TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

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

: TS. Nguyễn Thị Quỳnh Hoa
: Hoàng Thị Thơm

VINH – 2011
1


LỜI NÓI ĐẦU
Internet đã làm một cuộc cách mạng hoá đến rất nhiều khía cạnh trong cuộc
sống của chúng ta. Các loại hình dịch vụ như thoại, âm thanh, hình ảnh đều có thể
sử dụng giao thức Internet (IP) nhờ tính phổ thông và giá thành rẻ của nó. Mỗi loại
dịch vụ đều có một yêu cầu về băng thông, tốc độ truyền dẫn, QoS… phục vụ nhu
cầu của người sử dụng.
Nhu cầu lưu lượng tăng mạnh do sự bùng nổ của các loại hình dịch vụ Internet
và các dịch vụ băng rộng đã tác động mạnh mẽ tới việc cải tiến, xây dựng cấu trúc
mạng viễn thông. Để thoả mãn việc thông suốt lưu lượng với băng tần lớn, các hệ
thống truyền dẫn thông tin quang được sử dụng nhờ các ưu điểm nổi bật của nó.
Mặt khác, công nghệ WDM được xem là công nghệ quan trọng và hiệu quả nhất

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU..................................................................8
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT...............................................................................9
Chương 1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG VÀ CÔNG
NGHỆ WDM...................................................................................................12
1.1. Giới thiệu chung về hệ thống thông tin quang....................................12
1.1.1. Lịch sử phát triển........................................................................12
1.1.2. Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang…………13
1.1.3. Ưu nhược điểm...........................................................................17
1.2. Công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM.....................................17
1.2.1. Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng WDM.............................17
1.2.2. Các thiết bị của hệ thống WDM.................................................20
1.2.3. Các thế hệ mạng WDM..............................................................28
1.2.4. Ưu nhược điểm của hệ thống thông tin quang WDM................30
Kết luận chương.........................................................................................31
Chương 2. CÔNG NGHỆ IP...........................................................................32
2.1. Giao thức IPv4.....................................................................................32
2.2. Giao thức IPv6.....................................................................................42
2.3. Sự phát triển của công nghệ IP trên mạng quang................................45
Kết luận chương.........................................................................................47
Chương 3. CÁC GIẢI PHÁP TRUYỀN TẢI IP TRÊN MẠNG QUANG.....
.........................................................................................................................48
3.1. Kiến trúc IP/PDH/WDM.....................................................................49
3.2. Kiến trúc IP/ATM/SDH/WDM...........................................................50
3.3. Kiến trúc IP/ATM/WDM....................................................................52
3.4. Kiến trúc IP/SDH/WDM.....................................................................53
3.4.1. Kiến trúc IP/PPP/HDLC/SDH ...................................................54
3.4.2. Kiến trúc IP/LAPS/SDH............................................................57
3.5. Công nghệ Ethernet quang (Gigabit Ethernet- GbE)..........................59
3


4.2.3. Mạng thế hệ sau của Tổng công ty.…………………….…….105
4.2.4. Tình hình triển khai IP trên quang của Tổng công ty.….…….108
Kết luận chương………………………………………………………...113
KẾT LUẬN………………………………………………………………...114
TÀI LIỆU THAM KHẢO.....………………………………………………115
4


TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Với đề tài “Các giải pháp truyền tải IP trong mạng quang” thì đồ án đã
trình bày một cách tổng quát về hệ thống thông tin quang, công nghệ ghép
kênh theo bước sóng WDM và công nghệ giao thức mạng IP. Đó là những
công nghệ đang trở thành chuẩn phổ biến của nhiều dịch vụ mạng mới. Đồ án
đi sâu tìm hiểu vào một số giải pháp truyền tải IP trong mạng quang. Các cách
thức truyền tải đều có tính khả thi cho tương lai. Bên cạnh đó đề tài còn đề
cập tới việc đánh giá hiệu quả các giải pháp tích hợp IP trong mạng quang và
ứng dụng một số giải pháp trong mạng thế hệ mới NGN của VNPT.
[Abstract]:
With the theme "Solutions IP transmission in optical networks", the
thesis presented an overview of optical information systems, Wavelenght
Division Multiplexing technology and Internet Protocol technology. That
technology is becoming the popular standard for many new network services.
The thesis is going into to analyse some IP transmission solutions in optical
networking. The transmission method is feasible for the future. Besides theme
also refers to the evaluation of effective solutions and applications some
solution on next generation network of VNPT.

5



Hình 3.14. ASON Kiến trúc mảng điều khiển................................................73
6


Hình 3.15. Mô hình xếp chồng của mạng ASON...........................................74
Hình 3.16. Định tuyến hop-by-hop hay thiết lập shortcut...............................79
Hình 3.17. Cấu trúc mào đầu SDL..................................................................80
Hình 3.18. Mô hình overlay và peer................................................................86
Hình 3.19. Sơ đồ khối thiết bị chuyển mạch gói quang..................................91
Hình 3.20. Khe thời gian cho truyền dẫn theo gói tin.....................................92
Hình 3.21. Tái sinh quang luồng dữ liệu mã RZ.............................................93
Hình 3.22. Bộ đệm khi có và không có TWC.................................................95
Hình 4.1. Cấu trúc mạng thế hệ sau của Tổng Công Ty…………………...106
Hình 4.2. Giai đoạn trước năm 2004……………………………………….108
Hình 4.3. Giai đoạn từ năm 2004 đến năm 2005…………………………...109
Hình 4.4. Giai đoạn 2005-2006.……………………………………………111
Hình 4.5. Giai đoạn sau năm 2010…………………………………………112

7


DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 2.1. So sánh giữa hai mô hình xếp chồng và ngang hàng.…………….46
Bảng 3.1. Giá trị của SAPI tương ứng với các dịch vụ lớp trên.…………….58
Bảng 4.1. Các tham số đánh giá……………………………………………..97

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
AAL
ADM

FPA
FR
FWM
HDLC
Host ID
ICMP

IGMP
IGP
IP
IS - IS
ITU
LAN
LCP
LEAF

Asynchronous Regernation
Address Resolution Protocol
Amplified Spontanous
Emission
Asychronous Transfer Mode

Tái sinh cận đồng bộ
Giao thức chuyển đổi địa chỉ
Bức xạ tự phát có khuếch đại

Internet Group Management
Protocol
Internal Gateway Protocol
Internet Protocol

Ghép kênh bước sóng mật độ cao
Multiplex
Digital Cross-Connect
Kết nối chéo số
External Gateway Protocol
Giao thức ngoài cổng
Frame Check Sequence
Chuỗi kiểm tra khung
Forward Error Correction
Sửa lỗi trước
Fabry-Perot Amplifier
Bộ khuếch đại Fabry-Perot
Frame Relay
Trễ khung
Four Wavelength Mix
Hiệu ứng trộn bốn bước sóng
High-level Data Link Control Điều khiển liên kết dữ liệu mức
cao
Host Identification
Phần chỉ thị host
Internet Control Message
Giao thức bản tin điều khiển
Protocol
Internet

Giao thức trong cổng
Giao thức Internet

Mạng địa phương
Giao thức điều khiển liên kết

Chuyển mạch bước sóng đa giao
Switching
thức
MSOH
Multiplex Section OverHead Mào đầu đoạn ghép
MTU
Maximum Transmission Unit Đơn vị truyền dẫn lớn nhất
Net ID
Network Identification
Chỉ thị mạng
NMS
Network Management Station Trạm quản lý mạng
NNI
Network-Network Interface
Giao diện mạng-mạng
OADM
Optical ADM
ADM quang
OAM&P Operation, Administation,
Các chức năng vận hành, quản lý,
Maintaince and Provisioning bảo dưỡng và giám sát
Och
Optical Channel
Kênh quang
OCHP
Optical CHannel Protection
Bảo vệ kênh quang
ODSI
Optical Domain Service
Kết nối dịch vụ miền quang

Plesiochronous Digital
Phân cấp số cận đồng bộ
Hierarche
PIN
Positive Intrinsic Negative
Bộ tách sóng quang loại PIN
POH
Path OverHead
Mào đầu đường truyền
PPP
Point to Point Protocol
Giao thức điểm nối điểm
PSTN
Public Switching Telephone
Mạng chuyển mạch điện thoại
Network
công cộng
10


PVC
QoS
RARP
RIP
RSOH
RSVP
RTCP
RTP
SAPI
SDH

Semiconductor Laser
Amplifier
Sub network Access Point
Self Pulse Modulation
Stimulated Raman Scattering

TE
TLV
UBR
UCP
UDP
UNI
VBR-rt

Switched Vitual Channel
Transmission Control
Protocol
Traffic Engineering
Type Length Value
Unspecified Bit Rate
Unified Control Plane
User Datagram Protocol
User-Network Interface
Variable Bit Rate-real time

VC
VCI
VP
VT
WAN

Mạng diện rộng
Đường bước sóng

11


Chương 1.
HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG VÀ CÔNG NGHỆ GHÉP
KÊNH THEO BƯỚC SÓNG
1.1. Giới thiệu chung về hệ thống thông tin quang
1.1.1. Lịch sử phát triển
Lượng thông tin trao đổi trong các hệ thống thông tin ngày càng tăng lên
một cách nhanh chóng. Bên cạnh số lượng, về lưu lượng truyền thông trên
mạng cũng thay đổi. Dạng lưu lượng chủ yếu là lưu lượng Internet, ngày nay
số lượng người truy cập Internet ngày một tăng cao.Vì vậy các mạng cũ
không đủ dung lượng để cung cấp, đòi hỏi phải có một mạng mới có thể đáp
ứng yêu cầu trao đổi dữ liệu. Kỹ thuật thông tin quang có thể đáp ứng vấn đề
trên. Quá trình phát triển của thông tin quang tương đối lâu dài và nó có thể
được thâu tóm trong các mốc thời gian như sau:
+ Năm 1960 phát minh ra Laser rắn.
+ Năm 1967 sản xuất sợi quang có tiêu hao lớn ở1000 dB/km.
+ Năm 1970 hãng Corming Glass works (Mỹ) sản xuất thành công sợi
quang thạch anh có tiêu hao đạt 20 dB/km tương đương với tiêu hao của cáp
đồng trục. Mở ra khả năng dùng sợi quang làm môi trường truyền dẫn ánh
sáng trở thành hiện thực.
+ Từ năm 1979 đến nay đã sản suất được các loại sợi quang có tiêu hao
thấp đạt 0,2 dB/km.
+ Năm 1978 ra đời hệ thống thông tin quang thương mại thế hệ thứ nhất
làm việc ở bước sóng λ= 0,78 μm, dùng sợi đa mode chiều dài khoảng lặp L =
12 km, tốc độ bit 90 Mb/s.


Bộ chia
quang

Nguồn
phát
quang

Sợi
quang

Bộ tách /ghép
quang
Trạm lặp

Khuếch đại
quang

Tách
sóng
quang

Khôi
phục tín
hiệu

#i#n

Tín hiệu
điện ra

quang phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu chế tạo phần tử phát. Trong vùng 800
đến 900 nm, các nguồn quang thường chế tạo từ hợp kim GaAlAs. Tại vùng
bước sóng 1100 đến 1600 nm, các nguồn quang chế tạo từ hợp kim InGaAsP.
Tín hiệu quang sau khi được điều chế ở phần phát quang sẽ được lan
truyền dọc theo sợi quang. Trong quá trình truyền dẫn, tín hiệu quang có thể
bị suy hao và méo dạng qua các bộ ghép nối, mối hàn sợi do các hiệu ứng

14


tán xạ, hấp thụ và tán sắc. Độ dài truyền dẫn phụ thuộc mức suy hao sợi
quang theo bước sóng. Suy hao của sợi quang là một hàm theo bước sóng.
10

Độ suy hao

8
6
Cửa sổ 1

4

Cửa sổ 2

Cửa sổ 3

2

700


trong vùng bước sóng từ 1100 đến 1600 nm. Vùng bước sóng này chia thành
hai vùng cửa sổ đó là Vùng cửa sổ thứ hai có bước sóng trung tâm là 1300nm
và vùng cửa sổ thứ ba có bước sóng trung tâm là 1550nm. Vùng cửa sổ thứ
hai có bước sóng từ 1280 đến 1340 nm, là vùng cửa sổ quan trọng nhất, có hệ
số suy hao α = 0,5dB/km, hệ số tán sắc nhỏ α TS = 3,5÷5 ps/km.nm.Vùng cử sổ
thứ ba có suy hao nhỏ nhất, tại bước sóng 1550nm, hệ số suy hao α ≈
0,25dB/km. Cùng với sự phát triển của công nghệ chế tạo sợi đơn mode
truyền ở bước sóng 1550 nm có suy hao 0.14dB/km. Nguyên liệu chính để chế
tạo sợi quang là SiO2 , nguyên liệu này rất sẵn và rẻ vì có trong cát thường.

15


Chi phí sản xuất sợi quang phát sinh chủ yếu ở khâu tạo thủy tinh tinh khiết từ
nguyên liệu thô. Việc lắp đặt sợi quang rất đa dạng, có thể treo, đi trong ống
dẫn, thả dưới nước hay chôn trực tiếp dưới đất.
Khi khoảng cách truyền dẫn dài, tín hiệu quang sẽ bị suy giảm nhiều thì
cần phải đặt thêm các trạm lặp quang để khuếch đại tín hiệu và bù lại phần tín
hiệu đã bị suy hao. Trạm lặp bao gồm các thiết bị thu, biến đổi quang điện,
khuếch đại điện và phát lại quang vào đường truyền tiếp theo. Các trạm lặp có
thể được thay thế bằng các bộ khuếch đại quang.
Các bộ tách sóng quang tiếp nhận tín hiệu quang, tách lấy tín hiệu thu
được từ phía phát, biến đổi thành tín hiệu điện. Bộ tách sóng quang phải đáp
ứng được các yêu cầu về đặc tính rất cao do tín hiệu quang thường bị suy
giảm và méo dạng khi tới đầu cuối của sợi cáp quang. Một trong những yêu
cầu hàng đầu là độ nhạy quang. Độ nhạy quang là công suất quang nhỏ nhất
có thể thu được ở một tốc độ truyền dẫn nào đó ứng với tỷ lệ lỗi BER cho
phép. Ngoài ra bộ thu quang phải có tạp âm tối thiểu đối với hệ thống và có
độ rộng băng tần đủ để xác định dữ liệu mong muốn.
Bộ tách sóng quang phải không nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ. Hai

Nhược điểm
+ Do sợi quang nhỏ lại được làm từ thuỷ tinh, thạch anh, vì vậy phải hàn
nối rất phức tạp nên phỉ sử dụng các loại máy nối rất đắt tiền.
+ Do sợi quang không dẫn điện nên việc cấp nguồn cho trạm lặp rất phức
tạp, vì vậy phải sử dụng các loại cáp kim loại để cấp nguồn riêng.
1.2. Công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM
1.2.1. Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng WDM
Đặc điểm nổi bật của hệ thống ghép kênh theo bước sóng quang (WDM)
là tận dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng rộng trong khu vực tổn hao thấp
của sợi quang đơn mode, nâng cao rõ rệt dung lượng truyền dẫn của hệ thống
đồng thời hạ giá thành của kênh dịch vụ xuống mức thấp nhất. Ở đây việc
thực hiện ghép kênh sẽ không có quá trình biến đổi điện nào. Mục tiêu của
ghép kênh quang là nhằm để tăng dung lượng truyền dẫn. Ngoài ý nghĩa đó
17


việc ghép kênh quang còn tạo ra khả năng xây dựng các tuyến thông tin
quang có tốc độ rất cao. Khi tốc độ đường truyền đạt tới một mức độ nào đó
người ta đã thấy được những hạn chế của các mạch điện trong việc nâng cao
tốc độ truyền dẫn. Khi tốc độ đạt tới hàng trăm Gbit/s, bản thân các mạch điện
tử sẽ không thể đảm bảo đáp ứng được xung tín hiệu cực kỳ hẹp, thêm vào đó
là chi phí cho các giải pháp trở nên tốn kém và cơ cấu hoạt động quá phức tạp
đòi hỏi công nghệ rất cao. Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng ra đời đã
khắc phục được những hạn chế trên.
Hệ thống WDM dựa trên cơ sở tiềm năng băng tần của sợi quang để
mang đi nhiều bước sóng ánh sáng khác nhau, điều thiết yếu là việc truyền
đồng thời nhiều bước sóng cùng một lúc này không gây nhiễu lẫn nhau. Mỗi
bước sóng đại diện cho một kênh quang trong sợi quang. Công nghệ WDM
phát triển theo xu hướng mà sự riêng rẽ bước sóng của kênh cụ thể là một
phần rất nhỏ của 1 nm hay 10 -9 m, điều này dẫn đến các hệ thống ghép kênh

kªnh

M¸y ph¸t
quang
M¸y thu
quang

Bé
khuÕch
®¹i sîi
quang

λ1

M¸y ph¸t
quang

λn

Bé t¸ch
kªnh

λ1, λ2 .......
O

Bé t¸ch
kªnh

M¸y thu
quang


n

λn
λ1, λ2 ....... λn

Hình 1.3. Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên hai sợi quang
b) Truyền dẫn hai chiều trên một sợi:
Hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên một sợi thể hiện như Hình1.4.
1
M¸y ph¸t
quang

n

1

n

M¸y ph¸t
quang

λ1

1

M¸y thu
quang

n


λn+1, λn+2 ....... λ2n
M¸y thu
quang

M¸y thu
quang

1

n

Hình 1.4. Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên cùng một sợi quang
Ở hướng đi, các kênh quang tương ứng với các bước sóng λ1, λ2, ..., λn
qua bộ ghép/tách kênh được tổ hợp lại với nhau truyền dẫn trên một sợi. Cũng
19


sợi quang đó, ở hướng về các bước sóng λn+1, λn+2,..., λ2n được truyền dẫn theo
chiều ngược lại. Nói cách khác ta dùng các bước sóng tách rời để thông tin
hai chiều (song công).
Hệ thống WDM hai chiều trên hai sợi được ứng dụng và phát triển tương
đối rộng rãi. Hệ thống WDM hai chiều trên một sợi thì yêu cầu phát triển và
ứng dụng cao hơn, đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cực kỳ nghiêm ngặt. Ở phía phát,
các thiết bị ghép kênh phải có suy hao nhỏ từ mỗi nguồn quang tới đầu ra của
bộ ghép kênh. Ở phía thu, các bộ tách sóng quang phải nhạy với dải rộng của
các bước sóng quang. Khi thực hiện tách kênh cần phải cách ly kênh quang
thật tốt với các bước sóng khác bằng cách thiết kế các bộ tách kênh thật chính
xác, các bộ lọc quang nếu được sử dụng phải có bước sóng cắt chính xác, dải
làm việc ổn định.

dùng để khuếch đại trực 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 tai, 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:
+ Bộ khuếch đại công suất(BA): là thiết bị có công suất bão hòa lớn,
dùng để tăng mức công suất tín hiệu phát.
+ Bộ khuếch đại đường truyền(LA): sử dụng trong đường truyền để tăng
chiều dài khoảng lặp.
+ Bộ tiền khuếch đại(PA): sử dụng trước máy thu để tăng độ nhạy máy
thu.
Bộ chuyển đổi bước sóng
Chức 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 sòng bị thay đổi. Đây là phần tử quan trọng của
hệ thống WDM vì nó cho phép tái sử dụng bước sóng của hệ thống. Hoạt
21


động của bộ chuyển đổi bước sóng yêu cầu các thông số vật lý như thời gian
thiết lập nhanh, tỉ số SNR lớn, mức công suất đầu vào ổn định….
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


λ1

1

1

λ1, λ2….,λM

λ1, λ2….,λM
λ2

2

λ1, λ2….,λM

2

λ1, λ2….,λM

λM

N

Added

N

Dropped


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.
Có 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 thông WDM chỉ dùng 2
loại chuyển mạch là chuyển mạch phân chia theo không gian và chuyển mạch
phân chia theo bước sóng.
* Chuyển mạch quang phân chia theo không gian
Là loại chuyển mạch cơ bản. Nó có thể chia thành hai loại là loại sợi
quang và loại không gian tự do. Trong đó loại sợi quang là phổ biến. Cấu trúc
của loại này là 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

24


Hình 1.6. Chuyển mạch quang không gian
Nhược điểm: khi chuyển mạch với dung lượng lớn, số lượng các giao
điểm quang tăng lên nhanh và cần một số lượng lớn các sợi quang cho đầu
vào và đầu ra.
* Chuyển mạch quang phân chia theo bước sóng
Bộ tách kênh bước sóng

Bộ ghép kênh bước sóng

λ1
WC