Chuyên đề tốt nghiệp công nghệ ip mpls trên nền wdm

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GHÉPKÊNH THEO BƯỚC SÓNG WDM 1.1 Nguyên lý cơ bản của hệ thống WDM 1.1.1 Định nghĩa Ghép kênh theo bước sóng WDM Wavelength Devision Multiplexing là côngng

MỤC LỤC

Trang

MỤC LỤC 1

PHỤ LỤC HÌNH VẼ 4

THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT 6

LỜI NÓI ĐẦU 8

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC……

SÓNG WDM 9

1.1 Nguyên lý cơ bản của hệ thống WDM 9

1.1.1 Định nghĩa 9

1.1.2 Mục đích 9

1.1.3 Hệ thống WDM 9

1.1.4 Chức năng của hệ thống WDM 10

1.1.5 Ưu điểm, nhược điểm của hệ thống WDM 12

1.2 Sự phát triển của WDM 13

1.3 Lớp quang 14

1.4 Mạng quang trong suốt 15

1.5 Tổng kết chương 16

CHƯƠNG 2: CÁC KHÁI NIỆM VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ…….

THỐNG WDM 17

2.1 Giới thiệu chung 17

2.2 Giới thiệu chuyển mạch kênh quang chia bước sóng 17

2.3 Bộ chuyển đổi bước sóng trong chuyển mạch kênh quang chia bước sóng.18 2.3.1 Bộ chuyển đổi bước sóng quang điện 18

2.3.2 Bộ chuyển đổi bước sóng bằng cách trộn sóng 19

2.3.3 Bộ chuyển đổi bước sóng dùng cách tử quang 20

2.4 Phần tử nối chéo quang OXC (Optical Cross-connection) 21

2.4.1 Giới thiệu phần tử nối chéo quang OXC 21

2.4.2 Các yêu cầu của bộ OXC 22

2.4.3 Các cấu hình khác nhau cho OXC 23

2.4.4 Cấu hình toàn quang OXC 24

2.5 Giới thiệu lớp khách hàng của WDM 27

2.5.1 Mô hình IP trên ATM trên SONET/SDH trên WDM 27

2.5.2 Mô hình IP trên ATM trên WDM 28

2.5.3 Mô hình IP trên SONET/SDH trên WDM 28

2.5.4 Mô hình IP trên WDM 28

2.6 Tổng kết chương 29

CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ IP TRÊN NỀN WDM 30

3.1 Giới thiệu về công nghệ IP 30

3.1.1 Lịch sử ra đời của IP 30

3.1.2 Mô hình phân lớp của IP 30

3.2 IP/ATM/SONET/SDH trên nền WDM 31

3.3 IP/SONET/SDH trên nền WDM 32

3.4 IP/ATM trên nền WDM 32

3.4.1 Mào đầu của IP và ATM 32

3.4.2 Các phương pháp đóng gói IP vào cell ATM 33

3.5 Truyền dẫn IP trên nền WDM thông qua lớp trung gian ppp 34

3.6 Truyền dẫn IP trực tiếp trên nền WDM 35

3.6.1 Giới thiệu 35

3.6.2 Ánh xạ địa chỉ IP vào kênh bước sóng WDM 37

3.6.3 Mạng con IP 38

3.7 Tổng kết chương 38

CHƯƠNG IV: CÔNG NGHỆ MPLS TRÊN NỀN WDM 40

4.1 Giới thiệu về công nghệ MPLS 40

4.1.1 Tổng quan về công nghệ MPLS 40

4.1.2 Ưu điểm của chuyển mạch nhãn đa giao thức 40

4.2 Một số khái niệm và hoạt động cơ bản của MPLS 41

4.2.1 Các khái niệm cơ sở trong MPLS 41

4.2.2 Phân phối (distribution) và liên kết (binding) nhãn 43

4.2.3 Trao đổi nhãn và chuyển tiếp lưu lượng 44

4.2.4 Kỹ thuật lưu lượng MPLS 44

4.3 Chuyển mạch  đa giao thức 45

4.3.1 Giới thiệu về chuyển mạch  đa giao thức 45

4.3.2 Mối liên hệ giữa OXC và MPLS 46

4.3.3 Tương quan giữa bước sóng quang và MPLS 47

4.3.4 Lỗi kết nối quang 48

4.4 Các mặt phẳng điều khiển quang, IP và MPLS 49

4.4.1 Mặt phẳng dữ liệu và mặt phẳng điều khiển Internet 49

4.4.2 Mặt phẳng dữ liệu và mặt phẳng điều khiển MPLS 49

4.4.3 Mặt phẳng dữ liệu và mặt phẳng điều khiển quang 50

4.4.4 Phối hợp hoạt động giữa ba mặt phẳng điều khiển quang, IP và MPLS 51

4.5 Cơ cấu tổ chức cho IP trên mạng quang 52

4.5.1 Giới thiệu cơ cấu tổ chức cho IP trên mạng quang 52

4.5.2 Cơ cấu tổ chức cho IP trên mạng quang 53

4.5.3 Mô hình dịch vụ hợp nhất 54

4.5.4 Các liên kết nối cho IP trên quang 54

4.6 Bảo vệ đường dẫn chuyển mạch nhãn (LSP) và đường dẫn chuyển mạch…

quang (OSP) 56

4.6.1 Bảo vệ đường dẫn chuyển mạch nhãn (LSP) 56

4.6.2 Bảo vệ đường dẫn chuyển mạch quang (OSP) 57

4.6.3 Sự tương quan giữa OSP trong quang và LSP trong MPLS 59

4.6.4 Kỹ thuật xếp chồng LSP và OSP 64

4.6.5 Ví dụ về kết hợp hoạt động giữa nhãn và bước sóng 66

4.6.6 Các ưu điểm khi sử dụng MPLS kết hợp với quang 67

4.6.7 Xếp chồng IP/MPLS/WDM 70

4.7 Tổng kết chương 75

KẾT LUẬN 76

Tài liỆu tham khẢo 77

PHỤ LỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM đơn hướng………….… 9

Hình 1.2: Hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM song hướng….……… ….…10

Hình 1.4: Sự phát triển của các hệ thống WDM……….… 13

Hình 1.5: Mạng WDM định tuyến bước sóng……… ………14

Hình 1.6: Phân cấp các lớp ghép kênh trong hệ thống quang……… ………15

Hình 2.1: Cấu trúc của một phần tử chuyển mạch kênh phân chia bước sóng………18

Hình 2.2: Các loại chuyển đổi bước sóng quang điện……… ……… 19

Hình 2.3: Cấu trúc của bộ chuyển đổi bước sóng………20

Hình 2.4: Nguyên lý hoạt động chuyển đổi của cách tử quang… ………21

Hình 2.5: Mô hình mạng sử dụng bộ OXC……… ….22

Hình 2.6: Cấu hình OXC có lõi chuyển mạch điện……….…23

Hình 2.7: Cấu hình OXC lõi chuyển mạch quang có các bộ chuyển đổi O/E/O… 23

Hình 2.8: Cấu hình OXC có lõi chuyển mạch điện……….23

Hình 2.9: Cấu hình OXC có lõi chuyển mạch quang……… 24

Hình 2.10: Mô hình nút mạng toàn quang sử dụng bộ OXC lõi quang/điện…… 25

Hình 2.11: OXC mặt phẳng bước sóng lõi quang……… 26

Hình 2.12: Xen/rẽ trong mặt phẳng bước sóng……… 26

Hình 2.13: Xu hướng chuyển đổi của mạng truyền tải……… 27

Hình 3.1: Cấu trúc phân lớp IP/ATM/SONET-SDH/WDM……… 31

Hình 3.2: Kết nối giữa các phân lớp trong mô hình IP/ATM/SONET/SDH trên WDM……31

Hình 3.3: Ví dụ về mạng truyền tải IP/ATM/SDH (SONET) trên WDM……… 32

Hình 3.4: Mào đầu của IP và ATM……… … 33

Hinh 3.5: Đóng gói IP vào cell ATM theo phương pháp sử dụng PPP đầy đủ…… 34

Hình 3.6: Vận hành IP trên WDM dùng PPP làm lớp trung gian……… 35

Hình 3.7: Cấu trúc tổng quan về mạng truyền tải IP trên nền WDM……….….36

Hình 3.8: Định tuyến IP qua mạng quang……… 36

Hình 3.9: Tách nhập và kết nối lưu lượng IP giữa các bộ định tuyến…….…… ….37

Hình 4.1: Lớp chuyển tiếp tương đương……… 42

Hình 4.2: Các loại nút MPLS……… 43

Hình 4.3: Các mặt phẳng điều khiển quang và MPLS……… 46

Hình 4.4: Mô hình MPS……… 46

Hinh 4.5: Quá trình sử lý lưu lượng của người sử dụng……… …48

Hình 4.6: Mặt phẳng dữ liệu và mặt phẳng điều khiển Internet……… 49

Hình 4.7: Mặt phẳng dữ liệu và mặt phẳng điều khiển MPLS……….…50

Hình 4.8: Mặt phẳng điều khiển quang và mặt phẳng dữ liệu quang……… 51

Hình 4.9: Kết hợp hoạt động của ba mặt phẳng……… 52

Hình 4.10: Mô hình ngang cấp……….…55

Hình 4.11: Mô hình chồng lớp……….…55

Hình 4.12: Đường đi chính trong mạng MPLS………56

Hình 4.12: Nhãn dùng cho đường đi chính……… 56

Hình 4.13: Nhãn dùng cho đường dự phòng………57

Hình 4.14: Tương quan nhãn MPLS và bước sóng quang: OXC O/E/O………….58

Hình 4.15: Nút OXC O/E/O……….…58

Hình 4.16: Nút OXC O/O/O……….…59

Hình 4.17: Các OSP và LSP……….60

Hình 4.18: Xếp chồng hai miền định tuyến……….….65

Hình 4.19: Kết hợp nhãn và bước sóng trong mạng……….66

Hình 4.20: Tích hợp nhiều địa địa IP vào một nhãn……….67

Hình 4.21: Kết hợp giữa mạng WDM và mạng Internet chuyển mạch nhãn…… 68

Hình 4.22: Kết hợp hoạt động giữa nút Internet và các nút khác trong mạng….….69 Hình 4.23: Ánh xạ nhãn MPLS vào các kênh WDM……… 70

Hình 4.24: Các bảng trong mặt phẳng dữ liệu của nút E……….…71

Hình 4.25: Mặt phẳng dữ liệu tại nút F………73

Hình 4.26: Cấu trúc và hoạt động của MENS……… 73

Hình 4.27: Các mặt phẳng dữ liệu tại nút G……….74

THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT

Viết tắt Chú giải tiếng Anh Chú giải tiếng Việt

ATM Asynchronous Transfer Mode Phương thức truyền dẫn không

đồng bộ

CR-LDP Constraint Routing Label

Distribution Protocol Định tuyến ràng buộc với giaothức phân bổ nhãn

CSPF Constraint Shortest Path First Định tuyến cưỡng bức đường đi

ngắn nhất

LER Label Edge Router Bộ định tuyến biên chuyển mạch

nhãn

LIB Label Information Base Bảng cơ sở dữ liệu nhãn

LDP Label Distribution Protolcol Giao thức phân bổ nhãn

AS Autonomous System Vùng tự trị

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

FEC Forwarding Information Class Lớp chuyển tiếp tương đương

EGP Exterior Gateway Protocol Giao thức định tuyến cổng biên

DLCI Data Link Connection Identifier Trường nhận diện kết nối liên kết

dữ liệu

RFC Request For Comments Tài liệu chuẩn cho Internet

PHB Per Hop Behavior Ứng xử theo từng chặng

BGP Border Gateway Protocol Giao thức cổng biên

MPLS Multi Protocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức

NHLFE Next Hop Label Forwarding Entry Mục chuyển tiếp nhãn tiếp theo

RSVP Resource Reservation Protocol Giao thức dành trước tài nguyên

VCI Virtual Circuit Identifier Trường nhận dạng kênh ảo

VPI Virtual Path Identifier Trường nhận dạng đường ảo

IETF Internet Engineering Task Force Ủy ban tư vấn kỹ thuật Internet

IGP Interior Gateway Protocol Giao thức định tuyến trong phạm

vi miền

LSP Label Switch Path Đường chuyển mạch nhãn

LSR Label Switch Router Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn

PPP Point to Point Protocol Giao thức điểm - điểm

PVC Permanent Virtual Circuit Kênh ảo cố định

TE Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối

LIS Logic IP Subnet Mạng con Logic IP

ILM Incoming Label Map Ánh xạ nhãn đầu vào

Diffserv Differentiated Services Dịch vụ phân biệt

Intserv Integrated Service Dịch vụ tích hợp

LỜI NÓI ĐẦU

Sự phát triển nhanh chóng của IP và sự bùng nổ của Internet đã dẫn đến nhữngthay đổi trong nhận thức kinh doanh của các nhà khai thác và cung cấp dịch vụ Hiệntại, lưu lượng trên đường truyền chiếm phần lớn nhất là lưu lượng IP Giao thức IP làgiao thức thống trị toàn bộ các giao thức lớp mạng Do đó một hệ quả tat yếu là cáccông nghệ có xu hướng được tích hợp với công nghệ IP

Trong những năm qua, cùng với sự phát triển không ngừng cơ sở hạ tầng mạng,

sự ra đời và phát triển của mạng thế hệ kế tiếp NGN đã thúc đẩy sự phát triển của côngnghệ tận dụng được cơ sở hạ tầng mạng trên Việc sử dụng IP/MPLS trên nền WDM

là một giải pháp Do đó trong những năm qua, công nghệ IP/MPLS trên nền WDM đãđược ứng dụng thực tiễn các tính năng vượt trội của nó Trong chuyên đề này em xintrình bày 4 chương với bố cục như sau:

Chương 1: tổng quan về hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM: Trình

bày về tổng quan của hệ thống mạng quang và hệ thống WDM

Chương 2: các khái niệm cơ sở và nguyên lý hoạt động của hệ thống WDM:

Nội dung của chương này trình bày về kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng

Chương 3: công nghệ IP trên nền WDM: Trình bày về cách các gói tin được

đóng gói và truyền dẫn trên nên WDM

Chương 4: công nghệ MPLS trên nền WDM: Nội dung trong chương này là

trọng tâm của đề tài Chương này, trình bày kỹ thuật chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS và đóng gói gói tin để truyền dẫn trên hệ thống WDM

Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Hoàng Trọng Minh Giáo viên hướng dẫn em

trong suốt quá trình thực hiện đề tài này

Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2008

Sinh Viên thực hiện

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GHÉP

KÊNH THEO BƯỚC SÓNG WDM

1.1 Nguyên lý cơ bản của hệ thống WDM

1.1.1 Định nghĩa

Ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing) là côngnghệ trong “trong một sợi quang truyền dẫn đồng thời nhiều tín hiệu quang với cácbước sóng khác nhau” Ở đầu phát tín hiệu quang có bước sóng khác nhau được tổ hợplại (ghép lại) để truyền đi trên một sợi quang và ở phía đầu thu tín hiệu tổ hợp đượcphân giải ra và khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khác nhau Quanghiên cứu ITU-T đã đưa ra cụ thể các kênh bước sóng và khoảng cách ở các kênh này

có thể lựa chọn ở các tần số 200GHz, 100GHz, 50GHz

1.1.2 Mục đích

Sử dụng công nghệ WDM nhằm mục đích tận dụng băng tần truyền dẫn rất lớncủa sợi quang bằng cách truyền đồng thời nhiều bước sóng trên cùng một sợi quang.Tuy nhiên, để tránh hiện tượng nhiễu xuyên kênh, giữa các kênh phải có khoảng cáchnhất định Qua nghiên cứu, ITU-T đã đưa bước sóng trên

1.1.3 Hệ thống WDM

Hệ thống WDM cơ bản chia làm hai loại: hệ thống đơn hướng và hệ thống songhướng Hệ thống WDM đơn hướng chỉ truyền theo một hướng trên sợi quang Hệthống WDM song hướng thì mỗi chuyền truyền tín hiệu cần một sợi quang

Hình 1.1: Hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM đơn hướng

Hình 1.2: Hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM song hướng

Giả sử công nghệ hiện tại chỉ cho phép truyền N bước sóng trên một sợi quang

Do đó ta thấy ưu, nhược điểm của từng hệ thống như sau:

 Xét về mặt dung lượng hệ thống đơn hướng có thể cung cấp dung lượng gấpđôi so với hệ thống song hướng Tuy nhiên, số sợi quang cần dùng gấp đôi sovới hệ thống song hướng

 Khi có sự cố đứt cáp xảy ra, hệ thống song hướng không cần đến cơ chếchuyển mạch bảo vệ tự động ASP (Automatic Protection Switching) vì cả haiđầu của liên kết đều phát hiện ra sự cố ngay lập tức

 Về khía cạnh thiết kế mạng, hệ thống song hướng khó thiết kế hơn vì còn phảixét thêm các yếu tố như: vấn đề xuyên nhiễu do có nhiều bước sóng hơn trênmột sợi quang, đảm bảo định tuyến và phân bố bước sóng sao cho hai chiềutrên sợi quang không dùng chung một bước sóng

Các bộ khuếch đại trong hệ thống song hướng thường có cấu trúc phức tạp hơn

so với hệ thống đơn hướng Tuy nhiên, do số bước sóng khuếch đại trong hệ thốngsong hướng giảm ½ theo mỗi chiều nên ở hệ thống song hướng các bộ khuếch đại sẽcho công suất quang ngõ ra lớn hơn so với ở hệ thống đơn hướng

1.1.4 Chức năng của hệ thống WDM

Để đảm bảo việc truyền nhận nhiều bước sóng trên một sợi quang hệ thốngWDM phải thực hiện các chức năng sau:

 Phát tín hiệu: hệ thống WDM sử dụng nguồn phát là tia laser Hiện nay, đã có

một số nguồn phát như: laser điều chỉnh được bước sóng (tunable laser), laser

đa bước sóng (mulltiwavelength laser) Yêu cầu đối với hệ thống laser là phải

có độ rộng phổ hẹp, bước sóng ổn định, công suất phát đỉnh…

 Ghép/tách tín hiệu: ghép tín hiệu WDM là sự kết hợp một số nguồn sáng khác

nhau thành một luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang.Tách tín hiệu WDM là sự phân chia luồng ánh sáng tổng hợp đó thành các tínhiệu ánh sáng lẻ tại mỗi cổng đầu ra của bộ tách Hiện nay, đã có các bộtách/ghép tín hiệu WDM như: bộ lọc màng mỏng điện môi, cách tử Bragg sợi,cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp AWG…vv Khi xét đến các bộghép/tách WDM cần phải quan tâm đến các tham số như: khoảng cách giữacác kênh bước sóng, độ rộng băng tần của mỗi kênh, bước sóng trung tâm củakênh, mức xuyên âm giữa các kênh, tính đồng đều của kênh, suy hao xen…vv

 Truyền dẫn tín hiệu: quá trình truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang chịu ảnh

hưởng của nhiều yếu tố: suy hao sợi quang, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến,các vấn đề liên quan đến khuếch đại tín hiệu…vv Mỗi vấn đề kể trên đều phụthuộc rất nhiều vào các đặc thù của sợi quang (loại sợi quang, chất lượng sợiquang…vv)

 Khuếch đại tín hiệu: hệ thống WDM hiện tại chủ yếu sử dụng bộ khuếch đại

sợi quang EDFA Có 3 chế độ khuếch đại: khuếch đại công suất, khuếch đạiđường và tiền khuếch đại Khi dùng bộ khuếch đại EDFA cho hệ thống WDMphải đảm bảo các yêu cầu sau:

 Độ lợi khuếch đại đồng đều đối với tất cả các kênh bước sóng (mứcchênh lệch không quá 1dB)

 Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không làm ảnh hưởng đếnmức công suất đầu ra của các kênh

 Có khả năng phát hiện sự chênh lệch mức công suất đầu vào để điềuchỉnh lại các hệ số khếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại bằngphẳng đối với tất cả các kênh

 Thu tín hiệu: để thu tín hiệu, các hệ thống WDM cũng sử dụng các loại bộ tách

sóng quang như trong hệ thống thông tin quang thông thường: PIN, APD

Hình 1.3: Sơ đồ chức năng của hệ thống WDM

1.1.5 Ưu điểm, nhược điểm của hệ thống WDM

 Ưu điểm của công nghệ WDM:

 Dung lượng đường truyền: hệ thống WDM có khả năng truyền dẫn vớidung lượng lớn trên các sợi quang

 Tính trong suốt: công nghệ WDM thuộc kiến trúc lớp mạng vật lý nên nó

có thể hỗ trợ các định dạng số liệu và thoại như: chuyển mạch kênh,ATM, Gigabit Ethernet, ESCO, IP

 Khả năng mở rộng: công nghệ WDM có khả năng tăng băng thôngtruyền dẫn trên sợi quang lên đến hàng Tbps, đáp ứng nhu cầu mở rộngmạng ở nhiều cấp độ khác nhau

 Hiện nay, WDM là công nghệ cho phép xây dựng mô hình mạng truyền

tải quang OTN (Optical Transport Network) giúp truyền tải trong suốt

nhiều loại hình dịch vụ, quản lý mạng hiệu quả, định tuyến linh động

 Nhược điểm:

 Hệ thống WDM vẫn chưa khai thác được hết băng tần hoạt động rấtrộng của sợi quang (mới chỉ khai thác được băng tần C(1530nm-1565nm) và L(1565nm-1665nm))

 Quá trình khai thác, bảo dưỡng phức tạp hơn gấp nhiều lần

 Nếu hệ thống sợi quang đang sử dụng là sợi quang DSF theo tiêu chuẩnG.653 thì rất khó triển khai WDM vì khi đó sẽ xảy ra hiện tượng trộnbốn bước sóng trong sợi quang

1.2 Sự phát triển của WDM

Hình 1.4: Sự phát triển của các hệ thống WDM

Sự phát triển của các hệ thống WDM nhìn chung có thể chia làm ba giai đoạn:

 Hệ thống WDM thế hệ 1: là hệ thống WDM điểm nối điểm với các trạm xen

rẽ trên tuyến quang phải là các thiết bị MUX/DEMUX để tách/ghép tất cả cácbước sóng

 Hệ thống WDM thế hệ 2: là hệ thống WDM điểm nối đa điểm với các trạm

xen/rẽ trên tuyến quang là các OADM cho phép tách/ghép trực tiếp các bướcsóng cần xen rẽ

 Hệ thống WDM thế hệ 3: mạng WDM toàn quang với các thiết bị chuyển

mạch và định tuyến bước sóng Mạng cung cấp các đường quang tới người sử

dụng là các đầu cuối SDH hay các bộ định tuyến IP Hình 1.4 minh họa cho mạng này Trên hình 1.5 có thể thấy các đường quang giữa B và C, D và E và

F, A và F Trong mạng định tuyến bước sóng này, tại các nút trung gian cácđường quang được định tuyến và chuyển mạch từ một liên kết này đến mộtliên kết khác Có thể xảy ra trường hợp biến đổi bước sóng Các phần tử quantrọng cho kết nối mạng quang là bộ kết cuối đường dây quang (OLT), bộ ghépkênh Add/drop quang (OADM) và bộ kêt nối chéo (OXC)

Hình 1.5: Mạng WDM định tuyến bước sóng

1.3 Lớp quang

Kiến trúc mạng được phân lớp là mạng gồm nhiều thực thể phức tạp có nhiềuchức năng khác nhau được thực hiện bằng các thành phần khác nhau trong mạng, vớinhiều thiết bị của các hãng sản xuất khác nhau và cùng được ghép nối vào hệ thống.Trong mạng mỗi lớp thực hiện một tập các chức năng và cung cấp một tập các dịch vụcho lớp cao hơn kế cận đồng thời lớp dưới nó cũng sẽ phân phối một tập các dịch vụcho nó

Giao diện dịch vụ giữa hai lớp kế tiếp nhau gọi là điểm truy nhập dịch vụ (SAP)

và có thể có nhiều SAP giữa các lớp tương ứng với các loại dịch vụ khác nhau đượccung cấp

Lớp quang là lớp phục vụ (Server Layer) cung cấp các lớp dịch vụ cho lớp kháchhàng Lớp quang cung cấp các đường quang cho các lớp khác nhau Các lớp kháchhàng nằm trên lớp mạng quang thế hệ thứ hai

IP, ATM và SONET/SDH, cũng như các giao thức khác như Gigabit Ethernet,ESCON (Enterprise Serial Connection – Giao thức kết nối máy tính với các thiết bịlưu trữ) Ngoài việc cung cấp các đường quang, mạng quang thế hệ thứ 2 còn cung cấpcác dịch vụ khác như: chuyển mạch gói theo mạch ảo (virtual circuit) hay datagram

Các dịch vụ này có thể giao tiếp trực tiếp với các ứng dụng của người sử dụng Hình 1.6 có thể kết hợp nhiều lớp khác nhau như IP trên SDH trên quang và ATM trên

quang

Hình 1.6: Phân cấp các lớp ghép kênh trong hệ thống quang

Lớp quang có nhiệm vụ cung cấp đường quang cho các thành phần mạng IP vàSDH Lớp SDH ghép các luồng chuyển mạch kênh tốc độ thấp thành các luồng tốc độcao sau đó các luồng tốc độ cao sẽ được truyền tải trên các đường quang Lớp IP thựchiện ghép thống kê các luồng chuyển mạch gói thành các luồng tốc độ cao hơn, cácluồng tốc độ cao này cũng sẽ được truyền đi trên các đường quang Bản thân bên tronglớp quang là một phân cấp ghéo kênh Nhiều bước sóng hay đường quang được kếthợp thành các dải bước sóng Các dải bước sóng được kết hợp với nhau để tạo thànhtín hiệu WDM tổng hợp trên một sợi quang Mỗi mạng có thể có nhiều sợi quang vànhiều bó sợi quang, mỗi bó bao gồm nhiều sợi quang

Cấu trúc phân tầng sẽ làm giảm chi phí của thiết bị mạng Các tầng khác nhau thìhiệu quả hơn khi thực hiện các chức năng ở tốc độ bit khác nhau Mặt khác lớp mạngquang đặc biệt hiệu quả khi xử lí lưu lượng trên cơ sở từng bước sóng nhưng lại khôngtối ưu khi xử lý các luồng tải ở tốc độ bit thấp hơn

1.4 Mạng quang trong suốt

Mạng trong suốt là mạng mà trong một băng thông xác định (cho trước băngthông tối đa và băng thông tối thiểu) khi đó mạng có thể truyền các dịch vụ bất kỳ ởtốc độ nào và với bất kỳ giao thức nào Do đó, có thể cung cấp nhiều dịch vụ trên một

cơ sở hạ tầng duy nhất Điều này được hiểu như là sự trong suốt dịch vụ (service

transparency) Đối với mạng quang thế hệ thứ hai còn cho phép cung cấp các dịch vụtrong suốt và phát triển các dịch vụ mới trong tương lai mà không cần thay đổi toànmạng và các dịch vụ trước đó.

Mạng hoàn toàn trong suốt là mạng quang mà ở đó dữ liệu được truyền từ điểmnguồn tới điểm đích dưới dạng quang mà không qua bất cứ sự biến đổi quang-điệnnào Thực tế thì không thể triển khai mạng quang hoàn toàn trong suốt do các mạngquang luôn luôn có một số linh kiện điện tử để phục vụ các chức năng quản lý, điềukhiển mạng Ngoài ra, trong nhiều trường hợp do giới hạn của lớp vật lý hoặc do phảichuyển đổi bước sóng nên cần tái tạo lại tín hiệu điện

Rõ ràng việc thiết kế và xây dựng một mạng hoàn toàn trong suốt là không thực

tế Hiện nay, phương án thực tiễn là thiết kế một mạng hỗ trợ nhiều loại tín hiệu số đạtđến một tốc độ bit tối đa đa được ấn định sẵn và tập giao thức đã được chỉ định nhưSDH/SONET hay Gigabit Ethernet

1.5 Tổng kết chương

Chương 1 đã trình bày về các kỹ thuật được triển khai trên mạng quang, đồngthời cũng giới thiệu về hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM Hiện nay, có ba thế

hệ mạng quang đã và đang phát triển đó là: mạng quang thứ nhất, mạng quang thứ hai

và mạng quang thứ ba Trong những chương sau sẽ tập trung trình bày về mạng quangthứ ba – là mạng quang định tuyến theo bước sóng cung cấp các đường quang trongsuốt tới người sử dụng là các bộ SONET/SDH hay bộ định tuyến IP

CHƯƠNG 2: CÁC KHÁI NIỆM VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT

ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG WDM

2.1 Giới thiệu chung

Theo sự phát triển của kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng (WDM), trong một sợiquang đã có thể truyền dẫn thông tin số từ vài trăm Gbit/s tới Tbit/s Sự tăng trưởngvới hệ thống tốc độ rất nhanh này làm cho dung lượng của truyền dẫn trở thành sức ép

và động lực cho sự phát triển của hệ thống chuyển mạch Những mạng chuyển mạchđiện tử và xử lý thông tin đã phát triển gần tới giới hạn tốc độ điện tử Trong đó cáctham số RC, méo, Jitter/wander, xuyên nhiễu, tốc độ đáp ứng chậm là những yếu tốlàm hạn chế việc nâng cao tốc độ chuyển mạch Để giải quyết vấn đề tắc nghẽn, cácnhà nghiên cứu đã đưa kỹ thuật quang điện tử vào hệ thống chuyển mạch, thực hiệnchuyển mạch quang

Ưu điểm của chuyển mạch quang là khi tín hiệu đi qua bộ chuyển mạch khôngcần chuyển đổi quang điện/điện quang do đó không bị các thiết bị quang điện tử nhưmáy đo kiểm, bộ điều chế hạn chế tốc độ đáp ứng Tuy nhiên, do tác dụng của linhkiện logic quang còn rất đơn giản không thể hoàn thành chức năng xử lý logic phứctạp của bộ phận điều khiển nên bộ chuyển mạch quang hiện nay vẫn phải điều khiểnbằng tín hiệu điện (chuyển mạch quang điều khiển điện)

Có ba loại tín hiệu ghép kênh đó là: ghép kênh chia theo không gian, ghép kênhchia theo thời gian và ghép kênh chia theo bước sóng Trong đề tài này tập trung vàonghiên cứu ghép kênh chia trong bước sóng và sẽ được trình bày chi tiết ở các phầnsau

2.2 Giới thiệu chuyển mạch kênh quang chia bước sóng

Cấu trúc cơ bản của một phần tử chuyển mạch kênh quang phân chia theo bướcsóng gồm: Bộ Demux để tách các kênh bước sóng từ một khe thời gian ở đầu vào, n bộchuyển đổi bước sóng (n là số bước sóng được ghép trong cùng một khe thời gian) và

bộ Mux để ghép kênh bước sóng ở đầu ra vào cùng một khe thời gian

Hình 2.1 trình bày hoạt động cơ bản của phần tử chuyển mạch điện quang phân

chia theo bước sóng Đầu tiên, luồng tín hiệu quang WDM được đưa đến bộ Demux,

tại đây các kênh tín hiệu trong cùng một khe thời gian sẽ được tách ra và đưa đến các

bộ chuyển đổi bước sóng cho ta các kênh tín hiệu quang này Bước sóng hoạt độngcủa các bộ chuyển đổi bước sóng sẽ chiếm hầu hết vùng bước sóng của WDM nhằmđảm bảo khả năng chuyển mạch tùy ý giữa các kênh WDM Tín hiệu sau khi qua các

bộ chuyển đổi bước sóng sẽ được bộ Mux thực hiện ghép các kênh ở đầu ra vào cùngmột khe thời gian và đưa ra ngoài Như vậy, giữa các kênh tín hiệu quang đã có thựchiện chuyển mạch bước sóng

Các bộ chuyển đổi bước sóng trong cấu trúc ở hình 2.1 có thể sử dụng nhiều loại

chuyển đổi khác nhau như chuyển đổi bước sóng quang điện, chuyển đổi bước sóngbằng cách trộn sóng, chuyển đổi bước sóng bằng cách tử quang

Hình 2.1: Cấu trúc của một phần tử chuyển mạch kênh phân chia bước sóng

2.3 Bộ chuyển đổi bước sóng trong chuyển mạch kênh quang

chia bước sóng

2.3.1 Bộ chuyển đổi bước sóng quang điện

Nguyên lý hoạt động của loại chuyển đổi bước sóng này rất đơn giản Tín hiệuquang được đưa vào chuyển đổi sang tín hiệu điện sau đó được tái tạo lại và truyền đitrên bước sóng mong muốn

Hình 2.2.a là loại chuyển đổi bước sóng quang điện đơn giản nhất dạng 1R

(Regeneration) Tín hiệu quang được bộ thu quang thu hồi lại rồi chuyển sang dạngđiện Sau đó, tín hiệu điện này sẽ được khuếch đại và đưa ra bộ phát lazer để phát đivới bước sóng mong muốn

Hình 2.2.b là loại chuyển đổi bước sóng quang điện dạng 2R (Regeneration,

Reshaping ) với loại này tín hiệu điện do bộ thu quang chuyển đổi từ tín hiệu quang ởđầu vào vừa được khuếch đại vừa tạo dạng lại

Hình 2.2.c là loại chuyển đổi bước sóng quang điện dạng 3R (Regeneration,

Reshaping and Retiming ) với loại này tín hiệu quang được bộ thu quang thu lại rồichuyển đổi sang tín hiệu điện Sau đó, tín hiệu điện này được khuếch đại, tạo dạng vàđịnh thời lại và đưa ra bộ phát lazer để phát đi với bước sóng mong muốn

Hình 2.2: Các loại chuyển đổi bước sóng quang điện

2.3.2 Bộ chuyển đổi bước sóng bằng cách trộn sóng

Nguyên lý cơ bản của phương pháp chuyển đổi bước sóng này là dựa trên hiệntượng “trộn 4 bước sóng” Phương pháp này được thể hiện như sau: khi trộn sóng cótần số lần lượt là f1, f2, f3…vv sẽ phát sinh ra những sản phẩm điều chế tương hỗ lànhững bước sóng mới có tần số được tổng hợp từ những tần số của các bước sóng đưavào

Hình 2.3: Cấu trúc của bộ chuyển đổi bước sóng

Hình 2.3 trình bày cấu trúc và nguyên lý họat động của một bộ chuyển đổi bước

sóng bằng cách trộn sóng

Ví dụ: ta chọn ba bước sóng vào để trộn lần lượt là f1, f2, f3, thì sản phẩm điều

chế tương hỗ là những bước sóng có tần số f4 = f1  f2  f3 Trong trường hợp nàynếu ở đầu vào có 2 bước sóng có cùng tần số thì sản phẩm tương hỗ sinh ra sẽ có tần

số f4 = 2f1 – f3 hoặc 2f3 – f1

Bộ chuyển đổi bước sóng bằng cách trộn sóng cũng thực hiện thay đổi tần sốgiống như ví dụ trên Tín hiệu đầu vào là fs sẽ được đưa vào trộn cùng sóng trộn có tần

số fp Khi đó hiện tượng trộn bốn bước sóng sẽ sinh ra 2 sóng mới có tần số là 2fs-fp

và 2fp-fs Các sản phẩm của quá trình trộn sóng sẽ được đưa qua một bộ lọc để lọc lấybước sóng 2fp-fs Như vậy với cấu trúc chuyển đổi bước sóng đơn giản như vậy người

ta có thể hoàn toàn chuyển đổi và kiểm soát được quá trình chuyển đổi bước sóng chotín hiệu vào bằng cách đưa vào các sóng trộn có tần số khác nhau đó điều khiển các bộlọc

2.3.3 Bộ chuyển đổi bước sóng dùng cách tử quang

Cách tử quang là thiết bị quang có đặc tính thay đổi phụ thuộc vào tín hiệu đầuvào Sự thay đổi này được truyền đi bằng một sóng thăm dò có bước sóng khác ở đầu

ra của thiết bị

Cách tử quang hoạt động trên nguyên lý điều chế độ lợi chéo, ứng dụng hiệu ứngphi tuyến trong kỹ thuật khuếch đại quang bán dẫn (SOA-Semiconductor OpticalAmplifier)

Tín hiệu đầu vào có bước sóng s và tín hiệu thăm dò có bước sóng p được đưacùng lúc vào bộ SOA Sự thay đổi cường độ tín hiệu đầu vào tăng thì độ lợi trong bộSOA cũng thay đổi Cụ thể, khi cường độ tín hiệu đầu vào tăng thì độ lợi trong bộSOA sẽ giảm và ngược lại Chính sự thay đổi của độ lợi bộ SOA sẽ làm cho cường độtín hiệu thăm dò sẽ thay đổi Như vậy, chỉ với tín hiệu thăm dò công suất bé với bước

sóng khác được gửi đến SOA sẽ được khuếch đại thấp trong trường hợp tín hiệu đầuvào là bit 1 và ngược lại nó sẽ được khuếch đại lớn hơn nếu tín hiệu ở đầu vào khi ấy

là bit 0 Do đó, thông tin từ tín hiệu đầu vào sẽ được chuyển đổi hoàn toàn sang tínhiệu thăm dò Tốc độ thay đổi của sóng mang trong SOA diễn ra rất nhanh do đó đápứng của độ lợi sẽ thay đổi tương ứng với năng lượng tín hiệu đầu vào gần như cùngmột lúc

Hình 2.4: nguyên lý hoạt động chuyển đổi của cách tử quang

Về bản chất, bộ chuyển đổi bước sóng này có hai nhược điểm là: thứ nhất, khi cónhiều bước sóng khác nhau được khuếch đại thì sẽ xảy ra hiện tượng xuyên nhiễu lẫnnhau Thứ hai, tạp âm xuất hiện do bức xạ tự phát của SOA Với hai nhược điểm nàythì bộ chuyển đổi bước sóng dùng cách tử quang ít được dùng trong hệ thống WDM

mà được dùng trong hệ thống IM-DD (Intensitive Modulation - Direct Detection)

2.4 Phần tử nối chéo quang OXC (Optical Cross-connection)

2.4.1 Giới thiệu phần tử nối chéo quang OXC

Đối với các mô hình mạng đơn giản như mô hình tuyến tính và mô hình vòng thì

bộ xen re kênh quang (OADM-Optical Add/Drop Multiplexer) là sự lựa chọn tối ưu vềmặt kinh tế, công nghệ chế tạo và khả năng đáp ứng các yêu cầu của mạng Tuynhiên, trong tương lai khi yêu cầu về khả năng linh hoạt trong việc cung cấp các dịch

vụ đồng thời các dịch vụ đa phương tiện đòi hỏi phải đáp ứng được sự tăng băng thông

đột biến thì các mô hình mạng hiện tại không đáp ứng được Khi đó cần phải triển khaimạng lưới (mesh) với phần tử trung tâm làm các bộ kết nối chéo quang OXC (OpticalCrossconect)

Mặc dù OXC thực hiện kết nối chéo các tín hiệu quang từ đầu vào nhưng phầnlõi của OXC có thể là điện hay quang tùy thuộc vào cấu hình do nhà sản xuất quy

định Hình 2.5 trình bày mô hình mạng có sử dụng OXC Tín hiệu quang trong hình

phải được hiểu là tất cả các định dạng tín hiệu khác nhau có thể là các loại tín hiệu củalớp khách hàng không thuần túy là các tín hiệu bước sóng chuẩn của WDM do ITU-Tquy định

Hình 2.5 : Mô hình mạng sử dụng bộ OXC

2.4.2 Các yêu cầu của bộ OXC

 Cung cấp dịch vụ: OXC phải có khả năng cung cấp các đường quang trong

mạng một cách tự động mà không cần sự can thiệp của nhà quản lý hệthống Chẳng hạn như khả năng đáp ứng thêm kênh bước sóng nếu nhu cầubăng thông tăng lên

 Bảo vệ: bảo vệ đường quang không bị ảnh hưởng khi trong mạng xảy ra sự

cố đứt cáp hoặc nút mạng hư hỏng là một trong những chức năng quan trọngcủa OXC vì OXC là một phần tử mạng thông minh có thể dò tìm hư hỏngtrong mạng và nhanh chóng định tuyến lại đường quang xung quanh lỗi này

 Trong suốt đối với tốc độ truyền dẫn bit: khả năng chuyển mạch tín hiệu

với tốc độ bit và khuôn dạng giao thức tùy ý là đặc tính mong muốn củaOXC

 Giám sát chất lượng truyền dẫn: cho phép khả năng trích tín hiệu đi đến

qua một cổng khác để thực hiện chức năng đo đạc, xác định và giám sát chấtlượng truyền dẫn

 Chuyển đổi bước sóng: OXC có thể thực hiện quá trình chuyển đổi bước

sóng đầu vào thành một bước sóng khác ở đầu ra

 Ghép kênh và hợp nhóm tín hiệu (grooming): OXC về cơ bản xử lý tín hiệu

đầu vào và đầu ra theo tốc độ trên đường quang Tuy nhiên, chúng có thể kếthợp khả năng ghép kênh và grooming để chuyển mạch lưu lượng bên trongtại các mức tốc độ nhỏ hơn như STS-1 (51 Mbps), để cho phép mạng hoạtđộng với các tín hiệu khách hàng có tốc độ bit tương xứng với tốc độ bít củatín hiệu truyền trong lớp kênh quang

2.4.3 Các cấu hình khác nhau cho OXC

Hình 2.6: Cấu hình OXC có lõi chuyển mạch điện

Hình 2.7: Cấu hình OXC lõi chuyển mạch quang dùng bộ chuyển đổi O/E/O

Hình 2.8: Cấu hình OXC có lõi chuyển mạch điện

Hình 2.9: Cấu hình OXC có lõi chuyển mạch quang

Một phần tử OXC có thể chia làm hai phần: lõi chuyển mạch và phần cổng giaodiện Phần lõi thực hiện chức năng kết nối chéo quang trong khi phần cổng giao diệngiao tiếp với tín hiệu khách hàng Thông thường thì cổng giao diện là các card có các

bộ chuyển đổi quang/điện/quang hoặc các bộ chuyển đổi quang/điện Tuy nhiên, đốivới cấu hình có phần lõi chuyển mạch toàn quang thì phần lõi sẽ được nối trục tiếp vớicác bộ MUX/DEMUX của các OLT hoặc OADM mà không cần qua bộ chuyển đổiquang/điện/quang ở phần giao diện

Các cấu hình cho OXC được cho như trên hình 2.6 đến hình 2.9 Các cấu hình

trên khác nhau ở lõi chuyển mạch điện hay quang có sử dụng các bộ chuyển đổiquang/điện/quang hay không và cách kết nối với các thiết bị xung quanh

2.4.4 Cấu hình toàn quang OXC

Đối với cấu hình toàn quang OXC trên hình 2.9 ta thấy các nhược điểm của cấu

hình toàn quang là không có khả năng nhóm tín hiệu tốc độ thấp, không có khả năngchuyển đổi bước sóng và không có khả năng tái tạo tín hiệu do hoạt động hoàn toànđộc lập với lớp điện Để khắc phục các vấn đề này ta thêm vào cấu hình OXC lõichuyển mạch điện Lõi chuyển mạch điện này thực hiện chức năng hoàn toàn giốngnhư trong cấu hình OXC trên hình mà ta đã xét Như vậy vừa đảm bảo tính kinh tế khiphân lớn các tín hiệu bước sóng lõi chuyển mạch quang thực hiện chuyển mạch, vừađảm bảo giải quyết các nhược điểm của cấu hình toàn mạng quang xét ở trên với mộtphần nhỏ kênh bước sóng yêu cầu cần thực hiện thêm một số tác vụ khác

Hình 2.10: Mô hình nút mạng toàn quang sử dụng OXC lõi quang/điện

Việc chế tạo phần lõi chuyển mạch quang dung lượng lớn hiện nay còn gặp nhiềukhó khăn Nên cấu hình toàn quang như trên hình tuy đơn giản về mặt mô hình nhưnglại rất phức tạp trong công nghệ chế tạo lõi chuyển mạch quang Giả sử trên thực tếOXC đối với 8 OLT mỗi OLT truyền trên sợi quang 32 kênh bước sóng Như vậy với

mô hình đưa ra cần phải chế tạo lõi chuyển mạch quang dung lượng 256x256 mới đápứng đủ yêu cầu phục vụ mạng Trong điều kiện công nghệ hiện tại, điều này là hết sứckhó khăn Để khắc phục vấn đề này, người ta đưa ra khái niệm mặt phẳng bước sóng.Mặt phẳng bước sóng gồm các phần tử cơ bản là các bộ chuyển mạch với dunglượng trung bình, mỗi bộ chuyển mạch chỉ chịu trách nhiệm chuyển mạch một bước

sóng Nguyên lý hoạt động của mặt phẳng bước sóng được trình bày trong hình 2.11.

Mặt phẳng bước sóng được cấu tạo sao cho các tín hiệu WDM trên sợi quang đi quachặng đầu tiên là các bộ DEMUX, tách thành các bước sóng riêng biệt nhau Sau đó,các kênh tín hiệu cùng bước sóng đưa đến cổng vào của một bộ chuyển mạch nào đó

Bộ chuyển mạch này sẽ chuyển tín hiệu từ cổng này đến cổng kia mà không quan tâmđến chuyển đổi bước sóng Chức năng chuyển đổi bước sóng không thuộc mặt phẳngnày Tiếp theo, đầu ra của bộ chuyển mạch được đưa đến các bộ MUX để ghép tínhiệu vào sợi quang truyền đi

Hình 2.11 : OXC mặt phẳng bước sóng lõi quang

Tóm lại, phương pháp mặt phẳng bước sóng cần tính đến số sợi quang Phần lưulượng xen/rớt, số lượng bộ kết cuối và khả năng điều chỉnh của chúng ví dụ các tham

số riêng biệt trong thiết kế Với bộ chuyển mạch kích thước lớn chúng ta có thể chiacác cổng một cách linh hoạt để tính sự thay đổi của tất cả các thông số này

Hình 2.12: Xen/rẽ trong mặt phẳng bước sóng

2.5 Giới thiệu lớp khách hàng của WDM

Hình 2.13: Xu hướng chuyển đổi của mạng truyền tải

Đối với các nhà cung cấp mạng cổ điển thì cấu trúc mạng thường bao gồm nhiềulớp Lớp WDM hình thành môi trường truyền tải vật lý cung cấp băng thông trong suốt

và các kỹ thuật định tuyến tiên tiến Để cấp phát băng thông vừa đủ lớp SDH/SONETthường được sử dụng trong các mạng cổ điển Hiện nay, tín hiệu thuê bao lớp kháchhàng của hệ thống WDM ứng dụng thực tế đều dựa trên SDH Một đặc điểm quantrọng đối với mạng WDM là tính trong suốt đối với các dịch vụ, nghĩa là WDM có thểtruyền tải bất kỳ khuôn dạng tín hiệu như: PDH, SDH đến ATM, IP hay MPLS Do đóvới với sự phát triển rất nhanh của lưu lượng trên mạng đòi hỏi phải triển khai WDM

để đáp ứng được sự phát triển này

2.5.1 Mô hình IP trên ATM trên SONET/SDH trên WDM

Các nhà cung cấp dịch vụ cổ điển đưa ra mô hình phân cấp mạng gồm có 4 lớp:

IP, ATM, SDH/SONET và WDM Lớp ATM nằm trên lớp quang WDM sẽ thêm vàocác khả năng ghép thống kê mà vẫn cho phép tích hợp nhiều dịch vụ hiện tại cùng mộtthời điểm Điều này giúp nâng cao hiệu năng sử dụng của các lớp bên dưới làSONET/SDH và WDM ATM cũng sử dụng các kỹ thuật định tuyến để tối ưu hóa việcphân phối lưu lượng trong mạng cho từng dịch vụ ATM khác nhau Tuy nhiên, lớpATM có hiệu quả truyền dẫn thấp vì phần mào đầu của lớp ATM lớn LớpSONET/SDH ở bên dưới cung cấp khả năng khôi phục lại mạng sau khi xảy ra sự cốtrên sợi quang nhanh, tuy nhiên chi phí thiết bị và việc quản lý phức tạp Lớp WDM

dùng để tăng dung lượng của sợi quang nhờ khả năng truyền dẫn nhiều bước sóng trênmột sợi quang.

2.5.2 Mô hình IP trên ATM trên WDM

Mô hình này triển khai khi số lượng dịch vụ lớp 2 nhiều ví dụ như các đườngleazer line và dịch vụ thoại thì nhà cung cấp dịch vụ thường dùng mô hình này để xâydựng mạng có 3 lớp là IP, ATM và WDM Nhược điểm của mô hình này là hiệu quảthấp vì vẫn còn tồn tại lớp ATM nhưng lại có ưu điểm là khả năng cung cấp chấtlượng dịch vụ cao (QoS)

2.5.3 Mô hình IP trên SONET/SDH trên WDM

Ngày nay, các nhà cung cấp dịch vụ dữ liệu thường xây dựng mạng theo cấu trúc

3 lớp: IP, SONET/SDH và WDM Trong cấu trúc này gói dữ liệu IP được truyền tảitrực tiếp trên cấu trúc SONET/SDH bằng công nghệ POS (packet over SONET/SDH)

bỏ qua lớp truyền dẫn ATM không hiệu quả Lớp SONET/SDH cung cấp các chứcnăng bảo vệ và truyền tải lưu lượng lớn

2.5.4 Mô hình IP trên WDM

Cấu trúc mạng trong tương lai sẽ loại bỏ cả hai lớp SONET/SDH và ATM tạothành mạng hai cấu trúc là IP và WDM Các nhà cung cấp dịch vụ mạng này dùng đểphân phối các dịch vụ dữ liệu và VoIP

Ưu điểm của phương pháp này là hiệu quả truyền tải của mạng cao hơn vì đã loại

bỏ được hai lớp SONET/SDH và ATM, đồng thời tăng dung lượng truyền dẫn của sợiquang

Trong phần tiếp theo ta sẽ tập trung vào tìm hiểu chi tiết và công nghệ IP trên nềnWDM và công nghệ IP/MPLS trên nền WDM

2.6 Tổng kết chương

Trong chương 2 tập trung nhiên cứu về công nghệ ghép kênh theo bước sóng.Đồng thời cũng mô tả được cấu tạo, chức năng và nguyên lý hoạt động của các bộOXC Trong tương lai các bộ OXC đóng góp một vai trò rất lớn đối với sự phát triểnmạng quang Qua đó đưa ra các mô hình triển khai kết hợp nhằm đặt hiệu quả truyềndẫn cao

CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ IP TRÊN NỀN WDM

3.1 Giới thiệu về công nghệ IP

3.1.1 Lịch sử ra đời của IP

Các giao thức Internet là các giao thức hệ thống mở phổ biến nhất thể giới vì cácgiao thức này có thể được dùng để thông tin liên lạc qua bất kỳ các mạng truyền dẫnnào (thường thích hợp cho các mạng LAN và mạng MAN) Hai giao thức phổ biếnnhất trong nhóm giao thức Internet là giao thức TCP (Transmission control Protocol )

và IP (Internet Protocol)

Các giao thức Internet được phát triển đầu tiên vào những năm 1970 KhiDARPA (Defense Advanced Research Project Agency) quan tâm đến việc thiết lậpmột mạng chuyển mạch gói dùng để truyền dẫn thông tin giữa các hệ thống máy tínhkhác nhau tại viện nghiên cứu Kết quả thực hiện được hoàn tất vào cuối năm 1970.Hiện tại, lưu lượng thông tin Internet/Intranet tăng lên rất nhanh nên yêu cầu mặtbằng truyền dẫn phải được phát triển cao theo hướng có băng tần thông tin ngày càngcao Do đó, cần phải xây dựng một mạng đường trục tốc độ lớn

Giao thức IP là giao thức quan trọng nhất cho các máy tính IP cung cấp các dịch

vụ truyền dẫn phi kết nối độc lập với môi trường truyền dẫn bên dưới và thích hợptrong các mạng LAN, MAN Dữ liệu IP có thể được truyền trên sợi quang qua mạngSONET/SDH hoặc kết hợp với ATM với SONET/SDH Dữ liệu IP cũng có thể đượctruyền dẫn dựa trên giao thức dữ liệu phân bố trên sợi quang Tuy nhiên, chỉ có thể ápdụng trong các mạng có cấu hình vòng FDDI

3.1.2 Mô hình phân lớp của IP

IP là giao thức của lớp mạng (lớp 3) (TCP là giao thức lớp 4) mang thông tin địachỉ và một số thông tin điều khiển để định tuyến gói tin IP phân phối các gói tindatagram với chất lượng dịch vụ loại best-effort qua mạng, phân đoạn và tổ hợp lại cácdatagram để hỗ trợ cho các liên kết dữ liệu với chiều dài đơn vị truyền dẫn cực đại

3.2 IP/ATM/SONET/SDH trên nền WDM

Hình 3.1 : Cấu trúc phân lớp IP/ATM/SONET-SDH/WDM

Hình 3.1 trình bày cấu trúc phân lớp của IP/ATM/SONET trên mạng WDM.

Trong cấu trúc này, mạng SONET/SDH xem mạng quang như là một môi trườngtruyền dẫn vật lý Cũng như vậy SONET/SDH cung cấp các kết nối điểm nối điểm chocác chuyển mạch ATM Do đó, SONET/SDH phục vụ tương ứng với lớp vật lý và lớpliên kết dữ liệu trong môt hình tham chiếu OSI Tương tự, ATM cung cấp các kết nốiđiểm nối điểm giữa các bộ định tuyến IP, nên mạng IP xem ATM như là lớp vật lý của

nó và là một phần của lớp liệu kết dữ liệu đối với mô hình tham chiếu OSI Để hoànchỉnh việc truyền dữ liệu của người dùng từ đầu cuối này đến đầu cuối thì tương ứngvới mô hình tham chiếu OSI IP đóng vai trò của hai lớp là lớp liên kết dữ liệu và lớpmạng Cấu trúc này có nhược điểm là càng có nhiều giao diện lớp tham gia vào quátrình truyền dẫn mạng càng phức tạp Điều này làm giảm độ tin cậy của mạng trongkhi làm tăng chi phí thực hiện mạng

Hình 3.2: Kết nối giữa các phân lớp trong mô hình IP/ATM/SONET/SDH trên WDM

Hình 3.3 trình bày ví dụ về mạng có triển khai IP/ATM/SDH trên WDM Trong hình 3.3 gói IP được phân đoạn vào các cell ATM và ấn định các kết nối ảo khác nhau

bằng card đường STM/ATM trong bộ định tuyến IP Sau đó, cell ATM được đưa vàokhung SDH từ đây luồng dữ liệu có thể được truyền tải qua một mạng chuyển mạchATM hoặc trực tiếp qua bộ chuyển tiếp WDM để truyền dẫn trên lớp quang.

Hình 3.3: Mạng truyền tải IP/ATM/SDH (SONET) trên WDM

3.3 IP/SONET/SDH trên nền WDM

Để giảm chi phí vận hành và tính phức tạp của mạng có thể bỏ đi lớp ATM đểtruyền tải IP trực tiếp qua SONET/SDH trên WDM Trong SONET/SDH đã có thôngtin quản lý mạng như giám sát truyền dẫn, sửa sai, bảo vệ và khôi phục mạng nên chấtlượng dịch vụ vẫn được đảm bảo khi IP qua SONET/SDH Mặt khác, trong hệ thốngWDM thiết bị tái tạo dạng tín hiệu điện được lắp đặt có chu kỳ trên khoảng cách dàinên rất dễ tương thích và tần dụng hiệu qủa tài nguyên với các thiết bị SDH sẵn có.Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất là do phụ thuộc vào thiết kế lấy mẫu đồng bộ âmthoại 8KHz nên xử lý SAR (Segmentation Assembly and Reassembly) mất nhiều thờigian làm ảnh hưởng đến độ lưu thông do đó thường không thích hợp cho mặt phẳng cónhiều dịch vụ

3.4 IP/ATM trên nền WDM

3.4.1 Mào đầu của IP và ATM

Có nhiều cách đóng gói dữ liệu IP vào ATM để truyền trên mạng WDM Sửdụng PPP là giao thức trung gian giữa IP và ATM là một giải pháp thông dụng (hình3.4)

Hình 3.4: Mào đầu của IP và ATM

Giả sử vùng tải có 40 byte ATM dùng 3 byte LLC và 5 byte SNAP (gồm 3 byteOUI và 2 byte PID) IP không dùng các byte này trong phần mào đầu ATM cần đầy

đủ phần tiêu đề và phần trailer của PPP qua mạng Tuy nhiên, nó có thể lấy ra trườngPID của PPP và sắp xếp vào các trường PID của SNAP, sau đó xây dựng lại phần tiêu

đề và phần trailer của PPP tại đầu ra đến mạng nếu được yêu cầu Chức năng này thựchiện dễ dàng vì các cờ, các trường địa chỉ và trường điều khiển không thay đổi khitruyền dẫn trên mạng Tổng số byte được chuyển đến cho ATM lớn hơn 48 byte trongvùng tải nên cần phải có nhiều cell ATM cho một gói IP

3.4.2 Các phương pháp đóng gói IP vào cell ATM

Có hai phương pháp đóng gói IP vào cell ATM đó là : Đưa đầy đủ gói tin IP vàkhung PPP vào cell ATM hoặc chỉ đưa gói tin IP và trường PID của PPP vào cellATM

 Trong phương pháp đầu cần phải có 3 cell ATM để chứa vùng tải 40 byte.Đầu tiên, vùng AAL5 có 96 byte (40byte cho UDP, 20 byte cho TCP, 20 bytecho IP, 8 byte cho PPP, 8 buye cho LLC và SNAP ( gồm OUI và PID)) 96byte này sẽ gắn thêm phần trailer AAL5(8 byte) thành một đơn vị có 104 byte

và được phân thành từng đoạn 48 byte Vì thế, trường đệm có 40 byte (104+40= 144 byte / 48 byte/celll = 3 SDU ATM) SAR-PDU thứ 3 chí có 8 bytetrailer AAL5 và 40 byte đệm Tiếp theo ba phần tiêu đề của cell dài 5 byteđược gắn vào SDU nên tổng số byte là 144+3*5=159 byte

 Trong phương pháp thứ 2: các cờ, trường địa chỉ, trường điều khiển vàtrường CRC của PPP (tổng cộng 6 byte) bị loại bỏ trước khi vùng tải đưa vào

co CP-AAL5 Giá trị của trường PID trong ATM là 0x88-0B dùng để nhậndạng các gói PPP Lúc này CO-AAL5 có 90 byte cộng thêm phần trailer củaAAL5 dài 8 byte nữa sẽ tạo ra một đơn vị có 98 byte Vẫn phải dùng 3 cellATM (98/48=2 dư 2 byte) Như vậy cell ATM thứ 3 chỉ gồm 2 byte dữ liệu,

38 byte đệm và 8 byte trailer AAL5 Ta thấy rằng trong phương pháp này khi

bỏ thông tin điều khiển của giao thức PPP cũng không làm giảm số lượng celldùng cho gói IP

Hình 3.5: Đóng gói IP vào cell ATM theo phương pháp sử dụng PPP đầy đủ

3.5 Truyền dẫn IP trên nền WDM thông qua lớp trung gian ppp

Giao thức PPP là giao thức kết nối điểm nối điểm linh hoạt dùng để liên kết dữliệu PPP có các chức năng quản lý dùng để đăng ký trước một hoặc nhiều liên kết vật

lý, kiểm tra chất lượng của các liên kết dành riêng này và giải phóng các liên kết đã

được sử dụng Có thể ứng dụng PPP làm chiếc cầu nối giữa IP và WDM ( hình 3.6 ).

Hình 3.6: Vận hành IP trên WDM dùng PPP làm lớp trung gian

Khi sử dụng PPP để kết nối IP và WDM khó khăn lớn nhất là không có chứcnăng nào sẵn có dùng để nhận biết các gói tin chứa thông tin quản lý các thiết bịWDM Do đó, cần thêm vào một số tính năng khác để đưa thông tin quản lý vào kênhbước sóng đã dành riêng cho báo hiệu Việc cấu hình các bộ chuyển mạch quang cóthể được thực hiện theo nguyên tắc định tuyến dựa trên mạch hoặc dựa trên đường dâyriêng mà được yêu cầu để áp dụng PPP

3.6 Truyền dẫn IP trực tiếp trên nền WDM.

3.6.1 Giới thiệu

Các bộ định tuyến IP tại đường biên của mạng phải thiết lập đường quang trướckhi thông tin liên lạc trên lớp IP Vì thế, mặt phẳng dữ liệu IP qua các mạng quangphải được nhận biết qua một mạng đường quang bao phủ ở bên ngoài Mặt khác, các

bộ định tuyến IP và các OXC phải có quan hệ ngang cấp trên mặt phẳng điều khiển.Đặc biệt khi thực hiện giao thức định tuyến để có thể phát hiện động các đầu cuối IP

có kết nối vào mạng quang

Hình 3.7 : Cấu trúc tổng quan về mạng truyền tải IP trên nền WDM

Hoạt động của các bộ định tuyến IP và các bộ OXC dùng thuật toán OSPF (OpenShorted Path First) cho phép bộ định tuyến tính toán một đường dẫn end-to-end đếnmột bộ định tuyến khác qua mạng quang Trong trường hợp này, bộ định tuyến IP phảiduy trì một cơ sở dữ liệu về cấu hình vật lý của mạng kết hợp gồm các node IP và

node quang Trong hình 3.8, bộ định tuyến R1 có thể được báo hiệu theo kiểu từng

chặng (hop-by-hop) từ R1 đến R5 sử dụng giao thức báo hiệu MPLS thích hợp quaUNI và NNI Khi đường dẫn được thiết lập, đoạn R3-O3-O2-R4 phải được xem như làmột tuyến ảo duy nhất giữa R3 và R4 với dung lượng cố định Tất cả các node trongmạng phải nhìn thấy sự tồn tại của đường quang trong mạng quang

Hình 3.8 : Định tuyến IP qua mạng quang

3.6.2 Ánh xạ địa chỉ IP vào kênh bước sóng WDM

Hình 3.9 : Tách nhập và kết nối lưu lượng IP giữa các bộ định tuyến

Giả sử trong mạng đường trục WDM, các node trong mạng giao tiếp trực tiếp vớicác bộ định tuyến IP qua sợi quang Trong đó các kênh bước sóng có thể được

tách/ghép hoặc chuyển tiếp Hình 3.9 trình bày về việc truyền tải các gói tin IP qua

mạng WDM Giả sử về mối quan hệ giữa các kênh bước sóng như sau:

 Node A: bộ định tuyến A thêm vào một kênh bước sóng ở giao tiếp WADM

đến thành phố Hồ Chí Minh, đồng thời sẽ được tách ra ở node B

 Node B: thêm một kênh bước sóng WDM ở giao tiếp WADM đến TP Hồ Chí

Minh và được tách ra ở node A Vì các kênh giữa node A và Node B đều sẵn

có trong cả hai node nên chúng ta giả sử có nhiều lưu lượng trao đổi với nhau.Node B cũng có quan hệ xen rẽ với node D

 Node C: Node C không có quan hệ kênh WDM với các node định tuyến khác

chỉ được chuyển tới TP Hồ Chí Minh

 Node D: Node D có một kênh WDM được tách ra ở B và giao tiếp TP Hồ Chí

Minh

Có thể tóm tắt quan hệ kênh WDM giữa 4 node IP/ như sau:

A  B

B  A

từ Đà Nẵng (Node E) tới TP Hồ Chí Minh (Node F) các bước thực hiện như sau:

 Bước 1: để định tuyến dữ liệu IP đến đúng địa chỉ đích thì node E phải cấu

hình một ánh ánh xạ địa chỉ Bảng này là sự tương quan giữa một số tiếp đầungữ trong địa chỉ IP với bước sóng

 Bước 2: Node E nhận gói tin IP, node E xác định phần ưu tiêu đề của gói tin

trong địa chỉ IP, sau đó ánh xạ gói IP vào một kênh bước sóng dựa vào bảngánh xạ Quá trình này được thực hiện tại một node trong mạng WDM hoặc tạimột node đỉnh của mạng (giả sử E là node đỉnh nghĩa là node ở đường biên củamạng WDM) Việc ánh xạ tại một node đỉnh của mạng cần phải có nhiều thôngtin phụ trợ hơn các node lõi trong mạng WDM

 Bước 3: các gói IP ở luồng vào giao tiếp liên kết với node E Sử dụng bảng ánh

xạ IP/ node E ánh xạ các gói dữ liệu IP vào ngăn xếp với một bước sóngtương ứng với giao tiếp đầu ra cụ thể nào đó Việc thực hiện này đòi hỏi phảichuyển đổi từ điện sang quang trong đó các bit điện trong bộ đệm phải đượcchuyển đối sang bit quang tương ứng trên sợi quang

3.7 Tổng kết chương

Trong chương này tập trung vào kỹ thuật triển khai công nghệ IP trên nền WDM.Phần lớn lưu lượng dữ liệu đi vào mạng là lưu lượng IP Tuy nhiên với tốc độ pháttriển như hiện nay đòi hỏi sự kết hợp linh hoạt giữa các công nghệ Công nghệSONET/SDH cung cấp khả năng ghép kênh phân chia theo thời gian hiệu quả cho các