luận văn thạc sĩ thiết kế topo logic mạng quang wdm sử dụng phần mềm matplanwdm

Trong luận văn này tôi xin trình bày một phương pháp “Thiết kế topo logic mạng quang WDM sử dụng phần mềm MatplanWDM” mà qua đó chúng ta có thể thực hiện được: các báo cáo dạng thông số

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: Ts Vũ Tuấn Lâm

Phản biện 1: Ts Hoàng Văn Võ

Phản biện 2: Ts.Vũ Văn San

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc: giờ ngày 15 tháng 02 năm 2014

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

MỞ ĐẦU

Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các dịch vụ viễn thông, đồng thời các nhu cầu đòi hỏi cần có một băng thông lớn, tốc độ cao và ổn định để có thể đáp ứng một cách tốt nhất cho những nhu cầu đó Sợi quang với băng thông lớn, cùng với sự ra đời của công nghệ ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM đã mở ra giải pháp cho các nhà cung cấp mạng Sự ra đời của các bộ khuếch đại quang, các bộ xen rẽ kênh quang OADM, các bộ chuyển đổi cùng với bộ kết nối chéo quang OXC, đã phần nào đem lại sự mềm dẻo và tính linh hoạt cho các mạng thông tin quang hiện tại Cấu trúc liên kết của các sợi quang đảm bảo truyền thông trong một mạng cáp quang gọi là “topo mạng” Việc thiết kế topo mạng tốt

sẽ mang lại hiệu quả sử dụng tài nguyên mạng cao hơn

Hiện tại đã có nhiều các tài liệu và báo cáo nghiên cứu về vấn đề Thiết kế topo logic mạng quang với nhiều các giải thuật khác nhau Nhưng hầu hết các báo cáo đó đều chỉ đề cập, đánh giá được một vấn đề cụ thể của hệ thống topo mạng Nếu ta muốn đánh giá nhiều thông số và có cái nhìn tổng thể cả topo mạng hay để so sánh giữa các topo mạng khác nhau thì có rất ít tài liệu, báo cáo đã thực hiện được Trong luận văn này tôi xin trình bày một

phương pháp “Thiết kế topo logic mạng quang WDM sử dụng phần mềm MatplanWDM”

mà qua đó chúng ta có thể thực hiện được: các báo cáo dạng thông số của mạng, các sơ đồ biểu thị mối quan hệ giữa các thông số, cũng như theo dõi từng bước cấu trúc topo logic của

cả quá trình định tuyến trong mạng

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ MẠNG QUANG WDM

1.1 Giới thiệu hệ thống WDM

1.1.1 Nguyên lý cơ bản của công nghệ WDM

Trong các hệ thống thông tin quang điểm - điểm thông thường, mỗi sợi quang chỉ có thể truyền tín hiệu từ một nguồn phát tới một bộ tách quang ở đầu thu Để truyền các tín hiệu từ các nguồn quang khác nhau đòi hỏi phải có các sợi quang khác nhau Trong thực tế thì nguồn quang có độ rộng phổ tương đối hẹp, vì vậy phương pháp này chỉ sử dụng một phần rất nhỏ băng tần vốn rất rộng của sợi quang Về mặt lý thuyết có thể làm tăng dung lượng truyền dẫn của hệ thống lên nhiều lần bằng cách truyền đồng thời nhiều tín hiệu

quang trên cùng một sợi quang nếu các nguồn phát có phổ cách nhau một đoạn hợp lý và ở đầu thu có các bộ tách bước sóng quang Đây chính là cơ sở của kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM

Hình 1.1 : Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật ghép bước sóng WDM

1.1.2 Hệ thống WDM

* Cấu trúc hệ thống WDM

Một hệ thống WDM bao gồm các thành phần chính dưới đây tạo thành: máy phát quang, bộ khuếch đại chuyển tiếp quang, máy thu quang, kênh tín hiệu điều khiển giám sát quang và hệ thống quản lý

* Vị trí của hệ thống WDM trong mạng truyền dẫn:

1.1.3 Đặc điểm chính của hệ thống WDM

- Hệ thống WDM tận dụng tài nguyên dải tần rất rộng của sợi quang

- Hệ thống WDM truyền dẫn đồng thời nhiều tín hiệu và sử dụng các bước sóng độc lập với nhau

- Hệ thống WDM với công nghệ có nhiều ứng dụng như: mạng xương sống, mạng quảng bá, mạng cục bộ nhiều đường, nhiều địa chỉ

- Hệ thống WDM ghép kênh những bước sóng truyền dẫn trong sợi đơn mode, khi truyền đường dài dung lượng lớn có thể tiết kiệm số lượng lớn sợi quang

- Sử dụng hệ thống WDM làm giảm bớt yêu cầu xử lý tốc độ cao đối với linh kiện điện tử, đồng thời có thể truyền dẫn dung lượng lớn

- Có thể thực hiện công nghệ IP trên WDM

1.2 Cấu trúc mạng WDM

1.2.1 Cấu trúc mạng WDM điểm nối điểm

1.2.2 Cấu trúc mạng WDM có định tuyến bước sóng quang

1.3 Cấu trúc mạng toàn quang WDM

Mạng toàn quang phân thành 3 lớp con: lớp 0, lớp 1, lớp 2 Mỗi lớp con là một vùng toàn quang có khả năng hoạt động

Lớp 0: Biểu diễn mạng nội hạt (LAN) có số lượng rất lớn các mạng truyền tải quang Lớp 1: Biểu diễn mạng đô thị (MAN) lấy thành phố hay khu vực hành chính làm đơn

vị, thường có cự ly vài Km đến vài chục Km

Lớp 2: Biểu diễn mạng diện rộng (WAN) là mạng đường trục trong phạm vi quốc gia, cự ly thường vài trăm đến vài nghìn Km

Hai đặc điểm quan trọng của sợi trong mạng này là suy hao thấp và dải thông rộng

1.4 Mạng truy nhập toàn quang WDM

Về cấu trúc mạng truy nhập quang có thể được chia thành 2 loại: mạng truy nhập thụ động WDM và mạng truy nhập tích cực WDM

1.4.1 Mạng truy nhập toàn quang thụ động WDM

1.4.2 Mạng truy nhập toàn quang tích cực WDM

Lớp quang cung cấp các đường quang đến lớp cao hơn [7] Đường quang là một kênh thông tin quang tạm thời được thiết lập trên mạng Ngoài ra, nó cũng có nghĩa cung cấp đường truyền điểm tới điểm xuyên qua một mạng quang Tính linh hoạt của đường quang

có thể làm cho lớp quang cung cấp sử dụng đầy đủ dải thông của mạng

1.7.3 Dịch vụ

1.7.4 Cấu trúc của lớp quang

1.8 Ứng dụng của WDM trong mạng viễn thông

Kết luận chương

(*) Ta nhận thấy động lực để thúc đNy mạng WDM phát triển chính là nhờ vào các

ưu điểm vượt trội của WDM như:

- Tăng dung lượng kênh truyền trên một sợi quang mà không cần tăng tốc độ bít của đường truyền và cũng không dùng thêm sợi cáp quang

- Tính trong suốt: do công nghệ WDM thuộc kiến trúc lớp mạng vật lý nên nó có thể

hỗ trợ các định dạng số liệu như: ATM, IP…

- Khả năng mở rộng: những tiến bộ trong công nghệ WDM hứa hẹn tăng băng thông truyền trên sợi quang lên đến hàng Tbs để đáp ứng nhu cầu mở rộng mạng ở nhiều cấp độ khác nhau

- Hiện tại chỉ có công nghệ WDM là cho phép xây dựng mô hình mạng truyền tải quang OTN giúp truyền tải trong suốt nhiều loại hình dịch vụ, quản lý mạng hiệu quả, định tuyến linh động

(*) Qua chương này, luận văn đi sâu nghiên cứu về lý thuyết mạng quang WDM để

từ đó làm dõ cơ sở căn cứ khoa học cho bài toán thiết kế topo logic mạng quang WDM tại chương 3

CHƯƠNG 2: TOPO MẠNG QUANG WDM

Topo vật lý thực hiện trên bộ ghép/ tách quang (OADM) và bộ kết nối chéo quang (OXC) Ngoài phương thức kết nối đơn giản điểm nối điểm, các topo vật lý sử dụng trong mạng quang còn có mấy loại dưới đây :

2.1.2.a Hình tuyến tính 2.1.2.b Hình sao

2.1.2.c Hình vòng 2.1.2.d Hình cây 2.1.2.e Hình lưới 2.1.3 Topo logic

Topo logic là sự phân bố dịch vụ giữa các điểm nút của mạng và quan hệ mật thiết với topo vật lý, thường có các loại sau :

2.1.3.a Hình sao 2.1.3.b Topo kiểu cân bằng 2.1.3.c Topo hình lưới

2.1.4 So sánh topo vật lý với topo logic

Bảng 2.1: So sánh topo vật lý với topo logic

Có liên quan trực tiếp với việc định

tuyến khi đặt đường cáp quang, tuy

nhiên topo vật lý không thể theo kịp sự

phát triển của dịch vụ vì topo vật lý có

thể xem là topo “cứng”

Có liên quan đến khái niệm kênh quang với sự phân bố dịch vụ giữa các điểm nút, có thể thay đổi topo logic từ chương trình phần mềm nên có thể xem topo logic là topo “mềm”

Cơ sở của topo vật lý là kết nối vật lý

Mục đích thiết kế topo vật lý là để đáp

ứng nhu cầu dịch vụ mạng, do đó yêu

cầu thiết kế các kết nối sao cho tối ưu

giữa các điểm nút mạng

Mục đích thiết kế topo logic là để nâng cao khả năng vận hành và kinh doanh của mạng, tối ưu hoá chức năng mạng của lớp kênh quang dựa trên topo vật lý

2.2 Bài toán thiết kế topo logic thông thường

Bài toán thiết kế topo logic đã được mô tả ở dạng công thức là một bài toán tối ưu loại MILP

a) Các giả định chung:

b) Thông số đầu vào

c) Thông số đầu ra

d) Các điều kiện ràng buộc có thể

e) Mục tiêu bài toán thiết kế

Bài toán thiết kế mạng tối ưu thường được xây dựng theo một trong các mục tiêu sau: tối thiểu độ nghẽn, tối thiểu độ trễ, tối thiểu số nút trung bình

Để giảm độ phức tạp của bài toán người ta chọn lựa phương án thực hiện ý tưởng phân tích bài toán thiết kế lớn, phức tạp thành 3 bài toán con: Thiết kế topo logic đơn thuần, định tuyến cho traffic, định tuyến cho đường quang

Hình 2.5 Bài toán thiết kế topo logic thông thường

2.2.1 Thiết kế topo logic

2.2.2 Định tuyến cho lưu lượng trên topo logic

2.2.3 Định tuyến cho các đường quang trên topo vật lý

Kết luận chương

Qua chương này, cơ bản ta hiểu được lý thuyết topo mạng và phân biệt rõ các khái niệm về topo logic, topo vật lý Mô hình topo mạng đã chỉ ra các đường kết nối quang từ nút này đến nút khác và qua các nút mạng trung gian Một đường quang gồm có một kênh thông

tin quang, bước sóng giữa hai nút mạng và được định tuyến qua các nút trung gian Tại các nút trung gian có thể chuyển mạch và chuyển đổi bước sóng

Bài toán thiết kế topo mạng là một bài toán rất phức tạp, đặc biệt là với các mạng có

số nút lớn Để giảm độ phức tạp của bài toán người ta chọn lựa phương án thực hiện ý tưởng phân tích bài toán thiết kế lớn, phức tạp thành nhiều bài toán con Lúc đó thay vì giải bài toán lớn người ta lần lượt giải các bài toán con Lời giải của các bài toán trước là dữ liệu đầu vào cho các bài toán con kế tiếp Một cách chặt chẽ mà nói thì các bài toán con không hoàn toàn độc lập nhau nên phương pháp tìm lời giải lần lượt qua các bài toán con này có thể chỉ đưa ra kết quả gần đúng Tuy nhiên phương pháp phân tích này giúp người ta có cái nhìn trực tiếp vào từng vấn đề cụ thể và là cơ sở cho việc áp dụng các thuật toán được lựa chọn khi giải quyết những bài toán phức tạp

Sự kết hợp giữa lý thuyết topo mạng với kiến thức về công nghệ WDM để tạo nên bài toán thiết kế topo mạng quang WDM

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ PHỎNG TOPO LOGIC MẠNG QUANG WDM SỬ DỤNG PHẦN MỀM MATPLANWDM

3.1 Giới thiệu tổng quát về MatPlanWDM:

- MatplanWDM là phần mềm giúp thiết kế tuyến ảo và định tuyến trong WDM Nó chạy trên nền nền Matlab cho phép người dùng có thể thiết kế mạng quang WDM một cách trực quan và chi tiết Ứng dụng này được dành riêng cho nghiên cứu cũng như giảng dạy tại các khóa học về thiết mạng quang

3.2 Cài đặt và các tính năng chính của MatplanWDM:

3.2.1 Cài đặt:

3.2.2 Các tính năng chính:

Ở đây ta chọn chạy tệp startup.m, với mặc định là giao diện Design Virtual Topology and Flow Routing Mode

Hình 3.1: Giao diện của MatPlanWDM 0.51

Thanh công cụ với các menu đơn giản gồm: File - Mode - Tools - Help

Hình 3.2: Thanh công cụ của MatPlanWDM 0.51

Các thông số đầu vào: Gồm có 3 thông số

- Topo vật lý được chương trình hiểu dưới dạng tập tin xml và phải bao gồm các thông tin về nút mạng và đường truyền trong mạng

- Ma trận lưu lượng là tập tin (.traff) dùng để xác định lưu lượng ra vào ở mỗi cặp nút

- Các thuật toán sử dụng là tập tin (.m) mã Matlab

• Các thông số trên một đường quang: định tuyến nút, định tuyến đường, số lượng chuyển đổi bước sóng, khoảng cách, danh sách các luồng, dung lượng sóng mang

• Các thông số trên một liên kết: Bước sóng sử dụng, lưu lượng được định tuyến

• Các thông số trên một nút: Số lượng thiết bị phát, thu, chuyển đổi bước sóng

sử dụng

• Các thông số trên một luồng: suy hao lưu lượng, số lượng nút ảo

3.2.2.b Phân tích có điều kiện “What if Analysis”

Chế độ cho phép ta lựa chọn một tham số của topo mạng số rồi tiến hành khảo sát đánh giá sự ảnh hưởng, phụ thuộc lẫn nhau giữa các tham số trong mạng với tham số đã chọn dưới dạng đồ thị

Chức năng này giúp người dùng có thể mô phỏng mạng WDM dựa trên các thông số ngõ vào thay đổi Giao diện được trình bày thành 4 vùng:

Tại vùng nhập dữ liệu cho Matplan WDM, chế độ này cho phép người dùng chọn tham số để tiến hành khảo sát như: số lượng thiết bị phát, số lượng thiết bị thu, chuyển đổi bước sóng trên mỗi node, số lượng bước sóng trên mỗi sợi quang, dung lượng bước sóng trên kênh (Gbps), lưu lượng yêu cầu (Gbps)

Sau khi thực hiện mô phỏng, các kết quả được trình bày dưới dạng đồ thị tại phần Performance Curves Trong phần này, người dùng có thể lựa chọn các đồ thị của 8 loại tham

số được định sẵn: tỷ lệ phần trăm lưu lượng được vận chuyển, số nút ảo, tắc nghẽn mạng, tỷ

lệ phần trăm node đơn, số đường quang, số bước sóng sử dụng, số đường quang trên mỗi sợi liên kết, trễ trên đường truyền

3.2.2c) Phân tích nhiều giờ “Multi-hour Analysis”

Chế độ phân tích nhiều giờ cho phép thực hiện một thử nghiệm đầy đủ nhiều giờ cho một thuật toán lập kế hoạch nhiều giờ được xây dựng trước Giao diện của chế độ hoạt động này bao gồm các lựa chọn để nhập dữ liệu ban đầu cho chương trình, các tham số cần thiết cho quá trình thử nghiệm

Sau khi mô phỏng hoàn thành báo cáo mỗi giờ được cung cấp trong bảng điều khiển bằng cách lựa chọn thời gian tại nút lựa chọn Kết quả báo cáo topo logic nói lên sự thay đổi

về số lượng sử dụng thiết bị phát, thiết bị thu và thiết bị chuyển đổi bước sóng tại mỗi nút

3.2.2.d) Phân tích động “Dynamic Analysis”

Chế độ phân tích động cho phép phân tích trực tuyến các thuật toán tối ưu hóa Khảo sát khả năng đáp ứng của các thuật toán này khi lưu lượng trên ngõ vào và ra tăng dần Các vấn đề cần khảo sát là các diễn biến của topo ảo và khả năng định tuyến luồng của thuật toán Chế độ này tự động đánh giá hiệu quả của các thuật toán động dùng để tối ưu hệ thống

3.2.3 Khởi tạo ma trận lưu lượng

3.2.4 Thư viện thuật toán:

3.3 Thiết kế mô phỏng topo logic mạng 9 nút WDM:

3.3.1 Thiết kế mạng ảo và định tuyến luồng cho mạng 9 nút WDM

Chế độ này cho phép hiện thị một cách trực quan về topo vật lý, ma trận lưu lượng, topo logic sau khi định tuyến và các thông số báo cáo chi tiết của mạng

- Chọn topo vật lý là file INTERNET2net.xml

- Chọn ma trận lưu lượng là file INTERNET2net_1T.traff

- Chọn thuật toán testingAlgorithm1.m

Chạy chương trình ta thu được kết quả như sau :

Các thông số topo vật lý và ma trận lưu lượng của mạng:

Thông số của 2 file INTERNET2net.xml và INTERNET2net_1T.traff:

######### PHYSICAL TOPOLOGY FILE "INTERNET2net.xml" ##########

- PHYS INFO: (Thông tin vật lý)

Nr of Nodes: 9 ( số node)

Nr of Fibre Links: 28 (số đường cáp quang liên kết)

Nr of Node Levels: 1 (độ ưu tiên giữa các node)

NODES: (Nút)

Hình 3.11: Thiết kế mạng ảo và định tuyến luồng cho mạng 9 nút WDM

Bảng 3.1: Báo cáo thông số về nút mạng WDM 9 nút WDM

· FIBRE LINKS:

Column 1: Fibre Link ID (số thứ tự từng tuyến)

Column 2: Origin Node ID (địa chỉ nút nguồn)

Column 3: Destination Node ID (địa chỉ nút đích)

Column 4: Link Length (Km) (độ dài tuyến)

Column 5: Nr Available Wavelengths (số bước sóng có thể sử dụng)

Bảng 3.2: Báo cáo thông số về liên kết quang của mạng 9 nút WDM

####### TRAFFIC FILE "INTERNET2net_1T.traff" ##########

(ma trận lưu lượng file INTERNET2net_1T.traff)

// Information File (thông tin file)

//Number of Nodes 9 (số nút)

//Traffic Table - Traffic (bảng lưu lượng)

Bảng 3.3: Bảng ma trận lưu lượng của mạng 9 nút WDM

Các thông số báo cáo sau khi thiết kế topo logic hoàn thành:

Bảng 3.4: Các thông số báo cáo minh họa của mạng 9 nút WDM

(Báo cáo đầy đủ của bảng này xem trong phần Phụ lục luận văn)

DISTANCES

(Báo cáo từng đường quang về: Khoảng

cách)

PER FLOW REPORT: LOST TRAFFIC

(Báo cáo về luồng tín hiệu: Mất lưu lượng)