Đồ án tốt nghiệp đại học
MỤC LỤC
1
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng
quan
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1 Sự phát triển của mạng quang
1.1.1 Sự phát triển của topo mạng
Kiến trúc điểm - điểm là loại đơn giản của topo mạng. Các gói được truyền giữa
các node quang, nhưng sự chuyển đổi quang điện tử được thực hiện ở mọi node.
SONET/SDH là một ví dụ. Một lựa chọn khác có ưu điểm hơn là sử dụng các topo
mạng kiểu bus, vòng và sao.
Hình1.1: Các topo mạngdạng Điểm - điểm, vòng, sao, lưới.
Trong mạng WDM topo kiểu vòng được ưa dùng hơn. Topo kiểu mạng
lưới có nhiều ưu điểm hơn khi so sánh với các loại trước bởi vì dung sai cắt sợi
tốt hơn, khi có nhiều lựa chọn định tuyến. Thêm nữa, một node với tốc độ lưu
2

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng
quan
lượng cao được nối với vài node, và một node với lưu lượng dữ liệu trên một
node đơn chỉ có thể nối với node đơn này. Đáng tiếc, một mạng topo dạng mạng
lưới gặp nhiều khó khăn khi triển khai do yêu cầu phức tạp trong định tuyến và
chuyển mạch. Mạng WDM đầu tiên xuất hiện giữa những năm 1990 là mạng
kiểu điểm - điểm. Sau đó các phần tử tách-ghép được sử dụng và cuối những
năm 1990 topo mạng kiểu vòng trở nên ưa dùng. Ngày nay đã sử dụng các mạng
có topo mạng kiểu mạng lưới. Một phần các mạng gói quang được thực hiện
trong môi trường phòng thí nghiệm. Chắc chắn các mạng gói thương mại sẽ theo
sự phát triển giống như các mạng WDM trước đó.
1.1.2 Sự phát triển của dung lượng truyền dẫn
Tốc độ phát triển của dung lượng truyền dẫn nhanh hơn trong các năm

WDM là một cách ghép, trong đó ta có thể lợi dụng sự không đối xứng băng tần
3

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng
quan
quang điện rộng lớn bằng cách yêu cầu mỗi đầu cuối của mỗi người sử dụng chỉ
hoạt động tại tốc độ điện tử và các kênh ghép WDM từ các đầu cuối của người
sử dụng khác sẽ được ghép vào trong cùng một cáp. Trong ghép kênh theo bước
sóng WDM, mỗi bước sóng hỗ trợ một kênh thông tin hoạt động tại bất kỳ tốc
độ được thiết kế này.
Ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) xuất hiện như một giải pháp
được lựa chọn để cung cấp một cơ sở hạ tầng mạng nhanh hơn, đáp ứng được sự
bùng nổ của Internet. Thế hệ đầu tiên của WDM chỉ cung cấp các liên kết vật lý
điểm tới điểm được sử dụng hạn chế trong các trung kế WAN. Các cấu hình
mạng WDM, WAN là các cấu hình tĩnh.
Thế hệ thứ hai của WDM có khả năng thiết lập các tuyến quang kết nối từ
đầu cuối tới đầu cuối trong lớp quang sử dụng kết nối chéo lựa chọn bước sóng
WSXC. Các tuyến quang tạo ra một tôpô ảo trên tôpô sợi quang vật lý. Cấu hình
bước sóng ảo có thể thay đổi động theo sự thay đổi quy hoạch mạng.
Kỹ thuật sử dụng trong thế hệ WDM thứ hai bao gồm các thiết bị kết nối
chéo và bộ tách ghép bước sóng với khả năng chuyển đổi bước sóng, định tuyến
động và phân bố bước sóng tại các node nối chéo.
WDM thế hệ thứ ba được sử dụng trong các mạng quang chuyển mạch gói
phi kết nối, trong đó các tiêu đề hay các nhãn được gắn với dữ liệu, truyền đi
cùng với tải và được xử lý tại mỗi chuyển mạch quang WDM. Dựa trên tỷ lệ
giữa thời gian xử lý tiêu đề gói và chi phí truyền dẫn gói, chuyển mạch WDM có
thể được sử dụng hiệu quả bằng cách sử dụng chuyển mạch nhãn hay chuyển
mạch burst quang. Chuyển mạch gói quang vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu.
Sự phát triển mạng của WDM được chỉ ra như hình vẽ .
Thế hệ thứ 3

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng
quan
1.2 Chuyển mạch quang
Chuyển mạch là từ dùng để chỉ hai nghĩa khác nhau. Một là để định nghĩa
tóm tắt khái niệm chuyển mạch tức là thiết bị sử dụng chuyển mạch các tín hiệu
từ các cổng đầu vào tới các cổng đầu ra. Hai là chuyển mạch chỉ một thiết bị với
một vài thiết bị hoặc là một thiết bị phức hợp mà gồm khối điều khiển phức tạp,
các bộ đệm đường dây trễ, các bộ lọc, các bộ chuyển đổi bước sóng và các
chuyển mạch đơn giản.
Các chuyển mạch không gian và các bộ định tuyến bước sóng là các thành
phần cơ bản của một chuyển mạch quang. Một chuyển mạch không gian chỉ
chuyển theo cách đơn giản các tín hiệu từ mỗi đầu vào tới một đầu ra. Có một
vài cách để thực hiện một chuyển mạch không gian nhưng lựa chọn tốt nhất là
sử dụng các SOA (các bộ khuyếch đại quang bán dẫn). Như hình 1.3 mô tả một
chuyển mạch không gian.
Hình 1.3: Chuyển mạch dựa trên cổng SOA.
Chuyển mạch dựa trên cổng SOA N×N như mô tả ở trên gồm N bộ tách
1×N, N
2
cổng SOA và N bộ trộn 1×N. Nếu tín hiệu được chuyển tới đầu ra j,
6

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng
quan
cổng j ở trạng thái mở và các cổng khác ở trạng thái đóng. Tất cả các cổng có
cùng chỉ mục sẽ được kết nối tới một bộ trộn.
Một bộ định tuyến bước sóng có thể được cấu hình trước hoặc không. Như
hình 1.4 mô tả bộ định tuyến bước sóng không cấu hình trước. Mỗi tín hiệu từ
đầu vào i với bước sóng j luôn được truyền trực tiếp tới đầu ra k. Một ví dụ của
bộ định tuyến lại này là AWGM. Một AWGM gồm hai coupler sao và một AWG

R 1
R 2
R 3 R 4
R 5
R 6
B
S w i t c h / R o u t e r
T u y Õ n h o ¹ t ® é n g
Hình 1.5 Mạng chuyển mạch kênh.
Trong mạng chuyển mạch kênh trên đây yêu cầu nối giữa điểm A và B. Một
kênh được thiết lập thông qua các node R1, R3, R4 và R5. Ta cũng có thể thành
lập các tuyến liên kết khác giữa A và B. Giữa các node chuyển mạch có thể cho
phép nhiều kênh được thiết lập.
Chuyển mạch kênh gồm có 3 giai đoạn: Thiết lập kênh, truyền dữ liệu, và
giải phóng kênh.
8

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng
quan
 Thiết lập kênh: Đăng ký một bước sóng cố định theo đường dẫn lựa chọn,
mỗi liên kết trên đường dẫn được định hướng từ nguồn tới đích tương
ứng của nó.
 Truyền dữ liệu: Dữ liệu được gửi trên một đường riêng. Khi phân phối
điều khiển được sử dụng trong giai đoạn định tuyến, một khoảng thời
gian yêu cầu giữa giai đoạn thiết lập và giai đoạn truyền dẫn là T, có giá
trị T=2p+delta (p là thời gian truyền một chiều), delta là tổng trễ xử lý do
yêu cầu thiết thiết lập trên đường truyền). Dữ liệu trong chuyển mạch
kênh không cần đệm ở các node trung gian do kênh chỉ sử dụng phục vụ
cho việc truyền dữ liệu này tại thời điểm cụ thể.
 Giải phóng kênh: Sau khi dữ liệu gửi đi tới đích, kênh truyền dẫn sẽ được

Hình vẽ 1.7 mô tả một mạng chuyển mạch gói. Gói được gửi từ điểm C tới
đích D. Một gói thông tin rời C và được gửi đi trên tuyến R1 tới R3, sau đó từ
R3 gửi tới R4 và tới D. Tuy nhiên gói cũng có thể được truyền tới D theo hướng
khác. Nếu việc truyền dẫn từ R1 tới R3 chậm hoặc bị mất, gói từ R1 sẽ được gửi
tới R2, từ R2 tới R5 và cứ tiếp tục cho tới khi tới đích.
Trong chuyển mạch gói, độ dài mỗi gói là Lp, có thể cố định hoặc thay đổi
từ giá trị nhỏ nhất Smin tới giá trị lớn nhất S max. Trường hợp gói có độ dài cố
định, một bản tin kích thước Lb sẽ được chia thành các gói nhỏ hơn có kích
thước giống nhau. Trường hợp gói có độ dài khác nhau, bản tin được chia thành
Lb/Smax gói và đệm chỉ cần thiết đối với gói nhỏ hơn Smin.
Một đặc điểm chính của chuyển mạch gói là lưu giữ và chuyển tiếp. Tức là
một gói cần phải được tập hợp đầy đủ tại một node nguồn và mỗi node trung
gian trước khi nó được chuyển đi. Đặc điểm này sẽ dẫn đến gói phải trải qua
một khoảng thời gian trễ tương ứng với Lb tại mỗi node, khi đó cần phải có bộ
đệm tại mỗi node trung gian của mạng có kích thước nhỏ nhất là Smax.
Mặc dù vậy với công nghệ hiện tại chưa thể thực hiện chuyển mạch quang
một cách có hiệu quả do:
 Chuyển mạch gói quang thường sử dụng cho trường hợp không đồng bộ.
Ví dụ, các gói tới tại các cổng đầu vào khác nhau phải được xếp hàng
trước khi truy nhập vào trường chuyển mạch. Tuy nhiên để ứng dụng cho
trường hợp không đồng bộ là rất khó và chi phí cao.
 Một khó khăn nữa đối với chuyển mạch gói quang là sự thiếu vắng các bộ
đệm quang. Đặc điểm chính của chuyển mạch gói là lưu đệm và chuyển
10

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng
quan
tiếp. Đặc điểm này cần thiết để giải quyết vấn đề tranh chấp cổng đầu ra.
Tuy nhiên hiện tại chưa có các bộ đệm truy nhập quang ngẫu nhiên cần
thiết để thực hiện lưu giữ và chuyển tiếp.

lượng viễn thông trong tương lai vẫn còn tiếp tục bùng nổ. Trong bất cứ trường
hợp nào, thì lưu lượng dạng gói sẽ ở mức lựa chọn cao hơn. Nếu tìm thấy một
cách để thực hiện thương mại chuyển mạch gói quang, thì rõ ràng đó có thể là
một kỹ thuật tốt hơn. Tuy nhiên, chừng nào mà các thiết bị quang cũng như kỹ
thuật chuyển mạch vẫn chưa đáp ứng được yêu càu thì chuyển mạch kênh vẫn là
lựa chọn số 1.
12

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng
quan
1.3.2 Giữa chuyển mạch gói và chuyển mạch burst
Ưu điểm của chuyển mạch gói là một gói bao gồm cả tiêu đề và tải gửi đi
mà không cần thiết lập kênh và chúng chia sẻ các bước sóng liên kết giữa các gói
với các nguồn và các đích khác nhau. Tuy nhiên do cơ cấu lưu đệm và chuyển
tiếp, mọi node đều phải xử lý tiêu đề của gói tới để xác định tuyến truyền của
gói, vì vậy cần phải sử dụng bộ đệm tại các node.
Chuyển mạch burst quang không cần phải có bước sóng riêng cho mỗi kết
nối đầu cuối tới đầu cuối vì vậy ngay sau khi burst đi qua một tuyến liên kết thì
bước sóng sẽ được giải phóng ngay. Khác với chuyển mạch gói, chuyển mạch
burst không nhất thiết phải sử dụng các bộ đệm.
Chuyển mạch burst quang là chuyển mạch hứa hẹn nhiều triển vọng, nó sẽ
thay thế các chuyển mạch hiện tại, và sẽ mang tính thương mại cao hơn chuyển
mạch gói quang, nó tránh được hai vấn đề chính là: Tốc độ chuyển mạch cao và
bộ đệm quang. Nghẽn cổ chai trong mạng chuyển mạch gói quang khi xử lý tiêu
đề gói tin trong trường chuyển mạch. Bởi vì dữ liệu được móc nối vào nhau bên
trong các phần tử lớn hơn trong các mạng chuyển mạch burst, có nhiều dữ liệu /
tiêu đề hơn so với các mạng chuyển mạch gói. Trước tiên, là đạt được tốc độ dữ
liệu cao hơn với cùng một tốc độ xử lý tiêu đề. hơn nữa, không cần thiết phải
triển khai các bộ đệm quang phức tạp. Các burst có thể được đệm trong miền
điện tại cạnh của mạng thay cho bộ đệm tại mỗi node vì thời gian mao đầu đã

Chuyển mạch gói quang có thể đáp ứng mọi yêu cầu và ta có thể phân loại
các yêu cầu thông tin của chuyển mạch đó là:
 Khả năng quản lí các loại tốc độ thông tin khác nhau.
 Có thể chuyển mạch đa phương hoặc quảng bá.
 Có hiệu năng cao về độ trễ, khả năng thông qua và tỉ lệ lỗi bit (BER)
Hiện nay mạng chuyển mạch gói quang vẫn chưa hoàn toàn quang, các tín
hiệu đều cần chuyển đổi trở lại dạng điện trước khi chuyển mạch và xử lí. Như
vậy, các ưu điểm lớn của thông tin quang như tốc độ và hiệu quả vẫn chưa được
phát huy cao do độ trễ vẫn lớn. Mạng chuyển mạch gói quang có thể chưa được
áp dụng vào cuộc sống trong một vài năm tới do giới hạn về công nghệ quang.
Tuy nhiên với sự phát triển nhanh chóng và rất nhiều các mô hình nghiên cứu
chuyển mạch gói quang, mạng viễn thông sẽ có thể áp dụng công nghệ này vào
thực tiễn để đáp ứng được đòi hỏi ngày càng cao của các dịch vụ người dùng.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Chuyển mạch
gói quang
2.2 Vai trò của mạng chuyển mạch gói quang
Sự phát triển của các dịch vụ hiện có và các dịch vụ mới băng thông cao đã
làm cho lưu lượng viễn thông không ngừng tăng nhanh, và từ đó băng thông yêu
cầu cũng tăng lên ngày càng lớn. Bước đầu để đáp ứng băng thông là sự triển
khai hệ thống truyền dẫn WDM. Và bước tiếp theo, mạng thế hệ mới cần phải
tận dụng được kĩ thuật WDM bằng cách thực hiện các chức năng quang trong
điều khiển và quản lí các tín hiệu hàng megabit, như thế sẽ làm giảm sự phức tạp
trong hệ thống điện và giảm giá thành.
Sự nâng cấp mạng từ điện sang quang làm phát sinh vấn đề nghẽn cổ chai
về khả năng thông qua. Vấn đề này đã thấy được trên mạng đường trục kết nối
chéo quang, và người ta cần sử dụng tầng chuyển mạch gói quang giữa tầng
chuyển mạch điện và tầng truyền dẫn. Như vậy tầng chuyển mạch gói quang sẽ
kết nối, lấp khe trống giữa tầng điện đang tồn tại và các kênh quang ở đường
trục, đồng thời cho phép chuyển mạch gói nhanh các kết nối đổi tần ở tốc độ cao
hơn nhiều so với tầng điện mà không ảnh hưởng trực tiếp lên kết nối chéo. Ta có

trường mạng sẽ biến đổi hoàn toàn theo những xu hướng chủ đạo là:
 Lưu lượng internet trong đó thông tin dữ liệu chiếm ưu thế.
 Sự phát triển kỹ thuật WDM dựa trên liên kết điểm - điểm sẽ tận dụng
được băng thông cũng như số lượng kênh bước sóng và tốc độ bít trên
một kênh.
 Mạng truyền tải WDM kết nối chéo quang có độ linh hoạt cao.
Các nghiên cứu cho thấy mạng chuyển mạch gói là mạng chủ đạo trong
tương lai và có thể đáp ứng được các yêu cầu dịch vụ, một trong số đó có mạng
chuyển mạch gói quang. Mạng chuyển mạch gói quang đã được nghiên cứu cách
đây khoảng chục năm. Từ đó đến nay có rất nhiều thay đổi, các thiết bị đã được
cải thiện cũng như đặc tính lưu lượng có nhiều biến đổi. Có rất nhiều vấn đề
chưa được giải quyết, song công nghệ quang đã bắt đầu có những dấu hiệu
trưởng thành. Mạng quang có thể được trải rộng từ mạng đường trục với khoảng
cách lớn tới mạng truy cập, và mạng đã càng ngày càng phức tạp hơn, hiệu quả
hơn và độ tin cậy cao hơn trước đây. Chuyển mạch gói quang có thể vẫn chỉ
trong phòng thí nghiệm nhiều năm nữa, song với công nghệ phát triển ngày càng
cao để đáp ứng cho các phương thức chuyển mạch hiện có như chuyển mạch
kênh quang, sẽ tạo bước xúc tiến cho mạng chuyển mạch gói quang ra đời.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Chuyển mạch
gói quang
2.3 Đặc tính lưu lượng của chuyển mạch gói quang
2.3.1 Đặc tính lưu lượng của chuyển mạch không có chức năng
tách - ghép
2.3.1.1 Mạng và kiến trúc chuyển mạch của hệ thống WDM
Mạng gói quang WDM xác định ở đây được chỉ ra trong hình 2.2.
Hình 2.2 : Chuyển mạch gói của hệ thống WDM
Chuyển mạch gói quang chuyển dữ liệu giữa các mạng con như MAN,
LAN.... Mạng giống với một mạng sao và N bước sóng khác nhau, λ
1
.... λ

1
+
N
B






+×
1..
N
B
MNM
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Chuyển mạch
gói quang
Chuyển mạch
không gian
Tách bước sóng
Đổi bước sóng khả chỉnh
Đệm B vị trí
λ
1
…λ
N
1
M
Hình 2.3: Khối chuyển mạch gói quang WDM.
 Phần đầu vào: Tại đây, khối tách kênh lựa chọn các gói đến ở N bước

là bội số của N hay α là số nguyên.
Kiến trúc này không thể hiện giao diện quang/điện đặt ngay sau bộ tách
kênh ở đầu vào của chuyển mạch. Giao diện này được dùng để tách tiêu đề mỗi
gói tìm đầu ra, sau đó xác định vị trí hay trạng thái hàng đợi để điều khiển bộ
chuyển đổi bước sóng cũng như trạng thái cổng ở chuyển mạch không gian.
2.3.1.2 ảnh hưởng của các bộ chuyển đổi bước sóng khả chỉnh
1 Lưu lượng kiểu ngẫu nhiên
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Chuyển mạch
gói quang
Bộ biến đổi bước sóng khả chỉnh TOWC (Tunable Optical Wavelength
Converter) làm giảm rõ rệt số lượng đường dây trễ vì TOWC cho phép lưu
chuyển nhiều gói quang ở nhiều bước sóng khác nhau trên cùng một đường dây
trễ. Mặc dù sử dụng TOWC có thể làm đảo lộn thứ tự gói, song ta có thể bỏ qua
vì ảnh hưởng lên độ lưu thoát lưu lượng là rất nhỏ, ngay cả trong trường hợp xấu
nhất. Hình 2.4 trình bày việc xử lí đệm trong trường hợp có và không có bộ biến
đổi bước sóng TOWC.
λ
1
λ
1
λ
1
λ
1
TOWC
TOWC
λ
1
λ
2

10
-7
10
-9
10
-11
10
-13
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Không có TOWC's
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Chuyển mạch
gói quang
(độc lập với N)
N = 4
N = 8
Có TOWC''s
Hình 2.5: Xác suất mất gói tin khi có và không có TOWC's.
Số đường dây trễ
Đồ thị chỉ ra xác xuất mất gói với số đường dây trễ là B/N, trong đó B là số
lượng gói tin lớn nhất có thể lưu trên bộ đệm, N là số lượng bước sóng. Trường
chuyển mạch 16 x 16, tải 0,8 cho mỗi kênh trên N kênh đầu vào. Nếu không có
bộ biến đổi bước sóng, hiệu năng là độc lập với N, hàng đợi có thể coi như gồm
N hàng riêng biệt và độc lập, mỗi hàng chỉ tương ứng với 1 bước sóng, và các
tính toán chỉ cần đặt N=1. Khi có bộ biến đổi, xác suất mất gói PLR được cải
thiện khi số lượng bước sóng tăng tức là khi N tăng, tổng số lượng kênh đầu vào
và đầu ra cũng tăng do đó dung lượng chuyển mạch không gian tăng làm giảm tỉ
lệ mất gói tin. Mặc dù số kênh đầu vào tăng, nhưng mỗi đầu ra có thể nhận cùng
tỉ lệ tải tin ρ độc lập với N, và do đó với cùng một tỉ lệ mất gói PLR mà độ sâu
bộ đệm không đổi. Mặt khác nếu B/N cố định, thì độ sâu bộ đệm sẽ tăng theo N.
Do vậy, xác suất mất gói giảm với số kênh bước sóng khi TOWC's được sử

N = 2
N = 4
90 80 70 60 50 40 30 20 10
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Tải trên mỗi kênh
N.α
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Chuyển mạch
gói quang
N = 2
N = 4
N = 1
Hình 2.6: Số đường dây trễ yêu cầu.
(a)
(b)
Ta thấy rất rõ số lượng đường dây trễ giảm khi số bước sóng tăng lên. Một
điểm quan trọng khác là cấu hình chuyển mạch không gian gần như không đổi,
được minh họa trong hình 3.6(b) giữa






+=⋅ 1
N
B
N
αα
đối với tải tin, trong điều
kiện chuyển mạch 4 x 4 ứng với số kênh bước sóng là 1, 2 & 4. Do đó, khả năng