Thiết kế mạng quang trong suốt sử dụng giải thuật tô mầu cạnh tổng quát

..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----o0o-----

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
THIẾT KẾ MẠNG QUANG TRONG SUỐT SỬ DỤNG GIẢI
THUẬT TÔ MẦU CẠNH TỔNG QUÁT
NGÀNH : ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
MÃ SỐ

:

NGÔ HỮU HẬU
Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN XUÂN DŨNG

Hà Nội 10/2005


Mở đầu

MỞ ĐẦU

Trong thế kỷ 21 nhu cầu thông tin, liên lạc của con người là vô cùng lớn
với sự ra đời của ngày càng nhiều các loại hình dịch vụ gia tăng trên nền
mạng viễn thông. Đứng trước những thách thức mạng viễn thông thế hệ cũ đã
phần nào bộc lộ tính yếu kém, kồng kềnh cũng như thiếu hụt trầm trọng băng
thông. Do vậy, theo quy luật tất yếu mạng thế hệ sau phải ra đời nhằm khoả
lấp các lỗ hổng do mạng thế hệ cũ để lại. Gần đây trên thế giới cũng như ở
Việt Nam đã xây dựng mạng thế hệ sau NGN phần nào đã đáp ứng được nhu

cầu trước mắt trong mạng viễn thông đó là tích hợp nhiều mạng đang tồn tại
vào một mạng lõi duy nhất. Tuy nhiên các mạng này vẫn gặp phải vấn đề về
sự tắc nghẽn giữa giao diện quang-điện cho nên vẫn hạn chế trong việc sử
dụng tài ngun vơ cùng lớn của sợi quang. Chính vì thế mạng tương lại sẽ là
sự hội tụ tới mạng toàn quang AON (không cần phải chuyển qua mức điện
trung gian để xử lý).
Khi chúng ta tiến hành thiết kế một mạng tồn quang thì ln phải quan
tâm tới 3 vấn đề: Thứ nhất là vấn đề kích thước mạng (dimensioning), liên
quan tới việc thiết kế topo vật lý mạng. Thứ hai là vấn đề định tuyến
(routing), liên quan tới việc thiết lập các Lightpath trong topo vật lý. Thứ 3 là
vấn đề gán bước sóng (assigning wavelength), liên quan tới việc gán các bước
sóng khác nhau lên tập Lightpath đã thiết lập.

Đồ án tốt nghiệp cao học

ii

Ngô Hữu Hậu


Mở đầu

Các nhà nghiên cứu gần đây đã tập trung nhiều cơng sức vào việc tìm ra
một thuật tốn tối ưu nhằm giải quyết được 2 vấn đề định tuyến và gán bước
sóng RWA (Routing and Wavelength Assignment). Vấn đề đầu có thể được
giải quyết thơng qua các cơng cụ đã phát triển cho mạng SONET/SDH đã có.
Đồ án này tập trung vào việc phân tích các giải pháp RWA đã được nghiên
cứu cho nhiều topo mạng đồng thời cũng đưa ra giải thuật gán bước sóng
theo phương pháp tơ mầu cạnh tổng quát. Đồ án cũng chỉ ra với trường hợp
đặc biệt mạng có tất cả các LP với nhiều nhất 2 link trên một LP đồng thời số

sợi ở tất cả các link là chẵn thì mạng sẽ khơng cần sử dụng bộ chuyển đổi
bước sóng.
Đồ án được tổ chức làm 6 chương
Chương 1: Giới thiệu mạng thông tin quang. Mục đích của chương này
là nhằm đánh giá sự yếu kém của mạng thế hệ cũ và các phân tích để thấy nhu
cầu hội tụ đến mạng IP/ quang.
Chương 2: Các thành phần cấu thành mạng toàn quang. Chương này
phân tích các thành phần cần thiết để cấu thành nên một mạng AON như bộ
phát/ thu quang, bộ khuếch đại EDFA, OXC, OADM v.v…
Chương 3: Định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM. Chương này
tập trung vào phân tích vấn đề RWA ở 2 mơ hình lưu lượng tĩnh (static) và
động (dynamic) để thấy rõ tầm quan trọng của RWA trong việc thiết kế một
mạng thông tin toàn quang.
Chương 4: Các giải pháp RWA. Chương này tập trung vào phân tích các
giải pháp RWA cho 4 topo cụ thể là Ring, Tree, Mesh và Multicast.
Chương 5: Thiết kế mạng tồn quang và giải thuật tơ mầu cạnh tổng
quát. Chương này trình bày về phương pháp thiết kế một mạng toàn quang
nhằm giải quyết vấn đề DR (Dimensioning and Routing), thiết lập tập các LP
thoả mãn mọi nhu cầu thông tin, và giải quyết vấn đề WA (Wavelength
Đồ án tốt nghiệp cao học

iii

Ngô Hữu Hậu


Mở đầu

Assignment), sử dụng giải thuật tô mầu cạnh tổng quát để gán bước sóng cho
tập các LP đã thiết lập sao cho số lượng bộ chuyển đổi bước sóng WC

(Wavelength Converter) sử dụng trong mạng là tối thiểu.
Kết luận: Đánh giá lại toàn bộ đồ án và đưa ra phương hướng nghiên cứu
kế tiếp trong tương lai.
Nhân đây cho phép em gửi lời cảm ơn sâu sắc tới T.S Nguyễn Xuân
Dũng người đã giúp đỡ em định hướng và phương pháp nghiên cứu khoa học
trong suốt quá trình thực hiện đồ án. Đồng thời cũng cho em gửi lời cảm ơn
tới các thầy, cô trong khoa Điện Tử - Viễn Thông Đại Học Bách Khoa Hà Nội
đã cung cấp cho em những kiến thức quý báu trong suốt 2 năm nghiên cứu tại
trường.

Hà Nội, tháng 10 năm 2005
Học viên

Ngô Hữu Hậu

Đồ án tốt nghiệp cao học

iv

Ngô Hữu Hậu


Mục lục

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU .............................................................................................................................. II
MỤC LỤC ........................................................................................................................... V
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................. VIII
DANH SÁCH HÌNH VẼ ................................................................................................. XII

DANH SÁCH CÁC BẢNG ............................................................................................XIV

CHƯƠNG 1...................................................................................................... 1
GIỚI THIỆU MẠNG THÔNG TIN QUANG .............................................. 1
Quá trình hội tụ mạng .................................................................................2

1.1.
1.1.1.

Thách thức đối với mạng hiện nay .................................................................. 2

1.1.2.

Xu hướng hội tụ ................................................................................................. 3

1.2.

Kiến trúc mạng tương lai ............................................................................7

1.3.

Kết luận .......................................................................................................10

CHƯƠNG 2.................................................................................................... 11
CÁC THÀNH PHẦN CẤU THÀNH MẠNG TOÀN QUANG ................ 11
2.1.

Hệ thống DWDM........................................................................................12

2.2.

Các thành phần cấu thành mạng DWDM ...............................................13

2.2.1.

Sợi quang.......................................................................................................... 14

2.2.2.

Thiết bị phát quang ......................................................................................... 15

2.2.3.

Thiết bị thu quang và bộ lọc ........................................................................... 17

2.2.4.

Khuếch đại quang ........................................................................................... 18

2.2.4.1.

Khuếch đại laser bán dẫn ......................................................................... 19

2.2.4.2.

Khuếch đại EDFA .................................................................................... 19

2.2.4.3.

Ưu nhược điểm của bộ khuếch đại EDFA ............................................... 19

2.3.

Bộ ghép tách kênh DWDM........................................................................20

2.4.

Bộ ghép kênh xen/rẽ quang (OADM) .......................................................22

2.5.

Chuyển đổi bước sóng ................................................................................22

Đồ án tốt nghiệp cao học

v

Ngô Hữu Hậu


Mục lục

Bộ đấu chéo quang .....................................................................................27

2.6.

CHƯƠNG 3.................................................................................................... 29
ĐỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƯỚC SÓNG TRONG MẠNG WDM ............ 29
3.1.

Định tuyến và gán bước sóng tĩnh ............................................................30

3.2.

Định tuyến và gán bước sóng động ...........................................................33

3.3.

Kết luận .......................................................................................................38

CHƯƠNG 4.................................................................................................... 39
CÁC GIẢI PHÁP RWA CHO NHIỀU TOPO MẠNG ............................. 39
RWA cho mạng WDM Ring......................................................................39

4.1.
4.1.1.

Đặt vấn đề ........................................................................................................ 40

4.1.2.

Chiến lược định tuyến ..................................................................................... 42

4.1.3.

Chiến lược tô mầu ........................................................................................... 43

4.1.3.1.

Chiến lược gán bước sóng Spiral ............................................................. 43

4.1.3.2.

Chiến lược gán bước sóng link-based ...................................................... 45

RWA trên các mạng Tree tồn quang......................................................46

4.2.
4.2.1.

Đặt vấn đề ........................................................................................................ 47

4.2.2.

Thuật tốn Online-WA ................................................................................... 48

4.2.2.1.

Mạng Star ................................................................................................. 48

4.2.2.2.

Mạng cây bất kỳ....................................................................................... 52

RWA cho mạng Mesh ................................................................................58

4.3.
4.3.1.

Thuật tốn WCA (Wavelength Converter Aware) ...................................... 59

4.3.1.1.

Mục đích .................................................................................................. 59

4.3.1.2.

Các giả thiết ............................................................................................. 59

4.3.1.3.

Mơ hình hệ thống ..................................................................................... 59

4.3.1.4.

Phương án tổng thể .................................................................................. 60

4.3.2.

Giải pháp .......................................................................................................... 60

4.3.2.1.

Thực hiện định tuyến nguồn đích ............................................................ 60

4.3.2.2.

Gán bước sóng ......................................................................................... 63

4.3.2.3.

Hạn chế của các giải thuật ....................................................................... 64

4.3.2.4.

Kết quả đạt được ...................................................................................... 65

4.4.
4.4.1.

Multicast & Broadcast RWA ....................................................................66
Vấn đề Multicast tối ưu .................................................................................. 66

Đồ án tốt nghiệp cao học

vi

Ngô Hữu Hậu


Mục lục

4.4.2.

Gán bước sóng tối ưu ...................................................................................... 69

4.4.3.

Định tuyến Multicast....................................................................................... 70

4.4.3.1.

4.5.

Thuật toán định tuyến multicast MR1 ..................................................... 70

Kết luận .......................................................................................................75

CHƯƠNG 5.................................................................................................... 76
THIẾT KẾ MẠNG TỒN QUANG VÀ THUẬT TỐN TƠ MẦU
CẠNH TỔNG QUÁT .................................................................................... 76
5.1.

Thiết kế topo ảo (Virtual Topology) .........................................................76

5.2.

Đặt vấn đề ...................................................................................................79

5.2.1.

Mơ hình lưu lượng và mạng ........................................................................... 79

5.2.2.

Mơ tả vấn đề .................................................................................................... 79

5.2.3.

Hàm đối tượng ................................................................................................. 82

5.3.
Tích hợp điều khiển topo và dự đoán lưu lượng với Virtual Neighbor
Graph 82
5.3.1.

Virtual Neighbor Graph (VNG) .................................................................... 82

5.3.2.

Tích hợp thiết kế topo và dự đoán lưu lượng ............................................... 84

5.4.

Vấn đề path ngắn nhất với ràng buộc giao diện......................................88

5.4.1.

Vấn đề path ngắn nhất với ràng buộc giao diện........................................... 88

5.4.2.

Thuật toán Minimum Weight Perfect Matching.......................................... 89

5.5.
Gán bước sóng trong mạng WDM đa sợi với giải thuật tô mầu cạnh
tổng quát ..................................................................................................................92
5.5.1.

Đặt vấn đề ........................................................................................................ 92

5.5.2.

LP với nhiều nhất 2 link ................................................................................. 95

5.5.3.

Gán bước sóng tổng quát .............................................................................. 101

5.5.4.

So sánh các lý thuyết ..................................................................................... 102

5.5.5.

Tính tốn thực tế định lý 14 ......................................................................... 111

5.6.

Kết luận .....................................................................................................114

KẾT LUẬN .................................................................................................. 115
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 117

Đồ án tốt nghiệp cao học

vii

Ngô Hữu Hậu

Danh sách các từ viết tắt

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt

Nghĩa tiếng Anh

Nghĩa tiếng Việt

1R

Regeneration

Lặp tái sinh

ADM

Add/Drop Multiplexer

Bộ ghép kênh xen/ rẽ

AON

All Optical Network

Mạng toàn quang

ATM

Asynchronous Transfer Mode

Phương thức truyền không đồng
bộ

BER

Bit Error Rate

Tỷ lệ lỗi bit

BGP

Boder Gateway Protocol

Giao thức định tuyến liên mạng

CE

Customer Equipment

Thiết bị mạng phía khách hàng

DCGs

Directed Coloring Graphs

Đồ thị mầu trực tiếp

DEMUX

Demultiplexer

Bộ phân kênh

DFG

Difference Frequency

Tạo tần số khác nhau

Generation
DLE

Thiết lập đường quang động

Dynamic Lightpath
Establishment

DRWA

DWDM

EDFA

Dynamic Routing and

Định tuyến và gán bước sóng

Wavelength Assignment

động

Dense Wavelength Division

Ghép kênh theo bước sóng với

Multiplexing

số lượng bước sóng ghép lớn

Rare-Earth-Doped-Fiber

Khuếch đại sợi có trộn chất

Amplifier

hiếm

Đồ án tốt nghiệp cao học

viii

Ngơ Hữu Hậu


Danh sách các từ viết tắt

EIGRP

Enhanced Interior Gateway

Giao thức định tuyến EIGRP

Routing Protoclo
FFWF

First Fit Wavelength First

Thuật tốn lựa bước sóng đầu
tiên

FWM

Four Wavelength Modulation

Bộ trộn bốn bước sóng

FXC

Fiber Switch Cross-Connect

Nối chéo chuyển mạch sợi

GMPLS

Generation MPLS

MPLS thế hệ sau

IGP

Interior Gateway Protocol

Giao thức định tuyến trong một
mạng

ILP

Integer Linear Programming

Phương trình tuyến tính ngun

IP

Internet Protocol

Giao thức internet

IS-IS

Intermediate System-to-

Giao thức định tuyến IS-IS

Intermediate System

dùng

Least Converter Cost First

Thuật tốn lựa bộ chuyển đổi có

LCC

chi phí thấp nhất
LEC

Least Converter First

Thuật tốn lựa bước sóng ít
dùng nhất đầu tiên

LFIB

Label Forwarding Information

Cơ sở dữ liệu thông tin nhãn sẽ

Base

gán

LIB

Label Information Base

Cơ sở dữ liệu thông tin nhãn

LN

Low-Noise Amplifier

Bộ khuếch đại nhiễu thấp

LP

Lightpath

Đường quang

MCWAP

Minimum Converter

Vấn đề gán bước sóng tối thiểu

Wavelength Assignment

bộ chuyển đổi bước sóng

Problem
MILP

Mixed Integer Linear

Đồ án tốt nghiệp cao học

Phương trình tuyến tính ngun

ix

Ngơ Hữu Hậu


Danh sách các từ viết tắt

Programming

hỗn hợp

MIP

Mixed Integer Programming

Phương trình nguyên hỗn hợp

MPLS

MultiProtocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức

MUX

Multiplexer

Bộ ghép kênh

NGN

Next Generation Network

Mạng thế hệ sau

O/E

Optic/Electro

Quang/ điên

OADM

Optical Add/Drop Multiplexer

Bộ ghép kênh xen/ rẽ quang

OC

Optical Circuit

Mạch quang

O-E-O

Optic-Electro-Optic

Chuyển đổi quang-điện-quang

OND

Optical Network Design

Thiết kế mạng quang

OSPF

Open Shortest Path First

Giao thức định tuyến OSPF

OTN

Optical Transport Network

Mạng truyền dẫn quang

OXC

Optical Cross-Connect

Bộ đấu chéo quang

P

Provider

Thiết bị nằm trong mạng của
nhà cung cấp dịch vụ

P2P

Point-to-Point

Kết nối điểm-điểm

PE

Provider Edge

Thiết bị nằm tại biên mạng của
nhà cung cấp dịch vụ

PXCs

Photonic cross-connects

Các bộ đấu chéo quang

RIP

Routing Information Protocol

Giao thức thông tin định tuyến

RWA

Routing and Wavelength

Định tuyến và gán bước sóng

Assignment
SLE

Static Lightpath Establishment Thiết lập LP tĩnh

SONET

Synchronous Optical Network

Mạng quang đồng bộ

TE

Traffic Engineering

Điều khiển lưu lượng

VC

Virtual Circuit

Mạch ảo

Đồ án tốt nghiệp cao học

x

Ngô Hữu Hậu

Danh sách các từ viết tắt

VNG

Virtual Neighbor Graph

Đồ thị lân cận ảo

VoD

Voice-on-Demand

Voice theo yêu cầu

VP

Virtual Path

Đường ảo

WAP

Wavelength Assignment

Vấn đề gán bước sóng

Problem
WC

Wavelength Converter

Bộ chuyển đổi bước sóng

WCA

Wavelength Converter Aware

Thuật tốn thiết lập LP

WDM

Wavelength Division

Ghép kênh theo bước sóng

Multiplexing
WG

Wavelength Graph

Đồ thị bước sóng

WIXC

Wavelength Interchanging

Bộ đấu chéo trao đổi bước sóng

Cross-Connect
WRS

WSXC

Wavelength Routing

Chuyển mạch định tuyến bước

Switching

sóng

Wavelength Selective Cross-

Bộ đấu chéo lựa chọn bước

Connect

sóng

Đồ án tốt nghiệp cao học

xi

Ngơ Hữu Hậu


Danh sách hình vẽ

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1. 1 Mơ hình Traffic Engineering trong mạng IP truyền thống............... 5
Hình 1. 2 Mơ hình hoạt động của MPLS .......................................................... 5
Hình 1. 3 Mạng hội tụ IP/ quang ...................................................................... 7
Hình 1. 4 Xu hướng tích hợp các lớp giao thức IP/ quang ............................... 7
Hình 1. 5 Mơ hình mạng quang thế hệ sau ....................................................... 9
Hình 2. 1 Tuyến truyền dẫn quang điểm nối điểm (point-to-point) ................ 13
Hình 2. 2 Hệ thống DWDM............................................................................. 16
Hình 2. 3 Hệ thống thu quang ......................................................................... 17
Hình 2. 4 Sơ đồ ghép/tách kênh đơn hướng .................................................... 21
Hình 2. 5 Sơ đồ ghép/tách kênh song hướng .................................................. 21
Hình 2. 6 Bộ ghép kênh xen/rẽ quang ............................................................. 22
Hình 2. 7 Node 2 thực hiện chuyển đổi bước sóng từ λ2 sang λ1 .................. 23
Hình 2. 8 Các mức chuyển đổi bước sóng ...................................................... 24
Hình 3. 1 Mạng WDM được định tuyến bước sóng ........................................ 31
Hình 4. 1 Ví dụ DCG (Directed Coloring Graph) với N =4 và W = 8........... 45
Hình 4. 2 Ma trận lưu lượng ........................................................................... 48
Hình 4. 3 Topo mạng hình sao với 3 node lá và một node trung tâm ............ 48
Hình 4. 4 Đồ thị chia đơi lưu lượng ................................................................ 50
Hình 4. 5 Định nghĩa node tắc nghẽn v* ........................................................ 53
Hình 4. 6 Node tắc nghẽn v* và top-level subtrees......................................... 54
Hình 4. 7 Đồ thị chia đơi top-level subtree ..................................................... 56
Hình 4. 8 Các phù hợp chia đơi của các bước sóng đặc biệt ......................... 57
Hình 4. 9 Đồ thị mạng gốc .............................................................................. 61
Hình 4. 10 Đồ thị bổ trợ .................................................................................. 61
Hình 4. 11 Định tuyến multicast .................................................................... 73
Hình 5. 1 Ví dụ một mạng quang đơn giản .................................................... 83
Đồ án tốt nghiệp cao học

xii

Ngô Hữu Hậu


Danh sách hình vẽ

Hình 5. 2
Hình 5. 3
Hình 5. 4
Hình 5. 5
Hình 5. 6
Hình 5. 7
Hình 5. 8
Hình 5. 9

Virtual Neighbor Graph ................................................................. 84
Mạng quang (t 48 , t 25 , t 34 ) ................................................................. 86
Virtual Neighbor Graph (t 48 , t 25 , t 34 ) ............................................... 86
Mạng quang (t 48 , t 25 , t 34 , t18 ) ............................................................. 87
Virtual Neighbor Graph (t 48 , t 25 , t 34 , t18 ) .......................................... 87
Vấn đề path ngắn nhất với ràng buộc giao diện ............................ 88
Thuật toán Perfect Matching ......................................................... 90
Kết quả mạng quang trong một f-edge-coloring với 2 thành phần 96

3
Λ ..................................... 99
2
Hình 5. 11 Trường hợp gán bước sóng với 2 = Y (W2 ) > Y * (W2 ) = 0 ( Λ = 3) 105

Hình 5. 10 Mạng Star cho trường hợp Ω f (G ) =

Hình 5. 12 Trường hợp gán bước sóng với 3 = Y * (W ) > ∑n∈N Γ f (Wn ) = 2 ..... 110

Đồ án tốt nghiệp cao học

xiii

Ngô Hữu Hậu


Danh sách các bảng

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 5. 1 Kết quả các trường hợp gán bước sóng cho các giải pháp yêu cầu
bộ chuyển đổi bước sóng ............................................................................... 113

Đồ án tốt nghiệp cao học

xiv

Ngô Hữu Hậu


Giới thiệu mạng thơng tin quang

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU MẠNG THƠNG TIN QUANG

Khi khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển thì nhu cầu thơng tin càng trở
nên cấp bách. Nếu như vào những năm 80 của thế kỷ trước nhu cầu của chúng

ta thuần tuý chỉ là thoại thì ngày nay nẩy sinh rất nhiều các dịch vụ mới như:
Video theo yêu cầu (Video on Demand), truyền hình hội nghị (Video
Conferencing), nhắn tin đa dịch vụ, thoại có hình, truyền số liệu tốc độ cao,
internet v.v…và chính những yếu tố này đã là một thách thức đối với hệ thống
mạng đang tồn tại. Chính vì lẽ đó mà đã có rất nhiều cải tiến mạng nhằm thoả
mãn nhu cầu thông tin ngày càng tăng của con người. Rất nhiều các giao thức
mạng, các mơ hình mạng ra đời nhằm đáp ứng được tối đa nhu cầu sử dụng
mạng của con người. Bước đột phá mang tính bước ngoặt đối với mạng viễn
thơng đó là sự ra đời của cáp sợi quang. Với ưu điểm là có thể mang được
dung lượng vô cùng lớn (lên tới 100 Tbps), suy hao thấp, công suất nhỏ, cáp
sợi quang đã phá vỡ các phương pháp truyền dẫn thơng thường. Nó cho phép
chúng ta có thể phát triển nhiều loại hình dịch vụ khác nhau yêu cầu băng
thông lớn. Khi công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength
Division Multiplexing) và đặc biệt sau này là DWDM (Dense WDM) ra đời thì
dung lượng truyền dẫn trên một sợi cáp quang đơn mode là vô cùng lớn và
trong tương lai gần chúng ta khó có thể khai thác hết được tài nguyên này.
Một vấn đề được đặt ra đó là dung lượng truyền dẫn trên cáp quang đơn
mode là rất lớn nhưng khả năng xử lý tại các điểm đầu cuối hay tại các điểm
Đồ án tốt nghiệp cao học

1

Ngô Hữu Hậu


Giới thiệu mạng thơng tin quang

lặp lại chỉ có khả năng xử lý ở tốc độ điện (thấp hơn rất nhiều so với tốc độ
ánh sáng). Chính vì lẽ đó đã gây ra hiện tượng tắc nghẽn giữa quang và điện
(optical-electronic butlleneck ). Để giải quyết được vấn đề này thì chúng ta

phải giải quyết được vấn đề tắc nghẽn trên. Một trong những phương pháp
được đề cập trong đồ án này đó là kỹ thuật định tuyến và gán bước sóng trong
mạng quang WDM. Khi mà mạng khơng phải thực hiện chuyển sang miền
điện để xử lý mà được xử lý trực tiếp trong miền quang thì lúc đó mạng sẽ
được đối xử như một mạng toàn quang AON (All Optical Network).

1.1. Quá trình hội tụ mạng
1.1.1. Thách thức đối với mạng hiện nay
Mạng viễn thông ngày nay đã sử dụng công nghệ sợi quang (tuy nhiên
chủ yếu chỉ khai thác khả năng truyền dẫn khổng lồ của sợi quang), các thiết
bị điện-quang và những thiết bị này sẽ là nhân tố phát triển mạng trong tương
lai. Tuy nhiên các mạng hiện nay phải đối mặt với nhiều thách thức (có thể
được chia làm 3 nhóm chính dưới đây):
 Khả năng mở rộng: Công suất tiêu hao lớn, không gian sử dụng
lớn, dung lượng mạng bị giới hạn.
 Tận dụng tài nguyên: Chi phí hoạt động, nâng cấp băng thông rất
đắt.
 Thời gian thu hồi đầu tư: Thời gian này thường lâu và khơng
tương xứng với chi phí ban đầu.
Việc tiếp tục mở rộng thông tin dữ liệu trong các năm trước là một động
lực cho sự phát triển công nghiệp viễn thông mới. Các dịch vụ, ứng dụng mới
dựa trên nền IP, di động, quang. Nhìn chung xu hướng thị trường mạng viễn
thông như sau:
 Tuỳ theo nhu cầu băng thông mà tiếp tục nâng cao năng lực đáp ứng
của hệ thống mạng.
Đồ án tốt nghiệp cao học

2

Ngô Hữu Hậu

Giới thiệu mạng thông tin quang

 Tập trung vào quy luật kinh doanh và lợi nhuận.
 Hội tụ các dịch vụ và tính sẵn sàng của chúng trên một cơ sở cần
thiết.
 Mạng băng rộng như một dịch vụ Internet thế hệ sau.
 Mạng sẽ hội tụ tới IP và quang.

1.1.2. Xu hướng hội tụ
Như đã phân tích ở trên có thể thấy rằng lưu lượng trên mạng viễn thơng
ngày càng tăng trưởng với tốc độ nhanh (đặt biệt là lưu lượng internet).
Chính vì lẽ đó các mạng đơn lẻ sẽ không thể theo kịp sự tăng trưởng của lưu
lượng. Nếu cứ tiếp tục mở rộng các hệ thống mạng đơn lẻ thì sẽ làm cho hệ
thống mạng viễn thơng trở nên hết sức kồng kềnh, khó thao tác, khó bảo
dưỡng v.v…Do đó việc ra đời một hệ thống mạng cho phép tích hợp các
mạng dịch vụ đang tồn tại lại với nhau là một vấn đề cấp thiết. Mạng viễn
thông thế hệ sau sẽ cần một lõi chuyển mạch tốc độ cao, dung lượng lớn, khả
năng mở rộng dễ dàng, khả năng kết hợp được với nhiều loại hình dịch vụ
cùng với hệ thống các mạng truy cập thông minh hỗ trợ các dịch vụ băng
rộng. Có 2 xu hướng, thứ nhất là loại bỏ toàn bộ các hệ thống mạng phục vụ
cho từng ứng dụng cụ thể và thay vào đó là một mạng mới hiện đại, đảm bảo
dung lượng, tương thích hỗ trợ mọi loại dịch vụ đang tồn tại và có khả năng
mở rộng trong tương lai. Thứ hai là tích hợp các mạng đang tồn tại lại với
nhau để hội tụ chúng tới một mạng truyền dẫn duy nhất. Phương án thứ 2
được chấp nhận vì hiệu quả trong việc chi phí cũng như là đơn giản trong việc
triển khai. Tuy nhiên một vấn đề đặt ra là các mạng khác nhau sử dụng các
giao thức định tuyến khác nhau như RIP, OSPF, EIGRP v.v…do đó khi các
gói tin từ các mạng chuyển đổi cho nhau sẽ phải thực hiện chuyển đổi giao

thức tại router biên. Điều này làm cho các router biên trở nên q tải và khơng
có khả năng xử lý. Chính vì thể để có thể hội tụ các mạng đang tồn tại vào
Đồ án tốt nghiệp cao học

3

Ngô Hữu Hậu


Giới thiệu mạng thông tin quang

một mạng lõi duy nhất thì cần phải sử dụng một giao thức mới nhằm mục
đích giảm tải cho các router biên. Nếu thực hiện được điều đó thì mạng viễn
thơng thế hệ kế tiếp sẽ được gọi là NGN (Next Generation Network). Đây là
một mạng lõi cho phép truyền tải nhiều loại ứng dụng yêu cầu băng thông cao
như (VoD, Video Conferencing, Internet băng rộng v.v…). Một ưu điểm lớn
của mạng NGN đó là các mạng đang tồn tại không cần phải rỡ bỏ mà chỉ cần
qua router biên (Edge router) thực hiện chức năng chuyển đổi từ mạng cũ vào
mạng NGN.
Khi đã có đươc mạng NGN thì một yêu cầu đặt ra là làm thế nào để có
thể truyền tải lưu lượng trong mạng NGN. Nếu chung ta tiếp tục sử dụng các
giao thức trong mạng IP truyền thống (như RIP, OSPF, IS-IS, BGP v.v…) thì
router biên phải chạy rất nhiều giao thức định tuyến (do mỗi mạng chạy một
giao thưc định tuyến riêng). Điều này sẽ làm cho các router biên và router lõi
(Core router) phải mang quá nhiều route (giảm hiệu suất của router).
Với phương pháp định tuyến truyền thống như trên thì mỗi router sẽ phải
thực hiện tìm kiếm đường đi cho gói tin (routing lookup) độc lập. Điều này sẽ
dẫn đến khi lưu lượng truyền dẫn lớn (hay mạng mở rộng) thì mỗi router sẽ
phải chứa một lượng route vô cùng lớn (cỡ trên 100000 route). Đồng thời với
việc sử dụng định tuyến IP truyền thống thì việc điều khiển lưu luợng (Traffic

Engineering) không được đảm bảo (nghĩa là router chỉ tìm đường tốt nhất
trong khi cịn nhiều đường khác có thể san sẻ tải lại khơng được sử dụng).

Đồ án tốt nghiệp cao học

4

Ngô Hữu Hậu


Giới thiệu mạng thơng tin quang

Hình 1. 1 Mơ hình Traffic Engineering trong mạng IP truyền thống
Ví dụ như Hình 1.1, lưu lượng từ Large Site A tới Large Site B chỉ được
chạy qua đường Primary OC-192 link, còn đường qua Small Site C chỉ được
dùng làm đường dự phòng (backup). Điều này sẽ dẫn tới việc lãng phí tài
nguyên trong mạng. Mong muốn của chúng ta là mạng phải đủ thơng minh để
chạy cả 2 đường nhằm mục đích cân bằng tải (load balancing) tránh lãng phí
tài nguyên mạng.
Chính vì lẽ đó mà phương thức chuyển mạch mới ra đời, chuyển mạch
nhãn đa giao thức (Multiprotocol Label Switching – MPLS) được sử dụng chủ
yếu trong mạng core NGN phần nào đã đáp ứng được các yêu cầu của các hệ
thống mạng ngày nay.

Hình 1. 2 Mơ hình hoạt động của MPLS
Đồ án tốt nghiệp cao học

5

Ngô Hữu Hậu

Giới thiệu mạng thông tin quang

Với việc mạng lõi (core) chạy MPLS thì các router trong lõi (Provider
Network) khơng cần phải thực hiện tìm đường độc lập (routing lookup) nữa
mà chỉ cần thực hiện tráo nhãn (label swapping).
Cơ chế hoạt động của MPLS như sau:
Đầu tiên các router trong mạng chạy một giao thức định tuyến IP
(Internal Gateway Protocol – IGP) để thiết lập các mạch ảo VC (Virtual
Circuit) trong mạng. Từ đó mỗi router xây dựng lên cho mình bảng định
tuyến IP. Sau đó mỗi router sẽ gán nhãn cục bộ (local label) cho mọi đích
trong bảng định tuyến IP tới mọi router khác. Các router khác sẽ cập nhật các
nhãn này và đưa thông tin vào bảng LIB (Label Information Base) trong mặt
phẳng điều khiển (Control Plane) và LFIB (Label Forwarding Information
Base) trong mặt phẳng dữ liệu (Data Plane).
Như vậy khi một gói tin từ mạng IP truyền thống (Customer Equipment –
CE) đến miền MPLS (tới Provider Edge – PE). Tại đây các PE sẽ tiến hành
tìm đường đi cho gói tin (routing lookup) và từ đó gắn nhãn cho route đã lựa.
Gói tin đã được gắn nhãn được truyền vào trong mạng lõi MPLS. Các
router Provider (P) sẽ tìm kiếm trong bảng LFIB để biết được nên tráo nhãn
đầu vào cho nhãn đầu ra nào (label swapping).
Gói tin đã gắn nhãn tiếp tục như vậy cho tới khi đến router biên đầu ra
(Egress Router). Tại đây PE đầu ra sẽ thực hiện bỏ nhãn và tìm kiếm đường
đi cho gói tin (routing lookup) trong bảng định tuyến để đẩy gói tin IP truyền
thơng về mạng của khách hàng.
Như vậy MPLS đã khắc phục được nhiều nhược điểm của mạng IP
truyền thống. Tuy nhiên về bản chất vẫn là các định tuyến và chuyển mạch
điện do đó tốc độ cũng như dung lượng không cao.
Mạng quang thế hệ sau sẽ là sự kết hợp giữa khả năng định tuyến IP

trong miền quang (IP-over-Optical). Trong mặt phẳng điều khiển sẽ sử dụng
Đồ án tốt nghiệp cao học

6

Ngô Hữu Hậu


Giới thiệu mạng thông tin quang

GMPLS (đây là một chuẩn dựa trên MPLS) cho phép thực hiện chuyển mạch
gói, chuyển mạch kênh theo thời gian, bước sóng trong miền quang.

Hình 1. 3 Mạng hội tụ IP/ quang

1.2. Kiến trúc mạng tương lai
Mạng chuyển mạch gói IP hiện được xem là cơ sở hạ tầng mạng của
mạng thế hệ sau. Công nghệ quang DWDM (Dense-Wavelength Division
Multiplex) được coi là công nghệ cốt yếu cho mạng lõi đáp ứng nhu cầu bùng
nổ dịch vụ IP. Do vậy việc tích hợp mạng IP và quang là xu thế tất yếu tạo
nên mạng lõi Internet quang – cơ sở mạng thế hệ sau.

Hình 1. 4 Xu hướng tích hợp các lớp giao thức IP/ quang
Đồ án tốt nghiệp cao học

7

Ngô Hữu Hậu

Giới thiệu mạng thông tin quang

Giao thức Internet (IP) đã trở thành giao thức chuẩn phổ biến cho các
dịch vụ mạng mới, do đó lưu lượng IP sẽ tăng nhanh và thay thế các loại giao
thức khác. Trong khi IP được xem như cơng nghệ lớp mạng phổ biến thì công
nghệ quang tiên tiến cho phép khả năng dung lượng truyền dẫn lớn. Với dung
lượng truyền dẫn lớn nhờ DWDM và khả năng cấu hình mềm dẻo của chuyển
mạch quang OXC (optical crossconnect) đã cho phép xây dựng mạng quang
động hơn, nhờ đó các nối kết băng tần lớn (luồng quang) có thể được thiết lập
theo nhu cầu. Một trong những thách thức quan trọng đó là vấn đề điều khiển
các luồng quang này - tức là phát triển các cơ chế và thuật toán cho phép thiết
lập các luồng quang 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.
Đây chính là một trong những vấn đề quan trọng mà đề tài tập trung vào.
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 cũng như có các chính sách khác
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. Khi dung lượng và khả
năng kết nối mạng trong cả công nghệ IP và quang 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 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 TE (Traffic
Enginnering) 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 hoặc
tốt nhất trên một lớp con riêng. Hình 1.4 minh hoạ xu hướng tích hợp các lớp
giao thức IP/quang chính đang nổi lên hiện nay.

Đồ án tốt nghiệp cao học

8

Ngô Hữu Hậu


Giới thiệu mạng thông tin quang

Một trong những thách thức lớn nhất ngày nay đối mặt với các nhà sản
xuất chuyển mạch quang đó là phát triển các giao thức báo hiệu cho điều
khiển động và hoạt động liên mạng của lớp quang mà có lẽ đây cũng là vấn đề
cần chuẩn hoá cấp bách nhất hiện nay. Các tổ chức và diễn đàn quốc tế OIF
(Optical Internetworking Forum), IETF và T1x1/ITU đều đang nỗ lực gấp rút
để thiết lập nên các phương pháp xác định việc điều khiển và kết nối giữa
mạng quang và IP.

Hình 1. 5 Mơ hình mạng quang thế hệ sau
Hiện nay có hai xu hướng xây dựng mơ hình tích hợp đó là mơ hình xếp
chồng (Overlay) hay mơ hình khách-chủ (client-server), tức là đặt tồn bộ sự
điều khiển cho lớp quang ở chính lớp quang; và xu hướng thứ hai là mơ hình
ngang hàng (Peer) tức là dịch chuyển một phần điều khiển lên bộ định tuyến Router IP.
Một vấn đề cũng rất cấp thiết trong mạng IP quang đó là khả năng định
tuyến động các LP trong mạng và gán các bước sóng tương ứng tới các LP
Đồ án tốt nghiệp cao học

9

Ngô Hữu Hậu

Giới thiệu mạng thông tin quang

này. Khi vấn đề này được giải quyết triệt để thì mạng quang sẽ vơ cùng hoàn
hảo.

1.3. Kết luận
Trong chương 1 đã nghiên cứu về các thách thức đối với các hệ thống
mạng ngày nay và thấy được sự cấp thiết phải tích hợp các mạng riêng rẽ lại
thành một mạng thống nhất (vừa đơn giản trong việc mở rộng, khai thác đồng
thời dễ dàng trong việc quản trị).
Trong chương 1 cũng thấy được xu hướng phát triển của mạng từ IP lên
NGN rồi chuyển tới mạng hội tụ IP/ quang
Trong chương 1 cũng đã nghiên cứu các yêu cầu về mạng quang thế hệ
sau cần phải đáp ứng và kiến trúc cho mạng quang thế hệ sau. Trong chương
kế tiếp sẽ nghiên cứu các thành phần cơ bản để kết cấu một mạng AON.

Đồ án tốt nghiệp cao học

10

Ngô Hữu Hậu


Các thành phần cấu thành mạng toàn quang

CHƯƠNG 2
CÁC THÀNH PHẦN CẤU THÀNH MẠNG TOÀN
QUANG

Trong chương này sẽ tập trung vào lý do mạng quang trở nên phổ biến và

các ưu điểm của sợi quang cũng như chi tiết về các hệ thống DWDM. Ngoài
ra cũng xem xét các thiết bị hỗ trợ cho mạng AON như bộ đấu chéo quang
OXC (Optical Cross-connect) và bộ chuyển đổi bước sóng WC (Wavelength
Converter).
Các phần trong chương này sẽ nêu bật được ưu điểm của hệ thống
DWDM khi cho phép dung lượng truyền dẫn vơ cùng lớn (chẳng hạn có thể
tạo ra băng thơng cho một kênh bước sóng là 10 Gbps, và giả sử ghép 40 kênh
bước sóng trên một sợi quang thì băng thơng tổng trên sợi quang lúc này là
400 Gbps). Với dung lượng truyền dẫn lớn như vậy thì hệ thống hồn tồn có
thể đáp ứng được các nhu cầu băng thông rộng trong thế kỷ 21 như thoại có
hình, video-on-demand, hội nghị truyền hình, thơng tin di động v.v…
Xu hướng hội tụ trong tương lại như đã được trình bày trong Chương 1
đó là hội tụ tới mạng tồn quang AON (All Optical Network) và mạng có khả
năng định tuyến và gán bước sóng động (Dynamic Routing and Wavelength
Assignment). Để thực hiện được điều này bên cạnh phải có những thuật tốn,
thiết bị mới thì các thành phần cơ bản trong mạng quang phải đáp ứng các
tiêu chí:

Đồ án tốt nghiệp cao học

11

Ngô Hữu Hậu