liên kết sợi đa bước sóng. Do đó, bản thân mạng WDM là một dạng tôpô vật lý và tôpô dạng đường đi ánh sáng. Tôpô vật lý WDM bao gồm các Nes được kết nối với nhau bằng sợi quang Nes, tôpô dạng đường đi ánh sáng được hình thành từ sự kết nối của các kênh bước sóng. Cấu hình WDM là một công nghệ chuyển mạch để thiết lập nên các kênh bước sóng và làm đứt đoạn các kết nối kể trên duy trì trong một giai đoạn cụ thể nào đó. Điều quan trọng là phải chỉ ra được rằng lưu lượng IP chuyển đổi và bước sóng chuyển đổi không cùng hoạt động trong một lớp của mạng IP over reconfigurable WDM. Điều này có thể tạo ra một mạng phủ kín. 43
  44. Đồ án tốt nghiệp Đường đi của ánh sáng trong mạng IP over reconfigurable WDM được thiết kế sao cho phù hợp với các tôpô IP. Bằng cách tích hợp cấu hình các bộ kết nối chéo, khi đó một giao diện của bộ định tuyến có thể được kết nối với bất kỳ giao diện của bộ định tuyến nào tại một bộ định tuyến bất kỳ. Kết quả là, các bộ định tuyến lân cận cũng có cấu hình giao diện theo kiểu kiến trúc này. Điều này đi đến kết luận rằng các mạng vật lý có thể hỗ trợ một số tôpô ảo chịu sự ràng buộc của cùng một tài nguyên mạng. IP OADM OXC Router Access link (single wavelength Fibre) OXC IP Router Multiwavelength IP OADM Fibre OADM Router OXC IP IP OADM OADM Router Router Client Interface Hình 2.7. IP over reconfigurable WDM c) IP over Swiched WDM Trong kiểu kiến trúc này, mạng WDM trực tiếp hỗ trợ khả năng chuyển đổi cho mỗi gói, trái ngược với việc chỉ đơn giản là cung cấp đường đi ánh sáng tại ngõ vào và ngõ ra. Như vậy, nó cho phép chia sẻ nhiều kết cấu nhỏ hơn cấu hình WDM. Các phương pháp tiếp cận WDM đã được đề xuất bao gồm:  Optical Burst Switching (OBS): chuyển mạch nhóm quang  Optical Label Switching (OLS): chuyển mạch nhãn quang  Optical Packet Routing (OPR) : định tuyến gói quang 44
  45. Đồ án tốt nghiệp OBS và OLS sử dụng mô hình chuyển đổi gói nhanh/chậm (fat- packet/flow), đó là sự khác nhau so với việc định tuyến các gói tin IP thông thường. Chính bản thân IPv4 tự định tuyến dựa trên một điểm đến nhất định. IP đã giới thiệu mạng MPLS như là một dịch vụ giá trị gia tăng để chuyển đổi thành các dòng ứng dụng. OLS cũng tương tự như MPLS nhưng thông thường nó không hỗ trợ địa chỉ IP đích dựa trên việc chuyển tiếp gói tin. Nói cách khác, OBS và OLS (tức là các thiết bị chuyển mạch lõi) không hiểu các tiêu đề gói tin IP và do đó không thể chuyển tiếp gói tin IP. Ngoài ra, thực tế thì OBS và OLS thường đưa ra lưu lượng trung bình một cách chi tiết thay vì chia nhỏ lưu lượng như hiện tại trong gói tin IP. OPR đại diện cho việc truyền dẫn quang của định tuyến IP truyền thống, nó có thể hỗ trợ đầy đử các chức năng IP. Kể từ khi việc nghiên cứu, tìm hiểu về logic quang học và công nghệ dữ liệu đệm quang còn chưa phát triển thì khi chuyển sang hệ thống WDM có các bộ đệm điển hình hơn. Mặc dù, những dự án liên quan đến chuyển mạch gói quang được đưa ra để cố gắng thiết kế các bộ đệm quang, nhưng những mẫu thiết kế này còn rất phức tạp. Vì vậy hầu hết các nghiên cứu hệ thống WDM chuyển sang thiết kế một bộ đệm mẫu. Dòng quang trễ được sử dụng để mô phỏng các bộ đệm. Những dòng quang trễ này lại ít nhiều phức tạp hơn so với bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên. Tương tự như vậy, hệ thống WDM dựa trên quá trình xử lý điện tử của mào đầu gói tin để điều khiển, kiểm soát hoạt động hệ thống. Ta có thể hiểu rằng, OPR không phát triển bằng OBS và OLS. Ngoài các bộ đệm quang, các yếu tố ảnh hưởng đến tính thương mại của OPR bao gồm tốc độ chuyển đổi, độ tin cậy và sự suy giảm của tín hiệu cần chuyển đổi. Hình 2.8 cho chúng ta thấy mô hình mạng IP over Switched WDM. OBS và OLS được mô tả như OLSR. Điểm khác biệt chính giữa OBS và OLS là OBS sử dụng chuyển mạch gói nhanh còn OLS sử dụng chuyển mạch gói chậm. Thông thường OBS sử dụng việc suy giảm của các bước sóng để mang thông tin điều khiển, ví dụ như mào đầu dòng. Như đã chỉ ra trên hình vẽ, OLSR thường triển khai trong một nhóm. Trong một nhóm, OLSR kế tiếp sẽ yêu cầu hoàn thành việc thực hiện giao thức IP. Các OLSR kế tiếp cũng cung cấp các bộ đệm điện tử để đến các gói tin IP và có thể phải chờ trong trường hợp thiết lập LSP động. 45
  46. Đồ án tốt nghiệp Hình 2.8. IP over Switched WDM OLSRs được kết nối với nhau bằng sợi hỗ trợ nhiều kênh bước sóng. OLSRs chỉ có thể được triển khai như các bộ định tuyến IP điện trừ khi OPR có một số giao diện (tức là có nhiều hơn số giao diện bộ định tuyến IP thông thường). Trong thực tế, việc tiết kiệm giao diện là một trong những trình điều khiển chính phía sau OPR trên một bộ định tuyến IP điện. Ba kiểu kiến trúc trình bày ở trên có liên quan khác nhau đến việc quản lý phần cứng, phần mềm và điều khiển. Kiến trúc IP over point-to-point WDM sẽ dần được thay thế bằng kiến trúc IP over Reconfigurable WDM. Kể từ kiến trúc thứ hai có thể cung cấp nhiều tính năng hơn so với kiến trúc đầu tiên. Mặt khác, kiến trúc thứ hai có tính linh hoạt hơn. Thông qua phần mềm thiết kế cho phép kiểm soát mạng và kỹ thuật lưu lượng một cách cẩn thận, kiến trúc thứ hai có thể sử dụng nhiều hơn nguồn tài nguyên mạng và giảm chi phí hoạt động hơn kiểu kiến trúc đầu tiên. 46
  47. Đồ án tốt nghiệp CHƢƠNG 3: CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG IP/WDM 3.1. IP và giao thức định tuyến 3.1.1. IPv4 và IPv6 IP address là địa chỉ giao thức mạng hay địa chỉ IP. Địa chỉ IPv4 gồm có 32 bit, chia thành bốn octet, mỗi octet là một byte. Địa chỉ IP được chia thành năm lớp A, B, C, D và E. Giả sử Net_ID và Host_ID lần lượt là phần định danh mạng và trạm. Địa chỉ IP được biểu diễn dưới dạng . Có thể biểu diễn địa chỉ IP dưới dạng nhị phân và thập phân. Giả sử n và h lần lượt là bit chỉ mạng và trạm. Địa chỉ IP được phân lớp, với bit lớp của lớp A, B, C, D, E lần lượt là 0, 10, 110, 1110, 11110. Với IPv4 chúng ta có 232 (4,3 tỷ) địa chỉ. Với sự phát triển của công nghệ hiện nay, hầu như tất cả các thiết bị điện tử trong tương lai sẽ tích hợp dịch vụ IP, vì thế không gian địa chỉ của IPv4 trở nên chật hẹp. IPv6 là sự mở rộng của IPv4, trong đó nó dùng 64 bit cho phần định danh mạng và 64 bit cho phần định danh trạm. Như vậy với IPv6 chúng ta sẽ có 2128 địa chỉ. Điều này có nghĩa là trung bình một cá nhân trên thế giới sẽ có vào khoảng 5x1028 địa chỉ IP (xem như trên thế giới vào khoảng 6,5 tỷ người). Như vậy với IPv6 chúng ta có thể đảm bảo đủ không gian địa chỉ cho tất cả các thiết bị điện tử tích hợp dịch vụ IP trong tương lai. Điều này làm tiền đề cho sự phát triển lưu lượng số ngày càng mạnh mẽ và bền vững. 3.1.2. Các giao thức định tuyến IP a) Khái niệm Định tuyến IP là quá trình chuyển lưu lượng người dùng từ nguồn đến đích. Rất nhiều loại thông tin có thể được định tuyến như thư điện tử, cuộc gọi thoại, Trong mạng, bộ định tuyến (router) là thiết bị được dùng để định tuyến cho lưu lượng. Router cần dự vào bảng định tuyến để tìm ra tuyến đường chuyển gói tin đi. Bảng định tuyến thường gồm ba thành phần chính là kiểu giao thức mạng, địa chỉ mạng đích và giao diện gói ra. Định tuyến có ba chức năng chính. Chức năng đầu tiên là đóng gói và phân tán các thông tin trạng thái lưu lượng người dùng và mạng. Thông tin trạng thái này bao gồm vị trí hiện tại và các yêu cầu dịch vụ người dùng; các dịch vụ được cung cấp và các tài nguyên có sẵn trong mạng; các quyền về việc sử dụng 47
  48. Đồ án tốt nghiệp các dịch vụ và tài nguyên này. Các thông tin trạng thái có thể bao gồm giá trị độ đo từ mạng hay từ các nguồn bên ngoài. Các thông tin này sẽ được dùng để tạo ra các quyết định chọn đường. Chức năng thứ hai là tạo ra và lựa chọn các đường thích hợp (và có thể là tối ưu) dựa trên các thông tin trạng thái của người dùng và mạng. Đường tối ưu là con đường thích hợp “tốt nhất” ứng với từng giao thức định tuyến cụ thể. Chức năng cuối cùng là chuyển tiếp lưu lượng người dùng trên các con đường đã chọn. Lưu lượng có thể được chuyển tiếp theo hướng kết nối hay không kết nối. Chuyển tiếp hướng kết nối yêu cầu hướng chuyển tiếp phải được thiết lập trước và sau đó dữ liệu sẽ được truyền đi trên các hướng đã thiết lập này. Chuyển tiếp không kết nối để cho lưu lượng người dùng được chuyển đi dựa vào các thông tin chuyển tiếp của chính nó, các gói dữ liệu có thể đi theo các hướng khác nhau để đến đích. b) Định tuyến tĩnh và định tuyến động Dựa vào cách thức cũng như tốc độ phản hồi lại các thay đổi về trạng thái của mạng hay trạng thái của lưu lượng người dùng, định tuyến được chia ra làm hai loại là định tuyến tĩnh và định tuyến động. Định tuyến tĩnh: Hệ thống định tuyến tĩnh là hệ thống mà sự định tuyến luôn giữ cố định, độc lập với trạng thái hiện thời của mạng cũng như các lưu lượng người dùng. Định tuyến tĩnh được dựa trên sự dự đoán hơn là dựa vào các hoạt động thực tế của người dùng và mạng. Trong hầu hết các hệ thống định tuyến tĩnh, định tuyến là một phần không thể thiếu trong quá trình thiết kế mạng. Tuy nhiên, quá trình định tuyến lại xảy ra không thường xuyên. Định tuyến động: Định tuyến động tự động cập nhật vị trí định tuyến bằng cách áp dụng ngay nhận thức về sự thay đổi trạng thái của người dùng và mạng. Sự thay đổi không chỉ là trạng thái của các liên kết mà còn là sự dao động giữa lưu lượng người dùng và mạng. Tuy nhiên định tuyến động lại đòi hỏi bộ nhớ và tài nguyên tính toán trong mạng cho việc thu thập các thông tin thời gian thực và đưa ra các quyết định điều khiển. c) Định tuyến véctơ khoảng cách và định tuyến trạng thái liên kết Giao thức định tuyến cung cấp cấu hình định tuyến động. Hầu hết các giao thức định tuyến có thể được phân thành một trong hai loại cơ bản: định tuyến véctơ khoảng cách (distance-vector) và định tuyến trạng thái liên kết (link-state). Giao thức định tuyến véctơ khoảng cách xác định một đường đi tốt 48
  49. Đồ án tốt nghiệp nhất tới một đích dựa trên hướng (vector) và khoảng cách (distance) tới đích đó. Giao thức định tuyến trạng thái liên kết tính lại cấu hình chính xác của liên mạng hiện tại hay ít nhất là vị trí của các router. Định tuyến véctơ khoảng cách hoạt động bằng cách mỗi router duy trì một bảng cho biết khoảng cách tốt nhất được biết tới mỗi đích đến và liên kết nào được dùng để đi đến đó. Những bảng này được cập nhật bằng cách trao đổi thông tin với router láng giềng. Mỗi bản tin thường gồm các thông tin có trong ba trường (đích đến, khoảng cách, hop kế tiếp). Trong khi thuật toán véctơ khoảng cách không có thông tin đặc biệt gì về những mạng ở xa thì thuật toán trạng thái liên kết duy trì đầy đủ thông tin về những router ở xa và cách chúng liên kết với nhau. Định tuyến trạng thái liên kết dùng thông điệp quảng cáo trạng thái liên kết LSA (Link State Advertisements), một cơ sở dữ liệu cấu hình mạng, thuật toán SPF và một bảng định tuyến gồm các con đường cùng ngõ ra tương ứng đến các mạng. Giao thức định tuyến trạng thái liên kết trao đổi thông tin định tuyến như sau: Bảng 3.1. Tóm tắt những điểm đặc trƣng của định tuyến véc tơ khoảng cách và định tuyến trạng thái liên kết. VÉCTƠ KHOẢNG CÁCH TRẠNG THÁI LIÊN KẾT Đơn giản, dễ cài đặt. Phức tạp. Lấy dữ liệu cấu hình mạng từ thông tin Hiểu cấu hình của liên mạng hiện tại trong bảng định tuyến của các láng giềng. bằng cách tích lũy tất cả các LSA. Mỗi router xác định con đường tốt nhất bằng cách cộng những giá trị đo Mỗi router làm việc một cách độc lập (metric), thường là số hop mà nó nhận để tính con đường ngắn nhất của nó tới được khi thông tin định tuyến được mạng đích. chuyển từ router tới router. Cập nhật thông tin định tuyến một cách Chỉ cập nhật khi có sự thay đổi về cấu định kỳ hình mạng. Thông điệp cập nhật thông tin định Chỉ gửi những thông tin cập nhật cần tuyến lớn, do sao chép toàn bộ bảng thiết, tức chỉ gửi những thay đổi mà định tuyến. thôi. Thông tin định tuyến chỉ được trao đổi Thông tin định tuyến được gửi cho tất với láng giềng bằng cách broastcast. cả các router bằng cách flooding. 49
  50. Đồ án tốt nghiệp d) Giao thức thông tin định tuyến RIP Giao thức thông tin định tuyến RIP (Routing Information Protocol) là một trong những giao thức định tuyến bên trong từng AS. RIP dùng định tuyến véctơ khoảng cách nên chọn hop count làm metric (ma trận) và dùng thuật toán Bellman - Ford để xây dựng bảng định tuyến. RIP là một giao thức định tuyến véctơ khoảng cách, chỉ dùng hop count khi thiết lập quyết định định tuyến. Khi một gói dữ liệu đi qua một router thì RIP xem như là một hop. Nếu tồn tại hai tuyến có tốc độ hoặc băng thông không bằng nhau đến cùng một đích nhưng cùng hop count, thì RIP xem cả hai tuyến cùng là khoảng cách, đây rõ ràng là một hạn chế của giao thức định tuyến này. Router sẽ broadcast thông tin định tuyến của mình sau một chu kỳ, chẳng hạn là 30s. Mỗi thông tin cập nhật tuyến thường gồm hai phần là địa chỉ mạng và khoảng cách đến được mạng này. Đồng thời, các router sẽ lắng nghe các thông tin định tuyến trên bảng để cập nhật bảng định tuyến của mình dựa vào khoảng cách ngắn nhất tức là số hop nhỏ nhất. e) Giao thức ưu tiên con đường ngắn nhất mở rộng OSPF Giao thức ưu tiên con đường ngắn nhất mở rộng OSPF (Open Shortest Path First) là một trong những giao thức định tuyến bên trong từng hệ tự trị AS. OSPF dùng định tuyến trạng thái liên kết nên dùng metric dựa trên băng thông và thuật toán Dijkstra để xây dựng bảng định tuyến. OSPF được dùng để định tuyến trong một vùng hay giữa nhiều vùng. OSPF có độ hội tụ nhanh. f) Giao thức định tuyến multicast véctơ khoảng cách DVMRP Giao thức định tuyến multicast véctơ khoảng cách DVMRP (Distance Vector Multicast Routing Protocol) là giao thức định tuyến multicast đầu tiên được phát triển cho Internet. DVMRP có thể thực thi trong một môi trường ở đó không phải tất cả các router trong mạng có khả năng chuyển tiếp và định tuyến multicast. Điều này đạt được bởi DVMRP chạy một thuật toán định tuyến unicast riêng, tương tự như RIP, để quyết định các con đường ngắn nhất giữa tất cả các router có khả năng multicast. DVMRP sử dụng kỹ thuật (flood-and- prune) để thiết lập các cây dựa trên nguồn. g) Multicast độc lập giao thức – chế độ thưa thớt PIM-SM Multicast độc lập giao thức PIM (Protocol Independent Multicast) bao gồm hai chế độ là multicast độc lập giao thức – chế độ dày đặc PIM-DM (Protocol Independent Multicast – Dense Mode) và multicast độc lập giao thức – 50
  51. Đồ án tốt nghiệp chế độ thưa thớt PIM-SM (Protocol Independent Multicast – Sparse Mode). PIM có thể hoạt động trên đỉnh của bất cứ giao thức định tuyến nào, vì lý do đó mà có tên giao thức multicast độc lập. Nhưng PIM yêu cầu tất cả các router trong mạng có khả năng multicast. PIM-DM và PIM-SM, theo thứ tự, thì có nhiều mặt tương tự như DVMRP và CBT. Vì thế, phần này chỉ trình bày PIM-SM. PIM-SM sử dụng cây phân phối chia sẻ để phân phối các luồng dữ liệu multicast. Trong cây chia sẻ có một điểm hội tụ là RP chịu trách nhiệm liên lạc với các nguồn multicast và liên lạc với các trạm con nhằm xây dựng đường đi ngắn nhất từ nguồn đến đích để phân phối dữ liệu multicast. Có thể có nhiều RP nhưng chỉ có một RP duy nhất cho mỗi nhóm multicast. 3.2. MPLS, GMPLS và MP S 3.2.1. MPLS Một khuyết điểm của định tuyến IP là khả năng kém linh hoạt trong việc thay đổi đường truyền dữ liệu dẫn đến tình trạng “nghẽn nút cổ chai”. Nguyên nhân là do các gói IP chỉ truyền theo một đường cố định dựa theo quá trình định tuyến ban đầu. Chính vì vậy, vấn đề cân bằng traffic khó thực hiện khi lưu lượng tập trung vào một tuyến nào đó. Thêm vào đó việc định tuyến giữa các gói IP độc lập với nhau mặc dù trong thực tế nhiều gói IP có mối quan hệ với nhau, ví dụ có cùng đích đến, cùng một loại lưu lượng, cùng một cấp ưu tiên v.v. Ngoài ra, sự khác biệt giữa kỹ thuật định tuyến và chuyển mạch đã bộc lộ nhiều điểm yếu trong xu hướng mở rộng và hội tụ của mạng máy tính ngày nay. Các nhược điểm đó bao gồm: khả năng mở rộng, xây dựng mạng riêng ảo, quản lý chất lượng dịch vụ, điều khiển lưu lượng mạng v.v Chính vì lẽ đó kỹ thuật MPLS (Multi-protocol Label Switching) chuyển mạch nhãn đa giao thức ra đời để vận chuyển các gói IP qua các mạng bằng phương pháp chuyển mạch gói ảo. MPLS là công nghệ kết hợp những đặc điểm tốt nhất giữa định tuyến linh hoạt ở lớp ba và chuyển mạch ở lớp hai cho phép truyền gói nhanh trong mạng lõi. Trước khi thâm nhập vào mạng MPLS thì các gói IP sẽ được các thiết bị định tuyến ở biên của mạng MPLS gắn thêm các nhãn để vận dụng kỹ thuật nối-chuyển mạch ảo. Và trước khi rời khỏi mạng MPLS, các nhãn này sẽ bị cắt bỏ để trả lại dạng nguyên thủy của các gói IP bởi các thiết bị định tuyến ở vùng biên. Phương pháp này dùng để vận chuyển dữ liệu nhanh với băng thông lớn (như là âm thanh, phim ảnh v.v.) và nó có thể hoạt động trong trường hợp có sự vận chuyển nhiều loại dữ liệu trong cùng một mạng. 51
  52. Đồ án tốt nghiệp Chuyển mạch kênh ảo dựa vào nhãn giúp cho việc định tuyến dữ liệu diễn ra một cách nhanh chóng so với trường hợp định tuyến IP truyền thống, vì nó không phải xử lý các mào đầu quá phức tạp như trong mạng IP và ngoài ra nó có thể thực hiện quá trình chuyển mạch mềm một cách linh động. 3.2.2. GMPLS và MP S Như đã trình bày ở trên ứng dụng cụ thể của MPLS cho mô hình xếp chồng còn gọi là chuyển mạch đa giao thức tổng quát GMPLS. Kiến trúc điều khiển GMPLS cung cấp một tập các giao thức đơn giản, hoàn thiện tương thích với mạng IP đáp ứng cho mạng thế hệ sau. Mạng GMPL không chỉ có khả năng chuyển các gói tin mà còn có thể chuyển mạch các dữ liệu TDM, lamda quang (nên còn được gọi là MP S). Trong GMPLS, mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu được tách riêng, đồng thời các lớp sử dụng chung một mặt phẳng điều khiển giúp cho GMPLS có khả năng thiết lập các đường quang (lightpath) một cách nhanh chóng và chuẩn xác theo yêu cầu của lớp IP. 3.3. Định tuyến và gán bƣớc sóng tĩnh trong IP/WDM 3.3.1. Giới thiệu bài toán Hiện có ba kỹ thuật chuyển mạch quang trong mạng IP: chuyển mạch kênh quang (OCS – Optical Circuit Switching), chuyển mạch gói quang (OPS – Optical Packet Switching), chuyển mạch khối quang (OBS – Optical Burst Switching), ứng với mỗi loại chuyển mạch sẽ có một số kỹ thuật định tuyến và chọn bước sóng. Trong đồ án này, em chỉ đề cập đến chuyển mạch kênh quang (Optical Circuit Switching – OCS), bài toán định tuyến và chọn bước sóng chỉ giới hạn cho mạng OCS. Trong mạng OCS có sử dụng khái niệm lightpath dùng để chỉ kênh bước sóng nối nút nguồn với nút đích thông qua các nút trung gian. Các dữ liệu muốn truyền từ nút này đến nút khác trong mạng chuyển mạch kênh quang thì cần thiết lập lightpath trước. Quá trình thiết lập lightpath cần thỏa mãn hai ràng buộc:  Ràng buộc về tính liên tục bước sóng (Wavelength – Continuity Constraint): mỗi kết nối chia sẻ chung một sợi phải sử dụng bước sóng khác nhau.  Ràng buộc về sự gán kênh tách biệt nhau (Distinct Channal Assignment Constraint): mỗi kết nối phải sử dụng cùng một bước sóng theo tuyến của nó. 52
  53. Đồ án tốt nghiệp Cho một tập các yêu cầu kết nối, để thiết lập được các kết nối quang, trước hết chúng ta cần tìm một đường đi “tốt nhất” giữa hai nút đầu cuối (bài toán định tuyến – Routing). Sau đó, ta cần xác định chọn bước sóng nào để thiết lập lightpath (bài toán gán bước sóng - Wavelength Assignment). Có hai loại yêu cầu kết nối tiêu biểu là yêu cầu tĩnh và yêu cầu động. Để thiết lập các lightpath với mỗi loại yêu cầu này, ta cũng có hai loại bài toán định tuyến và gán bước sóng tĩnh (Static – RWA) và động (Dynamic – RWA). 3.3.2. Bài toán Định tuyến và gán bƣớc sóng tĩnh S-RWA Bài toán Định tuyến và gán bước sóng tĩnh S-RWA hay còn được gọi là bài toán Thiết lập lightpath tĩnh (SLE – Static Lightpath Establishment) được khái quát như sau: Đặc điểm: - Cho trước tôpô vật lý, tức là các nút mạng và các liên kết vật lý được cho trước. - Cho trước tập các yêu cầu kết nối hoặc ma trận lưu lượng tĩnh để từ đó xác định các yêu cầu kết nối. - Thích hợp cho dạng trạng thái lưu lượng được biết trước và có tính ổn định, sự thay đổi chỉ diễn ra trong khoảng thời gian dài (như trong các mạng đường trục). - Trong bài toán S-RWA, đường dẫn và bước sóng được xác định trước cho từng kết nối, không phụ thuộc vào sự thay đổi thông tin trạng thái đang diễn ra trên mạng. Khi đường dẫn và bước sóng đã được xác định, các bộ OXC tại các nút mạng được lập trình để thiết lập các lightpath đã được chỉ định trước. Mục tiêu: - Tối thiểu hóa số bước sóng cần sử dụng. - Hoặc tối đa số kết nối có thể thiết lập ứng với một số lượng bước sóng và một tập kết nối cho trước. Với công nghệ hiện đại, ta luôn có một giới hạn trên về số lượng bước sóng có thể có trong một sợi quang (hay liên kết). Và nếu giải pháp tìm được sử dụng được nhiều bước sóng hơn giới hạn này thì xem như không khả thi trong thực tế. Vì vậy, việc giải bài toán S-RWA cũng sẽ trả lời câu hỏi liệu tôpô vật lý hiện tại có thể đáp ứng được yêu cầu lưu lượng đó hay không. Nếu không thì ta phải thêm vào mạng các liên kết mới. 53
  54. Đồ án tốt nghiệp Sau đây, ta sẽ xét đến mô hình toán của bào toán S-RWA. Ứng với mỗi mục tiêu trong hai mục tiêu ở trên, ta có một mô hình tính toán riêng. Trước hết ta xét các phương trình toán của mô hình nhằm thỏa mãn mục tiêu tối thiểu số lượng bước sóng sử dụng trên một liên kết. - Đặt sdw là lưu lượng (hay số yêu cầu kết nối) từ một nút nguồn s đến một nút đích d sử dụng bước sóng w. Ta giả sử rằng có thể có hai hay nhiều hơn các lightpath cần thiết lập giữa mỗi cặp nút, nhưng mỗi lightpath phải sử dụng một bước sóng riêng. Do đó. sdw 1. sdw - Đặt Fij là lưu lượng (hay số yêu cầu kết nối) từ một nút nguồn s đến một nút đích d đi qua tuyến ij và sử dụng bước sóng w. Tương tự, ta cũng có sdw Fij 1vì một bước sóng trên một liên kết chỉ được phép gán cho một lightpath. - Cho trước một tôpô mạng vật lý, một tập các bước sóng và một ma trận lưu lượng A, trong đó mỗi phần tử Asd chỉ số kết nối cần thiết lập giữa nguồn s và đích d. - Bài toán S-RWA có thể được công thức hóa như sau: Mục tiêu: tối thiểu hóa Fmax Sao cho: F F sdw max  ij i, j s,d ,w  sdw (s j) sdw sdw Fij Fjk sdw   (d j) i k 0 (s j  d j)    sdw sd ij sdw sdw Fij 0,1  Fij 1 sd Cách tiếp cận này được sử dụng để đạt được số lượng bước sóng cần dùng nhỏ nhất. Hoặc với một tập bước sóng cho trước, ta có thể giải mô hình này xem thử có tìm được lời giải không. Nếu không tìm được lời giải thì thử lại với một 54
  55. Đồ án tốt nghiệp tập bước sóng lớn hơn và lặp lại cho đến khi số bước sóng nhỏ nhất được tìm thấy. Với mục tiêu thứ hai (tối đa hóa số lượng kết nối được thiết lập cho một tập bước sóng cố định và một tập các yêu cầu kết nối cho trước), ta cũng có thể có mô hình toán như sau: Trường hợp không có bộ chuyển đổi bước sóng: - Nsd : số lượng cặp nút nguồn đích. - L : số liên kết có trong mạng. - W : số bước sóng có thể có trên một liên kết. - m={mi}, i=1,2, ,Nsd: số kết nối được thiết lập cho mỗi cặp nguồn- đích i. - : tải yêu cầu (số yêu cầu kết nối). - q= {qi}, i=1,2, ,Nsd : tỉ lệ tải được đáp ứng. Như vậy qi = số kết nối được thiết lập cho mỗi cặp nút nguồn – đích i. - P : tập các đường mà một kết nối có thể được định tuyến trên đó. - a = (aij): là một ma trận P x Nsd , trong đó aij= 1 nếu đường I nằm giữa cặp nguồn – đích i và aij= 0 nếu trái lại. - b = (bij): là một ma trận P x L, trong đó bij = 1 nếu liên kết j nằm trên đường I, và bij = 0 nếu trái lại. - c = (cij): ma trận định tuyến và gán bước sóng P xW, trong đó cij = 1 nếu bước sóng j được gán vào đường I, ngược lại thì cij = 0. Nsd Mục tiêu: cực đại hóa C0 ( ,q) mi i 1 Sao cho: mi 0 (số nguyên, i=1,2, ,Nsd) cij 0,1 i 1,2, , P; j 1,2, ,W T C B 1WxL T m 1W C A mi qi i 1,2, , N sd 55
  56. Đồ án tốt nghiệp C0 ( ,q) là số kết nối được thiết lập trong mạng. Bất phương trình T C B 1WxL có nghĩa là một bước sóng chỉ được dùng tối đa một lần trong một liên kết. 1WxL là ma trận W x L trong đó các phần tử đều bằng 1. Bất phương trình T m 1W C A và mi qi đảm bảo rằng số kết nối được thiết lập phải nhỏ hơn yêu cầu kết nối. 1W là ma trận 1 x W trong đó các phần tử đều bằng 1. Trường hợp có chuyển đổi bước sóng Trong mạng WDM định tuyến theo bước sóng, ràng buộc về tính liên tục bước sóng có thể được loại bỏ nếu như ta có sử dụng các bộ chuyển đổi bước sóng để chuyển dữ liệu đến trên một bước sóng ở một liên kết thành một bước sóng khác tại một nút trung gian trước khi chuyển tiếp đến các liên kết kế tiếp. Các mạng định tuyến theo bước sóng như vậy được gọi là wavelength- convertible networks. Một lightpath trong mạng này có thể sử dụng các bước sóng khác nhau dọc theo đường đi. Như đã đề cập ở trên, sự chuyển đổi bước sóng làm cải thiện hiệu suất của mạng bằng việc giải quyết vấn đề xung đột bước sóng giữa các lightpath. Thông thường, với một giải thuật định tuyến cho sẵn, sự chuyển đổi bước sóng cung cấp một giới hạn dưới về xác suất tắc nghẽn có thể đạt được ứng với một giải thuật gán bước sóng. Sau đây là mô hình toán của bài toán S-RWA khi bỏ đi các ràng buộc về tính liên tục bước sóng: Mục tiêu: tối thiểu hóa Fmax Sao cho: F F sdw max  ij i, j s,d ,w (s j) sdw F sdw F sdw  (d j)  ij  ij sdw i k 0 (s j  d j) Trong đó sdw là lưu lượng (hay số yêu cầu kết nối) từ một nút nguồn s đến một nút đích d sử dụng bước sóng w. sdw Fij là lưu lượng (hay số yêu cầu kết nối) từ một nút nguồn s đến một nút đích d đi qua tuyến ij và sử dụng bước sóng w. 56
  57. Đồ án tốt nghiệp Thông thường, bài toán S-RWA được chia thành hai bài toán riêng rẽ: bài toán định tuyến và bài toán gán bước sóng.  Vấn đề định tuyến Phương pháp truyền thống để giải quyết vấn đề định tuyến trong bài toán S-RWA là đầu tiên phải xác định đường cho toàn bộ kết nối và sau đó gán bước sóng cho chúng. Ngay cả khi những công đoạn này là không độc lập, ta cũng thu được một cấu hình ngắn nhất tương đối tốt bằng cách này. Những kết nối thường được gán một đường ngắn nhất nối hai điểm đầu cuối (bằng các thuật toán thông dụng như Dijkstra hay Floyd) vì những đường dài hơn thì sử dụng nhiều tài nguyên mạng và thường mang lại một cấu hình mạng có hiệu suất thấp hơn. Nếu có nhiều đường ngắn nhất giữa hai điểm thì việc chọn đường sẽ mang tính ngẫu nhiên. Thông thường, cấu hình tối ưu thu được bằng cách chọn các đường ngắn nhất, tuy nhiên không nhất thiết kết nối nào cũng là đường ngắn nhất (đôi khi dùng đường dài hơn ta có thể tránh những tắc nghẽn không đáng có trên một liên kết nào đó).  Vấn đề gán bước sóng Xét mạng định tuyến theo bước sóng không có khả năng chuyển đổi bước sóng. Nét đặc trưng của mạng WDM là không cho phép hai hết nối sử dụng bước sóng giống nhau dùng chung một đường nối (sự xung đột bước sóng). Khi các tuyến đã được cố định thì việc còn lại là gán bước sóng khả thi cho chúng sao cho số lượng bước sóng được sử dụng trên mạng là nhỏ nhất để có thể thỏa mãn các yêu cầu công nghệ về số lượng bước sóng tối đa trên một sợi quang. Bài toán gán bước sóng tĩnh trong một mạng liên tục bước sóng tương đương với bài toán tô màu cho các nút của một đồ thị và được thực hiện bằng cách xây dựng một đồ thị G(V,E), trong đó V là tập các đỉnh, E là tập các cạnh. Theo đó, bài toán gán bước sóng tĩnh được thực hiện như sau: - Xây dựng một đồ thị G(V,E), trong đó mỗi lightpath trong hệ thống thể hiện bằng một đỉnh trong đồ thị G và tồn tại một cạnh vô hướng giữa hai đỉnh trong đồ thị G nếu các lightpath tương ứng cùng đi qua một liên kết sợi quang vật lý. - Tô màu cho các đỉnh của đồ thị G sao cho không có hai đỉnh kế cận nào có màu giống nhau và số màu sử dụng là ít nhất. Hình 3.2 minh họa cách chuyển từ một bài toán gán bước sóng thành một bài toán tô màu đồ thị. Giả sử có 5 lightpath cần thiết lập là (0,5), (0,2), (1,3), 57
  58. Đồ án tốt nghiệp (4,3), (4,5). Lightpath (0,5),(0,2) cùng đi qua liên kết vật lý (0,1) vì thế có một cạnh nối hai đỉnh (0,5) và (0,2). Tương tự, chúng ta xây dựng được đồ thị như trong hình 3.2. Các thuật toán tô màu đồ thị sẽ thực hiện việc tô màu cho các đỉnh V(G)= , , {v1,v2 vn} của đồ thị G theo một thứ tự nào đó. Các thuật toán này bao gồm ba bước cơ bản sau: 1. Sắp xếp các đỉnh 2. Chọn đỉnh kế tiếp để tô màu 3. Chọn màu Có nhiều thuật toán tô màu đồ thị khác nhau, việc chọn lựa giải thuật nào tùy thuộc vào quyết định của nhà quản lý dựa trên đặc điểm của mạng. Sau đây là một số phương pháp tô màu thông dụng (mỗi màu tương ứng với một bước sóng). (0,2) (0,5) (1,3) (4,5) (4,3) Hình 3.2. Yêu cầu thiết lập kết nối và đồ thị chuyển đổi tương ứng a) Thuật toán Longest – First Phương pháp Longest – First (tuyến dài nhất trước) này khá đơn giản. Các lightpath sẽ được sắp xếp theo thứ tự từ tuyến dài nhất đến tuyến ngắn nhất. Một bước sóng sẽ được gán cho các tuyến theo thứ tự này sao cho thỏa mãn điều kiện về xung đột bước sóng. Sau đó, ta chuyển sang gán bước sóng. Quá trình này tiếp tục cho đến khi hết số lightpath. b) Thuật toán Largest – First Trong phương pháp này, các đỉnh của đồ thị được gán lại nhãn là v1,v2, ,vn sao cho deg(vi ) deg(vi 1 ) với i = 1,2, ,n-1 (n là số nút của đồ thị G). Tại mỗi bước, nút có bậc lớn nhất được gán một màu và xóa đi những đường nối tới nó. Vì vậy, sau mỗi bước sẽ có một nút bị giảm bậc. Điều này đảm bảo rằng số màu dùng để tô đồ thị là ít nhất. Ta có thể tính được số màu cần thiết để tô đồ thị bằng công thức sau: 58
  59. Đồ án tốt nghiệp X (G) max min(i,1 deg(vi )) 1 i n Để rõ ràng hơn, ta hãy xét một ví dụ sau: gán bước sóng cho mạng với yêu cầu kết nối như trong hình 3.3. 1 4 B C 2 A D Lightpath 1: A C 5 Lightpath 2: A E F E Lightpath 3: F C Lightpath 4: B D Lightpath 5: B E 3 Hình 3.3. Yêu cầu kết nối cho ví dụ minh họa Đầu tiên, ta chuyển đổi tập yêu cầu kết nối thành một đồ thị (hình 3.4). 1 2 5 3 4 Hình 3.4. Đồ thị chuyển đổi từ tập yêu cầu kết nối Dựa vào bậc của các đỉnh, ta sắp xếp lại theo thứ tự . Ta thực hiện gán bước sóng (tô màu) cho đỉnh có bậc cao nhất, sau đó loại nó ra khỏi đồ thị. Sắp xếp lại các nút còn lại trong đồ thị và tiếp tục quá trình cho đến khi tất cả các nút đều được gán bước sóng (hình 3.5). Cuối cùng ta có được kết quả gán bước sóng như ở bước 5. 59
  60. Đồ án tốt nghiệp Bước 1 Bước 4   0 0  1 1 1 2 2  1  1 5 3 5 3 4 4 Bước 2 Bước 5  1   1  1 0 0 2 1 2  1  1 5 3 5 3  2 4 4 Bước 3   1 1 2 0  1 5 3 4 Hình 3.5. Minh họa thuật toán Largest – First 60
  61. Đồ án tốt nghiệp 3.4. Định tuyến và gán bƣớc sóng động trong IP/WDM (D-RWA) 3.4.1. Giới thiệu bài toán Trong bài toán định tuyến và gán bước sóng động D-RWA hay còn được gọi là bài toán thiết lập lightpath động (DLE – Dynamic Lightpath Establishment), ta xem xét lưu lượng mạng là động. Các yêu cầu kết nối xuất hiện một cách ngẫu nhiên tùy theo nhu cầu liên lạc giữa các nút mạng. Các kết nối này được yêu cầu tồn tại trong một khoảng thời gian cũng ngẫu nhiên. Vì thế, các lightpath không chỉ được thiết lập động mà còn phải được giải phóng động. Việc định tuyến và gán bước sóng phụ thuộc vào trạng thái của mạng ở thời điểm yêu cầu kết nối xảy ra. Mỗi khi có yêu cầu kết nối xuất hiện, các thuật toán D-RWA phải thực hiện để xem xét tài nguyên mạng có đủ để đáp ứng yêu cầu kết nối đó hay không. Nếu có thể thì thực hiện quá trình định tuyến và gán bước sóng tại nút trung gian cần thiết để thiết lập lightpath. Còn nếu một yêu cầu kết nối không được đáp ứng do thiếu tài nguyên thì xem như bị nghẽn. Khi quá trình liên lạc kết thúc, kết nối được giải phóng và vì vậy, bước sóng đã sử dụng có thể được sử dụng lại cho một kết nối khác. Như vậy, ta thấy định tuyến động tận dụng bước sóng tốt hơn. Về mặt kinh tế, điều này sẽ đem lại lợi nhuận nhiều hơn cho các nhà kinh doanh mạng, gián tiếp giảm chi phí cho các thuê bao. Bài toán D-RWA có thể được khái quát như sau: Đặc điểm: - Các yêu cầu kết nối xuất hiện ngẫu nhiên và tồn tại trong một khoảng thời gian nào đó. - Việc định tuyến và gán bước sóng phụ thuộc vào trạng thái mạng hiện tại và phải được thực hiện mỗi khi có yêu cầu kết nối xuất hiện. Mục tiêu: - Tận dụng hiệu quả tài nguyên mạng để cực đại hóa xác suất thiết lập thành công lightpath hay tối thiểu hóa số yêu cầu bị nghẽn. Vì nhu cầu phải đáp ứng nhanh với sự thay đổi của mạng, các giải thuật D-RWA đòi hỏi phải đơn giản, độ phức tạp tính toán càng nhỏ càng tốt. Việc kết hợp giữa định tuyến và gán bước sóng là rất khó để giải quyết cùng một lúc. Do đó, thông thường bài toán D-RWA cũng được chia thành hai bài toán riêng rẽ: bài toán định tuyến và bài toán gán bước sóng. 61
  62. Đồ án tốt nghiệp 3.4.2. Bài toán Định tuyến động trong IP/WDM a) Định tuyến cố định (Fixed Routing) Phương pháp đơn giản nhất để định tuyến một kết nối là luôn chọn cùng một tuyến cố định cho một cặp nguồn – đích cho trước. Một trong những ví dụ như thế là định tuyến tìm đường đi ngắn nhất cố định (Fixed Shortest – Path Routing). Đường đi ngắn nhất có một cặp nút được tính off-line, sử dụng các thuật toán tìm đường ngắn nhất thông dụng như Dijkstra hay Bellman-Ford. Bất kỳ kết nối nào giữa một cặp nút cụ thể đều được thiết lập bằng cách sử dụng đường đi được xác định trước. Hình 3.6 minh họa đường đi ngắn nhất cố định từ nút 0 đến nút 2. Phương pháp định tuyến này rất đơn giản nhưng có nhược điểm là nếu nguồn tài nguyên (bước sóng) dọc theo đường đi đã được sử dụng hết sẽ dẫn đến xác suất tắc nghẽn cao trong trường hợp lưu lượng tĩnh. Ngoài ra, định tuyến cố định cũng không thể xử lý các tình huống lỗi khi một hay nhiều liên kết trong mạng bị hỏng. Để xử lý trường hợp liên kết trong mạng bị hỏng, việc định tuyến cần phải xét đến các đường đi thay thế hoặc phải có khả năng tìm ra một tuyến mới một cách linh động. Ví dụ trong hình 3.6, tất cả các yêu cầu từ nút 0 đến nút 2 sẽ bị tắc nghẽn nếu có một trong hai liên kết (0,1),(1,2) bị hỏng. 1 2 0 3 5 4 Hình 3.6. Đường đi ngắn nhất cố định từ nút 0 đến nút 2 Trong các thuật toán tìm đường ngắn nhất, người ta quan tâm nhiều đến chi phí (cost) hay còn gọi là trọng số (weight) của liên kết giữa các nút. Tùy theo cách các trọng số này được tính toán như thế nào mà người ta có các quan điểm khác nhau về đường ngắn nhất. Các cách tính trọng số thường dựa trên đặc điểm và trạng thái của mạng. 62
  63. Đồ án tốt nghiệp Gọi wij là trọng số (chi phí) của liên kết trực tiếp giữa hai nút i và j, nếu a giữa i và j không có liên kết trực tiếp thì xem như vô cùng lớn, ij là số lượng bước sóng rỗi trên liên kết tại thời điểm tập hợp các thông tin về trạng thái T liên kết, ij là tổng số bước sóng có trong liên kết.  Hàm trọng số dựa trên chặng (HW – Hop-based Weight): Trong hàm này, =1. Có nghĩa là các đường được chọn hoàn toàn dựa trên số lượng chặng (hop) nhỏ nhất. Đường ngắn nhất sẽ là đường có số chặng nhỏ nhất. Bằng trực quan, ta có thể nhận xét là khi có ít chặng hơn thì khả năng tìm được một bước sóng chung cho tất cả các liên kết trung gian là lớn hơn.  Hàm trọng số dựa trên khoảng cách (DW – Distance-base Weight): wij dij , với dij là khoảng cách vật lý giữa hai nút i và j. dij được đánh giá bởi độ trễ truyền dẫn. Như vậy, với hàm trọng số này, đường ngắn nhất chính là đường có độ trễ truyền dẫn nhỏ nhất.  Hàm trọng số dựa trên bước sóng sẵn có (AW – Available wavelengths-base Weight): 1 a log(1 ) i 1 a wij ij a ij 1 1 1 a có ý nghĩa như độ cản trở của một liên kết khi thiết lập một yêu cầu kết ij nối, càng có nhiều bước sóng rỗi trên liên kết thì độ cản trở càng thấp, tức là khả 1 năng thiết lập kết nối trên liên kết càng cao. Do đó (1 a ) là khả năng chấp ij nhận yêu cầu kết nối của một liên kết. Vì ta mong muốn cực đại hóa tính sẵn có hoặc độ tin cậy của toàn bộ đường dẫn nên cần phải cực đại hóa các giá trị này của các liên kết trung gian. Do bản chất của thuật toán Dijkstra là ưu tiên cho đường đi nào có trọng số nhỏ hơn nên hàm trọng lượng phải là phủ định âm của hàm log. Hàm trọng số này phụ thuộc vào bước sóng rỗi trên liên kết nên có phụ thuộc vào trạng thái mạng. 63
  64. Đồ án tốt nghiệp  Hàm trọng số dựa trên số bước sóng sẵn có và số chặng (HWA – Hop count and Available wavelengths-base Weight): 1 a 1  log(1 a ) ij w ij ij q ( , 0)  1  ij và  lần lượt là các trọng số liên quan đến số chặng và số bước sóng sẵn có. Tùy theo ta quan niệm rằng số chặng hay số bước sóng sẵn có là quan trọng hơn mà có các giá trị , phù hợp.  Hàm dựa trên tổng số bước sóng và số bước sóng sẵn có (TAW – Total wavelengths and Available wavelength-based Weight): a  a a T ij ij log(1 (1 ) ) ij ij w T ij ij a T ij ij 1 a ij a Nếu gọi p là xác suất sử dụng một bước sóng, thì p (p mũ ij ) là xác suất mà tất cả các bước sóng sẽ sử dụng cùng một thời điểm trong tương lai. Từ a ij trạng thái hiện tại của mạng, có thể ước lượng xác suất này bằng (1 T ) . Xác ij a suất lớn nhất có một bước sóng sẵn có trên liên kết trong tượng lai là (1 pij ) . Do đó khi một đường dẫn có nhiều liên kết, ta mong muốn cực đại hóa các giá a trị (1 pij ) của tất cả các liên kết thuộc đường dẫn đó. Do thuật toán Dijkstra chọn lựa đường đi tối ưu theo trọng số tăng dần, nên hàm trọng số phải là phủ định âm của hàm log, nghĩa là tối thiểu hóa giá trị này.  Hàm trọng số dựa trên số chặng, tổng số bước sóng và số bước sóng sẵn có (HTAW – Hop count and Total wavelengths and Available wavelengths-based Weight): a  a a T ij ij  log(1 (1 ) ) ij ij w T ij ij a T ( , 0) ij ij  với và  lần lượt là các trọng số liên quan đến số chặng và số bước sóng sẵn có. 64
  65. Đồ án tốt nghiệp Ví dụ minh họa: Sau đây, ta sẽ xét một ví dụ để thấy sự lựa chọn hàm trọng số sẽ dẫn đến các kết quả định tuyến theo đường dẫn ngắn nhất khác nhau. Xét một tôpô được cho trên hình 3.7. Giả sử mỗi cạnh của tôpô được gán một nhãn bao gồm ba a T tham số (dij ,ij ,ij ) tương ứng với độ trễ liên kết (i, j) , số bước sóng sẵn có (rỗi) trên liên kết và tổng số bước sóng trên liên kết. (10,4,10) B C (10,4,10) (20,2,4) E (20,2,4) (10,4,10) A (20,2,4) (20,2,4) D (10,6,30) F (10,6,30) H G (10,6,30) Hình 3.7.Topo mạng được sử dụng trong ví dụ định tuyến với các hàm trọng số khác nhau Ta cần xác định đường đi từ nút A đến nút D. Bảng 3.2 cho thấy các đường đi có thể từ nút A đến nút D và chi phí trên mỗi đường đi được tính bởi các hàm trọng số khác nhau. Giá trị và  được giả sử bằng 1. Bảng 3.2: Chi phí của các đƣờng đi khác nhau tính theo các hàm trọng số khác nhau: Đường đi Chi phí ứng với các hàm trọng số HW DW AW HAW TAW HTAW A-B-C-D 3 30 0.375 3.375 0.181 3.181 A-E-D 2 40 0.602 2.602 0.250 2.250 A-F-D 2 40 0.250 2.250 0.458 2.458 A-G-H-D 3 30 0.238 3.396 0.396 3.396 65
  66. Đồ án tốt nghiệp Từ bảng 3.1, ta thấy rằng sử dụng hàm trọng số HW có thể chọn một trong hai đường A-E-D hoặc A-F-D. Trong khi sử dụng hàm trọng DW có thể chọn đường đi A-B-C-D hoặc A-G-H-D. Nếu sử dụng hàm trọng số là AW, ta sẽ chọn đường đi là A-G-H-D vì đường này có số lượng bước sóng sẵn có lớn nhất (6 trên tất cả các liên kết). Nếu chọn hàm trọng số là TAW thì đường đi được chọn là A-B-C-D, mặc dù đường đi A-E-D có các liên kết với các hệ số sử dụng thấp nhất. Tương tự, đường đi được chọn khi sử dụng hàm trọng số là HAW sẽ là A- F-D vì đường này có số bước sóng rỗi nhiều hơn đường A-E-D. Cuối cùng, nếu hàm trọng số là HTAW thì đường đi được chọn là A-F-D (với số chặng thấp nhất) bởi vì nó có các liên kết với hệ số sử dụng thấp nhất (50%). b) Định tuyến thay thế cố định (Fixed Alternate Routing) Phương pháp định tuyến này cải tiến hơn định tuyến cố định bằng cách tìm nhiều đường đi giữa một cặp nút nguồn – đích. Trong phương pháp này, mỗi nút trong mạng phải duy trì một bảng định tuyến chứa danh sách có thứ tự K đường đi cố định đến mỗi nút. Ví dụ thứ tự trong danh sách có thể được sắp xếp theo đường đi ngắn nhất thứ nhất, đường đi ngắn nhất thứ hai, thứ ba Đường đi ngắn nhất thứ nhất sẽ được chọn làm đường đi chính thức giữa một cặp nút nguồn – đích, trong khi các đường còn lại được xem là các đường đi phụ hay các đường thay thế. Một đường đi thay thế giữa nút nguồn và đích là đường đi mà không chia sẻ bất kỳ một liên kết vật lý nào với đường đi ngắn nhất chính thức. Hình 3.8 minh họa một đường đi thay thế giữa nút 0 và nút 2. 1 2 0 3 5 4 Hình 3.8. Đường đi chính thức (liền nét) và đường thay thế (nét gạch) từ nút 0 đến nút 2 66