Một số phương thức điều khiển mạng truyền dẫn quang thế hệ mới

Bộ giáo dục và đào tạo

Tr-ờng đại học bách khoa hà nội
---------------------------------------

Đặng Thị Từ Mỹ

Một số ph-ơng thức điều khiển
mạng truyền dẫn quang thế hệ mới

Chuyên ngành: Điện tử Viễn thông

Luận Văn Thạc sỹ điện tử - viễn thông

Ng-ời h-ớng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Viết Nguyên

Hà Nội - 2004


mục lục
Nội dung

Trang

Danh mục các hình vẽ
Danh mục các bảng
Mở đầu ........................................................................................................ 1
Ch-ơng I: Tổng quan công nghệ mạng quang ........................................... 2
I.1. C«ng nghƯ trun dÉn quang.............................................................. 2
I.2. HƯ thèng truyền dẫn quang ................................................................ 3
I.2.1. Các bộ khuếch đại quang ............................................................. 3

I.2.2. Hệ thống DWDM......................................................................... 4
I.2.3. Các bộ định tuyến b-ớc sóng ....................................................... 6
I.3. Các công nghệ truyền dẫn dữ liƯu ...................................................... 9
I.3.1. Gãi qua SONET/SDH (POS)...................................................... 10
I.3.2.Trun gãi ®éng (DPT) ............................................................... 13
I.3.3. 10 Gigabit Ethernet .................................................................... 17
I.4. Kü thuËt điều khiển l-u l-ợng chuyển mạch nhÃn đa giao thức .... 19
I.4.1. Cấu trúc MPLS-TE..................................................................... 20
I.4.2. Đặc điểm MPLS-TE ................................................................... 22
I.4.3. Tính toán và chọn lựa tuyến ....................................................... 23
I.4.4. Định tun IP sư dơng MPLS-TE .............................................. 25
I.4.5. B¶o vƯ MPLS-TE ....................................................................... 27
Kết luận ........................................................................................................ 28
Ch-ơng II: Tổng quan các kiến trúc mạng sóng mang hiện tại và
t-ơng lai ................................................................................................... 29
II.1. KiÕn tróc m¹ng sãng mang trun thèng ....................................... 29
II.1.1. Thùc hiện kết nối đ-ờng dài với truyền dẫn quang ................... 30
II.1.2. Cung cấp các dịch vụ đa hợp ..................................................... 30
II.1.3. Bổ sung tính linh hoạt với kiểu truyền dị bộ ............................ 32


II.1.4. Cung cấp các dịch vụ Internet ở lớp IP ...................................... 33
II.2. Các mạng sóng mang thế hệmới ..................................................... 37
II.2.1. Loại bỏ các lớp trung gian trong mạng x-ơng sống ................. 37
II.2.2. Giải pháp vấn đề dung l-ợng sợi quang ................................... 39
II.2.3. Bỉ sung tÝnh th«ng minh cho líp quang ................................... 40
KÕt luËn ........................................................................................................ 41
Ch-¬ng III: Mét sè ph-¬ng thøc ®iỊu khiĨn m¹ng trun dÉn quang
thÕ hƯ míi ................................................................................................. 43
III.1. Ph-ơng thức điều khiển xếp chồng mạng quang IP tĩnh ............ 45

III.1.1. Mô hình xếp chồng mạng quang IP tĩnh ................................. 45
III.1.2. Ph-ơng thức điều khiển quang tĩnh ......................................... 46
III.2. Ph-ơng thức điều khiển xếp chồng mạng quang IP động ........... 51
III.2.1. Mô hình xếp chồng định tuyến b-ớc sóng .............................. 51
III.2.2. Kiến trúc và các thành phần .................................................... 52
III.2.3. Ph-ơng thức điều khiển định tuyến b-ớc sóng ....................... 54
III.2.4. Đặc tính đ-ờng truyền ............................................................. 58
III.2.5. Biến đổi b-ớc sóng .................................................................. 61
III.2.6. Phục hồi ................................................................................... 61
III.2.7. Các ph-ơng pháp bảo vệ tiên tiến ........................................... 62
III.3. Ph-ơng thức điều khiển ngang hàng trong mạng quang IP
tích hợp ............................................................................................... 63
III.3.1. Lý do øng dơng ....................................................................... 63
III.3.2. CÊu tróc MPLS (chun m¹ch lamda đa giao thức)................ 66
III.3.3. Cấu trúc và các phần tử mạng ................................................. 67
III.3.4. Cơ chế điều khiển MPLmS ..................................................... 67
III.3.5. Đặc tính đ-ờng truyền ............................................................. 71
III.3.6. Khôi phục hệ thống ................................................................. 79
III.4. Quản lý l-u l-ợng IP/WDM .......................................................... 80
III.4.1. Quản lý l-u l-ỵng xÕp chång .................................................. 80


III.4.2. Quản lý l-u l-ợng ngang hàng (tích hợp) ............................... 82
III.4.3. So sánh hai mô hình ................................................................ 83
Kết luận ........................................................................................................ 84
Ch-ơng IV: Những giải pháp ứng dụng mạng quang thế hƯ míi ........... 86
IV.1. Cung cÊp dÞch vơ Internet thÕ hệ mới............................................ 86
IV.1.1. Yêu cầu ứng dụng ................................................................... 86
IV.1.2. Giải pháp chung ...................................................................... 86
IV.2. Giải pháp chung mạng sóng mang thế hệ mới.............................. 88

IV.3. Giải pháp ứng dụng10 Gigabit Ethernet ....................................... 89
IV.4. NhËn xÐt .......................................................................................... 91
KÕt luËn chung............................................................................................. 93
C¸c tõ viết tắt
Tài liệu tham khảo



các từ viết tắt
AAL

ATM adaptation layer

Lớp phối hợp ATM

ADM

add/drop multiplexer

Bộ ghép xen/rẽ

AIS

Alarm Indicator Signal

Tín hiệu chỉ thị cảnh báo

APS

Automatic Protection Switching

Chuyển mạch bảo vệ tự động

ATM

Asynchronous Transfer Mode

Kiểu truyền dẫn không đồng bộ

ARP

Address Resulation Protocol

Giao thức phân giải địa chỉ

AS

Autonomous System

Hệ thống độc lập

BER

Bit Error Rate

Độ sai bit

BGP

Border Gateway Protocol

Giao thức liên kết hai mạng khác
nhau

B-ICI

B-ISDN intercarrier interface

Giao tiếp dải giữa 2 sóng mang
B-ISDN

BLSR

Bidirectional Line-Switched Ring

Vòng chuyển mạch đ-ờng hai
h-ớng

CE

Customer Edge

Biên phía khách hàng

CLIP

Classical IP

Lớp IP

CoS

Class of Service

Lớp dịch vụ

CPU

Central Processing Unit

Đơn vị xử lý trung tâm

CRC

Cyclic Redundancy Check

Kiểm tra mà vòng d-

CSPF

Constrained Shortest Path First

Đ-ờng ngắn nhất c-ỡng chế đầu
tiên

DCC

Data Country Code

MÃ dữ liệu quốc gia

DCN

Digital Communication Network

Mạng viễn thông số

DEMUX Demultiplexer

Bộ tách kênh

DPT

Dynamic Packet Transport

Truyền gói động

DSL

Digital Subscriber Line

Đ-ờng dây thuê bao số

DWDM

Dense

Wavelength

Multiplexing

Division Ghép kênh phân chia theo mËt ®é
b-íc sãng


DXC

Digital Cross-Connect

Kết nối chéo số

EDFA

Erbium-Doped Fiber Amplifier

Bộ khuếch đại quang phủ Erbium

Edge-

Edge Label Switch Router

Bộ định tuyến chuyển mạch nhÃn

LSR

biên

FCS

Frame Check Sequence

HDLC

Highspeed

Data

Link

Thø tù kiĨm tra khung
Control Giao thøc ®iỊu khiĨn liên kết dữ

Protocol
IEEE

Institute

liệu tốc độ cao
of

Electrical

and

Electronics Engineering
IETF

Internet Engineering Task Force

IGP

Interior Gateway Protocol

Giao thøc cỉng bªn trong

IP

Internet Protocol

Giao thøc Internet

IPS

Intelligent Protection Switching

Chuyển mạch bảo vệ thông minh

IS-IS

Intermediate

System

to Giao thức hệ thống trung gian-

Intermediate System protocol
ISO

International

Organization

trung gian
for

Standardization
ISP

Internet Service Provider

Nhà cung cấp dịch vụ Internet

ISUP

ISDN user part

Phần ng-ời sử dụng ISDN

ITU

International

Telecommunication

Union
LAN

Local Area Network

Mạng nội hạt

LCP

Link Control Protocol

Giao thức điều khiển tuyến

LDP

Label Distribution Protocol

Giao thức phân phối nhÃn

LI

Length Indication

Chỉ thị độ dài

LmSC

Lambda Signaling Controller

Bộ điều khiển báo hiệu Lamđa

LOH

Line Overhead

Mào đầu đ-ờng dây

LOS

Loss of Signal

Mất tín hiệu

LSA

Link State Adverticement

Quảng bá trạng thái tuyến


LSP

Label-Switched Path

Đ-ờng chuyển mạch nhÃn

LSR

Label Switch Router

Bộ định tuyến chuyển mạch nhÃn

LTE

Line Terminal Equipment

Thiết bị đầu cuối đ-ờng dây

MAN

Metropolitan Area Network

Mạng đô thị

MMF

Multimode Fiber

Sợi đa mode

MPLmS

Multiprotocol Lambda Switching

Chuyển mạch Lamđa ®a giao
thøc

MPLS

Multiprotocol Label Switching

Chun m¹ch nh·n ®a giao thøc

MPLS-

MPLS Traffic Engineering

Điều khiển l-u l-ợng MPLS

MTU

Maximum Transmission Unit

Đơn vị truyền dẫn cực đại

MUX

Multiplexer

Bộ ghép kênh

NCP

Network Control Protocol

Giao thức điều khiển mạng

NNI

Network Node Interface

Giao tiếp nút mạng

NOC

Network Operation Center

Trung tâm vận hành mạng

NRZ

Nonreturn to Zero

MÃ không quay về không

NSAP

Network Service Access Point

Điểm truy cập dịch vụ mạng

OADM

Optical Add/Drop Multiplexer

Bộ ghép xen/rẽ quang

O-APS

Optical

TE

Automatic

Protection Chuyển mạch bảo vệ tự động

Switching

quang

O-BLSR Optical Bidirectional Line-Switched Vòng chuyển mạch đ-ờng dây

Ring
O-BLSR

Wavelength

hai h-ớng quang
Bidirectional

Line- Vòng chuyển mạch đ-ờng d©y

Switched Ring

hai h-íng b-íc sãng

OC-1

Optical Carrier 1

Sãng mang quang 1

OCH

Optical Channel

Kênh quang

OLA

Optical Line Amplifier

Bộ khuếch đại đ-ờng dây quang

O-LSP

Optical LSP

LSP quang

ONE

Optical Network Element

Thành phần mạng quang


O-NNI

Optical

Network-to-Network Giao điện mạng đến mạng quang

Interface
O-SNCP

Optical

Subnetwork

Connection Bảo vệ kết nối mạng con quang

Protection
OSI

Open Systems Interconnection

Liên kết nối các hệ thống mở

O-LSP

Optical Label-Swicthed Path

Đ-ờng chuyển mạch nhÃn quang

OSNR

Optical Signal to Noise Ratio

Tû sè S/N quang

OSPF

Open Shortest Path First protocol

Giao thøc đầu tiên đ-ờng ngắn
nhất mở

OSU

Optical Swicth Unit

Đơn vị chuyển mạch quang

OTM

Optical Transport Module

Modun trun dÉn quang

OTN

Optical Transport Network

M¹ng trun dÉn quang

OTU

Optical Transmission Unit

Đơn vị truyền dẫn quang

O-UNI

Optical User-to-Network Interface

Giao diện mạng

ng-ời sử

dụng quang
OXC

Optical Cross-Connect

Bộ nối chéo quang

P

Provider

Nhà cung cấp

PDFA

Praseodynamium-doped

Fiber Bộ khuếch đại quang phủ dùng

Amplifier

Praseodynamium

PDU

Protocol Data Unit

Đơn vị dữ liệu giao thức

PE

Provider Edge

Biên phía nhà cung cấp dịch vụ

PHY

Physical

Vật lý

PNNI

Private

Network-to-Network Giao thức giao tiếp mạng-mạng

Interface Protocol

riêng

POP

point of presence

Điểm kết nối

POS

Packet over SONET/SDH

Gói qua SONET/SDH

PPP

Point-to-point Protocol

Giao thức điểm nối điểm

p-t-p

Point-to-point

Điểm nối điểm

QoS

Quality of Service

Chất l-ợng dịch vụ


RSVP

Resource Reservation Protocol

RSVP/

Resource

Reservation Giao thức dự trữ tài nguyên/ giao

LDP

Protocol/Label

Distribution thức phân phối nhÃn

Giao thức dự trữ tài nguyên

Protocol
SDU

Service Data Unit

Đơn vị dữ liệu dịch vụ

SF

Signal Failure

Lỗi tín hiệu

SLA

Service Level Agreement

T-ơng đồng mức dịch vụ

SMF

single-mode fiber

Sợi đơn mode

SNR

Signal-to-noise ratio

Tỷ số S/N

SONET

Synchronuors Optical Network

Mạng quang đồng bộ

SPF

Shortest Path First

Đ-ờng dẫn đầu tiên ngắn nhất

SRP

Spatial Reuse Protocol

Giao thức sử dụng lại không gian

STM-1

Synchronuors Transport Module 1

Modun trun ®ång bé 1

STS-1

Synchronuors Transport Signal 1

TÝn hiƯu trun ®ång bé 1

SVC

Switched Virtual Connection

KÕt nèi chun mạch ảo

TCP/IP

Transmission

Control

Protocol/

Internet Protocol
TDM

Time Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo thời
gian

TLV

Type/Length/Value

Kiểu/ độ dài/ giá trị

TM

Terminal Multiplexer

Bộ ghép đầu cuối

TOS

Type of Service

Loại dịch vụ

TTL

Time to Live

Thời gian thực

UI

Unnumbered Information

Thông tin không đ-ợc đánh số

UNI

User-to-Network Interface

Giao diện ng-ời sử dụng-mạng

UPSR

Unidirectional Path Switched Ring

Vòng chuyển mạch đ-ờng dây
đơn h-ớng

VC

Virtual Circuit

Mạch ảo

VCI

Virtual Channel Identifier

Nhận dạng kênh ảo


VoIP

Voice over IP

Thoại qua IP

VP

Virtual Path

Đ-ờng dẫn ảo

VPI

Virtual Path Identifier

Nhận dạng đ-ờng dẫn ảo

VPN

Virtual Private Network

Mạng riêng ảo

WADM

Wavelength Add/Drop Multiplexer

Bộ ghÐp xen/rÏ b-íc sãng

WAN

Wide Area Network

M¹ng diƯn réng

WDM

Wavelength Division Multiplexing

GhÐp kênh phân chia theo b-ớc
sóng

WR

Wavelength Router

Bộ định tuyến b-ớc sóng

WRC

Wavelength Routing Controller

Bộ điều khiển định tuyến b-ớc
sóng

Danh mục các hình vẽ
STT

Tên hình

Trang

1.1

Giản đồ năng l-ợng của Erbium

3

1.2

Cấu trúc một EDFA đơn tầng

4

1.3

Hệ thống DWDM điểm nối điểm (p-t-p) đ-ợc sử dụng để tăng dung l-ợng

5

sợi cáp
1.4

Hệ thống vòng ring DWDM cung cấp các loại topo ảo

6

1.5

Sơ đồ khối của bộ định tuyến b-ớc sóng điện

8

1.6

Sơ đồ khối của bộ định tuyến b-ớc sóng quang

9

1.7

Sự phân bổ b-ớc sóng khi có và không có sự chuyển đổi b-íc sãng

9

1.8

Chu tr×nh POS

10

1.9

Gãi PPP

11

1.10

CÊu tróc khung PPP HDLC

12

1.11

DPT sư dụng các vòng ring kép, ng-ợc chiều nhau trong đó cả hai vòng

14

dùng cho truyền dẫn dữ liệu
1.12

SRP Header

14

1.13

Định dạng của gói nhận biết topo

16

1.14

Quá trình xử lý gói SRP

17

1.15

Kiến trúc giao thức của 10 Gigabit Ethernet

18

1.16

Tiêu chuẩn định tuyến để tối -u hóa tài nguyên mạng không hiệu quả

21

1.17

Các thành phần chức năng của MPLS-TE

21

1.18

IGP đầy với l-ợng băng thông khả dụng của tuyến

23

1.19

Tính toán đ-ờng truyền dựa trên yêu cầu

25

1.20

Mạng MPLS-TE với 2 đ-ờng ngầm LSP

26

1.21

Đ-ờng ngắn nhất có và không có đ-ờng ngầm LSP

26

2.1

Kiến trúc mạng truyền thống bao gồm đa lớp

29

2.2

Mạng SONET/SDH bao gồm ghép các bộ phối hợp vòng ring hoặc các

32

tuyến thẳng đ-ợc kết nối với các bộ nối chéo số
2.3

Mạng ATM đ-ợc xây dựng trên mạng SONET/SDH để ghép thống kê

33

2.4

Các bộ định tuyến IP đ-ợc kết nối đến các chuyển mạch ATM

34

2.5

Các LSR biên gắn các nhÃn ở đầu vào, các LSR ở lõi truyền dữ liệu dọc

35

theo đ-ờng dẫn và nhÃn đ-ợc lấy ra ở đầu ra bởi một LSR biên


2.6

MPLS VPN - các bộ định tuyến PE dùng ngăn xếp nhÃn để xác định VPN

36

nào là thông tin định tuyến và VPN nào là dữ liệu
2.7

Quản lý l-u l-ợng MPLS cung cấp khả năng phối hợp và tối -u hóa đ-ờng

37

dẫn bằng dữ liệu qua mạng
2.8

Biến đổi thành một kiến trúc mạng hai lớp

38

2.9

Cung cấp b-ớc sóng dùng các bộ định tuyến b-ớc sóng

41

3.1

Mô hình xếp chồng và ngang hàng

44

3.2

Ưu điểm hoạt động trong lớp IP + quang

45

3.3

Các ngăn xếp giao thức cho sắp xếp IP vào DWDM

45

3.4

Kết nối mạng x-ơng sống quang điểm đến điểm với cáp hoặc các đầu cuối

47

DWDM
3.5

Các mạng x-ơng sống POS mắt l-ới dày có thể đ-ợc thiết lập qua việc sử

48

dụng các kết nối cáp hoặc các hệ thống DWDM
3.6

Kết nối các nút lõi trong một mắt l-ới yêu cầu nhiều kết nối cáp

48

3.7

Kết nối các nút lõi trong một hoặc hơn các vòng ring giảm số l-ợng yêu

49

cầu các kết nối cáp
3.8

Các khối xây dựng hệ thống DWDM

49

3.9

Trong mô hình xếp chồng, quá trình định tuyến b-ớc sóng của OTN là

51

hoàn toàn không phụ thuộc từ lớp dịch vụ
3.10

Các thành phần của một mạng quang thông minh

53

3.11

So sánh ATM và các mạng định tuyến b-ớc sóng với hoạt động TDM

53

3.12

WRC với giao diện điều khiển và OXC tạo thành hộp định tuyến b-ớc

55

sóng đơn
3.13

Bảng kết nối chéo của các bộ định tuyến b-ớc sóng có hoặc không tích

55

hợp các đầu cuối DWDM
3.14

Đ-ờng truyền định tuyến lỗi giữa định tuyến b-ớc sóng sử dụng, triển

57

khai DCN
3.15

Mọi thành phần mạng yêu cầu một địa chỉ IP để thiết lập điều khiển IP cơ

57

bản
3.16

59

3.17

Khi sử dụng định tuyến tập trung cho thiết lập đ-ờng truyền, các bộ định
tuyến b-ớc sóng hoạt động nh- các máy khách của máy dịch vụ quản lý
l-u l-ợng
Thiết lập đ-ờng truyền với định tuyến phân bố

3.18

L-u đồ thiết lập đ-ờng truyền đ-ợc đơn giản hóa

60

60


3.19

Bảo vệ có thể đ-ợc thiết lập bằng cách chia mạng định tuyến b-ớc sóng

62

thành nhiều vùng
3.20

Khaựi nieọm nhaừn trong cấu trúc MPLS và MPLmS

65

3.21

Trong cấu trúc điểm nối điểm, cả định tuyến IP và định tuyến bước

66

sóng là một phần của cùng một miền định tuyến
3.22

Mạng truyền dẫn quang với WR và LSR

67

3.23

Sơ đồ khối và chức năng của MPLmS

68

3.24

Điều khiển chuyển mạch Lamda (LmSC) có giao diện điều khiển cho

70

OXC và bộ định tuyến bước sóng hợp nhất
3.25

Cấu trúc điều khiển MPLmS

71

3.26

Bảng CSDL trạng thái cổng

72

3.27

Định dạng gói tin TLV

74

3.28

Đầu cuối gởi bản tin RSVP PATH khởi tạo thiết lập đường chuyển

76

mạch quang
3.29

Đầu cuối hoàn thành việc thiết lập LSP quang sau khi phúc đáp bằng

77

bản tin RESV
3.30

Tổ hợp LSR tại phần biên của mạng OTN, sử dụng baựo hieọu RSVP

79

3.31

Quản lý l-u l-ợng xếp chồng

81

3.32

Quản lý l-u l-ợng ngang hàng (tích hợp)

82

4.1

Giải pháp chung cho các ISP lµ sư dơng POS víi hƯ thèng DWDM trong

87

lâi cđa mạng và DPT trong mạng đô thị
4.2

Cấu trúc mạng sóng mang thÕ hƯ míi

89

4.3

C¸c øng dơng 10 Gigabit Ethernet

90


Danh mục các bảng
STT

Tên bảng

Trang

1.1

Các giá trị của tr-ờng giao thức PPP

11

1.2

Tốc độ truyền dẫn POS

13

1.3

Các tr-ờng SRP Header

15

1.4

Các giá trị của kiểu MAC đ-ợc sử dụng trong gói phát hiện topo

16

1.5

Các loại của 10 Gigabit Ethernet và khoảng cách truyền

17

1.6

Định tuyến LSR W nh-ng không thiết lập đ-ờng ngầm LSP

27

2.1

Phân cấp TDM Bắc Mĩ và Châu âu

30

2.2

Các tốc độ giao diện của ghép phân cấp SONET/SDH

31

3.1

Cài đặt các mô hình quản lý l-u l-ợng

84

4.1

Các -u và nh-ợc điểm của công nghệ POS, DPT và 10 Gigabit Ethernet

91

đối với mạng đô thị và mạng trục


Tài liệu tham khảo
[1]

Vũ Văn San (1997), Kỹ thuật thông tin quang, Hµ néi.

[2]

Jean-Pierre Laude (1993), Wavelength Division Multiplexing, Paris.

[3]

Kevin H. Liu (2002), IP over WDM, TJ International, Padstow,
Cornwall,UK.

[4]

Peter Tomsu, Christian Schmutzer (2002), Next Generation Optical

Networks, United States, America.

[5]

Cisco System Inc. WhitePaper, Cisco’ s Packet over SONET/SDH
(POS), Februari 1998.

[6]

IETF draft, Multi-Protocol Lamda Switching: Combining MPLS Traffic
Engineering Control with Optical Crossconnects, November 1999.

[7]

Hà Trần Đức, Phạm Minh Toàn, Nguyễn Hoàng Hải (6/2004), Công
nghệ IP trên nền DWDM , Tạp chí b-u chÝnh viƠn th«ng, 15-18.

[8]

Ngun Kim Lan, Ngun ViƯt C-êng, Tr-ơng Văn Lịch (5/2004), Cơ
chế khắc phục lỗi kênh khi kết nối Multicast trong mạng MPLS và mô
hình thử nghiệm , Tạp chí b-u chính viễn thông, 7-9.

[9]

Trần Thị Bình Thủy, Vũ Văn San (7/2002), Các ph-ơng thức truyền tải
l-u l-ợng IP , Tạp chí b-u chính viễn th«ng, 22-25.

----------------------------

-1-

Mở đầu
Ngày nay, khi thời đại công nghệ thông tin phát triển mạnh mẽ d-ới sự
trợ giúp của công nghệ viễn thông tiên tiến thì l-u l-ợng IP đà chiếm -u thÕ
nỉi tréi trong m¹ng, kiÕn tróc m¹ng 4 líp (IP, ATM, SONET/SDH và WDM)
truyền thống không còn phù hợp bao gồm nhiều lớp mạng dẫn đến phức tạp và
hiệu suất truyền dẫn không cao.
Lớp ATM và SONET/SDH dần bị loại bỏ, chuyển mạng đ-ờng trục
sang mạng hai lớp. Vấn đề quản lý mạng, khả năng chịu lỗi, sự trong suốt về
dịch vụ và chuyển mạch quang trở nên rất quan trọng. Một hệ thống IP/WDM
phải hổ trợ kiến trúc mở và mang tính trong suốt hoàn toàn về dịch vụ. Với
khả năng cực lớn về băng thông và độ trễ rất nhỏ của mình, mạng IP/WDM
đóng một vai trò quan trọng trong việc hình thành thời kỳ mới của mạng hoàn
toàn quang. Có thể nói hệ thống này đà và đang trở thành nhân tố không thể
thiếu đ-ợc cho mạng viễn thông hiện tại và t-ơng lai.
Bản luận văn sẽ trình bày các ph-ơng thức điều khiển mạng quang IP
thế hệ mới nh- ph-ơng thức điều khiển động theo mô hình xếp chồng và
ph-ơng thức điều khiển tích hợp theo mô hình ngang hàng.
Bản luận văn gồm 4 ch-ơng:
Ch-ơng I: Tổng quang công nghệ mạng quang.
Ch-ơng II: Tổng quan các kiến trúc mạng sóng mang hiện tại và
t-ơng lai.
Ch-ơng III: Một số ph-ơng thức điều khiển mạng truyền dẫn
quang thế hệ mới.
Ch-ơng IV: Những giải pháp ứng dụng mạng quang thế hệ mới.
Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô của tr-ờng ĐHBK Hà Nội và
đặc biệt là các thầy giáo TS. Nguyễn Viết Nguyên, TS. Hồ Khánh Lâm, TS.
Nguyễn Quốc Trung đà giúp đỡ tận tình và tạo mọi điều kiện để tôi có thể

hoàn thành bản luận văn này.
Bản luận văn chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, rất
mong sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và các bạn đồng nghiệp.


-2-

Ch-ơng I : tổng quan công nghệ mạng quang
Mạng truyền dÉn quang (OTN - Optical Transport Network) cung cÊp
c¸c nỊn tảng cho cơ sở hạ tầng dịch vụ nhằm đáp ứng các dịch vụ IP phổ biến.
Dung l-ợng truyền dẫn qua 1 sợi quang đ-ợc tăng lên nhờ sử dụng công nghệ
ghép kênh phân chia theo b-ớc sóng (WDM - Wavelength Division
Multiplexing) để truyền nhiều b-ớc sóng khác nhau qua một sợi quang và đạt
đến tốc độ truyền Tbps.
Sử dụng các bộ khuếch đại quang cho phép truyền các tín hiệu quang
lên đến vài trăm km mà không cần sử dụng bộ chuyển đổi điện/quang.
Mạng truyền dẫn quang OTN th-ờng là một l-ới các liên kết DWDM
điểm đến điểm cần có các node thông minh tại các kết nối DWDM. Đó là nơi
có các bộ định tuyến b-ớc sóng và chuyển mạch tự động theo b-ớc sóng cung
cấp các b-ớc sóng cuối tới cuối xuyên suốt mạng.
Trong ch-ơng này tôi xin giới thiệu một số vấn đề nh- sau:
Công nghƯ trun dÉn quang: WDM, DWDM
 HƯ thèng trun dÉn quang: Các bộ khuếch đại quang
(EDFA,PDFA), hệ thống DWDM, các bộ định tuyến b-ớc sóng WR (bộ định
tuyến b-ớc sóng điện, bộ định tuyến b-ớc sóng quang).
Các công nghệ truyền dẫn dữ liệu: Gói qua SONET/SDH (POS),
truyền gói động (DPT) và 10 Gigabit Ethernet.
Kỹ thuật điều khiển l-u l-ợng chuyển mạch nhÃn đa giao thức:
Phân loại, cấu trúc MPLS-TE, đặc điểm, tính toán và lựa chọn tuyến, định
tuyến IP sử dụng MPLS-TE, bảo vệ MPLS-TE.

I.1. Công nghệ truyền dẫn quang
Định nghĩa WDM:
Công nghệ ghép kênh phân chia theo b-ớc sóng (WDM) là công nghệ
trong một sợi quang ®ång thêi trun dÉn nhiỊu b-íc sãng tÝn hiƯu quang.
Nguyªn lý cơ bản nh- sau :


-3-

ã Bên phát : Tín hiệu quang có b-ớc sóng khác nhau ở đầu vào đ-ợc tổ
hợp lại (ghép kênh) và truyền dẫn trên cùng một sợi quang của đ-ờng cáp
quang.
ã Bên thu : Tín hiệu có b-ớc sóng tổ hợp đó đ-ợc tách kênh, xử lý,
khôi phục lại tín hiệu gốc và đ-a đến các tín hiệu đầu cuối khác nhau.
DWDM: Ghép kênh phân chia theo mật độ b-ớc sóng do các b-ớc
sóng đ-ợc đóng gói dày đặc lµ hƯ thèng WDM sư dơng 16, 32, 128 b-íc sóng
hoặc nhiều hơn ở cửa sổ 1550nm.
I.2. Hệ thống truyền dẫn quang
I.2.1. Các bộ khuếch đại quang
I.2.1.1. Khuếch đại quang sợi dùng sợi pha tạp Erbium
(EDFA Erbium-Doper Fiber Amplifier)
Cơ chế hoạt động của sợi quang pha tạp Erbium trở thành bộ khuếch đại
có thể đ-ợc minh họa nh- hình 1.1 và hình 1.2.

Mức kích thích E2
Phân rà không
bức xạ
Mức siêu bền E3

Photon bơm

Photon tới

Er3+
Mức cơ bản E1

Tín hiệu đ-ợc
khuếch đại

Hình 1.1: Giản đồ năng l-ợng của Erbium
EDFA có cấu trúc là một đoạn sợi quang mà lõi của chúng đ-ợc cấy
Er3+ với nồng độ ít hơn 0,1%. Khi một nguồn bơm photon b-ớc sóng 980nm
hoặc 1480nm đ-ợc bơm vào lõi sợi đặc biệt này; các ion Er 3+ này sẽ hấp thụ
các photon đó một điện tử của nó chuyển từ mức năng l-ợng cơ bản E1 lên
mức kích thích E2; do tồn tại một mức năng l-ợng siêu bền E3 ở giữa (trên


-4-

giản đồ năng l-ợng), nên các điện tử này chuyển xuống mức năng l-ợng E 3
theo cơ chế phân rà không bức xạ sau 10ns. Từ đây, điện tử có thể phân rÃ
xuống mức E1 thông qua quá trình bức xạ tự phát và phát xạ ra photon (trong
EDFA thì đó là photon của tín hiệu cần đ-ợc khuếch đại), sẽ kích thích sự
phát xạ và tạo ra thêm nhiều photon tØ lƯ víi photon cđa chïm s¸ng, sù ph¸t xạ
này lại ở vùng b-ớc sóng 1550nm. Nhờ vậy tín hiệu đ-ợc khuếch đại khi đi
qua sợi pha tạp Erbium.

WDM
in

Er3+

Coupler

WDM
Coupler

out
isolator

Pump

Extracted
Pump Signal

980nm

Hình 1.2: Cấu trúc một EDFA đơn tầng

I.2.1.2. Khuếch đại quang sợi dùng sợi pha tạp Praseodynamium
(PDFA - Praseodynamium - Doper Fiber Amplifier)
PDFA t-ơng tự nh- EDFA nh-ng hoạt động ở b-ớc sóng 1310nm.
Laser đ-ợc bơm vào ở b-ớc sóng 1017nm và sợi florua thay cho sợi silicon.
PDFA sử dụng cho các đơn kênh đ-ờng dài để khuếch đại quang và các
giao tiếp 1310nm nh- thiết bị mạng. PDFA có thể đ-ợc sử dụng để mở rộng
dung l-ợng của hệ thống DWDM bằng cách sử dụng dải tần có b-ớc sóng
1310nm và 1550nm.
I.2.2. Hệ thống DWDM:
Hệ thống DWDM dùng để truyền dẫn nhiều b-ớc sóng qua một sợi
quang. Những kênh này đóng vai trò cáp ảo có thể truyền bất kỳ loại tín
hiệu nào nh- SDH, ATM hoặc l-u l-ợng IP. Các nguồn dữ liệu đ-ợc kết nối

thông qua giao diÖn quang chuÈn.


-5-

Hệ thống điểm nối điểm sử dụng để tăng l-u l-ợng của các kết nối đầu
xa. Nh- hình 1.3, hệ thèng ®iĨm nèi ®iĨm, cã 2 giao diƯn trung kÕ ®a b-íc
sãng cho mét kÕt nèi c¸p ®iĨm tíi ®iĨm kép nhằm cung cấp dự phòng tuyến
và khả năng bảo vệ. Một vài giao diện đơn b-ớc sóng dùng để kết nối các bộ
định tuyến IP, chuyển mạch ATM, thiết bị SONET/SDH. Các cổng vào đơn
b-ớc sóng có một bộ điều chế để chuyển b-ớc sóng thành b-ớc sóng kênh
DWDM thích hợp. Bộ kết hợp quang ghép các b-ớc sóng lại với nhau, rồi gởi
chúng đến trung kế đa b-ớc sóng. Tại phía thu, mỗi kênh đ-ợc tách ra thông
qua một bộ lọc quang.
Đặc biệt với các ứng dụng mạng đô thị, các hệ thống vòng ring với các
chức năng xen/rẽ đ-ợc sử dụng. Hệ thống này có 4 giao diện trung kế nhiều
b-ớc sóng để dùng vòng ring 2 sợi quang với chức năng bảo vệ tiên tiến. Một
số giao diện đơn b-ớc sóng đóng vai trò các cổng xen/rẽ và đ-ợc dùng để nối
tới các bộ định tuyến IP và chuyển mạch ATM hoặc đến các điểm nối chéo
vòng.
IP
Các giao diện
b-ớc sóng đơn

1
2
n

ATM

ATM

SONET/SDH

IP

Các trung kế đa
b-ớc sóng

SONET/SDH

Hình 1.3: Hệ thống DWDM điểm nối điểm (p-t-p) đ-ợc sử dụng để tăng
dung l-ợng sợi quang
Trên hình 1.4 các vòng ring DWDM cung cấp các loại topo ảo. Các
mạng điểm nối điểm, vòng, hub hoặc l-ới.


-6-

IP

ATM

SONET/SDH

vòng ring IP
(dùng truyền gói động)
IP

IP

các trung kế đa
b-ớc sóng

các giao diện
b-ớc sóng đơn

ATM
SONET/SDH

IP

ATM

Topo ATM
Hub+Spoke

Tuyến IP
điểm-điểm(POS)

IP

ATM

IP

Hình 1.4: Hệ thống vòng ring DWDM cung cấp các loại topo ảo
I.2.3. Các bộ định tuyến b-ớc sóng (WR)
Đặc điểm của các bộ định tuyến b-ớc sóng :
ã Chúng cung cấp các kết nối cuối đến cuối để xây dựng các topo
mong muốn của mạng IP (nh- l-ới, vòng hoặc điểm đến điểm).

ã Khả năng phục hồi tiên tiến bởi chức năng định tuyến b-ớc sóng
thông minh và riêng biệt.
ã Việc định vị các kết nối đ-ợc tối -u hóa nhờ sử dụng mạng và thay
đổi thành phần l-u l-ợng.
Vì vậy đạt đ-ợc khả năng sử dụng mạng tối -u.
Các khối cơ bản của bộ định tuyến buớc sóng:
- Cơ chế chuyển mạch :
Bộ định tuyến b-ớc sóng điện sử dụng cơ chế chuyển mạch điện.
Bộ định tuyến b-ớc sóng quang dùng cơ chế chuyển mạch hoàn
toàn quang.


-7-

- Hệ thống vào/ra :
Cung cấp chức năng truy nhËp th«ng qua giao diƯn chn quang.
 Thùc hiƯn chun đổi điện/quang trong tr-ờng hợp các bộ định
tuyến chuyển mạch theo cơ chế điện. Tr-ờng hợp bộ định tuyến b-ớc sóng
quang hệ thống vào/ra dùng để chuyển đổi b-ớc sóng.
Có 2 loại giao diện chuẩn quang :
ã Giao diện b-ớc sóng đơn sử dụng các cổng nội hạt để kết nối
định tuyến, chuyển mạch ATM hoặc thiết bị SDH.
ã Kết nối trung kế, giao diện đa b-ớc sóng đ-ợc dùng cho các bộ
tách/ghép kênh WDM.
-

Cơ chế định tuyến b-ớc sóng đ-ợc sử dụng trong khối quản lý thành

phần mạng của ma trận chuyển mạch. Định tuyến dựa trên các giao thức định
tuyến trạng thái tuyến nh- giao thức OSPF vµ hƯ thèng trung gian - trung gian

(IS - IS).
I.2.3.1. Bộ định tuyến b-ớc sóng điện
Kết cuối b-ớc sóng tại bộ chuyển đổi điện/quang, chuyển đổi thành tín
hiệu điện, và chuyển mạch chúng vào miền điện. Cấu trúc của bộ định tuyến
b-ớc sóng điện là một ma trận chuyển mạch ngang. Hình 1.5 mô tả sơ đồ khối
của bộ định tuyến b-ớc sóng điện. Dữ liệu đầu vào tại bất kì cổng nào đều có
thể đ-ợc chuyển mạch trong ma trận đến bất kì đầu ra nào. Ma trận ngang sẽ
thiết lập kết nối giữa 2 cổng yêu cầu.


-8-

Khối quản lý các phần tử mạng
(Wavelength Routing Engine)
Control Paths
1, 1,…, n

Trunk Interfaces

1
1, 1,…, n
2

1, 1,…, n
m
Wavelength
I/O Demux
System

1

2

1
2

n

n

1
2

1
2

1, 1,…, n
1
1, 1,, n

n

n

1
2

Backplane
(Electrical Crossbar)

n

E/O
Converter
Add-Ports

1
2
n

E/O
Converter
Drop-Ports

2

1, 1,, n
m
Wavelength
Mux

Local Interfaces

Hình 1.5: Sơ đồ khối của bộ định tuyến b-ớc sóng điện

I.2.3.3. Bộ định tuyến b-ớc sóng quang
Tất cả các mạng quang dùng định tuyến b-ớc sóng quang, do không có
sự chuyển đổi quang/điện trong bộ định tuyến b-ớc sóng. Ma trận chuyển
mạch hoàn toàn quang và không khóa. Hình 1.6 mô tả sơ đồ khối của bộ định
tuyến b-ớc sóng quang. Bộ định tuyến b-ớc sóng quang chuyển mạch các
bước sóng một cách trong suốt mà không quan tâm đến bộ tái tạo tín hiệu
và định dạng khung.

Việc chuyển đổi b-ớc sóng đóng một vai trò quan trọng trong các bộ
kết nối chéo quang OXC, do nếu không có sự chuyển đổi b-ớc sóng, một
đ-ờng truyền phải đ-ợc gắn cùng một b-ớc sóng trên tất cả các tuyến dọc trên
đ-ờng truyền trong mạng. Với sự chuyển đổi b-ớc sóng, nó có thể đ-ợc gán
các b-ớc sóng khác nhau trên các tuyến khác nhau dọc theo đ-ờng truyền.
Điều này cần thiết cho việc nâng cao hiệu suất sử dụng tuyến và b-ớc sóng
trong mạng quang.


-9-

Khối quản lý các phần tử mạng
(Wavelength Routing Engine)
Control Paths
1, 1,…, n
1

Trunk Interfaces

1, 1,…, n
2

1
2

1
2

n

n

1
2

1
2

1
1, 1,…, n

n

n

1
2

1, 1,…, n

1, 1,…, n

Backplane
(Optical Switch Matrix)

m

Wavelength n
1 2 n
Demux

Wavelength
I/O
Converters
System
Add-Ports

1 2 n

2

1
2
n

Wavelength
Converters
Drop-Ports

1, 1,…, n
Wavelength m
Mux

Local Interfaces

Hình 1.6: : Sơ đồ khối của bộ định tuyến b-ớc sóng quang
Trong hình 1.7 miêu tả một ví dụ phân bổ b-ớc sóng. Nếu bộ định
tuyến b-ớc sóng có hổ trợ chuyển đổi b-ớc sóng, đ-ờng truyền từ A đến C và
từ F đến C có thể sử dụng chung cả B và C.
Nếu không có hổ trợ chuyển đổi b-ớc sóng, đ-ờng truyền giữa F đến C
phải theo đ-ờng dài hơn qua node E và D.

1
A

1

1

C
D

B

2

A

1

C
D

B

1

1

1
1

F

E

F

E

Hình 1.7: Sự phân bổ b-ớc sóng khi có và không có sự chuyển đổi
b-ớc sóng
I.3. Các công nghệ truyền dẫn dữ liệu
Ph-ơng thức truyền dẫn dữ liệu, nh- dữ liệu IP đà thay đổi đáng kể
trong mạng quang. Nhờ loại bỏ lớp trung gian giữa ATM và SONET/SDH,


-10-

hiệu suất truyền dẫn phần mào đầu sẽ cao hơn và cấu trúc mạng cũng đơn giản
hơn.
Một vài công nghệ đóng gói đ-ợc dùng để truyền dữ liệu IP qua mạng
quang nh- gói qua SONET/SDH (POS); truyền gói động (DPT) vµ 10 Gigabit
Ethernet.
I.3.1 Gãi qua SONET/SDH (POS)
POS cho phÐp líp IP đ-ợc thay trực tiếp bởi lớp SONET/SDH nh-ng
vẫn đảm bảo chất l-ợng dịch vụ (QoS), POS loại bỏ phần mào đầu không cần
thiết để điều khiển IP qua ATM qua SONET/SDH.
Do IP là một giao thức lớp mạng không kÕt nèi (trong khi SONET/SDH
lµ giao thøc líp vËt lý), khoảng cách giữa lớp 1 và lớp 3 phải đ-ợc khắc phục.
Điều này chỉ có thể khi dùng giao thức ®iÓm nèi ®iÓm (PPP- point-to-point
protocol) dïng ®Ó ®ãng gãi IP thành một luồng dữ liệu rồi thì sắp vào phần tải

trọng của SONET hay SDH. Vì vậy, POS yêu cầu mét topo tun 2 chiỊu
(full-duplex) ®iĨm nèi ®iĨm.
PPP gåm hai phần giao thức. Giao thức điều khiển tuyến (LCP) thiết lập
và kiểm tra kết nối tuyến dữ liệu, trong khi giao thức điều khiển mạng giao
tiếp với giao thức lớp 3. Hình 1.8 các quá trình cần thiết khi sắp xếp gói IP vào
khung SONET/SDH dùng PPP.

CRC-CCITT
CRC-32
PPP

Tạo
FCS

RFC 1661

RFC 1662

7E,7D
Chèn
byte

Tự đồng bộ
x^43+1
Sắp xếp,
trộn
RFC 2615

Đóng khung
SONET/SDH

Bellcore, ITU,
ANSI

POS-PHY
Giao diện hệ thống

Hình 1.8: Chu tr×nh POS