NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TRUYỀN TẢI IPWDM VÀ ỨNG DỤNG CHO MẠNG ĐƯỜNG TRỤC VNPT

Đề tài : NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TRUYỀN TẢI IPWDM VÀ ỨNG DỤNG CHO MẠNG ĐƯỜNG TRỤC VNPT Nội dung của đề tài được chia thành 3 chương như sau : Chương 1 : Tổng quan về công nghệ truyền tải IP trên quang Chương 2 : Nghiên cứu các giải giải pháp truyền tải IP trên quang Chương 3 : Ứng dụng công nghệ truyền tải IP trên quang cho mạng viễn thông đường trục của VNPT

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài:

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TRUYỀN TẢI IP/WDM VÀ ỨNG DỤNG CHO MẠNG ĐƯỜNG

TRỤC VNPT

Người hướng dẫn : TS Hoàng Văn Võ

Người thực hiện : VĂN HÙNG SƠN

Lớp : D08VT2

Hà Nội 2012

Điểm: (Bằng chữ: )

Hà Nội, ngày tháng năm 2012 Giáo viên hướng dẫn

TS Hoàng Văn Võ

Điểm: (Bằng chữ: )

Hà Nội, ngày tháng năm 2012

Em muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS Hoàng

Văn Võ – thầy giáo hướng dẫn Thầy đã tận tình hướng

dẫn, gợi ý cho em hoàn thành đồ án này Cảm ơn những lời nhận xét quý giá của thầy.

Em xin cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo trong Trường Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông

đã dạy dỗ em kiến thức, cách nghiên cứu, giúp em có thể hiểu và xử lý đề tài theo khả năng của mình.

Em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, những người đã có nhiều động viên, khuyến khích em trong cuộc sống cũng như trong học tập.

Cuối cùng, em muốn gửi lời cảm ơn tới tất cả những người đã hỗ trợ và giúp đỡ em trong quá trình hòan thành quyển đồ án này

12 năm 2012

VĂN HÙNG SƠN

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ 1

1.1 Cơ sở khoa học của giải pháp IP trên quang 2

1.1.1 Xu thế phát triển dịch vụ truyền thông trên thế giới 2

1.1.2 Xu thế phát triển công nghệ trên thế giới 2

1.2 Xu hướng phát triể mạng IP trên WDM 4

1.2.1 Giai đoạn đầu IP/SDH/WDM 5

1.2.2 Giai đoạn thứ hai IP/SDH/WDM 6

1.2.3 Giai đoạn ba IP trên DWDM 6

CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ TRUYỀN TẢI IP TRÊN QUANG 1

2.1 Công nghệ IP 1

2.1.1 Phiên bản IPv4 2

2.1.1.1 Cách tổ chức địa chỉ IPv4 2

2.1.1.2 Nhược điểm của IPv4 3

2.1.1.3 Cảnh báo về khả năng IPv4 sẽ cạn kiệt tài nguyên 3

2.1.2 Phiên bản IPv6 4

2.1.2.1 Phân loại địa chỉ IPv6 4

2.1.2.2 Các đặc tính vượt trội của IPv6 so với IPv4 4

2.1.2.3 Các phương pháp chuyển đổi từ IPv4 sang IPv6 5

2.1.2.4 IPv6 ứng dụng cho IP/WDM 6

2.2 Công nghệ WDM 6

2.2.1 Nguyên lý cơ bản của ghép kênh WDM 6

2.2.2 Các đặc điểm của công nghệ WDM 8

2.2.3 Các thành phần cấu thành hệ thống WDM 9

2.2.3.1 Nguồn phát quang 9

2.2.3.2 Bộ thu quang 9

2.2.3.3 Bộ tách ghép bước sóng quang 9

2.2.3.4 Bộ lọc quang 11

2.2.3.5 Bộ đấu nối chéo quang OXC 11

2.2.3.6 Bộ xen/rẽ quang OADM 11

2.2.3.7 Hệ thống chuyển mạch quang 11

2.2.3.8 Bộ khuếch đại quang sợi 11

2.2.3.9 Các chủng loại sợi quang 11

2.3 Các giải pháp truyền tải IP trên quang 11

2.3.1 Các giải pháp truyền tải IP trên quang 11

2.3.3 So sánh các giải pháp truyền tải IP trên quang 11

2.3.4 So sánh và đánh giá giữa các giải pháp 11

2.3.4.1 Đánh giá giải pháp IP/ATM/WDM 11

2.3.4.2 Đánh giá giải pháp IP/ SDL/SDH/WDM 11

2.3.4.3 Đánh giá giải pháp IP/ SDH/WDM 11

2.3.4.4 Đánh giá giải pháp IP/GbE/WDM 11

2.3.4.5 Đánh giá giải pháp IP/WDM 11

2.3.4.6 Đánh giá giải pháp IP trực tiếp trên sợi quang 11

2.3.5 Các mô hình giải pháp mạng IP/WDM 11

2.3.5.1 Mô hình giải pháp mạng IP/WDM ngang hàng 11

2.3.5.2 Mô hình giải pháp mạng IP/WDM xếp chồng 11

2.3.5.3 Mô hình giải pháp mạng IP/WDM lai 11

2.3.5.4 So sánh các mô hình giải pháp mạng IP/WDM 11

2.3.6 Các phương pháp định tuyến trong mạng IP/WDM 11

2.3.6.1 Phương pháp định tuyến tích hợp 11

2.3.6.2 Phương pháp định tuyến địa chỉ vùng 11

2.3.6.3 Phương pháp định tuyến chồng lấn 11

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ IP TRÊN QUANG VÀO MẠNG VIỄN THÔNG ĐƯỜNG TRỤC VNPT 11

3.1 Hiện trạng mạng truyền tải IP/WDM trên mạng đường trục của VNPT 11

3.1.1 Hạ tầng mạng viễn thông đường trục hiện tại 11

3.1.2 Hạ tầng mạng liên quan tới việc ứng dụng 11

3.1.2.1 Mạng truyền dẫn quang liên tỉnh 11

3.1.2.2 Mạng truyền dẫn quang nội hạt 11

3.1.2.3 Các cổng quang kết nối quốc tế 11

3.1.2.4 Hạ tầng mạng NGN của VNPT 11

3.1.2.5 Hạ tầng mạng chuyển mạch hiện tại 11

3.1.2.6 Hạ tầng và sự phát triển mạng Internet Việt Nam 11

3.1.2.6.2 Hiện trạng nhu cầu Internet ADSL 11

3.1.3 Hiện trạng mạng cáp quang của VNPT 11

3.1.4 Một số thiết bị trong mạng truyền tải IP 11

3.1.4.1 Thiết bị chuyển mạch (lớp 2) 11

3.1.4.2 Thiết bị định tuyến (lớp 3) 11

3.2 Đề xuất giải pháp ứng dụng IP trên quang vào mạng viễn thông đường trục của VNPT 11

3.2.2 Giải pháp mạng đường trục mục tiêu sau năm 2013 11

3.2.2.1 Về tiêu phát triển mạng trục 11

3.2.2.2 Phân tích và chọn chọn giải pháp áp dụng 11

3.3 Xây dựng lộ trình ứng dụng công nghệ IP trên quang cho mạng viễn thông đường trục của VNPT 11

3.3.1 Các bước chuyển đổi trong mạng trục 11

3.3.1.1 Chuyển đổi mặt số liệu 11

3.3.1.2 Chuyển đổi mặt quản lý và điều khiển 11

3.3.2 Chuyển đổi trong lớp mạng IP 11

3.3.2.1 Giai đoạn tới năm 2013 11

3.3.2.2 Giai đoạn 2013-2015 11

3.3.2.3 Giai đoạn sau 2015 11

KẾT LUẬN 11

TÀI LIỆU THAM KHẢO 11

AAL ATM Adaptation Layer Lớp thích ứng ATM

NMS Network Management Station Trạm quản lý mạng

Maintaince and Provisioning

Các chức năng vận hành, quản lý, bảo dưỡng và giám sát

Hình 2.1 : Mô hình phân lớp địa chỉ IP 2

Hình 2 2 : Các phương thức chuyển đổi IPv4 sang IPv6 5

Hình 2.3 : a) Hệ thống WDM một hướng 7

Hình 2.3 :b) Hệ thống WDM song hướng 7

Hình 2.4 : Diode tách quang p – n 9

Hình 2.5 : Thiết bị phân tán góc 10

Hình 2.6 : Thiết bị ghép sợi 11

Hình 2.7 : Bộ lọc màng mỏng điện môi có nhiều khoang cộng hưởng 11

Hình 2.8 : Bộ đấu chéo quang OXC 11

Hình 2.9 : Cấu trúc của bộ xen rẽ quang OADM 11

Hình 2.10 : Giản đồ năng lượng của ion Er3+ trong sợi quang Silica 11

Hình 2.11 Các giải pháp IP trên quang qua từng giai đoạn phát triển 11

Hình 2.12 Mô hình phân lớp thích ứng IP trên quang của 3 giai đoạn phát triển 11

Hình 2.13 Phân lớp giải pháp IP/ATM/SDH/WDM 11

Hình 2.14 Giải pháp mạng khả thi sử dụng IP/ATM/SDH/WDM 11

Hình 2.15 : Phân lớp giải pháp IP/ATM/WDM 11

Hình 2.16 : Sơ đồ đấu nối thiết bị theo IP/SDH/WDM 11

Hình 2.17 : Phân lớp giải pháp IP/SDH/WDM 11

Hình 2.18 : Phân lớp giải pháp IP/SDL/WDM 11

Hình 2.19 : Sơ đồ đầu nối của mạng truyền tải IP/GbE/WDM 11

Hình 2.20 : Khung Gigabit Ethernet 11

Hình 2.21 : Phân lớp giải pháp IP/NG-SDH/WDM 11

Hình 2.22: Phân lớp giải pháp IP/MPLS/WDM 11

Hình 2.23 : Giả pháp phân lớp IP/WDM 11

Hình 2.24 : Giải pháp IP trực tiếp trên sợi quang 11

Hình 2.25 : Mô hình mạng IP/WDM ngang hàng 11

Hình 2.26 : Mô hình mạng IP/WDM xếp chồng 11

Hình 2.27 : Mô hình giải pháp mạng IP/WDM lai 11

Hình 2.28 : Sơ đồ định tuyến tích hợp trong mạng IP/WDM 11

Hình 2.29 : Sơ đồ định tuyến địa chỉ vùng trong mạng IP/WDM 11

Hình 3.1 Sơ đồ logic mạng IP Core VN2 11

Hình 3.2 Sơ đồ kết nối vật lý mạng VN2 11

Hình 3.3 Sơ đồ mạng truyền dẫn quang DWDM-240Gbps 11

Hình 3.6 : Hạ tầng kết nối giữa mạng NGN và mạng PSTN của VNPT 11

Hình 3.7 : Cấu trúc phân cấp mạng chuyển mạch viễn thông VNPT hiện tại 11

Hình 3.8 : Lược đồ thị phần Internet giữa các ISP tính đến 01/2012 11

Hình 3.9 : Cấu hình triển khai ADSL trong mạng viễn thông của VNPT 11

Hình 3.10 : Cấu trúc mạng trục và IAPs 11

Hình 3.11 : Cấu trúc mạng trục ISP hiện tại 11

Hình 3.12 : Mạng quang đường trục mặt phẳng 2 sử dụng IP/MPLS/DWDM 11

Hình 3.13: Bộ định tuyến đường trục Internet M160 của Juniper 11

Hình 3.14 : Mạng Internet đường trục sử dụng bộ định tuyến Cisco 7200 11

Hình 3.15 : Bộ định tuyến Cisco7200 VXR 11

Hình 3.16 : Bộ định tuyến Cisco dòng 7500 và mạng kết nối 11

Hình 3.17 : Mạng internet sử dụng bộ định tuyến Cisco 3600 11

Hình 3.18 : Vị trí của mạng đường trục trong mạng tổng thể của VNPT 11

Hình 3.19: Cấu hình mạng quang đường trục tới năm 2013 11

Hình 3.20: Giải pháp điểm truy nhập POP-trục điển hình giai đoạn tới 2013 11

Hình 3.21 : Cấu trúc mạng trục mục tiêu sau năm 2013 của VNPT 11

Hình 3.22 : Giải pháp điểm truy nhập trục sau năm 2013 11

Hình 3.23 : Giải pháp mạng chuyển mạch quang mục tiêu cho mạng trục 2013 11

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Các bước sóng bơm quang 11

Bảng 2.2 : Khả năng duy trì của các lớp mạng trong giải pháp IP/ATM/SDH/WDM 11

Bảng 2.3 So sánh 3 mô hình giải pháp mạng IP/WDM 11

Bảng 3.1: Bảng giải pháp kết nối trong mạng Internet của 3 lớp 1,2,3 11

Bảng 3.2 : Lưu lượng các hướng kết nối quốc tế của Internet Việt nam (2012) 11

Trong nhiều thập niên gần đây (1970 – 2012), nhờ có sự phát triển của công nghệ tin học - viễn thông mà nền kinh tế (văn minh nhân loại) phát triển mạnh mẽ như hiện nay và giúp loài người khám phá - chinh phục tự nhiên Kéo theo đó, nhu cầu trao đổi thông tin, giải trí của con người ngày càng gia tăng Đòi hỏi các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông phải không ngừng nghiên cứu phát triển để đổi mới cả

về chất lượng, số lượng các dịch vụ mới: truyền hình trực tuyến, trò chơi trực tuyến, truyền số liệu, VoiceIP, Internet Càng ngày, số lượng người sử dụng internet và nhiều dịch vụ viễn thông mới một tăng dẫn đến sự bùng nổ lưu lượng thông tin ngày càng tăng Chính vì vậy, việc đầu tư nghiên cứu để tìm ra các giải pháp nhằm tăng lưu lượng đường truyền, và nâng cao hiệu suất mạng luôn được sự quan tâm của các nhà cung cấp dịch vụ nhằm đáp ứng được yêu cầu của khách hàng.

Thực tế đã cho thấy, việc sử dụng mạng lõi dùng cáp sợi quang là giải pháp hiệu quả nhất Bởi vì, cáp sợi quang với công nghệ WDM có băng thông rất lớn (tới hàng Tera Bit) và chi phí đầu tư không cao Do đó, cho tới nay mạng cáp quang đã được triển khai rộng khắp trên toàn thế giới và mạng này đảm nhận việc truyền phần lớn lưu lượng thông tin trao đổi toàn cầu Lưu lượng thông tin trong

đó phần lớn đều xuất phát từ mạng internet, sử dụng các gói tin IP Hiện nay, để truyền các gói IP được thông qua sợi cáp quang cần rất nhiều bước trung gian như sau: IP/ATM/SDH/WDM (sợi quang), qua nhiều bước trung gian tất yếu sẽ kéo theo việc tăng lượng thông tin dư thừa (giảm hiệu suất mạng), tăng chi phí đầu tư mạng, phức tạp quản lý-điều hành Với cách tiếp cận đó, các nhà cung cấp dịch

vụ, các nhà khoa học, các tổ chức viễn thông quốc tế đã đề xuất nhiều giải pháp truyền tải gói tin IP trên quang, nhằm thống nhất điều khiển việc truyền gói tin IP qua WDM hiệu quả và đơn giản hơn.

Nhận thấy giải pháp truyền tải IP trên quang (WDM) là giải pháp hữu hiệu và khả dụng cho mạng viễn thông thế giới nói chung, mạng đường trục của Việt Nam

nói riêng Vì vậy em đã chọn đề tài: “Nghiên cứu công nghệ truyền tải IP trên quang (IP/WDM) và ứng dụng cho mạng viễn thông đường trục của VNPT”

cách trình bày cơ sở khoa học và xu hướng phat triển của công nghệ truyền tải IP trên quang, nhằm giúp độc giả dễ tiếp cận với đề tài Cuối cùng trình bày khái quát các giai đoạn phát triển của công nghệ truyền tải IP trên quang hiện có trên thế giới.

Chương 2 : Nghiên cứu các giải giải pháp truyền tải IP trên quang: Chương

này sẽ giới thiệu chung về công nghệ IP (IPv4, IPv6, cách thức chuyển dần từ IPv4 sang IPv6, IPv6 cho truyền tải IP trên quang), về công nghệ truyền tải quang (ghép kênh đa bước sóng WDM, các thành phần cấu thành mạng truyền tải quang, các kỹ thuật chuyển mạch quang cho mạng IP trên quang) Sau đó trình bày chi tiết (nguyên lý, kiến trúc, định tuyến, vấn đề lưu lượng ) từng giải pháp truyền trải IP trên quang đã liệt kê Đồng thời, tiến hành so sánh các giải pháp này để chọn lựa

ra giải pháp phù hợp cho mạng viễn thông đường trục của VNPT Vì vậy, chương 2 còn được coi là cơ sở cho chương 3 để ứng dụng công nghệ một cách hiệu quả nhất.

Chương 3 : Ứng dụng công nghệ truyền tải IP trên quang cho mạng viễn thông đường trục của VNPT : Đây được coi là chương quan trọng và có ý nghĩa

nhất của đồ án Bởi vì, đó chính là kết quả của việc nghiên cứu khoa học đạt được của đồ án (đề xuất giải pháp áp dụng, xây dựng lộ trình áp dụng) Trên sở cứ khoa học đó là: vận dụng các cơ sở đã trình bày trong 2 chương trên, phân tích hiện trạng mạng viễn thông của VNPT.

Tóm lại, đề tài nghiên cứu công nghệ truyền tải IP trên quang tuy không phải

là ý tưởng mới, nhưng cũng mang lại nhiều ý nghĩa trong việc tiếp tục nghiên cứu giải pháp truyền tải IP trên quang Bởi vì, vấn đề cần giải quyết trong đó để đưa đến mạng toàn quang (IP/WDM) cho tới nay vẫn chưa được thực tế hoá Trong nội dung của đồ án chắc sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong quý thầy cô

và các bạn đọc quan tâm, đóng góp ý kiến, để đồ án được hoàn thiện hơn.

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ

TRUYỀN TẢI IP TRÊN QUANG

Cùng với sự ra đời và phát triển của nền kinh tế tri thức, sự phát triển bùng nổ củalưu lượng IP cũng như công nghệ truyền dẫn IP băng rộng/tốc độ cao có khả năngtruyền tải được tất cả các dịch vụ truyền thông hay dữ liệu làm cho truyền tải IPđang trở thành phương thức truyền tải chính (all IP) trên cơ sở hạ tầng truyền tảithông tin hiện nay cũng như trong tương lai

Sự tăng trưởng theo cấp số nhân của luồng lưu lượng IP được kết hợp với sự tăngtrưởng lớn mạnh liên tục của việc sử dụng mạng Internet diện rộng, sự hội tụ nhanhchóng của các dịch vụ IP tiên tiến, khả năng kết nối đơn giản, dễ dàng và linh hoạt

đã tạo ra một sự dịch chuyển mang tính đột biến trong quá trình phát triển của mạngtruyền thông Sự dịch chuyển này không chỉ xảy ra trên lĩnh vực nội dung mà còn ởcách thức của truyền tải lưu lượng Nó đã làm thay đổi hoàn toàn quan điểm thiết kếcủa các mạng truyền thông

Bên cạnh sự phát triển mạng mẽ của công nghệ IP, ngày nay công nghệ thông tinquang ngày càng phát triển mạnh mẽ Đặc biệt, khi công nghệ truyền dẫn quangghép kênh theo bước sóng -WDM (Wavelength Division Multilexing), mà giai đoạntiếp theo của nó là ghép kênh quang theo bước sóng mật độ cao - DWDM (DenseWavelength Division Multilexing), ra đời với những ưu điểm vượt trội về băngthông rộng/tốc độ lớn (tới hàng ngàn Terabit) và chất lượng truyền dẫn cao cũng tạonên một sự phát triển đột biến trong công nghệ truyền dẫn

Từ sự bùng nổ lưu lượng IP cùng sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ IP và côngnghệ thông tin quang đã tạo nên một cuộc cách mạng trong mạng truyền tải của cácmạng truyền thông Kết hợp hai công nghệ mạng này trên cùng một cơ sở hạ tầngmạng tạo thành một mạng viễn thông linh hoạt, dung lượng cực lớn, chất lượng cao

và nhiều cấp độ dịch vụ Đó chính là mạng tích hợp IP trên WDM, một xu thế tấtyếu trong mạng viễn thông thế giới Ngày nay, trong hầu hết các kiến trúc mạng

viễn thông đề xuất cho tương lai trên thế giới người ta đều thừa nhận sự thống trịcủa công nghệ truyền dẫn IP trên quang.

1.1 Cơ sở khoa học của giải pháp IP trên quang

1.1.1 Xu thế phát triển dịch vụ truyền thông trên thế giới

Chuyển từ thoại sang dữ liệu với IP là chủ đạo:

Trước kia, trao đổi thông tin thoại là chủ yếu, còn dữ liệu truyền dẫn trên kênhthoại là thứ yếu Do vậy, người ta thiết kế các mạng viễn thông chủ yếu là để truyềnthoại, còn số liệu được truyền dẫn trên kênh thoại data over voice

Ngày nay, do sự bùng nổ nhu cầu sử dụng Internet đã khiến cho nhu cầu traođổi thông tin tăng, lưu lượng từ các dịch vụ trên nền IP tăng rất nhanh Chứng tỏviệc truyền dữ liệu lại là chủ yếu, thông tin thoại là thứ yếu hoặc có thể truyền thoạithông qua số liệu Voice over data: Voice-IP Theo số liệu thống kê trên thế giớitrong 7 năm qua, lưu lượng Internet đã tăng 86% mỗi năm, hơn 6 lần tốc độ pháttriển của lưu lượng thoại Hiện khoảng 78% dân số EU kết nối Internet Các nướcChâu Á tuy tỷ lệ kết nối Internet hiện còn thấp, nhưng đang rất nhanh cùng với sốlượng máy tính có kết nối internet tăng nhanh, đặc biệt là các thị trường tiềm năngnhư Trung Quốc, Ấn Độ, Singapore, Việt Nam Như vậy, cần thiết phải luôn luônnghiên cứu thiết kế mạng để truyền số liệu là chính và nâng cao lưu lượng mạng

Xu hướng phát triển các dịch vụ băng rộng, tốc độ cao trên nền giao thức IPnhư: IPTV, thương mại điện tử, VOIP, VSAT-IP…

1.1.2 Xu thế phát triển công nghệ trên thế giới

Trong quá khứ, công nghệ truyền thông tin thoại là chủ yếu, các dữ liệu là thứyếu và cũng được truyền thông trên kênh thoại (data over voice) Ngày nay, côngnghệ truyền dẫn dữ liệu lại là chủ yếu, còn thoại là thứ yếu và thông tin thoại đượctruyền trên các kênh dữ liệu (voice over data)

Đặc biệt, sự ra đời của giao thức IPv6 giúp cho Internet có tốc độ cao hơn, dễdàng mở rộng mạng lớn hơn và phát triển nhiều dịch vụ chất lượng tốt hơn Đồngthời, sự ra đời của công nghệ ghép kênh đa bước sóng (WDM) – một công nghệcho phép nâng cao dung lượng truyền dẫn của tuyến quang tới hàng Terabit/s, chấtlượng cao Kết hợp hai công nghệ này trên một mạng sẽ mang lại một mạng viễn

thông linh hoạt, dung lượng cực lớn, chất lượng cao và nhiều cấp độ dịch vụ Đóchính là mạng tích hợp IP trên quang Một xu thế tất yếu trong mạng viễn thông thếgiới

Công nghệ truyền tải IP có nhiều điểm ưu việt so với công nghệ truyền dẫnkênh truyền thống Bởi vì, nó là hình thức truyền dẫn thông tin theo các gói nênđịnh tuyến các gói tin là độc lập nhau, hiệu suất sử dụng tài nguyên mạng cao, quản

lý đơn giản, khai thác dễ dàng và nó sẽ là xu hướng phát triển tất yếu Ngoài ra,công nghệ vật liệu chế tạo sợi quang, chuyển mạch quang, tin học luôn là nền tảngcho sự phát triển của các kỹ thuật tiên tiến mới

1.1.3 Xu thế chế tạo, áp dụng công nghệ của các nhà chế tạo và các tổ chức viễn thông Quốc tế

Nhằm đáp ứng được nhu cầu sử dụng băng thông, các dịch vụ mới của kháchhàng, đòi hỏi các nhà viễn thông và các tổ chức viễn thông phải luôn nỗ lực đầu tưnghiên cứu các phương thức truyền dẫn hiệu quả Với những lợi ích kinh tế củacông nghệ IP trên quang mang lại, đẩy mạnh việc nghiên cứu ứng dụng nhanhchóng công nghệ này vào mạng truyền dẫn của mình là một tất yếu Cụ thể, vớiDWDM cho phép ghép STM-16 (2,5 Gbps) hay STM-64 (10 Gbps) kênh thoại dướidạng bước sóng để truyền dẫn song song trên một sợi cáp quang

Một số nhà cung cấp cho rằng các chức năng của tầng truyền dẫn đồng bộATM hay tầng SDH - các thành phần chính trong cơ sở hạ tầng của nhiều mạng -cần nên loại bỏ để tiến tới tầng IP trực tiếp trên tầng quang Vì điều này, dẫn đếnloại bỏ được một số phần cứng và giảm chi phí vận hành mạng, cơ sở hạ tầng củamạng sẽ có giá thành thấp và đơn giản hơn Tất nhiên nó không đúng cho mọitrường hợp, cụ thể là đối với các nhà cung cấp còn sử dụng các dịch vụ ATM hayTDM

Đối với các tổ chức viễn thông quốc tế, Tổ chức kỹ thuật internet (IETF) luônnghiên cứu, cải tiến để tìm ra những phương pháp truyền dẫn IP trên mạng quanghiệu quả hơn, để quy chuẩn thống nhất cho các hãng sản xuất Đặc biệt, nhóm làmviệc về chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS (MultiProtocol Label Switching) đã

đề xuất việc mở rộng để có thể thực hiện được tại các kết nối chéo quang OXC(Optical Cross Connect) và được gọi là chuyển mạch bước sóng đa giao thức MPλSS(MultiProtocol Lambda Switching) Ngoài ra, còn nhiều tổ chức khác : Diễn đàn kết

nối mạng quang (OIF), Kết nối song hướng dịch vụ miền quang (ODSI) và Liênhiệp viễn thông quốc tế (ITU) cũng đang nỗ lực nghiên cứu để nhanh chóng tiến tớimạng toàn quang Vì thế, IP trên DWDM đang nhận được sự quan tâm của các nhànghiên cứu, các nhà sản xuất cũng như các tổ chức viễn thông trên thế giới.

1.1.4 Xu thế phát triển của mạng viễn thông VNPT

Sớm nhận định được xu thế phát triển mạng viễn thông của thế giới, Tập đoànBưu chính cũng đã xác định xu thế phát triển mạng viễn thông của mình tuân theo

xu hướng chung của thế giới: Tiến tới mạng toàn quang trong tương lai Hiện tại,Tập đoàn đã có nhiều công trình nghiên cứu công nghệ IP trên quang áp dụng vàomạng tổng công ty, đặc biệt là mạng viễn thông đường trục và liên tỉnh

Chính vì vậy, việc nghiên cứu công nghệ IP trên quang và áp dụng để phát triển cho mạng viễn thông Viêt nam nói chung và mạng đường trục nói riêng là rất cần thiết Do đó, đề tài nghiên cứu này hoàn toàn có sở cứ khoa học.

1.2 Xu hướng phát triể mạng IP trên WDM

IP trực tiếp trên quang là một xu thế tất yếu thay thế mạng viễn thông thực tế.Song để hiện thực hoá điều này cần phải trải qua nhiều giai đoạn để tương ứng với

sự phát triển của công nghệ viễn thông, công nghệ tin học và phù hợp với sự tồn tạicủa mạng viễn thông hiện tại

Quá trình này được chia ra làm 3 giai đoạn và được minh hoạ trong hình 1.1

WDM

ATM

SDH

C¸c luång thuª riªng C¸c kªnh thuª riªng

Frame relay C¸c dÞch vô Internet Kªnh b íc sãng thuª riªng

Hình 1.1 Các giai đoạn phát triển IP trên quang

1.2.1 Giai đoạn đầu IP/SDH/WDM

Đây là giai đoạn đầu tiên trong công nghệ truyền tải IP trên quang Theo hình

vẽ, các gói IP trước khi đưa vào mạng truyền tải quang phải thực hiện chia cắtthành các tế bào ATM Sau đó khi xuống tầng SDH, các tế bào ATM được sắp xếp

và các khung VC-n đơn hay khung nối móc xích VC-n-Xc Cuối cùng các luồngSDH được ghép kênh quang và truyền trên sợi quang Tới bên đích, quá trình nàylại được thực hiện ngược lại để khôi phục lại các gói IP

WDM SDH

ATM

C¸c luång thuª riªng C¸c kªnh thuª riªng

Frame relay C¸c dÞch vô Internet Kªnh b íc sãng thuª riªng

ATM

C¸c luång thuª riªng C¸c kªnh thuª riªng

Frame relay C¸c dÞch vô Internet Kªnh b íc sãng thuª riªng

Như vậy, trong mạng có sự tham gia của nhiều tầng IP, ATM, SDH, WDM do

đó chi phí cho lắp đặt, vận hành, bảo dưỡng là còn cao và hiệu suất truyền chưa cao.Tuy nhiên, khi mà công nghệ của các bộ định tuyến còn hạn chế về mặt tốc độ,dung lượng thì việc xử lý truyền dẫn IP trên quang thông qua ATM và SDH vẫn cólợi về mặt kinh tế và đáp ứng được thực tế

1.2.2 Giai đoạn thứ hai IP/SDH/WDM

So với giai đoạn 1, tầng ATM đã bị loại bỏ và các gói IP được chuyển trựctiếp xuống tầng NG-SDH Như vậy, đã loại bỏ được các chức năng, sự hoạt động vàchi phí bảo dưỡng cho riêng mạng ATM Điều này có thể thực hiện được khi bộđịnh tuyến IP đã được chế tạo thành công, có những ưu điểm vượt trội so vớichuyển mạch ATM về mặt tính năng, dung lượng Router IP là phương tiện có chứcnăng định hướng cho đơn vị truyền dẫn ưu việt: gói IP

Trong giai đoạn này, việc có thêm kỹ thuật MPLS bổ sung vào tầng IP sẽ xuấthiện hai khả năng mới Thứ nhất, nó cho phép thực hiện kỹ thuật lưu lượng nhờ vàokhả năng thiết lập kênh ảo VC - giống như các đường cụ thể trong mạng chỉ gồmcác router IP Thứ hai, MPLS tách riêng mặt điều khiển ra khỏi mặt định hướng nêncho phép giao thức điều khiển IP quản lý trạng thái thiết bị mà không yêu cầu xácđịnh rõ biên giới của các IP datagram Như vậy, có thể dễ dàng xử lý đối với các IPdatagram có độ dài thay đổi

1.2.3 Giai đoạn ba IP trên DWDM.

Trong giai đoạn này, tầng SDH cũng bị loại bỏ và IP datagram được chuyểntrực tiếp xuống tầng quang Như vậy, có ít phần tử mạng phải quản lý hơn và việcđiều khiển được thống nhất Sự kết hợp IP phiên bản mới IPv6 với khả năng khôiphục của tầng quang, các thiết bị OAM&P và chức năng định tuyến phân bố đã tạo

ra khả năng phục hồi, phát hiện lỗi và giám sát nhanh Mỗi giao thức IP sẽ tươngứng có một bước sóng tương ứng

Trong giai đoạn này có thể sử dụng giải pháp IP/GMPLS/DWDM, để thựchiện thêm chức năng quản lý cơ sở hạ tầng các mạng viển thông và thực hiện chứcnăng điều khiển IP/DWDM

Trong tương lai, sự thống nhất của mạng IP và mạng quang nhờ sử dụng các

bộ định tuyến IP hoạt động ở tốc độ Gbps hay Tbps phù hợp với giao diện quangtốc độ cao, cũng như các thiết bị truyền dẫn DWDM có kích thước và cấu hình khácnhau sẽ tạo ra mạng có nhiều điểm ưu việt mang lại lợi ích kinh tế cao và đáp ứngđược nhu cầu lưu lượng thông tin của nhân loại

CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ TRUYỀN TẢI IP TRÊN QUANG

Trong những năm gần đây, nhu cầu sử dụng internet ngày càng cao, với tốc độphát triển nhanh của lưu lượng Internet và sự gia tăng không ngừng số người sửdụng Internet là tác nhân chính làm thay đổi mạng viễn thông truyền thống mà đượcxây dựng tối ưu cho dịch vụ thoại và thuê kênh Đồng thời, công nghệ mạng truyềndẫn quang đã có những thành tựu rất lớn, đặc biệt là công nghệ ghép kênh đa bướcsóng mật độ cao (DWDM) cho phép tốc độ đường truyền lên tới Tera bit/s Do vậy,DWDM đang được chọn lựa và ứng dụng trong mạng quang viễn thông đường trụctoàn cầu

Như vậy, mỗi một công nghệ đều có một ưu điểm rất lớn trong việc đáp ứngnhu cầu phát triển rất nhanh các dịch vụ viễn thông hiện nay Kết hợp hai công nghệmạng này trên cùng một cơ sở hạ tầng mạng sẽ mang lại lợi ích rất cao về kinh tế vàđáp ứng được yêu cầu của khách hàng Đề tài này, đã được sự quan tâm của nhiềunhà khoa học, nhà cung cấp dịch vụ và các tổ chức viễn thông quốc tế Hiện đã cónhiều giải pháp liên quan đến vấn đề làm thế nào truyền tải các gói IP qua môitrường sợi quang

IP trực tiếp trên sợi quang đang được đánh giá là một xu thế tất yếu thay thếmạng viễn thông thực tế Song để hiện thực hoá điều này cần phải trải qua nhiềugiai đoạn để tương ứng với sự phát triển của công nghệ vật liệu, công nghệ tin học,phù hợp với mạng viễn thông hiện tại Cụ thể sẽ phát triển theo hai hướng : Thứnhất, giữ lại công nghệ hiện có (theo tính lịch sử), dàn xếp các tính năng phù hợpcho lớp mạng trung gian như ATM và SDH để truyền tải gói IP trên mạng WDM.Thứ hai xây dựng mạng mới trên cơ sở công nghệ và giao thức mới như MPLS,GMPLS, SDL, Ethernet…

2.1 Công nghệ IP

Giao thức IP (Internet Protocol) đã được phát minh cách đây khoảng 31 năm,được đưa vào sử dụng cách đây 25 năm IP nguyên bản là giao thức IP sử dụng chomạng Internet Mạng truyền thông kết nối toàn cầu và được coi là kho thông tinkhổng lồ mà ai cũng có thể truy nhập từ một số trang web đặc biệt sử dụng cho mục

đích riêng Ngày nay, giao thức IP được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhưthoại, mobile, video…

Hiện nay, có hai phiên bản giao thức IP : IP version 4 (IPv4) và IP version 6(IPv6) Chương này sẽ tìm hiểu về hai giao thức IP này, trên cơ sở đó làm nền tảngkiến thức tiếp cận cho việc phát triển công nghệ IP trên quang

2.1.1 Phiên bản IPv4

2.1.1.1 Cách tổ chức địa chỉ IPv4

Trong giao thức IPv4, sử dụng việc đánh địa chỉ IP cho từng máy để phân biệt

- nhận dạng sự hiện diện của máy trạm trên mạng, với 32bit (chia làm 4 Octet) đểđánh địa chỉ (logic) cho các máy, do tổ chức IAB quản lý Ngoài ra, còn có các kháiniệm về địa chỉ vật lý là phần duy nhất trong 1 mạng LAN hay WAN và địa chỉcổng để gán nhãn cho các dịch vụ đồng thời

32 bit địa chỉ IP được phân thành các lớp như sau :

Hình 2.1 : Mô hình phân lớp địa chỉ IP.

Lớp A : cho phép định danh 27 – 2 mạng và tối đa 224 – 2 host trên mỗi mạng Lớp

Lớp D : WDM dùng để gửi datagram tới một nhóm các host trên một mạng.

Lớp E : dự phòng để dùng cho tương lai.

Như vậy, mỗi địa chỉ IP là một cặp net ID và host ID với net ID xác định mộtmạng và host ID xác định một máy trên mạng đó Khi IP có host ID = 0 thì nó sẽđược dùng để hướng tới mạng định danh bởi vùng net ID Ngược lại, host ID gồmtoàn số 1 thì được dùng để hướng tới tất cả các host nối vào mạng được định danhnet ID, và nếu vùng net ID cũng gồm toàn số 1 thì nó hướng tới tất cả các host trêntất cả các mạng

2.1.1.2 Nhược điểm của IPv4.

Mặc dù, phiên bản IPv4 đã được ứng dụng rộng rãi và thực sự đã góp phầnquan trọng trong việc phát triển mạng internet, nhưng với sự phát triển chóng mặtcủa Internet, tới nay IPv4 không còn phù hợp với nhu cầu thực tế với một số lý dosau :

- Không gian địa chỉ sắp cạn kiệt, đặc biệt là địa chỉ lớp B

- Cấu trúc bảng định tuyến không phân lớp

- Mạng truyền dẫn Internet yêu cầu về thời gian thực cao trong truyền dẫn hìnhảnh, âm thanh và do ngày càng có nhiều dịch vụ khác nhau sử dụng IP

2.1.1.3 Cảnh báo về khả năng IPv4 sẽ cạn kiệt tài nguyên.

Sự phổ dụng của điện thoại thông minh, truyền hình trực tuyến (IPTV) vàcác thiết bị kết nối Internet đang làm giao thức Internet hiện tại nhanh chóng hết tàinguyên Hơn nữa, chuẩn IPv4 hạn chế các dịch vụ nội dung đa phương tiện và liênkết dữ liệu, như địa chỉ IP cho điện thoại, P2P và các cuộc gọi video Theo ước tínhcủa công ty nghiên cứu thị trường IDC, đến năm 2014, sẽ có 17 tỷ thiết bị kết nối

Internet “2014 cũng là thời điểm chuẩn IPv4 hết nguồn tài nguyên địa chỉ web.

Đến khoảng năm 2016 và 2020 thì điều này chắc chắn xảy ra”, Sam Masud, nhà

phân tích cao cấp của Frost & Sullivan, đồng tình Mặc dù một số công ty đã rậmrịch chuyển sang chuẩn IPv6 nhưng lại gặp nhiều khó khăn về việc chuyển đổi ứngdụng, quản lý mạng, vận hành và kể cả việc đào tạo nhân viên

Theo Cục quản lý và ngân sách Mỹ, đến giữa năm 2013, tất cả các mạng sẽphải có khả năng nhận và gửi các gói dữ liệu IPv6 Tuy nhiên, Viện công nghệ và

chuẩn mực quốc gia (NIST) dự đoán, chỉ 30% mạng hỗ trợ chuẩn Internet mới nàyvào năm 2015, và 6 năm nữa mới có 50% người dùng sử dụng mạng này Mặc dùIPv4 sẽ không biến mất ngay lập tức nhưng các nhà cung cấp Internet cần phải xâydựng các chiến lược nâng cấp Tất cả các ứng dụng giao tiếp trên IP sẽ phải điềuchỉnh để tương thích với IPv6.

2.1.2 Phiên bản IPv6

Khắc phục những thiếu sót trên của IPv4, IPv6 ra đời là một phiên bản chuẩn,hứa hẹn nhiều tính năng nổi trội, phù hợp với việc triển khai IP trên quang Địnhdạng và chiều dài của các địa chỉ IP được thay đổi cho phù hợp với định dạng góitin Các giao thức khác trong lớp mạng như ARP, RARP và IGMP hoặc là được xoá

bỏ hoặc là được thêm vào giao thức ICMP Các giao thức định tuyến như RIP vàOSPF cũng thay đổi để phù hợp với sự biến đổi trên

2.1.2.1 Phân loại địa chỉ IPv6

Địa chỉ IPv6 được phân loại thành 3 loại như sau :

- Unicast : xác định một giao diện duy nhất mà datagram được gửi đến.

- Anycast : xác định một tập hợp các giao diện có thể thuộc các mạng khác nhau

và datagram có thể gửi đến bất kỳ một giao diện nào phù hợp nhất với giá trị đo của giao thức định tuyến

- Multicast : xác định một tập hợp các giao diện có thể thuộc các mạng khác nhau

mà datagram sẽ được gửi đến tất cả các giao diện này

Địa chỉ trong IPv6 chỉ được sử dụng để chỉ đến từng máy (từng giao diện) chứkhông mang thông tin về mạng Vì thế, nó còn khắc phục được nhược điểm của hệthống đánh địa chỉ IPv4 đó là, máy có thể di chuyển đến các mạng khác nhau màkhông cần thực hiện kết nối lại

Biểu diễn địa chỉ IP dưới dạng x : x : x : x : x : x : x : x hay x : x : x : x : x :x:d.d.d.d (sử dụng khi tồn tại cùng với IPv4) Trong đó, x dùng mã cơ số 16 và ddùng mã cơ số 10

2.1.2.2 Các đặc tính vượt trội của IPv6 so với IPv4

- Không gian địa chỉ tăng 4 lần : 128 bit

- Định dạng tiêu đề tốt hơn : IPv6 tách riêng các options với các tiêu đề cơ sở vàđược thêm vào giữa tiêu đề cơ sở và dữ liệu lớp cao hơn khi cần thiết Điều nàylàm cho đơn giản và tăng tốc độ trong quá trình xử lý định tuyến các gói tin.

- Bổ sung nhiều option mới

- Cho phép mở rộng : IPv6 dễ dàng mở rộng giao thức để thích ứng với các côngnghệ và ứng dụng mới

- Hỗ trợ cho định vị tài nguyên : trong IPv6, các trường Type of Service đượcloại bỏ, nhưng một cơ chế (được gọi là Flow Lable) đã được thêm vào để tàinguyên được phép yêu cầu xử lý gói tin một cách đặc biệt Cơ chế này có thểđược sử dụng để hỗ trợ lưu lượng như vấn đề thời gian thực (real time) của âmthanh và hình ảnh

- Hỗ trợ cho tính bảo mật cao hơn : các option về việc mã hoá…trong IPv6 cungcấp độ tin cậy và kiểm tra gói tin

- Hỗ trợ chất lượng dịch vụ QoS

- Tính di động : IPv6 hỗ trợ việc chuyển vùng (roaming)

2.1.2.3 Các phương pháp chuyển đổi từ IPv4 sang IPv6

Mặc dù IPv6 có nhiều tính năng rất nổi trội và hứa hẹn nhiều lợi ích cho việctruyền thông toàn cầu Việc chuyển sang sử dụng IPv6 trong tương lai là một xu thếtất yếu Song hiện nay IPv4 đang được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều hệ thốngtrong mạng Internet và vẫn đang đáp ứng được yêu cầu của người sử dụng thôngthường, nên việc chuyển đổi IPv4 sang IPv6 không thể thực hiện một cách tức thì

mà phải cần một thời gian dài Tổ chức IETF đưa ra 3 phương pháp để làm cho giaiđoạn chuyển đổi này dễ dàng hơn, như được trình bày theo hình dưới

Đường hầm

Các phương thức chuyển đổi

Hình 2 2 : Các phương thức chuyển đổi IPv4 sang IPv6.

2.1.2.4 IPv6 ứng dụng cho IP/WDM

Mục đích chính của việc nghiên cứu giao thức IP là phải xác định xem những gìcần cho mạng và những gì nên loại bỏ để làm cho truyền tải IP trên mạng WDM hiệu

quả hơn Trên cơ sở phân tích trên, IPv6 được coi là phiên bản hợp lý nhất để hiện

thực hoá IP trên mạng WDM Điều này có nghĩa là yêu cầu cơ bản đối với hạ tầng

WDM là phân phối dung lượng truyền tải tin cậy, đó là một trong những điểm giá trịnhất của nó Trong bất kỳ trường hợp nào, sự thích ứng mới giữa IP và WDM cầnđược phát triển và sự thích ứng mới này phải có khả năng dành trước tài nguyên

2.2 Công nghệ WDM.

Mạng viễn thông đường trục xuyên lục địa, vượt đại dương hiện đang sử dụngcáp sợi quang, mạng này đang giữ vai trò chính trong việc truyền tín hiệu trên toàncầu Trong đó, cốt lõi của mạng đường trục hiện đang sử dụng công nghệ WDM,DWDM Đây là một tất yếu vì hệ thống truyền dẫn thông tin quang có nhiều ưuđiểm trội hơn hẳn các hình thức thông tin khác như : băng thông rộng, tốc độ cao,không chịu ảnh hưởng của sóng điện từ Cũng vì vậy mà xu thế trong tương lai, các

hệ thống truyền dẫn thông tin quang sẽ dần thay thế các hệ thống truyền dẫn truyềnthống - sử dụng cáp đồng thông tin

Nhờ có hệ thống truyền dẫn thông tin quang ghép kênh theo bước sóng (WDM)

mà dung lượng, tốc độ, băng thông của hệ thống ngày càng nâng cao DWDM (ghépkênh theo bước sóng mật độ cao) là bước phát triển tiếp theo của WDM, cho phépbăng thông lên tới hàng Tera bit Nguyên lý của nó tương tự như WDM chỉ khác làkhoảng cách giữa các kênh bước sóng gần hơn, tức là số kênh ghép được nhiều hơn,khoảng cách kênh ghép là khoảng 0.4 nm (tương ứng với dải 50GHz)

2.2.1 Nguyên lý cơ bản của ghép kênh WDM

Hiện nay, thông tin quang đã được ứng dụng rộng rãi, đó là các hệ thống cápquang đã được lắp đặt từ trước và đang triển khai Song nguồn tài nguyên đườngtruyền của nó dường như đã cạn kiệt Yêu cầu đặt ra là phải có các giải pháp đểkhắc phục vấn đề này Nếu phải lắp thêm các đường cáp quang mới thì chi phí sẽ rấtcao, do vậy việc tìm ra một cách truyền mới để nâng cao lưu lượng mà vẫn sử dụngtrên đường cáp hiện có là một giải pháp có tính kinh tế cao Mặt khác, sự ra đời củacác loại nguồn quang laser bán dẫn có phổ hẹp cho phép phổ của tia sáng là rất nhỏ

so với băng thông của sợi quang Về mặt lý thuyết, có thể làm tăng dung lượng

truyền dẫn của hệ thống bằng cách truyền đồng thời nhiều tín hiệu quang trên cùng một sợi nếu các nguồn phát có phổ cách nhau hợp lý và ở đầu thu có thể thu được tín hiệu quang riêng biệt khi sử dụng các bộ tách bước sóng Và đây

chính là cơ sở của công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM

WDM có nghĩa là độ rộng băng quang của hệ thống được phân thành các vùng

Các kênh khác nhau độc lập với nhau và truyền với các tốc độ xác định Như vậy,cho phép WDM trong quá trình truyền dẫn được xem như là hệ thống truyền dẫntrong suốt

Bộ ghép kênh

Bộ khuếch đại quang sợi

Bộ tách kênh

Máy thu quang

Máy thu quang

Máy phát quang

Máy phát quang

Bộ khuếch đại quang sợi

Bộ tách kênh

tách kênh quang

Máy thu quang

tách kênh quang Máy phát quang

Máy phát quang

Bộ khuếch đại quang sợi

song độ phức tạp không cao Ngược lại, hệ thống WDM song hướng tuy cần ít thiết

bị, tiết kiệm được 1 sợi quang, xong yêu cầu công nghệ phát triển cao hơn vì khithiết kế gặp phải nhiều vấn đề như can nhiễu nhiều kênh (MPI), ảnh hưởng củaphản xạ quang, cách ly giữa các kênh hai chiều, xuyên âm… Khi công nghệ táchghép kênh, xử lý can nhiễu được triệt tiêu thì hệ thống WDM song hướng sẽ lạimang lại hiệu quả kinh tế cao hơn

2.2.2 Các đặc điểm của công nghệ WDM

▪ Tận dụng tài nguyên dải tần rất rộng của sợi quang

Nếu chưa sử dụng công nghệ WDM, mỗi sợi quang chỉ sử dụng 1 bước sóng.Khi có công nghệ WDM, ghép nhiều bước sóng cùng truyền đồng thời trên 1 sợiquang, làm dung lượng truyền dẫn của sợi quang so với truyền dẫn bước sóng đơntăng từ tới hàng trăm lần Việc truyền dẫn có thể hoàn toàn xong công Điều này, rấthữu ích khi truyền dẫn thông tin đường dài với dung lượng lớn, vì có chỉ cần sửdụng ít sợi quang Tạo khả năng nâng cao dung lượng mạng trên chính hạ tầng sợiquang sẵn có Với điều kiện, hệ thống cũ vẫn còn dư công suất tương đối lớn thì cóthể tăng thêm dung lượng mà không cần thay đổi nhiều đối với hệ thống cũ

▪ Có khả năng đồng thời truyền dẫn nhiều tín hiệu.

Mỗi bước sóng độc lập với nhau nên có thể truyền dẫn nhiều tín hiệu có đặctính hoàn toàn khác nhau Điều này tạo thuận lợi thực hiện việc tổng hợp, phân chiacác dịch vụ viễn thông Bao gồm tín hiệu số và tín hiệu tương tự, tín hiệu PDH vàtín hiệu SDH, truyền dẫn tín hiệu đa phương tiện (thoại, số liệu, đồ hoạ, ảnhđộng…) Dẫn đến khả năng ứng dụng đa dạng : mạng đường trục, mạng phân phốiquản bá, mạng đa địa chỉ, mạng cục bộ nhiều đường Chỉ cần dùng thêm một bướcsóng là có thể tăng thêm một dịch vụ mới hoặc dung lượng mới mong muốn

▪ Kênh truyền dẫn IP.

WDM đối với khuôn dạng số liệu là trong suốt, không có quan hệ gì với tốc

độ của tín hiệu và phương thức điều chế tín hiệu xét trên phương diện điện

▪ Có khả năng truyền dẫn hai chiều trên cùng một sợi quang.

▪ Cấu hình mạng có tính linh hoạt, tính kinh tế và độ tin cậy cao.

2.2.3 Các thành phần cấu thành hệ thống WDM

2.2.3.1 Nguồn phát quang

Các bộ phát quang trong thông tin quang sợi WDM là các lazer đơn mode,phát ra bước sóng có độ đơn sắc cao Laser đơn mode chỉ tạo ra một mode dọcchính, còn các mode bên bị loại bỏ nên được sử dụng để làm nguồn quang cho hệthống WDM Các loại laser đơn mode phổ biến là laser phản hồi phân bố (DFB),laser phản xạ Bragg phân bố (DBR).

2.2.3.2 Bộ thu quang

Bộ thu quang (tách sóng quang) thực chất là các photodiode PD được cấu tạo

từ các chất bán dẫn, thực hiện chức năng cơ bản là biến đổi tín hiệu quang thu đượcthành tín hiệu điện Bộ này phải đảm bảo yêu cầu sau : tốc độ lớn, độ nhạy thu cao,bước sóng hoạt động thích hợp Hai loại photodiode được sử dụng rộng rãi làphotodiode PIN và photodiode thác APD

+ + + + + +

Về mặt nguyên lý, cấu trúc của bộ tách ghép có tính thuận nghịch, bất kỳ bộ

ghép bước sóng nào cũng có thể dùng làm bộ tách bước sóng chỉ bằng cách đơnthuần là thay đổi hướng tín hiệu đầu vào Vì vậy, ở đây chỉ lấy bộ ghép bước sóng

để phân tích Có nhiều cách để phân loại thiết bị ghép bước sóng Theo công nghệchế tạo thì chúng được chia làm hai loại chính : thiết bị vi quang và thiết bị WDMghép sợi

+ Thiết bị vi quang

Các thiết bị vi quang được chế tạo theo hai công nghệ khác nhau : công nghệ

có bộ lọc và công nghệ phân tán góc Các thiết bị có bộ lọc chỉ hoạt động mở cho

1 ,  2

2

Cách tử Thấu kính

một bước sóng (hoặc một nhóm bước sóng) tại một thời điểm, nhằm để tách ra mộtbước sóng trong nhiều bước sóng Để thực hiện thiết bị hoàn chỉnh và có thể sửdụng cho nhiều kênh thì phải tạo ra cấu trúc lọc theo tầng

Hình 2.5 : Thiết bị phân tán góc.

Các thiết bị vi quang sử dụng phù hợp với các hệ thống truyền dẫn đa mode,chúng cho phép tách ghép đồng thời nhiều bước sóng khác nhau Nhưng chúng lạikhó sử dụng cho sợi đơn mode do ánh sáng phải qua các giai đoạn phản xạ, hội tụ…

từ đó dẫn tới quang sai, trễ tạo suy hao tín hiệu trong thiết bị

+ Thiết bị ghép sợi

Các thiết bị ghép sợi có cấu trúc dựa trên việc ghép hai trường ánh sáng phíangoài lõi Chúng còn được gọi là các coupler quang Phía phát nó kết hợp các tínhiệu quang vào từ các tuyến khác nhau thành một tín hiệu quang tại đầu ra truyềntrên một sợi Phía thu, tách công suất quang của một sợi vào để phân phối cho haihoặc nhiều sợi Vì thế, để tách các bước sóng khác nhau thì sau mỗi một sợi phải cómột bộ lọc bước sóng

2.2.3.4 Bộ lọc quang

Bộ lọc quang sử dụng trong thiết bị WDM thường là bộ lọc màng mỏng điệnmôi, làm việc theo nguyên tắc phản xạ tín hiệu ở một dải phổ nào đó và cho phầndải phổ còn lại đi qua, vì vậy nó thuộc loại lọc bước sóng cố định Cấu trúc bộ lọcgồm một khoang cộng hưởng bằng điện môi trong suốt, hai đầu khoang có cácgương phản xạ được thực hiện nhờ nhiều lớp màng mỏng điện môi có chiết suất caothấp xen kẽ nhau Vì vậy, chiết suất lớp điện môi trong suốt (n3) sẽ thấp hơn chiết

Khoang 1

Khoang 2

2.2.3.5 Bộ đấu nối chéo quang OXC

Chức năng của OXC tương tự như chức năng của DXC trong mạng SDH, chỉkhác là thực hiện trên miền quang, không cần chuyển đổi O/E/O và xử lý tín hiệu

+ Chức năng nối chéo các kênh quang : thực hiện chức năng kết nối giữa N cổngđầu vào tới N cổng đầu ra

+ Chức năng xen/rẽ đường tại chỗ : chức năng này có thể làm cho kênh quangnào đó tách ra để vào mạng địa phương hoặc sau đó trực tiếp đi vào DXC củaSDH thông qua biến đổi O/E

+ Kết cấu của điểm node OXC:

Các sợi quang đầu vào

Tách bước sóng

Fabric

(cơ cấu)

Fabric port (Cổng cơ cấu)

Ghép bước sóng

Các sợi quang đầu ra

Trao đổi bước sóng

Hình 2.8 : Bộ đấu chéo quang OXC.

Trong đó có 4 sợi quang đầu vào và 4 sợi quang đầu ra, mỗi sợi mang một sốbước sóng Mỗi OXC có 3 thành phần chính :

- Bộ tách bước sóng : thực hiện tách các kênh quang theo các bước sóng khácnhau từ các sợi quang đầu vào

- Cơ cấu (Fabric) hay còn gọi là trường chuyển mạch : thực hiện đấu nối chéo từmột kênh quang đầu vào tới một kênh quang đầu ra

- Bộ ghép bước sóng : thực hiện ghép các kênh quang từ đầu ra tương ứng của

Ngoài các thành phần chính trên thì trong OXC có thể còn trang bị các bộ lọcbước sóng để loại bỏ các thành phần xuyên nhiễu xuất hiện trong quá trình truyềntín hiệu Biến đổi bước sóng là công nghệ then chốt trong cấu tạo của OXC Nhờcông nghệ này có thể thực hiện kết nối định tuyến ảo, do đó giảm nghẽn mạng, tậndụng tối đa tài nguyên sợi quang cũng như bước sóng…

2.2.3.6 Bộ xen/rẽ quang OADM

Cerd giao diện Các cổng rẽ

Tín hiệu khách hàng

Các sợi quang đầu vào

Tách bước sóng

Fabric (Cơ cấu)

Fabric port (Cổng cơ cấu)

Card giao diện Các cổng xen

Tín hiệu khách hàng

Ghép bước sóng

Các sợi quang đầu ra

Hình 2.9 : Cấu trúc của bộ xen rẽ quang OADM.

OADM là một linh kiện quan trọng trong việc tổ chức mạng truyền dẫn Chứcnăng chính của OADM là xen, rẽ và chuyển tiếp tín hiệu quang (các kênh bướcsóng) tại các node mạng quang Chức năng này tương tự như chức năng của bộ xen/

rẽ kênh ADM trong mạng SDH nhưng đối tượng thao tác trực tiếp là tín hiệu quang.Nhờ năng lực này của OADM nên nó trở thành phần tử cơ bản nhất trong các mạnghình vòng dựa trên công nghệ WDM Mạng hình vòng WDM giữ lại đặc tính tựkhôi phục của kiến trúc hình vòng, đồng thời có thể nâng cấp dung lượng đều đặntrong trường hợp không biến đổi kiến trúc của hệ thống

Các thiết bị OADM được chia làm hai loại : OADM tĩnh và OADM động.

Trong OADM tĩnh, sử dụng tín hiệu kênh quang có bước sóng vào ra cố định

Vì vậy, trong kết cấu phần tử tách nhập chủ yếu dùng linh kiện thụ động như : bộ

tách ghép kênh, bộ lọc cố định Như vậy, định tuyến của điểm node là cố định, thiếulinh hoạt nhưng không có trễ.

Trong OADM động, có thể căn cứ vào nhu cầu để chọn tín hiệu kênh quang

có bước sóng vào/ra khác nhau Vì vậy, trong kết cấu phần tử tách nhập thườngdùng linh kiện khoá quang, bộ lọc có điều khiển Như vậy, có thể phân phối tàinguyên bước sóng của mạng một cách hợp lý Tuy nhiên, phức tạp và có trễ

2.2.3.7 Hệ thống chuyển mạch quang

Hệ thống chuyển mạch quang là một hệ thống cho phép các tín hiệu bên trongcác sợi cáp quang hay các mạch tích hợp quang (IOC) được chuyển mạch có lựachọn từ một cáp (mạch) này tới một cáp (mạch) khác

Mục đích xây dựng các hệ thống truyền dẫn toàn quang nhằm lợi dụng đượccác ưu điểm của truyền dẫn quang, nên ngoài phần truyền dẫn là các sợi quang, cácthiết bị chuyển mạch cũng phải làm việc ở miền quang Các ma trận chuyển mạchđược sử dụng để cấu tạo nên các thiết bị chuyển mạch quang Ngoài ra, các ma trậnchuyển mạch quang cũng là một trong các thành phần lõi của các thiết bị điểm nodetrong mạng WDM

Có 4 loại chuyển mạch quang :

1 Chuyển mạch phân chia theo không gian

2 Chuyển mạch phân chia theo thời gian

3 Chuyển mạch phân chia theo bước sóng

4 Chuyển mạch phân chia theo mã

Trong hệ thống WDM chỉ dùng hai loại chuyển mạch là : chuyển mạch phânchia theo không gian và chuyển mạch phân chia theo bước sóng Còn chuyển mạchquang phân chia theo thời gian và chuyển mạch quang phân chia theo mã đã đượcứng dụng vào chuyển mạch gói quang ATM

2.2.3.8 Bộ khuếch đại quang sợi

Hiện nay, công nghệ khuếch đại quang sợi cũng đã được nghiên cứu và ứngdụng Việc sử dụng các bộ khuếch đại quang sợi giúp dễ dàng mở rộng dung lượngđường dây thông tin (do xử lý hoàn toàn ở miền quang mà không cần phải chuyểnđổi O/E/O), tăng khoảng cách trạm lặp và hạ giá thành cho hệ thống Mặt khác, các

bộ khuếch đại này còn có vai trò quan trọng trong các hệ thống WDM, khi mà cónhiều bước sóng cùng truyền dẫn trên một sợi quang thì công suất phát của mỗibước sóng sẽ bị giới hạn và nhỏ hơn nhiều so với hệ thống truyền dẫn bước sóngđơn nhằm tránh các hiệu ứng phi tuyến Trong khi đó, suy hao và tán sắc là nhữngnhược điểm cố hữu của truyền dẫn trên sợi quang Vì vậy, công nghệ quang sợi pháttriển sẽ thúc đẩy sự phát triển và thương mại hoá của hệ thống WDM.

Khuếch đại quang sợi chính là một đoạn sợi quang nhưng khi chế tạo có phathêm nguyên tố vi lượng Erbium (EDF) với một tỷ trọng nhỏ (0.1) Các ion Erbium

phía trên (các bộ khuếch đại quang sợi đạt hiệu suất cao khi làm việc ở các bướcsóng bơm 980 nm hay 1480 nm) Sự dịch chuyển của ion từ mức năng lượng caoxuống mức năng lượng thấp hơn sẽ bức xạ ra một photon

1480 nm

Bơm quang

Chuyển dời không phát xạ

Phát xạ tự phát (1500 – 1600 nm)

Phát xạ kích thích (1500 – 1600 nm)

Năng lượng

Tín hiệu quang

Hình 2.10 : Giản đồ năng lượng của ion Er 3+ trong sợi quang Silica.

Bảng 2.1 Các bước sóng bơm quang

Bước sóng bơm quang (nm) Mức năng lượng chuyển tiếp

để thực hiện việc cảnh báo, giám sát và điều khiển các LA Kênh OSC này khôngđược quá gần với bước sóng bơm cũng như kênh tín hiệu để tránh ảnh hưởng lẫnnhau Sử dụng các LA liên tiếp có thể làm suy giảm nghiêm trọng chất lượng hệthống do các hiện tượng như : tích luỹ tạp âm, ảnh hưởng của tán sắc, phân cực

và các hiệu ứng phi tuyến, đặc biệt là hình thành đỉnh khuếch đại xung quanh mộtbước sóng nào đó dẫn đến việc thu hẹp dải phổ khuếch đại của LA Vì thế, saumột số LA cần có các trạm lặp

▪ Tiền khuếch đại PA là thiết bị EDFA có mức tạp âm rất thấp nhờ sử dụng các bộlọc quang băng hẹp có thêm chức năng điều chỉnh bước sóng trung tâm theobước sóng của nguồn phát Được sử dụng ngay trước Rx để tăng độ nhạy thu

2.2.3.9 Các chủng loại sợi quang

Hiện nay, có nhiều loại chuẩn sợi quang : G.652, G.653, G.654, G.655 Mỗiloại sợi này có các yêu nhược điểm khác nhau Trên cơ sở phân tích từng ưu nhượccủa chúng, kết hợp với đặc điểm của công nghệ WDM, nhằm xác định sử dụng sợiquang nào thích hợp nhất cho hệ thống WDM là một vấn đề rất quan trọng bởi vì nóphải truyền một lúc nhiều sóng mang trên cùng một sợi quang Do vậy, ngoài việcđáp ứng các yêu cầu như đối với sợi quang một bước sóng, nó còn phải đáp ứngnhiều yêu cầu phức tạp khác như : giảm xuyên nhiễu giữa các kênh; duy trì được sựphân bố đồng đều hệ số khúc xạ, suy hao, tán sắc cho các sóng mang…Ngoài ra,một vấn đề cũng được đặt ra là khả năng sử dụng các sợi một bước sóng đã tồn tạitrên mạng cho hệ thống WDM như thế nào, các giải pháp kỹ thuật để sử dụng chúngcho hệ thống WDM

+ Sợi quang G.652

Đây là loại sợi quang đơn mode được sử dụng phổ biến trên mạng lưới viễnthông của nhiều nước hiện nay Loại sợi này có thể làm việc ở hai cửa sổ truyền dẫn

1310 nm và 1550 nm Khi làm việc ở cửa sổ 1310 nm, G.652 có tán sắc nhỏ (xấp xỉ

0 ps/nm.km) và suy hao tương đối lớn Ngược lại, khi làm việc ở cửa sổ 1550 nm,G.652 có suy hao truyền dẫn nhỏ nhất và hệ số tán sắc tương đối lớn

+ Sợi quang G.653

Để xây dựng các tuyến thông tin quang tốc độ cao, cự ly dài thì cần phải sửdụng loại sợi có cả suy hao và tán sắc tối ưu tại một bước sóng Hiện nay, bằng cáchthay đổi mặt cắt chiết suất có thể chế tạo được sợi tán sắc dịch chuyển, loại sợi nàygọi là sợi DSF hay sợi G.653

Hệ số suy hao của sợi DSF thường nhỏ hơn 0.5 dB/km ở cửa sổ 1310 nm vànhỏ hơn 0.3 dB/km ở cửa sổ 1550 nm Hệ số tán sắc ở vùng bước sóng 1310 nmkhoảng 20 ps/nm.km, còn ở vùng bước sóng 1550 nm thì nhỏ hơn 3.5 ps/nm.km.Bước sóng cắt thường nhỏ hơn 1270 nm

Xét về mặt kỹ thuật, sợi G.653 cho phép xây dựng các hệ thống thông tinquang với suy hao chỉ bằng khoảng một nửa suy hao của hệ thống bình thường khilàm việc ở bước sóng 1310 nm Còn đối với các tuyến hoạt động ở bước sóng 1550

nm thì do sợi G.653 có tán sắc rất nhỏ, nên nếu chỉ xét về tán sắc thì gần như không

có sự giới hạn về tốc độ truyền tín hiệu trong các hệ thống này Do tính chất ưu việt

của sợi quang G.653 (DSF) ở bước sóng 1550 nm mà nó trở thành sợi quang

được chú ý nhất Nhưng nghiên cứu kỹ người ta đã phát hiện ra rằng khi dùng

G.653 trong hệ thống WDM thì ở khu vực bước sóng có tán sắc bằng 0 sẽ bị ảnhhưởng nghiêm trọng bởi hiệu ứng phi tuyến Đây là nhược điểm chính của DSF

+ Sợi quang G.654

G.654 là sợi quang đơn mode tới hạn thay đổi vị trí bước sóng cắt Loại sợinày có đặc điểm : suy hao ở bước sóng 1550 nm giảm nhưng tán sắc vẫn tương đốicao, điểm tán sắc bằng 0 vẫn ở bước sóng 1310 nm G.654 chủ yếu được sử dụngcho các tuyến cáp quang biển

1548 – 1565 nm là ở 1 ÷ 4 ps/nm.km đủ để đảm bảo tán sắc khác 0, trong khi vẫnduy trì tán sắc tương đối nhỏ.

NZ-DSF có ưu điểm của cả hai loại sợi quang G.652 và G.653, đồng thời khắcphục được nhược điểm cố hữu của sợi G.652 (bị hạn chế bởi tán sắc) và sợi G.653(bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng phi tuyến “trộn 4 bước sóng” nên khó thực hiện trong

hệ thống WDM) Lý thuyết đã chứng minh rằng tốc độ truyền dẫn của sợi quangNZ-DSF có thể đạt ít nhất là 80 Gbps Vì vậy, sợi NZ-DSF là sự lựa chọn lý tưởng

để thiết kế tuyến truyền dẫn tốc độ cao, cự ly dài

+ Sợi quang có tiết diện hiệu dụng lớn

Loại sợi này thích hợp cho ứng dụng trong hệ thống WDM có dung lượng và

nm, chịu được công suất tương đối lớn

Một vấn đề lớn đặt ra khi sử dụng các sợi quang hiện nay trong hệ thốngWDM là tán sắc Để khắc phục được ảnh hưởng của tán sắc người ta sử dụng sợiquang bù tán sắc Tức trong đường dây truyền dẫn sợi quang đã lắp đặt, cứ mỗikhoảng cách nhất định lại lắp vào sợi quang đã điều chỉnh tốt để bù tán sắc, làm chotoàn bộ chiều dài đường truyền dẫn có tổng tán sắc giảm xuống xấp xỉ bằng không.Việc tận dụng các sợi quang hiện có chỉ là biện pháp tạm thời cho hệ thốngWDM, bởi vì nó làm cho hệ thống trở nên phức tạp cũng như giảm khả năng truyềndẫn Hướng phát triển trong tương lai là sử dụng các loại sợi quang mới dành riêngcho hệ thống WDM

+ Các yêu cầu của sợi quang mới

- Dải tần truyền dẫn lớn

- Sợi có diện tích hiệu dụng lớn hơn cho phép công suất quang cao hơntrong sợi mà không bị ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến

- Giảm hiệu ứng trộn 4 sóng

- Giảm ảnh hưởng PMD cho các tuyến truyền dẫn tốc độ cực cao

- Có suy hao và tán sắc thấp ở bước sóng 1550 nm

- Có tán sắc bằng phẳng trong vùng bước sóng truyền dẫn

- Ví dụ một số loại sợi quang mới : sợi SMF-28e, sợi LEAF

2.3 Các giải pháp truyền tải IP trên quang.

2.3.1 Các giải pháp truyền tải IP trên quang

Nghiên cứu và phân tích những giải pháp khả thi (khái niệm khả thi ở đâyđược xét trên cả khía cạnh đã có sản phẩm thương mại hay nói cách khác là đã hiệndiện trên mạng và phù hợp với xu thế phát triển) chúng ta cùng thống kê lại nhữnggiải pháp đã đang được nghiên cứu hoặc được ứng dụng trên mạng của nhà khaithác trong những năm qua trên thế giới

Các nhà cung cấp dịch vụ và tổ chức tiêu chuẩn viễn thông đã đề xuất nhiềugiải pháp mới cho khai thác IP trên một kiến trúc mạng đơn giản, lớp WDM là nơicung cấp băng tần truyền dẫn Từng giải pháp có những ưu nhược điểm riêng, song

đó đều là các cơ sở tốt để tiến tới hiện thực hoá mạng IP trực tiếp trên sợi quang

Hình 2.11 Các giải pháp IP trên quang qua từng giai đoạn phát triển.

Trong các giải pháp trên, mỗi giải pháp có những ưu và nhược điểm khácnhau Một số giải pháp đã được thực tế hoá trên mạng viễn thông(IP/PDH/SDH/WDM, IP/ATM/SDH/WDM, IP/ATM/WDM, IP/SDH/WDM,IP/NG-SDH/WDM), các giải pháp mới đang được tập trung nghiên cứu (IP/MPLS/WDM, IP/WDM)

Qua nghiên cứu cho thấy hai xu hướng thực thi, một là khai thác lợi điểm củacác công nghệ hiện có trên mạng, thêm tính năng để thích ứng với việc mạng lưulượng IP với kích thước gói thay đổi Xu hướng hướng kia là nghiên cứu ra các giaothức mới phù hợp với đặc tính lưu lượng IP Chương 2 được coi là cơ sở cho