Bảo vệ trong mạng truyền tải quang WDM

CHƯƠNG II BẢO VỆ TRONG MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG WDM 2.1 Sự cần thiết phải bảo vệ ở tầng quang Họat động bình thường của một mạng truyền tải quang trong thực tế không những ảnh hưởng bởi những yếu tố khách quan như độ tin cậy, tuổi thọ của thiết bị mà còn chịu tác động của các yếu tố môi trường, khí hậu, thời tiết, các nhân tố chủ quan do con người gây ra. Tác động của các yếu tố trên gây ra sự cố hỏng thiết bị, đứt cáp dẫn đến sự ngừng hoạt động của các kênh truyền tải thông tin gây thiệt hại cho cả người sử dụng và người cung cấp dịch vụ. Vấn đề đặt ra là cần phải thiết lập chức năng duy trì hoạt động của mạng trước các sự cố bằng cách áp dụng các kỹ thuật bảo vệ hoặc phục hồi mạng. Đối với mạng truyền tải quang sử dụng công nghệ SDH, các giải pháp kỹ thuật bảo vệ và phục hồi đã được áp dụng tương đối hiệu quả theo các đề xuất và khuyến nghị của ITU-T [6]. Nhưng thời gian hồi phục lại lâu, vào khoảng từ 60 tới 100ms. Trong khi đó thì các kỹ thuật bảo vệ ở tầng quang WDM có khả năng hồi phục mạng chỉ mất tối đa 50ms. Tuy nhiên, trong hiện tai và tương lai, nhu cầu lưu lượng lớn đòi hỏi cần phải cung cấp một môi trường truyền dẫn dung lượng lớn, mà công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM là một trong những giải pháp được lựa chọn. Do vậy, việc xây dựng chức năng phục hồi mạng WDM ở tầng quang là vấn đề sống còn cần phải giải quyết khi xây dựng mạng WDM nhằm duy trì hoạt động liên tục của mạng. Theo G.872 ITU-T, lớp quang được chia thành 3 lớp con: lớp kênh quang (OCh-Optical Channel), lớp đoạn ghép kênh quang (OMS – Optical Multiplex Section) và lớp đoạn truyền dẫn quang (OTS – Optical Tranmission Section). Bảo vệ có thể được thực hiện tại lớp OMS hoặc lớp OCh hoặc phối hợp trên cả hai lớp. Bảo vệ OMS và bảo vệ OCh có thể theo phương thức riêng hoặc chung. Trong bảo vệ riêng, mỗi kênh làm việc được truyền trên hai tuyến khác nhau và kênh có chất lượng tốt nhất sẽ được lựa chọn tại đầu thu, do vậy một nửa của dung lượng truyền dẫn trong mạng sẽ luôn được ấn định là dung lượng dự phòng dành cho bảo vệ (tức là dung lượng bảo vệ bằng 100% dung lượng làm việc). Trái lại, trong bảo vệ chung, tài nguyên bảo vệ có thể được sử dụng để phục hồi nhiều kênh làm việc khác nhau, tuỳ thuộc vào sự cố. Bảo vệ chung cho phép sử dụng dung lượng mạng tốt hơn bảo vệ riêng (lượng dung lượng dự phòng yêu cầu phụ thuộc nhiều vào topo mạng và vào sự phân bổ lưu lượng giữa các node). Hiện nay, bảo vệ riêng OMS chủ yếu được triển khai trong các hệ thống thông tin quang WDM điểm - điểm, còn bảo vệ OCh được sử dụng cả trong các hệ thống điểm - điểm và các ring OADM (Optical Add Drop Multiplexer). Trong tương lai gần, các ring bảo vệ chung OMS sẽ có thể được triển khai. Bảo vệ OCh có thể được triển khai với hai cách: bảo vệ kết nối mạng con (SNCP) hoặc bảo vệ luồng. Sự khác nhau cơ bản là trong bảo vệ luồng OCh kết cuối của luồng OCh cũng được bảo vệ vì số lượng card transponder được nhân đôi. Giải pháp này cải thiện độ sẵn sàng của kênh quang, nhưng lại làm tăng chi phí đầu tư thiết bị. 2.2 Các khái niệm cơ bản Bảo vệ là một phương thức hồi phục mạng sử dụng các tài nguyên bảo vệ được cấp phát trước để truyền lưu lượng tải hoạt động trên kênh bị ảnh hưởng bởi sự cố nhằm đảm bảo khả năng duy trì của mạng. Bảo vệ - Có nhiều tiêu chuẩn để phân loại các kỹ thuật bảo vệ mạng nhưng thường dựa trên các tiêu chuẩn phổ biến sau: Dựa vào số lượng hệ thống làm việc và dự phòng Bảo vệ 1+1: là bảo vệ mà trong đó dành riêng một hệ thống dự phòng bảo vệ cho mỗi hệ thống hoạt động. Bình thường cả hai hệ thống cùng được sử dụng nhưng chỉ lấy kết quả của tuyến hoạt động, khi xảy ra sự cố thì chuyển sang hệ thống dự phòng. Bảo vệ M:N: là bảo vệ mà ta chia sẻ M hệ thống dự phòng để bảo vệ cho N hệ thống hoạt động cùng chủng loại. Khi xảy ra sự cố trên bất kỳ hệ thống hoạt động nào thì chuyển mạch bảo vệ sang một hệ thống dự phòng khả dụng. Để tiết kiệm tài nguyên ta có thể sử dụng M hệ thống dự phòng này cho các mục đích khác như: hoạt động thử nghiệm dịch vụ mới hoặc xử lý các công việc phụ có mức yêu tiên thấp. Dựa vào cấu trúc hệ thống bảo vệ ta có chuyển mạch bảo vệ đơn hướng hay cả hai hướng, loại trở về hay không trở về; chuyển mạch bảo vệ tuyến (PPS) hay bảo vệ đoạn (LPS) Chuyển mạch bảo vệ đơn hướng: chỉ lưu lượng trên hướng truyền dẫn nào có sự cố thì mới chuyển mạch bảo vệ sang kênh dự phòng, còn các tuyến khác không có sự cố thì giữ nguyên. Chuyển mạch bảo vệ hai hướng: nếu có bất kỳ một hướng hoạt động nào bị sự cố thì cả hai hướng cùng chuyển mạch bảo vệ sang kênh dự phòng (kênh bảo vệ). Bảo vệ có trở về: sau khi chuyển mạch bảo vệ sang kênh dự phòng mà khôi phục lại đường truyền sự cố thì lưu lượng tự động chuyển từ kênh bảo vệ về kênh hoạt động đã được khôi phục. Phương pháp bảo vệ này thường áp dụng cho bảo vệ chia sẻ N:M. Đặc biệt là 1:N. Bảo vệ kiểu không trở về: sau khi chuyển mạch bảo vệ sang kênh dự phòng mà khôi phục lại được đường truyền sự cố thì vẫn truyền lưu lượng trên kênh dự phòng. Phương pháp bảo vệ này thường áp dụng cho bảo vệ riêng 1+1. Bảo vệ tuyến: chỉ thực hiển chuyển mạch bảo vệ tại điểm kết cuối của tuyến có sự cố. Bảo vệ đoạn: thực hiện chuyển mạch bảo vệ tại hai nút kế cận với đoạn bị sự cố, trường hợp sự cố nút thì đoạn bị sự cố là hai đoạn liền nhau chứa nút đó. 2.2.1 Bảo vệ riêng Bảo vệ riêng là hình thức bảo vệ mà trong đó mỗi kênh làm việc được truyền trên hai tuyến khác nhau và kênh có chất lượng tốt nhất sẽ được lựa chọn tại đầu thu, do vậy một nửa của dung lượng truyền dẫn trong mạng sẽ luôn được ấn định là dung lượng dự phòng dành cho bảo vệ (tức là dung lượng bảo vệ bằng 100% dung lượng làm việc). Trong bảo vệ 1+1, nút nguồn phát tín hiệu đồng thời trên cả hai tuyến hoạt động và bảo vệ. Nút đích giám sát tín hiệu của cả hai tuyến này và lựa chon tín hiệu có chất lượng tốt nhất (ví dụ dựa chên tham số SNR). Nếu phát hiện suy giảm tín hiệu trên tuyến hoạt động thì nút đích tự động chuyển mạch sang tuyến bảo vệ. Trong bảo vệ 1:1 nút nguồn chỉ phát tín hiệu lên tuyến hoạt động, còn tuyến bảo vệ có thể được dùng để truyền lưu lượng có mức ưu tiên thấp. Khi xảy ra sự cố trên tuyến hoạt động thì cả nút nguồn và nút đích chuyển mạch lên tuyến bảo vệ. Ví dụ trong một mạng vòng bảo vệ 1+1 sử dụng các kênh quang kép, tín hiệu được phát đi trên hai kênh: một kênh truyền theo hướng thuận chiều kim đồng hồ, còn kênh kia truyền theo hướng ngược chiều kim đồng hồ; máy thu sẽ lựa chọn tín hiệu tốt nhất. Nếu hoạt động này được thực hiện ở lớp kênh quang thì ta gọi là OC-DPRing (áp dụng cho ring 2 sợi 2 hướng), nếu thực hiện ở lớp ghép kênh quang thì ta gọi là OMS -DPRing (áp dụng cho ring 4 sợi 2 hướng). Trong các mạng lưới xây dựng các liên kết điểm - điểm truyền tải hai hướng muốn cung cấp bảo vệ riêng thì phải sử dụng hai cặp sợi tách biệt nhau về mặt vật lý, một cặp cấp cho các kênh hoạt động còn cặp kia cấp cho các kênh bảo vệ, khi xảy ra sự cố trên sợi hoạt động thì chuyển các kênh lưu lượng lên sợi bảo vệ. 2.2.2 Bảo vệ chia sẻ Bảo vệ chia sẻ là hình thức bảo vệ mà trong đó nhiều hệ thống hoạt động cùng sử dụng chung một hệ thống dự phòng để bảo vệ. Chẳng hạn là dung lượng dự phòng hoặc bước sóng dự phòng. Ở điều kiện bình thường mọi yêu cầu được định tuyến lên các kênh hoạt động, và dung lượng bảo vệ có thể được dùng để truyền lưu lượng có mức ưu tiên thấp. Khi xảy ra sự cố lưu lượng tải của từng tuyến truyền dẫn bị sự cố được chuyển mạch lên các bước sóng bảo vệ. Hoạt động này yêu cầu hỗ trợ báo hiệu để thông báo cho các nút mạng về các tuyến đường truyền dẫn bị sự cố thì mới đảm bảo chắc chắn các bước sóng bảo vệ trên các sợi khác nhau kết nối chính xác tới các tuyến quang yêu cầu bảo vệ. Trong thời gian tài nguyên dự phòng được dùng để bảo vệ một tuyến hoạt động bị sự cố thì nó không còn khả dụng để bảo vệ cho các tuyến quang hoạt động khác cho tới khi tuyến hoạt động ban đầu này được khôi phục lại. Đối với các vòng ring quang bảo vệ chia sẻ, dung lượng của các sợi dành cho các kênh hoạt động và bảo vệ là riêng biệt. Do đó một ring 2 sợi bảo vệ chia sẻ là ring 2 hướng, một sợi truyền lưu lượng theo hướng thuận chiều kim đồng hồ, còn sợi kia truyền lưu lượng theo hướng ngược chiều kim đồng hồ. Tương tự với các mạng lưới quang bảo vệ chia sẻ (trong các liên kết điểm - điểm): trong mỗi cặp sợi, mỗi sợi sử dụng một nửa số kênh cho làm việc, và dành một nửa số kênh còn lại để bảo vệ cho lưu lượng làm việc trên sợi kia. Nếu một sợi bị sự cố thì các kênh hoạt động sẽ được truyền trên các kênh bảo vệ của sợi kia. Bảo vệ chia sẻ là một cách để giảm dung lượng thừa dành cho dự phòng và giảm số lượng các tuyến quang cần phải quản lý. Hiện nay mới chỉ áp dụng bảo vệ riêng OMS cho các hệ thống WDM điểm - điểm, trong khi đó bảo vệ OCh được sử dụng cho cả hệ thống điểm - điểm và các ring OADM, sắp tới có thể sẽ cung cấp thêm các ring bảo vệ chia sẻ OMS. 2.2.3 Bảo vệ đoạn ghép kênh quang Hình thức bảo vệ này được thực hiện ở lớp ghép kênh quang (OMS), và hay được áp dụng bảo vệ trong các mạng cung cấp một số lượng lớn các kênh quang. Tất cả các bước sóng (kênh WDM) truyền trên sợi quang bị sự cố cùng được định tuyến lại lên một tuyến sợi quang tạm thời rỗi (đã được xác định trước). Thực hiện chuyển mạch bảo vệ không gian tại bộ ghép kênh WDM (chuyển mạch sợi quang). 2.2.4 Bảo vệ kênh quang Hình thức bảo vệ này được thực thi ở lớp kênh quang. Mỗi kênh quang được bảo vệ độc lập sử dụng một chuyển mạch riêng, dẫn đến tổng số các chuyển mạch quang lớn nhưng cho phép lựa chọn các kênh để bảo vệ trong bộ ghép kênh và có thể tích hợp bảo vệ của các bộ phát đáp vào trong kiến trúc này. 2.3 Các phương thức bảo vệ theo cấu hình mạng 2.3.1 Bảo vệ ở lớp kênh quang 2.3.1.1 Bảo vệ riêng cho cấu hình điểm - điểm Với cấu hình này có thể áp dụng trực tiếp các kỹ thuật bảo vệ tuyến riêng/chia sẻ nên không cần phân tích nhiều. Mặc dù cấu hình này đơn giản nhưng nó thường hay xảy ra sự cố như đứt cả tuyến cáp hay sự cố hỏng thiết bị nên nó chỉ được sử dụng ở giai đoạn đầu thử nghiệm chưa phát triển dung lượng mà không mấy khi được sử dụng trong các mạng quy mô lớn. Trong trường hợp sử dụng kiểu bảo vệ này thì cách đề phòng hiệu quả nhất là chọn tuyến đường đi cáp thuận lợi hạn chế tối thiểu khả năng bị xâm phạm, có chính sách bảo dưỡng thường xuyên, và áp dụng kỹ thuật bảo vệ 1+1 hay 1:1. Bảo vệ quang 1+1 tương tự như phương thức bảo vệ 1+1 SDH. Phía phát sử dụng bộ chia sẻ để chia công suất quang và phát trên cả hai tuyến hoạt động và dự phòng; ở phía thu sử dụng một chuyển mạch quang có chức năng như một bộ lựa chọn và chuyển mạch lên tuyến bảo vệ khi tuyến hoạt động tương tự có sự cố. Sợi hoạt động Sợi bảo vệ Rx Tx Bộ chia Chuyển mạch Hình 2.1 Hệ thống WDM cấu hình đường thẳng chuyển mạch bảo vệ 1+1 Sợi bảo vệ Chuyển mạch Kênh báo hiệu APS Chuyển mạch Rx Tx Hình 2.2 Hệ thống WDM cấu hình đường thẳng chuyển mạch bảo vệ 1:1 Sợi hoạt động Bảo vệ quang 1:1 tương tự như phương thức bảo vệ 1:1 trong SDH. Khác với bảo vệ 1+1, lưu lượng không được truyền trên cả hai sợi hoạt động và làm việc mà sử dụng chuyển mạch ở cả hai đầu. Ban đầu chuyển mạch đặt lên sợi hoạt động, khi phát hiện sự cố thì chuyển mạch lưu lượng lên sợi bảo vệ. Trường hợp này yêu cầu phải có kênh báo hiệu APS để kích hoạt chuyển mạch bảo vệ. Điểm khác biệt giữa bảo vệ WDM và SDH là khi xuất hiện sự cố trên một sợi hoạt động thì chuyển mạch của đầu thu tương ứng của phía phát đó không biết gì (chuyển mạch bị mù – blind switch), trong khi ở SDH cả hai đầu thu đều biết trạng thái của sợi bảo vệ. 2.3.1.2 Bảo vệ riêng cho cấu hình ring (OCh - DPRing) Bảo vệ trong cấu hình này được thực thi ở lớp kênh quang sử dụng các chuyển mạch quang để chuyển mạch lưu lượng lên sợi hoạt động hay bảo vệ tùy thuộc vào trạng thái của ring ở điều kiện bình thường hay sự cố mà không yêu cầu báo hiệu. Kiến trúc bảo vệ này có thể chống lại sự cố chặng đơn, sự cố đa chặng, hay sự cố tại nút trung gian trên tuyến hoạt động. Nhưng có nhược điểm chung là yêu cầu chi phí đắt hơn so với các giải pháp khác. Nút A Nút D Nút B Nút C Nút A Nút D Nút B Nút C Sợi hoạt động Sợi dự phòng Sợi dự phòng chuyển sang hoạt động Hình 2.3 OCh – DPRing hai sợi đơn hướng ở điều kiện bình thường và khi có sự cố Hình a Hình b Trường hợp ring hai sợi cấp phát một sợi cho hoạt động và dành một sợi dự phòng bảo vệ cho sợi hoạt động. Tại máy phát tín hiệu quang được chia thành hai luồng tín hiệu và định tuyến trên hai tuyến khác nhau (như trong bảo vệ 1+1). Máy thu nhận cả hai tín hiệu rồi lựa chọn tín hiệu tốt nhất. Khi sợi hoạt động xảy ra sự cố, đầu thu tương ứng tự động chuyển mạch bảo vệ lên sợi dự phòng. Các nút trong mạng là các OXC và trên một sợi ta có thể truyền đơn hướng hoặc hai hướng, nhưng trong trường hợp OCh – DPRing hai sợi một sợi cho dự phòng và một sợi cho hoạt động thì ta phải truyền hai hướng. Vi dụ như hình 2.3, hình a ở tình trạng chưa xảy ra sự cố, hình b ở tình trạng sự cố. Trường hợp OCh – DPRing bốn sợi (trong đó hai sợi dành cho lưu lượng hoạt động, còn hai sợi dành cho dự phòng ). Ở trường hợp này nếu truyền lưu lượng hai hướng thì sẽ thực thi bảo vệ 1+1 mềm dẻo hơn và yêu cầu ít bước sóng hơn trường hợp OCh – DPRing hai sợi nhưng lại tốn kém. Nút A Nút D Nút B Nút C Nút A Nút D Nút B Nút C Sợi hoạt động Sợi dự phòng Sợi dự phòng chuyển sang hoạt động Hình 2.4 OCh – DPRing bốn sợi đơn hướng ở điều kiện bình thường và khi có sự cố Hình a Hình b Ví dụ về OCh – DPRing bốn sợi đơn hướng được mô tả trong hình 2.4, hình a ở tình trạng chưa xảy ra sự cố, hình b ở tình trạng sự cố. Giả sử ta có một mạng vòng ring sáu nút, mỗi nút yêu cầu năm bước sóng để truyền thông với năm nút kia nếu không tái sử dụng bước sóng thì tổng bước sóng yêu cầu lên tới 15. Tổng quát một mạng OCh – DPRing bốn sợi có N nút sẽ yêu cầu bước sóng. Nếu cho phép sử dụng lại các bước sóng, ví dụ các đoạn kề nhau có thể chia sẻ cùng bước sóng thì tổng số bước sóng giảm xuống 3 nhưng yêu cầu thực thi chuyển mạch bảo vệ ở cả hai đầu cuối để tránh xung đột bước sóng trên sợi bảo vệ khi xảy ra sự cố. Mô hình chức năng của OCh – DPRing có thể tham chiếu mô hình bảo vệ ring đoạn ghép kênh SDH (MS SPRing) với giả thiết không thực thi bảo vệ ở tầng SDH mà bảo vệ ở mức kênh quang. Hướng đông Hướng tây Hinhg 2.5 Mô hình chức năng của một nút OCh – DPRing Lớp OTS Lớp OMS Bộ ghép kênh Bộ khuếch đại Lớp OCh Lớp SDH hoặc ATM hoặc IP 2.3.1.3 Bảo vệ chia sẻ cho cấu hình điểm - điểm Chia sẻ là một cách để giảm dung lượng thừa dành cho dự phòng và số lượng các tuyến quang cần phải quản lý. Trong bảo vệ chia sẻ kênh quang (chia sẻ tuyến), ở thời điểm thiết lập phiên liên lạc cho một đường ban đầu, xác định một đường dự phòng và một bước sóng dành riêng. Một tuyến quang bảo vệ giữa hai nút được thiết lập để bảo vệ cho N tuyến quang hoạt động giữa hai nút đó. . . . TX 1 TX n . . . TX 1 TX n Kênh báo hiệu Hình 2.6 Mạng lưới WDM bảo vệ chia sẻ 1:N Bước sóng dự phòng dành riêng trên các đoạn của đường dự phòng có thể chia sẻ với các đường dự phòng khác giúp cho giải pháp này có chi phí hiệu quả hơn bảo vệ tuyến riêng nhưng cũng yêu cầu nhiều báo hiệu hơn và phải cấu hình lại các OXC kết cuối của các kênh WDM chia sẻ mà tuyến hoạt động cần được hồi phục. Điều này sẽ làm tăng thời gian trễ hồi phục để thực hiện truyền các bản tin báo hiệu tới các thành phần và cấu hình lại tất cả các OXC. 2.3.1.4 Bảo vệ chia sẻ cho cấu hình ring (OCh - SPRing) Xét ring hai sợi truyền thông hai hướng giữa các nút. Trong điều kiện bình thường, mỗi sợi hoạt động trên một bước sóng khác nhau (l1 thuận chiều kim đồng hồ và l2 ngược chiều kim đồng hồ). Nếu một đoạn hay một nút bị sự cố thì các nút kề cận sẽ định tuyến lại các bước sóng cho đoạn cung bù đó, chia sẻ dung lượng của các sợi giữa hai kênh quang. OCh – SPRing thường được dùng để cung cấp bảo vệ quang cho các ring SDH hai sợi. Việc định tuyến lưu lượng liên quan được thực hiện ở lớp điện bởi thiết bị SDH, các kênh quang chỉ tồn tại giữa các nút kề nhau tương đương với các đoạn vật lý nút - tới - nút. Ví dụ truyền thông giữa hai nút A và nút D như hình vẽ 2.7, hình a ở tình trạng chưa xảy ra sự cố, hình b ở tình trạng sự cố. Như trình bày ở trên thì l1 được truyền trên sợi quang thứ nhất thuận chiều kim đồng hồ, l2 truyền trên sơi thứ hai ngược chiều kim đồng hồ. Khi xảy ra sự cố đoạn thì nút A tự động chuyển mạch bảo vệ bước sóng l1 lên sợi quang thứ hai ngược chiều kim đồng hồ. l1 l1 l1 Hình 2.7 OCh – SPRing khi bình thường và khi sự cố đoạn l2 l1 Nút D Nút C Nút B Nút A Hình a l2 l2 l2 l1 Nút D Nút C Nút B Nút A Hình b l2 l2 l1 l2 l1 Hình 2.8 OCh – SPRing khi bình thường và khi sự cố nút l2 l1 Nút D Nút C Nút B Nút A Hình a l2 l1 l2 l1 Nút D Nút C Nút B Nút A Hình b Ví dụ truyền thông giữa nút A và nút C và xảy ra sự cố ở nút D. Hình vẽ 2.8 dưới đây mô tả: OCh – SPRing thường được dùng để cung cấp bảo vệ quang cho các ring SDH hai sợi. Việc định tuyến lưu lượng liên quan được thực hiện ở lớp điện bởi thiết bị SDH, các kênh quang chỉ tồn tại giữa các nút kề nhau tương đương với các đoạn vật lý nút – tới – nút. Mô hình chức năng của OCh – SPRing tham chiếu mô hình bảo vệ SDH MS– SPRing nhưng ở mức kênh quang. Do các chức năng thích ứng ở tầng OTS và OMS phải xử lý cùng một số lượng các kênh quang nên chuyển mạch bảo vệ không thể đặt ở tầng OMS mà được chuyển lên tầng OCh. Hình vẽ dưới đây miêu tả mô hình chức năng của một nút OCh – SPRing kế cận với sự cố sử dụng chuyển mạch OCPC ở mức kênh quang, còn các hoạt động định tuyến được thực hiện ở các tầng SDH (HP, LP). Hướng tây OCPC Hình 2.9 Mô hình chức năng của một nút OCh – SPRing kế cận với sự cố Bộ ghép kênh Bộ khuếch đại Lớp OTS Hướng đông Lớp OMS Lớp OCh Lớp SDH 2.3.1.5 Bảo vệ chia sẻ cho cấu hình Mesh Dù cấu trúc mạng Ring WDM là cấu hình phổ biến nhất hiện nay, nhưng gần đây các mạng quang WDM có cấu hình Mesh đang được thừa nhận là có đặc tính quan trọng và ưu việt hơn. Điều này là nhờ sự phát triển và cải thiện của các OXC, các thiết bị chuyển mạch quang. Mặc dù mạng quang cấu hình Mesh có nhiều ưu việt và đang được phát triển mạnh nhưng khả năng tồn tại và duy trì mạng là vấn đề phức tạp hơn so với cấu hinh Ring bởi vì trong mạng có nhiều thực thể hơn trong bảng định tuyến và có nhiều quyết định thiết kế phải lựa chọn. Ngoài ra, không có cơ chế bảo vệ mạng quang WDM cấu hình Mesh nào hiện nay được thương mại hoá trên phạm vi lớn. Bảo vệ tuyến tại lớp OCh có thể được áp dụng cho các mạng quang cấu hình Mesh. Để có một kết nối thì một cặp đường đi (đường đi làm việc và đường đi dự phòng) phải được thiết lập. Để cơ chế bảo vệ tuyến đạt hiệu quả nhất thì các tuyến làm việc và các tuyến bảo vệ phải độc lập, độc lập cả về sự cố (nghĩa là các lỗi tuyến xảy ra trên tuyến hoạt động và tuyến bảo vệ là độc lập). Trong nhiều trường hợp, điệu kiện này được thỏa mãn bằng việc thiết lập hai đường đi trong phân tập các đường đi vật lý: đường đi chính và đường đi phục hồi không thể dùng chung bất kì một liên kết nào. Nếu vấn đề bảo vệ nút được đặt ra thì sự độc lập giữa nút và đường làm việc, đường bảo vệ là cũng cần thiết. Trong hầu hết các trường hợp thì điều này được bảo đảm bằng việc ngăn cản dùng chung hai đường đi trong một nút: định tuyến phải được thực hiện dưới các ràng buộc về việc không liên hợp nút. Bảo vệ tuyến dành riêng 1+1 và bảo tuyến 1:1 đều có thể được sử dụng. Trong trường hợp bảo vệ 1:1 lưu lượng có độ ưu tiên thấp có thể được phát trên tuyến bảo vệ khi không có lỗi xảy ra, nhưng báo hiệu từ đầu cuối tới đầu cuối là cần thiết. Đường hoạt động Đường bảo vệ Hình 2.10 Bảo vệ đường trong cấu hình Mesh Đích Nguồng Với cấu hình Mesh thì bảo vệ tuyến dành riêng tiêu tốn tài nguyên quá nhiều bởi vì phải có các ràng buộc đường đi vật lý. Việc dùng chung các kênh WDM (các bước sóng quang) trong số các đường đi bảo vệ có thể giảm tài nguyên vật lý tham gia trong việc bảo vệ. Việc bảo vệ dùng chung có thể được áp dụng theo nghĩa từ đầu cuối tới đầu cuối bằng việc sử dụng một tuyến bảo vệ(có thể cả một nút dùng để dự phòng) cho N tuyến hoạt động với cùng cặp nút nguồn đích (xem hình 2.10 dưới đây). Kỹ thuật này là một trường hợp đặc biệt của việc dùng chung, trong đó N tuyến bảo vệ chia sẻ tất cả các kênh WDM của chúng, và cũng được gọi là bảo vệ 1:N. Hiển nhiên bảo vệ 1:N cái mà cần N+1 tuyến không liên hợp đường (hay không có sự liên hiệp nút) là luôn có thể sử dụng giữa các nút nguồn và đích của kết nối. Bảo vệ đường chia sẻ cũng có thể được thực hiện ở một chiều hướng rộng hơn trên một mạng hỗn hợp bằng việc cho phép dùng chung một phần (thường là dải tần số ánh sáng) ở các đường bảo vệ trên cơ sở ghép các bước sóng. Việc chia sẻ cho phép tiết kiệm các nguồn tài nguyên truyền dẫn, nhưng lại yêu cầu quản lý phức tạp. Trong bảo vệ 1:1 và 1:N, khi một sự cố xảy ra thì chỉ các nút cuối mới liên quan tới quá trình hồi phục, bởi vì các kênh quang (các bước sóng l) được bảo vệ và các kênh quang dự phòng là hoàn toàn được thiết lập trước. Khi bảo vệ chia sẻ được áp dụng ở hướng rộng hơn trong một mạng có cấu hình Mesh, thì sự cố đó sẽ phải làm thủ tục phục hồi phức tạp hơn, thủ tục đó yêu cầu nhiều báo hiệu trong một số phần tử mạng dẫn đến thời gian phục hồi sẽ tốn kém. Không những phải có nhiều tín hiệu báo hiệu mà trong vấn đề phục hồi mạng còn phải mất thời gian cấu hình lại các OXC(nghĩa là thay đổi các thông số định tuyến). Do việc bảo vệ dùng chung là định trước, nên hoạt động khôi phục có thể được điều khiển băng đường phân phối nào đó hơn là đường tập trung, bởi vậy loại bỏ được sự can thiệp của hệ thống quản lý mạng và giảm khối lượng báo hiệu. Trong trường hợp này, các OXC phải có khả năng tự xác định đường đang làm việc có sự cố hay không để chuyển mạch bảo vệ cho phù hợp. Việc đầu tiên yêu cầu là phải phát hiện nhanh chóng đặc trưng đường ánh sáng và đó là một trong các thúc đẩy chính mà đã định nghĩa một bộ nhận dạng OCh trong khuôn khổ của việc chuẩn hóa kênh giám sát OCh. Nếu bảo vệ chia sẻ tuyến sử dụng điều khiển phân tán thay cho điều khiển tập trung sẽ hạn chế sự can thiệp của hệ thống quản lý mạng và giảm bớt tổng số các báo hiệu. Khi đó các OXC phải có khả năng tự nhận thức được tuyến hoạt động nào bị sự cố để chuyển mạch bảo vệ phù hợp. Trong các mạng quang WDM cấu hình Mesh, bảo vệ tuyến ở lớp con OMS dưới một vài phương diện có thể thích hợp hơn là việc bảo vệ đường. Trong một cấu hình phức tạp, một cơ cấu khôi phục nội bộ, phù hợp với điều khiển phân tán hơn là điều khiển tập trung, là dễ dàng để quản lý hơn một cơ cấu đầu cuối tới đầu cuối. Bảo vệ tuyến trong một mạng hỗn hợp có thể xảy ra trong các đường khác nhau. Chúng ta sẽ không xem xét bảo vệ đường trên cơ sở cung cấp mà chúng ta sẽ mô tả hai phương pháp chính được biết đến để bảo vệ tuyến định trước: một là dựa trên khái niệm đấu vòng các vòng, cách còn lại gần đây được đề cập nhiều hơn, là dựa trên công nghệ đấu vòng chung. Một mạng cấu hình Mesh có thể được tạo một cách tự nhiên bằng liên kết đơn giản một số vòng: thực tế, hầu hết các mạng WDM hiện nay được quản lý theo kiểu này. Chuyển mạch giữa các vòng trong các mạng như vậy thường được thực hiện bằng điện tử bởi các nối chéo số SDH/SONET. Bởi vậy, khả năng tồn tại trong các mạng đa vòng WDM thường được bảo vệ bởi các kỹ thuật bảo vệ SDH/SONET (cụ thể, là khai thác sự thừa của các liên kết liên vòng). Một số trong những kỹ thuật này sẽ có thể cũng chuyển tới lớp WDM (ví dụ cho trường hợp cụ thể đa vòng WDM dưới biển). Tuy nhiên, trong những thứ sau đây, chúng ta muốn bỏ kiến trúc đa vòng và tập trung vào các mạng WDM thực tế, nghĩa là những mạng này được tạo ra bắt đầu từ một cấu hình vật lý hỗn hợp và cái mà khai thác các OXC để thực hiện chuyển mạch quang trong toàn bộ mạng. Sự phân ly vòng các kiến trúc cơ sở của tương lai này chỉ để phục vụ khả năng tồn tại. Nguyên lý đấu vòng các vòng có thể được áp dụng ở một mạng WDM thực tế như sau: Đầu tiên, mạng này được phân tách trong một số tập các cáp, mỗi tập được quản lý như một vòng đơn. Khi phân tách được thực hiện, mỗi vòng được trang bị một hệ thống bảo vệ OMS chính xác như một OMS-SPRing. Bởi vậy mỗi vòng trở thành một hệ thống bảo vệ. Thông thường việc thực hiện bảo vệ vòng bốn cáp là lựa chọn tốt nhất, từ đó việc thực hiện bảo vệ vòng 2 cáp phải yêu cầu các bộ chuyển đổi bước sóng trong một số node. Một ưu điểm rõ ràng của phương pháp này là nó cho phép khôi phục phân bố: mỗi vòng là một hệ thống khôi phục tự động và tự trị. Điều này ngụ ý rằng thời gian khôi phục chỉ bị giới hạn bởi kích cỡ vòng (trong bảo vệ tuyến, thay vì trễ truyền lan từ nguồn tới đích phải địa chỉ tính đến). Hơn nữa, việc quản lý sự cố bị giới hạn bởi vòng bị sự cố. Trong vấn đề bảo vệ mạng có cấu hình Mesh nói chung và bảo vệ mạng quang WDM có cấu hình Mesh nói riêng là những vấn đề mới mẻ và phức tạp. Nói cách khác thì lĩnh vực này không được thương mại hoá và ứng dụng trong thực tế nên không có mấy ai nghiên cứu về lĩnh vực này cho nên nó vẫn còn mới mẻ. Ngoài ra nó còn một lý do khác là điều kiện vật lý và nhu cầu của các quốc gia vẫn chưa đòi hỏi cần đến sử dụng mạng lõi có cấu hình Mesh. Trong khi đó công nghệ WDM chủ yếu được sử dụng cho các mạng có cấu hình back blbole. Vì vậy trong đồ án này em đề cập ít đến vấn đề đó. 2.3.2 Bảo vệ ở lớp đoạn ghép kênh quang 2.3.2.1 Bảo vệ riêng cho cấu hình điểm - điểm Trong bảo vệ đoạn ghép kênh quang với cấu hình điểm - điểm thì đó chính là hình thức bảo vệ kênh quang điểm - điểm. 2.3.2.2 Bảo vệ riêng cho cấu hình vòng ring (OMS - DPRing) OMS – DPRing có thể áp dụng cho ring hai sợi hoặc bốn sợi cấp phát các bước sóng khác nhau cho các liên kết nút - tới nút khác nhau. Bảo vệ được thực thi ở tầng đoạn ghép kênh quang nên tất cả các kênh quang trên cùng một chặng sẽ được bảo vệ đồng thời khi xuất hiện sự cố. Khi xem xét bảo vệ OMS giữa các OADM trong một kiến trúc ring yêu cầu phải sử dụng các chuyển mạch kép hoặc các chuyển mạch đơn có hỗ trợ biến đổi bước sóng tại mỗi nút. Xét trường hợp đơn giản nhất OMS – DPRing hai sợi sẽ dành riêng một sợi để bảo vệ cho lưu lượng truyền trên sợi hoạt động ở hướng ngược lại. Sợi hoạt động Sợi dự phòng Sợi dự phòng hoạt động Hình b Nút D Nút C Nút B Nút A Nút D Nút C Nút B Nút A Hình 2.11 OMS – DPRing hai sợi ở điều kiện bình thường và khi có sự cố Hình a Khi xuất hiện một sự cố nút hay sự cố đoạn, các nút kế cận với sự cố sẽ định tuyến lại lưu lượng từ trên sợi hoạt động lên sợi bảo vệ. Dưới đây là mô hình chức năng của một nút OMS – DPRing. Bộ ghép kênh Bộ khuếch đại Hướng tây Hình 2.12 Mô hình chức năng của một nút OMS – DPRing hai sợi Lớp OTS Lớp OMS Lớp OCh Hướng đông 2.3.2.3 Bảo vệ chia sẻ cho cấu hình vòng ring (OMS – SPRing) Kiến trúc này có thể áp dụng cho ring hai sợi hoặc bốn sợi. Các liên kết logic trực tiếp nút - tới - nút có thể được thiết lập sử dụng các bước sóng khác nhau, cho phép ta xây dựng nên các lưới logic kết nối mỗi nút tới nút khác trong ring. Bảo vệ được thực thi ở mức đoạn ghép kênh, dung lượng của mỗi sợi mang cả các bước sóng hoạt động và bước sóng bảo vệ. Ví dụ một hệ thống WDM hai sợi có 16 bước sóng, trên sợi truyền cùng chiều kim đông hồ cấp một nửa đầu (8 bước sóng) của dải bước sóng cho các kênh lưu lượng hoạt động, một nửa còn lại dùng để bảo vệ các kênh hoạt động truyền trên sợi kia (đi ngược chiều kim đồng hồ). Trên sợi đi ngược chiều kim đồng hồ thì đảo ngược lại, nửa đầu của dải bước sóng dùng để bảo vệ các kênh hoạt động truyền trên sợi đi cùng chiều kim đồng hồ, còn nửa sau dùng cho các kênh lưu lưọng hoạt động khác. Các kênh bảo vệ Các kênh dịch vụ Các kênh bảo vệ Các kênh dịch vụ Các kênh bảo vệ Các kênh dịch vụ Các kênh bảo vệ Các kênh dịch vụ Hình 2.13 Bảo vệ chia sẻ các kênh quang trong OMS - SPRing Nếu một đoạn hay một nút bị sự cố, các nút kế cận sự cố thực hiện chuyển mạch bảo vệ định tuyến lại các bước sóng hoạt động truyền trên sợi bị sự cố lên các bước sóng bảo vệ của sợi đi theo hướng ngược lại. OMS – 2 SPRing cho vòng ring hai sợi hai hướng. Trên sợi thứ nhất các bước sóng làm việc từ 1 tới W/2, nửa còn lại dành cho bảo vệ. Trên sợi thứ hai các bước sóng làm việc từ W/2 tới W, nửa còn lại dành cho bảo vệ. Khi hồi phục được thực hiện bởi chuyển mạch 22. Trong trường hợp lưu lượng bị sự cố có thể loop mà không bị xung đột bước sóng Chuyển mạch 22 Hình 2.15 Ring hai sợi hai hướng chuyển mạch bảo vệ đoạn ghép kênh Hình 2.16 Ring hai sợi hai hướng bảo vệ sự cố đoạn OMS – 2SPRing Khi xuất hiện sự cố đoạn, các tuyến hoạt động được định tuyến lên các sợi bảo vệ ở cùng bước sóng hoạt động. Khi xuất hiện sự cố nút thì OMS – 2 SPRing được thực thi bởi chuyển mạch 22. Bình thường tuyến hoạt động được định tuyến lên ring của sợi phía ngoài, sau khi xuất hiện sự cố nút thì tuyến được chuyển mạch lên ring của sợi ở phía trong tại cùng bước sóng hoạt động. Hình 2.17 Ring hai sợi hai hướng bảo vệ sự cố nút OMS – 2 SPRing Dưới đây là mô hình chức năng của một nút OMS – SPRing kế cận sự cố sử dụng chuyển mạch kép để chuyển mạch bảo vệ ở phía xảy ra sự cố (đứt cáp hoặc sự cố nút). Mô hình này được xây dựng dựa trên mô hình SDH MS – SPRing, các chức năng thích ứng OMS được xác định tuỳ thuộc vào các hệ thống cụ thể (ví dụ chúng ta sẽ có chức năng OMSA – 16 trong hệ thống WDM 16 bước sóng) nhưng nó chỉ cung cấp cho các kênh hoạt động hoặc bảo vệ chứ không phải tất cả 16 kênh. Khi thiết kế thực thi cần xem xét đến việc thực hiện giám sát các sự cố như thế nào nếu tái sử dụng bước sóng. Hướng tây Hình 2.18 Mô hình chức năng của một nút OMS – SPRing hai sợi kế cận với sự cố Lớp OTS Lớp OMS Lớp OCh Hướng đông Bộ ghép kênh Bộ khuếch đại Lớp SDH hoặc IP hoặcATM Trong phương thức chuyển mạch quang 22 thì nó thích hợp với chuyển mạch bảo vệ mà yêu cầu độ tổn thất nhỏ (khoảng 1dB) và tốc độ chuyển mạch nhanh (khoảng 20 ms). Cấu hình nút bao gồm một OADM cho một sợi, một chuyển mạch quang nhanh chéo 22 ở mỗi phía của nút, và có thể sử dụng bộ khuyếch đại quang nếu cần. Vị trí tốt nhất để đặt bộ khuyếch đại quang là ở giữa OADM và chuyển mạch quang để có thể sử dụng các bộ khuyếch đại quang hạn chế những tổn thất phụ ở trạng thái bảo vệ. Dưới đây là các cấu hình của các nút có sử dụng chuyển mạch quang. EDFA EDFA SDXC OADM OADM OS 2 OS 1 Sợi 1 Sợi 2 Hình 2.19 Cấu hình của một nút sử dụng chuyển mạch quang22 (cross - bar) EDFA EDFA SDXC OADM OADM OS 2 OS 1 Sợi 1 Sợi 2 OS 3 OS 4 Hình 2.20 Cấu hình của một nút sử dụng chuyển mạch quang 21 OMS – 4 SPRing cho vòng ring 4 sợi - hai hướng. Với trường hợi này mỗi chặng có bốn sợi quang, mỗi cặp sợi quang dùng để truyền lưu lượng hoạt động, một cặp sợi quang kia dành cho dự phòng bảo vệ cho cặp làm việc (50% tổng dung lượng cho bảo vệ). Khi xảy ra sự cố các chuyển mạch bảo vệ được thực hiện bởi các chuyển mạch 22 theo kỹ thuật quang cơ hay kỹ thuật khác. Hình 2.21 Ring bốn sợi hai hướng chuyển mạch bảo vệ đoạn ghép kênh Sợi bảo vệ Khi xảy ra sự cố đoạn thì Ring được hồi phục bằng việc sử dụng chuyển mạch bảo vệ tại hai nút kế cận với đoạn bị sự cố để nối vòng lưu lượng trên các sợi hoạt động lên các sợi bảo vệ. Yêu cầu có báo hiệu để phối hợp chuyển mạch ở cả hai nút kết cuối đoạn bị sự cố. Ví dụ có phiên truyền thông hai hướng giữa nút A và nút C khi xảy ra sự cố đoạn giữa nút A và nút D như hình vẽ 2.22 trong đó hình a là trường hợp ở điều kiện bình thường còn hình b ở điều kiện xảy ra sự cố. Khi xảy ra sự cố thì xuất hiện kênh báo hiệu giữa nút A và nút D sau đó hai nút này thực hiện chuyển mạch bảo vệ chuyển các bước sóng lên kênh dự phòng. Hình 2.22 Ring bốn sợi hai hướng sự cố đoạn OMS – 4SPRing Sợi bảo vệ Sợi bảo vệ Nút C Nút A Nút D Nút A Nút D Nút C Nút B Nút B Đường bảo vệ thứ nhất hoạt động Đường bảo vệ thứ hai hoạt động Kênh báo hiệu Hình a Hình b 2.4 Các phương pháp bảo vệ trong kiến trúc liên kết giữa các lớp quang 2.4.1 Lựa chọn các kiến trúc mạng tham chiếu Trong thực tế các mạng quang thường được xây dựng theo kiến trúc phân cấp, mỗi cấp có thể xem như một miền mạng con. Các miền mạng con được triển khai thường sử dụng các cấu hình cơ bản như CS – Ring, OMS – Ring, và cấu hình lưới quang của các OXC. CS – Ring là một kiến trúc thuận lợi cho việc kết hợp các chức năng SDH của các thiết bị sẵn có trên mạng (định tuyến và bảo vệ MS) với chức năng định tuyến quang của các nút logic. OMS – SPRing là một kiến trúc mạng toàn quang tiên tiến hỗ trợ thực thi cả định tuyến và bảo vệ quang. Do đó kiến trúc này rất quan trọng đối với việc lập kế hoạch cho các mạng quang. Kiến trúc lưới quang của các OXC hỗ trợ định tuyến và hồi phục quang giúp đơn giản hoá sự phức tạp khi xây dựng các mạng cấu hình lưới dung lượng cao từ các thiết bị tầng điện. Dựa trên ba cấu hình cơ bản CS – Ring, OMS – SPRing, và cấu hình lưới quang của các OXC chúng ta xây dựng bốn kiến trúc mạng tham chiếu sau: Kiến trúc CS – Ring hai mức: hình 2.23 thể hiện một kiến trúc CS-Ring/CS hai mức. lk li li li CS - Ring CS - Ring CS - Ring Hình 2.23 Kiến trúc CS - Ring/CS - Ring Đây là một kiến trúc phân cấp gồm hai CS – Ring liên kết với nhau thông qua các kết nối chéo SDH. Ưu điểm chính của kiến trúc này là việc cấp phát bước sóng có thể được lập kế hoạch cho mỗi Ring một cách độc lập. Kiến trúc OMS – SPRing hai mức: hình 2.24 thể hiện kiến trúc OMS-SPRing hai mức. li li lk li OMS - SPRing Hình 2.24 Kiến trúc OMS – SPRing hai mức OMS - SPRing OMS - SPRing Ưu điểm chính của kiến trúc này là kết nối quang giữa các Ring. Trong các hub khả năng mềm dẻo mức kênh quang phụ thuộc vào dung lượng kết nối chéo quang mà các OADM cung cấp. Kiến trúc hai mức lưới/Ring: hình 2.25 thể hiện kiến trúc lưới quang/ OMS-SPRing hai mức. lk li li li OMS - Ring OMS - Ring Hình 2.25 Kiến trúc lưới quang/OMS - SPRing OXC OXC OXC OXC Đây là một kiến trúc có nhiều hứa hẹn ứng dụng nhất trong tương lai. Lưu lượng ở các Ring lớp dưới được tập hợp và truyền tải bởi lớp bên trên có lưu lượng rất cao giống như trong mạng SDH truyền thống. Trong một mạng lớn các OXC có thể có chức năng biến đổi bước sóng nhằm thiết lập rất nhiều tuyến quang. Phương thức bảo vệ kết nối mạng con (OSNCP) (bảo vệ tuyến 1+1) có thể là một lựa chọn cho kiến trúc này. lk li li OXC OMS - SPRing li Hình 2.26 Kiến trúc OMS – SPRing/lưới quang OXC OXC OXC OXC OXC OXC OXC Kiến trúc hai mức Ring/lưới: hình 2.26 thể hiện kiến trúc OMS-SPRing/ lưới quang hai mức. Trong một số trường hợp kiến trúc này có thể cung cấp một giải pháp tối ưu, khi đó ta sẽ có một Ring quang dung lượng rất cao liên kết giữa các mạng con có cấu hình lưới ở tầng dưới. Vấn đề bảo vệ tương tự kiến trúc hai mức lưới/ring. Bảng 2.1 So sánh một số tham số của bốn kiến trúc mạng tham khảo Các tham số CS – Ring hai mức OMS-SPRing hai mức OMS – SPRing/ lưới quang Lưới quang/ OMS - SPRing Kết nối SDH(VC-4/3/12) Quang(OC) bị hạn chế Quang (OC) Quang(OC) (VC-4/3/12) Phục hồi ở tầng quang Không Có (hạn chế) Có (hạn chế) Có Mềm dẻo SDH OXC Giới hạn Tốt Tốt Mức kết nối VC4 Bước sóng Bước sóng Bước sóng Mức độ Thấp Tốt Tốt Tốt Thiết bị Hub SDXC OADM OXC OXC(SDXC) Loại mạng con Ring Ring Ring/OXC/Link Ring/OXC/Link 2.4.2 Liên kết giữa các mạng con và vấn đề bảo vệ Hoạt động liên kết bảo vệ giữa các miền mạng quang phụ thuộc vào chức năng và đặc tính của các nút kép liên kết giữa các mạng con. Nhằm đơn giản hoá chủ đề phức tạp này ta chỉ tập trung vào phân tích kiến trúc mạng vòng ring hai sợi. Trong các mạng quang thực tế, hai ring con thường liên kết với nhau thành một ring kép thông qua hai nút OADM và tạo lên hai kiến trúc: kiến trúc ring ảo (VRA), kiến trúc tách và chuyển tiếp. 2.4.2.1 Bảo vệ với kiến trúc ring ảo(VRA) Kiến trúc ring ảo ban đầu có thể chỉ được ứng dụng cho OC - DPRing. Phương thức định tuyến và bảo vệ được chỉ ra trên hình 2.27a sử dụng các nút liên kết để chuyển tiếp viền (border) giữa các vòng ring tại cùng bước sóng. Đối với OMS-SPRing như chỉ ra trên hình 2.27b cần thiết lập các bước sóng từ A tới B, và định tuyến các bước sóng theo một tuyến đường tách biệt. Trong thực tế hoạt động bảo vệ ở tầng OMS được kết hợp với phân tập tuyến ở tầng OCh. Các phương thức bảo vệ được áp dụng để phục hồi một sự cố nút hoặc đoạn liên kết xảy ra trong mỗi ring, còn chiến lược phân tập tuyến được dùng để phục hồi kết nối đối với sự cố đoạn liên kết giữa hai ring. Tuy vậy nếu các bước sóng nàycùng mang các kết nối tầng client như nhau thì giải pháp này sẽ tồi hơn giải pháp ứng dụng VRA trên các OC - DPRing, vì nó yêu cầu băng thông gấp đôi mà không tăng được độ khả dụng. Nói chung khi ứng dụng phân tập tuyến tính thì mỗi tuyến giữa một cặp nút chỉ mang một nửa các kết nối tầng client giữa hai nút đó, dẫn đến hai hệ quả: Số lượng bước sóng mang trên tầng quang theo nguyên lý chỉ được một nửa nếu không thì sẽ không cung cấp được tài nguyên dự phòng mặc dù điều này có thể càng làm giảm thêm mức sử dụng thấp của các kênh quang khi lượng nhu cầu tầng client không đủ lớn. Khả năng phục hồi nhanh các kết nối client chống lại các sự cố được thực thi tại một trong hai tầng gần sự có hơn. Trên thực tế trong những trường hợp này kiến trúc hình 2.27b sẽ truyền một nửa số kết nối của tầng client giữa hai nút A, B trên bước sóng l1 và một nửa còn lại trên bước sóng l2. Do đó nó có thể: Phục hồi tất cả các kết nối client khi xảy ra một sự cố nút đơn hoặc sự cố đoạn đơn trong mỗi ring. Chỉ phục hồi một nửa các kết nối client khi xảy ra một sự cố đoạn liên kết. L1 L2 L3 L4 Nút A Nút B L1 L2 L3 L4 Nút A Nút B Hình a Hình b Hình 2.27 Liên kết dual – homing dựa trên kiến trúc ring ảo, (a)áp dụng cho OC- DPRing, (b) áp dụng cho OMS - SPRing Điều này giúp tăng cường hiệu quả sử dụng tài nguyên như khi sử dụng VRA trên OCh-DPRing nhưng lại giảm khả năng phục hồi nhanh liên kết. Do đó phương thức trong hình 2.27b không thể được xem như một liên kết dual-homing. 2.4.2.2 Các kiến trúc ring ảo cải tiến Có một số kiến trúc khác có thể tăng cường hiệu năng của VRA trên OCh - DPRing mà không nhất thiết phải sử dụng chức năng tách và chuyển tiếp quang là giải pháp sử dụng một single - homing trên các ring liên kết vật lý với nhau qua các nút kép. Hình 2.28 miêu tả kiến trúc này trong các trường hợp OCh - DPRing và OMS - SPRing. Liên kết logic là một single-homing vì mỗi bước sóng được tách từ ring bởi duy nhất một OADM. Mục đích ở đây là sử dụng mỗi bước sóng để truyền một nửa số kết nối tầng client nên về mặt nguyên lý thì yêu cầu tài nguyên giống như trường hợp của VRA trên OCh – DPRing (hoặc tốt hơn tương đương với OMS-SPRing). Mỗi mạng con (SSN ví dụ một ring) không chỉ phục hồi một sự cố nút đơn hoặc sự cố đoạn đơn, mà có thể cho phép chống lại cả trường hợp nhiều xảy ra sự cố (mỗi sự cố trên một ring) giữa nút A và B. Nhưng cả hai kiến trúc này đều kém hơn kiến trúc sử dụng VRA trên OCh - DPRing tại các nút liên kết: chỉ phục hồi một nửa số kết nối tầng client khi xảy ra sự cố tại vị trí liên kết. Nếu thực thi bảo vệ cục bộ 1:N các kênh quang liên kết giữa L1 và L3,giữa L2 và L4 để vượt qua điểm yếu này thì giải pháp này cũng khá hiệu quả về mặt chi phí. L1 L2 L3 L4 Nút A Nút B L1 L2 L3 L4 Nút A Nút B Hình a Hình b Hình 2.28 Kiến trúc ring ảo cải tiến, (a) OC- DPRing, (b) OMS - SPRing Nhìn toàn cảnh một mạng quang ta có thể thấy nó được cấu thành từ một mạng lõi (mạng trục – back bone) và các mạng con thành phần liên kết với mạng lõi mạng lõi và liên kết với nhau. Các kịch bản bảo vệ trong các mạng WDM được phân tích trong các cấu trúc tô – pô cơ bản như đường thẳng, vòng ring, lưới (mesh). Hai cấu hình vòng ring và mesh hiện đang thu hút được sự quan tâm chủ yếu của các nhà thiết kế. Sau đó nghiên cứu hoạt động này khi liên kết giữa các mạng con với nhau, và khi liên kết với các tầng khác bên trên (như SDH, ATM,IP…) . Đối với cấu hình đường thẳng ta có thể áp dụng trực tiếp các kỹ thuật bảo vệ tuyến riêng/chia sẻ. Mặc dù được bảo vệ nhưng cấu hình này tiềm tàng rất nhiều nguy cơ như đứt cả tuyến cáp hay sự cố thiết bị nên nó chỉ được sử dụng ở giai đoạn đầu thử nghiệm chưa phát triển dung lượng mà không mấy khi được sử dụng trong các mạng qui mô lớn. Các phương thức bảo vệ 1+1/1:1 SONET/SDH. Điểm khác biệt giữa bảo vệ WDM và SDH là khi ở chỗ khi xuất hiện sự cố trên một sợi hoạt động thì chuyển mạch của đầu thu tương ứng của phía phát đó không biết gì. Trong khi ở SDH cả hai đầu thu đều biết trạng thái của sợi bảo vệ. Các kiến trúc OCh – DPRing và OCh – SPRing thực thi bảo vệ ở lớp kênh quang. Các kiến trúc OMS – DPRing và OMS – SPRing thực thi bảo vệ ở lớp đoạn ghép kênh quang nên tất cả các kênh quang trên cùng một chặng sẽ được bảo vệ đồng thời khi xuất hiện sự cố. OCh – DPRing sử dụng các chuyển mạch quang để chuyển mạch lưu lượng lên sợi bảo vệ khi xảy ra sự cố và không yêu cầu báo hiệu. Cấu hình này có thể chống lại sự cố chặng đơn, sự cố đa chặng, hay sự cố tại nút trung gian trên tuyến hoạt động nhưng có nhược điểm chung là yêu cầu chi phí đắt hơn so với các giải pháp khác. Trường hợp OC – DPRing bốn sợi nếu cho phép tái sử dụng các bước sóng thì tổng số bước sóng sẽ giảm xuống nhưng yêu cầu chuyển mạch bảo vệ ở cả hai đầu cuối để tránh xung đột bước sóng trên sợi bảo vệ khi xảy ra sự cố. OCh – DPRing sử dụng hai sợi để truyền tải lưu lượng theo cả hai hướng. Trong điều kiện bình thường, mỗi sợi mang một bước sóng khác nhau (l1 thuận chiều kim đồng hồ, l2 ngược chiều kim đồng hồ). Nếu một đoạn hay một nút bị sự cố thì các nút kế cận sẽ định tuyến lại các bước sóng cho đoạn cung bù của nó. Cấu hình OMS – SPRing phải thiết kế bảo vệ riêng cho từng chặn nên rất đắt và không có tính khả thi. Cấu hình OMS – SPRing bảo vệ chia sẻ nên cho phép sử dụng tài nguyên khá hiệu quả. OMS – 2 SPRing truyền lưu lượng trên cả hai sợi, mỗi sợi cấp phát một nửa tổng số các bước sóng cho các kênh hoạt động, nửa còn lại dự phòng bảo vệ các kênh hoạt động trên sợi kia. Nếu một đoạn hay một nút bị sự cố, các nút kế cận sử dụng các chuyển mạch 2×2 định tuyến lại các kênh hoạt động truyền qua đoạn cung đó lên các kênh bảo vệ của sợi truyền ngược hướng tại cùng một bước sóng hoạt động. OMS – 4 SPRing là ring WDM hai hướng mỗi chặng có bốn sợi quang, một cặp sợi quang dùng để truyền lưu lượng hoạt động, một cặp sợi quang kia dành cho dự phòng bảo vệ cho cặp hoạt động. Khi xảy ra sự cố sử dụng các chuyển mạch nhanh 2×2 tại hai nút kế cận với sự cố chuyển mạch bảo vệ để nối vòng lưu lượng trên các sợi hoạt động lên các sợi bảo vệ. Yêu cầu có báo hiệu để phối hợp chuyển mạch ở cả hai nút kết cuối sự cố. Cả hai giải pháp bảo vệ 1+1 và 1:1 đều dành tới 50% dung lượng cho bảo vệ và có thể áp dụng bảo vệ từng kênh quang trong mạng lưới WDM, các OXC chuyển tiếp không phải cấu hình lại trong trường hợp xảy ra sự cố. Cơ chế bảo vệ riêng có thể phân chia thành hai loại: một là loại tuyến bảo vệ và tuyến hoạt động chỉ tách biệt về SRG, hai là tuyến bảo vệ và tuyến hoạt động tách biệt cả về SRG và các nút trung gian. Trong bảo vệ chia sẻ tuyến, một tuyến quang bảo vệ giữa hai nút được thiết lập để bảo vệ cho N tuyến quang hoạt động giữa hai nút. Bước sóng dự phòng dành riêng trên các đoạn của đường dự phòng có thể chia sẻ với các đường dự phòng khác. Giải pháp này giảm được chi phí nhưng phức tạp hơn về cách thức thực hiện do yêu cầu trao đổi thông tin báo hiệu và phải cấu hình lại các OXC kết cuối các kênh WDM chia sẻ. Đối với cấu trúc mạng quang WDM hình lưới (mesh) sử dụng các OXC để chuyển mạch quang trên toàn mạng. Có nhiều cách thực thi bảo vệ đoạn trong cấu hình mesh, nhưng trên thực tế có hai chiến lược cấp phát dung lượng dự phòng phổ biến: giải pháp sử dụng các vòng ring vu hồi và giải pháp tổng quát hoá vòng lặp ngược. Nguyên lý các vòng ring vu hồi áp dụng cho mạng lưới WDM như sau: trước hết mạng được phân tích thành một số nhóm con các sợi, mỗi nhóm con được quản lý như một vòng ring và được trang bị một hệ thống bảo vệ OMS giống như OMS – SPRing. Khi đó mỗi hệ thống bảo vệ sẽ phản ứng với sự cố bằng cách nối vòng các kết nối bị sự cố. Một số giải pháp đang được nghiên cứu và hoàn thiện trên thế giới: giải pháp phủ nút. giải pháp phủ vòng, giải pháp phủ vòng kép và giải pháp P – cycle. Trong thực tế các mạng quang thường được xây dựng theo kiến trúc phân cấp, mỗi cấp có thể xem như một mạng con. Các miền mạng con được triển khai thường sử dụng các kiến trúc cơ bản như CS – Ring, OMS – SPRing, và kiến trúc lưới sử dụng các OXC. Dựa trên ba kiến trúc cơ bản này, ta có thể tạo ra bốn kiến trúc mạng tham chiếu là: CS – Ring hai mức, OMS – SPRing hai mức, kiến trúc lưới/ring, và kiến trúc ring/lưới.