CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG QUANG VÀ VẤN ĐỀ TỐI ƯU LƯU LƯỢNG TRONG MẠNG QUANG I. Sự phát triển của các công nghệ truyền dẫn quang Các hệ thống truyền dẫn sợi quang với các ưu điểm về dung lượng truyền tải, băng thông, cự ly truyền dẫn lớn, tỷ lệ lỗi thấp, tránh được giao thoa điện trường, khả năng bảo mật. đã ngày càng được nghiên cứu phát triển và ứng dụng rộng rãi. Cho đến hiện nay, công nghệ truyền dẫn quang đã có những bước tiến bộ vượt bậc từ mạng quang thế hệ đầu tiên SONET/SDH đến mạng quang thế hệ thứ hai sử dụng công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM.
Trong tương lai, công nghệ truyền dẫn quang sẽ tiếp tục phát triển lên các công nghệ cao hơn như mạng Mesh(OTN), mạng quang chuyển mạch bước sóng động (ASON), mạng quang chuyển mạch đa lớp (ASTN) và mạng chuyển mạch gói quang. Nội dung của phần này tập trung giới thiệu một cách tổng quan về các công nghệ truyền dẫn quang hiện tại và tương lai. Giới thiệu tổng quan về các công nghệ truyền dẫn quang I. Ghép kênh phân chia theo bước sóng Ghép kênh theo bước sóng (Wavelenght Division Multiplexing - WDM) là công nghệ truyền tải trên sợi quang đã xây dựng và phát triển từ những năm 90 của thế kỷ trước.
WDM cho phép truyền tải các luồng thông tin số tốc độ rất cao (theo lý thuyết dung lượng truyển tải tổng cộng có thể đến hàng chục ngàn Gigabít/s). Nguyên lý cơ bản của công nghệ này là thực hiện truyền đồng thời các tín hiệu quang thuộc nhiều bước sóng khác nhau trên một sợi quang. Băng NguyÔn TuÊn Trêng – CH §T 2006-2008 1 LuËn V¨n Th¹c Sü Tèi u lu lîng trong m¹ng quang ghÐp kªnh theo bíc sãng tần truyền tải thích hợp của trên sợi quang được phân chia thành những bước sóng chuẩn với khoảng cách thích hợp giữa các bước sóng (đã được chuẩn hóa bởi tiêu chuẩn G.692 của ITU-T), mỗi bước sóng có thể truyền tải một luồng thông tin có tốc độ lớn (chẳng hạn luồng thông tin số tốc độ 10Gbít/s). Do đó, công nghệ WDM cho phép xây dựng những hệ thống truyền tải thông tin quang có dung lượng gấp nhiều lần so với hệ thống thông tin quang đơn bước sóng.
Hiện tại, sản phẩm và các hệ thống truyền dẫn WDM đã được sản xuất bởi nhiều hãng sản xuất thiết bị viễn thông và đã được triển khai trên mạng của nhiều nhà cung cấp dịch vụ viễn thông trên thế giới. Về cơ bản thành phần quang của hệ thống WDM bao gồm một hoặc nhiều nguồn phát (laser), một bộ ghép kênh, một hoặc nhiều bộ khuếch đại quang (ví dụ EDFA), khối xen/rẽ (OADM), sợi quang, một bộ tách kênh và các bộ thu tương ứng với phía phát. Mỗi phần tử trên đây của hệ thống đều thực hiện những chức năng xác định một cách chính xác. Người ta chia hệ thống WDM thành hai kiểu: • Hệ thống ghép bước sóng một hướng: sử dụng mỗi sợi quang cho từng hướng truyền dẫn.
Tx1 λ1 λ1 Rx1 λ2 λ2 DEMUX Tx2 Rx2 MUX λn λ1, λ2. λN λn Txn Rxn EDFA EDFA Hình I 1 Hệ thống ghép bước sóng một hướng • Hệ thống ghép bước sóng hai hướng: sử dụng một sợi quang chung cho cả hai hướng truyền dẫn. NguyÔn TuÊn Trêng – CH §T 2006-2008 2 LuËn V¨n Th¹c Sü Tèi u lu lîng trong m¹ng quang ghÐp kªnh theo bíc sãng Tx1 Rx1 λ2 λ2 DEMUX Tx2 Rx2 MUX λ1 , λ2. λN Txn λn λn Rxn EDFA EDFA Hình I.
Hệ thống ghép bước sóng hai hướng Ưu điểm của hệ thống WDM: • Cung cấp các hệ thống truyền tải quang có dung lượng lớn, đáp ứng được các yêu cầu bùng nổ lưu lượng của các loại hình dịch vụ • Nâng cao năng lực truyền dẫn các sợi quang, tận dụng khả năng truyền tải của hệ thống cáp quang đã được xây dựng Nhược điểm của hệ thống WDM: • Giá thành thiết bị đắt. Qua giới thiệu tổng quan về công nghệ ghép kênh theo bước sóng cũng như những phân tích về ưu và nhược điểm của công nghệ này, có thể thấy rằng công nghệ WDM rất phù hợp cho những nơi mà mạng còn thiếu về tài nguyên cáp/sợi quang, cần phải tận dung năng lực truyền tải của sợi quang và dễ dàng trong việc nâng cấp dung lượng, thay thế hệ thống truyền tải quang hiện có.Do đó công nghệ ghép kênh theo bước sóng – WDM chủ yếu được ứng dụng cho những nơi mà cần dung lượng hệ thống truyền tải lớn như mạng lõi, mạng đường trục. Mạng WDM được định tuyến theo bước sóng Để tránh việc truyền các tín hiện không cần thiết tới các nút mạng không yêu cầu chúng, một cơ chế định tuyến bước sóng đã được phát triển và triển NguyÔn TuÊn Trêng – CH §T 2006-2008 3 LuËn V¨n Th¹c Sü Tèi u lu lîng trong m¹ng quang ghÐp kªnh theo bíc sãng khai. Một số lượng lớn các phần tử mạng quang đã được phát triển bao gồm các bộ khuếch đại băng rộng (Optical Amplifier - OA), các bộ tách/ghép quang (Optical Add/Drop Multiplexer - OADM) và các bộ đấu chéo quang (Optical Crossconnect - OXC).
Tất cả đã hội đủ các điều kiện để có thể định tuyến dữ liệu tới các nút tương ứng dựa trên các bước sóng của chúng. Tất cả các mạng quang triển khai dựa trên công nghệ ghép kênh theo bước sóng (WDM) và định tuyến bước sóng đều là các giải pháp hiệu quả cho các mạng quang diện rộng (Wide Area Network - WAN) và mạng metro quang (Metro Area Network - MAN). Các bước sóng được định tuyến với dữ liệu được gọi là định tuyến bước sóng và các mạng được triển khai dựa trên kỹ thuật này được gọi là mạng WDM định tuyến theo bước sóng. Những mạng như vậy, mỗi kết nối giữa một cặp nút được gán bởi một đường và một bước sóng duy nhất.
Một kết nối từ một nút tới một nút khác được thiết lập trên một bước sóng riêng biệt được gọi là một đường quang (lightpath). Các kết nối với các đường được chia sẻ bởi một liên kết chung được gán bởi các bước sóng khác nhau. Ưu điểm nổi bật của các mạng quang này là sự trong suốt của các giao thức và quản lý đơn giản. Trong mạng quang định tuyến bước sóng, các nút được triển khai dựa trên các bộ đấu chéo quang thì có khả năng chuyển mạch một bước sóng riêng biệt từ một liên kết này sang một liên kết khác.
Đối với một mạng quang trong suốt, chuyển mạch của một bước sóng được thực hiện trên miền quang. NguyÔn TuÊn Trêng – CH §T 2006-2008 4 LuËn V¨n Th¹c Sü Tèi u lu lîng trong m¹ng quang ghÐp kªnh theo bíc sãng Hình I.3: Kiến trúc nút trong mạng quang định tuyến bước sóng không có bộ biến đổi bước sóng.3) minh họa một nút chuyển mạch quang. Theo kiến trúc này, các bước sóng tại sợi quang đầu vào sẽ được tách ra riêng biệt. Sau đó các bước sóng như nhau sẽ được chuyển mạch với nhau và được định tuyến tới các sợi quang đầu ra dựa trên cơ chế chuyển mạch bước sóng.4) minh họa một mạng quang định tuyến theo bước sóng.
Hình vẽ chỉ ra rằng các kết nối được thiết lập giữa các nút A và C, H tới G, B tới F, và D tới E. Các kết nối từ nút A tới C và B tới F chia sẻ cùng một liên kết. Vì vậy, chúng sử dụng các bước sóng khác nhau trên sợi quang. NguyÔn TuÊn Trêng – CH §T 2006-2008 5 LuËn V¨n Th¹c Sü Tèi u lu lîng trong m¹ng quang ghÐp kªnh theo bíc sãng Hình I.4: Một mạng quang WDM định tuyến bước sóng Trong mạng quang định tuyến bước sóng, các đường của tín hiệu được quyết định bởi các bộ phát tín hiệu, các bước sóng được phát đi và trạng thái của các thiết bị mạng.
Ví dụ một mạng với 2 bước sóng được thể hiện ở hình (I.5: Điều kiện liên tục bước sóng trên một đường dẫn qua 2 chặng Mô hình có 02 bước sóng. Từ nút 1 tới nút 2 sử dụng λ 1 và nút 2 đến nút 3 sử dụng λ2. Một kết nối yêu cầu từ nút 1 đến nút 3 bị nghẽn mặc dù các bước sóng rỗi trên cả liên kết 1 và 2. Điều này gây bởi tính liên tục của bước sóng nghĩa là các bước sóng như nhau phải được gán tới một kết nối trên mọi liên kết.
Thay vì đó có thể sử dụng bộ biến đổi bước sóng tại nút 2. Các kết nối yêu cầu thiết lập các lightpath sẽ có xác xuất tắc nghẽn cao hơn so với yêu cầu thiết lập đường được thực hiện trong các mạng chuyển mạch điện do điều kiện liên tục bước sóng. Chuyển mạch gói quang Như ở trên, các thảo luận đều tập trung vào các kết nối quang được chuyển mạch dựa trên các mạch điện. Một công nghệ chuyển mạch đang được xem xét để thay thế cho các chuyển mạch điện và được ứng dụng trong hệ thống mạng đường trục là công nghệ chuyển mạch gói quang (OPS : Optical packet switching).
Các ưu điểm chính của OPS là tính mềm dẻo và khả năng tận dụng băng thông hiệu quả cho phép hỗ trợ nhiều loại dịch vụ khác nhau. Một công nghệ OPS thuần, trong đó các gói mào đầu và điều khiển được thực thi trên tất cả NguyÔn TuÊn Trêng – CH §T 2006-2008 6 LuËn V¨n Th¹c Sü Tèi u lu lîng trong m¹ng quang ghÐp kªnh theo bíc sãng các miền quang vẫn còn là câu chuyện của tương lai. Tuy nhiên, công nghệ OPS với các gói mào đầu và điều khiển được xử lý điện đã trở thành hiện thực trong nhiều nghiên cứu gần đây. Một thử nghiệm OPS thực tế đã được thực hiện bởi dự án European ACT KEOPS (KEys to Optical Packet Switching).
Trong KEOPS, các mào đầu được gửi với dữ liệu (payload) nhưng ở tốc độ bit thấp hơn và quá trình xử lý mào đầu vẫn được thực hiện trên miền điện. Điều này yêu cầu phải bộ đệm quang tại cổng đầu vào để cho phép các mạch điện xử lý mào đầu kết thúc công việc. Tại thời điểm hiện nay, các công nghệ bộ đệm chưa thể vượt qua một số điều kiện kỹ thuật như độ lớn và các kích thước khác nhau của bộ đệm quang. Xử lý mào đầu tại tốc độ cao cũng là một vấn đề quan trọng.
Vì vậy, đây vẫn là một công nghệ của tương lai. Chuyển mạch cụm quang Một công nghệ chuyển mạch xen kẽ khác được sử dụng để truyền tải các lưu lượng IP một cách trực tiếp qua mạng quang ghép kênh theo bước sóng (WDM) được biết đến là chuyển mạch cụm quang (Optical burst Switching - OBS).