Mạng quang học thế hệ mới WDM optical network
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.01 MB, 51 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
Họ và tên tác giả luận văn
TRẦN VĂN TRƯỜNG
TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
MẠNG QUANG HỌC THẾ HỆ MỚI WDM OPTICAL NETWORK
Chuyên ngành :
KỸ THUẬT MÁY TÍNH & TRUYỀN THÔNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT MÁY TÍNH & TRUYỀN THÔNG
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. NGÔ HỒNG SƠN
Hà Nội – Năm 2012
MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
4
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
5
Danh mục các hình vẽ
6
ĐẶT VẤN ĐỀ
8
1. Lý do chọn đề tài
8
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn
8
3. Phương pháp nghiên cứu
9
4. Kết quả sơ bộ
9
5. Hạn chế của luận văn
9
6. Tóm tắt luận văn
9
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ MẠNG QUANG WDM
11
1. Tổng quan
11
2. Ghép kênh theo bước sóng (Wavelength-Division Multiplexing)
11
3. Các thành phần của hệ thống WDM
12
4. Phân loại hệ thống WDM
13
5. Ưu nhược điểm của công nghệ WDM
14
5. Các yêu tố ảnh hưởng tới hệ thống
15
6. Sự phát triển của WDM
15
8. Chuyển mạch quang
16
7.1 Chuyển mạch kênh quang
16
7.2 Chuyển mạch gói quang
18
CHƯƠNG II : ĐỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƯỚC SÓNG TRONG MẠNG
20
QUANG
1. Giới thiệu
21
2 Vấn đề định tuyến
21
2.1 Giới thiệu
22
2
2.2 Phân loại định tuyến
22
3. Vấn đề gán bước sóng
22
4. Phân loại định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang học WDM
23
5. Định tuyến và gán bước sóng tĩnh
24
6. Định tuyến và gán bước sóng động
24
6.1 Vấn đề định tuyến
25
6.1.1 Định tuyến cố định (Fixed Routing)
25
6.1.2 Định tuyến thay thế cố định (Fixed Alternate)
26
6.1.3 Định tuyến thích nghi (Adaptive Routing)
27
6.1.3.1. Định tuyến thích nghi dựa trên thông tin tổng thể
27
6.1.3.2. Định tuyến thích nghi dựa trên thông tin cục bộ
27
6.2 Vấn đề gán bước sóng
28
CHƯƠNG III : MÔ TẢ GIẢI PHÁP VÀ TRIỂN KHAI LẬP TRÌNH MÔ
31
PHỎNG
1. Giới thiệu
31
2. Mô phỏng định tuyến
32
2.1 Chương trình mô phỏng giải thuật định tuyến cố định (Fixed
32
Routing)
2.2 Chương trình mô phỏng giải thuật định tuyến tuyến thay thế cố định
33
(Fixed Alternated Routing)
2.3 Định tuyến thích nghi
34
2.3.1 Định tuyến thích nghi trên thông tin tổng thể
2.3.1.2 Chương trình mô phỏng giải thuật định tuyến đường dẫn luân
35
35
phiên (alternate-path routing) dựa trên thông tin tổng thể
2.3.2 Định tuyến thích nghi trên thống tin cục bộ
2.3.2.1 Chương trình mô phỏng giải thuật định tuyến đường dẫn
36
36
luân phiên theo thông tin cục bộ
2.3.2.2 Chương trình mô phỏng giải thuật định tuyến chuyển hướng
(Deflection routing)
3
38
3. Mô phỏng gán bước sóng
41
3.1 Chương trình mô phỏng giải thuật Random
41
3.2 Chương trình mô phỏng giải thuật First-Fit
44
3.3 Chương trình mô phỏng giải thuật Least-Used (LU)
47
3.4 Chương trình mô phỏng giải thuật Most- Used (MU)
48
CHƯƠNG IV : KẾT QUẢ VÀ KIẾN NGHỊ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
50
51
4
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép
kết quả của ai. Nội dung luận văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu theo danh
mục tài liệu của luận văn.
LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin dành lời cảm ơn trân trọng nhất tới thầy Ngô Hồng Sơn, người
đã rất tận tình chỉ bảo và hướng dẫn cho tôi trong quá trình tìm hiểu và thực hiện
luận văn.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trong Viện Công nghệ
thông tin và truyền thông, Viện Sau đại học đã giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện
và hoàn thành luận văn này.
Hà Nội, Tháng 03 năm 2012
Tác giả luận văn
TRẦN VĂN TRƯỜNG
5
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ADM
Add/drop multiplexer
Bộ ghép kênh xen/rẽ
APD
Avalanche Photodiode
Điốt quang thác
ATM
Asynchronous Transfer Mode
Phương thức truyền không đồng bộ
DEMUX
Demultiplexer
Bộ tách kênh
MUX
Multiplexer
Bộ ghép kênh
DLE
Dynamic Lightpath Establishment
Thiết lập luồng quang động
EDFA
Erbium doped fiber amplifer
Khuếch đại sợi quang trộn erbium
FDM
Frequency Division Multiplexing
Ghép kênh phân chia tần số
IP
Internet Protocol
Giao thức internet
LL
Least Loaded
Gán bước sóng dựa trên tải ít nhất
LU
Least Used
Gán bước sóng sử dụng ít nhất
M∑
Max-Sum
Gán bước sóng dựa trên tổng
dung lượng lớn nhất
OADM
Optical add/drop multiplexer
Bộ ghép kênh xen/rẽ quang
OTDM
Optical Time Division Multiplex
Ghép kênh quang phân chia thời gian
RWA
Routing and Wavelength Assignment Định tuyến và gán bước sóng
D- RWA
Dynamic Routing and Wavelengt
Định tuyến và gán bước sóngđộng
Assignment
TDM
Time Division Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo thời gian
WADM
Wavelength Add- Drop Multiplexer
Bộ nhập tách bước sóng
WC
Wavelegth Converter
Bộ chuyển đổi bước sóng
WDM
Wavelength Division Multiplex
Ghép kênh chia bước sóng
WR
Wavelength Router
Bộ định tuyến bước sóng
SLE
Static Lightpath Establishment
Thiết lập luồng quang tĩnh
6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1. Cấu trúc cơ bản của hệ thống WDM
Hình 2. Hệ thống WDM đơn hướng và song hướng
Hình 3. Mạng chuyển mạch kênh quang với các kết nối nguồn quang
Hình 4. Mô tả chuyên mạch gói quang
Hình 5 . Mô phỏng giải thuật định tuyến cố định
Hình 6 . Mô phỏng giải thuật định tuyến thay thế cố định
Hình 7 . Topo mô phỏng định tuyến đường dẫn luân phiên (alternate-path routing)
dựa trên thông tin tổng thể
Hình 8 . Mô phỏng giải thuật định tuyến đường dẫn luân phiên (alternate-path
routing) dựa trên thông tin tổng thể
Hình 9 . Topo mô phỏng giải thuật định tuyến đường dẫn luân phiên theo thông tin
cục bộ
Hình 10 . Mô phỏng giải thuật định tuyến đường dẫn luân phiên theo thông tin cục
bộ
Hình 11 . Topo mô phỏng giải thuật định tuyến chuyển hướng
Hình 12 . Mô phỏng giải thuật chuyển hướng theo tiêu chí số chặng ít nhất
Hình 13 . Mô phỏng giải thuật định tuyến chuyển hướng theo tiêu chí xác xuất
nghẽn thấp nhất
Hình 14 . Topo mô phỏng giải thuật gán bước sóng Random
Hình 15a . Mô phỏng giải thuật gán bước sóng Random
Hình 15b . Mô phỏng giải thuật gán bước sóng Random
Hình 16 . Topo mô phỏng giải thuật gán bước sóng First-Fit
Hình 17a . Mô phỏng giải thuật gán bước sóng First-Fit
Hình 17b . Mô phỏng giải thuật gán bước sóng First-Fit
Hình 18 . Topo mô phỏng giải thuật gán bước sóng Least-Used (LU)
Hình 19 . Mô phỏng giải thuật gán bước sóng Least-Used (LU)
Hình 20 . Topo mô phỏng giải thuật gán bước sóng Most- Used (MU)
Hình 21. Mô phỏng giải thuật gán bước sóng Most- Used (MU)
7
ĐẶT VẤN ĐỀ
1. Lý do chọn đề tài
Sự bùng nổ của Internet và ngày càng có nhiều dịch vụ cung cấp thì nhu cầu về
băng thông để đáp ứng các dịch vụ này ngày càng tăng mà công nghệ TDM truyền
thống không thể đáp ứng được dẫn đến sự ra đời của công nghệ ghép kênh quang
theo bước sóng (Wavelength-Division Multiplexing - WDM ) . Công nghệ WDM
cho phép nâng cao dung lượng đường truyền mà vẫn duy trì hiện trạng hoạt động
của mạng với chi phí thấp . Nên công nghệ WDM là công nghệ được dùng cho hầu
hết các mạng quang trục có dung lượng cao . Vì thế nó sẽ là công nghệ được tiếp
tục nghiên cứu và phát triển trong tương lai . Đó là lý do tôi chọn đề tài “Mạng
quang học thế hệ mới WDM Optical Network”
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn :
* Mục tiêu chung : Tìm hiểu khái quát về mạng quang học thế hệ mới WDM
như : nguyên lý hoạt động, các thành phần cấu thành hệ thống , các kỹ thuật chuyển
mạch, các giải thuật định tuyến và gán bước sóng
* Mục tiêu riêng :
- Tìm hiểu bài toán định tuyến và gán bước sóng động trong mạng quang học
WDM
- Mô phỏng nguyên lý hoạt động định tuyến và gán bước sóng động trong mạng
quang học WDM bằng phần mềm mô phỏng NS2 để có một cái nhìn trực quan về
các giải thuật định tuyến như định tuyến cố định , định tuyến thay thế cố định, định
tuyến thích nghi và các giải thuật gán bước sóng như Random, First-Fit, Least-Used
, Most-Used
3. Phương pháp nghiên cứu
Luận văn được tiếp cận theo phương pháp tìm hiểu lý thuyết khái quát về công
nghệ WDM đã được trình bày rất đầy đủ trong các sách, giáo trình và các bài báo
tạp chí được liệt kê trong phần tài liệu tham khảo
8
Các vấn đề lý thuyết sẽ được tiến hành mô phỏng bằng phần mềm NS2 trong đó
có kế thừa các môdun lập trình có sẵn trong phần mềm từ đó phát triển thành
chương trình mô phỏng các vấn đề lý thuyết của luận văn.
4. Kết quả sơ bộ
Sau thời gian tìm hiểu và thực hiện luận văn đã đạt được một số kết quả sau
- Về lý thuyết :
+ Hoàn thành tìm hiểu về các vấn đề cơ bản của mạng quang học WDM như
nguyên lý hoạt động, thành phần cấu thành, nguyên lý chuyển mạch, nguyên lý định
tuyến và gán bước sóng
+ Nắm vững một số giải thuật định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang
học WDM
- Về thực hành : Xây dựng được chương trình mô phỏng nguyên lý hoạt động
của các giải thuật định tuyến : Cố định, Thay thế cố định, Thích nghi . Giải thuật
gán bước sóng : Random, First-Fit, Least-Used, Most-Used
5. Hạn chế của luận văn
Vì điều kiện thời gian và khả năng lập trình còn hạn chế nên luận văn chưa thể
hoàn thiện được phần lập trình mô phỏng đánh giá hiệu năng của mạng qua các giải
thuật định tuyến và gán bước sóng . Kính mong thầy hướng dẫn và hội đồng bảo vệ
luân văn châm trước và đóng góp thêm ý kiến để luận văn có thể hoàn thiện hơn.
6. Tóm tắt luận văn
Luận văn được chia làm 4 chương với nội dung như sau :
Đặt vấn đề : Trình bày một cách khái quát nội dung của toàn bộ đề tài đồ án.
Đưa ra mục tiêu, kết quả sơ bộ cũng như tóm tắt nội dung đồ án
- Chương I: Trình bày khái quát về mạng quang học thế hệ mới WDM, đưa ra
các khái niệm chung nhất.
- Chương II: Trình bày về các vấn đề về định tuyến và gán bước sóng trong
mạng quang thế hệ mới WDM. Trong đó tập chung vào vấn đề định tuyến và gán
bước sóng động
9
- Chương III: Trình bày việc xây dựng chương trình mô phỏng các thuật toán
định tuyến và gán bước sóng động trong mạng quang học WDM thông qua các
kịch bản mô phỏng
- Chương IV: Trình bày kết luận và hướng phát triển đề tài.
10
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ MẠNG WDM
1. Tổng quan
Ngày nay thông tin được cung cấp tới chúng ta thông qua các mạng lưới truyền
thông . Mà hiện nay là mạng internet và các mạng chuyển mạch gói không đồng bộ
ATM . Các mạng này thì không có đủ khả năng đáp ứng được nhu cầu băng thông
hiện nay .
Công nghệ cáp quang có thể coi là giải pháp tốt nhất hiện nay có thể đáp ứng
được nhu cầu về băng thông bởi vì băng thông của nó có thể đạt tới 50Tbps ngoài
khả năng vượt trội về băng thông công nghệ quang có độ suy hao tín hiệu thấp
khoảng 0,2 dB/km , méo nhiễu tín hiệu thấp, sử dụng ít vật liệu , không gian lắp đặt
nhỏ và có giá thành thấp . Nên công nghệ quang là công nghệ hứa hẹn có thể đáp
ứng nhu cầu về băng thông ngày càng tăng và nhu cầu kết nối mạng trong tương lai.
Chìa khóa trong thiết kế mạng lưới truyền thông quang học để khai thác băng
thông rất lớn của sợi quang là đưa ra đồng thời nhiều phương thức truyền vào kiến
trúc và giao thức mạng . Trong một mạng quang học, điều này có thể được cung
cấp đồng thời theo bước sóng hoặc tần số theo 3 phương thức : Truyền dẫn ghép
phân không gian SDM (Space Devision Multiplexing, Truyền dẫn ghép phân thời
gian TDM (Time Devision Multiplexing), Truyền dẫn ghép phân bước sóng WDM
(Wavelength Devision Multiplexing)
2. Ghép kênh theo bước sóng (Wavelength-division multiplexing –
Wavelength-division multiplexing)
Wavelength-division multiplexing ( ghép kênh theo bước sóng ) là công nghệ
cho phép ta tiếp cận và khai thác băng thông không đồng bộ của các thiết bị quang
điện tử bởi yêu cầu từ thiết bị đầu cuối chỉ là tốc độ điện từ . Nhưng nhiều kênh
WDM từ những người dùng cuối khác nhau thì có thể ghép trên cùng 1 sợi quang .
Theo WDM
trải phổ quang là 1 nhóm các bước sóng không trùng lặp , với mỗi
bước sóng được xác định là 1 kênh truyền thông với bất kì tốc độ nào. Vì vậy bằng
cách cho phép nhiều kênh WDM cùng tồn tại trên cùng 1 sợi quang chúng ta có thể
11
khai thác triệt để băng thông của cáp quang với các thách thức tương ứng là thiết kế,
tích hợp kiến trúc, giao thức mạng và thuật toán
3. Các thành phần của hệ thống WDM
Tx1
Tx2
Rx1
DEMUX
MUX
EDFA
Tx2
Truyền tín hiệu trên
sợi quang
EDFA
Rx2
Khuếch đại tín hiệu
Khuếch đại tín hiệu
Phát tín hiệu Ghép tín hiệu
Rx2
Tách tín hiệu
Thu tín hiệu
Hình 1. Cấu trúc cơ bản của hệ thống WDM
Như minh họa trên hình 1.1 để đảm bảo việc truyền nhận nhiều bước sóng trên
một sợi quang, hệ thống WDM phải thực hiện các chức năng sau:
- Phát tín hiệu: hệ thống WDM sử dụng nguồn phát quang là laser. Hiện nay, đã
có một số loại nguồn phát như: laser điều chỉnh được bước sóng (tunable laser),
laser đa bước sóng (multiwavelength laser)... Yêu cầu đối với nguồn phát laser là
phải có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ổn định, mức công suất phát đỉnh, bước
sóng trung tâm, độ rộng phổ, độ rộng chirp 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 lẻ tại mỗi cổng đầu ra của bộ tách.
- Truyền dẫn tín hiệu: quá trình truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang chịu ảnh
hưởng của nhiều yếu tố: suy hao sợi quang, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến, các vấn
đề liên quan đến khuếch đại tín hiệu... Mỗi vấn đề kể trên đều phụ thuộc rất nhiều
vào các đặc tính của sợi quang (loại sợi quang, chất lượng sợi...).
- Khuếch đại tín hiệu: Hệ thống WDM hiện tại chủ yếu sử dụng bộ khuếch đại
quang sợi EDFA.
12
- Thu tín hiệu: để thu tín hiệu, các hệ thống WDM cũng sử dụng các loại bộ tách
sóng quang như trong hệ thống thông tin quang thông thường: PIN, APD
4. Phân loại hệ thống WDM
Hệ thống WDM về cơ bản chia làm 2 loại: hệ thống đơn hướng và song hướng
như minh hoạ trên hình 1.2 .
Hệ thống đơn hướng chỉ truyền theo một chiều trên sợi quang. Do vậy, để truyền
thông tin giữa 2 điểm cần 2 sợi quang.
Hệ thống WDM song hướng, ngược lại, truyền hai chiều trên một sợi quang nên
chỉ cần một sợi quang để có thể trao đổi thông tin
Tx1
Tx2
giữa 2 điểm.
Rx1
1, 2, 3,…,
MUX
EDFA
Tx2
1, 2, 3,…,
DEMUX
Rx2
EDFA
Rx2
Phát tín hiệu Ghép tín hiệu
Tách tín hiệu
Thu tín hiệu
Hệ thống WDM đơn hướng
Tx1
Tx2
Rx1
1, 2, 3,…,
MUX
EDFA
Tx2
1, 2, 3,…,
DEMUX
Rx2
EDFA
Phát tín hiệu Ghép tín hiệu
Rx2
Tách tín hiệu
Thu tín hiệu
Hệ thống WDM song hướng
Hình 2 . Hệ thống WDM đơn hướng và WDM song hướng
Cả hai hệ thống đều có những 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:
13
- 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 bảo vệ tự động APS (Automatic Protection Switching) vì cả hai đầu của liên
kết đều có khả năng nhận biết sự cố ngay lập tức.
- 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 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 khuyếch đại
sẽ cho công suất quang ngõ ra lớn hơn so với ở hệ thống đơn hướng.
5. Ưu nhược 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 theo số lần tương ứng với 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
nó có thể hỗ trợ các định dạng số liệu và thoại như: chuyển mạch kênh, ATM,
Gigabit Ethernet, ESCON, IP...
+ Khả năng mở rộng: những tiến bộ trong công nghệ WDM hứa hẹn tăng băng
thông truyền dẫn trên sợi quang lên đến hàng Tbps, đáp ứng nhu cầu mở rộng mạng
ở nhiều cấp độ khác nhau.
+ Hiện nay, WDM là công nghệ duy nhất cho phép xây dựng mô hình mạng
truyền tải quang OTN (Optical Transport Network) giúp truyền tải trong suốt nhiều
loại hình dịch vụ, quản lý mạng hiệu quả, định tuyến linh động ...
14
- Nhược điểm của công nghệ WDM
+ Vẫn chưa khai thác hết băng tần hoạt động rất rộng của sợi quang (chỉ mới
tận dụng được băng C và băng L).
+ Quá trình khai thác, bảo dưỡng phức tạp hơn gấp nhiều lần.
+ Nếu hệ thống sợi quang đang sử dụng là sợi DSF theo chuẩn G.653 thì rất
khó triển khai WDM vì khi đó, sẽ xảy ra hiện tượng trộn bốn bước sóng trong sợi
quang.
6. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống
Có 3 yếu tố cơ bản của sợi quang ảnh hưởng đến khả năng của các hệ thống
thông tin quang, bao gồm:
- Suy hao
- Tán sắc
- Hiện tượng phi tuyến xảy ra trong sợi quang.
Tuy nhiên, đối với các hệ thống khác nhau thì mức độ ảnh hưởng của các yếu tố
này cũng khác nhau. Ví dụ:
- Ðối với các hệ thống cự ly ngắn, dung lượng thấp thì yếu tố chủ yếu cần quan
tâm là suy hao.
- Ðối với các hệ thống tốc độ cao, cự ly tương đối lớn thì yếu tố chủ yếu cần
quan tâm là suy hao và tán sắc.
- Ðối với các hệ thống cự ly dài và dung lượng rất lớn thì ngoài 2 yếu tố trên cần
phải xem xét đến cả các hiệu ứng phi tuyến.
7. Sự phát triển của WDM
Sự phát triển của các hệ thống WDM nhìn chung có thể chia làm ba giai đoạn:
- Hệ thống WDM thế hệ 1: Hệ thống WDM điểm-điểm với các trạm xen/rẽ trên
tuyến phải sử dụng các thiết bị MUX/DEMUX để tách/ghép tất cả các bước sóng.
- Hệ thống WDM thế hệ 2: Hệ thống WDM điểm-đa điểm với các trạm xen/rẽ
trên tuyến là các OADM cho phép tách trực tiếp bước sóng cần xen/rẽ.
- Hệ thống WDM thế hệ 3: Mạng quang WDM hoàn toàn với các thiết bị chuyển
mạch và định tuyến bước sóng.
15
8. Chuyển mạch quang
Về nguyên lý, một chuyển mạch thực hiện chuyển lưu lượng từ một cổng lối vào
hoặc kết nối lưu lượng trên một khối chuyển mạch tới một cổng lối ra. Hệ thống
chuyển mạch quang là một hệ thống chuyển mạch cho phép các tín hiệu bên trong
các sợi cáp quang hay các mạch quang tích hợp được chuyển mạch có lựa chọn từ
một mạch này tới một mạch khác.
Tuỳ thuộc vào kỹ thuật chuyển mạch mà các thông tin được trao đổi dưới dạng
thời gian thực (chuyển mạch kênh) hoặc dưới dạng ghép kênh thống kê (chuyển
mạch gói). Chuyển mạch kênh là một phương pháp thông tin sử dụng để thiết lập
cho thông tin giữa 2 điểm. Số liệu được truyền trên cùng một tuyến và thông tin
truyền đi trong thời gian thực. Khác với chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói thực
hiện truyền các gói số liệu độc lập. Mỗi gói đi từ một cổng tới một cổng khác theo
một đường nào đó. Các gói không thể gửi tới nút kế tiếp khi chưa thực hiện thành
công tại nút trước đó. Mỗi nút cần có các bộ đệm để tạm thời lưu các gói. Mỗi nút
trong chuyển mạch gói yêu cầu một hệ thống quản lý để thông báo điều kiện truyền
thông tin tới nút lân cận trong trường hợp số liệu truyền bị lỗi.
8.1. Chuyển mạch kênh quang
Chuyển mạch kênh quang được thực hiện trong mạng quang định tuyến bước
sóng thực hiện thiết lập các bước sóng toàn quang giữa hai nút mạng. Sự thiết lập
các luồng quang bao gồm một số bước thực hiện. Những bước này bao gồm tìm ra
cấu hình và tài nguyên, định tuyến, gán bước sóng báo hiệu và đặt trước tài nguyên.
Tìm ra cấu hình và tài nguyên bao gồm phân bổ và duy trì thông tin trạng thái
mạng. Thông tin sẽ bao gồm cấu hình mạng vật lý và trạng thái liên kết của mạng.
Trong mạng định tuyến bước sóng WDM, những thông tin này bao gồm các bước
sóng có thể sử dụng trên một tuyến đưa ra trong mạng. Một giao thức phổ biến dành
cho duy trì thông tin trạng thái tuyến trong mạng internet là giao thức đường ngắn
nhất theo thứ tự mở (OSPF -Open Shortest Path First).
16
Vấn đề tìm các tuyến và gán bước sóng cho luồng quang được gọi là bài toán
định tuyến và gán bước sóng (RWA- Routing and Wavelength Assignment). Các
yêu cầu kết nối có hai dạng, dạng tĩnh và dạng động.
Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng trong các mạng quang đã được
phát triển nhanh, nó đã đáp ứng các yêu cầu về băng tần của người sử dụng mạng.
Trong mạng định tuyến các nút truy nhập thông tin với nhau qua các kênh toàn
quang, các kênh này được xem như các luồng quang.
Hình 3 . Mạng chuyển mạch kênh quang với các kết nối luồng quang
Một luồng quang được sử dụng để hỗ trợ một kết nối trong mạng định tuyến
bước sóng WDM và nó có thể liên kết các sợi quang. Trong trường hợp không sử
dụng bộ chuyển đổi bước sóng, một luồng quang chiếm cùng bước sóng trên tất cả
các liên kết sợi mà nó đi qua. Đặc tính này gọi là điều kiện ràng buộc bước sóng
liên tục. Hình minh hoạ một mạng định tuyến bước sóng nối các luồng quang đã
được thiết lập giữa các cặp của các nút truy nhập trên các bước sóng khác nhau.
Chúng ta giả sử rằng mỗi chuyển mạch quang được nối tới một nút truy nhập như
là một nút. Khi đưa ra một tập kết nối, bài toán thiết lập các luồng quang bằng định
tuyến và gán bước sóng mỗi kết nối được gọi là bài toán định tuyến và gán bước
sóng (RWA- routing and wavelength Assignment).
17
8.2. Chuyển mạch gói quang
Như đã nói ở trên, mạng WDM là mạng quang cung cấp các đường quang,
những mạng này thường là chuyển mạch kênh (circuit-switched network). Bên cạnh
đó, các hướng nghiên cứu trong lĩnh vực xây dựng mạng quang được thực hiện
chuyển mạch gói (packet switching) trong miền quang cũng đang được đẩy mạnh.
Mạng chyển mạch gói quang có thể cung cấp các dịch vụ lênh ảo (virtual circuit
services) hay các dịch vụ datagram giống như mạng IP và mạng ATM cung cấp.
Với một kênh kết nối ảo, mạng cung cấp một kết nối chuyển mạch kênh giữa hai
nút mạng. Tuy nhiên, băng thông được cung cấp trên một kết nối có thể nhỏ hơn
tổng băng thông sẵn có trên một liên kết hay trên một bước sóng. Do đó, mạng phải
kết hợp một số dạng ghép kênh phân chia thời gian để kết hợp nhiều kết nối thành
một tốc độ bit truyền dẫn. Ở các tốc độ này, việc ghép kênh trong miền quang sẽ dễ
dàng thực hiện hơn trong miền điện. Dạng ghép kênh quang trong miền thời gian
này (OTDM-Optical Time Division Multiplexer) có thể là cố định (fixed) hay theo
thống kê (statistical). Mạng thực hiện việc ghép kênh thống kê được gọi là mạng
chuyển mạch gói quang. OTDM cố định có thể hiểu như là một tập con của chuyển
mạch gói quang, trong đó việc ghép là cố định thay vì ghép thống kê
Hình 4: Mô tả chuyển mạch gói quang
18
Hình trên mô tả nút chuyển mạch gói quang. Một nút chuyển mạch gói quang
như vậy phải có dung lượng cao hơn nhiều so với nút chuyển mạch gói điện. Nút
chuyển mach quang sẽ nhận các gói vào, đọc tiêu đề, rồi chuyển đến cổng ngõ ra
thích hợp. Nút cũng có thể tạo ra một tiêu đề mới trên gói, cũng như phải xử lý
xung đột ở các cổng ngõ ra. Nếu hai gói đến từ hai cổng khác nhau cần đi ra trên
cùng một cổng, thì một trong hai gói phải được đệm lại, hoặc phải được đưa ra một
cổng khác.
Nhiệm vụ của chuyển mạch gói quang là cung cấp khả năng chuyển mạch gói ở
các tốc độ mà không thể thực hiện trong chuyển mạch gói điện. Tuy nhiên, các nhà
thiết kế lại gặp một số bất lợi do những hạn chế của việc xử lý tín hiệu trong miền
quang. Một yếu tố quan trọng đó là thiếu bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên quang để đệm
dữ liệu. Các bộ đệm quang được xây dựng bằng cách dùng một sợi quang có chiều
dài xác định và chúng chỉ có chức năng đơn giản là làm trễ, bộ đệm không phải là
các bộ nhớ có đầy đủ chức năng. Các chuyển mạch gói gồm một số lượng lớn các
phần mềm thời gian thực thông minh và các phần cứng chuyên dụng để điều khiển
mạng và đảm bảo chất lượng dịch vụ, tuy nhiên, những chức năng này khó thựuc
hiện trong miền quang. Một yếu tố khác là trạng thái tương đối nguyên sơ của kỹ
thuật chuyển mạch quang, so với kỹ thuật chuyển mạch điện.
19
CHƯƠNG 2 : ĐỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƯỚC SÓNG TRONG MẠNG WDM
1. Giới thiệu
Khi một lightpath được chọn và xác định, mỗi lightpath cần được định tuyến và
gán bước sóng cho nó. Từ đó đặt ra bài toán định tuyến và gán bước sóng.
Định tuyến là vấn đề tìm đường giữa hai node bất kì trong mạng để thoả mãn một
mục đích nào đó, thuật ngữ gọi là để tối ưu hàm mục tiêu (cost function). Vấn đề
này rất quen thuộc và rất quan trọng trong mạng. Thông thường định tuyến trong IP
sử dụng thuật toán tìm đường Dijkstra, với hàm mục tiêu là các metric quen thuộc
như băng thông, độ trễ, chi phí tuyến, …
Trong mạng quang, tìm đường được hiểu theo hai khía cạnh, đó là tìm đường vật
lí mang được mẫu lưu lượng yêu cầu (Routing) và đưa ra bước sóng phù hợp để
mang lưu lượng trên mỗi link dọc path (Wavelength Assignment) trong số các bước
sóng cho phép (bởi mỗi path gồm một số fiber, mà trên mỗi fiber này, bạn có thể có
W sub-chanels, cũng là W bưóc sóng và W lựa chọn cho yêu cầu kết nối hiện tại).
Vấn đề này được viết tắt là RWA. Khi tìm được một path vật lí và đánh dấu bước
sóng trên các link dọc theo path đó, thì chúng ta có một đường quang, còn gọi là
lightpath (LP). Rắc rối đặt ra đối với bài toán RWA là nó đưa ra hai điều kiện sau:
- Điều kiện tính liên tục bước sóng: một lightpath phải sử dụng chung một bước
sóng trên tất cả các link dọc theo đường đi của nó từ nguồn đến đích.
- Điều kiện tính riêng biệt về bước sóng: tất cả các lightpath sử dụng cùng một
link (fiber) phải được gán các bước sóng riêng biệt. Điều kiện được minh hoạ như
(hình3.12) mà nó được thoả mãn khi hai lightpath cùng chia sẻ cùng một link được
thể hiện bằng hai màu khác nhau (hai bước sóng khác nhau).
- Vấn đề xảy ra khi các bước sóng trên hai link kế cận khác nhau, lúc đó cần dùng
đến bộ chuyển đổi bước sóng, là tài nguyên đắt đỏ của mạng. Các giải thuật luôn
tìm cách giảm thiểu chi phí này.
- Bài toán RWA có thể đưa ra như sau: cho một số hữu hạn các lightpath được
thiết lập trên mạng và một số giới hạn các bước sóng. Ta phải xác định đường đi
20
cho mỗi lightpath và xác định số bước sóng nên được gán cho cho các lightpath này
để đạt được số lightpath có thể thiết lập là lớn nhất. Mặc dù những lightpath có
đường đi ngắn nhất có vẻ tối ưu hơn, nhưng đôi khi ta đành phải loại bỏ sự lựa chọn
này để nhiều lightpath hơn có thể thiết lập. Vì thế các giải thuật thường cho phép
nhiều đường đi thay phiên nhau đối với mỗi lightpath được thiết lập.
- Các đường đi ánh sáng (lightpath) mà không thể được thiết lập vì những ràng
buộc về đường đi và bước sóng được gọi là nghẽn, do vậy vấn đề tối ưu mạng tương
ứng hạn chế đến mức thấp nhất xác xuất tắc nghẽn này.
- Khi hai lightpath mà chúng có tuyến truyền dẫn trùng nhau thì chúng sẽ không
được gán cùng một bước sóng. Thông thường một đường đi ánh sáng (lightpath)
hoạt động với cùng một bước sóng trên những sợi quang mà nó đi qua. Trường hợp
này ta nói rằng lightpath thoã mãn sự ràng buộc về tính liên tục bước sóng. Tuy
nhiên nếu một nút chuyển mạch/định tuyến được trang bị với một bộ chuyển đổi
bước sóng thì điều kiện ràng buộc về tính liên tục bước sóng không còn nữa,
lightpath này có thể chuyển sang nhiều bước sóng khác nhau trên đường đi từ
nguồn đến đích của nó.
2.Vấn đề định tuyến:
2.1. Giới thiệu:
Định tuyến được coi là thành phần cốt yếu của kiến trúc mạng, thiết kế mạng và
điều hành mạng của mọi mạng thông tin, là thành phần không thể thiếu trong mạng
viễn thông. Các yếu tố thúc đẩy cho quá trình thay đổi và phát triển định tuyến
mạng chủ yếu do nhu cầu cải thiện hiệu năng mạng, các dịch vụ mới đưa vào khai
thác và sự thay đổi công nghệ mạng, và đây cũng là một trong những thách thức khi
xây dựng và khai thác mạng. Khi có nhu cầu cho cuộc gọi đến, bộ định tuyến xác
định đường đi cho yêu cầu thiết lập lightpath. Như vậy bài toán định tuyến là xác
định đường đi cho mỗi yêu cầu thiết lập lightpath. Mỗi đường đi là một chuỗi các
tuyến truyền dẫn từ điểm nguồn đến điểm đích. Nhằm giảm sự phức tạp trong tính
toán, đồng thời để bài toán đơn giản hơn, ta sẽ xét đường đi ngắn nhất giữa hai điểm
21
đầu cuối này. Để thực hiện điều này, ta sử dụng một giải thuật tìm đường đi ngắn
nhất dựa trên giải thuật Dijkstra
2.2. Phân loại định tuyến:
Có nhiều cách phân loại định tuyến, có thể đưa ra một số loại định tuyến như sau:
- Dựa vào chức năng thích nghi với trạng thái hiện thời của mạng để phân loại
thành: định tuyến tĩnh và định tuyến động
+ Định tuyến tĩnh: với định tuyến tĩnh, đường dẫn được chọn trước cho mỗi cặp
nguồn - đích của các node trong mạng. Các giải thuật định tuyến chi phí tối thiểu có
thể được sử dụng. Kĩ thuật định tuyến tĩnh bộc lộ một số nhược điểm như: quyết
định định tuyến tĩnh không dựa trên sự đánh giá lưu lượng và topo mạng hiện thời.
Các bộ định tuyến không phát hiện ra các bộ định tuyến mới, chúng chỉ có thể
chuyển thông tin đến tới các các bộ định tuyến được chỉ định trước của nhà quản lí
mạng.
+ Định tuyến động: định tuyến động lựa chọn tuyến dựa trên thông tin trạng thái
hiện thời của mạng. Thông tin trạng thái có thể đo hoặc dự đoán và tuyến đường có
thể thay đổi khi topo mạng thay đổi hoặc lưu lượng mạng thay đổi. Định tuyến động
thể hiện tính linh hoạt và dễ dàng mở rộng mạng.
3. Vấn đề gán bước sóng:
Việc gán bước sóng là nhân tố chính ảnh hưởng đến xác suất tắc nghẽn và tính
thực thi của mạng. Gán bước sóng thích hợp có thể làm giảm số bước sóng sử dụng
hoặc không cần dùng đến bộ chuyển đổi bước sóng, nên ta có thể giảm được chi
phí của mạng xuống rất nhiều. Gán bước sóng được chia làm hai loại cho lưu lượng
mạng cố định và lưu lượng mạng thay đổi. Khi lưu lượng mạng cố định thì phép
gán cố định, cùng một bước sóng được gán nếu( nếu có sẵn) cho mọi yêu cầu được
tạo ra ở một nút, nếu không thì yêu cầu bị chặn. Khi lưu lượng mạng thay đổi, lúc
có yêu cầu đến một nút mạng nào đó thì nút đó sẽ dùng một giải thuật để chọn một
bước sóng riêng biệt còn rỗi ở nút đó và gán cho lightpath đó để định tuyến nó, nếu
không thì yêu cầu không được giải quyết. Các giải thuật cho phương pháp gán
22
bước sóng bao gồm : Kiểu gán Random, Kiểu gán First – Fit, Phép gán Least –
used, Phép gán Most – used…
4. Phân loại định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM
Trong một mạng không có bộ chuyển đổi bước sóng, các lightpath phải sử dụng
cùng một bước sóng từ nguồn đến đích. Khi có nhu cầu cho cuộc gọi, bộ định tuyến
bước sóng WR phải sử dụng giải thuật được thiết lập từ trước để chọn một cổng ra
và bước sóng tương ứng. Sự lựa chọn bước sóng đóng vai trò quan trọng đối với
toàn bộ xác suất tắc nghẽn. Vì vậy một WR phải tìm ra đường đi cho yêu cầu thiết
lập lightpath và thực hiện gán bước sóng sao cho tối thiểu hoá xác suất tắc nghẽn.
Chức năng này có tầm quan trọng trong việc thiết kế các mạng toàn quang.
Bài toán RWA được chia làm hai loại như sau:
RWA dành cho lưu lượng mạng cố định (static traffic): với loại này thì các yêu
cầu về lightpath được biết trước, tất cả mọi đường đi và bước sóng gán cho các
lightpath đã được thiết lập cố định từ trước ( ví dụ như yêu cầu truyền từ Router này
đến Router là không đổi, tính theo đơn vị LP, xét trên toàn mạng ta có ma trận hằng
N*N ). Khi có yêu cầu đi đến, một đường đi và bước sóng đã chỉ định từ trước đó
được gán cho yêu cầu tương ứng đó. Vì vậy, qui trình định tuyến và gán bước sóng
là cố định, không thay đổi theo thời gian. Với loại này, công việc thực hiện không
phức tạp, nó đơn giản là gán một đường đi nào đó cho lightpath. Mục đích của
phương pháp này là tăng cực đại toàn bộ dung lượng của mạng, tức là có thể thiết
lập đồng thời số lightpath là lớn nhất. Đây là bài toán trong mạng không có sự
chuyển đổi bước sóng.
RWA dành cho lưu lượng mạng thay đổi (dynamic traffic): trong mạng quang
định tuyến bước sóng, các yêu cầu về lightpath đi đến theo một qui trình riêng biệt
và thời gian chiếm bởi các yêu cầu này cũng theo một qui luật riêng. Với dạng lưu
lượng mạng thay đổi thì cần có một giải thuật động để định tuyến các lightpath qua
những đường đi khác nhau dựa vào sự tắc nghẽn trên các tuyến truyền dẫn. Từ đó
giải thuật cho bài toán RWA động được đưa ra, nó dựa vào trạng thái hiện thời của
mạng để xác định đường đi cho mỗi yêu cầu thiết lập lightpath. Một kết nối bị
23
nghẽn nếu không có đường đi nào có thể dùng để mang nó. Một trong những thách
thức để giải quyết bài toán định tuyến và gán bước sóng với lưu lượng mạng thay
đổi là phát triển các giải thuật và giao thức để thiết lập các lightpath, nhằm hạn chế
đến mức thấp nhất xác suất tắc nghẽn trong mạng (tức là số yêu cầu kết nối sẽ bị từ
chối/ tổng số yêu cầu), nâng cao hiệu suất sử dụng tài nguyên (cùng một lượng
fiber, node, bộ chuyển đổi bước sóng,…có thể tạo ra nhiều lightpath nhất) và cải
thiện hiệu năng tổng thể của mạng (hiệu năng = xác suất tắc nghẽn của mạng + độ
phức tạp của giải thuật) . Một phương pháp đơn giản là dựa vào giải thuật tìm
đường đi bị nghẽn ít nhất để thiết lập các lightpath động. Trong giải thuật này, một
lightpath được thiết lập trên đường đi ít bị nghẽn nhất từ tập các lightpath khác
nhau giữa cặp nguồn - đích. Bước sóng được cấp phát là bước sóng đầu tiên còn rỗi
giữa những tuyến liên kết trong đường này.
Tóm lại vấn đề định tuyến và gán bước sóng có thể chia làm 2 loại:
- Định tuyến và gán bước sóng tĩnh
- Định tuyến và gán bước sóng động
5. Định tuyến và gán bước sóng tĩnh
Định tuyến và gán bước sóng tĩnh hay còn gọi thiết lập luồng quang tĩnh SLE.
Trong bài toán SLE, các yêu cầu luồng quang được biết trước , việc định tuyến và
gán bước sóng thực hiện ngoại tuyến (off-line). Đối tượng của hàm mục tiêu là tối
thiểu số bước sóng cần thiết để thiết lập một tập các bước sóng nào đó cho một cấu
hình vật lý đưa ra. Bài toán thay thế bài toán tối thiểu số bước sóng trong mạng là
bài toán với mục tiêu là cực đại số các kết nối có thể được thiết lập (tối thiểu tắc
nghẽn) cho một số các bước sóng và các yêu cầu kết nối đưa ra. Với bài toán SLE
với điều kiện ràng buộc bước sóng liên tục có thể được áp dụng như quy hoạch
tuyến tính nguyên (ILP- Integer Linear Program) trong đó hàm mục tiêu là tối thiểu
lưu lượng trên mỗi liên kết, lần lượt nó tương ứng với tối thiểu số các luồng quang
qua từng liên kết riêng biệt.
6. Định tuyến và gán bước sóng động
24
Định tuyến và gán bước sóng động D-RWA hay còn 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 liệu 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 các
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 được 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.
6.1. Vấn đề định tuyến:
6.1.1. 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 nút 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 cho 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. 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 động, hoặc có thể dẫn đến số
lượng bước sóng được sử dụng rất lớn 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
25
