Đồ án nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng

Mỗimột trạm có bộ lọc mà có thể phân biệt được bước sóng thích hợp cho phía thu.Rainbow dùng chủ yếu trong chuyển mạch kênh, và nó hoạt động không hiệuquả trong các mạng chuyển mạch gói.

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 4

LỜI MỞ ĐẦU 9

Chương I TỔNG QUAN VỀ MẠNG QUANG 11

1.1 Giới thiệu 11

1.2 Khảo sát công nghệ 12

1.3 Phân loại mạng quang 15

1.3.1 phân loại dựa vào định tuyến 15

1.3.1.1 Optical-Link Networks (các mạng liên kết quang) 16

1.3.1.2 Single-Hop Optical Networks (các mạng quang đơn chặng) 16

1.3.1.3 Multihop Optical Networks (các mạng quang đa chặng) 22

1.3.1.4 Các mạng quang lai ghép ( Hybrid Optical Networks) 26

1.3.1.5 Mạng Photon 30

1.3.2 Phân loại theo topo mạng 32

1.3.2.1 Cấu trúc mạng RING 33

1.3.2.2 Cấu trúc mạng MESH 33

1.3.2.3 Cấu trúc hình sao đơn 34

1.3.2.4 Cấu trúc hình sao kép 34

1.4 Các tham số đặc trưng của mạng quang 35

1.4.1 Đặc trưng riêng của mạng quang 35

1.4.2 Các tham số liên quan đến topo mạng 36

1.4.3 Các tham số liên quan đến những giới hạn vật lí 37

1.4.4 Các tham số liên quan đến nhu cầu lưu lượng mạng 38

1.4.5 Các tham số liên quan đến kiến trúc 39

1.4.6 Các tham số liên quan đến sự giám sát 40

Chương II GIỚI THIỆU VỀ MẠNG QUANG WDM VÀ CÔNG NGHỆ 41

2.1 Giới thiệu chương 41

2.2 Nguyên lí hoạt động của hệ thống WDM 42

2.3 Ưu điểm của hệ thống WDM 44

2.4 Vấn đề tồn tại của hệ thống WDM và hướng giải quyết trong tương lai.44 2.5 Chuyển mạch quang 45

2.6 Các thành phần chính của hệ thống WDM 46

2.6.1 Thiết bị đầu cuối OLT 46

2.6.2 Bộ ghép kênh xen/rẽ quang OADM 48

2.6.3 Bộ khuếch đại quang 52

2.6.4 Bộ kết nối chéo quang OXC 55

2.6.4.1 Chức năng OXC 55

2.6.4.2 Phân loại OXC 58

2.7 Sự chuyển đổi bước sóng 60

2.8 Kết luận chương 62

Chương III ĐỊNH TUYẾN THEO BƯỚC SÓNG 63

3.1 Giới thiệu chương 63

3.2 Giới thiệu về định tuyến và gán bước sóng (Routing and Wavelength and Assignment) 63

3.3 Phương pháp định tuyến và gắn bước sóng bước sóng 65

3.3.1 Phương pháp định tuyến 65

3.3.1.1 Phương pháp định tuyến trong mạng MESH 65

3.3.1.1.1 Định tuyến cố định 65

3.3.1.1.2 Định tuyến luân phiên cố định 66

3.3.1.1.3 Định tuyến thích nghi 68

3.3.1.1.4 Định tuyến bảo vệ 69

3.3.1.2 Phương pháp định tuyến trong mạng cấu trúc RING 70

3.3.2 Phương pháp gán bước sóng 78

3.3.2.1 Phương pháp gán bước sóng tĩnh 78

3.3.2.1.1 Thuật toán gán bước sóng từ bậc lớn nhất (LF – Largest First) .80

3.3.2.1.2 Phương pháp gán bước sóng trong mạng Ring 82

3.3.2.2 Phương pháp gán bước sóng động 85

3.3.2.2.1 Gán bước sóng ngẫu nhiên 85

3.3.2.2.2 Gán bước sóng theo phù hợp nhất 85

3.3.2.2.3 Gán bước sóng theo chiều dài luồng quang dài nhất (LF – Longest – First ) 86

3.3.2.2.4 Gán bước sóng dựa trên bước sóng sử dụng ít nhất ( LU- Least Used ) 87

3.3.2.2.5 Gán bước sóng theo số bước sóng sử dụng nhiều nhất (MU- Most Used) 88

KẾT LUẬN 91

TÀI LIỆU THAM KHẢO 92

Dispersion Shifted Fiber

Digital Cross Connect

Dynamic Lightpath Establishment

Differential Wavelength

Division Multiplexer

Fibre Grating

Erbium doped fiber amplifer

Frequency Division Multiplexing

First Fit Wavelength First

Generalized Multiple Protocol

Label Swithching

Bộ ghép kênh xen kẽDựng một đồ thị phụNút truy nhập

Bộ lọc thanh quang

có điều chỉnhĐiốt quang thác

Bộ ghép kênh lưới quangdẫn sóng kiểu dàn

Phương thức truyền khôngđồng bộ

Bước sóng khả dụngGán kênh riêng biệt

Bộ giải ghép kênhSợi dịch tán sắcNối chéo sốThiết lập luồng quangGhép kênh chia bướcsóng vi sai

Lưới sợi quangKhuếch đại sợi quang trộn erbium

Ghép kênh phân chia tần sốThuật toán gán bước sóngtheo thứ tự bước sóngChuyển mạch nhãn đagiao thức tổng quát

Integrated service digital network

Local Area Network

Logical Connection

Least Congested Path

Logical Connection Graph

Largest First

Least Converter First

Least Loaded

Label Swithched Path

Label Swithching Router

Least Used

Max-Sum

Mesh

Multi Protocol Label Swithching

Optical add/drop multiplexer

Optical Circulator

Optical/Electrical/ Optical

Optical Channel

Optical Line Amplifier

Optical Cross Connect

Optical Time Division Multiplex

CổngGiao thức internetMạng số liên kết dịch vụMạng cục bộ

Kết nối logicĐịnh tuyến đường nghẽn ít nhấtHướng kết nối logíc biểu đồThuật toán gán bước sóng

từ bậc lớn nhấtChuyển đổi bước sóngtheo thứ tự cao nhấtThuật toán gán bướcsóng dựa trên tải ít nhấtLuồng chuyển mạch nhãn

Bộ định tuyến chuyểnmạch nhãn

Gán bước sóng dựa trênbước sóng sử dụng ít nhấtThuật toán gán bước sóng dựatrên tổng dung lượng lớn nhấtDạng lưới

Chuyển mạch nhãn đa giao thức

Bộ ghép kênh xen/rẽ quang

Bộ đấu vòng quangQuang/ Điện/ QuangKênh quang

Khuếch đại đường quangNối chéo quang

Ghép kênh quang phân chia

Synchronous Digital Hierarchy

Sequential Graph Coloring

Synchronous Optical Network

Sub-Network Connection

Protection

Synchronous Transport Module

Static Wavelength Routing

Space Optical Switch

Total wavelength and Available

wavelength

Time Division Multiplexing

Thr - Protecting Threshold

Time Slot Interchanger

Wavelength Add- Drop

Multiplexer

Wavelegth Converter

Wavelength Division Multiplex

Waveguide Grating Router

Wavelength Path

Wavelength Router

Wavelength Router Switch

Routing And Chanel Assignment

Wavelength Router Network

thời gianĐịnh tuyến và gán bước sóng

Phân cấp số đồng bộ

Tô màu đồ thị tuần tựMạng quang đồng bộBảo vệ kết nối mạng con

Modun truyền tải đồng bộ

Bộ định tuyến bước sóng tĩnhChuyển mạch quang khônggian

Tổng bước sóng của cácbước sóng khả dụngGhép kênh phân chia theothời gian

Ngưỡng bảo vệTrao đổi khe thời gian

Routing Imformation Protocol

Semiconductor Optical Amplifier

Giao thức định tuyến bên trong

Giao thức thông tin định tuyến

Bộ khuếch đại quang bán dẫn

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 : Cấu trúc sợi quang 15

Hình 2 : Single-hop optical Network 19

Hình 3 : Mạng sao chọn lọc và quảng bá 20

Hình 4 : Mô hình treeNet 21

Hình 5 : Cấu hình vật lý của mạng LLN 22

Hình 6 : Mạng quang đa chặng 24

Hình 7 : Một cấu trúc RING 6 node 35

Hình 8 : Cấu trúc mạng MESH 36

Hình 9 : Cấu trúc hình sao đơn 36

Hình 10 : Cấu trúc hình sao kép 37

Hình 11 : Hệ thống TDM 45

Hình 12 : Hệ thống WDM 45

Hình 13 : Nguyên lí ghếp kênh phân chia theo bước sóng 46

Hình 14 : Hệ thốn WDM theo một hướng (a) và hai hướng (b) 47

Hình 15 : OLT 50

Hình 16 : Vai trò của OADM trong mạng 52

Hình 17 : Các kiến trúc OADM 54

Hình 18 : EDFA 56

Hình 19 : Mạng WDM định tuyến bước sóng 58

Hình 20 : Các khối chức năng của OXC 59

Hình 21 : Trạng thái của OXC 61

Hình 22 : Hybrid OXC 61

Hình 23 : OXC toàn quang WGR 63

Hình 24 : Sự chuyển đổi bước sóng 64

Hình 25 : Các khả năng chuyển đổi bước sóng 65

Hình 26 : Điều kiện tính liên tục của bước sóng 67

Hình 27 : Đường ngắn nhất cố định 69

Hình 28 : Tuyến chính (nét liền) và tuyến thay thế (nút chấm) từ nút 0 đến 70

Hình 29 : Định tuyến thích nghi từ nút 0 đến nút 2 72

Hình 30 : Nguyên tắc định tuyến theo số chặng nhỏ nhất 77

Hình 31 : Nguyên tắc định tuyến chặng nhỏ nhất có sửa đổi 78

Hình 32 : Nguyên tắc tải tối thiểu với các lưu lượng theo thứ tự A-C,E-D,B-C 78 Hình 33 : Nguyên tắc tối thiểu : cơ chế định tuyến với thứ tự lưu lượng có thay đổi 79

Hình 34 : Mạng cấu trúc đa RING 81

hình 35 : Mạng có 8 luồng quang định tuyến 84

Hình 36 : Đồ thị phụ thuộc G(V,E) cho các luồng quang 84

Hình 37 : Mạng với các yêu cầu luồng quang 85

Hình 38 : G(V,E) cho các luồng quang trong mạng với thuật toán gán 85

bước sóng từ bậc lớn nhất (Largest First) 85

Hình 39 : Sơ đồ minh họa mối liên hệ với bài toán tô màu nút đồ thị 87

Hình 40 : Gắn bước sóng cho RING sử dụng đồ thị đoạn 88

Hình 41 : Thuật toán gắn bước sóng theo First – Fit 90

Hình 42 : Gán bước sóng theo chiều dài luồng quang đầu tiên dài nhất 91

Hình 43 : Trạng thái ban đầu của mạng 92

Hình 44 : Gắn bước sóng cho LU 92

Hình 45 : Trạng thái gán bước sóng cho kết nối mới của mạng 93

LỜI MỞ ĐẦU

Trong hệ thống truyền tải, với sự ra đời của công nghệ mạng quang WDM đặc biệt là công nghệ DWDM được coi như là một công nghệ tối ưu thay thế cho công nghệ TDM truyền thống Với sự ra đời của công nghệ WDM cho phép các nhà thiết kế mạng lựa chọn được phương án tối ưu nhất để tăng dung lượng đường truyền với chi phí thấp nhất Cho đến nay hầu hết các hệ thống thông tin quang đường trục có dung lượng cao đều sử dụng công nghệ WDM Ban đầu từ những tuyến WDM điểm – điểm đến nay đã xuất hiện các mạng với nhiều cấu trúc phức tạp Tuy nhiên, do hiện nay số lượng bước sóng sử dụng trong hệ thống WDM là rất hạn chế, vấn đề đặt ra là phải làm thế nào để có thể

sử dụng nguồn tài nguyên này một cách hiệu quả nhất Giải quyết được vấn đề này tức là nâng cao năng lực của mạng với số tối đa tải trên một bước sóng cho trước, đây chính là vai trò của việc định truyến các bước sóng trong mạng Việc định truyến tốt sẽ cho phép sử dụng tối ưu các bước sóng khi xây dựng một mạng mới và làm giảm chi phí cho thiết bị Do đó, vai trò của việc định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM là rất quan trọng Việc sử dụng công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM cho phép nâng cao đáng kể băng thông

mà vẫn duy trì hiện trạng hoạt động của mạng, nó cũng đã được chứng minh là một giải pháp hiệu quả về mặt chi phí cho các mạng đường dài.

Vì lẽ đó đề tài “Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng” sẽ nghiên cứu vấn đề này một cách cụ thể hơn trong

nội dung của đồ án này.

Đồ án được chia thành 3 chương:

 Chương 1 : Tổng quan về mạng quang

 Chương 2 : Giới thiệu về mạng quang WDM và công nghệ

 Chương 3 : Định tuyến và gắn bước sóng trong mạng quang WDM

Mặc dù có nhiều cố gắng song do thời gian và trình độ có hạn nên đồ án này không thể tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo và các bạn.

Qua đây em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo Ths.Chu Công Cẩn

đã tạo mọi điều kiện và tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đồ án.

Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Kỹ thuật thông tin, Khoa Điện-Điện tử, Trường Đại học giao thông vận tải Hà Nội đã giúp đỡ em trong thời gian qua.

Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè người thân- những người

đã luôn cổ vũ động viên giúp đỡ kịp thời em trong suốt thời gian qua.

Hà Nội, ngày 10 tháng 5 năm 2012

Chương I TỔNG QUAN VỀ MẠNG QUANG 1.1 Giới thiệu

Mạng truyền dẫn quang mang các bản tin được mã hóa như các tín hiệusóng ánh sáng – bức xạ điện từ trong quang phổ thấy được và quang phổ gầnvùng thấy được Khả năng truyền dẫn tín hiệu sóng ánh sáng qua ống dẫn sóngquang bằng silica với tốc độ dữ liệu và độ tin cậy cao được tăng tốc để phát triểnmạng quang Mạng quang bao gồm các hệ thống từ các mạng sợi biến đổi đơngiản, thay thế các đường truyền dẫn điện bằng liên kết sợi quang, đến các mạngtoàn quang được đề xuất gần đây, trong đó quá trình xử lí và truyền dẫn bản tinnằm toàn bộ trong miền quang Do các công nghệ tồn tại dưới mạng quang đangphát triển rất nhanh chóng, nên các mạng quang đang xuất hiện dưới rất nhiềudạng khác nhau Sự tiến bộ trong công nghệ gần như luôn luôn đi theo kiến trúcmạng mới làm thuận lợi cho nó Khả năng xử lí tốt trong mạng quang giải thíchtại sao nhiều chiến lược chuyển mạch duy nhất được ra đời và phát triển trongphạm vi của mạng quang Mạng quang chia sẻ với mạng điện thông thường vềmục đích cơ bản của lưu lượng tích hợp phân phối hiệu suất cao (ví dụ: video,voice, và dữ liệu) dưới những điều kiện thay đổi không thể đoán trước được(như sai hỏng, tắc nghẽn, và các lỗi nguy hiểm) Vì vậy chúng ta cần chuyểnmạch gói, các dịch vụ datagram,và chuyển mạch kênh – đây là những công nghệkhông phù hợp trong các mạng quang, do không yêu cầu mạch điện – các dịch

vụ định hướng kết nối Lưu lượng chuyển mạch gói có thể trễ, không liên tục,mất gói Các lớp lưu lượng không yêu cầu đảm bảo chuyển giao đầu cuối đếnđầu cuối cũng như độ tin cậy trong giao thức lớp cao để tạo ra độ đảm bảochuyển từ đầu cuối tới đầu cuối Tuy nhiên, lớp lưu lượng thời gian thực đòi hỏi

độ trễ xác định và chuyển giao theo thứ tự của thông tin; nó cũng yêu cầu tỉ lệlỗi không được vượt quá giới hạn và kênh ảo cung cấp một thông lượng chotrước Nhưng chúng ta có thể hoàn toàn phân biệt được quang với mạng điện

thông thường Sợi quang đơn mode là môi trường chủ yếu cho truyền dẫn tínhiệu sóng ánh sáng có khả năng hướng sóng cao với bước sóng 0.8, 1.3 và1.5μm,m, tương ứng với các vùng mà nguồn và bộ tách sóng sử dụng một cách dễdàng.

1.2 Khảo sát công nghệ

Trong phần này chúng ta xem xét của việc thiết lập mạng quang Cáccông nghệ sóng ánh sáng, photon, và hướng sóng quang đã tiến được nhữngbước dài và xu hướng sẽ còn tiếp tục Vì vậy, để hiểu việc định tuyến trongmạng quang, người đọc cần phải có hiểu biết về nền tảng công nghệ của họmạng này Đầu tiên chúng ta mô tả thiết bị mà trở thành 1 phần kiến thức vềkiến trúc mạng quang Loại thiết bị quang duy nhất được nghiên cứu sử dụngtrong mạng truyền thông, và chúng ta xem xét đặc điểm và chức năng cơ bảncủa các thiết bị này Thành phần mới được phát triển ổn định Đây là các mẫuhiện đang khả dụng và sẽ khả dụng trong tương lai

 Sợi quang: ống dẫn sóng quang bao gồm một hình trụ trung tâm - hoặc

lõi của vật liệu suy hao thấp như thủy tinh silic được bao phủ bởi lớp vỏbên ngoài chỉ số khúc xạ thấp Các sợi quang đơn mode,với đường kínhlõi khoảng 10micromet, chỉ truyền dẫn 1 mode ánh sáng, bằng cách ấyloại trừ được dần dần sự phân bố năng lượng xung tốc độ hạn chế vàkhoảng cách truyền dẫn trong sợi đa mode Những sợi quang đơn modenhư vậy làm suy giảm tổn thất khoảng 0.16dB/km Mặc dù không có sựtán sắc, sợi đơn mode là yếu tố tác động đến tán sắc màu, trong đó việctruyền các bước sóng khác nhau qua sợi quang với tốc độ khác nhau saocho tín hiệu tạm thời trải rộng ra Một phần bù cho các tác động có thể đạtđược bởi kĩ thuật sản xuất sợi tán sắc thay đổi và sợi dẹt, cho phép cải tiếnhoạt động tại tần số 1.3 và 1.5 micromet Bởi vì kích cỡ vật lí nhỏ (đườngkính lớp vỏ vào khoảng 100micromet) sợi quang lớn hơn có thể được góibởi một cáp Các cáp bao gồm hàng trăm sợi quang

Hình 1 : Cấu trúc sợi quang

 Bộ ghép quang: Một thiết bị thường gặp trong mạng quang, bộ ghép

quang được sử dụng để tách nguồn từ một đầu vào tới nhiều đầu ra Hơn

nữa nó có thể kết hợp tín hiệu xung ánh sáng từ 2 sợi vào thành 1 sợi ra.Đặc điểm bộ tách và kết hợp nối quang được định ra tại thời điểm chế tạo

và không thể thay đổi Các cặp sợi quang đơn mode được ghép bởi quátrình làm thon thành hình nón bằng phương pháp nóng chảy Cấu trúchình học của cáp nhọn có thể được điều chỉnh sản xuất tỉ lệ nối phù hợp.Với 4 cổng của bộ ghép có thể kết nối tới bộ ghép hình sao n đầu vào vàđầu ra, hoặc với bộ ghép hình sao 128 cổng có thể được cấu như các thiết

bị tích hợp Là một thiết bị thụ động hoàn chỉnh không yêu cầu phải cấpnguồn, bộ ghép này không đắt và có độ tin cậy cao, tổn hao thấp

 Chuyển mạch không gian quang: Các thiết bị thường được xây dựng bởi

khuyếch tán titan vào LiNbO3 nhưng chúng cũng có thể vào hợp chất bándẫn Với khả năng chuyển mạch nhanh các thiết bị này được tìm thấytrong mạng quang Các chuyển mạch thông thường có tổn thất lớn (4 tới 5dB)

 Thiết bị phối hợp đường truyền: Thiết bị phối hợp đường truyền là sự

tổng quát hóa của chuyển mạch không gian quang có thể với cấu hìnhcung cấp nguồn tùy cho bộ ghép giữa các đầu vào và đầu ra LDC là thiết

bị với n đầu vào và ra cho qua tín hiệu xung ánh sáng tùy theo ma trận aijtruyền dẫn nguồn quang của từng người sử dụng Cổng vào aij cho biết tỉ

lệ công suất gửi từ đầu vào i tới đầu ra j Hệ số δ miêu tả sự phân chianguồn quang từ cổng đầu vào i phân phối tới cổng đầu ra j Hệ số ơij miêu

tả sự phân chia của nguồn quang từ cổng đầu vào i tới trực tiếp cổng đầu

ra j Ta có aij = ơijδij Giống như bộ ghép tổng quát LDC có thể đồng thờitách và ghép tín hiệu quang phù hợp với thiết bị của chúng Lựa chọnbước sóng LDC là một trong những bước sóng đặc trưng của ma trậntruyền dẫn đặc trưng Thiết bị này cho thấy sự khác nhau giữa hệ số tách

và ghép được áp dụng cho đồng thờicác bước sóng khác nhau Vì thế cácbước sóng khác nhau đưa vào LDC qua đầu vào và phân phối nguồn khácnhau ở đầu ra

 Bộ ghép và tách sóng: Ghép và phân chia bước sóng được thực hiện bởi

sự nhiễu xạ có chia tách các bước sóng về không gian Ngược lại bộ ghépphối hợp các tín hiệu riêng lẻ từ các cổng vào và kết hợp chúng vào cổngđầu ra

 Routers bước sóng: Một thành phần của tín hiệu đầu vào gửi tới đầu ra

đặc biệt trên cơ sở của bước sóng tín hiệu được gọi là chuyển mạch bướcsóng Chuyển mạch bước sóng là dạng tổng quát của thiết bị tách sóng.Trong thực tế, chuyển mạch bước sóng thường chỉ đơn thuần là chuyểnbước sóng ở cổng đầu vào tới cổng đầu ra Router biến đổi bước sóngkhông chỉ định tuyến bước sóng đi tới mà còn chuyển nó sang một bướcsóng mới, bằng cách ấy cải thiện được hiệu suất thiết lập của các bướcsóng bằng phương pháp giảm xung đột bước sóng

 Chuyển mạch cơ điện quang: Chức năng của chuyển mạch cơ điện

quang giống như chuyển mạch không gian trừ tín hiệu xung ánh sángđược chuyển mạch cơ học Các thiết bị này tốc độ chậm nhưng đắt, vớithiết kế cơ sở như gương, lăng trụ, selenit

 Bộ lọc quang: Bộ lọc quang cho phép chọn 1 hoặc nhiều bước sóng từ

toàn bộ tín hiệu gồm nhiều bước sóng Sóng âm lan truyền qua một vật

liệu quang tương tác với sóng ánh sáng qua hiệu ứng photon đệm baogồm nhiễu mà có thể thay đổi đặc tính vốn có của sóng ánh sáng Cácthiết bị này có thể điều chỉnh được độ rộng nhưng thời gian điều chỉnhcủa chúng tương đối dài (có thể vài μm,s)

 Bộ khuyêch đại quang: Mặc dù hiểu họ router trong mạng quang không

yêu cầu tất yếu với các công nghệ ứng dụng của mạng quang, phát triển

bộ khuếch đại quang dùng erbium được tăng tốc độ phát triển trong mạngquang Khả năng tín hiệu xung ánh sáng mở rộng tại bước sóng cửa sổ1.5μm,m, EDFA tăng công suất của tín hiệu đầu vào mà không cần tái tạotín hiệu Các bộ khuếch đại sợi quang được kích thích bởi các phần tử đấthiếm khác, như các bộ khuếch đại sợi florua kích thích bởi Neođim hayPrazeođim, có cấu tạo tương tự để khuếch đại các tín hiệu sóng ánh sángtại bước sóng 1.3mm

1.3 Phân loại mạng quang

1.3.1 phân loại dựa vào định tuyến

Chúng ta trình bày một kiểu phân loại dựa trên cách mà mạng định tuyến cácbản tin từ nguồn đến đích Phân loại tạo nên sự hợp nhất cho việc thảo luận vềđịnh tuyến Phân loại mạng quang có thế chia làm 5 phần sau:

 Optical-Link Networks (các mạng liên kết quang)

 Single-Hop Optical Networks (các mạng quang đơn chặng)

 Multihop Optical Networks (các mạng quang đa chặng)

 Hybrid Optical Networks (các mạng quang lai)

 Photonic Networks (các mạng photon)

1.3.1.1 Optical-Link Networks (các mạng liên kết quang).

Optical-Link Network dùng sợi quang thay vì sợi dây kim loại Các mạngnày bao gồm các chuyển mạch điện kết nối trong một topo mạng lưới bới cácliên kết quang Phương pháp này đảm bảo tốc độ truyền dẫn tốc độ cao và cho

độ trễ thấp hơn các hệ thống thông thường khác nhưng không phải là tối ưu

trong công nghệ mạng quang Optical-Link Network thì có nhiều ưu điểm hơn

so với các Electronic-Link Network : nó cho băng thông cao hơn, tỉ lệ lỗi thấp.

Mặt khác, các tuyến quang thì có độ phức tạp hơn so với các tuyến điện, và thậtkhó khăn khi thực hiện chuyển mạch điện mà phù hợp với tốc độ quang

Các ví dụ về mạng Optical-Link Networks bao gồm mạng số dịch vụ tích

hợp băng thông rộng (B-ISDN) mà dùng chuyển mạch tế bào ATM, và mạnggigabit testbed do chính phủ Hoa Kỳ cải tiến được gọi siêu xa lộ thông tin(Information Superhightway)

Khó khăn chính trong việc thiết kế lược đồ định tuyến cho các mạng này

là tốc độ, nó đòi hỏi xử lí phần mào đầu gói chậm nhất có thể Cách giải quyếtđiển hình bao gồm: định tuyến nguồn, định tuyến kênh ảo, và chuyển mạch liêntục để giảm thiểu việc đệm gói tin

Định tuyến trong Optical-Link Networks về cơ bản cũng giống như trong

các mạng điện truyền thống

1.3.1.2 Single-Hop Optical Networks (các mạng quang đơn chặng).

Trong Single-Hop Optical Network một bản tin di chuyển từ nguồn đến

đích chỉ trong một hop, mà không có sự chuyển đổi trong miền quang và không

có xử lí thông tin điều khiển trong băng Chú ý rằng việc định tuyến và chuyểnđổi bước sóng phải được cho phép Bản tin truyền qua mạng trong một hop, vàđịnh tuyến thực chất là tìm một kênh từ nguồn đến đích Trong định tuyến trongmạng Single Hop thì giảm được vấn đề đa truy nhập

Hình 2 : Single-hop optical Network

Nhiều mạng Single-Hop Optical Netwoks bao gồm các trạm được gắn vào

“optical star coupler” (bộ ghép quang cấu trúc sao), quảng bá tín hiệu bất kỳđược gửi đến nó đến tất cả các trạm trong mạng, như chỉ ra ở hình 3 Ví dụ baogồm: LAMBDANET và Rainbow Trong LAMBDANET được dự định cungcấp kết nối giữa các tổng đài, mỗi một trạm có truyền dẫn một bước sóng duynhất và nó truyền theo kiểu ghép kênh phân chia theo thời gian Trạm này có bộphân kênh mà đưa đến cho phía thu Phía thu chọn một bước sóng và một khethời gian từ bản tin được tách ra Do vậy, không yêu cầu khả năng điều hướng(tunability), nhưng mỗi trạm phải xử lí thực thi ở phía nhận Các trạm cũng cómột bộ phát bước sóng chung, mà được dùng cho quản lý kết nối và báo hiệu.Truy cập đến bước sóng được kiểm soát bởi ghép kênh phân chia theo thời gian(TDM) Một trạm trong mạng Rainbow truyền một bước sóng duy nhất Mỗimột trạm có bộ lọc mà có thể phân biệt được bước sóng thích hợp cho phía thu.Rainbow dùng chủ yếu trong chuyển mạch kênh, và nó hoạt động không hiệuquả trong các mạng chuyển mạch gói Mạng sao cơ bản không hỗ trợ các trạmvới số lượng lớn, bởi vì bộ ghép cấu trúc sao (star coupler) có số cổng hạn chế,

và các trạm không dễ dàng đạt được tốc độ bước sóng để truyền thông với cáctrạm khác

Hình 3 : Mạng sao chọn lọc và quảng báQuadro là một kiểu mạng khác của Single-Hop Network dựa trên ghépkênh phân chia theo bước sóng (WDM) trong topo mạng hình sao Nó giải quyếtnhiều vấn đề về phối hợp phía thu - phía phát bởi cho phép phía thu thu đượcnhiều thông tin đồng thời Các trạm Quadro có một bộ phát bước sóng cố định

và một bộ thu trang bị một loạt các giai đoạn mạch trễ quang mà được dùnggiống như bộ đệm thu Nếu hai trạm truyền đồng thời tới một đích, thì đích này

có thể đưa hai bước sóng đã được điều chế này thông qua các mạch trễ, ban đầucho tín hiệu của bước sóng thứ hai đưa vào giai đoạn 1 của mạch trễ, sau đó lạicho tín hiệu của bước sóng thứ nhất đưa vào giai đoạn 2 của mạch trễ Thao tácnày có thể được lặp đi lặp lại nếu cần thiết, nhưng các tín hiệu bị mất ở giai đoạncuối cùng Giao thức giành trước được dùng để thông báo cho phía thu kế hoạchtruyền dẫn

Mặt khác, TreeNet cũng là một single hop network trong đó dùng topo

hình cây cho phân phối tín hiệu Cây này được xây dựng bởi các sợi quang kếthợp với “bộ ghép cáp hai nón- biconical taper couplers” tại các node phía trong

Các trạm được đặt tại lá của cây, ngược lại các mạng single-hop network sao

đơn giản có một bộ ghép hình sao “star coupler”được đặt tại trung tâm Vềphương diện vật lí, TreeNet phân tán các thiết bị nối để đạt được khả năng duytrì khi gặp sự cố Cây này làm thành một phương tiện truyền broadcast trong đó

sử dụng giao thức truy cập đa kênh, cho các trạm với bộ thu phát Việc tạokhuyếch đại tại node gốc cho phép hàng trăm trạm có thể được hỗ trợ TreeNetđược mô tả trong hình 4

Hình 4 : Mô hình treeNetMạng sóng ánh sáng tuyến tính (LLN-Linear lightwave network) cũng là mộtkiểu mạng Single-hop Network LLN dùng các LDC(linear divider-combiner)như là các node trong topo hình lưới Các trạm người dùng được gắn đến cácLDC, mà được lập trình để tạo quảng bá giữa các trạm, như chỉ ra ở hình 5.Mạng con được định nghĩa bởi việc thiết lập các LCD và băng tần của các bướcsóng kề nhau Việc duy trì và thay đổi LLN có thể điều khiển bởi mạng bênngoài và cho phép người điều khiển các LDC

Hình 5 : Cấu hình vật lý của mạng LLNCác mạng Single-hop Network có thể thiết lập một đường quang dànhriêng giữa nguồn và đích, vì vậy chúng hỗ trợ các kết nối chuyển mạch kênh rấttốt Về nguyên lý, thì truyền dẫn multicast cũng có thể đạt được, nhưng đối vớicác mạng quang mà dùng điều chỉnh bước sóng, thì thật là khó khăn sắp xếptrước tất cả các thành viên trong nhóm multicast để hiệu chỉnh ngay tức thì cácbước sóng của các trạm multicast.

Trong Single-hop Networks mà hỗ trợ các phương tiện broadcast, như cây

và sao, định tuyến là hướng tiến Khi phương tiện broadcast hỗ trợ một lược đồtruy nhập đa kênh, phối hợp thu - phát là vấn đề chủ yếu nhất Tuy nhiên, không

phải tất cả mạng Single-hop Networks nào cũng có hỗ trợ đầy đủ các phương tiện broadcast Như các Single-hop Networks có thể dùng các đường vật lí khác

nhau để chuyển các gói tin từ nguồn đến đích Vấn đề định tuyến trong cácmạng này là xác định và quản lí đường vật lí được dùng như thế nào

Mạng quang thụ động (PON-Passive optical network) gửi các tín hiệu trêncác đường vật lí duy trì cố định trong thời gian dài Các mạng này bao gồm cácmạng broadcast-start, như là LAMBDANET và Rainbow và các mạngbroadcasttree, như là TreeNet Các mạng này thiết lập một định tuyến single -

hop từ một nguồn đến một đích chỉ đơn thuần là gán bước sóng Ví dụ, mộtnguồn trong mạng Rainbow chuyển gói tin của nó đến đích bởi một bước sóng

cố định trong một khe thời gian cụ thể Ở phía đích sẽ hiệu chỉnh nhận bướcsóng của phía nguồn trong suốt khe thời gian đó Do đó, các mạng này bị hạnchế bởi chuyển mạch kênh, mà bước sóng (và có thể là khe thời gian) được dànhriêng để cho kết nối Nói chung, định tuyến multicast là không thể thực hiệntrong mạng PON

Các node bên trong của mạng PON bao gồm các switch, coupler, các sợiquang, và có thể là các bộ khuyếch đại quang Về mặt chức năng, thì mỗi mộtnode, với một bước sóng đến có thể được cắt ra và phân phối với tỉ lệ công suấtkhác nhau đến các đầu ra khác nhau Không có phần xử lí mào đầu hay lưu trữgói và chuyển tiếp được thực hiện Do vậy, định tuyến trong mạng PON về bảnchất là chuyển mạch kênh và bao gồm thiết lập các đường (giữa nguồn và đích)hay các broadcast tree (giữa các các trạm phụ) trong một topo vật lí Topo nàythông thường là mạng lưới, nhưng cũng có thể là hình cây

Sợi quang trong PON cũng có thể là các liên kết đa sợi Một liến kết đượcthực hiện với một băng sợi, hay một bó gồm khoảng cả tá, hay thậm chí cả trămsợi quang Đặc điểm này giới thiệu rõ ràng một số lượng lớn tùy chọn các đườngxen kẽ nhau, mà có thể được chọn ghép kênh phân chia theo không gian Theocách này kĩ thuật đa sợi quang có thể thực hiện hiệu quả WDM, để bù sự khanhiếm bước sóng (khoảng vài tá) mà dùng cho các công nghệ mạng quang ngàynay

Trong topo mạng lưới PON, chúng ta có hai cách chọn định tuyến cơ bản:

là định tuyến đường ngắn nhất và định tuyến rooted (rooted routing)

Định tuyến trong Single-hop Networks dùng các kĩ thuật khác nhau Các

mạng này thường dùng PON, mà yêu cầu không có thông tin điều khiển trongbăng định cấu hình Mạng này thường luôn luôn tĩnh hay giả tĩnh, với việc địnhcấu hình lại hay tinh chỉnh ít xảy ra Nếu các đường single-hop là cố định, thì

một trạm nguồn khởi tạo kết nối dựa trên một danh bạ của nó Nếu các đườngnày có thể thay đổi, thì một nguồn phải hỏi server cung cấp phương pháp định

tuyến Do mạng Single-hop Network thường xuyên sử dụng chuyển mạch kênh

cho việc trao đổi bản tin nên các kĩ thuật định tuyến đôi khi tương tự các phươngpháp đa truy cập trong các mạng nội hạt đa kênh

1.3.1.3 Multihop Optical Networks (các mạng quang đa chặng).

Mạng quang đa chặng mang một bản tin từ nguồn tới đích thông qua cácchuyển mạch điện tử tức thời Các mạng quang đa chặng được phân biệt với cácmạng liên kết quang bởi việc sử dụng nhiều bước sóng Một mạng quang đachặng điển hình được gắn trong một PON, trong đó WDM có vai trò phân bổcác tín hiệu giữa các trạm Hệ thống này có thể khai thác một cách hiệu quả hơncác hệ thống sóng ánh sáng, như là có thể ghép nhiều kênh tốc độ cao trong mộtsợi quang đơn mode Mạng quang đa chặng hoàn chỉnh được minh hoạ tronghình 6

Hình 6 : Mạng quang đa chặngMạng quang đa chặng được mô tả bởi một cấu hình vật lí, bao gồm cáctrạm và các liên kết thực sự, và một cấu hình ảo, là kết nối logic giữa các trạm.Các cấu hình vật lí và cấu hình ảo không phụ thuộc lẫn nhau

Tiền thân của mạng quang đa chặng là ShuffleNet (mạng con thoi) Đây là mộtmạng đa kênh với một cấu hình vật lí PON và một cấu hình ảo dịch quay vòng

Mỗi trạm có p máy phát và p máy thu (thường thì p = 2) được điều chỉnh để thu được đồ thị liên kết ShuffleNet Đồ thị ShuffleNet (p, k) cấu tạo bởi kp k trạm,

tức là k tầng, mỗi tầng có p k trạm, các trạm của mỗi tầng được kết nối tới các trạm của tầng bên dưới do p lần xê dịch đầy đủ ShuffleNet có thể được gắn

trong mạng PON bất kỳ, bao gồm bus tuyến, cấu trúc sao ở trung tâm và cây Cónhiều biến thể của mạng ShuffleNet Cấu hình ảo của một mạng quang đa chặng

có thể bị thay đổi bởi sự điều hướng các bộ thu phát (tại thời điểm lắp đặt mạng,hoặc khi mạng đang sẵn sàng hoạt động, nếu các trạm có các bộ thu phát có thể

điều hướng được) Mạng quang đa chặng kênh chia sẻ cho phép nhiều trạm

được phân phối tới một kênh WDM đơn (và yêu cầu một thuật toán giải quyếtxung đột đối với kênh chia sẻ), làm giảm bớt yêu cầu về mức độ cao của WDMđược sử dụng trong ShuffleNet kênh chuyên dụng Ghép kênh sóng mang contheo tần số vô tuyến cũng được sử dụng để điều chế các bước sóng và tạo nênmột mạng đa chặng đa kênh

Dấu hiệu phân biệt của các mạng quang đa chặng là việc sử dụng đồngthời cấu hình vật lí và cấu hình ảo, và cả 2 về bản chất không phụ thuộc lẫnnhau Cấu hình vật lí thường là 1 PON, như là cấu hình cây, bus hoặc sao quảng

bá và lựa chọn; và cấu hình ảo có thể là dạng của đồ thị định hướng p-regular

(nghĩa là đồ thị trong đó tất cả các node có p đầu vào và p đầu ra tạo thành hình

Nhìn thoáng qua thì vấn đề định tuyến trong các mạng quang đa chặngdường như không khác gì so với định tuyến trong các mạng liên kết quang, vìcác mạng này về bản chất là các node định tuyến lưu trữ-và-chuyển tiếp đượcliên kết bởi các kênh logic hay các liên kết vật lí Tuy nhiên, trong mạng quang

đa chặng xuất hiện một vấn đề định tuyến khác Định tuyến trong các mạng này

có bản chất là chuyển mạch gói, nhưng cái khác ở đây là vấn đề định tuyến lại đikèm với vấn đề thiết kế cấu hình ảo Xét sâu hơn nữa thì sự khác nhau càng trởnên rõ ràng hơn: các kênh không được hoạt động song song với nhau, vì đồ thịđịnh hướng bên dưới của cấu hình ảo kết hợp một hướng rõ ràng với mỗi kênh,

và ảnh hưởng của lỗi trong một phần của cấu hình vật lí có thể khá rộng, ảnhhưởng tới một tốp các kênh ảo, trái ngược hẳn với lỗi liên kết đơn giản trong cácmạng liên kết quang

ShuffleNet cơ bản sử dụng định tuyến lưu trữ - và - chuyển tiếp đơn giảnvới các tuyến đường ngắn nhất Tuyến này kéo dài từ nguồn tới đích đã được fixsẵn ý tưởng này đã được tiếp tục phát huy, thuật toán định hướng tuyến cố địnhhoàn toàn cân bằng tải lưu lượng trên tất cả các liên kết của ShuffleNet kênhchia sẻ với các trạm thu phát đơn khi lưu lương yêu cầu là giống nhau Tại mỗichặng, thuật toán này kiểm tra một bit đơn của địa chỉ đích (ShuffleNet nhịphân), sử dụng giá trị của nó để quyết định bản tin có được lặp lại hay không

Do nguyên tắc định tuyến đối với việc lặp các gói tin là “đẳng hướng”, nghĩa làcác đích của các gói tin được lặp coi như cùng không quan tâm tới trạm nàođang thực hiện việc định tuyến, trên tất cả các liên kết thì số lượng các gói đượclặp trên một đơn vị thời gian là giống nhau – nghĩa là tải liên kết hoàn toàn cânbằng Mặc dù có thể sử dụng cùng thuật toán trong ShuffleNet kênh chuyêndụng, nhưng không thể đảm bảo cân bằng tải liên kết Tuy nhiên, trên thực tế cóthể chấp nhận tải liên kết cân bằng khi các thuật toán được sử dụng trongShuffleNet kênh chuyên dụng có lưu lượng đồng nhất

Các topo ảo đã được kết cấu như ShuffleNet có lợi thế về mật độ, nghĩa là

số lượng node N tương ứng với đường kính D đưa ra (chính là độ dài cực đại của tuyến đường ngắn nhất giữa tất cả các cặp node) trong đồ thị kép mức p (tức

là, một đồ thị song hướng trong đó mỗi node có p đầu vào và p đầu ra tạo thành

hình cung) đạt tới cái gọi là biên giới Moore:

Các cấu hình ảo dày đặc – trong đó số lượng node đạt tới biên giới Moorevới đường kính đã định – là các cấu hình mong muốn đối với việc định tuyến, vìtuyến đường ngắn nhất từ một node này tới node khác biến đổi nhiều do sự đảomật độ của đồ thị Do đó, cấu hình ảo dày đặc có xu hướng có độ trễ chậm vớilưu lượng đồng nhất ánh sáng, nếu định tuyến đường ngắn nhất được sử dụng.

Định tuyến nguồn (định tuyến sử dụng tiêu đề gói tin) là một cách đơn

giản để định tuyến các gói tin trong WON Không cần bảng định tuyến, và việcchuyển mạch được thực hiện đơn giản bởi chỉ yêu cầu xử lí trường liên quan tớitiêu đề địa chỉ WON phải sử dụng giao thức phát hiện để tìm ra tuyến đườngngắn nhất giữa nguồn và đích Các tuyến giữa tất cả các cặp trạm phải được duytrì bởi một máy chủ định tuyến (route server), và các trạm có thể yêu cầu cáctuyến khi cần Các tuyến được sử dụng thường xuyên sẽ được lưu trữ cho việc

sử dụng trong tương lai

Còn một số vấn đề tồn tại trong các mạng đa chặng Trong các mạng này,những thao tác trong chuyển mạch kênh không thực hiện được nhiều giải phápTDM tương tự chuyển tiếp tế bào ATM được đưa ra Vấn đề multicasting khôngđược khảo sát rộng rãi Trong trường hợp này có thể sử dụng multicasting đốivới lớp mạng Định tuyến hội tụ, được đưa ra đầu tiên để hỗ trợ cho việc tíchhợp lưu lượng và multicasting trong Metanet, cũng có thể ứng dụng cho cácmạng quang đa chặng Các giao thức Metanet dựa trên việc phân phối toàn bộxung, sử dụng một cấu trúc khe thời gian trên mỗi link để tách luư lượng thờigian thực và không thực thành hai luồng riêng biệt Metanet đưa vào cấu hìnhvật lí của nó một mạch Ơle, mạch này có thể đến mỗi trạm ít nhất một lần vàđược gọi là vòng ảo Một mạch như vậy được bảo vệ để tồn tại trong một topo

ảo cân đối Các kênh tham gia vào vòng ảo được gọi là các liên kết vòng (ring

link), và tất cả các kênh được gọi là các liên kết chuỗi Lưu lượng thời gian thực

được gửi đi dọc theo các tuyến cố định trong mạng Tuyến mặc định của lưulượng không theo thời gian thực là các đoạn ngắn nhất của vòng ảo, nhưng cóthể xảy ra 2 trường hợp lối tắt nếu chúng không gây cản trở đối với lưu lượngthời gian thực (1) nếu có một liên kết chuỗi giữa các trạm trong vòng làm rútngắn tuyến đương, hoặc (2) nếu bản tin có thể loại bỏ các chặng trong vòngbằng cách đi ra khỏi trạm thông qua một liên kết đầu ra khác với chặng kế tiếptrong vòng Để điều đa hướng một bản tin, các nguồn phát đi bản tin đó trongvòng ảo, do đó mỗi nơi nhận có thể copy và chuyển tiếp nó khi nó đi qua, vànguồn này sẽ xoá bản tin khi nó đã đi hết một vòng.

Các mạng quang đa chặng có nhiều điểm chung với các mạng chuyểnmạch gói thông thường Do đó, các thuật toán định tuyến của chúng thườngtương tự nhau Điểm phân biệt về nguyên lí là các mạng quang đa chặng có thểsắp xếp lại các topo ảo của chúng Nhiều hàm định tuyến do đó được gộp vàodưới sự quản lí topo, để tránh tắc nghẽn, phát hiện lỗi, và tối ưu hoá hiệu năng.Cho đến nay các mạng quang đa chặng vẫn còn gặp nhiều khó khăn giống nhưcác mạng chuyển mạch gói thông thường trong việc cung cấp các dịch vụmulticast và chuyển mạch kênh

1.3.1.4 Các mạng quang lai ghép ( Hybrid Optical Networks)

Các mạng đơn chặng (single-hop) hỗ trợ rất tốt các dịch vụ truyền dẫnthời gian thực, lưu lượng yêu cầu trễ nhỏ (như thoại và video), tuy nhiên chúnglại kém hiệu quả trong chuyển mạch gói, đặc biệt là sự bùng nổ lưu lượng củacác dịch vụ không yêu cầu thời gian thực Mặt khác, các mạng chuyển mạch gói

đa chặng (multihop) lại rất thích hợp để truyền dẫn lưu lượng bùng nổ nhưngkhông đảm bảo được giới hạn trễ và băng thông dành riêng được yêu cầu bởilưu lượng thời gian thực Một giải pháp để giải quyết vấn đề trên là kết hợpmạng single-hop và multi-hop thành 1 mạng thống nhất gọi là mạng lai ghép(hybrid network)

Như vậy mạng quang hybrid là mạng bao gồm cả hai mạng single-hop vàmulti-hop Khái niệm mạng hybrid là sự kết hợp một mạng con single-hop vàmột mạng con multi-hop, Dựa trên nguyên lí các mạng single-hop hỗ trợ chuyểnmạch kênh rất tốt và các mạng multi-hop hỗ trợ chuyển mạch gói rất tốt nên ưuđiểm của mạng quang hybrid là nó điều khiển tích hợp lưu lượng rất tốt Tuynhiên, dịch vụ chuyển mạch kênh của mạng con single-hop phụ thuộc vào báohiệu ngoài băng và điều khiển để quản lí (như thiết lập và phá bỏ) các kênh củachính mạng con đó Điều này là cần thiết cho mạng báo hiệu ngoài băng và bởi

vì các chức năng quản lí mạng có thể chấp nhận những sự thay đổi trễ,một mạngcon chuyển mạch gói multi-hop có thể đáp ứng những yêu cầu cho cả mạng điềukhiển ngoài băng và mạng truyền tải không yêu cầu thời gian thực

Các mạng quang hybrid kết hợp các kỹ thuật định tuyến của các mạngsinglehop và multi-hop nhằm cung cấp các dịch vụ chuyển mạch kênh và gói.Mạng con multi-hop cung cấp các phương tiện cho việc chuyển đổi các bản tin

mà không giới hạn thời gian Các dịch vụ loại này bao gồm lưu lưọng bùng nổ

mà có thể chấp nhận dịch vụ vận chuyển nỗ lực tối đa (best-effort), lưu lượngquản lí mạng và báo hiệu ngoài băng để quản lí các kết nối trong mạng consingle-hop Tuy nhiên, trong một vài mạng có thể sử dụng truyền tải multi-hop

để làm giảm vấn đề tắc nghẽn khi không có một đường dẫn single-hop nào đượctìm thấy từ nguồn đến đích, trong trường hợp này mạng cố gắng thiết lập mộtđường dẫn multi-hop

Một mạng quang hybrid được đề xuất sử dụng các đường dẫn quang(lightpaths) hoặc các đường dẫn single-hop (single-hop paths) giữa hai trạm đểtruyền thông tin Lưu lượng chuyển mạch kênh yêu cầu một đường dẫn quang từnguồn đến đích, nhưng lưu lượng chuyển mạch gói có thể sử dụng chuỗi baogồm nhiều đường dẫn quang (với chuyển mạch ở các node trung gian)

Kết hợp 2 phương pháp ghép kênh phân chia theo không gian và bướcsóng, mạng cây đa sợi quang sẽ định tuyến các tín hiệu giữa các node trong một

cuộc gọi cơ sở Mạng con single-hop có thể được xem như 1 cây cáp bao gồmcác cây sợi quang Mỗi một cây sợi quang (fiber plant) là một phương tiệnquảng bá đầy đủ mà có thể được chọn bởi một nhóm các trạm của mạng Việchạn chế số lượng các trạm để chọn một cây sợi quang là theo yêu cầu để tránhlãng phí quá nhiều công suất quang Hơn nữa, mỗi cây sợi quang điều khiển mộtvài kênh WDM theo yêu cầu Trong trường hợp này chúng ta có thể giả thiếtrằng cấu trúc vật lí là một cây, mà cấu trúc này bao phủ B cây sợi đơn (single-fiber) ( B là số các sợi quang trong một bó đa sợi quang) Khi cây lớn dần thì sốcác mức trong cây cũng tăng theo và vì thế sẽ suy hao rất nhiều (giả thiết rằngtất cả đường dẫn được định tuyến qua gốc) Có một cách có thể làm giảm suyhao, và vì vậy tránh dùng bộ khuyếch đại quang đắt tiền Bằng cách chia nhỏ sốlượng trạm thành các nhóm và liên kết chúng lại với nhau với các cây nhỏ hơn(vì vậy sẽ giảm suy hao) Rõ ràng, chúng ta vẫn muốn duy trì hoàn toàn tính kếtnối, vì chúng ta muốn kết nối tất cả các trạm để truyền thông với cái khác Vìvậy các nhóm trạm cần xếp chồng lên nhau và cần có đủ các nhóm rỗi cho mỗicặp trạm, ít nhất là một nhóm.

Cấu trúc cây con là do tham gia định tuyến và vấn đề phân chia, cấu trúcnày cùng vấn đề trước đó là thiết kế tổ hợp được gọi là vấn đề set-covering màrất khó để giải quyết chính xác Các cây con được định tuyến bởi việc lắp đặtchính xác các chuyển mạch và việc sử dụng các bộ ghép nhị phân và các saophản xạ trong các node của cây đa sợi

Việc lắp đặt các kết nối chuyển mạch kênh trong mạng cây đa sợi là được

hỗ trợ bởi một trạm tập trung, giữ đường dẫn sử dụng của các kênh WDM trêncác cây quang của mạng con single-hop Tuần tự, cho một cơ sở dữ liệu nhỏ củacác trạm có thể truy nhập các cây quang, 1 trạm nguồn có thể tìm kiếm 1 kênhWDM rỗi trong 1 cây sợi quang, để nó truy nhập đến trạm đích và khai báo vớitrạm đích mà nó đã tìm ra bởi các phương tiện của mạng con multi-hop Mạngquang đa mức (multilevel optical network – MONET), mạng quang lai ghép

(hybrid optical network – HONET) và mạng đa truy nhập phân chia theo thờigian và bước sóng (time and wavelength division multiaccess network –T/WDMA) sử dụng các giao thức quản lí kết nối tương tự như mạng cây đa sợinhưng chúng sử dụng các loại mạng con single-hop khác nhau Ở đây, chúng tachỉ thảo luận mạng single-hop T/WDMA sử dụng băng thông để mang một sốkênh với số lượng không nhiều Các kênh WDM được chia thành các khung, cáckhung này được chia nhỏ hơn thành các khung con và các khung con này đượcchia nhỏ hơn thành các khe (slots) Các trạm có một máy phát đơn với bướcsóng cố định và hai hoặc nhiều hơn các máy thu thì có thể điều chỉnh toàn bộkhoảng cách của các kênh WDM Các máy thu dựa trên các AOTF để điềuchỉnh thời gian của một khung con và có thể được yêu cầu để chuyển qua mộtvài bước sóng ngay đó Hai hoặc nhiều máy thu được hoạt động theo nguyên tắcđường ống bởi việc điều chỉnh tuần tự một máy thu trong khi máy thu khác đangnhận thông tin Trong cách này, một trạm sẽ có ít nhất một máy thu được điềuchỉnh đến 1 khung con ở tất cả mọi thời điểm Một trạm chủ gọi yêu cầu 1 kênh

ảo bao gồm 1 hoặc nhiều khe trên 1 khung với băng thông yêu cầu Một ngườiquản lí cuộc gọi có nhiệm vụ duy trì cho tất cả các cuộc gọi được tiến hành vàcung cấp các khe mới sao cho không xảy ra tranh chấp

Tranh chấp trong 1 khung con xảy ra khi không có khe rỗi nào trongkhung con hoặc khi máy thu của trạm bị gọi được điều chỉnh trong suốt khungcon khi số lượng các kênh WDM tăng vượt quá 1 giới hạn thì hiệu suât sẽ bắtđầu giảm Điều đó xảy ra vì các máy thu phải điều chỉnh tần số nhiều hơn đểtruy nhập đến các máy phát trên các kênh phân tán rộng lớn Ví dụ, cho 1 kênhWDM thì số cuộc gọi được giới hạn bởi số khe trong 1 khung nhưng cho 1 máyphát trên kênh WDM thì số cuộc gọi được giới hạn bởi vì 1 máy thu có thể điềuchỉnh để chỉ 1 kênh của máy phát trong bất kỳ khung con nào

Các mạng single-hop cung cấp tốt dịch vụ chuyển mạch kênh nhưng đốivới các dịch vụ chuyển mạch gói thì bị hạn chế, nhưng ngược lại các mạng

multi-hop thì cung cấp tốt các dịch vụ chuyển mạch gói còn chuyển mạch kênhthì hạn chế Một giải pháp là kết hợp 1 mạng single-hop và nhiều mạng conmulti-hop với nhau Các mạng quang lai ghép cung cấp một mạng con phức tạp

để điều khiển việc định tuyến các thiết bị và yêu cầu việc định tuyến thông tin làmột cơ hội thực tiễn cho việc hợp nhất lưu lượng Có rất nhiều kiến trúc cho cácmạng lai ghép (hybrid network) đã được đề xuất và phân tích

1.3.1.5 Mạng Photon

Mạng photon là mạng tốc độ cao tiên tiến nhất trong số các mạng được đềcập đến đây Một bản tin trong mạng photon duy trì trong miền quang từ nguồntới đích, nhưng đối lập với các mạng quang đơn chặng – thông tin điều khiểntrong băng được thực hiện bởi các trung tâm chuyển mạch trung gian Có hailoại mạng photon Loại thứ nhất, được biết đến như là mạng hầu như toànquang, mặc dù bản tin không bao giờ được chuyển đổi từ miền quang nhưngthông tin điều khiển trong băng (phần đầu gói tin) chuyển hết bản tin và chuyểntới miền điện tại mỗi node chuyển mạch Sau đó các node định tuyến sẽ sử dụngthông tin mào đầu này để điều khiển chuyển mạch gói Tuy nhiên, trong mạngquang hoàn toàn thì quá trình xử lí bản tin bất kỳ nàu cũng hoàn toàn là photon,

và khối điều khiển điện sẽ không có Nếu mỗi trạm có số cổng đầu vào từ mạngbằng số cổng đầu ra mạng, và các gói có chiều dài cố định đến trạm trong một

khe thời gian, thì định tuyến lệch được dùng Khi tất cả các gói đến tại điểm bắt

đầu khe thời gian, trạm quyết định cổng đầu ra ưu tiên trong tất cả các trạm cóthể định tuyến nhầm hoặc là lệch tuyến một số gói để thay phiên các cổng đầu ranếu có sự ưu tiên trong sự tranh chấp đối với một cổng đầu ra Do đó, tất cả cácgói được chuyển tiếp trong suốt khe thời gian, và không yêu cầu đệm gói Do sự

mở rộng của định tuyến lệch cơ bản, có thể sử dụng một số bộ đệm gói để chohiện tượng lệch chỉ có thể xảy ra khi gói tin không được đệm

Định tuyến lệch trở nên thu hút trong mạng photon bởi vì node chuyểnmạch định tuyến lệch không yêu cầu đệm gói Mặc dù việc lưu trữ quang nhanh

trở nên khó đạt được, lợi ích của định tuyến lệch trong tất cả các mạng quang làrất dễ dàng.

Việc nghiên cứu các mạng toàn quang mới chỉ bắt đầu gần đây Người ta

đã chỉ ra rằng việc định tuyến lệch ngoài khe mà gói đến là không đồng bộ hóavới nhau sẽ gây ra một số vấn đề như tắc nghẽn và mất thông lượng, trừ khi cócác tính toán chuyên dụng để chống lại những vấn đề này Chúng ta thấy rằng,trong khi mạng khe hoạt động tốt trong tất cả chế độ lưu lượng thì mạng khôngkhe lại chịu sự chia tách hiệu suất sau khi đạt được tải mong yêu cầu Hơn nữa,thông lượng lại rất nhạy với trễ đường truyền τ Tuy nhiên, chúng ta cũng thấyrằng sự lựa chọn một chính sách truy nhập chuyển mạch có thể cải thiện đáng kểhiệu năng

Đa truy nhập phân chia tuyến (RDMA – Route Division Multiple Access)

là cách mới để cung cấp các mức dịch vụ khác nhau tới người sử dụng trong lớp

mạng gọi là Isochronet (mạng đẳng thời) Trong RDMA trạm gốc được cấp phát

một băng thời gian trong quá trình mà tất cả các trạm khác có cơ hội để gửi bảntin tới trạm gốc Trong suốt dải thời gian của trạm gốc, trạm nguồn truyền tải chỉ

sử dụng cây định tuyến cho đích (nghĩa là cây của đường ngắn nhất từ mỗi trạmnguồn tới trạm gốc) Việc sắp xếp này giảm mạnh sự tranh chấp giữa các trạmtruyền dẫn Hơn nữa, một vài trạm có thể được cấp phát chồng lấn dải thời gian,nếu các định tuyến của các trạm không khớp các liên kết, bởi vì lưu lượng trongcác cây định tuyến khác nhau có thể không cản trở lẫn nhau Trong mạng photonRDMA có thể được sử dụng để gửi lưu lượng bằng cách cấp phát tới mỗi trạmmột dải thời gian trong suốt quá trình đó tất cả các đường quang có thể đượcthiết lập cho thời gian của dải băng thông

Có 3 kỹ thuật RDMA được dùng để giải quyết xung đột trong phạm vicùng cây định tuyến RDMA- loại bỏ một gói khi hai gói tranh chấp nguồn, chophép gói khác tới mà không cản trở RDMA+ đệm một gói khi hai gói tranhchấp nguồn và gửi một gói đã đệm khi một gói đã bị loại Khi hai gói tranh chấp

nguồn, RDMA++ chứa một gói để truyền dẫn sau trong băng thời gian kế tiếp.Giao thức cấp phát dải băng tần đặc biệt xác định băng được sử dụng bằng câyđịnh tuyến riêng do đó nó không phân cắt với bất kỳ cây định tuyến nào mà sửdụng cùng băng thời gian Kế hoạch cấp phát băng thông đơn giản và giao thứcđồng bộ hóa được đưa ra trong chuẩn 72 và hiệu suất của nó có thể so sánh vớimạch thuần và chuyển mạch gói Các giao thức này làm việc tredn cơ sở câyđịnh tuyến và tiến đến trong cách rộng đầu tiên để cấp phát bất kỳ và đồng bộdải thông thời gian Một trong tất cả các băng thời gian được cấp trên , mỗi trạmgiữ các gói cho nguồn đưa tới băng thời gian của nguồn Chỉ thị của dải thờigian có thể cũng được dự trữ do đó nguồn gốc sử dụng cây định tuyến tới đađường tới các phần con của trạm Việc mô phỏng một mạng con với lưu lượnggiống nhau được chỉ ra rằng Isochronet cho trễ nhỏ hơn mạng chuyển mạch gói

và mạch

Các mạng photon là kỹ thuật tiên tiến nhất của mạng quang Chúng có thểđạt được tốc độ rất cao do chúng tránh được chuyển đổi điện quang trung gian,chúng hướng tới nguyên nhân hiện tượng “nút cổ chai” trong đường dữ liệu Bởi

vì công nghệ photon không có bản sao tới bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiên điện,thường thường bộ đệm gói quang được thực hiện như đường trễ quang Tuynhiên, phương pháp này chỉ cung cấp có giới hạn gói đệm Do đó, định tuyếnlệch, tuy không yêu cầu nhưng có thể giúp ích cho các bộ đệm gói, là giải phápcho hầu hết mạng này

1.3.2 Phân loại theo topo mạng

Khi ra đời hệ thống WDM chỉ đơn giản là cấu trúc điểm- điểm Hiện naycác mạng WDM có cấu trúc mạng phức tạp hơn rất nhiều Nó bao gồm cácmạng con được kết nối trực tiếp với nhau Có 4 loại cấu trúc mạng con như sau:

Hình 7 : Một cấu trúc RING 6 node

1.3.2.2 Cấu trúc mạng MESH

Một node có thể kết nối vật lý đến tất cả các node khác hoặc là có kết nốiđến một node bất kỳ, nó cung cấp nhiều khả năng định tuyến Lưu lượng trêncáp trong mạng Mesh có thể mở rộng, và dung lượng yêu cầu trên tuyến có thể

dễ dàng dự báo được Cấu trúc này có độ tin cậy cao, nhưng kết cấu phức tạp,việc điều khiển và quản lý đòi hỏi phức tạp hơn Nó thường được sử dụng trongcác mạng trục yêu cầu độ tin cậy cao Hình 8 miêu tả cấu trúc mạng MESH 6node

Hình 8 : Cấu trúc mạng MESH

1.3.2.3 Cấu trúc hình sao đơn

Từ node trung tâm tín hiệu được truyền thẳng đến các node khác như trênhình 9 Cấu trúc này đơn giản, cho phép truyền được dung lượng kênh lớn, thiết

bị mạng không phức tạp, thuận lợi cho khai thác và bảo dưỡng Tuy nhiên cấutrúc này có nhược điểm là sử dụng nhiều sợi quang do đó không tận dụng đượchiệu quả băng tần Một nhược điểm giữa node trung tâm phải có khả năng dunglượng cao, mà khi node này có sự cố thì hệ thống không làm việc được

Hình 9 : Cấu trúc hình sao đơn

1.3.2.4 Cấu trúc hình sao kép

Đối với cấu trúc hình sao kép, ngoài node trung tâm còn có các thiết bịđầu xa Từ node trung tâm tới các thiết bị đầu xa, cũng như từ các thiết bị đầu xa

tới node con đều có cấu trúc hình sao, như vậy tạo thành cấu trúc hình sao képnhư trên hình 10 Cấu trúc kép cho phép sử dụng hiệu quả vì mỗi nhánh có thể

có nhiều node con Tuy nhiên cấu trúc này có nhược điểm là do có sử dụng thiết

bị đầu xa nên chi phí lắp đặt cao hơn, cấu hình phức tạp hơn sẽ làm giảm độ tincậy, khó phát triển cho các dịch vụ băng rộng Cũng giống như đặc điểm chungcủa cấu trúc hình sao, cấu hình này đòi hỏi năng lực quản lý của node trung tâmphải mạnh, có thể lưu thoát thông tin giữa các node trung tâm tới các node con,

và giữa các node con với nhau

Hình 10 : Cấu trúc hình sao kép

1.4 Các tham số đặc trưng của mạng quang

Việc quy hoạch định cỡ mạng, trong đó có định tuyến không thể khôngtính đến các tham số đặc trưng của mạng, có những vấn đề công nghệ hiện tạichưa vượt qua, có những ràng buộc về vật lý, ràng buộc về topo đối với việc ápdụng vào mạng quang Mục đích của phần này là đưa ra thảo luận các tham sốkhác nhau để tính toán cho phép định tuyến trong tương lai và định cỡ mạngquang Sau đây là các tham số đặc trưng của mạng quang trong đó các giới hạnyêu cầu trong định tuyến nói riêng và quy hoạch thiết kế mạng nói chung

1.4.1 Đặc trưng riêng của mạng quang

 Dung lượng cao : Mạng lõi phải sử dụng với nhiều ứng dụng và dịch vụ

được dự tính trong tương lai, với độ rộng băng tần khác nhau Do đó

mạng phải có dung lượng lớn và có khả năng kiểm soát tín hiệu của kênhquang.

 Sự trong suốt : Với chức năng quang học và để giảm bớt sự phức tạp của

thiết bị, tín hiệu phải hoàn toàn trong suốt trong miền quang Có một vàidịch vụ có thể xác định như là khuôn dạng tín hiệu, tốc độ bit, modetruyền tải dịch vụ Sự trong suốt thường không tồn tại, trong khi các giàngbuộc vật lý luôn luôn gây ra giới hạn của sự trong suốt

 Tính linh hoạt: Tham chiếu tới khả năng của mạng để điều tiết thay đổi

trong những mẫu lưu lượng Điều này có thể dễ dàng trong mạng quangkhi tính hạt của tín hiệu được kiểm soát

 Tính kết nối được: là khả năng thiết lập kết nối một cách độc lập với

trạng thái thực trạng của mạng Khả năng kết nối đầy đủ có nghĩa là bất

kỳ kết nối nào giữa hai node bất kỳ của mạng có thể thiết lập ở bất kỳ mọithời điểm Trong mạng quang là các bước sóng có thể dùng được, khóaOXC hoặc giới hạn số bước sóng của OADM là giới hạn chính của sự hạnchế khả năng kết nối quang toàn điện

 Tính phát triển: Là khả năng cung cấp dung lượng hoặc chức năng của

mạng bằng cách thêm thiết bị mới đồng nhất Trong mạng quang việctăng dần các bước sóng có thể sử dụng được mà không thay đổi toàn bộthiết bị WDM là một thể hiện tính phát triển

1.4.2 Các tham số liên quan đến topo mạng

Sự định nghĩa của mạng thiết kế những quy tắc cho mạng quang WDM,giá trị của những thuật giải tối ưu về topo mạng và các công cụ quy hoạch mạngphải được sử dụng những mô phỏng số Tuy nhiên, sự minh họa của các kết quảchung có thể đạt được trong vài trường hợp, mà cung cấp các quy tắc thiết kếđơn giản có thể sử dụng cho các nguyên tắc quy hoạch mạng Một số tham sốmạng quan trọng đó là:

 Số các node (N), một node là nguồn của lưu lượng (kênh quang) hoặc lànode trung gian thuần túy.

 Độ kết nối node (D), được định nghĩa như là số trung bình của các nodetrực tiếp (không qua bất kỳ transit nào) được kết nối tới một node qua mộthoặc nhiều sợi

 Độ dài tuyến (LF) được chuẩn hóa cho khoảng cách node

 Số sợi trên một tuyến (F)

 Dạng hình thù của mạng

 Mật độ mạng

1.4.3 Các tham số liên quan đến những giới hạn vật lí

Chất lượng của tín hiệu qua mạng áp đặt những quy tắc kỹ thuật cho quyhoạch mạng Trong một mạng hoàn toàn quang, dữ liệu cần truyền nguyên là tínhiệu quang trên tất cả các tuyến trên lớp quang Tuy nhiên, mỗi tuyến không thểđơn giản như tuyến WDM điểm – điểm, bởi vì các tín hiệu trên các tuyến khácnhau có thể đi qua một số thiết bị khác, số các bước sóng đặc trưng cho tín hiệutrên các sợi có thể khác nhau với các tuyến khác nhau Những giới hạn vật lýdẫn đến giảm chất lượng của tín hiệu qua xuyên âm, méo tín hiệu và nhiễu tíchlũy Thiết kế của các kết nối chéo và định nghĩa kiến trúc của các node có thểbảo đảm node đó thực hiện các chức năng cần thiết Tuy nhiên có một vấn đề làbao nhiên node có thể được xếp tầng dọc theo tuyến quang trong khi phải giữchất lượng tín hiệu ở mức chấp nhận được Vì sự tái tạo tín hiệu phải thực hiệnđược, do vậy giới hạn của độ dài tuyến quang cần được quan tâm và nó có giớihạn nhất định Một số vấn đề liên quan đến giới hạn số bước sóng trên mỗi sợi

vì vấn đề xuyên âm và giới hạn băng tần khuếch đại Khó khăn có thể khắc phụcbằng cách tái sử dụng bước sóng Nhưng điều này lại làm khó khăn cho việcphân phối bước sóng và vấn đề định tuyến Những tham số sau đây cần quantâm nó liên quan đến chất lượng của tín hiệu

 Giá trị trung bình và lớn nhất của độ dài đoạn nối trong mạng

 Số node quang lớn nhất mà có thể đi qua mà không cần tái tạo

 Độ dài tuyến quang lớn nhất mà không cần tái tạo

 Số lần biến đổi bước sóng trên tuyến

 Số bước sóng, kênh quang được sử dụng trên nỗi sợi

 Giảm cấp BER và băng thông của hệ thống

 Sự tích hợp các kênh quang riêng (mức công suât phát quang, độ ổn địnhbước sóng …)

 Thời gian cấu hình lại (định truyến lại và chuyển mạch thời gian)

1.4.4 Các tham số liên quan đến nhu cầu lưu lượng mạng

Ma trận nhu cầu là rất quan trọng trong quá trình quy hoạch, bởi vì nó cóthể làm ảnh hưởng đến sự lựa chọn cấu hình, phương án chuẩn bị và địnhtruyến, đặc trưng truyền tải của lớp … Về nguyên tắc, ma trận nhu cầu cho lớpquang phải đựợc biểu diễn qua các bước sóng , nhưng thường nó được biểu diễnbởi đơn vị thông thường của lớp client (SDH, ATM… ) mà điều đó cho phépquy hoạch thiết kế lớp quang, một mức độ tự do cao hơn trong thiết kế lớpquang

 Phân phối lưu lượng:Phân phối lưu lượng trong các node quang là một đặc điểm quan trọng của mạng Những cách phân phối khác nhau có thể dẫn nhà quy hoạch hướng về kiến trúc mạng quang khác nhau và cho phép và cho phép sử dụng những phương pháp giải thuật khác nhau trong

quá trình quy hoạch

 Cấu trúc khung của kênh quang:Thiết kế của các mạng truyền tải hiện tại là dựa trên lưu lượng tĩnh, các đối tượng cần được tính toán tối ưu.

Thông thường, các đầu vào cho cỡ Mbit/s Cấu trúc khung hoặc dung

lượng kênh, định nghĩa sự tương ứng giữa ma trận nhu cầu trong lớp

quang và các ma trận bước sóng Sự lựa chọn cấu trúc khung được thể hiện bằng lựa chọn công nghệ Hầu hết các hệ thống đa bước sóng hiện có

sử dụng cấu trúc khung STM-16, những nghiên cứu đã chỉ ra có thể sử

dụng đến STM-64 cho phép trộn nhiều cấu trúc khung của kênh quang trên cùng một sợi.

 Dung lượng trên mỗi đoạn nối: Các giới hạn vật lý dẫn đến giới hạn của

số kênh quang trên sợi Nguồn phát đối với mỗi bước sóng phải đủ lớn để cung cấp tín hiệu trên tạp âm tại đầu thu Tuy nhiên nó không thể tăng mãi công suất của nguồn quang được vì bộ khuếch đại quang có thể bão hòa và có hiệu ứng phi tuyến như trường hợp trộn bốn bước sóng sẽ làm

giảm hiệu năng truyền dẫn tín hiệu Do đó có sự cân bằng dung lượng trênmỗi đoạn nối, khoảng cách bộ khuếch đại và số tầng khuếch đại trên toàntuyến

 Dự báo nhu cầu đáp ứng: Tùy thuộc vào các yêu cầu dịch vụ mạng, nhiều loại nhu cầu lưu lượng khác nhau được mang trên tầng quang: Tín

hiệu video, data, thuê kênh riêng…Tốc độ bit cho mỗi loại này có thể

khác nhau Quá trình quy hoạch bao gồm dự báo và đáp ứng cho những cho những loại tín hiệu này vào lớp quang Sự chuẩn bị có thể dựa vào phân phối nhu cầu quang, những yêu cầu của chúng Với mục đích đó,

việc chuẩn bị tốt nhất có thể tính đến tác động của lớp quang, nhóm cácnhu cầu lưu lượng lớp client như SDH, thành các luồng quang để định

tuyến sao cho tối ưu nhất về việc sử sụng tài nguyên, tránh lưu lượng trên một tuyến nối quá cao trong khi lưu lượng trên tuyến khác lại quá thấp,

lãng phí tài nguyên

1.4.5 Các tham số liên quan đến kiến trúc

 Mạng một cấp và mạng có kiến trúc: Mạng có thể được cấu trúc theo hai cách: Phẳng (một cấp) và mạng có kiến trúc Mạng một cấp không có

sự bắt buộc nào về định tuyến lưu lượng trong khi một mạng có kiến trúc