Mạng truy nhập quang thụ động ethernet (epon) và phân phối băng thông trong epon

380

TRNG I HC VINH
KHOA IN T VIN THễNG

đồ án
tốt nghiệp đại học
Đề tài:

MNG TRUY NHP QUANG TH NG
ETHERNET (EPON) V PHÂN PHỐI
BĂNG THÔNG TRONG EPON

Sinh viên
Mã số s

vê

:
:
:
:

ThS. LÊ VĂN CHƢƠNG
Hoàng Mạnh Cƣờng
50K2 - ĐTVT
0951080295

NGHỆ AN - 2014

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 4
TÓM TẮT ĐỒ ÁN .................................................................................................... 5
DANH MỤC HÌNH ẢNH ......................................................................................... 6
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ........................................................................................ 7
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ETHERNET VÀ MẠNG
TRUY NHẬP THỤ ĐỘNG-PON........................................................................... 10
1.1 Tổng quan về Ethernet..................................................................................... 10
1.1.2 Các phần tử của mạng Ethernet ................................................................ 10
1.1.3 Kiến trúc mô hình mạng Ethernet ............................................................. 11
1.1.4 Quan hệ vật lý giữa IEEE802.3 và mơ hình tham chiếu OSI ................... 12
1.1.5 Lớp con MAC Ethernet ............................................................................ 14
1.1.6 Lớp vật lý Ethernet ................................................................................... 18
1.1.7 Quan hệ giữa lớp vật lý Ethernet và mô hình tham chiếu OSI ................. 19
1.1.8 Kết luận ..................................................................................................... 20
1.2 Tổng quan về công nghệ PON ........................................................................ 20
1.2.1 Đặc điểm của mạng PON ......................................................................... 22
1.2.2 Thành phần cơ bản của mạng quang thụ động PON ................................ 22
1.2.3 Mơ hình PON ............................................................................................ 31
1.2.4 WDM PON và TDM PON ....................................................................... 33
1.2.5 So sánh PON với công nghệ mạng quang chủ động AON ....................... 36
1.2.6 Kết luận ..................................................................................................... 38
CHƢƠNG 2. MẠNG TRUY NHẬP QUANG THỤ ĐỘNG
ETHERNET(EPON) ............................................................................................... 39
2.1 Nhu cầu của mạng quang thụ động Ethernet ................................................... 39
2.1.1 So sánh mạng GPON và EPON ................................................................ 39
2.1.2 Kết luận ..................................................................................................... 43
2.2 Tiêu chuẩn mạng quang thụ động Ethernet ..................................................... 44
2.3 Nguyên tắc hoạt động của mạng truy nhập quang thụ động Ethernet............. 45
2.3.1 Nguyên lý hoạt động ................................................................................. 45

2.3.2 Giao thức điều khiển đa điểm : MPCP-Multi Point Control Protocol...... 47
2.3.3 Bảo mật trong EPON ................................................................................ 54
2.4 Xu hướng phát triển của mạng truy nhập quang thụ động Ethernet: ............. 54
2.4.1 Truy nhập hữu tuyến: ................................................................................ 54
2.4.2 Truy nhập vô tuyến: .................................................................................. 56
2.5 Ứng dụng của mạng truy nhập quang thụ động Ethernet-EPON .................... 56
2.5.1 FTTH - Fiber To The Home .................................................................... 57
2.5.2 FTTB - Fiber To The Building ................................................................ 58
2.5.3 FTTN - Fiber To The Node ...................................................................... 58
2.5.4 FTTC - Fiber To The Cabinet ................................................................... 59
2.6 Kết luận ....................................................................................................................... 56

CHƢƠNG 3. PHÂN PHỐI BĂNG THÔNG TRONG EPON ............................ 60
3.1 Mơ hình của EPON ......................................................................................... 60
3.1.1 Thuật tốn Interleaved Polling.................................................................. 62
3.1.2 Phân phối băng thông cố định .................................................................. 66
3.1.3 Mô tả hoạt động phân phối băng tần động cơ bản .................................... 66
3.1.4 Kế hoạch phân bổ băng thông .................................................................. 67
3.2 Giao diện chương trình mơ phỏng ................................................................... 69
3.2.1 Giao diện chính của chương trình mơ phỏng ........................................... 69
3.2.2 Giao diện mơ phỏng q trình truyền dữ liệu từ OLT đến ONU ............ 69
3.2.3 Giao diện mô phỏng quá trình truyền dữ liệu từ ONU đến OLT ............ 70
3.2.4 Cấp phát băng thông truyền tải theo tỷ lệ lượng bytes có trong hàng
đợi cho từng ONU ............................................................................................. 70
3.2.5 Tỷ lệ cấp phát băng thông cho các ONU .................................................. 72
3.2.6 Thuật tốn phân bổ băng thơng ............................................................... 72
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .............................................. 74
PHỤ LỤC ................................................................................................................. 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 77


LỜI MỞ ĐẦU
Mạng đường trục Bắc – Nam nước ta sử dụng mạng Ring cáp quang SDH 20
Gbps. Các mạng liên tỉnh sử dụng các hệ thống cáp quang SDH với dung lượng 622
Mbps và 2,5 Mbps. Vào cuối năm 2004, mạng NGN đã chính thức được đưa vào
khai thác với khả năng cung cấp dịch vụ đa dạng, hội tụ cả thoại, video và dữ liệu,
nhưng mạng truy nhập hầu như khơng có một sự phát triển nào đáng kể.Tuy nhiên
mạng truy nhập lại chủ yếu sử dụng cáp đồng, do đó khơng khai thác hết tính năng
của mạng NGN. Vấn đề đặt ra là làm thế nào để mạng truy nhập phát triển tương
xứng với mạng đường trục đặc biệt là mạng NGN đồng thời đáp ứng ngày càng
nhiều các dịch vụ mới địi hỏi băng thơng cao cho người dùng. Trong khi đó, với
những ưu điểm vượt trội của mình, EPON (Ethernet Passive Optical Network) đã
tạo ra một sự chuyển biến rõ rệt trong mạng truy nhập. Đây cũng là giải pháp mà đề
tài này đề cập cho mạng truy nhập tại Việt Nam. Tuy đã cố gắng trong quá trình
thực hiện đề tài này, song do sự hạn chế về kiến thức nên không thể tránh khỏi
những thiếu sót. Em mong được sự phê bình, chỉ dẫn của thầy cô và bạn bè để đề tài
được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Th.s LÊ VĂN CHƢƠNG người đã tận tình
hướng dẫn và giúp đỡ em trong quá trình làm đề tài này. Em cũng chân thành cảm
ơn các thầy cô trong khoa đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để
em hoàn thành đề tài tốt nghiệp này.
Sinh viên thực hiện
Hoàng Mạnh Cƣờng

4


TĨM TẮT ĐỒ ÁN

Đồ án này đi vào tìm hiểu tổng quan về công nghệ EPON và các yêu cầu của
công nghệ EPON như giảm giá thành, tăng cường hỗ trợ cho các dịch vụ lợi nhuận
cao, cải thiện khai thác bảo dưỡng cũng như cung cấp dịch vụ, nâng cao hiệu quả
phổ tần, thông lượng người sử dụng và giảm thời gian trễ,một mơ hình mạng truy
nhập quang với những ưu điểm vượt trội về tốc độ, băng thông cũng như chất
lượng, hứa hẹn sự phát triển vượt bậc cho mạng truy nhập, đáp ứng nhu cầu khách
hàng đồng thời em đã tính tốn các thành phần trễ của mạng, cấp băng thông truyền
cho các loại dịch vụ theo nhu cầu kết hợp với tính ưu tiên. Đó là các vấn đề cốt lõi
nhất khi triển khai mạng EPON. Để đạt được các mục đích đó EPON có các tính
năng quan trọng như sử dụng cơng nghệ truyền dẫn cho đường lên, truyền dẫn vô
tuyến tốc độ cao dùng băng thơng rộng với các cơng nghệ khác như: thích ứng
đường truyền và lập biểu, các kỹ thuật chuyển giao. Các công nghệ mới này đã
được áp dụng cho truy cập vô tuyến cho phép tăng hiệu năng truyền dẫn vơ tuyến
của EPON. Trong đồ án này cũng đã trình bày chi tiết quá trình quy hoạch mạng
EPON cũng như sử dung phần mềm Visual Basic cho việc mô phỏng tính tốn quy
hoạch mạng EPON.

5


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Trang
Hình 1.1: Mơ hình kết nối điểm-điểm

11

Hình 1.2: Mơ hình kết nối bus đồng trục

11

Hình 1.3: Mơ hình kết nối sao

12

Hình 1.4: Quan hệ vật lý của Ethernet với mơ hình tham chiếu OSI

13

Hình 1.5: Lớp vật lý và lớp MAC tương thích với các yêu cầu cho truyền

14

thơng dữ liệu cơ sở
Hình 1.6: Dạng khung dữ liệu MAC Ethernet cơ bản

16

Hình 1.7 Mơ hình dạng truyền dữ liệu song cơng

18

Hình 1.8 Mơ hình tham chiếu lớp vậy lý Ethernet

20

Hình 1.9 : Mơ hình mạng quang thụ động

21

Hình 1.10: Cấu trúc của cáp quang

23

Hình 1.11 : Cấu hình cơ bản của các loại Coupler

24

Hình 1.12: Coupler 8x8 tạo ra từ nhiều coupler

25

Hình 1.13: Các khối chức năng trong OLT

26

Hình 1.14: Các khối chức năng trong ONU

28

Hình 1.15: Các giao diện quang

30

Hình 1.16 : Các mơ hình mạng quang thụ động PON

32

Hình 1.17 : Mạng PON sử dụng một sợi quang

34

Hình 1.18 : Cấu trúc của WDM PON

36

Hình 1.19: So sánh mạng quang chủ động và mạng quang bị động

38

Hình 2.1: Mạng GPON thực tế

40

Hình 2.2: Mạng EPON thực tế

40

Hình 2.3: Lưu lượng hướng xuống trong EPON

46

Hình 2.4: Lưu lượng hướng lên trong EPON

47

Hình 2.5: Đinh dạng chung khung MPCP

48

Hình 2.6: Cách tính thời gian Round-trip

51

Hình 2.7: Giao thức MPCP - hoạt động của bản tin GATE

52

Hình 2.8: Giao thức MPCP - hoạt động của bản tin REPORT

53

Hình 2.9: Hướng phát triển hữu tuyến của EPON

55

Hình 2.10: Sự bùng nổ thông tin của Nhật Bản

55

6


Hình 2.11 : Mơ hình mạng FTTx

57

Hình 2.12: Mơ hình mạng FTTH-Fiber to the Home

58

Hình 2.13: Mơ hình mạng FTTC và FTTH của FPT

59

Hình 3.1: Mơ hình mạng truy nhập quang thụ động Ethernet-EPON

61

Hình 3.2: Phương thức phát lưu lượng trong ONU

62

Hình 3.3: Các bước của thuật tốn Interleaved Polling

64

Hình 3.4: Phân bổ khe thời gian cố định

66

Hình 3.5: Mơ hình phân phối băng tần động cơ bản

67

Hình 3.6: Dữ liệu truyền hướng xuống (từ OLT đến các ONU)

69

Hình 3.7: Dữ liệu truyền theo hướng lên (từ các ONU đến OLT)

70

Hình 3.8: Lượng dữ liệu ngõ vào thay đổi theo thời gian

71

Hình 3.9: Tỷ lệ lượng dữ liệu các hàng đợi được cấp theo tỷ lệ dung lượng

71

ngõ vào của nó
Hình 3.10 : Lượng dữ liệu mà từng ONU được cấp phát theo sự thay đổi của

72

ngõ vào

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 1.1: Doanh thu từ mạng truy nhập quang thụ động toàn cầu
2003 – 2008
Bảng 1.2: So sánh giữa các giải pháp truy nhập

17
30

7


THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

ADSL

Asymmetric Digital Subscriber Line

Đường dây thuê bao số bất đối
xứng

AES

Advance Encryption Standard

Tiêu chuẩn mã hóa

ATM

Asynchronous Transfer Mode

Mode truyền dẫn khơng đồng
bộ

CRC

Cyclic Redundancy Check

Kiểm tra độ đủ vịng

CSMA/CD

Carrier Sense Multiple Access with

Đa truy nhập dị sóng mang

Collision Detection

phát hiện va chạm

DA

Destination Address

Địa chỉ đích

DBA

Dynamic Bandwidth Allocation

Định vị băng thông động

DSL

Dial Subscriber Line

Đường dây thuê bao số

DTE

Data Terminal Equipment

Thiết bị đầu cuối dữ liệu

DTE

Data Terminal Equipment

EFM

Ethernet in the First Mile

Công nghệ Ethernet trong tiêu

EPON

Ethernet Passive Optical Network

Mạng quang thụ động
Ethernet

FCS

Frame Check Sequence

Kiểm tra lỗi khung

FSAN

Full Service Access Network

Mạng truy nhập đầy đủ

FTTB

Fiber To The Building

Cáp quang thuê bao tới tòa
nhà

FTTC

Fiber To The Curb

Cáp quang thuê bao tới chung
8


cư, tủ thiết bị
FTTH

Cáp quang thuê bao tới nhà

Fiber To The Home

thuê bao
GPON

IEEE

Gigabit-capable Passive

Optical

Mạng quang thụ dộng tốc độ

Nnetwork

gigabit

Institute of Electrical and Electronics

Viện tiêu chuẩn

Engineers
IP

Internet Protocol

Giao thức internet

IPTV

Internet Protocol TV

Truyền hình giao thức internet

ISDN

Integrated Services Digital Network

Mạng số dịch vụ tích hợp

ITU

International Telecommunication

Hiệp hội viễn thơng quốc tế

Union
LAN

Local Area Network

Mạng nội bộ

MPCP

Multi-point Control Protocol

Giao thức điều khiển đa điểm

MPCPDU

Multi-Point Control Protocol Data

Khối điều khiển giao thức

Unit

điểm-đa điểm

ODN

Optical Distribution Network

Mạng phân phối quang

OLT

0ptical Line Terminal

Thiết bị đầu cuối đường dây
quang

ONT

Optical Network Terminal

Thiết bị đầu cuối mạng quang

ONU

Optical Network Unit

Đơn vị mạng quang

P2MP

Point-to-Multipoint

Điểm nối đa điểm

9


CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ETHERNET VÀ MẠNG
TRUY NHẬP THỤ ĐỘNG-PON

1.1 Tổng quan về Ethernet
Thuật ngữ Ethernet được quy vào họ sản phẩm của mạng LAN thuộc chuẩn
802.3 và được định nghĩa như là một giao thức truy nhập đa sóng mang có phát hiện
va chạm CSMA/CD: Carrier Sence Multiple Access/Collision Detect. Hiện tại có 4
tốc độ dữ liệu được định nghĩa cho hoạt động trên cáp sợi quang:
 10Mbps-10BaseT Ethernet.
 100Mbps-Fast Ethernet.
 1000Mbps-Gigabit Ethernet.
 10000Mbps-10Gigabit Ethernet.
Nhiều giao thức và công nghệ khác nhau được đưa ra nhưng Ethernet vẫn tồn tại
như là một công nghệ LAN bởi giao thức của nó có những đặc tính sau:
 Dễ hiểu, dễ thực hiện, dễ quản lý và bảo dưỡng.
 Cho phép triển khai mạng với chi phí thấp.
 Cung cấp nhiều mơ hình linh hoạt cho việc cài đặt mạng.
 Bảo đảm kết nối thành công và hoạt động theo tiêu chuẩn của sản phẩm, bất
chấp nhà chế tạo…
1.1.2 Các phần tử của mạng Ethernet
Mạng LAN Ethernet bao gồm các node mạng và phương tiện liên kết. Các
node mạng nằm trong hai lớp chính:
 DTE - Data Terminal Equipment: là thiết bị nguồn hay đích của khung dữ
liệu. Các thiết bị DTE điển hình như PC, trạm làm việc, file server hoặc print server
như là một nhóm ở trạm đầu cuối.
 DCE - Data Communication Equipment: là các thiết bị mạng trung gian có

10


nhiệm vụ nhận và chuyển tiếp các khung dữ liệu thơng qua mạng. DCE có thể là
các thiết bị Standalone như là bộ lặp, bộ chuyển mạch hay các thiết bị giao tiếp
truyền thông như là Card giao tiếp.
Các thiết bị mạng trung gian Standalone được xem như là một node trung
gian hoặc DCE. Card giao tiếp mạng được xem như là một NIC - Network Interface
Card.
1.1.3 Kiến trúc mô hình mạng Ethernet
Mạng LAN có nhiều mơ hình kiến trúc khác nhau, nhưng bất chấp sự rắc rối
và kích cở của nó, tất cả đều kết hợp từ ba kiến trúc kết nối cơ bản:
Kiến trúc đơn giản nhất là kết nối điểm-điểm.

Hình 1.1: Mơ hình kết nối điểm-điểm
Chỉ 2 đơn vị mạng được kết nối với nhau và kết nối này có thể là DTE với
DTE, DTE với DCE, DCE với DCE. Dây cáp trong kết nối điểm điểm được gọi là
network link. Chiều dài cho phép lớn nhất của cáp phụ thuộc vào kiểu cáp và
phương thức truyền được sử dụng.
Mạng Ethernet cơ sở được thực hiện với kiến trúc bus cáp đồng trục.

Hình 1.2: Mơ hình kết nối bus đồng trục

11


Chiều dài của Segment được giới hạn ở 500m và có thể kết nối 100 trạm vào
một Segment. Từng Segment có thể kết nối với các trạm lặp, miễn là nhiều đường
không tồn tại giữa hai trạm bất kỳ trên mạng và số lượng DTE không vượt quá giá
trị qui định.

Mặc dầu những mạng mới không được kết nối trong cấu hình bus nhưng một
vài mạng bus cũ vẫn tồn tại và vẫn được sử dụng hữu ích.
Từ đầu thập niên 90, cấu hình mạng được lựa chọn là mơ hình kết nối sao.

Hình 1.3: Mơ hình kết nối sao
Đơn vị mạng trung tâm là bộ lặp đa cổng hay còn gọi là Hub hoặc là một
chuyển mạch mạng. Tất cả kết nối trong mạng sao là kết nối điểm điểm được thực
hiện với cáp sợi quang.
1.1.4 Quan hệ vật lý giữa IEEE802.3 và mơ hình tham chiếu OSI
Hình 1.4 mô tả các lớp vật lý của IEEE802.3 và quan hệ của nó với mơ hình
tham chiếu OSI. Với giao thức IEEE802, lớp liên kết dữ liệu trong OSI được chia
thành hai lớp con IEEE802: lớp con MAC-Media Access Control và lớp con MACClient.
Lớp vật lý IEEE802.3 tương đương với lớp vật lý OSI.

12


Hình 1.4: Quan hệ vật lý của Ethernet với mơ hình tham chiếu OSI
Lớp con MAC-Client có thể là một trong các lớp con sau:
 Là lớp con LLC-Logical Link Control, nếu đầu cuối là một DTE. Lớp con
này cung cấp giao tiếp giữa Ethernet MAC và lớp trên trong ngăn giao thức của
trạm đầu cuối. Lớp con LLC được định nghĩa trong chuẩn IEEE802.2.
 Là thực thể cầu nối Bridge Entity, nếu đầu cuối là DCE. Thực tế cầu nối
cung cấp giao tiếp LAN to LAN giữa các mạng LAN sử dụng cùng giao thức, ví dụ
Ethernet to Ethernet và cũng cung cấp giữa các giao thức khác nhau, ví dụ Ethernet
với Token Ring. Thực thể cầu nối được định trong chuẩn IEEE802.1.
Bởi vì đặc điểm kỹ thuật của LLC và thực thể cầu nối là chung cho tất cả các
giao thức LAN IEEE802, tính tương thích của mạng là cơ sở của các giao thức
mạng đặc biệt. Hình 1.5 minh hoạ các yêu cầu tương thích khác nhau được lợi dụng
bởi lớp vật lý và lớp MAC trong truyền thông dữ liệu cơ sở trên kết nối Ethernet.

13


Hình 1.5: Lớp vật lý và lớp MAC tương thích với các yêu cầu cho truyền thông dữ
liệu cơ sở
Lớp MAC điều khiển sự truy nhập của một node đến phương tiện truyền
thông của mạng và đặc biệt là đến các giao thức riêng biệt. Tất cả lớp MAC phải có
thiết lập cơ bản về các yêu cầu vật lý, bất chấp liệu có phải chúng bao gồm một hay
nhiều giao thức mở rộng được lựa chọn định nghĩa. Chỉ những nhu cầu cho truyền
thơng cơ sở hay cịn gọi là truyền thơng khơng có nhu cầu lựa chọn giao thức mở
rộng giữa hai node mạng thì cả hai lớp MAC phải hổ trợ cùng tốc độ truyền.
Lớp vật lý 802.3 qui định rõ tốc độ truyền dữ liệu, mã hố tín hiệu, và kiểu
kết nối phương tiện giữa hai node. Ví dụ, Gigabit Ethernet định nghĩa hoạt động
trên cáp xoắn đôi hoặc cáp sợi quang, nhưng tuỳ theo mỗi thủ tục mã hố tín hiệu
hoặc từng kiểu cáp riêng biệt mà yêu cầu một sợi thi hành lớp vật lý khác nhau.
1.1.5 Lớp con MAC Ethernet
Lớp con MAC có hai chức năng chính:
 Đóng gói dữ liệu kể cả đóng khung trước khi truyền, phân tích và dị lỗi
trong suốt và sau khi nhận khung.
 Điều khiển truy nhập phương tiện bao gồm khởi tạo một sự truyền khung
và phục hồi lại sự truyền bị hỏng.

14


1.1.5.1 Dạng khung cơ bản của Ethernet
Chuẩn 802.3 định nghĩa dạng khung dữ liệu cơ bản được yêu cầu cho tất cả
sự thi hành của MAC, cộng thêm một vài khuôn dạng để chọn bổ sung mà được sử
dụng để mở rộng giao thức. Dạng khung dữ liệu cơ sở gồm có 7 trường:

Hình 1.6: Dạng khung dữ liệu MAC Ethernet cơ bản
 PRE-Preamble: gồm có 7 byte. PRE là các mức logic 0 và 1 xen kẻ nhau
để báo cho trạm nhận khung dữ liệu đang đến và cung cấp phương tiện để đồng bộ
mức thu nhận khung của lớp vật lý bên nhận với luồng bit đến.
 DA-Destination Address: trường DA xác định trạm sẽ nhận khung. Một
bit ngồi cùng bên trái chỉ định có phải là địa chỉ của một địa chỉ cá nhân được chỉ
định bởi 0 hoặc của một nhóm địa chỉ được chỉ định bởi 1. Bit thứ hai kể từ bên trái
chỉ định có phải DA là điều hành tồn bộ được chỉ định mức 0 hoặc điều hành nội
bộ được chỉ định mứt 1, 46 bit cịn lại là một nhóm các trạm hoặc tất cả các trạm
trên mạng.
 SA-Source Address: 6 byte: trường SA xác định trạm nguồn.
Trường SA luôn là địa chỉ duy nhất và bit đầu tiên bên trái luôn ở mức 0.
 Length/Type -4byte: Trường này chỉ định số byte dữ liệu của lớp con
MAC-Client mà được chứa trong trường dữ liệu của khung hoặc kiểu ID khung nếu
khung được tập hợp sử dụng một dạng khung lựa chọn. Nếu giá trị của trường
Length/Type ít hơn hoặc bằng 1500, số byte của LLC trong trường dữ liệu bằng giá
trị của trường Length/Type. Nếu lớn hơn 1536, khung này là một kiểu khung lựa

15


chọn và giá trị của trường Length/Type chỉ định kiểu của khung sẽ được gởi và
nhận.
 Data: Là sự nối tiếp của n byte giá trị bất kỳ với n  1500. Nếu chiều dài
của trường dữ liệu nhỏ hơn 46, trường dữ liệu phải được mở rộng bằng cách thêm
một filler thích hợp để mang trường dữ liệu dài 46 byte.
 FCS-Frame Check Sequence: 4 byte: trường này chứa một giá trị 32 bit
kiểm tra độ dư vòng được tạo bởi lớp MAC bên gởi và được tính tốn lại ở lớp
MAC bên thu để kiểm tra độ hư hại của khung. FCS được phát trên các trường

DA,SA, Length/Type và Data.
1.1.5.2 Sự truyền khung dữ liệu
Bất cứ lúc nào, một trạm MAC đầu cuối nhận một yêu cầu truyền khung kèm
theo địa chỉ và thông tin dữ liệu từ lớp con LLC, lớp MAC bắt đầu truyền một cách
tuần tự bằng cách truyền thông tin LLC vào bộ đệm khung lớp MAC.
 Định ranh giới mào đầu khung được chèn vào trường PRE và SOF.
 Địa chỉ nguồn và đích được chèn vào trường địa chỉ.
 Số byte dữ liệu LLC được tính và chèn vào trường Length/Type.
 Số byte dữ liệu LLC được chèn vào trường dữ liệu. Nếu lượng byte dữ liệu
LLC nhỏ hơn 46 thì phải đệm thêm để trường dữ liệu dài 46byte.
 Một giá trị FCS được phát trên trường DA, SA, Length/Type, data và được
gán vào phần sau của trường dữ liệu.
Sau khi khung được tập hợp, quá trình phát khung phụ thuộc vào lớp MAC
hoạt động ở chế độ đơn công hay song công.
Chuẩn IEEE 802.3 hiện tại yêu cầu tất cả các lớp MAC Etherhet hỗ trợ hoạt
động ở chế độ đơn cơng, trong chế độ này lớp MAC có thể truyền và nhận khung
nhưng không thể thực hiện cả hai. Ở chế độ hoạt động song công cho phép lớp
MAC có thể đồng thời truyền và nhận khung.

16


1.1.5.2.1 Truyền đơn cơng phƣơng thức truy nhập đa sóng mạng có phát hiện
xung đột
Giao thức truy nhập đa sóng mang có phát hiện xung đột CSMA/CD được
bắt đầu phát triển như là một phương thức để hai hoặc nhiều trạm có thể chia sẽ
chung một phương tiện trong một môi trường không chuyển mạch khi giao thức
không yêu cầu xử lý tập trung, truy nhập Token hoặc ấn định khe thời gian để cho
biết khi nào một trạm sẽ được phép truyền. Mỗi Ethernet MAC tự quyết định khi nó
sẽ được phép gởi khung dữ liệu.

 Carrier sense: mỗi trạm liên tục lắng nghe lưu lượng trên cáp để xác định
khi nào khoảng trống giữa các khung truyền xãy ra.
 Multiple Access: các trạm có thể bắt đầu truyền bất cứ lúc nào nó dị thấy
mạng rỗi.
 Collision detect: nếu hai hoặc nhiều trạm trong cùng mạng CSMA/CD bắt
đầu truyền cùng một lúc, thì các luồng bit này sẽ bị xung đột xãy ra trước khi nó
hồn thành việc gởi dữ liệu. Nó phải ngưng truyền ngay khi phát hiện xung đột và
phải đợi đến một khoảng thời gian ngẫu nhiên rồi sẽ thử truyền lại
Bảng 1.1: Các giới hạn cho hoạt động truyền đơn công
Thông số

10 Mbps

100 Mbps

1000 Mbps

Kích thước khung tối thiểu

64 bytes

64bytes

520 bytes *1

100 m UTP

100 m UTP

100 m UTP

412 m fiber

316 m fiber

205 m

200 m

2

1

Đường kính va chạm cực đại,
DTE tới DTE
Đường kính va chạm cực đại với

2500 m

những bộ chuyển tiếp
Số lượng tối đa những bộ chuyển

5

tiếp trong đường dẫn mạng
*1

: 520 bytes áp dụng cho triển khai thực hiện 1000Base-T. Kích thước khung tối thiểu với trường

mở rộng cho 1000Base-X được nén lại 416 bytes bởi vì 1000Base-X mã hóa và truyền 10 bits đối

với từng byte

17


1.1.5.2.2 Truyền song công-một phƣơng pháp bắt buộc để nâng cao hiệu quả
mạng
Sự hoạt động song công là một khả năng lựa chọn MAC cho phép truyền
đồng thời theo hai hướng thông qua kết nối điểm điểm. Truyền song công về mặt
chức năng thì đơn giản hơn truyền đơn cơng bởi vì nó khơng tranh chấp phương
tiện truyền thơng, khơng xung đột, không phải truyền lại và không cần bit mở rộng
trong các khung ngắn. Kết quả là không những chỉ có nhiều thời gian cho việc
truyền tải dữ liệu mà cịn gấp đơi hiệu quả băng thơng vì mỗi đường có thể hổ trợ
tốc độ cao nhất và truyền đồng thời theo hai hướng.
Quá trình truyền thường bắt đầu ngay khi khung sẵn sàng để gởi. Chỉ có một
giới hạn là phải có một khoảng trống IFG-InterFrame Gap giữa các khung liên tiếp
và mỗi khung phải phù hợp với dạng khung Ethernet chuẩn.

Hình 1.7 Mơ hình dạng truyền dữ liệu song công
1.1.6 Lớp vật lý Ethernet
Các thiết bị Ethernet chỉ được sử dụng ở dưới của lớp 2 trong ngăn giao thức
OSI, thiết bị điển hình được sử dụng như Card giao tiếp mạng gọi tắt là NIC. Các
NIC khác nhau được xác định dựa trên thuộc tính lớp vật lý.
Việc đặt tên qui ước là một sự sâu chuỗi của ba thuật ngữ xác định tốc độ
truyền, phương pháp truyền và phương tiện mã hố tín hiệu. Ví dụ:
 10 BaseT = 10 Mbps, băng thông cơ sở, trên 2 cáp xoắn đôi.
 100 BaseT2 = 100 Mbps, băng thông cơ sở, trên 2 cáp xoắn đôi.
 100 BaseT4 = 100 Mbps, băng thông cơ sở, trên 4 cáp xoắn đơi.
 1000 BaseLX = 1000 Mbps, bước sóng dài trên cáp sợi quang.

18


1.1.7 Quan hệ giữa lớp vật lý Ethernet và mô hình tham chiếu OSI
Cho dù mơ hình vật lý cụ thể của lớp vật lý có thể thay đổi từ phiên bản này
sang phiên bản khác nhưng tất cả Ethernet NIC nói chung đều tương thích với mơ
hình được minh hoạ trong hình 2.8.
Lớp vật lý đối với từng tốc độ truyền được phân thành các lớp con độc lập
với kiểu phương tiện truyền thông riêng biệt và lớp con theo kiểu phương tiện
truyền thơng hay mã hố tín hiệu.
 Lớp con Reconciliation cịn gọi là lớp con hồ giải và MII-Media
Independent Interface cung cấp kết nối logic giữa lớp con MAC và tập hợp khác
nhau của lớp phụ thuộc phương tiện. MII và GMII được định nghĩa với các đường
dẫn dữ liệu thu và phát riêng biệt ở tốc độ dữ liệu là 10 Mbps thì độ rộng là 1 bit,
với tốc độ 100Mbps thì độ rộng là 4 bit, với tốc độ là 1000 Mbps thì độ rộng là 8
bit. Giao tiếp độc lập phương tiện MII và lớp con Reconciliation có chung từng tốc
độ truyền của nó và được cấu hình cho hoạt động song cơng.
 Lớp con mã hoá vật lý phụ thuộc phương tiện PCS : cung cấp logic cho
mã hoá, ghép kênh và đồng bộ của luồng dữ liệu đi cũng như sự liên kết mã tách
kênh và giải mã cho dữ liệu đến.
 Lớp con PMA-Physical Medium Attachment : chứa tín hiệu thu và phát cũng
như phục hồi đồng hồ cho luồng dữ liệu thu.
 MDI-Medium Dependent Interface : là bộ kết nối cáp giữa tín hiệu thu nhận
và đường truyền.
 Auto-negotiation Sublayer : cho phép các NIC ở mỗi đầu cuối đường truyền
trao đổi thơng tin về khả năng riêng có của nó, sau đó thương lượng và chọn lựa mơ
hình hoạt động thuận lợi nhất mà cả hai mơ hình đều có thể hổ trợ. Auto-negotiation
là một tuỳ chọn trong Ethernet trước đây và được uỷ thác phiên bản sau.
Phụ thuộc vào kiểu mã hố tín hiệu được sử dụng và cấu hình đường truyền như
thế nào mà PCS và PMA có thể hoặc khơng thể hổ trợ hoạt động song công

19


Hình 1.8 Mơ hình tham chiếu lớp vậy lý Ethernet
1.1.8 Kết luận
Với mơ hình linh hoạt, kiến trúc đơn giản đặc biệt là chi phí thấp, Ethernet
đã vượt qua ATM và trở thành công nghệ phổ biến hiện nay. Ethernet được chuẩn
hoá theo chuẩn IEEE 802.3 với các tốc độ hoạt động đa dạng và tương tích với mơ
hình 7 lớp OSI là điều kiện thuận lợi để ứng dụng vào mạng truy nhập. Ngồi ra,
Ethernet cịn tương thích với nhiều loại thiết bị khác nhau nên trở thành một sự lựa
chọn lý tưởng cho mạng truy nhập để truyền tải lưu lượng IP và hỗ trợ hiệu quả lưu
lượng đa phương tiện. Ethernet đã chứng tỏ là lựa chọn thích hợp nhất cho mạng
quang thụ động để ứng dụng cho mạng truy nhập.
1.2 Tổng quan về công nghệ PON
Mạng quang thụ động PON được trình bày như Hình 1.9, sử dụng phần tử
chia quang thụ động trong phần mạng phân bố nằm giữa thiết bị đường truyền
quang OLT-Optical Line Terminal và thiết bị kết cuối mạng quang ONU-Optical
network Unit.

20


Hình 1.9 : Mơ hình mạng quang thụ động
Trong đó các thuật ngữ trong hình được chú thích như sau:
o Passive slitter: Bộ chia thụ quang thụ động
o Feeder Fiber: Cáp Feeder
o Central office: Văn phòng trung tâm
o Distribution fiber: Phân phối quang
o Management system: Hệ thống quản lý

o Passive splitter: Bộ chia thụ động
Các phần tử thụ động của PON đều nằm trong mạng phân bố quang hay còn
gọi là mạng quang ngoại vi bao gồm các phần tử như sợi quang, các bộ tách /ghép
quang thụ động, các đầu nối và các mối hàn quang. Các phần tử tích cực như OLT
và các ONU đều nằm ở đầu cuối của mạng PON. Tín hiệu trong PON có thể được
phân ra và truyền đi theo nhiều sợi quang hoặc được kết hợp lại và truyền đi trên
một sợi quang thơng qua bộ ghép quang, phụ thuộc tín hiệu đó đi theo hướng lên
hay xuống của mạng quang thụ động PON.

21


1.2.1 Đặc điểm của mạng PON
Đặc trưng của hệ thống PON là thiết bị thụ động phân phối sợi quang đến
từng nhà thuê bao sử dụng bộ chia có thể lên tới 1:128.
PON hỗ trợ giao thức ATM, Ethernet. PON hỗ trợ các dịch vụ thoại, dữ liệu
và hình ảnh với tốc độ cao và khả năng cung cấp băng thông rộng.
Trong hệ thống PON, băng thông được chia sẻ cho nhiều khách hàng điều
này sẽ làm giảm chi phí cho khách hàng sử dụng. Cũng như khả năng tận dụng công
nghệ WDM, ghép kênh phân chia theo dải tần, TDMA và cung cấp băng thông
động để giảm thiểu số lượng cáp quang cần thiết để kết nối giữa OLT và bộ chia.
PON thực hiện truyền dẫn 2 chiều trên 2 sợi quang hay 2 chiều trên cùng 1
sợi quang. PON có thể hỗ trợ mơ hình: hình cây, sao, bus và ring.
1.2.2 Thành phần cơ bản của mạng quang thụ động PON
1.2.2.1 Sợi quang và cáp quang
Sợi quang là một thành phần quan trọng trong mạng, nó tạo sự kết nối giữa
các thiết bị. Hai thông số cơ bản của sợi quang là suy hao và tán sắc, tuy nhiên sợi
quang ứng dụng trong mạng PON thì chỉ cần quan tâm đến suy hao không quan tâm
đến tán sắc bởi khoảng cách truyền tối đa chỉ là 20 km và tán sắc thì ảnh hưởng
khơng đáng kể. Do đó, người ta sử dụng sợi quang có suy hao nhỏ, chủ yếu là sử

dụng sợi quang theo chuẩn G.652.
Trên thực tế, để khắc phục nhược điểm trong truyền dẫn thông tin của cáp
đồng, đã từ lâu người ta đã cho ra đời cáp quang cùng với những tính năng ưu việt
hơn. Khơng giống như cáp đồng truyền tín hiệu bằng điện, cáp quang dùng ánh
sáng để truyền tín hiệu đi. Chính vì sự khác biệt đó, mà cáp quang ít bị nhiễu, tốc độ
cao và có khả năng truyền xa hơn. Tuy vậy, phải đến giai đoạn hiện nay thì cáp
quang mới được phát triển bùng nổ, nhất là trong lĩnh vực kết nối liên lục địa, kết
nối xuyên quốc gia. Và việc sử dụng công nghệ truyền dẫn hiện đại này cũng đang
bắt đầu thay thế dần mạng cáp đồng ADSL phục vụ trực tiếp đến người sử dụng.
Cáp quang dài, mỏng với thành phần của thủy tinh trong suốt và bằng đường
kính của một sợi tóc. Chúng được sắp xếp trong bó được gọi là cáp quang và được
22


sử dụng để truyền tín hiệu trong khoảng cách rất xa. Cáp quang có cấu tạo gồm dây
dẫn trung tâm là sợi thủy tinh hoặc plastic đã được tinh chế nhằm cho phép truyền
đi tối đa các tín hiệu ánh sáng. Sợi quang được tráng một lớp lót nhằm phản chiếu
tốt các tín hiệu.

Hình 1.10: Cấu trúc của cáp quang
Cáp quang gồm các thành phần được thể hiện như Hình 1.10.
Lõi: Trung tâm phản chiếu của sợi quang nơi ánh sáng đi qua
Cladding: Vật chất quang bên ngoài bao bọc lõi mà phản xạ ánh sáng trở lại
vào lõi.
Buffer coating: Lớp phủ dẻo bên ngồi bảo vệ sợi khơng bị hỏng và ẩm ướt
Jacket: Hàng trăm hay hàng ngàn sợi quang được đặt trong bó gọi là cáp
quang. Những bó này được bảo vệ bởi lớp phủ bên ngoài của cáp được gọi là jacket.
Độ suy hao của cáp quang thấp hơn các loại cáp đồng do tín hiệu bị mất
trong cáp quang ít hơn trong cáp đồng, nên có thể tải các tín hiệu đi xa hàng ngàn
km. Dung lượng tải của cáp quang cao hơn, vì sợi quang mỏng hơn cáp đồng, nhiều

sợi quang có thể được bó vào với đường kính đã cho hơn cáp đồng. Điều này cho
phép nhiều kênh đi qua một sợi cáp.

23


Cáp quang cũng sử dụng điện nguồn ít hơn, bởi vì tín hiệu trong cáp quang
giảm ít, máy phát có thể sử dụng nguồn thấp hơn thay vì máy phát với điện thế cao
được dùng trong cáp đồng.
Cáp quang không cháy, vì khơng có điện xun qua cáp quang, do đó khơng
có nguy cơ hỏa hạn xảy ra. Tuy vậy, cáp quang và các thiết bị đi kèm lại rất đắt tiền
so với các loại cáp đồng
1.2.2.2 Bộ tách - ghép quang
Một mạng quang thụ động sử dụng một thiết bị thụ động để tách một tín hiệu
quang từ một sợi quang sang một vài sợi quang và ngược lại. Thiết bị này là
Coupler quang. Để đơn giản, một Coupler quang gồm hai sợi nối với nhau. Tỷ số
tách của bộ tách có thể được điều khiển bằng chiều dài của tầng nối và vì vậy nó là
hằng số.

Hình 1.11 : Cấu hình cơ bản của các loại Coupler
Hình 1.11a: có chức năng tách 1 tia vào thành 2 tia ở đầu ra, đây là Coupler
Y. Hình 1.11b là Coupler ghép các tín hiệu quang tại hai đầu vào thành một tín hiệu
tại đầu ra. Hình 1.11c vừa ghép vừa tách quang và gọi là Coupler X hoặc Coupler
phân hướng 2x2. Coupler có nhiều hơn hai cổng vào và nhiều hơn hai cổng ra gọi là
Coupler hình sao. Coupler NxN được tạo ra từ nhiều Couper 2x2 Coupler được đặc
trưng bởi các thông số sau:

24

 Tổn hao tách: Mức năng lượng ở đầu ra của Coupler so với năng lượng đầu
vào. Đối với Coupler 2x2 lý tưởng, giá trị này là 3dB. Hình 1.12 minh hoạ hai mơ
hình 8x8 Coupler dựa trên 2x2 Coupler. Trong mơ hình 4 ngăn như Hình 1.12a, chỉ
1/6 năng lượng đầu vào được chia ở mỗi đầu ra. Hình 1.12b đưa ra mơ hình hiệu
quả hơn gọi là mạng liên kết mạng đa ngăn. Trong mơ hình này, mỗi đầu ra nhận
được 1/8 năng lượng đầu vào.
 Tổn hao chèn: Năng lượng tổn hao do sự chưa hoàn hảo của quá trình xử lý.
Giá trị này nằm trong khoảng 0,1dB đến 1dB.
 Định hướng: Lượng năng lượng đầu vào bị rò rỉ từ một cổng đầu vào đến các
cổng đầu vào khác. Coupler là thiết bị định hướng cao với thông số định hướng
trong khoảng 40-50dB.
Thông thường, các Coupler được chế tạo chỉ có một cổng vào hoặc một bộ
kết hợp. Các Coupler loại này được sử dụng để tách một phần năng lượng tín hiệu,
ví dụ với mục đích định lượng. Các thiết bị như thế này được gọi là “tap coupler”.

a.Coupler 4 ngăn 8x8

b.Coupler 3 ngăn 8x8

Hình 1.12: Coupler 8x8 tạo ra từ nhiều coupler
1.2.2.3 Đầu cuối đƣờng quang OLT-Optical Line Terminal
OLT cung cấp giao tiếp giữa hệ thống mạng truy nhập quang thụ động PON
và mạng quang đường trục của các nhà cung cấp dịch vụ thoại, dữ liệu và video.
OLT có thể được đặt bên trong tổng đài hoặc tại một trạm từ xa. OLT cũng kết nối
đến mạng lõi của nhà cung cấp dịch vụ thông qua hệ thống quản lý EMS. Sơ đồ
khối chức năng OLT được mơ tả như ở Hình 1.13
25