Tài liệu Thiết kế mạng quang trong suốt sử dụng giải thuật tô mầu cạnh tổng quát

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -----o0o----- LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC THIẾT KẾ MẠNG QUANG TRONG SUỐT SỬ DỤNG GIẢI THUẬT TÔ MẦU CẠNH TỔNG QUÁT NGÀNH : ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG MÃ SỐ : NGÔ HỮU HẬU Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN XUÂN DŨNG Hà Nội 10/2005 Mở đầu MỞ ĐẦU Trong thế kỷ 21 nhu cầu thông tin, liên lạc của con người là vô cùng lớn với sự ra đời của ngày càng nhiều các loại hình dịch vụ gia tăng trên nền mạng viễn thông. Đứng trước những thách thức mạng viễn thông thế hệ cũ đã phần nào bộc lộ tính yếu kém, kồng kềnh cũng như thiếu hụt trầm trọng băng thông. Do vậy, theo quy luật tất yếu mạng thế hệ sau phải ra đời nhằm khoả lấp các lỗ hổng do mạng thế hệ cũ để lại. Gần đây trên thế giới cũng như ở Việt Nam đã xây dựng mạng thế hệ sau NGN phần nào đã đáp ứng được nhu cầu trước mắt trong mạng viễn thông đó là tích hợp nhiều mạng đang tồn tại vào một mạng lõi duy nhất. Tuy nhiên các mạng này vẫn gặp phải vấn đề về sự tắc nghẽn giữa giao diện quang-điện cho nên vẫn hạn chế trong việc sử dụng tài nguyên vô cùng lớn của sợi quang. Chính vì thế mạng tương lại sẽ là sự hội tụ tới mạng toàn quang AON (không cần phải chuyển qua mức điện trung gian để xử lý). Khi chúng ta tiến hành thiết kế một mạng toàn quang thì luôn phải quan tâm tới 3 vấn đề: Thứ nhất là vấn đề kích thước mạng (dimensioning), liên quan tới việc thiết kế topo vật lý mạng. Thứ hai là vấn đề định tuyến (routing), liên quan tới việc thiết lập các Lightpath trong topo vật lý. Thứ 3 là vấn đề gán bước sóng (assigning wavelength), liên quan tới việc gán các bước sóng khác nhau lên tập Lightpath đã thiết lập. Đồ án tốt nghiệp cao học ii Ngô Hữu Hậu Mở đầu Các nhà nghiên cứu gần đây đã tập trung nhiều công sức vào việc tìm ra một thuật toán tối ưu nhằm giải quyết được 2 vấn đề định tuyến và gán bước sóng RWA (Routing and Wavelength Assignment). Vấn đề đầu có thể được giải quyết thông qua các công cụ đã phát triển cho mạng SONET/SDH đã có. Đồ án này tập trung vào việc phân tích các giải pháp RWA đã được nghiên cứu cho nhiều topo mạng đồng thời cũng đưa ra giải thuật gán bước sóng theo phương pháp tô mầu cạnh tổng quát. Đồ án cũng chỉ ra với trường hợp đặc biệt mạng có tất cả các LP với nhiều nhất 2 link trên một LP đồng thời số sợi ở tất cả các link là chẵn thì mạng sẽ không cần sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng. Đồ án được tổ chức làm 6 chương Chương 1: Giới thiệu mạng thông tin quang. Mục đích của chương này là nhằm đánh giá sự yếu kém của mạng thế hệ cũ và các phân tích để thấy nhu cầu hội tụ đến mạng IP/ quang. Chương 2: Các thành phần cấu thành mạng toàn quang. Chương này phân tích các thành phần cần thiết để cấu thành nên một mạng AON như bộ phát/ thu quang, bộ khuếch đại EDFA, OXC, OADM v.v… Chương 3: Định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM. Chương này tập trung vào phân tích vấn đề RWA ở 2 mô hình lưu lượng tĩnh (static) và động (dynamic) để thấy rõ tầm quan trọng của RWA trong việc thiết kế một mạng thông tin toàn quang. Chương 4: Các giải pháp RWA. Chương này tập trung vào phân tích các giải pháp RWA cho 4 topo cụ thể là Ring, Tree, Mesh và Multicast. Chương 5: Thiết kế mạng toàn quang và giải thuật tô mầu cạnh tổng quát. Chương này trình bày về phương pháp thiết kế một mạng toàn quang nhằm giải quyết vấn đề DR (Dimensioning and Routing), thiết lập tập các LP thoả mãn mọi nhu cầu thông tin, và giải quyết vấn đề WA (Wavelength Đồ án tốt nghiệp cao học iii Ngô Hữu Hậu Mở đầu Assignment), sử dụng giải thuật tô mầu cạnh tổng quát để gán bước sóng cho tập các LP đã thiết lập sao cho số lượng bộ chuyển đổi bước sóng WC (Wavelength Converter) sử dụng trong mạng là tối thiểu. Kết luận: Đánh giá lại toàn bộ đồ án và đưa ra phương hướng nghiên cứu kế tiếp trong tương lai. Nhân đây cho phép em gửi lời cảm ơn sâu sắc tới T.S Nguyễn Xuân Dũng người đã giúp đỡ em định hướng và phương pháp nghiên cứu khoa học trong suốt quá trình thực hiện đồ án. Đồng thời cũng cho em gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô trong khoa Điện Tử - Viễn Thông Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã cung cấp cho em những kiến thức quý báu trong suốt 2 năm nghiên cứu tại trường. Hà Nội, tháng 10 năm 2005 Học viên Ngô Hữu Hậu Đồ án tốt nghiệp cao học iv Ngô Hữu Hậu Mục lục MỤC LỤC MỞ ĐẦU .............................................................................................................................. II MỤC LỤC ........................................................................................................................... V DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................. VIII DANH SÁCH HÌNH VẼ ................................................................................................. XII DANH SÁCH CÁC BẢNG ............................................................................................XIV CHƯƠNG 1...................................................................................................... 1 GIỚI THIỆU MẠNG THÔNG TIN QUANG .............................................. 1 Quá trình hội tụ mạng .................................................................................2 1.1. 1.1.1. Thách thức đối với mạng hiện nay .................................................................. 2 1.1.2. Xu hướng hội tụ ................................................................................................. 3 1.2. Kiến trúc mạng tương lai ............................................................................7 1.3. Kết luận .......................................................................................................10 CHƯƠNG 2.................................................................................................... 11 CÁC THÀNH PHẦN CẤU THÀNH MẠNG TOÀN QUANG ................ 11 2.1. Hệ thống DWDM........................................................................................12 2.2. Các thành phần cấu thành mạng DWDM ...............................................13 2.2.1. Sợi quang.......................................................................................................... 14 2.2.2. Thiết bị phát quang ......................................................................................... 15 2.2.3. Thiết bị thu quang và bộ lọc ........................................................................... 17 2.2.4. Khuếch đại quang ........................................................................................... 18 2.2.4.1. Khuếch đại laser bán dẫn ......................................................................... 19 2.2.4.2. Khuếch đại EDFA .................................................................................... 19 2.2.4.3. Ưu nhược điểm của bộ khuếch đại EDFA ............................................... 19 2.3. Bộ ghép tách kênh DWDM........................................................................20 2.4. Bộ ghép kênh xen/rẽ quang (OADM) .......................................................22 2.5. Chuyển đổi bước sóng ................................................................................22 Đồ án tốt nghiệp cao học v Ngô Hữu Hậu Mục lục Bộ đấu chéo quang .....................................................................................27 2.6. CHƯƠNG 3.................................................................................................... 29 ĐỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƯỚC SÓNG TRONG MẠNG WDM ............ 29 3.1. Định tuyến và gán bước sóng tĩnh ............................................................30 3.2. Định tuyến và gán bước sóng động ...........................................................33 3.3. Kết luận .......................................................................................................38 CHƯƠNG 4.................................................................................................... 39 CÁC GIẢI PHÁP RWA CHO NHIỀU TOPO MẠNG ............................. 39 RWA cho mạng WDM Ring......................................................................39 4.1. 4.1.1. Đặt vấn đề ........................................................................................................ 40 4.1.2. Chiến lược định tuyến ..................................................................................... 42 4.1.3. Chiến lược tô mầu ........................................................................................... 43 4.1.3.1. Chiến lược gán bước sóng Spiral ............................................................. 43 4.1.3.2. Chiến lược gán bước sóng link-based ...................................................... 45 RWA trên các mạng Tree toàn quang......................................................46 4.2. 4.2.1. Đặt vấn đề ........................................................................................................ 47 4.2.2. Thuật toán Online-WA ................................................................................... 48 4.2.2.1. Mạng Star ................................................................................................. 48 4.2.2.2. Mạng cây bất kỳ....................................................................................... 52 RWA cho mạng Mesh ................................................................................58 4.3. 4.3.1. Thuật toán WCA (Wavelength Converter Aware) ...................................... 59 4.3.1.1. Mục đích .................................................................................................. 59 4.3.1.2. Các giả thiết ............................................................................................. 59 4.3.1.3. Mô hình hệ thống ..................................................................................... 59 4.3.1.4. Phương án tổng thể .................................................................................. 60 4.3.2. Giải pháp .......................................................................................................... 60 4.3.2.1. Thực hiện định tuyến nguồn đích ............................................................ 60 4.3.2.2. Gán bước sóng ......................................................................................... 63 4.3.2.3. Hạn chế của các giải thuật ....................................................................... 64 4.3.2.4. Kết quả đạt được ...................................................................................... 65 4.4. 4.4.1. Multicast & Broadcast RWA ....................................................................66 Vấn đề Multicast tối ưu .................................................................................. 66 Đồ án tốt nghiệp cao học vi Ngô Hữu Hậu Mục lục 4.4.2. Gán bước sóng tối ưu ...................................................................................... 69 4.4.3. Định tuyến Multicast....................................................................................... 70 4.4.3.1. 4.5. Thuật toán định tuyến multicast MR1 ..................................................... 70 Kết luận .......................................................................................................75 CHƯƠNG 5.................................................................................................... 76 THIẾT KẾ MẠNG TOÀN QUANG VÀ THUẬT TOÁN TÔ MẦU CẠNH TỔNG QUÁT .................................................................................... 76 5.1. Thiết kế topo ảo (Virtual Topology) .........................................................76 5.2. Đặt vấn đề ...................................................................................................79 5.2.1. Mô hình lưu lượng và mạng ........................................................................... 79 5.2.2. Mô tả vấn đề .................................................................................................... 79 5.2.3. Hàm đối tượng ................................................................................................. 82 5.3. Tích hợp điều khiển topo và dự đoán lưu lượng với Virtual Neighbor Graph 82 5.3.1. Virtual Neighbor Graph (VNG) .................................................................... 82 5.3.2. Tích hợp thiết kế topo và dự đoán lưu lượng ............................................... 84 5.4. Vấn đề path ngắn nhất với ràng buộc giao diện......................................88 5.4.1. Vấn đề path ngắn nhất với ràng buộc giao diện........................................... 88 5.4.2. Thuật toán Minimum Weight Perfect Matching.......................................... 89 5.5. Gán bước sóng trong mạng WDM đa sợi với giải thuật tô mầu cạnh tổng quát ..................................................................................................................92 5.5.1. Đặt vấn đề ........................................................................................................ 92 5.5.2. LP với nhiều nhất 2 link ................................................................................. 95 5.5.3. Gán bước sóng tổng quát .............................................................................. 101 5.5.4. So sánh các lý thuyết ..................................................................................... 102 5.5.5. Tính toán thực tế định lý 14 ......................................................................... 111 5.6. Kết luận .....................................................................................................114 KẾT LUẬN .................................................................................................. 115 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 117 Đồ án tốt nghiệp cao học vii Ngô Hữu Hậu Danh sách các từ viết tắt DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt 1R Regeneration Lặp tái sinh ADM Add/Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen/ rẽ AON All Optical Network Mạng toàn quang ATM Asynchronous Transfer Mode Phương thức truyền không đồng bộ BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit BGP Boder Gateway Protocol Giao thức định tuyến liên mạng CE Customer Equipment Thiết bị mạng phía khách hàng DCGs Directed Coloring Graphs Đồ thị mầu trực tiếp DEMUX Demultiplexer Bộ phân kênh DFG Difference Frequency Tạo tần số khác nhau Generation DLE Thiết lập đường quang động Dynamic Lightpath Establishment DRWA DWDM EDFA Dynamic Routing and Định tuyến và gán bước sóng Wavelength Assignment động Dense Wavelength Division Ghép kênh theo bước sóng với Multiplexing số lượng bước sóng ghép lớn Rare-Earth-Doped-Fiber Khuếch đại sợi có trộn chất Amplifier hiếm Đồ án tốt nghiệp cao học viii Ngô Hữu Hậu Danh sách các từ viết tắt EIGRP Enhanced Interior Gateway Giao thức định tuyến EIGRP Routing Protoclo FFWF First Fit Wavelength First Thuật toán lựa bước sóng đầu tiên FWM Four Wavelength Modulation Bộ trộn bốn bước sóng FXC Fiber Switch Cross-Connect Nối chéo chuyển mạch sợi GMPLS Generation MPLS MPLS thế hệ sau IGP Interior Gateway Protocol Giao thức định tuyến trong một mạng ILP Integer Linear Programming Phương trình tuyến tính nguyên IP Internet Protocol Giao thức internet IS-IS Intermediate System-to- Giao thức định tuyến IS-IS Intermediate System dùng Least Converter Cost First Thuật toán lựa bộ chuyển đổi có LCC chi phí thấp nhất LEC Least Converter First Thuật toán lựa bước sóng ít dùng nhất đầu tiên LFIB Label Forwarding Information Cơ sở dữ liệu thông tin nhãn sẽ Base gán LIB Label Information Base Cơ sở dữ liệu thông tin nhãn LN Low-Noise Amplifier Bộ khuếch đại nhiễu thấp LP Lightpath Đường quang MCWAP Minimum Converter Vấn đề gán bước sóng tối thiểu Wavelength Assignment bộ chuyển đổi bước sóng Problem MILP Mixed Integer Linear Đồ án tốt nghiệp cao học Phương trình tuyến tính nguyên ix Ngô Hữu Hậu Danh sách các từ viết tắt Programming hỗn hợp MIP Mixed Integer Programming Phương trình nguyên hỗn hợp MPLS MultiProtocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức MUX Multiplexer Bộ ghép kênh NGN Next Generation Network Mạng thế hệ sau O/E Optic/Electro Quang/ điên OADM Optical Add/Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen/ rẽ quang OC Optical Circuit Mạch quang O-E-O Optic-Electro-Optic Chuyển đổi quang-điện-quang OND Optical Network Design Thiết kế mạng quang OSPF Open Shortest Path First Giao thức định tuyến OSPF OTN Optical Transport Network Mạng truyền dẫn quang OXC Optical Cross-Connect Bộ đấu chéo quang P Provider Thiết bị nằm trong mạng của nhà cung cấp dịch vụ P2P Point-to-Point Kết nối điểm-điểm PE Provider Edge Thiết bị nằm tại biên mạng của nhà cung cấp dịch vụ PXCs Photonic cross-connects Các bộ đấu chéo quang RIP Routing Information Protocol Giao thức thông tin định tuyến RWA Routing and Wavelength Định tuyến và gán bước sóng Assignment SLE Static Lightpath Establishment Thiết lập LP tĩnh SONET Synchronous Optical Network Mạng quang đồng bộ TE Traffic Engineering Điều khiển lưu lượng VC Virtual Circuit Mạch ảo Đồ án tốt nghiệp cao học x Ngô Hữu Hậu Danh sách các từ viết tắt VNG Virtual Neighbor Graph Đồ thị lân cận ảo VoD Voice-on-Demand Voice theo yêu cầu VP Virtual Path Đường ảo WAP Wavelength Assignment Vấn đề gán bước sóng Problem WC Wavelength Converter Bộ chuyển đổi bước sóng WCA Wavelength Converter Aware Thuật toán thiết lập LP WDM Wavelength Division Ghép kênh theo bước sóng Multiplexing WG Wavelength Graph Đồ thị bước sóng WIXC Wavelength Interchanging Bộ đấu chéo trao đổi bước sóng Cross-Connect WRS WSXC Wavelength Routing Chuyển mạch định tuyến bước Switching sóng Wavelength Selective Cross- Bộ đấu chéo lựa chọn bước Connect sóng Đồ án tốt nghiệp cao học xi Ngô Hữu Hậu Danh sách hình vẽ DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1. 1 Mô hình Traffic Engineering trong mạng IP truyền thống............... 5 Hình 1. 2 Mô hình hoạt động của MPLS .......................................................... 5 Hình 1. 3 Mạng hội tụ IP/ quang ...................................................................... 7 Hình 1. 4 Xu hướng tích hợp các lớp giao thức IP/ quang ............................... 7 Hình 1. 5 Mô hình mạng quang thế hệ sau ....................................................... 9 Hình 2. 1 Tuyến truyền dẫn quang điểm nối điểm (point-to-point) ................ 13 Hình 2. 2 Hệ thống DWDM............................................................................. 16 Hình 2. 3 Hệ thống thu quang ......................................................................... 17 Hình 2. 4 Sơ đồ ghép/tách kênh đơn hướng .................................................... 21 Hình 2. 5 Sơ đồ ghép/tách kênh song hướng .................................................. 21 Hình 2. 6 Bộ ghép kênh xen/rẽ quang ............................................................. 22 Hình 2. 7 Node 2 thực hiện chuyển đổi bước sóng từ λ2 sang λ1 .................. 23 Hình 2. 8 Các mức chuyển đổi bước sóng ...................................................... 24 Hình 3. 1 Mạng WDM được định tuyến bước sóng ........................................ 31 Hình 4. 1 Ví dụ DCG (Directed Coloring Graph) với N =4 và W = 8........... 45 Hình 4. 2 Ma trận lưu lượng ........................................................................... 48 Hình 4. 3 Topo mạng hình sao với 3 node lá và một node trung tâm ............ 48 Hình 4. 4 Đồ thị chia đôi lưu lượng ................................................................ 50 Hình 4. 5 Định nghĩa node tắc nghẽn v* ........................................................ 53 Hình 4. 6 Node tắc nghẽn v* và top-level subtrees......................................... 54 Hình 4. 7 Đồ thị chia đôi top-level subtree ..................................................... 56 Hình 4. 8 Các phù hợp chia đôi của các bước sóng đặc biệt ......................... 57 Hình 4. 9 Đồ thị mạng gốc .............................................................................. 61 Hình 4. 10 Đồ thị bổ trợ .................................................................................. 61 Hình 4. 11 Định tuyến multicast .................................................................... 73 Hình 5. 1 Ví dụ một mạng quang đơn giản .................................................... 83 Đồ án tốt nghiệp cao học xii Ngô Hữu Hậu Danh sách hình vẽ Hình 5. 2 Hình 5. 3 Hình 5. 4 Hình 5. 5 Hình 5. 6 Hình 5. 7 Hình 5. 8 Hình 5. 9 Virtual Neighbor Graph ................................................................. 84 Mạng quang (t 48 , t 25 , t 34 ) ................................................................. 86 Virtual Neighbor Graph (t 48 , t 25 , t 34 ) ............................................... 86 Mạng quang (t 48 , t 25 , t 34 , t18 ) ............................................................. 87 Virtual Neighbor Graph (t 48 , t 25 , t 34 , t18 ) .......................................... 87 Vấn đề path ngắn nhất với ràng buộc giao diện ............................ 88 Thuật toán Perfect Matching ......................................................... 90 Kết quả mạng quang trong một f-edge-coloring với 2 thành phần 96 3 Λ ..................................... 99 2 Hình 5. 11 Trường hợp gán bước sóng với 2 = Y (W2 ) > Y * (W2 ) = 0 ( Λ = 3) 105 Hình 5. 10 Mạng Star cho trường hợp Ω f (G ) = Hình 5. 12 Trường hợp gán bước sóng với 3 = Y * (W ) > ∑n∈N Γ f (Wn ) = 2 ..... 110 Đồ án tốt nghiệp cao học xiii Ngô Hữu Hậu Danh sách các bảng DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 5. 1 Kết quả các trường hợp gán bước sóng cho các giải pháp yêu cầu bộ chuyển đổi bước sóng ............................................................................... 113 Đồ án tốt nghiệp cao học xiv Ngô Hữu Hậu Giới thiệu mạng thông tin quang CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU MẠNG THÔNG TIN QUANG Khi khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển thì nhu cầu thông tin càng trở nên cấp bách. Nếu như vào những năm 80 của thế kỷ trước nhu cầu của chúng ta thuần tuý chỉ là thoại thì ngày nay nẩy sinh rất nhiều các dịch vụ mới như: Video theo yêu cầu (Video on Demand), truyền hình hội nghị (Video Conferencing), nhắn tin đa dịch vụ, thoại có hình, truyền số liệu tốc độ cao, internet v.v…và chính những yếu tố này đã là một thách thức đối với hệ thống mạng đang tồn tại. Chính vì lẽ đó mà đã có rất nhiều cải tiến mạng nhằm thoả mãn nhu cầu thông tin ngày càng tăng của con người. Rất nhiều các giao thức mạng, các mô hình mạng ra đời nhằm đáp ứng được tối đa nhu cầu sử dụng mạng của con người. Bước đột phá mang tính bước ngoặt đối với mạng viễn thông đó là sự ra đời của cáp sợi quang. Với ưu điểm là có thể mang được dung lượng vô cùng lớn (lên tới 100 Tbps), suy hao thấp, công suất nhỏ, cáp sợi quang đã phá vỡ các phương pháp truyền dẫn thông thường. Nó cho phép chúng ta có thể phát triển nhiều loại hình dịch vụ khác nhau yêu cầu băng thông lớn. Khi công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Division Multiplexing) và đặc biệt sau này là DWDM (Dense WDM) ra đời thì dung lượng truyền dẫn trên một sợi cáp quang đơn mode là vô cùng lớn và trong tương lai gần chúng ta khó có thể khai thác hết được tài nguyên này. Một vấn đề được đặt ra đó là dung lượng truyền dẫn trên cáp quang đơn mode là rất lớn nhưng khả năng xử lý tại các điểm đầu cuối hay tại các điểm Đồ án tốt nghiệp cao học 1 Ngô Hữu Hậu Giới thiệu mạng thông tin quang lặp lại chỉ có khả năng xử lý ở tốc độ điện (thấp hơn rất nhiều so với tốc độ ánh sáng). Chính vì lẽ đó đã gây ra hiện tượng tắc nghẽn giữa quang và điện (optical-electronic butlleneck ). Để giải quyết được vấn đề này thì chúng ta phải giải quyết được vấn đề tắc nghẽn trên. Một trong những phương pháp được đề cập trong đồ án này đó là kỹ thuật định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM. Khi mà mạng không phải thực hiện chuyển sang miền điện để xử lý mà được xử lý trực tiếp trong miền quang thì lúc đó mạng sẽ được đối xử như một mạng toàn quang AON (All Optical Network). 1.1. Quá trình hội tụ mạng 1.1.1. Thách thức đối với mạng hiện nay Mạng viễn thông ngày nay đã sử dụng công nghệ sợi quang (tuy nhiên chủ yếu chỉ khai thác khả năng truyền dẫn khổng lồ của sợi quang), các thiết bị điện-quang và những thiết bị này sẽ là nhân tố phát triển mạng trong tương lai. Tuy nhiên các mạng hiện nay phải đối mặt với nhiều thách thức (có thể được chia làm 3 nhóm chính dưới đây):  Khả năng mở rộng: Công suất tiêu hao lớn, không gian sử dụng lớn, dung lượng mạng bị giới hạn.  Tận dụng tài nguyên: Chi phí hoạt động, nâng cấp băng thông rất đắt.  Thời gian thu hồi đầu tư: Thời gian này thường lâu và không tương xứng với chi phí ban đầu. Việc tiếp tục mở rộng thông tin dữ liệu trong các năm trước là một động lực cho sự phát triển công nghiệp viễn thông mới. Các dịch vụ, ứng dụng mới dựa trên nền IP, di động, quang. Nhìn chung xu hướng thị trường mạng viễn thông như sau:  Tuỳ theo nhu cầu băng thông mà tiếp tục nâng cao năng lực đáp ứng của hệ thống mạng. Đồ án tốt nghiệp cao học 2 Ngô Hữu Hậu Giới thiệu mạng thông tin quang  Tập trung vào quy luật kinh doanh và lợi nhuận.  Hội tụ các dịch vụ và tính sẵn sàng của chúng trên một cơ sở cần thiết.  Mạng băng rộng như một dịch vụ Internet thế hệ sau.  Mạng sẽ hội tụ tới IP và quang. 1.1.2. Xu hướng hội tụ Như đã phân tích ở trên có thể thấy rằng lưu lượng trên mạng viễn thông ngày càng tăng trưởng với tốc độ nhanh (đặt biệt là lưu lượng internet). Chính vì lẽ đó các mạng đơn lẻ sẽ không thể theo kịp sự tăng trưởng của lưu lượng. Nếu cứ tiếp tục mở rộng các hệ thống mạng đơn lẻ thì sẽ làm cho hệ thống mạng viễn thông trở nên hết sức kồng kềnh, khó thao tác, khó bảo dưỡng v.v…Do đó việc ra đời một hệ thống mạng cho phép tích hợp các mạng dịch vụ đang tồn tại lại với nhau là một vấn đề cấp thiết. Mạng viễn thông thế hệ sau sẽ cần một lõi chuyển mạch tốc độ cao, dung lượng lớn, khả năng mở rộng dễ dàng, khả năng kết hợp được với nhiều loại hình dịch vụ cùng với hệ thống các mạng truy cập thông minh hỗ trợ các dịch vụ băng rộng. Có 2 xu hướng, thứ nhất là loại bỏ toàn bộ các hệ thống mạng phục vụ cho từng ứng dụng cụ thể và thay vào đó là một mạng mới hiện đại, đảm bảo dung lượng, tương thích hỗ trợ mọi loại dịch vụ đang tồn tại và có khả năng mở rộng trong tương lai. Thứ hai là tích hợp các mạng đang tồn tại lại với nhau để hội tụ chúng tới một mạng truyền dẫn duy nhất. Phương án thứ 2 được chấp nhận vì hiệu quả trong việc chi phí cũng như là đơn giản trong việc triển khai. Tuy nhiên một vấn đề đặt ra là các mạng khác nhau sử dụng các giao thức định tuyến khác nhau như RIP, OSPF, EIGRP v.v…do đó khi các gói tin từ các mạng chuyển đổi cho nhau sẽ phải thực hiện chuyển đổi giao thức tại router biên. Điều này làm cho các router biên trở nên quá tải và không có khả năng xử lý. Chính vì thể để có thể hội tụ các mạng đang tồn tại vào Đồ án tốt nghiệp cao học 3 Ngô Hữu Hậu Giới thiệu mạng thông tin quang một mạng lõi duy nhất thì cần phải sử dụng một giao thức mới nhằm mục đích giảm tải cho các router biên. Nếu thực hiện được điều đó thì mạng viễn thông thế hệ kế tiếp sẽ được gọi là NGN (Next Generation Network). Đây là một mạng lõi cho phép truyền tải nhiều loại ứng dụng yêu cầu băng thông cao như (VoD, Video Conferencing, Internet băng rộng v.v…). Một ưu điểm lớn của mạng NGN đó là các mạng đang tồn tại không cần phải rỡ bỏ mà chỉ cần qua router biên (Edge router) thực hiện chức năng chuyển đổi từ mạng cũ vào mạng NGN. Khi đã có đươc mạng NGN thì một yêu cầu đặt ra là làm thế nào để có thể truyền tải lưu lượng trong mạng NGN. Nếu chung ta tiếp tục sử dụng các giao thức trong mạng IP truyền thống (như RIP, OSPF, IS-IS, BGP v.v…) thì router biên phải chạy rất nhiều giao thức định tuyến (do mỗi mạng chạy một giao thưc định tuyến riêng). Điều này sẽ làm cho các router biên và router lõi (Core router) phải mang quá nhiều route (giảm hiệu suất của router). Với phương pháp định tuyến truyền thống như trên thì mỗi router sẽ phải thực hiện tìm kiếm đường đi cho gói tin (routing lookup) độc lập. Điều này sẽ dẫn đến khi lưu lượng truyền dẫn lớn (hay mạng mở rộng) thì mỗi router sẽ phải chứa một lượng route vô cùng lớn (cỡ trên 100000 route). Đồng thời với việc sử dụng định tuyến IP truyền thống thì việc điều khiển lưu luợng (Traffic Engineering) không được đảm bảo (nghĩa là router chỉ tìm đường tốt nhất trong khi còn nhiều đường khác có thể san sẻ tải lại không được sử dụng). Đồ án tốt nghiệp cao học 4 Ngô Hữu Hậu Giới thiệu mạng thông tin quang Hình 1. 1 Mô hình Traffic Engineering trong mạng IP truyền thống Ví dụ như Hình 1.1, lưu lượng từ Large Site A tới Large Site B chỉ được chạy qua đường Primary OC-192 link, còn đường qua Small Site C chỉ được dùng làm đường dự phòng (backup). Điều này sẽ dẫn tới việc lãng phí tài nguyên trong mạng. Mong muốn của chúng ta là mạng phải đủ thông minh để chạy cả 2 đường nhằm mục đích cân bằng tải (load balancing) tránh lãng phí tài nguyên mạng. Chính vì lẽ đó mà phương thức chuyển mạch mới ra đời, chuyển mạch nhãn đa giao thức (Multiprotocol Label Switching – MPLS) được sử dụng chủ yếu trong mạng core NGN phần nào đã đáp ứng được các yêu cầu của các hệ thống mạng ngày nay. Hình 1. 2 Mô hình hoạt động của MPLS Đồ án tốt nghiệp cao học 5 Ngô Hữu Hậu Giới thiệu mạng thông tin quang Với việc mạng lõi (core) chạy MPLS thì các router trong lõi (Provider Network) không cần phải thực hiện tìm đường độc lập (routing lookup) nữa mà chỉ cần thực hiện tráo nhãn (label swapping). Cơ chế hoạt động của MPLS như sau: Đầu tiên các router trong mạng chạy một giao thức định tuyến IP (Internal Gateway Protocol – IGP) để thiết lập các mạch ảo VC (Virtual Circuit) trong mạng. Từ đó mỗi router xây dựng lên cho mình bảng định tuyến IP. Sau đó mỗi router sẽ gán nhãn cục bộ (local label) cho mọi đích trong bảng định tuyến IP tới mọi router khác. Các router khác sẽ cập nhật các nhãn này và đưa thông tin vào bảng LIB (Label Information Base) trong mặt phẳng điều khiển (Control Plane) và LFIB (Label Forwarding Information Base) trong mặt phẳng dữ liệu (Data Plane). Như vậy khi một gói tin từ mạng IP truyền thống (Customer Equipment – CE) đến miền MPLS (tới Provider Edge – PE). Tại đây các PE sẽ tiến hành tìm đường đi cho gói tin (routing lookup) và từ đó gắn nhãn cho route đã lựa. Gói tin đã được gắn nhãn được truyền vào trong mạng lõi MPLS. Các router Provider (P) sẽ tìm kiếm trong bảng LFIB để biết được nên tráo nhãn đầu vào cho nhãn đầu ra nào (label swapping). Gói tin đã gắn nhãn tiếp tục như vậy cho tới khi đến router biên đầu ra (Egress Router). Tại đây PE đầu ra sẽ thực hiện bỏ nhãn và tìm kiếm đường đi cho gói tin (routing lookup) trong bảng định tuyến để đẩy gói tin IP truyền thông về mạng của khách hàng. Như vậy MPLS đã khắc phục được nhiều nhược điểm của mạng IP truyền thống. Tuy nhiên về bản chất vẫn là các định tuyến và chuyển mạch điện do đó tốc độ cũng như dung lượng không cao. Mạng quang thế hệ sau sẽ là sự kết hợp giữa khả năng định tuyến IP trong miền quang (IP-over-Optical). Trong mặt phẳng điều khiển sẽ sử dụng Đồ án tốt nghiệp cao học 6 Ngô Hữu Hậu