BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------------

ĐỖ SINH TRƯỜNG

Ketnooi.com
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH: XỬ LÝ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

XỬ LÝ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG

IP TRÊN WDM

ĐỖ SINH TRƯỜNG

2006-2008
HÀ NỘI 2008
Hà Nội
2008


1

LỜI NÓI ĐẦU
Trong một vài năm gần đây đã có sự bùng nổ về lưu lượng IP do sự phát triển
của các ứng dụng đa phương tiện như HDTV, điện thoại Internet, âm thanh số…Điều
này dẫn đến có nhiều nghiên cứu về các kỹ thuật phân chia trong truyền dẫn tốc độ cao
cũng như các công nghệ chuyển mạch, trong đó WDM đã nổi lên như là một công nghệ

chuyển mạch chùm quang OBS. Ngoài ra luận văn cũng đề cập đến phương pháp nâng
cao hiệu năng QoS bằng cách chèn thêm các sợi trễ quang FDL.
Bố cục của luận văn bao gồm 5 chương, chia thành hai phần chính. Phần thứ
nhất bao gồm ba chương đầu nói về các kiến thức tổng quan về hệ thống mạng quang
sử dụng công nghệ WDM. Chương 1 nói về mạng WDM và các thành phần cơ bản.
Chương 2 đề cập đến các kỹ thuật chuyển mạch quang, đặc biệt là hệ thống chuyển
mạch chùm quang và các giao thức hỗ trợ QoS. Chương 3 đề cập đến vấn đề tích hợp
IP trên hệ thống mạng WDM và giao thức chuyển mạch nhãn đa giao thức sử dụng
trong mạng này. Phần thứ hai bao gồm hai chương cuối. Chương 4 nói về các vấn đề
về QoS trong mạng IP/WDM và các giải thuật lập lịch kênh trong chuyển mạch chùm
quang OBS. Chương cuối cùng sẽ xây dựng một mô phỏng hệ thống mạng WDM và
đánh giá các kết quả thu được trên hệ thống mô phỏng này.

Hà Nội, tháng 11 năm 2008
Học viên
ĐỖ SINH TRƯỜNG


3

THUT NG VIT TT
ABR

Aggressive Burst Rescheduling: Tỏi lp lch chựm quang linh hot

ADM

Add/Drop Multiplexer: Bộ ghép kênh xen/rẽ

APD


DCG

Dispersion Compensating Grating: Cách tử bù tán sắc

DSF

Dispersion-shifted Singlemode

DWDM

Density Wavelengh Division Multiplexer: Ghép kênh theo bớc sóng mật
độ cao

DXC

Digital Cross-connect: Bộ đấu nối chéo

EDFA

Erbium Doped Fiber Amplifier: Bộ khuếch đại quang sợi

FDL

Fiber Delay Line: ng tr quang

FFUC

First Fit Unscheduled Channel: Kờnh cha lp lch phự hp u tiờn


4

LIB

Label Information Base: Cơ sở thông tin nhãn

LSP

Label-Switched Path: Đường chuyển mạch nhãn

LSR

Label Switched IP Router: bộ định tuyến IP chuyển mạch nhãn

MPLS

Multi-Protocol Label Switching: Chuyển mạch nhãn đa giao thức

OADM

Optical Add/Drop Multiplexer: Bé xen/rÏ b−íc sãng quang

OBS

Optical Burst Switching: Chuyển mạch chùm quang

OC

Optical Channel: Kªnh quang


Single Mode Fiber: Sợi quang đơn mốt

SNR

Signal to Noise Ratio: TØ sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m

SOA

Semiconductor Optical Amplifier: Khuếch đại quang bán dẫn

SONET

Synchronous Optical NETwork: M¹ng quang ®ång bé

TAW

Tell And Wait: Báo và chờ

TDM

Time Division Multiplexing: GhÐp kªnh theo thêi gian

WDM

Wavelengh Division Multiplexer: GhÐp kªnh ph©n chia theo b−íc sang

WIXC

Wavelength Interchanging Cross Connect: Chuyển mạch trao đổi bước
sóng

Hình 4.1 Thời gian trễ cho dịch vụ được bảo đảm [2]
Hình 4.2 Kiến trúc nút lõi (core node) trong mạng OBS [24]
Hình 4.3 Mối quan hệ giữa thời gian đến của BHPi và DBi[24]
Hình 4.4 Minh họa của thuật toán LAUC [2]
Hình 4.5 Mô tả thuật toán LAUC-VF [2]


6

Hình 4.6 Ví dụ về phương pháp tái lập lịch [21]
Hình 4.7 Ví dụ về tái lập lịch đa mức [21]
Hình 4.8 Ví dụ về lập lịch đa mức [21]
Hình 4.9 Không lập lịch theo phương pháp LAUC, LACU-VF và ODBR [21]
Hình 4.10 Ví dụ về thuật toán ABR [21]
Hình 4.11 Cấu trúc nút chuyển mạch quang [25]
Hình 4.12 Cấu trúc bộ đệm FDL[25]
Hình 4.13 Phân tách lớp trong đặt trước tài nguyên[25]
Hình 4.14 Sự khác biệt giữa FDL và hàng đợi [25]
Hình 5.1 Kiến trúc OWns và các tầng
Hình 5.2 Các thành phần của OWns
Hình 5.3 Ví dụ mô phỏng mạng với 25 nút
Hình 5.4 Mối quan hệ giữa xác suất bị chặn và hệ số chuyển đổi bước sóng
Hình 5.5 Mối quan hệ giữa hệ số chuyển đổi bước sóng và trễ trung bình gói tin
Hình 5.6 Mối quan hệ giữa số hop trung bình và hệ số chuyển đổi bước sóng
Hình 5.7 Mối quan hệ giữa độ hiệu dụng của liên kết với hê số chuyển đổi bước sóng
Hình 5.8 Mối quan hệ giữa xác suất bị chặn và tải lưu lượng
Hình 5.9 Mối quan hệ giữa tải lưu lượng và trễ trung bình gói tin
Hình 5.10 Mối quan hệ giữa lưu lượng tải và số hop trung bình
Hình 5.11 Mối tương quan giữa tải lưu lượng và độ hiệu dụng liên kết
Bảng 5.1 Xác suất bị chặn


8

Công nghệ WDM được áp dụng đầu tiên vào đầu những năm 80’s sử dụng 2
bước sóng cách nhau khá xa trong vùng 1310nm và 1550nm (hoặc 850nm hoặc
1310nm) và được gọi là WDM băng rộng. Vào đầu những năm 90’s, bắt đầu xuất hiện
công nghệ WDM thế hệ thứ 2, còn gọi là WDM băng hẹp, sử dụng từ 2 đến 8 kênh.
Các kênh này thuộc cửa sổ 1550nm và cách nhau khoảng 400GHz. Đến giữa những
năm 90’s, các hệ thống WDM mật độ cao (DWDM) được phát triển với 16 đến 40
kênh và khoảng cách mỗi kênh từ 100 đến 200 GHz. Cho đến cuối thập kỷ 90, các hệ
thống DWDM đã sử dụng tới 64 đến 160 kênh với khoảng cách mỗi kênh là 50 thậm
chí 25 GHz. [11]
1.2 NGUYÊN LÝ GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG
1.2.1 Định nghĩa
Ghép kênh theo bước sóng (WDM) là công nghệ truyền dẫn đồng thời nhiều
bước sóng tín hiệu quang trong một sợi quang. Ở đầu phát, các tín hiệu quang có bước
sóng khác nhau được tổ hợp lại (ghép kênh) để truyền đi trên một sợi quang. Ở đầu thu,
tín hiệu tổ hợp đó được phân giải (tách kênh) khôi phục lại thành các tín hiệu gốc và
đưa đến các thiết bị đầu cuối khác nhau đến đích mong muốn.

Hình 1.2 Sơ đồ chức năng hệ thống WDM [1]
Như minh họa trong hình 1.2, hệ thống WDM bao gồm các các chức năng thành phần
như sau:


9

-

Phát tín hiệu: Hệ thống WDM sử dụng nguồn tín hiệu Laser. Yêu cầu đối với


1.2.2 Phân loại hệ thống WDM
Hệ thống WDM về cơ bản chia làm 2 loại: hệ thống đơn hướng và song hướng
như minh hoạ trên hình 1.3. Hệ thống đơn hướng chỉ truyền theo một chiều trên sợi
quang. Do vậy, để truyền thông tin giữa 2 điểm cần 2 sợi quang. Hệ thống WDM song
hướng, ngược lại, truyền hai chiều trên một sợi quang nên chỉ cần một sợi quang để có
thể trao đổi thông tin giữa 2 điểm.


10

Cả hai hệ thống đều có những ưu nhược điểm riêng. Giả sử rằng cơng nghệ hiện tại chỉ
cho phép truyền N bước sóng trên một sợi quang, so sánh hai hệ thống ta thấy:
•

Xét về dung lượng, hệ thống đơn hướng có khả năng cung cấp dung lượng cao
gấp đơi so với hệ thống song hướng. Ngược lại, số sợi quang cần dùng gấp đơi
so với hệ thống song hướng.

•

Khi sự cố đứt cáp xảy ra, hệ thống song hướng khơng cần đến cơ chế chuyển
mạch bảo vệ tự động APS (Automatic Protection Switching) vì cả hai đầu của
liên kết đều có khả năng nhận biết sự cố ngay lập tức.

•

Về khía cạnh thiết kế mạng, hệ thống song hướng khó thiết kế hơn vì còn phải
xét thêm các yếu tố như: vấn đề xun nhiễu do có nhiều bước sóng hơn trên
một sợi quang, đảm bảo định tuyến và phân bố bước sóng sao cho hai chiều

quang) ngoài việc thuê sợi hoặc cáp. Việc nâng cấp chỉ đơn giản là gắn thêm các
Card mới trong khi hệ thống vẫn hoạt động (plug-n-play).


12

- Quản lý băng tần hiệu quả và thiết lập lại cấu hình một cách mềm dẻo và linh
hoạt: Việc định tuyến và phân bổ bước sóng trong mạng WDM cho phép quản lý
hiệu quả băng tần truyền dẫn và thiết lập lại cấu hình dịch vụ mạng trong chu kỳ
sống của hệ thống mà không cần thi công lại cáp hoặc thiết kế lại mạng hiện tại.
- Giảm chi phí đầu tư mới.
Bên cạnh những ưu điểm trên WDM cũng bộc lộ một số mặt hạn chế nằm ở ngay bản
thân công nghệ. Đây cũng chính là những thách thức cho công nghệ này:
- Dung lượng hệ thống vẫn còn quá nhỏ bé so với băng tần sợi quang: Công nghệ
WDM ngày nay rất hiệu quả trong việc nâng cao dung lượng nhưng nó cũng chưa
khai thác triệt để băng tần rộng lớn của sợi quang. Cho dù công nghệ còn phát
triển những dung lượng WDM cũng sẽ đạt đến giá trị tới hạn.
- Chi phí cho khai thác tăng do có nhiều hệ thống cùng hoạt động hơn. Tuy nhiên,
chi phí cho bảo dưỡng hệ thống WDM vẫn nhỏ hơn rất nhiều nếu so sánh với hệ
thống TDM có dung lượng tương đương.
1.3 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG WDM
1.3.1. Nguồn phát
a. Yêu cầu đối với nguồn phát
- Độ rộng phổ hẹp và phổ vạch: Nhìn chung, hệ thống WDM cũng sử dụng các
nguồn phát giống như đối với hệ thống truyền dẫn đơn kênh cự ly dài. Tuy nhiên
trong trường hợp này chúng ta sử dụng loại Laser DFB hoặc DBR có duy nhất
một vạch phổ trong dải phổ của nó. Độ rộng phổ tuỳ thuộc vào số lượng kênh
trong hệ thống và dung sai của các phần tử.
- Độ ổn định bước sóng phát: Trong hệ thống WDM cần giảm thiểu sự thay đổi
bước sóng nguồn phát trong suốt thời gian hoạt động để tránh được những ảnh


Bước sóng danh định: Bước sóng danh định sử dụng cho bộ lọc, được qui định
từ nhà sản xuất. Bước sóng trung tâm thực tế thường là khác bước sóng này

-

Suy hao xen: Suy hao xen là lượng tổn hao công suất trên tuyến truyền dẫn
quang do sự xuất hiện của các bộ ghép bước sóng.

-

Xuyên kênh: Xuyên kênh là sự xuyên nhiễu tín hiệu từ kênh này sang kênh khác,
nói cách khác là sự xuất hiện của tín hiệu kênh này trong kênh lân cận. Sự
xuyên kênh này làm tăng nền nhiễu của kênh tín hiệu dẫn đến giảm tỷ số S/N.

-

Độ rộng phổ của kênh: Độ rộng phổ của kênh là dải bước sóng dành cho mỗi
kênh. Độ rộng phổ này phải đủ lớn để đảm bảo ngăn chặn được nhiễu giữa các


14

kênh, do đó nó được xác định tuỳ theo từng loại nguồn quang.
1.3.3 Sợi quang
a. Sợi SMF (theo ITU G.652)
Sử dụng loại sợi SMF cho phép đạt tới cự ly xấp xỉ 1000 km tại tốc độ STM-16
mà không cần sử dụng các bộ bù tán sắc. Tuy nhiên với tốc độ STM-64 nếu sử dụng
loại sợi này thì chỉ đạt được khoảng cách khoảng 60 km nếu không sử dụng bù tán sắc.
Cũng vì tán sắc lớn tại vùng bước sóng 1550 nm nên hiệu ứng FWM không xảy

- Tốc độ hoạt động
- Tích độ tăng ích và băng tần
- Nhiễu
1.3.5 Khuếch đại quang
Khuếch đại quang được sử dụng trọng các hệ thống truyền dẫn để tăng khoảng
cách trạm lặp hay tăng cự ly truyền dẫn. Khuếch đại trong các hệ thống WDM đóng
vai trò đặc biệt quan trọng. Do có nhiều kênh quang cùng hoạt động nên các yêu cầu về
đặc tính khuếch đại của hệ thống WDM nghiêm ngặt hơn nhiều so với hệ thống đơn
kênh. Có nhiều kiểu khuếch đại nhưng cho đến nay người ta chủ yếu tập trung vào hai
loại sau: khuếch đại quang bán dẫn (SOA) và khuếch đại quang sợi (AFA). Tuy nhiên,
các phẩm chất của SOA trong cửa sổ sóng 1550 nm kém hơn AFA ở nhiều khía cạnh
như: độ khuếch đại, công suất bão hoà và mức độ phụ thuộc phân cực nên trong các
ứng dụng ngày nay khuếch đại quang sợi đã trở thành độc tôn. Công nghệ khuếch đại
quang sợi đã gặt hái được rất nhiều thành công và đến nay nó được đánh giá là công
nghệ trụ cột trong tương lai của mạng quang.


16

1.4 MẠNG WDM
1.4.1. Một số thành phần chính trong mạng WDM
1.4.1.1.Thiết bị OADM
Trên thực tế, đôi khi người ta cần thực hiện việc tách hoặc/và ghép một số kênh
xác định nào đó trong luồng tín hiệu. Để thực hiện nhiệm vụ này phải cần đến một loại
thiết bị chuyên dụng, đó là thiết bị xen/rẽ kênh hay gọi ngắn gọn là thiết bị xen/rẽ. [10]
Thiết bị xen/rẽ kênh quang (OADM) thực hiện chức năng thêm vào và tách ra
một kênh tín hiệu từ tín hiệu WDM mà không gây ra nhiễu với những kênh khác trong
sợi. Theo thời gian chức năng xen/rẽ kênh quang của OADM đã dần hoàn thiện và linh
hoạt hơn.



- Sắp xếp hiệu quả bước sóng để tận dụng tốt hơn cơ sở hạ tầng đã có.
- Phát triển từ từ các dịch vụ 10Gbit/s đến 40Gbit/s, đem lại một chi phí thấp cho
mạng
- Bảo vệ và khôi phục mạng ở mức bước sóng.
- Định tuyến và liên kết ở mức bước sóng.
Hiện nay, có thể phân thiết bị OXC thành hai loại chính: OXC dựa trên ma trận
chuyển mạch điện (lõi điện) và OXC dựa trên ma trận chuyển mạch quang (lõi quang).
Trước đây do công nghệ quang chưa chế tạo được chuyển mạch quang không gian lớn
nên nhiều nhà sản xuất thiết bị hướng đến sử dụng ma trận điện trong các thiết bị đấu
nối chéo quang của mình. Chính vì vậy mà phần lớn thiết bị được quảng cáo ngày nay
của một số hãng lớn như Ciena, Cisco Network, Sycamore được phát triển trên nền này.
Tín hiệu quang tới và ra khỏi OXC phải qua giao diện O/E, tốc độ xử lý cơ sở trong
kiểu OXC này thường là 2,5Gbit/s. [32]
Tuy nhiên khi nối chéo những tốc độ lớn như 10 hoặc 40Gbit/s thì các bị OXC
này sẽ bộc lộ những nhược điểm về công nghệ của mình như xuyên kênh lớn, kích
thước chuyển mạch nhỏ (
được độ bằng phẳng khuếch đại tối ưu từ các bộ khuếch đại ta phải sắp xếp các
kênh càng gần nhau càng tốt. Dĩ nhiên điều này sẽ cho chúng ta có được nhiều kênh
hơn (nếu cần) và vì vậy dung lượng cũng cao hơn.Tuy nhiên, những tác động của
FWM lại không cho phép các kênh có khoảng cách quá gần nhau.
- Độ chính xác và giá thành phần tử quang: Nói chung, các phần tử quang càng chính
xác và ổn định thì chúng càng có giá thành đắt. Độ rộng phổ nguồn laser càng hẹp
và tín hiệu của nó càng ổn định thì nó càng có giá thành cao hơn. Những đánh giá
tương tự cũng được xét cho các cách tử, bộ lọc, và phần lớn các thiết bị khác. Đây
là yếu tố quan trọng để quyết định độ rộng dải thông và khoảng cách kênh.
- Kiểm soát tán sắc: ý nghĩa cơ bản của việc kiểm soát tán sắc là giảm nhỏ dải thông
tín hiệu và sử dụng một số phương pháp bù tán sắc. Việc sử dụng sợi DSF tại bước
sóng tán sắc 0 (zero) là không thể được do vấn đề FWM. Có thể giảm nhỏ dải thông
tín hiệu nhưng dải thông lại bị giãn rộng ra do chúng tự điều chế và nếu ta giảm dải
thông tín hiệu xuống thấp hơn 80 MHz thì lại xuất hiện những hạn chế do các hiệu
ứng SBS. Trong các hệ thống có cự ly dưới 100km tại tốc độ 2,4 Gbit/s trở lên sẽ
cần đến một số phương thức quản lý tán sắc và bù tán sắc.
- Công suất tín hiệu (cho mỗi kênh): Một trong các yếu tố để đánh giá hệ thống là nhu
cầu làm tăng khoảng cách giữa các bộ khuếch đại. Chi phí cho các bộ khuếch đại


21

không phải là vấn đề chính. Chi phí cho việc lắp đặt và bảo dưỡng chúng tại các
trạm dọc theo tuyến cáp cao hơn khá nhiều so với chi phí cho các bộ khuếch đại. Vì
vậy cần phải tăng tối đa công suất cho mỗi kênh. Tuy nhiên có nhiều yếu tố ảnh
hưởng làm hạn chế lượng công suất có thể được sử dụng:
• Công suất cực đại có ở các bộ phát. Đây thực ra là công suất đầu ra lớn nhất
của một EDFA đặt tại bộ phát. Cho tới gần đây nó vẫn đạt khoảng 200 mW
nhưng cùng với sự phát triển của các bộ khuếch đại EDFA nhiều tầng, thì
giới hạn công suất đạt được ngày nay là 10 W.

nhiều kết nối quang. Để có thể đáp ứng các yêu cầu của quang tuyến trong mạng
WDM định tuyến theo bước sóng, chúng ta sẽ đề cập đến vấn đề chọn đường và chọn
bước sóng. Nếu như cho ta một tập các kết nối, việc lựa chọn tuyến và gán bước sóng
cho từng kết nối được gọi là vấn đề định tuyến và gán bước sóng (RWA)[15].
Thông thường, các yêu cầu kết nối có thể được chia thành ba loại: tĩnh, tăng dần
và động. Với trường hợp lưu lượng tĩnh, tất cả các kết nối giữa hai đầu được biết trước,
và việc xử lý chỉ là thiết lập quang tuyến cho các kết nối này theo một mô hình chung
với yêu cầu là tối thiểu hóa các tài nguyên, ví dụ như số bước sóng sử dụng cho kết nối.
Một sự lựa chọn khác là có thể thiết lập càng nhiều kết nối càng tốt với một số lượng
bước sóng cố định trên một đường quang (giả thiết là tất cả các sợi quang đều có cùng
số lượng bước sóng). Vấn đề RWA của lưu lượng tĩnh là thiết lập quang tuyến tĩnh
(Static Lightpath Establish). Trong trường hợp lưu lượng tăng dần với số lượng yêu
cầu kết nối đến một cách tuần tự, một quang tuyến sẽ được thiết lập cho mỗi kết nối và
nó sẽ được duy trì trong mạng không hạn định. Đối với lưu lượng động, một quang
tuyến được thiết lập cho mỗi kết nối khi có yêu cầu đến và chúng sẽ được giải phóng
sau một khoảng thời gian nhất định. Vấn đề RWA trong trường hợp này là thiết lập
quang tuyến động (DLE- Dynamic Lightpath Establish), bao gồm thiết lập quang tuyến


23

và gán bước sóng cho chúng với xác suất bị chặn là nhỏ nhất, hoặc hoặc số lượng kết
nối là lớn nhất[18].
Vấn đề RWA thường được chia làm hai vấn đề con như sau:
-

Lựa chọn tuyến

-



24

Phương pháp này có xác suất chặn kết nối thấp hơn hai phương pháp trên nhưng
việc tính toán phức tạp hơn[34].
2.1.2 Gán bước sóng
Gán bước sóng là lựa chọn một bước sóng trong danh sách các bước sóng có thể
dùng được cho một tuyến nhằm tối đa hóa hiệu quả của bước sóng đó. Có một số mô
hình cho phương pháp này như sau:
-

Gán bước sóng một cách ngẫu nhiên (Random Wavelength Assignment).
Phương pháp này sẽ lựa chọn một cách ngẫu nhiên một bước sóng trong số các
bước sóng có thể sử dụng để gán cho tuyến.

-

Phù hợp đầu tiên (First-Fit): Trong trường hợp này, tất cả các bước sóng sẽ
được đánh số và nó sẽ lựa chọn bước sóng khả dụng đầu tiên theo thứ tự.

-

Ít sử dụng nhất (Least-used): Phương pháp này nhằm cân bằng tải cho tất cả các
bước sóng. Tuy nhiên phương pháp này không được sử dụng nhiều trong thực tế
bởi vì hiệu quả của nó được đánh giá thậm chí còn thấp hơn phương pháp gán
ngẫu nhiên.

-

Sử dụng nhiều nhất (Most-used)Phương pháp này sẽ lựa chọn bước sóng được