Đề Tài: TỔNG QUAN VỀ MẠNG QUANG

Chia sẻ: Nguyen Quang Ha | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:61

Thêm vào BST

Báo xấu

166
lượt xem 42
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Ngày nay chúng ta đang sống trong thời đại công nghệ thông tin. Công nghệ thông tin đã thâm nhập vào tất cả các lĩnh vực của đời sống. Tuy nhiên, với một máy tính riêng lẻ không còn

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đề Tài: TỔNG QUAN VỀ MẠNG QUANG

BÀI LUẬN ĐỀ TÀI: TỔNG QUAN VỀ MẠNG QUANG HOÀNG THANH HẢI – TIN K25A
MỞ ĐẦU Ngày nay chúng ta đang sống trong thời đại công nghệ thông tin. Công nghệ thông tin đã thâm nhập vào tất cả các lĩnh vực của đời sống. Tuy nhiên, với một máy tính riêng lẻ không còn đáp ứng được nhu cầu của chúng ta. Nhu cầu tất yếu là các máy tính được kết nối lại với nhau tạo thành mạng máy tính. Mạng máy tính ra đời đã làm tăng hiệu quả của việc sử dụng máy tính. Để làm tốt công việc, chúng ta phải có khả năng truy cập được thông tin ở mọi nơi, mọi lúc, mọi khuôn dạng. Chúng ta có thể nhận được thông tin qua báo chí, phát thanh, truyền hình,… Mạng máy tính có thể thực hiện được tất cả các kiểu truyền tin trên. Thông tin mà chúng ta nhận được chủ yếu là được cung cấp thông qua mạng truyền thông toàn cầu như mạng Internet, mạng truyền thông không đồng bộ (ATM). Nhờ có mạng truyền thông mà chúng ta có thể truy cập và nhận được thông tin ở khắp nởi, về bất cứ vấn đề gì một cách nhanh chóng và chính xác. Vì vậy, lượng thông tin truyền qua mạng ngày càng lớn, số người sử dụng mạng ngày càng nhiều. Tuy nhiên, với tần suất truy cập cao và khối lượng thông tin truy cập lớn như vậy trong khi dung lượng đường truyền bị hạn chế không đáp ứng được sẽ dẫn đến tốc độ truy cập chậm và mạng bị nghẽn, thông tin sẽ không đến được nơi cần đến hoặc sẽ đến chậm. Vấn đề đặt ra là phải cải thiện dung lượng, chất lượng đường truyền để đáp ứng được một khối lượng lớn các yêu cầu truy cập thông tin một cách nhanh chóng, chính xác. Sợi quang có băng tần rất lớn, có đặc tính truyền truyền dẫn mạnh và là vật dẫn truyền dẫn vật lý lý tưởng để thực hiện truyền dẫn thông tin với tốc độ cao, dung lượng lớn, độ chính xác cao. Việc áp dụng công nghệ cáp quang vào mạng truyền thông đã giải quyết được những vấn đề ở trên nhờ khả năng của nó: • Dải thông khổng lồ (gần 50Tbps). • Suy giảm tín hiệu không đáng kể (khoảng 0,2dB/km). • Sự biến dạng của tín hiện thấp. • Chỉ cần nguồn điện thấp. • Vật liệu chế tạo sẵn có. • Chỉ cần không gian nhỏ. • Giá thành thấp. Sự ra đời của sợi cáp quang đã tạo ra thách thức cho chúng ta là tiếp tục phát triển công nghệ cáp quang để có thể sử dụng cáp quang trong tất cả các yêu cầu về truyển thông mạng trong những năm tới. Mục đích của việc thiết kế mạng quang để khai thác khả năng dải thông cực lớn của sợi quang là để giải quyết tắc nghẽn mạng do truyền thông đa người sử dụng, thông qua những giao thức và kiến trúc mạng. Trong một mạng quang, để
giải quyết vấn đề trên, người ta đưa vào các kỹ thuật ghép kênh như: Kỹ thuật ghép kênh chia bước sóng (WDM), Kỹ thuật ghép kênh chia theo thời gian (TDM), Kỹ thuật ghép kênh chia mã (CDM) [4]. Trong đó, WDM là kỹ thuật ghép kênh được ưa chuộng nhất hiện nay cho các mạng truyền thông quang vì tất cả trang bị của người sử dụng đầu cuối cần để hoạt động chỉ là tốc độ bit của một kênh WDM mà nó có thể được chọn một cách tùy ý, thí dụ tốc độ xử lý điện tử cao. Đặc điểm nổi bật nhất của một hệ thống WDM là tận dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng thông rộng với sự suy giảm tín hiệu thấp, nâng cao rõ rệt dung lượng đường truyền của hệ thống, đồng thời hạ giá thành sản phẩm xuống mức thấp nhất. Ở thế kỷ 21 này, sự phát triển hệ thống WDM và công nghệ chuyển mạch quang tạo nên một mạng thông tin mới - mạng thông tin toàn quang. Do đó việc nghiên cứu mạng quang có ý nghĩa quang trọng trong việc phát triển mạng truyền thông quang trong tương lai. Khi công nghệ mạng quang được ứng dụng vào trong các mạng truyền thông thì những vấn đề dung lượng và chất lượng đường truyền sẽ được giải quyết. Với những khả năng của sợi quang và kỹ thuật WDM sẽ làm tốc độ truyền dẫn trên mạng, dung lượng và chất lượng được nâng lên rất nhiều. Trong khuôn khổ đề tài chúng tôi đã đề cập đến một số vấn đề của mạng quang WDM. Nội dung của khóa luận bao gồm 4 chương, được tổ chức nhau sau: - Chương 1: Tổng quan về mạng quang - Chương 2: Đề cập đến một số vấn đề về mạng quang WDM. - Chương 3: Nghiên cứu một vấn đề quan trọng trong mạng quang, đó là định tuyến và phân phối bước sóng trong mạng quang WDM - Chương 4: Trong chương này chúng tôi đặt ra một bài toán định tuyến và phân phối bước sóng cụ thể, trong điều kiện dịch vụ tĩnh, với sự ràng buộc tính liên tục của bước sóng. Bài toán sẽ được giải quyết bằng thuật toán GreedyRWA trên ngôn ngữ lập trình Java. Lời giải sẽ được minh họa cụ thể trong khóa luận này.
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG QUANG 1.1 Tổng quang về mạng máy tính Mạng máy tính là sự tổ hợp hai hay nhiều máy tính được nối với nhau qua đường truyền để chúng có thể trao đổi thông tin với nhau, nâng cao hiệu quả khai thác tài nguyên chung từ những vị trí địa lý khác nhau [1]. 1.1.1 Sự hình thành và phát triển của mạng máy tính Trước những năm 70 đã xuất hiện các mạng nối các máy tính và các thiết bị đầu cuối dữ liệu để tận dụng tài nguyên chung, giảm giá thành truyền số liệu, sử dụng tiện lợi. Tiếp theo là việc tăng nhanh các máy tính mini và PC đã tăng yêu cầu truyền số liệu giữa máy tính và – Terminal và ngược lại. Do đó mạng máy tính càng ngày càng phát triển để đáp ứng với nhu cầu của người dùng. Sự hình thành của mạng máy tính được mô tả qua 4 giai đoạn và sự phát triển của các thiết bị mạng: (1) Các Terminal nối trực tiếp máy tính. (2) Thiết bị tập trung và dồn kênh. (3) Các bộ tiền xử lý. (4) Mạng máy tính. Trong giai đoạn 1 và 2, máy tính trung tâm có chức năng quản lý truyền tin qua các tấm ghép nối điều kiển cứng. Trong giai đoạn 3 và 4 ta có thể thay thế các tấm ghép nối, quản lý đường truyền bằng máy tính mini. Bộ tiền xử lý gắn chặt với trung tâm bởi ghép nối nhanh tăng sức mạnh toàn hệ thống. Các xử lý ngoại vi đưa vào máy chủ và các trạm đầu cuối thông minh. Ba giai đoạn đầu, hệ có cấu trúc hình sao quanh máy tính trung tâm . Trong giai đoạn 4 việc đưa vào mạng truyền tin cho phép xây dựng mạng máy tính rộng lớn. 1.1.2 Các yếu tố của mạng máy tính Có hai yếu tố chính cần xem xét là đường truyền vật lý và kiến trúc của một mạng máy tính. a. Đường truyền vật lý: Đường truyền vật lý dùng để chuyển các tín hiệu giữa các máy tính. Tất cả các tín hiệu đó biểu thị các dữ liệu dưới dạng xung nhị phân. Các tín hiệu có dạng sóng điện từ và có tần số trải từ tần số cực ngắn đến tia hồng ngoại. Tùy theo tần số của sóng điện từ mà có thể dùng các đường truyền vật lý khác nhau để truyền. • Các tần số radio có thể truyền bằng cáp điện hoặc bằng phương pháp khuếch tán. • Sóng cực ngắn được dùng để truyền giữa các trạm mặt đất và vệ tinh hoặc là để truyền từ một trạm phát đến các trạm thu.
• Tia hồng ngoại là lý tưởng đối với truyền thông mạng. Tia hồng ngoại và tần số cao của ánh sáng có thể truyền qua cáp quang. Đường truyền vật lý có các đặc trưng cơ bản sau: • Dải thông của đường truyền là độ đo phạm vi tần số mà nó có thể đáp ứng được. Dải thông phụ thuộc vào độ dài cáp, cáp ngắn có Dải thông lớn hơn so với cáp dài. • Thông lượng của một đường truyền là tốc độ truyền dữ liệu trên đường truyền đó, tính bằng bit/giây. • Độ suy hao là độ đo độ suy yếu của tín hiệu trên đường truyền. Cáp càng dài độ suy hao càng lớn. • Độ nhiễu điện tử (EMI- Electromagnetic Inerference) làm nhiễu tín hiệu trên đường truyền, được gây ra bởi môi trường điện từ xung quanh làm ảnh hưởng đến chất lượng đường truyền. b. Kiến trúc mạng: Kiến trúc mạng máy tính thể hiện cách nối ghép các máy tính với nhau như thế nào. Kiến trúc mạng máy tính còn được gọi là Topology (gọi tắt là topo). Có hai loại topo: • Điểm- Điểm (Point- to- Point): Các đường truyền nối từng cặp nút với nhau và mỗi nút đều có trách nhiệm lưu trữ tạm thời thông tin chuyển đến, sau đó chuyển tiếp dữ liệu đi đến đích. Hình 1.1 cho một số dạng topo mạng Điểm- Điểm: Hình 1.1: Một số topo mạng kiểu Điểm- Điểm • Quảng bá (Broadcast hay Point- to- multipoint): Tất cả các trạm đều cùng truy nhập vào một đường truyền vật lý duy nhất. Để có thể gửi dữ liệu, các trạm phải dành quyền truy nhập vào đường truyền vật lý. Do đó phải có cơ chế phân chia quyền truy nhập hợp lý. Hình 1.2 cho một số topo mạng dạng quảng bá.
Dạng vòng Dạng Bus Hình 1.2 Một số topo mạng kiểu quảng bá 1.1.3 Giao thức mạng (Network protocol) Việc trao đổi thông tin, cho dù là đơn giản nhất, cũng đều phải tuân theo những qui tắc nhất định.Việc truyền tín hiệu trên mạng cần phải có những qui tắc, qui ước về nhiều mặt từ khuôn dạng của dữ liệu cho đến các thủ tục gửi, nhận dữ liệu kiểm soát hiệu quả và chất lượng truyền tin và xử lý các lỗi và sự cố. Yêu cầu xử lý và trao đổi thông tin của người sử dụng càng cao thì các qui tắc càng nhiều và phức tạp hơn. Tập hợp các qui tắc, qui ước truyền thông mà các thực thể tham gia truyền thông trên mạng phải tuân theo được gọi là giao thức mạng. Các mạng có thể sử dụng các giao thức khác nhau tùy sự lựa chọn của người thiết kế, tuy nhiên người ta đưa ra một số giao thức chuẩn được dùng trong nhiều mạng khác nhau [1]. 1.1.4 Phân loại mạng máy tính Có nhiều cách phân loại mạng khác nhau tùy theo những yếu tố chính được chọn để làm chỉ tiêu phân loại như: khoảng cách địa lý, kỹ thuật chuyển mạch… a. Phân loại theo khoảng cách địa lý: • Mạng cục bộ (LAN: Local Area Network): là mạng được cài đặt trong phạm vi tương đối nhỏ (trường học, cơ quan…), khoảng cách địa lý trong phạm vi vài chục km. • Mạng đô thị (MAN: Metro Area Network): là mạng được cài đặt trong phạm vi một thành phố, một trung tâm kinh tế, phạm vi địa lý là hàng trăm km. • Mạng diện rộng (WAN: Wide Area Network): phạm vi hoạt động của mạng có thể vượt qua biên giới một quốc gia, có thể cả một khu vực. • Mạng toàn cầu (GAN: Global Area Network): phạm vi của mạng trải rộng khắp lục địa của trái đất.
b. Phân loại theo kỹ thuật chuyển mạch: • Mạng chuyển mạch kênh (Circuit Switched Network): Trong mạng này, khi hai thực thể muốn liên lạc với nhau chúng tạo ra một kênh cứng, cố định được duy trì liên tục cho đến khi một trong hai thực thể ngắt liên lạc. Nhược điểm của phương pháp này là hiệu suất sử dụng không cao (vì có khi kênh bị bỏ không) và tiêu tốn thời gian cho việc thiết lập kênh truyền cố định giữa hai thực thể. Mạng này chỉ phù hợp với mạng điện thoại. • Mạng chuyển mạch thông báo (Message Switched Network): Thông báo là một đơn vị dữ liệu của người sử dụng có khuông dạng được qui định trước, mỗi một thông báo đều có vùng thông tin điều khiển chỉ rõ địa chỉ đến của thông báo. Căn cứ vào thông tin này mà mỗi nút trung gian của mạng cứ tiếp tục chuyển thông báo đến đích. Ưu điểm của phương pháp này là: o Hiệu suất sử dụng đường truyền cao vì không bị chiếm dụng độc quyền mà được phân chia cho nhiều thực thẻ. o Mỗi nút mạng có thể lưu trữ thông báo cho tới khi kênh truyền rỗi mới chuyển thông báo đi, do đó giảm tình trạng tắc nghẽn. o Có thể điều khiển truyền tin bằng cách sắp xếp độ ưu thiên cho các thông báo. Nhược điểm của phương pháp này là khi một thông báo dài bị lỗi phải truyền thông báo này lại nên hiệu suất không cao. Phương pháp này thích hợp với thư tín điện tử. • Chuyển mạch gói (Packet Switched Network): Trong mạng chuyển mạch gói, mỗi thông báo được chia thành nhiều phần nhỏ được gọi là gói tin (Packet). Mỗi gói tin được qui định kích thước và có khuôn dạng được qui đinh trước. Các gói tin của một thông báo có thể được gửi đi theo nhiều đường khác nhau để đến đích. Ưu điểm lớn nhất của mạng chuyển mạch gói là các gói tin có kích thước nhỏ nên các nút mạng xử lý trực tiếp được và chuyển đến đích mà không phải lưu trữ tạm thời trên đĩa, tiết kiệm được tài nguyên, dữ liệu được truyền đi nhanh hơn. Mỗi đường truyền bị chiếm trong thời gian rất ngẵn vì có thể sử dụng bất kỳ đường nào để đi đến đích nên hiệu suất đường truyền cao hơn. Nhược điểm của phương pháp này là việc hợp nhất các gói tin thành dữ liệu ban đầu của người sử dụng khá phức tạp. c. Phân loại theo phương thức khai thác dữ liệu: Có hai phương thức khai thác dữ liệu: • Phương thức 1 (bình đẳng: pear to pear):
Các máy tính được nối lại với nhau, máy này có thể sử dụng tài nguyên của máy kia và ngược lại. Không có máy nào được coi là máy chủ. Chức năng phân cấp của các máy là như nhau. • Phương thức 2 (khách/chủ: client/server): Trong mạng, có ít nhất một máy gọi là máy chủ, máy này có chức năng phân chia các tài nguyên trên mạng theo từng nhu cầu của mỗi máy trạm trên mạng. Thuật ngữ Client dùng để chỉ người khai thác hệ thống mạng. Mỗi người khai thác phải sử dụng một máy tính nào đó có nối với máy chủ để khai thác mạng. 1.2 Mạng quang ghép kênh chia bước sóng (Wavelength- Division Multiplexer Network): 1.2.1 Sự phát triển của mạng quang WDM Đầu thập kỷ 90, sự nghiên cứu chuyển mạch quang tử trên thế giới tập trung vào ATM và chuyển mạch quang gói, dùng khóa quang cao tốc, thực hiện chuyển mạch quang tử trên miền thời gian. Nhưng loại chuyển mạch quang này không phát triển nhanh chóng được, vì linh kiện nhớ quang chưa phát triển, không thể nhận biết được đầu tín hiệu ATM quang. Phương pháp thường được dùng là sử dụng bộ phân luồng, tín hiệu quang được phân thành các bộ phận nhỏ, chuyển đổi thành tín hiệu điện, nhận dạng đầu tín hiệu về điện, rồi điều khiển khóa quang động tác. Tuy nhiên làm như vậy sẽ mất đi tính trong suốt về quang [2]. Cuối những năm 90, triển vọng ứng dụng hệ thống truyền dẫn quang WDM đã rất khả quan. Trên cơ sở hệ thống WDM điểm nối điểm, lấy định tuyến bước sóng làm cơ sở, người ta sẽ đặt ở chỗ những dây kết nối WDM giao nhau những thiết bị đấu chéo quang (OXC) lấy bước sóng làm đơn vị nối chéo dây đối với tín hiệu quang, hoặc thiết bị ghép kênh tách nhập quang (OADM) để nhập vào tách ra. Khi đó, ở trên lớp vật lý do đường dây kết nối quang tạo thành sẽ hình thành một lớp quang mới. Trong lớp quang này, các kênh bước sóng trong dây kết nối quang gần nhau được nối với nhau, hình thành kênh quang vượt qua nhiều OXC và OADM, hoàn thành việc truyền tin tức từ đầu đến cuối, đồng thời kênh quang này còn thiết lập và giải phóng kênh theo nhu cầu một cách linh hoạt. Hiện nay, lớp quang này là mạng toàn quang WDM đời mới đang được chú ý . Tóm lại, mạng thông tin quang WDM có những ưu điểm chính sau đây: • Có thể nâng rất cao dung lượng truyền dẫn quang và lượng lưu thoát của điểm nút, đáp ứng với yêu cầu của mạng thông tin cao tốc băng rộng trong tương lai. • OXC và OADM là trong suốt đối với tốc độ và khuôn dạng của tín hiệu, có thể xây dựng một mặt bằng truyền dẫn quang trong suốt cho nhiều loại khuôn dạng thông tin. • Lấy tuyến bước sóng làm cơ sở, có thể thực hiện tái định tuyến động của mạng và tự động khôi phục khi có sự cố, tạo thành mạng truyền quang có tính linh hoạt và có sức sống.
Hình 1.3 là một ví dụ về mạng định tuyến bước sóng (wavelength-routing network). Mạng sẽ thiết lập các kênh quang đến các người sử dụng, như các thiết bị cuối SONET hay các bộ định tuyến IP (IP router). Các kênh quang là những kết nối quang được truyền từ điểm nguồn đến điểm đích trên một bước sóng tại mỗi liên kết trung gian. Tại mỗi điểm trung gian trong mạng, các kênh quang được định tuyến và được chuyển từ một liên kết này sang một liên kết khác. Trong một vài trường hợp, các kênh quang có thể được chuyển đổi từ một bước sóng sang bước sóng khác dọc theo đường đi được định tuyến của nó. Các kênh quang khác nhau trong mạng định tuyến bước sóng có thể sử dụng bước sóng giống nhau miễn là chúng không dùng chung bất kỳ những liên kết nào. Điều này cho phép bước sóng giống nhau có thể được dùng lại trong các phần khác thuộc không gian của mạng. Hình 1.3: Mạng định tuyến bước sóng WDM Ví dụ: trong hình 1.3 chỉ ra có 6 kênh quang. Kênh quang giữa B và C, giữa D và E và một kênh quang giữa E và F không dùng chung bất kỳ một liên kết nào trong mạng và vì vậy có thể được thiết lập để sử dụng cùng bước sóng λ1. Tại cùng một thời điểm, kênh quang giữa A và F sử dụng chung một liên kết với kênh quang giữa B và C và do vậy phải sử dụng bước sóng khác nhau. Tương tự như vậy, hai kênh quang giữa E và F phải được phân phối các bước sóng khác nhau. Chú ý rằng, các kênh quang đó phải luôn luôn sử dụng bước sóng giống nhau trên mỗi liên kết trong đường đi của chúng. Đây là ràng buộc mà ta phải giải quyết nếu chúng ta không có khả năng chuyển đổi bước sóng trong mạng. Giả sử ta chỉ có hai bước sóng sẵn có trên mạng và muốn thiết lập một kênh quang mới giữa điểm E và điểm F. Không có sự chuyển đổi bước sóng, thì ta sẽ không thể thiết lập được kênh quang này. Mặt khác, nếu điểm trung gian X có thể thực hiện chuyển đổi bước sóng, ta có thể thiết lập kênh quang này sử dụng bước sóng λ2 trên liên kết EX và bước sóng λ1 trên XF.
1.2.2 Kỹ thuật ghép kênh chia bước sóng (Wavelength Division Multiplexr) Ghép kênh chia bước sóng (WDM) là một phương pháp tiếp cận mà theo đó có thể khai thác dải thông rất lớn của quang điện tử bằng cách ghép nhiều kênh WDM từ các người dùng đầu cuối khác nhau trên cùng một sợi quang. Với WDM, trong quá trình truyền, quang phổ sẽ được chia nhỏ thành một số bước sóng (tương ứng với một tần số) không trùng nhau, với mỗi bước sóng hổ trợ cho một kênh giao tiếp đơn hoạt động ở bất kỳ mức độ mong muốn nào. Như vậy, bằng việc cho phép nhiều kênh WDM cùng tồn tại trên một sợi quang, với những yêu cầu tương ứng dựa trên việc xây dựng và phát triển của những kiến trúc, giao thức và những thuật toán mạng thích hợp. Những thiết bị của WDM là dễ dàng vận hành hơn. Nhiều thiết bị WDM đang được giới thiệu ra thị trường ngày càng phổ biến hơn. Sự nghiên cứu và phát triển hiện tại cho thấy rằng loại mạng WDM sẽ được ứng dụng chủ yếu như là một “mạng xương sống” cho các vùng có phạm vi rộng, ví dụ như mạng tại từng quốc gia hay mạng toàn cầu. Các người dùng đầu cuối sẽ gắn vào mạng thông qua một bộ phận gọi là những nút chuyển mạch/định tuyến dùng sóng ngắn. a. Định nghĩa WDM WDM là kỹ thuật ghép- chia tầng số (FDM) cho cáp quang. Kỹ thuật này cho phép một đường cáp quang chứa nhiều tín hiệu ánh sáng thay vì chỉ một tín hiệu. Mỗi tín hiệu ánh sáng chiếm một tần số khác nhau. WDM được các nhà cung cấp như MCI sử dụng để làm tăng đáng kể tốc độ truyền dữ liệu trên mạng. MCI mới đây đã dùng Quad- WDM (four- wavelength WDM) trong trục chính, làm tăng gấp bốn lần dung lượng của mạng bằng cách bổ sung thêm cáp quang. Trục chính vận hành ở tốc độ 2.5Gbit/s trước khi dùng Quad- WDM, và với tốc độ 10Gbis/s sau khi dùng Quad- WDM. Công nghệ WDM là công nghệ trong một sợi quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng tín hiệu quang. Nguyên lý cơ bản là tín hiệu quang có bước sóng khác nhau ở đầu vào được tổ hợp lại (ghép kênh) và phối ghép trên cùng một sợi quang của đường dây cáp quang để truyền dẫn, ở đầu thu tín hiệu có bước sóng tổ hợp đó được phân giải ra (tách kênh) và xử lý thêm một bước, khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khác nhau, do đó công nghệ này gọi là ghép kênh chia bước sóng quang, gọi tắt là công nghệ ghép kênh bước sóng. WDM gởi các tín hiệu bội thông qua một đường cáp duy nhất với các tần số khác nhau. Để ý rằng cáp quang có băng thông rất lớn (25000 GHz), nhưng mỗi kênh chỉ dùng một phần nhỏ của băng thông này. Các kênh quang học có băng thông hẹp vì khó thực hiện nhanh các chuyển đổi từ tín hiệu điện sang tín hiệu quang. Tuy vậy, các kênh bội vận hành ở những tần số khác nhau có thể dồn (multiplex) vào chung một sợi cáp quang để sử dụng hiệu quả. Cấu hình WDM điển hình gồm một bộ multiplex, nhận đầu vào từ các nguồn quang (lên đến 32 nguồn trong một số hệ thống) và điều biến mỗi tín hiệu ở các tần số khác nhau để
chuyển tải qua một kênh cáp quang duy nhất. Bộ multiplex ở đầu kia tách trả lại (demultiplex) những tín hiệu này. b. Các bước sóng chuẩn Hiện nay, vấn đề ghép kênh bước sóng quang dày đặc trên tín hiện quang là tương đối khó khăn do một số linh kiện quang và công nghệ chưa được hoàn thiện. Vì vậy, người ta có thể gọi ghép kênh bước sóng ở trong cùng một cửa sổ khoảng cách các tương đối nhỏ là ghép kênh bước sóng dày đặc (DWDM). DWDM là kỹ thuật truyền dẫn bằng sợi quang, kỹ thuật này sử dụng bước sóng ánh sáng để chuyển dữ liệu theo từng bít song song hoặc theo từng chuỗi ký tự. DWDM là một xu thế trong thông tin quang học. Nó lợi dụng đặc tính băng rộng của sợi quang, , trong cửa sổ bước sóng 1550nm có tổn hao thấp để ghép kênh nhiều đường tín hiệu quang, nâng dung lượng thông tin sợi quang lên rất cao. Hình 1.4: Sơ đồ phổ tổn hao của sợi quang Hệ thống WDM hiện nay chủ yếu sử dụng ở trong đoạn bước sóng 1550nm (1.55 μm) (hình 1.4), đồng thời dùng 8, 16 hoặc nhiều bước sóng hơn tạo thành hệ thống thông tin quang trên một đôi sợi quang (cũng có thể sử dụng một sợi quang), trong đó khoảng cách giữa mỗi bước sóng là 1.6 nm, 0.8 nm hoặc thấp hơn, tương ứng với khoảng 200GHz, 100GHz hoặc dải hẹp hơn. Việc chọn đoạn bước sóng 1550nm này bởi 2 lý do: thứ nhất, sự tổn hao trong sợi quang trong đoạn này là thấp nhất , và thứ hai, các bộ khuếch đại quang là sẵn có trong đoạn này. Trong hinh 1.4, biểu thị đỉnh nhọn trong phổ tổn hao là bắt nguồn từ OH trong sợi quang, nếu loại trừ thì lợi dụng được đầy đủ đặc tính tổn hao thấp của sợi quang (gọi là sợi quang toàn sóng) trong đoạn sóng 1280 ~ 1620 nm, làm cho phạm vi sử dụng của hệ thống ghép kênh bước sóng đạt tới trên dưới 340 nm, có thể nâng dung lượng truyền dẫn lên rất cao. Trong đó, đoạn 1525 ~ 1565 nm thường gọi là đoạn sóng C (C-band), đây là đoạn sóng các hệ thống hiện nay sử
dụng, đoạn sóng hiện đang nghiên cứu và phát triển là đoạn sóng L (1570 ~ 1620 nm) và đoạn sóng S (1400nm). Hiện nay các hệ thống nói chung thường sử dụng bước sóng của kênh tín hiệu cùng khoảng cách, tức k*0,8nm, k là số nguyên dương. Trước đây, khái niệm WDM và DWDM thường được dùng để phân biệt ghép kênh đơn giản 1310/1550 nm với ghép kênh dày đặc trong đoạn sóng 1550 nm, nhưng hiện nay trong viễn thông, công nghệ DWDM chỉ dùng ở một số trường hợp đặc biệt, vì ghép kênh 1310/1550 nm vượt ra ngoài phạm vi của EDFA (bộ khuếch đại trộn Erbium) [4]. 1.2.3 Mạng quang WDM Mạng quang WDM là mạng máy tính bao gồm tập hợp các điểm nút và tập hợp các đường sợi quang nối các điểm nút. Kết cấu của điểm nút chia làm hai phần: phần quang và phần điện. Bộ phận quang là khóa định tuyến bước sóng do bộ ghép/tách kênh bước sóng quang và ma trận khóa quang tạo thành, nó có thể làm cho kênh quang đã chọn trực tiếp thông qua điểm nút truyền dẫn quang, nối chéo với các đường dây kết nối khác, hoặc nối tại chỗ vào luồng đi hay luồng đến; Phần điện bao gồm thiết bị ghép tách OADM và thiết bị nối chéo OXC. Nó thông qua một số thiết bị phát/thu quang nối đến phần quang ở điểm nút. Ở đây, đường thông quang là đường nối giữa hai điểm nút bằng một tuyến quang hai chiều. Trong mạng quang WDM, để tận dụng tài nguyên băng tầng của mạng thì việc sử dụng bộ biến đổi bước sóng là một biện pháp cần thiết. Bộ biến đổi bước sóng là một thiết bị quan trọng để giải quyết vấn đề định truyến bước sóng. Trong mạng có sử dụng bộ biến đổi bước sóng, tại những đường kết nối khác nhau có thể sử dụng các bước sóng khác nhau để xây dựng kênh quang, từ đó nâng cao tính linh hoạt của mạng, loại trừ xung đột bước sóng của kênh quang. Sử dụng bộ biến đổi bước sóng thì có thể thực hiện được việc sử dụng lại bước sóng, kết quả là việc chọn tuyến có hiệu quả hơn, giảm xác suất nghẽn mạng, từ đó nâng cao tính linh hoạt và khả năng mở rộng của mạng quang WDM. 1.2.4 Topo của mạng quang WDM b. Topo vật lý: Topo vật lý của mạng là quan hệ kết nối vật lý của các điểm nút mạng, là tập hợp các điểm nút và các sợi quang [3]. Các dạng topo vật lý của mạng quang WDM: • Hình tuyến tính: Tất cả các điểm nút của mạng nối với nhau theo kiểu đường dây không khép kín. Đối với dạng này, điểm nút đầu thực hiện chức năng ghép kênh bước sóng, điểm nút ở giữa là thiết bị ghép/tách quang (OADM). Ưu điểm của loại kết cấu này là đơn giản, có thể thay đổi linh hoạt, tuy nhiên tính tồn tại của nó tương đối kém vì khi một điểm nút hoặc đường dây kết nối bị sự cố thì mạng không thể hoạt động được.
• Hình sao: Trong mạng có một điểm nút có kết nối vật lý đến tất cả các điểm nút khác và giữa các điểm nút khác không có kết nối vật lý với nhau. Điểm nút đó được gọi là điểm nút trung tâm, các điểm nút khác gọi là điểm nút phụ thuộc. Ở dạng này, ngoài điểm nút trung tâm, thông tin giữa các nút phụ thuộc phải chuyển tiếp qua nút trung tâm, điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc quản lý tông hợp băng tầng của mạng. Tuy nhiên khi điểm nút trung tâm gặp sự cố thì mạng không hoạt động được. Mạng dạng này đòi hỏi nút trung tâm phải có khả năng xử lý rất mạnh. Hình 1.5: Các dạng topo vật lý • Hình cây: Mạng hình cây là sự kết hợp của topo hình sao và topo hình tuyến tính. • Hình vòng: Trong mô hình tuyến tính, dùng đường dây kết nối cáp quang để nối điểm đầu và điểm cuối lại với nhau sẽ tạo thành topo hình vòng. • Hình lưới: Giữa tất cả các điểm nút của mạng ít nhất có hai đường dây kết nối vật lý khác nhau. Nếu cứ hai trong tất cả các điểm nút đều có kết nối vật lý với nhau thì sẽ thành mạng hình lưới lý tưởng. Tuy nhiên so với topo khác, topo hình lưới có độ tin cậy cao nhất, nhưng kết cấu phức tạp, việc điều khiển và quản lý cũng tương đối phức tạp. Thường chỉ sử dụng cho mạng đường trục có yêu cầu cao về tính tin cậy.
c. Topo logic: Topo logic là sự phân bố dịch vụ giữa các điểm nút của mạng. Nó quan hệ mật thiết với topo vật lý [2]. Topo logic thưòng có các loại kết cấu sau: • Hình sao: Trong kết cấu hình sao (hình 1.5), có điểm nút trung tâm, phụ trách kết nối với các điểm nút khác. Như vậy, mọi liên hệ thông tin giữa các điểm nút khac đều phải chuyển tiếp qua điểm nút trung tâm. Điều đó không thuận tiện cho thông tin giữa các điểm nút. Trong trường hợp chỉ có một điểm nút trung tâm, sự mật hiệu lực của nó sẽ làm cho toàn bộ mạng bị tê liệt, do đó tính tin cậy tương đối thấp. Để tăng cường tính tin cậy, có thể cấu hình hai điểm nút trung tâm. Trong cấu hình này, tất cả điểm nút phụ thuộc đều có liên hệ thông tin với hai điểm trung tâm, đồng thời giữa hai điểm nút trung tâm với nhau cũng có liên hệ thông tin. Hình 1.6: Cấu hình topo logic cơ bản • Tôpô kiểu cân bằng: Cấu hình tôpô logic kiểu này chỉ tồn tại trong mạng tôpô vật lý hình tuyến và hình vòng. Trong kết cấu này, quan hệ kết nối dịch vụ chỉ tồn tại trong các điểm nút có kết nối vật lý. Như vậy, thông tin giữa các điểm nút không có kết nối vật lý phải thông qua tất cả điểm nút trung gian chuyển tiếp thì mới có thể thực hiện được. Về bản chất, đây là một phương thức thông tin điểm nối điểm, là hình thức tổ hợp liên kết từng đôi, do đó mất đi tính linh hoạt của thông tin quang. Thông thường chỉ sử dụng trong trường hợp có dịch vụ giữa hai điểm nút gần nhau. • Tôpô hình lưới: Nếu bất kỳ hai điểm nút tuỳ chọn tạo nên một cặp điểm nút, thì ở trong tôpô logic hình lưới, ngoài việc đảm bảo tất cả các điểm nút mạng đều có thể xây dựng
kết nối thông tin ra, tuyệt đại bộ phận các cặp điểm nút tồn tại kênh thông tin trực tiếp. c. So sánh topo vật lý và topo logic Như đã nói ở trên, tôpô vật lý của mạng ghép kênh bước sóng là do điểm nút và các đường dây kết nối giữa các điểm nút của mạng, tôpô vật lý có liên quan trực tiếp với việc định tuyến khi đặt đường cáp quang, tuy nhiên tôpô vật lý không thể theo kịp sự cải tiến dịch vụ. Sử dụng sự liên quan mật thiết giữa khái niệm kênh quang tạo thành tôpô logic với sự phân bố dịch vụ giữa các điểm nút, có thể thay đổi tôpô logic từ cấu hình phần mềm [2]. Khác nhau cơ bản giữa tôpô vật lý và tôpô logic là: • Cơ sở của tôpô vật lý là sự kết nối vật lý giữa các điểm nút; Cơ sở thiết kế của tôpô logic là quan hệ kết nối logic giữa các điểm nút, mà cơ sở thực hiện là quan hệ kết nối vật lý giữa điểm nút. • Trong mạng quang, tôpô vật lý phản ánh quan hệ kết nối trong lớp môi trường vật lý, mức độ phức tạp của tôpô vật lý có quan hệ mật thiết với số lượng đầu dây của điểm nút mạng; Tôpô logic phản ánh kết nối lớp kênh quang của mạng, truyền dẫn và chức năng xử lý, độ phức tạp của tôpô có quan hệ trực tiếp với số lượng đầu dây của điểm nút, số lượng bước sóng ghép kênh, chức năng và kết cấu của mạng. • Thiết kế tôpô vật lý có mục đích là nhằm đáp ứng nhu cầu dịch vụ mạng, quá trình thiết kế được thực hiện sao cho phân bố địa lý của điểm nút mạng và quan hệ kết nối vật lý giữa các điểm nút là tối ưu; Mục đích thiết kế tôpô logic là dựa vào tôpô vật lý đã có để nâng cao chỉ tiêu vận hành và kinh doanh mạng, tối ưu hóa chức năng mạng của lớp kênh quang. 1.3. Kiến trúc phân lớp của mạng quang WDM 1.3.1. Kiến trúc phân tầng và mô hình OSI a. Kiến trúc phân tầng Để giảm phức tạp của việc thiết kế và cài đặt mạng, hầu hết các mạng máy tính đều có phân tích thiết kế theo quan điểm phân tầng. Mỗi tầng cung cấp một số chức năng và dịch vụ nhất định cho tầng cao hơn [1]. Mỗi hệ thống trong mạng đều có cấu trúc tầng dựa vào: • Số lượng tầng. • Chức năng mỗi tầng • Định nghĩa mối quan hệ giữa 2 tầng đồng mức và 2 tầng kề nhau.
Hình 1.7: Mô hình kiến trúc phân tầng b. Mô hình OSI Tình trạng không tương thích giữa các mạng gây trở ngại cho người sử dụng, tác động đến mức tiêu thụ sản phẩm về mạng. Do đó cần xây dựng các mô hình chuẩn làm căn cứ để nghiên cứu và thiết mạng. Hai tổ chức chuẩn là: • ISO (International Organization for Standardization): Các chuẩn do hội đồng ISO ban hành như là các tiêu chuẩn quốc tế chính thức. • CCITT (Committee Consult tafif International pour Télégraphe et Téléphone): Tổ chức tư vấn quốc tế về điện tín và điện thoại. CCITT đưa ra các khuyến nghị không được coi là chuẩn. • Ngoài còn các tổ chức khác như: ECMA, ANSI, IEEE… ISO áp dụng 5 nguyên tắc cơ bản sau để phân tầng: • Chỉ thiết lập một lớp khi cần đến một cấp độ trừu tượng khác nhau. • Mỗi lớp phải thực hiện chức năng rõ ràng. • Chức năng của mỗi lớp phải phân định rõ những giao thức theo chuẩn quốc tế. • Ranh giới của các lớp phải giảm tối thiểu lưu lượng thông tin truyền qua giao diện lớp. • Các chức năng khác nhau phải được xác định trong lớp riêng biệt, song số lượng lớp phải vừa đủ để cấu trúc không trở nên quá phức tạp. Từ đó OSI đưa ra mô hình 7 mức sau:
Hình 1.8: Mô hình OSI Khi hệ thống A gởi tin đi, dữ liệu sẽ được thêm vào phần thông tin điều khiển khi đi qua mỗi tầng từ trên xuống. Khi hệ thống B nhận thông tin, thông tin đi từ dưới lên, thông tin điều khiển được tách ra để xử lý gói. Cuối cùng hệ thống B nhận được thông tin nguyên thủy được gởi từ hệ thống A [1]. 1.3.2 Sự phân lớp của mạng quang WDM Trong mạng quang người ta đưa vào một lớp mới gọi là lớp quang. Lớp quang là lớp chủ (server) cung cấp các dịch vụ đến các khách (client). Lớp quang nằm giữa lớp vật lý và lớp liên kết dữ liệu. Lớp quang cũng cung cấp các kênh quang đến các lớp khách [4]. Một lớp quang bao gồm 3 lớp con tạo thành như sau: • Lớp kênh quang (OCH): Tương ứng với các kênh quang, truyền dẫn trong suốt các tín tức dịch vụ đầu đến cuối trên kênh quang (định tuyến tin tức) và phân phối bước sóng. Có tính năng chủ yếu: cung cấp lớp kênh quang kết nối kiểu tái định tuyến linh hoạt; có khả năng xử lý các thông tin phụ của kênh quang đảm bảo chắc chắn tính hoàn chỉnh của tín hiệu phối hợp trong lớp kênh quang. Khi phát sinh sự cố, thông qua việc định tuyến lại hoặc cắt chuyển dịch vụ công tác sang định tuyến bảo vệ cho trước để thục hiện đấu chuyển bảo vệ và khôi phục mạng. • Lớp đoạn ghép kênh quang (OMS): Tương ứng với các kết nối , cung cấp chức năng kết nối mạng cho tín hiệu nhiều bước sóng bao gồm: chức năng xử lý thông tin phụ đoạn ghép kênh quang để đảm bảo chắc chắn tính hoàn chỉnh của tín hiệu phối hợp ở đoạn ghép kênh quang nhiều bước sóng; cung cấp chức năng đo thử giám sát đoạn ghép kênh quang để đảm bảo khả năng thao tác và quản lý. • Lớp đoạn truyền dẫn quang (OTS):
Cung cấp cho tín hiệu quang chức năng truyền dẫn trên các loại sợi quang (như G.652, G.655…) bao gồm chức năng quản lý và giám sát bộ khuếch đại quang, tán sắc sợi quang … trong lớp đoạn truyền dẫn quang. 1.4 Xu hướng phát triển của mạng máy tính hiện nay Ngày nay, nhu cầu truyền các loại thông tin khác nhau như tiếng nói, hình ảnh, số liệu cùng một lúc trên mạng, nhu cầu truyền thông tin từ một điểm đến nhiều điểm, từ nhiều điểm đến nhiều điểm với tốc độ cao. Mạng thông tin hiện tại chỉ đáp ứng được phần nào nhu cầu truyền thông đa phương tiện (multimedia). Thông tin đa phương tiện là hiện thực của sự phát triển mạng thông tin hiện tại và thương lai. Từ đó ra đời mạng tổ hợp dịch vụ băng rộng (B-ISDN) có khả năng truyền các thông tin liên quan tới nhiều ứng dụng khác nhau như truyền hình số, truyền hình độ phân giải cao, điện thoại truyền hình với chất lượng cao, các dịch vụ hình ảnh, các dịch vụ truyền số liệu tốc độ cao với kiểu truyền không đồng bộ ATM. Sự ra đời và đưa vào ứng dụng công nghệ mạng quang sẽ làm chất lượng của các ứng dụng trên ngày càng được nâng cao.
Chương 2 MẠNG QUANG WDM 2.1 Các thành phần của mạng quang Trong mạng WDM, các điểm nút trung gian bao gồm các điểm nút nối chéo quang (OXCs), ghép kênh tách ghép (OADM) và điểm nút hỗn hợp (điểm nút có đồng thời chức năng của OXC và OADM),… Trong mạng quang, linh kiện quan trọng nhất là thiết bị nối chéo quang (OXC), có thể coi bộ ghép tách kênh quang (OADM) như chức năng đơn giản của kết cấu OXC [3]. 2.1.1 Thiết bị nối chéo quang (OXC) OXC có hai chức năng chính là chức năng nối chéo của kênh quang và chức năng ghép tách đường tại chỗ. Chức năng này có thể làm cho kênh quang nào đó tách ra để đưa vào mạng địa phương hoặc sau khi trực tiếp đưa vào DXC của lớp SDH thông qua biến đổi quang, do kênh điện trong DXC sẽ xử lý. Đồng thời cho phép kênh quang ở địa phương nhập vào và ghép kênh truyền đến đầu ra của đường kết nối. Khi đánh giá kết cấu của OXC cần xét đến những chỉ tiêu tính năng chủ yếu sau: • Trợ giúp kênh bước sóng hay kênh bước sóng ảo: Tùy theo OXC có cung cấp chức năng biến đổi bước sóng hay không, kênh quang được chia thành kênh bước sóng và kênh bước sóng ảo. Kênh bước sóng tương ứng với trường hợp OXC không có chức năng biến đổi bước sóng và kênh quang trên các sợi quang khác nhau phải cùng sử dụng một bước sóng như nhau. Kênh bước sóng ảo tương ứng với trường hợp OXC có chức năng biến đổi bước sóng. • Đặc tính nghẽn: Có ba đặc tính nghẽ của mạng chuyển mạch: tuyệt đối không nghẽ, không nghẽn nếu cấu hình lại và loại có nghẽn. Vì dung lượng truyền của kênh quang rất lớn, nghẽn có ảnh hưởng rất lớn đối với tính năng của hệ thống, do đó tốt nhất là kết cấu của OXC là tuyệt đối không nghẽ. • Tính module của kết nối: Xét tới sự tăng trưởng lưu lượng thông tin và giá thành xây dựng của OXC, kết cấu của OXC cần phải có tính module. Như vậy khi lưu lượng nhỏ chì OXC chỉ cần giá thành rất nhỏ đã có thể cung cấp tính liên kết đầy đủ. Khi lưu lượng tăng lên chỉ cần tăng thêm các module mới mà không cần biến đổi kết cấu vốn có của OXC. Ngoài ra cũng có thể tăng tỷ lệ số đường vào/ra mà không cần thay đổi kết cấu. • Tính module của bước sóng: Kết cấu có tính module của bước sóng là kết cấu có thể tăng số bước sóng ghép kênh trong mỗi đường.
• Khả năng phát quảng bá: Nếu sau khi tín hiệu đi vào trong kênh quang đi qua điểm nút OXC, có thể phát sóng quảng bá cho các kênh quang đầu ra thì loại kết cấu này có khả năng quảng bá. Khả năng này rất cần cho một số dịch vụ mới. • Giá thành: Giá thành là một trong những nhân tố quang trọng quyết định sau này loại kết cấu nào chiếm chủ yếu. Khi số lượng đường vào/ra điểm nút của kênh quang là nhất định thì số linh kiện dùng càng ít, càng rẻ thì giá thành càng hạ. Có thể dùng hai loại chuyển mạch trong module chuyển mạch quang OXC: chuyển mạch chia thời gian và chuyển mạch chia bước sóng. Linh kiện thực hiện chuyển mạch bước sóng là các bộ chuyển đổi bước sóng, chúng có thể chuyển đổi tín hiệu từ bước sóng này sang bước sóng khác, thực hiện chuyển mạch trên miênh bước sóng. Ngoài ra trong module chuyển mạch còn sử dụng rộng rãi bộ chọn bước sóng. Các tổ hợp khác nhau của các linh kiện này có thể tạo thành các kết cấu OXC khác nhau. Tùy theo chức năng định tuyến do linh kiện thực hiện là chính, có thể chia OXC làm hai loại lớn: OXC dựa trên chuyển mạch chia không gian và OXC dựa trên chuyển mạch chia bước sóng. Hiện này có rất nhiều loại kết cấu OXC, hơn nữa do tính thay thế lẫn nhau của linh kiện chúng còn có thể biến hóa thành nhiều loại kết cấu nữa. 2.1.2 Bộ ghép tách kênh quang (OADM) Bộ ghép tách quang (OADM) là một linh kiện quan trọng của việc tổ chức mạng truyền dẫn, chức năng của nó là tách (Drop) lọc tín hiệu quang từ những thiết bị truyền dẫn đưa về mạng tại chỗ, đồng thời ở đường nhập (Add), tín hiệu quang của thuê bao phát cho một điểm nút khác mà không ảnh hưởng đến việc truyền dẫn các tín hiệu kênh bước sóng khác. Kết cấu OADM bao gồm tách kênh, phần tử lọc điều khiển tách nhập và phần tử ghép kênh. Khi dùng các phương pháp khác nhau thực hiện tách và ghép kênh sẽ tạo ra các kết cấu OADM khác nhau. Hiện nay có nhiều kết cấu OADM, nhưng về tổng quát có thể chia là hai loại: kết cấu trùng lặp và kết cấu không trùng lặp. Kết cấu trùng lặp chủ yếu dùng linh kiện không nguồn là bộ ghép/tách kênh và bộ lọc cố định, điểm nút ghép/tách một và nhiều bước sóng cố định, tức là định tuyến của điểm nút đã được xác định. Kết cấu không trùng lặp dùng linh kiện khóa quang, bộ lọc có điều khiển… có thể điều tiết bước sóng động đường thoại tách nhập của điểm nút OADM, từ đó đạt tới khả năng kết cấu trùng lặp của mạng quang động. Kết cấu trùng lặp thiếu tính linh hoạt, nhưng tin cậy không có trễ , kết cấu không trùng lặp phức tạp và có trễ nhưng có thể phân phối tài nguyên của mạng được hợp lý. 2.2 Các kiểu chuyển mạch của mạng quang WDM Mạng ghép kênh quang có 2 kiểu chuyển mạch: chuyển mạch kênh quang và chuyển mạch gói quang. Từ đó hình thành 2 hình thức mạng ghép kênh bước sóng, tức mạng quang WDM chuyển mạch kênh quang (Circuit-Switched WDM