Chất lượng dịch vụ trong mạng ip trên wdm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

--------------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGÀNH: XỬ LÝ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG

IP TRÊN WDM

ĐỖ SINH TRƯỜNG

HÀ NỘI 2008

ĐỖ SINH TRƯỜNG X

Ử LÝ THÔNG TIN VÀ TRUY

ỀN THÔNG 2006-2008

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

truyền dẫn mạng lõi đường trục Internet thế hệ sau với khả năng hỗ trợ đồng thời nhiều

kênh tốc độ cao trên một sợi cáp quang. Một trong những vấn đề nảy sinh khi thực hiện

kỹ thuật này đó là làm thế nào để hỗ trợ chất lượng dịch vụ (QoS) trong mạng IP trên

WDM. Lý do là bởi vì hiện tại IP cung cấp dịch vụ không kết nối, truyền dẫn không tin

cậy và phân phối gói tin đáp ứng tốt nhất nhưng các ứng dụng thời gian thực hiện nay

lại có yêu cầu về QoS rất cao. Chất lượng dịch vụ đối với IP thường được đánh giá dựa

vào các tiêu chí về tỷ lệ mất gói tin (được tính bằng số gói tin bị mất trên tổng số gói

tin được truyền trên mạng), độ trễ gói tin (được tính là khoảng thời gian cần để truyền

gói tin từ nguồn đến đích so với giá trị thời gian trung bình của các gói tin cùng nguồn

/đích).

Trong mạng IP trên WDM, có ba phương pháp chuyển mạch được ứng dụng là

chuyển mạch định tuyến bước sóng (WR), chuyển mạch gói quang (OPS) và chuyển

mạch chùm quang (OBS) và mỗi phương pháp đều có các ưu nhược điểm khác nhau.

Tuy nhiên trong khuân khổ luận văn này chúng ta sẽ tập trung tìm hiểu chính về QoS

của mạng IP trên WDM sử dụng công nghệ chuyển mạch chùm quang .

Hiện nay, các mô hình QoS đều dựa trên chuyển mạch gói và qui định việc sử

dụng bộ đệm để phân tách các lớp lưu lượng khác nhau được gọi là mô hình dựa trên

bộ đệm (buffer-based). Thuật toán lập lịch trong mô hình này thường có độ phức tạp

cao. Ngoài ra nó rất khó có thể áp dụng vào các mạng WDM với nguyên nhân chính là

bởi sự truyền dẫn của lưu lượng trong các phương pháp này dựa trên mô hình lưu-và￾chuyển tiếp và sử dụng bộ đệm để tránh xung đột. Do bộ đệm quang chưa phát triển

2

nên bộ đệm điện tử được sử dụng trong các chuyển mạch quang cùng với các bộ

chuyển đổi quang-điện. Mặc dù có các đường trễ quang (FDL) được sử dụng để thay

thế các bộ chuyển đổi này nhưng thực tế nó chưa đáp ứng được đầy đủ các khả năng

theo các yêu cầu chất lượng dịch vụ cơ bản.

Mục đích của luận văn này là tìm hiểu về các mô hình QoS và các thuật toán có

thể áp dụng cho mạng IP trên WDM, đặc biệt là với mạng WDM sử dụng 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

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

ABR Aggressive Burst Rescheduling: Tái lập lịch chùm quang linh hoạt

ADM Add/Drop Multiplexer: Bé ghÐp kªnh xen/rÏ

APD Avalanche Photo Diode: §ièt quang th¸c APD

APS Automatic Protection Switching: ChuyÓn m¹ch b¶o vÖ tù ®éng

ATM Ansynchronous Transfer Mode: KiÓu chuyÒn dÉn kh«ng ®ång bé

AWG Array Wave Grating: C¸ch tö AWG

BER Bit Error Ratio: TØ lÖ lçi bit

BPH Burst Header Packet: Gói mào đầu chùm quang

CB Control Burst: Chùm quang điều khiển

DB Data Burst: Chùm quang dữ liệu

DCG Dispersion Compensating Grating: C¸ch tö bï t¸n s¾c

DSF Dispersion-shifted Singlemode

DWDM Density Wavelengh Division Multiplexer: GhÐp kªnh theo b−íc sãng mËt

®é cao

DXC Digital Cross-connect: Bé ®Êu nèi chÐo

EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier: Bé khuÕch ®¹i quang sîi

FDL Fiber Delay Line: Đường trễ quang

FFUC First Fit Unscheduled Channel: Kênh chưa lập lịch phù hợp đầu tiên

FXC Fiber Cross-Connect: đấu chéo sợi quang

IP Internet Protocol: Giao thøc Internet

ISDN Intergrated Service Digital Network: Mang sè ®a dÞch vô

JET Just Enough Time

JIT Just In Time

LAUC Latest Available Unscheduled Channel: Kênh chưa lập lịch khả dụng

cuối cùng

LER Label Edge IP Router: bộ định tuyến biên IP nhãn

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

ODBR On-Demand burst rescheduling: Tái lập lịch chùm quang theo yêu cầu

ODM Optical Demultiplexer: Bé t¸ch b−íc sãng quang

OPS Optical Packet Switching: Chuyển mạch gói quang

OSN Optical Swiching Node: Nút chuyển mạch quang

OXC Optical Cross-connect: Bé ®Êu nèi chÐo quang

SCU Switching Control Unit: Đơn vị điều khiển chuyển mạch

SDH Synchronous Digital Hierarchy: Ph©n cÊp sè ®ång bé

SMF 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

WSXC Wavelength Selective Cross Connect: Chuyển mạch lựa chọn bước sóng

5

DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU

Hình 1.1. Vùng bước sóng [11]

Hình 1.2 Sơ đồ chức năng hệ thống WDM [1]

Hình 1.3 Hệ thống ghép kênh theo bước sóng song hướng và đơn hướng [1]

Hình 1.4 Bộ xen/rẽ kênh quang (OADM) [10]

Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống OXC 3×3 với hai bước sóng trên mỗi sợi quang [32]

Hình 1.6 Một số dạng OXC [32]

Hình 2.1 Chuyển mạch gói quang[23]

Hình 2.2 Mô hình chuyển mạch chùm quang (OBS)[23]

Hình 2.3 OPS và OBS [12]

Hình 2.4 Giao thức JET [27]

Hình 3.1 Mô hình mạng quang [36]

Hình 3.2 Mối quan hệ giữa các bộ định tuyến IP và OXC trong mặt phẳng điều

khiển[36]

Hình 3.3 Mô hình dịch vụ [36]

Hình 3.4 Các mô hình vận chuyển IP trên WDM [36]

Hình 3.5: Tương tác giữa lớp quang và các lớp trên [36]

Hình 3.6 Tương tác giữa mạng MPLS và MPLambdaS[36]

Hình 3.7 Mô hình mạng IP/MPLS/MPLambdaS định tuyến theo bước sóng[23]

Hình 3.8 Truyền dẫn trục chính IP/ OBS WDM dùng MPLS[35]

Hình 3.9 Mô hình chức năng tại OXC hỗ trợ OBS và MPLS[35]

Hình 3.10 Giao diện MAC giữa IP và các lớp OBS WDM[35]

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

Bảng 5.2 Trễ trung bình gói tin

Bảng 5.3 Số hop trung bình

Bảng 5.4 Mối quan hệ giữa độ hiệu dụng của liên kết với hê số chuyển đổi bước sóng

Bảng 5.5 Xác suất bị chặn và tải lưu lượng

Bảng 5.6 Trễ trung bình gói tin và tải lưu lượng biến đổi

Bảng 5.8 Mối tương quan giữa tải lưu lượng và độ hiệu dụng liên kết

7

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ MẠNG QUANG GHÉP KÊNH THEO

BƯỚC SÓNG (WDM)

1.1. SỰ PHÁT TRIỂN CỦA TRUYỀN DẪN SỢI QUANG

Truyền dẫn sợi quang bắt đầu được áp dụng từ thế kỷ 19 và cơ bản đã đáp ứng

được nhu cầu truyền dẫn các dịch vụ hiện tại. Các hệ thống truyền dẫn sợi quang với

các ưu điểm về dung lượng truyền tải, băng thông, cự ly truyền dẫn lớn, tỷ lệ lỗi thấp,

tránh được giao thoa điện trường, khả năng bảo mật... đã ngày càng được nghiên cứu

phát triển và ứng dụng rộng rãi.

Trong truyền dẫn quang, người ta có xu hướng sử dụng những vùng phổ quang

nhất định, ở đó suy hao quang được tính toán là thấp nhất. Những vùng này, thường

được gọi là cửa sổ, nằm giữa các khu vực có độ hấp thụ ánh sáng cao. Ban đầu, hệ

thống thông tin quang hoạt động ở cửa sổ thứ nhất, khu vực bước sóng xấp xỉ 850nm

trước khi người ta nhận ra rằng ở cửa số thứ 2 (băng S), khu vực bước sóng 1310nm,

có hệ số suy hao thấp hơn và thấp hơn nữa ở khu vực cửa sổ thứ 3 bước sóng 1550nm

(băng C). Ngày nay, cửa sổ thứ tư (băng L) bước sóng 1625nm vẫn đang được nghiên

cứu để ứng dụng. Bốn cửa sổ đã trình bày được minh hoạ như trên hình 1.1.

Hình 1.1. Vùng bước sóng [11]

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

nguồn phát laser là phải có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ra ổn định, mức

công suất phát đỉnh, độ rộng phổ, bước sóng trung tâm phải nằm trong giới hạn

cho phép.

- Ghép/Tách tín hiệu: Ghép tín hiệu là sự kết hợp một số bước sóng ánh sang

khác nhau thành một tín hiệu tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang. Tách tín

hiệu là phân tách luồng tín hiệu tổng hợp đó thành các bước sóng tín hiệu riêng

rẽ tại mỗi cổng đầu ra của bộ tách. Khi nói đến các bộ tách/ghép tín hiệu, ta phải

xét đến các tham số như khoảng cách giữa các kênh, độ rộng băng tần của các

kênh bước sóng, bước sóng trung tâm của kênh, mức xuyên âm của các kênh,

suy hao…

- Truyền dẫn tín hiệu: Quá trình truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang chịu sự ảnh

hưởng của nhiều yếu tố: suy hao quang, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến, các vấn

đề về khuếch đại tín hiệu…

- Khuếch đại tín hiệu: Được sử dụng trong các hệ thống truyền dẫn có khoảng

cách xa nhằm đảm bảo chất lượng tín hiệu ở nơi nhận. Có ba chế độ khuếch đại

tín hiệu: khuếch đại công suất, khuếch đại đường và tiền khuếch đại.

- Thu tín hiệu: Thu tín hiệu trong các hệ thống WDM cũng sử dụng các bộ tách

sóng quang như các hệ thống thông tin quang thông thường: PIN, APD.

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 công 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 đôi so với hệ thống song hướng. Ngược lại, số sợi quang cần dùng gấp đôi

so với hệ thống song hướng.

• Khi sự cố đứt cáp xảy ra, hệ thống song hướng không 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 xuyên nhiễu do có nhiều bước sóng hơn trên

một sợi quang, đảm bảo định tuyến và phân bố bước sóng sao cho hai chiều

trên sợi quang không dùng chung một bước sóng…

Hình 1.3- Heä thoáng gheùp keânh theo böôùc soùng song höôùng vaø ñôn höôùng.[1]