Tài liệu Các giải pháp truyền tải ip trong mạng quang

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA CÔNG NGHỆ    ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: CÁC GIẢI PHÁP TRUYỀN TẢI IP TRONG MẠNG QUANG Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực hiện Lớp Niên khoá : TS. NGUYỄN THỊ QUỲNH HOA : HOÀNG QUỐC HIỆU : 46K - Điện tử viễn thông : 2005-2010 1 Vinh, 5/2010 LỜI NÓI ĐẦU Kiến trúc mạng IP ngày nay được xây dựng theo ngăn mạng xếp chồng những công nghệ như ATM, SDH và WDM. Do có nhiều lớp liên quan nên đặc trưng của kiến trúc này là dư thừa tính năng và chi phí liên quan đến vận hành khai thác cao. Kiến trúc này trước đây sử dụng để cung cấp chỉ tiêu đảm bảo cho dịch vụ thoại và thuê kênh, không được thiết kế phù hợp cho mạng số liệu. Do đó nó không thật sự thích hợp đối với các ứng dụng hoạt động dựa trên công nghệ chuyển mạch gói và đặc biệt là những ứng dụng có nguồn gốc IP. Một số nhà cung cấp và tổ chức tiêu chuẩn đang đề xuất những giải pháp mới khai thác IP trên kiến trúc mạng đơn giản, ở đó lớp WDM là nơi cung cấp băng tần truyền dẫn lớn. Những giải pháp này nhằm giảm tối đa tính năng dư thừa, giảm mào đầu giao thức, đơn giản hoá công việc quản lý và qua đó truyền tải IP trên lớp WDM (lớp mạng quang) càng hiệu quả càng tốt. Hiện nay có nhiều kiến trúc mạng đã được nhận diện và triển khai trong thực tế. Tất cả chúng đều liên quan đến việc đơn giản hoá các ngăn giao thức nhưng trong số chúng chỉ có một số kiến trúc có nhiều đặc tính hứa hẹn như DoS (Data over SONET/SDH), Gigabit Ethernet (GbE) và Resilient Packet Ring (RPR) ngoài kiến trúc IP trên ATM/SDH/WDM. Nội dung của đồ án được chia thành 4 chương. Nội dung chính của chương 1 là giới thiệu công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM và sự phát triển công nghệ IP. Nội dung chính của chương 2 là giới thiệu một số phương thức truyền tải IP trong mạng quang. Nội dung chính của chương 3 là so sánh và đánh giá hiệu quả của các giải pháp. Nội dung chính của chương 4 là giới thiệu tổng quan về mạng thế hệ sau NGN và áp dụng các giải pháp truyền tải IP vào VNPT. Em xin chân thành cảm ơn Ts. Nguyễn Thị Quỳnh Hoa và các thầy cô khoa Công nghệ Trường Đại học Vinh đã hướng dẫn và giúp đỡ tận tình trong suốt quá trình làm đồ án vừa qua. Em cũng xin chân thành cảm ơn bạn bè đã giúp đỡ và chia sẽ kinh nghiệm để em hoàn thành tốt đồ án này. Vinh, tháng 5/2010 Sinh viên Hoàng Quốc Hiệu 2 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ......................................................................................................................1 MỤC LỤC .............................................................................................................................2 TÓM TẮT ĐỒ ÁN................................................................................................................ 4 DANH SÁCH HÌNH VẼ ......................................................................................................5 DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU ........................................................................................6 KÝ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT ..................................................................................7 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU WDM VÀ CÔNG NGHỆ IP ..................................................10 1.1 Xu hướng phát triển của mạng viễn thông Việt Nam ...............................................10 1.1.1 Những hạn chế của mạng viễn thông hiện tại .................................................10 1.1.2 Xu hướng phát triển các dịch vụ viễn thông ...................................................11 1.1.3 Xu hướng phát triển của công nghệ viễn thông ..............................................12 1.2 Công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM ..........................................................12 1.2.1 Các thế hệ mạng WDM ...................................................................................13 1.2.2 Nguyên lý cơ bản của WDM ...........................................................................14 1.2.3 Các thiết bị của hệ thống WDM ......................................................................16 1.2.4 Ưu điểm của hệ thống thông tin quang (WDM) .............................................23 1.3 Sự phát triển của công nghệ IP .................................................................................24 1.3.1 Giao thức IPv4 ................................................................................................24 1.3.2 Giao thức IPv6 ................................................................................................33 1.3.3 Sự phát triển công nghệ IP trên mạng quang ..................................................36 Kết luận chương .............................................................................................................39 CHƯƠNG 2: CÁC GIẢI PHÁP TRUYỀN TẢI IP QUA MẠNG QUANG ......................40 2.1 Kiến trúc IP/ATM/SDH/WDM ................................................................................41 2.2 Kiến trúc IP/ATM/WDM .........................................................................................42 2.3 Kiến trúc IP/SDH/WDM ..........................................................................................43 2.3.1 Kiến trúc IP/PPP/HDLC/SDH ........................................................................44 2.3.2 Kiến trúc IP/LAPS/SDH .................................................................................47 2.4 Kiến trúc IP/SDL/WDM ..........................................................................................49 2.5 Công nghệ Ethernet quang (Gigabit Ethernet- GbE) ...............................................50 2.6 Kỹ thuật MPLS để truyền dẫn IP trên quang ...........................................................52 2.7 GPMLS và mạng chuyển mạch quang tự động (ASON) .........................................56 2.7.1 MPLS trong mạng quang (Generalized MPLS) ..............................................56 2.7.2 Mạng quang chuyển mạch tự động (ASON)....................................................60 2.8 Công nghệ truyền tải gói động (DPT) ......................................................................62 2.9 Phương thức truyền tải gói đồng bộ động (DTM) ...................................................63 2.9.1 Truyền tải IP qua mạng DTM ..........................................................................64 2.9.2 Cấu trúc định tuyến .........................................................................................64 2.9.3 Phân đoạn IPOD ..............................................................................................65 2.9.4 Tương tác với OSPF ........................................................................................66 2.10 Kiến trúc IP/WDM .................................................................................................66 2.10.1 IP over WDM ................................................................................................66 2.10.2 IP over Optical ..............................................................................................75 Kết luận chương .............................................................................................................79 CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ CÁC GIẢI PHÁP TRUYỀN TẢI IP TRÊN MẠNG QUANG.80 3.1 Giá thành ..................................................................................................................80 3.2 Hiệu năng và dịch vụ ................................................................................................82 3.3 Khả năng tương hợp và quản lý ...............................................................................84 3 3.4 Tính năng ..................................................................................................................86 Kết luận chương ............................................................................................................88 CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG TRIỂN KHAI TRUYỀN TẢI IP TRÊN MẠNG QUANG VÀO MẠNG NGN VIỆT NAM ...................................................................................................89 4.1 Tổng quan về mạng thế hệ sau NGN .......................................................................89 4.1.1 Nguyên tắc tổ chức mạng NGN ......................................................................90 4.1.2 Cấu hình của mạng NGN ................................................................................90 4.2 Cấu trúc mạng viễn thông Việt Nam ........................................................................90 4.2.1 Cấu trúc mạng .................................................................................................91 4.2.2 Mạng chuyển mạch .........................................................................................91 4.2.3 Mạng truy nhập ...............................................................................................92 4.2.4 Mạng truyền dẫn .............................................................................................93 4.2.5 Mạng truyền dẫn liên tỉnh ...............................................................................93 4.2.6 Mạng truyền dẫn nội tỉnh ................................................................................94 4.2.7 Mạng báo hiệu .................................................................................................94 4.2.8 Mạng đồng bộ .................................................................................................94 4.2.9 Mạng quản lý ...................................................................................................95 4.2.10 Các nhà cung cấp dịch vụ ..............................................................................95 4.3 Mạng NGN của VNPT .............................................................................................95 4.3.1 Định hướng phát triển mạng NGN của VNPT ................................................95 4.3.2 Nguyên tắc tổ chức ..........................................................................................96 4.3.3 Mô hình kết nối mạng NGN với mạng PSTN và Internet ............................100 4.3.4 Tình hình triển khai trên mạng viễn thông Việt Nam ....................................101 4.4 Áp dụng các giải pháp truyền tải IP trên mạng quang vào mạng NGN của VNPT ......................................................................................................................................101 4.4.1 Mạng trục ......................................................................................................102 4.4.2 Mạng vùng ....................................................................................................105 4.4.3 Mạng truy nhập .............................................................................................107 Kết luận chương ...........................................................................................................109 Kết luận chung ...................................................................................................................110 Tài liệu tham khảo ............................................................................................................111 4 TÓM TẮT ĐỒ ÁN Với tên đề tài “Các giải pháp truyền tải IP trên mạng quang” thì đồ án đã nêu lên được một cách tổng quát về công nghệ WDM và công nghệ IP, đó là những xu thế mà công nghệ hiện nay đang sử dụng. Đồng thời đi cùng với các công nghệ đó là một số phương pháp truyền tải IP trong mạng quang đã làm chủ, các giải pháp mới có tính khả thi cho tương lai. Ngoài ra đồ án còn đề cập đến vấn đề đánh giá hiệu quả của các giải pháp và ứng dụng của nó vào mạng NGN của VNPT. Các giải pháp ấy đã góp phần làm giảm tối đa tính năng dư thừa, giảm mào đầu giao thức, đơn giản hóa công việc quản lý càng hiệu quả càng tốt. Qua đó thấy được rằng để truyền tải IP trên mạng quang cần phải thực hiện các chức năng mỗi lớp tương ứng theo mô hình OSI, vấn đề này sẽ được trình bày theo thứ tự của kiến trúc liên quan đến công nghệ đã làm chủ như ATM, SDH, WDM và Ethernet. To name the project "Measures IP transmission on optical networks", the project has raised a general WDM technology and IP technology, which is the technology trends that are currently used. At the same time the technology is going to introduce some method of transmitting optical IP network ownership, the new solution is feasible for the future. Besides evaluating the effectiveness of the solution and its application to NGN by VNPT. The solution that has contributed to minimize redundant features, reducing the crest protocol, simplified management job as efficiently as possible. Thus see that in order to transmit IP over optical networks need to perform functions corresponding to each layer of the OSI model, this problem will be presented in order of architecture-related technologies such as the main ATM, SDH, WDM and Ethernet. 5 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Mạng WDM qua các thế hệ ..................................................................................14 Hình 1.2 Hệ thống WDM đơn hướng .................................................................................15 Hình 1.3 Hệ thống WDM song hướng.................................................................................15 Hình 1.4 Bộ kết nối chéo quang OXC ................................................................................18 Hình 1.5 Chuyển mạch quang không gian ..........................................................................19 Hình 1.6 Chuyển mạch phân chia bước sóng ......................................................................20 Hình 1.7 Mô hình phân lớp địa chỉ IP .................................................................................25 Hình 1.8 Định dạng datagram của IPv4 ..............................................................................26 Hình 1.9 Trường TOS ..........................................................................................................27 Hình 1.10 Trường Flags ......................................................................................................28 Hình 1.11 Định dạng gói IPv6 ............................................................................................34 Hình 1.12 Mô hình xếp chồng .............................................................................................38 Hình 1.13 Mô hình ngang hàng ...........................................................................................38 Hình 2.1 Ngăn giao thức của các kiểu kiến trúc .................................................................40 Hình 2.2 Ngăn giao thức IP/ATM/SDH/WDM................................................................... 41 Hình 2.3 Đóng gói LLC/SNAP ...........................................................................................41 Hình 2.4 Xử lý tại lớp thích ứng ATM ALL5 .....................................................................42 Hình 2.5 Ngăn giao thức IP/ATM/SDH ..............................................................................42 Hình 2.6 Ngăn xếp giao thức IP/SDH .................................................................................44 Hình 2.7 Khuôn dạng khung PPP ........................................................................................46 Hình 2.8 Khung HDLC chứa PPP .......................................................................................46 Hình 2.9 Khung LAPS chứa IP datagram ...........................................................................47 Hình 2.10 Ví dụ về mạng IP/SDH/WDM ...........................................................................49 Hình 2.11 Cấu trúc mào đầu SDL .......................................................................................50 Hình 2.12 Khung Gigabit Ethernet .....................................................................................51 Hình 2.13 Mạng MPLS .......................................................................................................52 Hình 2.14 Định dạng MPLS ................................................................................................52 Hình 2.15 LER gắn nhãn cho gói ........................................................................................53 Hình 2.16 Hoạt động của LSR ............................................................................................53 Hình 2.17 Mô hình thể hiện LSPs .......................................................................................54 Hình 2.18 Phân cấp phát chuyển của GMPLS ....................................................................57 Hình 2.19 ASON Kiến trúc mảng điều khiển .....................................................................61 Hình 2.20 Mô hình xếp chồng của mạng ASON ................................................................61 Hình 2.21 Mô hình overlay và peer ....................................................................................71 Hình 2.22 Sơ đồ khối thiết bị chuyển mạch gói quang .......................................................75 Hình 2.23 Khe thời gian cho truyền dẫn theo gói tin ..........................................................76 Hình 2.24 Tái sinh quang luồng dữ liệu mã RZ ..................................................................77 Hình 2.25 Bộ đệm khi có và không có TWC ......................................................................79 Hình 3.1 So sánh chi phí của 3 mô hình kiến trúc ..............................................................81 Hình 3.2 So sánh hiệu năng của các giải pháp ....................................................................84 Hình 3.3 So sánh về dịch vụ giữa các giải pháp .................................................................84 Hình 3.4 So sánh về khả năng tương hợp giữa các giải pháp .............................................85 Hình 3.5 So sánh tiêu chí quản lí giữa các giải pháp ..........................................................86 Hình 3.6 So sánh về tính năng giữa các giải pháp ..............................................................87 Hình 4.1 Cấu trúc chuyển mạch mạng ................................................................................91 Hình 4.2 Cấu trúc phân lớp mạng thế hệ sau ......................................................................97 Hình 4.3 Cấu trúc kết nối cấp đường trục quốc gia ............................................................99 Hình 4.4 Cấu trúc kết nối cấp vùng .....................................................................................99 6 Hình 4.5 Mô hình kết nối NGN, PSTN và Internet ..........................................................101 Hình 4.6 Cấu trúc mạng trục giai đoạn đến năm 2006 ......................................................103 Hình 4.7 Cấu trúc điển hình của một POP trục đa dịch vụ ...............................................103 Hình 4.8 Cấu trúc mạng trục giai đoạn 2006-2010 ...........................................................104 Hình 4.9 Cấu trúc mạng mục tiêu .....................................................................................105 Hình 4.10 Mạng vùng 1 giai đoạn đến năm 2006 .............................................................106 Hình 4.11 Mạng vùng 1 giai đoạn 2006-2010 ..................................................................107 Hình 4.12 Kiến trúc mạng vùng sau 2010 .........................................................................107 DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các loại Next Header ...........................................................................................35 Bảng 1.2 So sánh giữa hai mô hình xếp chồng và ngang hàng ...........................................39 Bảng 2.1 Giá trị của SAPI tương ứng với các dịch vụ lớp trên ..........................................48 7 KÝ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT AAL ADM APD APS AR ARP ASE ASON ATM BGP CBR CR-LDP DBR DFB DVA DWDM DXC EGP FCS FEC FPA FR FWM GMPLS HDLC Host ID ICMP ID IEEE IGMP IGP IP IPv4 IPv6 IP VPN IS - IS ITU LAN LCP ATM Adaptation Layer Add/Drop Multiplexer Avalanche PhotoDetector Automatic Protection Switch Asynchronous Regernation Address Resolution Protocol Amplified Spontanous Emission Automatic Switched Optical Networks Asychronous Transfer Mode Border Gateway Protocol Constant Bit Rate Constain-based Routing using Lable Distribution Protocol Distribute Bragg Reflect Distribute FeedBack Distance Vector Algorithm Dense Wavelength Division Multiplex Digital Cross-Connect External Gateway Protocol Frame Check Sequence Forward Error Correction Fabry-Perot Amplifier Frame Relay Four Wavelength Mix Generalized Multiprotocol Label Switching High-level Data Link Control Host Identification Internet Control Message Protocol Identity Institute of Electrical and Electronic Engineers Internet Group Management Protocol Internal Gateway Protocol Internet Protocol IP version 4 IP version 6 Internet Protocol Virtual Private Network Intermediate System-to-Intermadiate System International Telecommunication Union Local Area Network Link Control Protocol Lớp thích ứng ATM Bộ xe/rẽ kênh quang Bộ tách quang thác Chuyển mạch bảo vệ tự động Tái sinh cận đồng bộ Giao thức chuyển đổi địa chỉ Bức xạ tự phát có khuếch đại Mạng quang chuyển mạch tự động Phương thức truyền tải không đồng bộ Giao thức cổng biên Tốc độ bit không đổi Định tuyến và sử dụng giao thức phân phối nhãn Laser phản xạ Bragg phân bố Laser phản hồi phân bố Thuật toán vector khoảng cách Ghép kênh bước sóng mật độ cao Kết nối chéo số Giao thức ngoài cổng Chuỗi kiểm tra khung Sửa lỗi trước Bộ khuếch đại Fabry-Perot Trễ khung Hiệu ứng trộn bốn bước sóng Tổng quát chuyển mạch nhãn đa giao thức Điều khiển liên kết dữ liệu mức cao Phần chỉ thị host Giao thức bản tin điều khiển Internet Mã nhận dạng Viện đào tạo các kỹ sư điện và điện tử Giao thức quản lý nhóm Giao thức trong cổng Giao thức Internet Giao thức Internet phiên bản 4 Giao thức Internet phiên bản 6 Mạng riêng ảo trên nền IP Giao thức node trung gian-node trung gian Liên hiệp viễn thông quốc tế Mạng địa phương Giao thức điều khiển liên kết 8 LEAF Larger Effect Area Fiber LMP LSA LSP LSR MF MPLS MPLS TE MPλS MSOH MTU Net ID NGN NMS NNI OADM OAM&P Link Management Protocol Link State Algorithm Lable Switch Path Lable Switched Router More Fregment MultiProtocol Lable-Switch MPLS Traffic Engineering Och OCHP ODSI OIF OMS OMSP OSPF OTN OTS O-UNI OXC PCM PDH PDU PIN POH PPP PSTN MultiProtocol Lambda Switching Multiplex Section OverHead Maximum Transmission Unit Network Identification Next Generation Network Network Management Station Network-Network Interface Optical ADM Operation, Administation, Maintaince and Provisioning Optical Channel Optical CHannel Protection Optical Domain Service Interconnect Optical Internetworking Forum Optical Multiplex Section OMS Protection Open Shortest Path First Optical Transport Network Optical Transmission Section Optical User-Network Interface Optical Cross-connect Pulse Code Modulaion Plesiochronous Digital Hierarche Protocol Data Unit Positive Intrinsic Negative Path OverHead Point to Point Protocol Public Switching Telephone Network PVC QoS RARP RIP RSOH RSVP RTCP RTP SAPI SDH SDU Permanent Virtual Channel Quality of Service Reverse ARP Routing Information Protocol Regeneration Section OverHead Resource Reservation Protocol RTP Control Protocol Real Time Protocol Service Access Point Identifier Synchronous Digital Hierarche Service Data Unit Sợi quang có diện tích hiệu dụng cao Giao thức quản lý liên kết Thuật toán trạng thái liên kết Đường chuyển mạch nhãn Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn Còn mảnh Chuyển mạch nhãn đa giao thức Kỹ thuật lưu lượng MPLS Chuyển mạch bước sóng đa giao thức Mào đầu đoạn ghép Đơn vị truyền dẫn lớn nhất Chỉ thị mạng Mạng thế hệ tiếp theo Trạm quản lý mạng Giao diện mạng-mạng ADM quang Các chức năng vận hành, quản lý, bảo dưỡng và giám sát Kênh quang Bảo vệ kênh quang Kết nối dịch vụ miền quang Diễn đàn kết nối mạng quang Đoạn ghép kênh quang Bảo vệ đoạn ghép kênh quang Lựa chọn đường đi ngắn nhất Mạng truyền tải quang Đoạn truyền dẫn quang Giao diện mạng-người sử dụng Kết nối chéo quang Điều chế xung mã Phân cấp số cận đồng bộ Khối dữ liệu giao thức Bộ tách sóng quang loại PIN Mào đầu đường truyền Giao thức điểm nối điểm Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng Kênh ảo cố định Chất lượng của dịch vụ Giao thức chuyển đổi địa chỉ ngược Giao thức thông tin định tuyến Mào đầu đoạn lặp Giao thức chiếm tài nguyên Giao thức điều khiển RTP Giao thức thời gian thực Chỉ thị điểm truy cập dịch vụ Phân cấp số đồng bộ Khối dữ liệu dịch vụ 9 SLA SPM SRS SVC TCP TDM TE TLV UBR UCP UDP UNI VBR-rt VC VCI VoIP VP VT WADM WAN WC WDM WSXC WP Semiconductor Laser Amplifier Self Pulse Modulation Stimulated Raman Scattering Switched Vitual Channel Transmission Control Protocol Time Division Multiplexing Traffic Engineering Type Length Value Unspecified Bit Rate Unified Control Plane User Datagram Protocol User-Network Interface Variable Bit Rate-real time Virtual Channel VC Identification Voice over Internet Protocol Virtual Path Virtual Tributary Wavelength Add/Drop Multiplexer Wide Area Network Wavelength Converter Wavelength Division Multiplexing Wavelength-selective cross-connect Wavelength Path Bộ khuếch đại laser bán dẫn Hiệu ứng tự điều chế pha Hiệu ứng tán xạ bị kích thích Raman Kênh chuyển mạch ảo Giao thức điều khiển truyền dẫn Ghép kênh theo thời gian Kỹ thuật lưu lượng Kiểu mã hoá loại độ dài-giá trị Tốc độ bit không xác định Mặt điều khiển chung Giao thức gói dữ liệu người dùng Giao diện mạng-người dùng Tốc độ bit khả biến-thời gian thực Kênh ảo Nhận dạng kênh ảo Truyền giọng nói trên giao thức IP Đường ảo Luồng ảo Bộ xen/rẽ bước sóng quang Mạng diện rộng Bộ biến đổi bước sóng Ghép kênh theo bước sóng Chọn lọc kết nối bước sóng Đường bước sóng 10 Chương 1: Giới thiệu WDM và công nghệ IP Giới thiệu chương Ngày nay, với sự xuất hiện của các hệ thống truyền dẫn thông tin quang ghép kênh theo bước sóng (WDM) thì dung lượng, tốc độ, băng thông của hệ thống ngày càng được nâng cao. DWDM (ghép kênh theo bước sóng mật độ cao) là bước phát triển tiếp theo của WDM. Một xu thế tất yếu trong công nghệ mạng đang dần được hình thành nhằm cung cấp các dịch vụ theo yêu cầu của khách hàng là công nghệ mạng thế hệ sau NGN (Next Generation Network). Trong đó, giải pháp tích hợp IP/quang (cụ thể là IP/WDM) được xem là giải pháp giải quyết vấn đề. Nội dung chính của chương gồm: - Xu hướng phát triển của mạng viễn thông Việt Nam. - Công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM. - Sự phát triển của công nghệ IP. 1.1 Xu hướng phát triển của mạng viễn thông Việt Nam [10] 1.1.1 Những hạn chế của mạng Viễn thông hiện tại Mạng viễn thông Việt Nam hiện nay bao gồm rất nhiều loại mạng khác nhau. Mỗi mạng lại yêu cầu phương pháp thiết kế, sản xuất, vận hành, bảo dưỡng khác nhau. Do đó sẽ xuất hiện các nhược điểm sau: - Chỉ truyền được các dịch vụ độc lập tương ứng với từng mạng. - Sự ra đời của các công nghệ mới ảnh hưởng tới tốc độ truyền tín hiệu. - Tài nguyên trong một mạng không thể chia sẻ cho các mạng khác cùng sử dụng. - Kiến trúc tổng đài độc quyền làm cho các nhà khai thác phụ thuộc vào nhà cung cấp tổng đài. Điều này làm giảm sức cạnh tranh giữa các nhà khai thác, tốn nhiều thời gian và chi phí khi muốn nâng cấp và ứng dụng các phần mềm mới. - Các tổng đài chuyển mạch kênh đã khai thác hết năng lực. 11 - Sự bùng nổ lưu lượng thông tin đã cho thấy sự kém hiệu quả của chuyển mạch kênh TDM. 1.1.2 Xu hướng phát triển các dịch vụ viễn thông Sự tăng trưởng của các dịch vụ trên Internet 1Mạng Internet đang phát triển với tốc độ nhanh. Trong hiện tại và tương lai, nhu cầu sử dụng các dịch vụ internet là rất cao. Người dùng sẽ được cung cấp các dịch vụ như: giáo dục từ xa, hội nghị truyền hình,.... Nội dung thông tin mang tính tổng hợp cao. Nhu cầu về giải trí trực tuyến cũng phát triển mạnh. Vai trò của IP cũng thay đổi, vai trò chuyển từ truyền tải thông tin sang truyền tải cả tín hiệu điều khiển, quản lý, multimedia. Cũng do sự bùng nổ của viễn thông và công nghệ thông tin, số lượng các host và lưu lượng Internet đang tăng rất nhanh theo hàm mũ. Dự đoán trong tương lai Internet còn phát triển với tốc độ cao hơn sau khi lưu lượng thoại cố định có xu hướng bão hoà. Sự kết hợp giảm chi phí và chuyển đổi công nghệ mạng sẽ làm dịch vụ IP hoàn toàn có thể thay thế được các dịch vụ truyền thống. Nhu cầu về các dịch vụ VoIP, IP-VPN sẽ tăng rất nhanh. Nhiều dịch vụ giá trị gia tăng trên mạng Internet xuất hiện thúc đẩy mạnh nhu cầu truy nhập mạng. Băng thông rộng và khả năng truy nhập di động, chuyển vùng Sự phát triển theo cấp số nhân về băng rộng của các mạng truy nhập đang thúc đẩy nhu cầu về băng thông rộng hơn trong các mạng đô thị (MAN). Các nhà cung cấp phải đáp ứng được sự phát triển này bằng dung lượng lớn hơn và nhanh hơn. Thêm vào đó, khả năng di động của khách hàng khi sử dụng dịch vụ cũng là một trong những xu thế sớm được nhận diện sớm. Các dịch vụ cung cấp cho khách hàng bị giới hạn trong phạm vi di khu vực sẽ được thay thế bằng các dịch vụ có khả năng cung cấp nối mạng bất kỳ nơi đâu. Độ an toàn cao Thương mại điện tử, giao dịch trực tuyến… dùng chung mạng Internet công cộng tiềm ẩn những nguy cơ bị xâm phạm về thông tin cũng như quyền lợi của các 12 cá nhân và tổ chức tham gia. Do vậy cần có những biện pháp tạo ra những hàng rào giữa mạng công cộng và mạng riêng như router-based và proxy-server firewall. Xu hướng tất yếu hội tụ mạng Việc tích hợp các dịch vụ dựa trên chuyển mạch kênh và dữ liệu trên nền tảng chuyển mạch gói là điều tất yếu, vì người sử dụng có yêu cầu rất cao về khả năng tích hợp dịch vụ. Tích hợp dịch vụ mang lại những thuận lợi cho khách hàng. Tuy nhiên, tiếng nói và các dịch vụ dựa trên nền chuyển mạch kênh cũng là nguồn thu chủ yếu của các nhà cung cấp dịch vụ hiện nay. Vì vậy, các nhà cung cấp dịch vụ vẫn cần những mạng cho phép tiếng nói truyền thống trong khi đặt nền tảng cho những dịch vụ IP tiên tiến mới. 1.1.3 Xu hướng phát triển của công nghệ viễn thông Phát triển mạng viễn thông theo chiều hướng mạng thế hệ sau, công nghệ viễn thông đóng một vai trò quan trọng. Những xu hướng phát triển của công nghệ đã và đang tiếp cận nhau, đan xen lẫn nhau nhằm cho phép mạng thoả mãn tốt hơn nhu cầu của khách hàng trong tương lai. Công nghệ viễn thông hiện nay đang chuyển từ công nghệ analog sang công nghệ digital, chuyển từ chuyển mạch kênh sang chuyển mạch gói, từ phân cấp số cận đồng bộ PDH sang phân cấp số đồng bộ SDH rồi sang công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM, từ mạng truy nhập cáp đồng sang mạng truy nhập cáp quang. Ngày nay, công nghệ DWDM được nghiên cứu và ứng dụng trong viễn thông. Sự khai triển mạng truyền tải quang dựa trên công nghệ DWDM sẽ tạo ra hạ tầng mạng viễn thông đa dịch vụ tối ưu cho truyền dữ liệu, đồng thời là giải pháp cho sự bùng nổ không ngừng các dịch vụ hiện tại và dịch vụ số liệu mới băng rộng. Bên cạnh đó là sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ laser và chế tạo sợi quang, linh kiện điện tử đã cho phép tăng số bước sóng ghép trong sợi quang, độ rộng băng của mỗi bước sóng cũng như khoảng cách giữa các bộ tái tạo. Điều này mở ra triển vọng về một mạng toàn quang trong đó có truyền dẫn và chuyển mạch toàn quang. 1.2 Công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM [2] 13 Hiện nay, các hệ thống truyền dẫn quang đang phát triển rất mạnh mẽ, xuất hiện hầu hết trong các hệ thống từ mạng đường trục, mạng nội thị cho đến mạng truy nhập với những ưu điểm nổi bật so với các hình thức truyền dẫn thông tin khác. Công nghệ truyền dẫn quang SDH cho phép tạo nên các tuyến truyền dẫn tốc độ cao (155Mb/s, 622Mb/s, 2.5Gb/s) với khả năng bảo vệ cao. Với sự ra đời của công nghệ WDM cho phép ghép nhiều kênh có bước sóng khác nhau trên cùng một sợi quang để tận dụng tối đa băng tần của sợi, tạo ra sự nhảy vọt trong cấu trúc hạ tầng mạng viễn thông đa dịch vụ được tối ưu cho truyền số liệu bởi nó tận dụng được ưu thế băng thông lớn, tốc độ cao, dung lượng lớn. Ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) được phát triển từ WDM với khoảng cách giữa các kênh ghép sát nhau, sẽ trở thành phương tiện truyền dẫn chính trong các mạng ngày nay. 1.2.1 Các thế hệ mạng WDM [11] Thế hệ WDM đầu tiên được sử dụng trong mạng WAN. Cấu hình mạng WAN WDM được cài đặt nhân công hoặc cố định. Đường truyền WDM cung cấp các kết nối điểm nối điểm với tốc độ thấp. Kỹ thuật chính trong WDM thế hệ đầu tiên là thiết kế và phát triển Laser WDM, các kỹ thuật khuếch đại quang, các giao thức truy nhập và định tuyến tĩnh. Các thiết bị xen, rẽ bước sóng quang WADM cũng được sử dụng trong mạng MAN. Các thiết bị đấu nối chéo quang DXC được sử dụng để kết nối các vòng Ring WADM. Các kết nối này có thể là băng thông rộng hoặc băng thông hẹp. Ứng dụng của các hệ thống WDM thế hệ đầu tiên là các trung kế chuyển mạch cho tín hiệu thoại, các đường truyền E1, T1. Thế hệ WDM thứ hai có khả năng thiết lập các kết nối từ đầu cuối đến đầu cuối trên lớp quang bằng cách sử dụng WSXC. Các đường quang này có cấu trúc (topology) ảo trên topology vật lý của cáp sợi quang. Cấu hình các bước sóng ảo này được cài đặt mềm dẻo hơn theo yêu cầu sử dụng. Kỹ thuật chính WDM thế hệ thứ hai là xen, rẽ bước sóng quang, các thiết bị đấu nối chéo, bộ biến đổi bước sóng quang tại các bộ đấu nối chéo, định tuyến động và phân bổ bước sóng quang, các giao diện để kết nối với các mạng khác. 14 Thế hệ WDM thứ ba phát triển theo hướng mạng chuyển mạch gói quang không có kết nối. Trong mạng này, các nhãn hoặc mào đầu quang được gắn kèm với số liệu, được truyền cùng với tải và được xử lý tại các bộ chuyển mạch WDM quang. Căn cứ vào tỷ số của thời gian xử lý gói tin mào đầu và thời gian xử lý toàn bộ gói tin, các bộ chuyển mạch quang WDM có thể chia thành hai loại: Chuyển mạch nhãn (OLS) hoặc chuyển mạch nhóm (OBS). Một số ví dụ thiết bị WDM thế hệ ba là: Bộ định tuyến (Router) quang chuyển mạch nhãn, Router quang Gigabit, Chuyển mạch quang nhanh. Khả năng kết hợp với nhau trong vận hành giữa mạng WDM và mạng IP là vấn đề trọng tâm trong mạng WDM thế hệ ba. Kết hợp định tuyến và phân bổ bước sóng trên cơ sở chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS) được coi là chuyển mạch nhãn đa giao thức tổng quát (Generalized MPLS) thể hiện nhiều ưu điểm vượt trội. Nhiều kỹ thuật phần mềm quan trọng như quản lý băng thông, đặt lại cấu hình, khôi phục, hỗ trợ chất lượng dịch vụ cũng đã được thực hiện. Hình 1.1 Mạng WDM qua các thế hệ 1.2.2 Nguyên lý cơ bản của WDM Wavelength Division Multiplexing (WDM) là kĩ thuật truyền dẫn các tín hiệu mang thông tin sử dụng nhiều bước sóng khác nhau trên cùng một sợi quang. Các tín hiệu quang được gán với các tần số cụ thể, do đó tạo ra rất nhiều sợi quang ảo mang các tín hiệu khác nhau. Một hệ thống WDM có thể được hiểu như một tập hợp song song của các kênh quang, mỗi kênh được gán một bước sóng khác nhau nhưng tất cả cùng chia sẻ một môi trường truyền dẫn. Giải pháp này giúp làm tăng 15 dung lượng của hệ thống đang hoạt động mà không cần lắp đặt lại hệ thống cáp và giảm được những chi phí rất lớn để nâng cấp mạng. Chính vì thế, WDM đạt được khả năng truyền dẫn gấp nhiều lần các hệ thống TDM (Time Division Multiplexing) truyền thống. Các bước sóng ghép có thể cùng nằm trong một cửa sổ (thường là cửa sổ thứ 3) hoặc nằm trong các cửa sổ khác nhau (cửa sổ thứ 2 và thứ 3). Hiện nay, công nghệ DWDM tại cửa sổ thứ 3 của sợi quang được sử dụng phổ biến trên các hệ thống có dung lượng và tốc độ lớn. Có 2 tham số trong truyền dẫn quang: - Khoảng kênh: Là khoảng cách giữa 2 bước sóng kề nhau. Băng tần hoạt động của bộ khuếch đại quang và dung lượng của máy thu sẽ xác định khoảng kênh. Nếu khoảng kênh bằng hay nhỏ hơn 200Ghz được gọi là DWDM. - Hướng truyền tín hiệu: Một hệ thống WDM có thể truyền dẫn theo 2 cách đơn hướng (hình 1.2) và song hướng (hình 1.3). Lựa chọn cách truyền dẫn nào phụ thuộc vào độ khả dụng của sợi quang và băng tần yêu cầu. Hình 1.2 Hệ thống WDM đơn hướng [5] Hình 1.3 Hệ thống WDM song hướng [5] 16 1.2.3 Các thiết bị của hệ thống WDM [1] Nguồn quang Hiện nay có 2 loại nguồn phát quang là nguồn phát đa bước sóng theo chuẩn và nguồn có thể điều chỉnh bước sóng, tuy nhiên các Laser phát quang đều cần phải thỏa mãn những yêu cầu sau: - Tính chính xác của bước sóng được chuẩn hóa. - Bước sóng được thay đổi hay lựa chọn trên 1 dải rộng. - Thiết lập điều chỉnh tốc độ và bước sóng theo ứng dụng. Đối với nguồn phát đa bước sóng, sự xuất hiện của laser sợi đa bước sóng sẽ tạo nên tính cạnh tranh giữa các linh kiện xây dựng trên cơ sở bán dẫn và các laser sợi. Tuy nhiên trong thời gian tới, các laser dẫn sóng thủy tinh pha tạp Erbium sẽ chiếm được sự thu hút. Và xa hơn nữa, nguồn quang điều biên dải rộng sẽ được sử dụng do chúng có độ linh hoạt rất lớn và giảm bớt các yêu cầu về kỹ thuật. Và việc chuyển sang sử dụng các nguồn quang điều tần sẽ thu hẹp sự lựa chọn công nghệ theo hướng sử dụng các nguồn quang bán dẫn đang phổ biến hiện nay. Bộ khuếch đại quang 1Bộ khuếch đại quang là thiết bị cốt lõi trong tất cả các hệ thống thông tin quang ngày nay dùng để khuếch đại trực tiếp tín hiệu ánh sáng đã bị suy hao khi truyền trên sợi quang. Nó hoạt động trong miền quang mà không cần chuyển đổi tín hiệu thành dạng xung điện. Bộ khuếch đại quang thường được sử dụng trong các mạng truyền dẫn có khoảng cách lớn khi suy hao tích lũy lớn. Hiện tại, các hệ thống WDM thường sử dụng bộ khuếch đại quang sợi có pha tạp Erbium (EDFA). EDFA sử dụng trong truyền dẫn để làm: 1- Bộ khuếch đại công suất (BA): Là thiết bị có công suất bão hoà lớn, dùng để tăng mức công suất tín hiệu phát. 2- Bộ khuếch đại đường truyền (LA): Sử dụng trên đường truyền để tăng chiều dài khoảng lặp. 3- Bộ tiền khuếch đại (PA): Sử dụng trước máy thu để tăng độ nhạy máy thu. Bộ chuyển đổi bước sóng 17 2Chức năng của bộ chuyển đổi bước sóng là chuyển đổi dữ liệu trên một bước sóng ở đầu vào thành bước sóng khác ở đầu ra trong phạm vi băng tần hoạt động của hệ thống. Bộ chuyển đổi bước sóng được sử dụng trong các thiết bị định tuyến khi bước sóng bị thay đổi. Đây là phần tử quan trọng của hệ thống WDM vì nó cho phép tái sử dụng bước sóng trong hệ thống. Hoạt động của bộ chuyển đổi bước sóng yêu cầu các thông số vật lý như thời gian thiết lập nhanh, tỷ số tín hiệu trên tạp âm lớn, mức công suất đầu vào ổn định, độ phân cực của tín hiệu đầu vào… Chuyển đổi bước sóng có thể là chuyển đổi quang/điện hay toàn quang, phụ thuộc vào yêu cầu của hệ thống. Tuy nhiên, chuyển đổi toàn quang có nhiều tiềm năng. Bộ xen/rẽ quang Bộ xen/rẽ quang (Optical Add-Drop Multiplexer - OADM) còn được biết đến là bộ xen/rẽ bước sóng WADM là một phân hệ toàn quang đã thúc đẩy sự phát triển các mạng quang điểm-điểm một bước sóng đến mạng quang ghép kênh phân chia theo bước sóng. OADM là một linh kiện quan trọng trong việc tổ chức mạng truyền dẫn. Chức năng của OADM là rẽ tín hiệu quang từ thiết bị truyền dẫn đưa về đồng thời xen tín hiệu quang để phát đến một điểm nút khác mà không ảnh hưởng đến việc truyền dẫn các tín hiệu kênh bước sóng khác. Cấu tạo: Bản chất của OADM là các lõi OADM. Lõi OADM hoạt động với các chức năng kết hợp một bộ ghép/tách kênh theo bước sóng và chuyển mạch không gian xen/rẽ. Đặc tính quan trọng của OADM là số lượng kênh bước sóng vào, ra, xen/rẽ. Khoảng cách giữa các kênh và cấu hình định thời. Các kênh bước sóng xen/rẽ có thể được gán trước (OADM cố định) hoặc được cấu hình tự động (OADM cấu hình lại). Bộ OADM có nhiệm vụ quản lý lưu lượng trong sợi quang. Nhiều trường hợp, nó đóng vai trò là điểm truy nhập tới tầng quang. Nhờ khả năng thao tác trực tiếp với tín hiệu quang, OADM trở thành phần tử cơ bản nhất trong các mạng ring dựa trên công nghệ WDM. Bộ kết nối chéo quang OXC 18 1 Tách kênh 1 2 N Bộ chuyển mạch quang λ1, λ2,…, λM λ1 λ1, λ2,…, λM λ2 λ1, λ2,…, λM λM Added Ghép kênh λ1, λ2,…, λM λ1, λ2,…, λM λ1, λ2,…, λM 1 2 N Dropped Hình 1.4 Bộ kết nối chéo quang OXC [5] Bộ kết nối chéo quang (Optical Cross Connect - OXC) là thành phần quan trọng của hệ thống WDM, có chức năng tương tự như bộ nối chéo số DXC (Digital Cross Connect) trong mạng SDH chỉ khác là nó thực hiện trong miền quang, không cần chuyển đổi OEO và không cần xử lý tín hiệu điện. Cấu trúc của một OXC như hình 1.4. * Chức năng chính của OXC là: 1- Kết nối chéo giữa n cổng đầu vào với n cổng đầu ra. 2- Chức năng xen/rẽ đường tại chỗ. Chức năng này làm cho kênh quang nào đó tách ra để đi vào mạng địa phương hoặc sau đó trực tiếp đi vào DXC của lớp SDH thông qua biến đổi OE. Bộ OXC thể hiện sự linh hoạt trong quản lý bước sóng đồng thời cũng trợ giúp cấu hình lại mạng và cho phép các nhà cung cấp mạng truyền dẫn quản lý các bước sóng một cách có hiệu quả tại lớp quang. * Cấu tạo của OXC có 3 thành phần chính: - Bộ tách kênh chia bước sóng quang ở đầu vào: Thực hiện tách các kênh quang theo các bước sóng khác nhau từ các sợi quang vào khác nhau. 19 - Ma trận chuyển mạch: Thực hiện đấu nối chéo từ một kênh quang đầu vào tới một kênh quang đầu ra. Trường chuyển mạch có thể là chuyển mạch chia không gian hoặc chuyển mạch chia bước sóng. - Bộ ghép kênh chia bước sóng quang ở đầu ra: Thực hiện ghép các kênh quang từ các đầu ra tương ứng của trường chuyển mạch để truyền dẫn trên sợi quang. Thiết bị chuyển mạch quang Hệ thống chuyển mạch quang là một hệ thống cho phép các tín hiệu bên trong các sợi cáp quang hay các mạch tích hợp quang (IOC) được chuyển mạch có lựa chọn từ một cáp (mạch) này đến một cáp (mạch) khác. Một hệ thống chuyển mạch quang có thể được vận hành nhờ các phương tiện cơ như dịch chuyển sợi quang này tới sợi quang khác, hay nhờ các hiệu ứng điện quang, từ - quang, hay bằng các phương pháp khác. 1Có 4 loại chuyển mạch quang là: Chuyển mạch phân chia theo thời gian, chuyển mạch phân chia theo không gian, chuyển mạch phân chia theo bước sóng và chuyển mạch phân chia theo mã. Trong hệ thống WDM chỉ dùng hai loại chuyển mạch là: Chuyển mạch phân chia theo không gian và chuyển mạch phân chia theo bước song, còn chuyển mạch quang phân chia theo thời gian và chuyển mạch quang phân chia theo mã đã được ứng dụng vào chuyển mạch gói quang ATM. * Chuyển mạch quang phân chia theo không gian Là loại chuyển mạch cơ bản (hình 1.5). Nó có thể chia thành hai loại: Loại sợi quang và loại không gian tự do. Trong đó, loại sợi quang là phổ biến. Cấu trúc của loại này: Đầu vào và đầu ra có các sợi quang có thể hoàn thành hai trạng thái kết nối song song và kết nối chéo. Trong kết cấu kiểu này, các sợi đến và đi có thể phải giao nhau tại các điểm chuyển mạch nên phải đặt gần nhau về mặt vật lý. 2Hình 1.5 Chuyển mạch quang không gian 20