Đồ án Các giải pháp truyền IP trên mạng quang

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN KHOA KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: CÁC GIẢI PHÁP TRUYỀN IP TRÊN MẠNG QUANG Giáo viên hướng dẫn : ThS Lê Thị Cẩm Hà Sinh viên thực hiện : Đào Anh Ngọc Lớp : ĐTVT – K28-B Quy Nhơn, 6/2010 TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN CỘNG HOÀ Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA KỸ THUẬT & CÔNG NGHỆ Độc lập – Tự do –Hạnh phúc NHIEÄM VUÏ THIEÁT KEÁ ĐỒ ÁN TOÁT NGHIEÄP Họ và tên : Đào Anh Ngọc Khóa : 28 Ngành : Điện tử - Viễn thông Bộ môn : Điện tử - Viễn thông Khoa : Kỹ thuật & Công nghệ 1. Tên đề tài thiết kế: Các giải pháp truyền IP trên mạng quang 2. Các số liệu ban đầu: 3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: 4. Các bản vẽ (ghi rõ các loại bản vẽ, kích thước bản vẽ): 5. Cán bộ hướng dẫn: Họ tên cán bộ hướng dẫn Phần hướng dẫn ThS Lê Thị Cẩm Hà Toàn phần 6. Ngày giao nhiệm vụ thiết kế : 15/3/2010 7. Ngày hoàn thành nhiệm vụ : 10/6/2010 Quy Nhơn, ngày … tháng… năm 2010 TRƯỞNG bỘ MÔN CÁN bỘ hưỚng dẪn TRƯỞNG KHOA Sinh viên đã hoàn thành Ngày … tháng .... năm 2010 Sinh viên ký tên MỤC LỤC š@&?› Trang DANH MỤC BẢNG BIỂU V DANH MỤC HÌNH VẼ VI THUẬT NGỮ VIẾT TẮT VIII LỜI MỞ ĐẦU 1 Chương 1: TỔNG QUAN 3 1.1. Xu hướng tích hợp IP trên quang 3 1.2. Quá trình phát triển 4 1.2.1. Các giai đoạn phát triển 4 1.2.1.1. Giai đoạn I: IP over ATM 5 1.2.1.2. Giai đoạn II: IP over SDH 6 1.2.1.3. Giai đoạn III: IP over Optical 6 1.2.2. Mô hình phân lớp của các giai đoạn phát triển 7 1.3. Các yêu cầu đối với truyền dẫn IP trên quang 10 Chương 2: CÔNG NGHỆ GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG 11 2.1. Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật WDM 11 2.2. Các đặc điểm của công nghệ WDM 13 2.3. Một số công nghệ then chốt 14 2.3.1. Bộ tách ghép bước sóng quang 14 2.3.2. Bộ lọc quang 16 2.3.3. Bộ đấu nối chéo quang OXC 18 2.3.4. Bộ xen/rẽ quang OADM 20 2.3.5. Chuyển mạch quang 21 2.3.6. Sợi quang 24 2.3.7. Bộ khuếch đại quang sợi 26 2.4. Một số điểm lưu ý 27 Chương 3: INTERNET PROTOCOL – IP 30 3.1. IPv4 30 3.1.1. Phân lớp địa chỉ 30 3.1.2. Các kiểu địa chỉ phân phối gói tin 32 3.1.3. Mobile IP 33 3.1.4. Địa chỉ mạng con (subnet) 33 3.1.5. Cấu trúc tổng quan của một IP datagram trong IPv4 34 3.1.6. Phân mảnh và tái hợp 39 3.1.7. Định tuyến 41 3.2. IPv6 44 3.2.1. Tại sao lại có IPv6? 44 3.2.2. Khuôn dạng datagram IPv6 45 3.2.3. Các tiêu đề mở rộng của IPv6 46 3.2.4. Các loại địa chỉ IPv6 51 3.2.5. Các đặc tính vượt trội của IPv6 52 3.2.6. Sự chuyển đổi từ IPv4 sang IPv6 52 3.2.7. IPv6 cho IP/WDM 56 Chương 4: CÁC PHƯƠNG THỨC TRUYỀN IP TRÊN QUANG 57 4.1. Kiến trúc IP/PDH/WDM 59 4.2. Kiến trúc IP/ATM/SDH/WDM 59 4.2.1. Mô hình phân lớp 59 4.2.2. Ví dụ 64 4.3. Kiến trúc IP/ATM/WDM 66 4.4. Kiến trúc IP/SDH/WDM 67 4.4.1. Kiến trúc IP/PPP/HDLC/SDH 68 4.4.2. Kiến trúc IP/LAPS/SDH 71 4.5. Công nghệ Ethernet quang (Gigabit Ethernet- GbE) 72 4.6. Kỹ thuật MPLS để truyền dẫn IP trên quang 74 4.6.1. Mạng MPLS trên quang 74 4.6.1.1. Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS 74 4.6.1.2. MPLS trên quang 76 4.6.2. Kỹ thuật lưu lượng MPLS trên quang 77 4.6.2.1. Các bó liên kết và các kênh điều khiển 78 4.6.2.2. Giao thức quản lý liên kết LMP 78 4.6.2.3. Mở rộng giao thức báo hiệu 78 4.6.2.4. Mở rộng báo hiệu 79 4.6.3. Mặt điều khiển MPLS 80 4.7. GMPLS và mạng chuyển mạch quang tự động (ASON) – Hai mô hình cho mảng điều khiển quang tích hợp với công nghệ IP. 80 4.7.1. MPLS trong mạng quang hay GMPLS (Generalized MPLS) 81 4.7.1.1. Sự khác nhau giữa MPLS và GMPLS 81 4.7.1.2. Các chức năng mảng điều khiển 82 4.7.1.3. Dịch vụ mảng điều khiển 83 4.7.1.4. Các giao thức mảng điều khiển 83 4.7.1.5. Giao thức báo hiệu 83 4.7.1.6. Mở rộng định tuyến thiết kế lưu lượng 84 4.7.1.7. Giao thức quản lý tuyến (LMP) 84 4.7.2. Mạng quang chuyển mạch tự động (ASON) 84 4.7.2.1 Kiến trúc ASON 85 4.7.2.2. Các giao diện CP ASON 85 4.7.2.3. Các yêu cầu chung của ASON 86 4.8. Công nghệ truyền tải gói động (DPT) 87 4.9. Phương thức truyền tải gói đồng bộ động (DTM) 88 4.9.1. Truyền tải IP qua mạng DTM 88 4.9.2. Cấu trúc định tuyến 89 4.9.3. Phân đoạn IPOD 89 4.9.4. Tương tác với OSPF 90 4.10. Kiến trúc IP/SDL/WDM 90 4.11. Kiến trúc IP/WDM 91 4.11.1. IP over WDM 91 4.11.1.1. Nguyên lý hệ thống 91 4.11.1.2. Định tuyến tại tầng quang 92 4.11.1.3. Vì sao chọn OXC làm nhân tố cơ bản? 94 4.11.1.4. Mô hình kiến trúc mạng IP over WDM 95 4.11.1.5. Các yêu cầu đối với mạng IP/WDM 97 4.11.2. IP over Optical 101 Chương 5: PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ VÀ ỨNG DỤNG IP TRÊN MẠNG QUANG TRONG NGN CỦA TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM (VNPT) 106 5.1. Mạng thế hệ sau (NGN) 106 5.1.1. Khái niệm về NGN 106 5.1.2. Nguyên tắc tổ chức mạng thế hệ sau (NGN) 108 5.1.3. Các đặc điểm của NGN 108 5.1.4. Các công nghệ nền tảng cho NGN 109 5.1.5. Mạng thế hệ sau của VNPT 110 5.2. Phân tích và đánh giá các phương thức tích hợp IP trên quang 114 5.2.1. Các chỉ tiêu phân tích và đánh giá 114 5.2.2. Phân tích và đánh giá 116 5.3. Tình hình triển khai IP trên quang của VNPT 120 5.3.1. Giai đoạn trước năm 2004 120 5.3.2. Giai đoạn từ năm 2004 đến 2005 121 5.3.3. Giai đoạn 2005-2007 122 5.3.4. Giai đoạn 2007-2010 123 5.4. Đề xuất phương án IP trên quang cho những năm tới 125 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 126 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC BẢNG BIỂU š@&?› Số hiệu bảng Tên bảng Trang 3.1 Miền giá trị của từng lớp địa chỉ 32 3.2 Cấu trúc bảng định tuyến 41 4.1 Giá trị của SAPI tương ứng với các dịch vụ lớp trên 71 5.1 Các tham số đánh giá ngăn giao thức mạng 114 DANH MỤC HÌNH VẼ š@&?› Số hiệu hình vẽ Tên hình vẽ Trang 1.1 Tiến trình phát triển của tầng mạng 5 1.2 Mô hình phân lớp của các giai đoạn phát triển 7 2.1 Hệ thống WDM 12 2.2 Thiết bị phân tán góc 15 2.3 Thiết bị ghép sợi 16 2.4 Bộ lọc màng mỏng điện môi có nhiều khoang cộng hưởng 17 2.5 Bộ lọc Fabry - Perot 17 2.6 Sơ đồ mạch của bộ OXC 19 2.7 Kết cấu chức năng của OADM 21 2.8 Ví dụ về chuyển mạch quang không gian loại sợi quang 22 2.9 Cấu trúc module vi gương 23 3.1 Mô hình phân lớp địa chỉ IP 31 3.2 Địa chỉ mạng con của địa chỉ lớp B 34 3.3 Định dạng datagram của IPv4 35 3.4 Trường TOS 35 3.5 Trường Flags 37 3.6 Định dạng datagram của IPv6 45 3.7 Lựa chọn mã hoá TLV 47 3.8 Khuôn dạng của Hop – by – Hop Options Header 48 3.9 Khuôn dạng của Routing Header 49 3.10 Tiêu đề Fragment IPv6 49 3.11 Các phương thức chuyển đổi IPv4 sang IPv6. 53 3.12 Ngăn kép. 53 3.13 Đường hầm tự động. 54 3.14 Đường hầm sắp xếp. 54 3.15 Sự chuyển đổi tiêu đề. 55 4.1 Ngăn giao thức của các kiểu kiến trúc. 58 4.2 Ngăn giao thức IP/ATM/SDH. 59 4.3 Đóng gói LLC/SNAP. 60 4.4 Xử lý tại lớp thích ứng ATM AAL5. 61 4.5 Sắp xếp các tế bào ATM vào VC-3/VC-4. 61 4.6 Sắp xếp các tế bào ATM vào VC-4-Xc. 62 4.7 Sắp xếp các tế bào ATM vào 63 4.8 Khung STM-N. 64 4.9 Ví dụ về IP/ATM/SDH/WDM. 65 4.10 Ngăn giao thức IP/ATM/SDH. 66 4.11 Ngăn xếp giao thức IP/SDH. 67 4.12 Khuôn dạng khung PPP. 69 4.13 Khung HDLC chứa PPP. 70 4.14 Khung LAPS chứa IP datagram. 71 4.15 Ví dụ về mạng IP/SDH/WDM. 72 4.16 Khung Gigabit Ethernet. 73 4.17 Mạng MPλS. 78 4.18 Phân cấp phát chuyển của GMPLS. 82 4.19 ASON Kiến trúc mảng điều khiển. 85 4.20 Mô hình xếp chồng của mạng ASON. 86 4.21 Định tuyến hop-by-hop hay thiết lập shortcut. 90 4.22 Cấu trúc mào đầu SDL. 91 4.23 Mô hình overlay và peer. 96 4.24 Sơ đồ khối thiết bị chuyển mạch gói quang. 101 4.25 Khe thời gian cho truyền dẫn theo gói tin. 102 4.26 Tái sinh quang luồng dữ liệu mã RZ. 103 4.27 Bộ đệm khi có và không có TWC. 105 5.1 Cấu trúc mạng NGN 107 5.2 Các lớp và thiết bị NGN trong giải pháp SURPASS 110 5.3 Cấu trúc mạng thế hệ sau giai đoạn hai của VNPT năm 2008. 112 5.4 Giai đoạn trước năm 2004. 120 5.5 Giai đoạn từ năm 2004 đến 2005. 121 5.6 Giai đoạn 2005-2007. 123 5.7 Giai đoạn sau năm 2010. 125 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT š@&?› AAL ATM Adaptation Layer Lớp thích ứng ATM ADM Add/Drop Multiplexer Bộ xe/rẽ kênh quang ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line Đường dây thuê bao số bất đối xứng APD Avalanche PhotoDetector Bộ tách quang thác APS Automatic Protection Switch Chuyển mạch bảo vệ tự động AR Asynchronous Regernation Tái sinh cận đồng bộ ARP Address Resolution Protocol Giao thức chuyển đổi địa chỉ ASE Amplified Spontanous Emission Bức xạ tự phát có khuếch đại ATM Asychronous Transfer Mode Phương thức truyền tải không đồng bộ BGP Border Gateway Protocol Giao thức cổng biên CBR Constant Bit Rate Tốc độ bit không đổi CR-LDP Constain-based Routing using Lable Distribution Protocol Định tuyến và sử dụng giao thức phân phối nhãn DBR Distribute Bragg Reflect Laser phản xạ Bragg phân bố DFB Distribute FeedBack Laser phản hồi phân bố DVA Distance Vector Algorithm Thuật toán vector khoảng cách DWDM Dense Wavelength Division Multiplex Ghép kênh bước sóng mật độ cao DXC Digital Cross-Connect Kết nối chéo số EGP External Gateway Protocol Giao thức ngoài cổng FCS Frame Check Sequence Chuỗi kiểm tra khung FEC Forward Error Correction Sửa lỗi trước FPA Fabry-Perot Amplifier Bộ khuếch đại Fabry-Perot FR Frame Relay Trễ khung FWM Four Wavelength Mix Hiệu ứng trộn bốn bước sóng HDLC High-level Data Link Control Điều khiển liên kết dữ liệu mức cao Host ID Host Identification Phần chỉ thị host ICMP Internet Control Message Protocol Giao thức bản tin điều khiển Internet ICT Information and Communication Technologies Công nghệ thông tin và truyền thông IGMP Internet Group Management Protocol Giao thức quản lý nhóm IGP Internal Gateway Protocol Giao thức trong cổng IP Internet Protocol Giao thức Internet IS - IS Intermediate System – to – Intermadiate System Giao thức node trung gian-node trung gian ITU International Telecommunication Union Liên hiệp viễn thông quốc tế LAN Local Area Network Mạng địa phương LCP Link Control Protocol Giao thức điều khiển liên kết LEAF Larger Effect Area Fiber Sợi quang có diện tích hiệu dụng Cao LMP Link Management Protocol Giao thức quản lý liên kết LSA Link State Algorithm Thuật toán trạng thái liên kết LSP Lable Switch Path Đường chuyển mạch nhãn LSR Lable Switched Router Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn MF More Fregment Còn mảnh MG Media Gateway Cổng truyền thông MPLS MultiProtocol Lable-Switch Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLSTE MPLS Traffic Engineering Kỹ thuật lưu lượng MPLS MPλS MultiProtocol Lambda Switching Chuyển mạch bước sóng đa giao thức MSOH Multiplex Section OverHead Mào đầu đoạn ghép MTU Maximum Transmission Unit Đơn vị truyền dẫn lớn nhất Net ID Network Identification Chỉ thị mạng NGN Next Generation Network Mạng thế hệ tiếp theo NMS Network Management Station Trạm quản lý mạng NNI Network-Network Interface Giao diện mạng-mạng OADM Optical ADM ADM quang OAM&P Operation, Administation, Maintaince and Provisioning Các chức năng vận hành, quản lý, bảo dưỡng và giám sát Och Optical Channel Kênh quang OCHP Optical CHannel Protection Bảo vệ kênh quang ODSI Optical Domain Service Interconnect Kết nối dịch vụ miền quang OIF Optical Internetworking Forum Diễn đàn kết nối mạng quang OMS Optical Multiplex Section Đoạn ghép kênh quang OMSP OMS Protection Bảo vệ đoạn ghép kênh quang OSS/BSS Operations Support System / Business Support System Hệ thống hỗ trợ hoạt động / Hệ thống hỗ trợ doanh nghiệp OSPF Open Shortest Path First Lựa chọn đường đi ngắn nhất OTN Optical Transport Network Mạng truyền tải quang OTS Optical Transmission Section Đoạn truyền dẫn quang O-UNI Optical User-Network Interface Giao diện mạng-người sử dụng OXC Optical Cross-connect Kết nối chéo quang PCM Pulse Code Modulaion Điều chế xung mã PDH Plesiochronous Digital Hierarche Phân cấp số cận đồng bộ PIN Positive Intrinsic Negative Bộ tách sóng quang loại PIN POH Path OverHead Mào đầu đường truyền PPP Point to Point Protocol Giao thức điểm nối điểm PSTN Public Switching Telephone Network Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng PVC Permanent Virtual Channel Kênh ảo cố định QoS Quality of Service Chất lượng của dịch vụ RARP Reverse ARP Giao thức chuyển đổi địa chỉ ngược RIP Routing Information Protocol Giao thức thông tin định tuyến RSOH Regeneration Section OverHead Mào đầu đoạn lặp RSVP Resource Reservation Protocol Giao thức chiếm tài nguyên RTCP RTP Control Protocol Giao thức điều khiển RTP RTP Real Time Protocol Giao thức thời gian thực SAPI Service Access Point Identifier Chỉ thị điểm truy cập dịch vụ SDH Synchronous Digital Hierarche Phân cấp số đồng bộ SLA Semiconductor Laser Amplifier Bộ khuếch đại laser bán dẫn SNMP Simple Network Management Protocol Giao thức quản lý mạng đơn giản SPM Self Pulse Modulation Hiệu ứng tự điều chế pha SRS Stimulated Raman Scattering Hiệu ứng tán xạ bị kích thích Raman SVC Switched Vitual Channel Kênh chuyển mạch ảo TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn TE Traffic Engineering Kỹ thuật lưu lượng TMN Telecommunications Management Network Quản lý mạng viễn thông TNMS The management system for next generation optics Quản lý hệ thống cho mạng quang thế hệ tiếp theo TLV Type Length Value Kiểu mã hoá loại-độ dài-giá trị UBR Unspecified Bit Rate Tốc độ bit không xác định UCP Unified Control Plane Mặt điều khiển chung UDP User Datagram Protocol Giao thức gói dữ liệu người dùng UNI User-Network Interface Giao diện mạng-người dùng VBR-rt Variable Bit Rate-real time Tốc độ bit khả biến-thời gian thực VC Virtual Channel Kênh ảo VCI VC Identification Nhận dạng kênh ảo VP Virtual Path Đường ảo VT Virtual Tributary Luồng ảo WAN Wide Area Network Mạng diện rộng WP Wavelength Path Đường bước sóng LỜI MỞ ĐẦU š@&?› Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin và truyền thông đặc biệt là Internet trong những năm gần đây đã làm một cuộc cách mạng hoá đến rất nhiều khía cạnh trong cuộc sống của chúng ta. Nó làm thay đổi hẳn các hoạt động mang tính chất truyền thống của con người. Bằng cách sử dụng Internet người ta có thể đọc một tờ báo ở một thành phố rất xa, hoặc tìm kiếm một bộ phim hành động đang chiếu ở đâu đó, người ta có thể gửi mail, trao đổi dữ liệu, nói chuyện với một người lạ ở bất kỳ nơi nào người ta muốn. Chính sự đơn giản trong sử dụng, đa dạng trong số các dịch vụ cung cấp và tương đối rẻ so với các loại hình thức dịch vụ khác, Internet đã phát triển một cách mạnh mẽ và nhanh chóng tại các quốc gia trên thế giới. Bên cạnh đó, các nhà cung cấp dịch vụ ngày càng cung cấp các loại hình dịch vụ khác nhau nhằm đáp ứng nhu cầu của khách hàng. Các loại hình dịch vụ như: thoại, âm thanh, hình ảnh đều có thể sử dụng giao thức Internet (IP) nhờ tính phổ thông và giá thành rẻ của nó. Mỗi loại dịch vụ đều có một yêu cầu về băng thông, tốc độ truyền dẫn, chất lượng dịch vụ…phục vụ nhu cầu của người sử dụng. Trong những năm gần đây, lưu lượng qua mạng Internet tăng trưởng đột biến, những nhà cung cấp dịch vụ ICT, đặc biệt là các công ty sở hữu và khai thác hạ tầng mạng phải liên tục nâng cấp mạng để đáp ứng nhu cầu về băng thông và dịch vụ. Tuy vậy, hầu như tất cả các dự án giải quyết về lưu lượng mạng đều chậm hơn so với thực tế. Trong tình huống này đã có một sự đột phá về công nghệ nhằm giải quyết vấn đề dung lượng và chất lượng mạng cho xã hội thông tin, đó chính là công nghệ chuyển mạch dựa trên bước sóng (D)WDM, và với sự tiến bộ nhanh chóng, công nghệ DWDM xứng đáng là giải pháp hợp lý cho vấn đề này hiện nay và cả trong tương lai. Đó là kỳ vọng đáp ứng cho sự tăng trưởng hàm mũ của lưu lượng qua mạng (như Internet) và sự cam kết khắt khe ngày càng cao về chất lượng dịch vụ. Khái niệm IP over DWDM mô tả công nghệ cho phép chuyển gói tin IP thô trên lớp DWDM, mở ra một số định hướng mới cho mạng tốc độ siêu cao Terabit, đồng thời cũng là nền móng vững chắc tiến đến kỷ nguyên mạng thuần quang (all-optical network). Do đó, việc ứng dụng kỹ thuật IP trên quang là một xu hướng tất yếu của các mạng viễn thông hiện nay. Để tìm hiểu và nghiên cứu kỹ thuật này, đồ án tốt nghiệp của em với đề tài “Các giải pháp truyền IP trên mạng quang” sẽ trình bày tổng quan các phương thức hướng đến công nghệ IP trên quang bằng cách sử dụng lại các công nghệ hiện có như: PDH, SDH, ATM…và sử dụng các công nghệ mới như: DTM, SDL…Qua đó đánh giá về QoS của các phương thức và trình bày công nghệ được ứng dụng trong mạng viễn thông hiện nay. Nội dung của đề tài được chia thành 5 chương như sau: - Chương 1: Giới thiệu chung về sự phát triển của Internet, xu hướng tích hợp IP trên quang. Đánh giá sơ bộ về ưu điểm và nhược điểm của các mô hình truyền dẫn IP trên quang. Yêu cầu đối với việc truyền dẫn IP trên quang. - Chương 2: Trình bày về công nghệ ghép kênh theo bước sóng, các thiết bị của hệ thống và yêu cầu đối với các thiết bị này. Và một số chú ý khi sử dụng công nghệ DWDM. - Chương 3: Tìm hiểu về giao thức IP với hai phiên bản là IPv4 và IPv6. Bao gồm: khuôn dạng gói tin, quá trình phân mảnh và tái hợp, định tuyến, đặc tính vượt trội của IPv6 so với IPv4 và sự chuyển đổi từ IPv4 sang IPv6. - Chương 4: Nghiên cứu các phương thức truyền dẫn IP trên quang. Đặc biệt lưu ý giai đoạn cuối cùng - truyền dẫn IP datagram trực tiếp trên quang: nguyên lý, kiến trúc, các yêu cầu đối với hệ thống. - Chương 5: Phân tích và đánh giá các giải pháp đã trình bày ở chương 4. Tìm hiểu nguyên tắc tổ chức và phương thức ứng dụng trong NGN của Tập đoàn bưu chính viễn thông Việt Nam - VNPT. Do hạn chế về thời gian và năng lực nên nội dung của đồ án này không tránh khỏi những thiếu sót và nhầm lẫn. Em mong quý Thầy, Cô giáo và các bạn quan tâm, đóng góp ý kiến thêm. Chương 1: TỔNG QUAN š@&?› Khoa học công nghệ trong thời đại ngày nay đặc biệt công nghệ thông tin và viễn thông đã phát triển vô cùng mạnh mẽ và đã có những ảnh hưởng sâu sắc đến đời sống kinh tế xã hội. Sự phát triển này làm thay đổi hẳn cách sống và cách làm việc của con người và đã đưa loài người sang một kỷ nguyên mới - kỷ nguyên của nền kinh tế tri thức. Khi công nghệ viễn thông và tin học phát triển đến trình độ cao, chúng luôn luôn tác động và hỗ trợ cho nhau cùng phát triển. Quá trình này dẫn đến sự hội tụ của công nghệ viễn thông và tin học, tạo nên một mạng truyền thông thống nhất đáp ứng mọi nhu cầu dịch vụ đa dạng, phong phú của xã hội. Mạng viễn thông thống nhất có xu thế toàn cầu hoá với mục tiêu phát triển: - Công nghệ hiện đại. - Chất lượng tiên tiến. - Khai thác đơn giản, thuận tiện. - Chuẩn hoá quốc tế và đạt được hiệu quả kinh tế cao. Chính vì thế, cần có một phương thức truyền dẫn mới ra đời có khả năng đáp ứng được các yêu cầu này. 1.1. Xu hướng tích hợp IP trên quang Nhu cầu truyền tải IP qua mạng ngày càng tăng. Trong khi IP được xem như là công nghệ lớp mạng phổ biến thì công nghệ WDM cung cấp khả năng dung lượng truyền dẫn lớn. DWDM cho phép ghép STM-16 (2,5Gbps) hay STM-64 (10Gbps) kênh thoại trên các bước sóng để truyền dẫn song song trên một sợi cáp quang. Hơn nữa, khả năng cấu hình mềm dẻo của các bộ OXC đã cho phép xây dựng mạng linh hoạt hơn, nhờ đó các đường quang (lightpath) có thể lập theo nhu cầu. Một trong những thách thức quan trọng đó là vấn đề điều khiển các lightpath này, tức là phát triển các cơ chế và thuật toán cho phép thiệt lập các lightpath nhanh và cung cấp khả năng khôi phục khi có sự cố, trong khi vẫn đảm bảo được tính tương tác giữa các nhà cung cấp thiết bị. Đã có nhiều phương pháp để cung cấp dịch vụ gói IP trên mạng quang được đề nghị: IP/ATM/SDH over WDM, IP/SDH over WDM, v.v.v. Tuy nhiên việc quản lý mạng theo các phương pháp trên gặp không ít khó khăn. Nguyên nhân chủ yếu gây nên sự phức tạp trong quản lý chính là sự phân lớp theo truyền thống của giao thức mạng. Các mạng truyền thống có rất nhiều lớp độc lâp, do đó có nhiều chức năng chồng chéo nhau ở các lớp và thường xuyên có sự mâu thuẫn lẫn nhau. Vì vậy, một trong những giải pháp để giảm chi phí xây dựng và quản lý mạng một cách triệt để đó là số lớp giao thức. Hơn nữa, khi dung lượng và khả năng kết nối mạng trong cả công nghệ IP và WDM tăng lên thì càng cần thiết tối ưu mạng IP và bỏ qua tất cả các công nghệ lớp trung gian để tạo nên mạng Internet quang thật sự hiệu quả và mềm dẻo. Tuy nhiên, các lớp trung gian cung cung cấp một số chức năng có giá trị như lưu lượng (Traffic Engineering) và khôi phục. Những chức năng này cần được giữ lại trong mạng IP/WDM bằng cách đưa chúng lên lớp IP hoặc xuống lớp quang. Từ đó người ta mới nghĩ đến công nghệ IP over WDM. Đây là một công nghệ mới cung cấp khả năng truyền dẫn trực tiếp gói số liệu IP trên kênh quang, giảm sự lặp chức năng giữa các lớp mạng, giảm bộ phận trung tâm dư thừa tại các lớp SDH/SONET, ATM, giảm thao tác thiệt bị, dẫn đến giảm chi phí bảo dưỡng và quản lý. Do không phải qua lớp SDH và ATM nên gói số liệu có hiệu suất truyền dẫn cao nhất, đồng nghĩa với chi phí thấp nhất. Ngoài ra còn có thể phối hợp với đặc tính lưu lượng không đối xứng của IP, tận dụng băng tần nhằm giảm giá thành khai thác. Từ đó gián tiếp giảm chi phí cho thuê bao. Rõ ràng đây là một kết cấu mạng trực tiếp nhất, đơn giản nhất, kinh tế nhất, rất thích hợp sử dụng cho các mạng đường trục. 1.2. Quá trình phát triển 1.2.1. Các giai đoạn phát triển Do sự phát triển về công nghệ còn nhiều hạn chế mà kỹ thuật IP over Optical không thể thực hiện ngay lập tức các gói IP trực tiếp trên quang. Để đạt được kỹ thuật này cần phải trải qua một quá trình phát triển. Quá trình này được chia ra làm 3 giai đoạn phát triển và được minh hoạ trong hình 1.1. Hình 1.1: Tiến trình phát triển của tầng mạng 1.2.1.1. Giai đoạn I: IP over ATM Đây là giai đoạn đầu tiên trong công nghệ truyền tải IP trên quang. Trong giai đoạn này, các IP datagram trước khi đưa vào mạng truyền tải quang (OTN) thì phải thực hiện chia cắt thành các tế bào ATM để có thể đi từ nguồn tới đích. Tại chuyển mạch ATM cuối cùng, các IP datagram mới được khôi phục lại từ các tế bào. Đây là giai đoạn đầu tiên nên có đầy đủ các tầng IP, ATM và SDH, do đó chi phí cho lắp đặt, vận hành và bảo dưỡng là tốn kém nhất. Tuy nhiên, khi mà công nghệ của các router còn nhiều hạn chế về mặt tốc độ, dung lượng thì việc xử lý truyền dẫn IP trên quang thông qua ATM và SDH vẫn có lợi về mặt kinh tế. 1.2.1.2. Giai đoạn II: IP over SDH IP over SDH là giai đoạn tiếp theo trong tiến trình phát triển hướng tới mạng Internet quang – mô hình này đã được sử dụng trong nhiều mạng thực tế hiện nay. Trong hình vẽ này, tầng ATM đã bị loại bỏ và các IP datagram được chuyển trực tiếp xuống tầng SDH. Như vậy, đã loại bỏ được các chức năng, sự hoạt động và chi phí bảo dưỡng cho riêng mạng ATM. Điều này có thể thực hiện được bởi công nghệ router đã có những ưu điểm vượt trội so với chuyển mạch ATM về mặt tính năng, dung lượng và còn vì router IP là phương tiện có chức năng định hướng cho đơn vị truyền dẫn ưu việt: IP datagram. Ngoài ra, việc có thêm kỹ thuật MPLS bổ sung vào tầng IP sẽ xuất hiện hai khả năng mới. Đầu tiên, nó cho phép thực hiện kỹ thuật lưu lượng nhờ vào khả năng thiết lập kênh ảo VC - giống như các đường cụ thể trong mạng chỉ gồm các router IP. Thứ hai, MPLS tách riêng mặt điều khiển ra khỏi mặt định hướng nên cho phép giao thức điều khiển IP quản lý trạng thái thiết bị mà không yêu cầu xác định rõ biên giới của các IP datagram (như trong chuyển mạch ATM đòi hỏi phải xác định rõ biên giới của từng tế bào). Như vậy, có thể dễ dàng xử lý đối với các IP datagram có độ dài thay đổi. 1.2.1.3. Giai đoạn III: IP over Optical Trong giai đoạn này, tầng SDH cũng bị loại bỏ và IP datagram được chuyển trực tiếp xuống tầng quang. Việc loại bỏ tầng ATM và tầng SDH đồng nghĩa với việc có ít phần tử mạng phải quản lý hơn. Sự kết hợp IP phiên bản mới với khả năng khôi phục của tầng quang, các thiết bị OAM&P và chức năng định tuyến phân bố đã tạo ra khả năng phục hồi, phát hiện lỗi và giám sát nhanh. Một điểm mới là với cấu trúc khung gọn nhẹ có thể thay thế cho các chức năng mà các khung SDH thực hiện trong các kết nối Och. Sự tồn tại của hàng loạt giao thức kỹ thuật lưu lượng MPLS (MPLS TE) đã mở rộng khả năng hoạt động cho mạng quang và tầng IP, đặc biệt là các router IP ngày nay có thể giao diện trực tiếp với mạng quang. Thông qua 3 giai đoạn phát triển trên ta thấy rằng càng các giai đoạn về sau thì các tầng ATM, SDH càng giảm do ít sử dụng vì một số hạn chế vốn có của nó trong khi yêu cầu về chất lượng dịch vụ càng ngày càng tăng, còn DWDM càng tăng lên do có những ưu điểm ưu việt cho việc tích hợp các gói tin IP trên quang. Trong quá trình đó xuất hiện một số công nghệ mới hỗ trợ cho việc phát triển truyền dẫn cho quá trình tích hợp IP trên quang như GMPLS, DTM, GbE...Trong phần tiếp theo sẽ nghiên cứu mô hình phân lớp của chúng. 1.2.2. Mô hình phân lớp của các giai đoạn phát triển Hình 1.2: Mô hình phân lớp của các giai đoạn phát triển IP over ATM/SDH/Optical. IP over SDH/Optical. IP over Optical. - Tầng OTN Tầng OTN là lớp mạng truyền tải quang, nó bao gồm các lớp sau: Lớp kênh quang (Och): định nghĩa một kết nối quang (đường tia sáng) giữa hai thực thể client quang. Lớp kênh quang là sự truyền dẫn trong suốt các tin tức dịch vụ từ đầu cuối đến đầu cuối (Kênh quang Och tương đương với một bước sóng trong DWDM). Nó thực hiện các chức năng sau: định tuyến tin tức của thuê bao khách hàng, phân phối bước sóng, sắp xếp kênh tín hiệu quang để mạng kết nối linh hoạt, xử lý các thông tin phụ của kênh tín hiệu quang, đo kiểm lớp kênh tín hiệu quang và thực hiện chức năng quản lý. Khi phát sinh sự cố, thông qua việc định tuyến lại hoặc cắt chuyển dịch vụ công tác sang tuyến bảo vệ cho trước để thực hiện đấu chuyển bảo vệ và khôi phục mạng. Lớp đoạn ghép kênh quang (OMS): định nghĩa việc kết nối và xử lý trong nội bộ ghép kênh hay một nhóm các kết nối quang ở mức kênh quang Och (OMS còn được gọi là một nhóm bước sóng truyền trên cáp sợi quang giữa hai bộ ghép kênh DWDM). Nó đảm bảo truyền dẫn tín hiệu quang ghép kênh nhiều bước sóng giữa hai thiết bị truyền dẫn ghép kênh bước sóng lân cận, cung cấp chức năng mạng cho tín hiệu nhiều bước sóng. OMS có các tính năng như: cấu hình lại đoạn ghép kênh quang để đảm bảo mạng định tuyến nhiều bước sóng linh hoạt, đảm bảo xử lý hoàn chỉnh tin tức phối hợp của đoạn ghép kênh quang nhiều bước sóng và thông tin phụ của đoạn ghép kênh quang, cung cấp chức năng đo kiểm và quản lý của đoạn ghép kênh quang để vận hành và bảo dưỡng mạng. Lớp đoạn truyền dẫn quang (OTS): định nghĩa cách truyền tín hiệu quang trên các phương tiện quang đồng thời thực hiện tính năng đo kiểm và điều khiển đối với bộ khuếch đại quang và bộ lặp. Lớp này thực hiện các vấn đề sau: cân bằng công suất, điều khiển tăng ích của EDFA, tích luỹ và bù tán sắc. Lớp sợi quang: là tầng vật lý ở dưới cùng, gồm các sợi quang khác nhau như: G.652, G.653, G.655... Các sợi này sẽ được trình bày trong chương sau. - Tầng SDH Tầng SDH có tốc độ thấp, các mạch đường dây TDM (ví dụ luồng 2 Mbps, 34 Mbps) nối với các thiết bị client (như chuyển mạch ATM), sắp xếp chúng vào khuôn dạng của các khung đồng bộ để truyền tải qua mạng truyền tải tốc độ cao (có thể là STM-1). Điển hình cho chức năng này là hoạt động của bộ ghép kênh xen/rẽ ADM SDH. Nói chung ADM được thiết kế để sử dụng trong cấu hình mạng ring quang, và mạng SDH được tạo bởi hai hay nhiều mạng ring kết nối vào nhau thông qua việc sử dụng các thiết bị kết nối chéo số DXC. Việc thiết lập một mạch TDM kết nối end-to-end có thể mất nhiều thời gian bởi vì nhà cung cấp phải xử lý tại từng ring và từng DXC dọc trên đường truyền. Kế thừa mạch ghép kênh TDM trong mạng thoại, mạng SDH cung cấp tất cả các chức năng vận hành, quản lý, bảo dưỡng và giám sát (OAM&P). Các chức năng này được dùng để thiết lập và quản lý các mạch kết nối qua mạng. Để bảo vệ thông tin khi sợi quang bị đứt hay bị các tổn hao quan trọng khác, mạng SDH có chức năng chuyển mạch bảo vệ tự động (APS). APS cho phép thiết lập và chuyển mạch sang các đường bảo vệ vật lý dự phòng trong trường hợp lỗi xảy ra trên đường hoạt động. Dịch vụ được khôi phục nhanh chóng (trong khoảng thời gian xấp xỉ 50 ms), nhưng khi đó ta phải có băng thông rộng hơn và phải có chi phí thêm cho các thiết bị được lắp đặt trên đường truyền dự phòng. - Tầng ATM Tầng ATM (nếu có) nằm ngay trên tầng SDH, hỗ trợ một vài chức năng mạnh cho mạng. Đây là kỹ thuật kết nối có định hướng yêu cầu thiết lập một kênh ảo VC giữa nguồn và đích trước khi thông tin được trao đổi. VC có thể được thiết lập thông qua tiến trình xử lý động một cách tự động hoặc bằng lệnh. Tiến trình này có sử dụng báo hiệu của ATM và các giao thức định tuyến. ATM có lớp đa dịch vụ cho phép nhà cung cấp thực hiện ghép kênh và truyền tải lưu lượng dữ liệu, thoại và video với tính năng có thể dự đoán trước lưu lượng để thực hiện ghép kênh thống kê ATDM. Ngoài việc định nghĩa kênh ảo VC trên một đường truyền xác định giữa hai điểm trên mạng, nhà cung cấp còn có thể sử dụng ATM để thực hiện kỹ thuật lưu lượng TE. Tại tầng ATM có thể thực hiện chức năng chuyển mạch gói theo từng tế bào ATM. Việc này được thực hiện tại các tổng đài ATM. Tại đây, chỉ thị kênh ảo VCI và chỉ thị đường ảo VPI được biên dịch để các tế bào ATM đến được đầu ra tương ứng. Đây là xử lý chuyển mạch gói tại miền điện. Tuy nhiên, giống như bất kỳ một công nghệ nào khác ATM cũng có những hạn chế của nó. Hiệu quả băng thông bị giảm vì ATM cắt các gói thành các tế bào 53 byte để truyền tải, trong đó có 5 byte tiêu đề mang thông tin điều khiển cho mỗi tế bào ATM. Một hạn chế khác là khả năng mở rộng scalability: giao thức định tuyến IP không thể thực hiện được khi lượng liên kết lớn, do đó không thể mở rộng phạm vi mạng. Một VC được coi là một liên kết, và để kết nối N router IP trong kiến trúc mạng mesh với đầy đủ các kết nối thì cần (N2 - N) VC được thiết lập và quản lý. Cuối cùng là ATM yêu cầu phải có sơ đồ địa chỉ, giao thức định tuyến và hệ thống quản lý mạng của nó, vì thế làm tăng độ phức tạp của mạng và tăng chi phí vận hành. - Tầng IP Tầng IP có chức năng cung cấp dịch vụ cho các tầng dưới. Tầng này sử dụng giao thức chính là giao thức IP. Tại đây thực hiện việc đóng gói dữ liệu, thoại và video thành các IP datagram, sau đó định hướng nó truyền qua mạng theo từng bước một. Tầng IP cung cấp các liên kết any-to-any, chức năng liên kết mạng phi kết nối. Nó cũng có khả năng tự sửa lỗi, nghĩa là các gói IP có thể được định tuyến động khi mạng, node hay liên kết xảy ra lỗi. 1.3. Các yêu cầu đối với truyền dẫn IP trên quang Giao thức IP thực hiện truyền dẫn dựa trên cơ sở đơn vị truyền dẫn là các IP datagram. Và các datagram này định tuyến hoàn toàn độc lập với nhau cho dù có xuất phát từ cùng một nguồn và đến cùng một đích. Để đảm bảo sử dụng các tài nguyên của mạng với hiệu suất cao thì các gói tin có thể đi theo bất kỳ hướng nào mà tài nguyên rỗi. Vì thế đòi hỏi năng lực định tuyến của các node mạng phải cao. Mặt khác, nhược điểm lớn nhất của IP chính là trễ lớn do phải chia sẻ tài nguyên và các gói tin phải xử lý tiêu đề và có thể phải phân tách datagram (nếu cần) tại mỗi node trung gian trên đường truyền dẫn. Để khắc phục có thể ứng dụng rộng rãi phiên bản mới của IP là IPv6 có thể định tuyến và phân đoạn datagram ngay tại nguồn. Ngoài ra, có thể sử dụng các giao thức giúp định tuyến nhanh hơn như sử dụng giao thức MPlS. Để có thể đưa kỹ thuật này vào thực tế, một yêu cầu khá quan trọng khác là tính hiện hữu của công nghệ cũng như giá thành thiết bị của nhà cung cấp hay các thiết bị của khách hàng. Như vậy, trong chương 1 đã trình bày xu hướng tất yếu là tích hợp IP trên quang. Trong đó, với sự phát triển mạnh mẽ của Internet thì giao thức IP và công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM và DWDM là những công nghệ lõi và đóng một vai trò quyết định trong quá trình tích hợp IP trên quang. Trong phần tiếp theo, đồ án sẽ nghiên cứu về giao thức và công nghệ này. Tuy nhiên, các công nghệ khác như: MPLS, GMPLS, DTM, GbE…đã làm tăng tính đa dạng cho quá trình này và tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tích hợp IP trên quang sẽ được giới thiệu trong các kiến trúc cụ thể tương ứng. Chương 2: CÔNG NGHỆ GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG š@&?› Do hệ thống truyền dẫn thông tin quang có nhiều ưu điểm trội hơn hẳn các hình thức thông tin khác như: băng thông rộng, tốc độ cao, không chịu ảnh hưởng của sóng điện từ…nên thông tin quang đang giữ vai trò chính trong việc truyền tín hiệu ở các tuyến đường trục và các tuyến xuyên lục địa, vượt đại dương…Công nghệ hiện nay đã tạo đà cho thông tin quang phát triển theo xu hướng hiện đại và kinh tế nhất trong mạng viễn thông. Vì vậy, các hệ thống truyền dẫn thông tin quang sẽ dần thay thế các hệ thống thông tin theo phương pháp truyền thống. DWDM (ghép kênh theo bước sóng mật độ cao) là bước phát triển tiếp theo của WDM. Nguyên lý của nó tương tự như WDM chỉ khác là khoảng cách giữa các kênh bước sóng gần hơn, tức là số kênh ghép được nhiều hơn. Thông thường khoảng cách kênh ghép là 0.4 nm (50GHz). Hiện nay người ta dùng WDM với nghĩa rộng bao hàm cả DWDM. 2.1. Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật WDM Hiện nay, kỹ thuật thông tin quang đã được ứng dụng rộng rãi. Tuy nhiên, trong thời gian gần đây cùng với sự phát triển của Internet do máy tính cá nhân phổ cập, sự xuất hiện của dịch vụ đa phương tiện và cuộc cách mạng thông tin di động, thông tin cá nhân…dẫn đến sự bùng nổ thông tin. Với các hệ thống cáp quang đã được lắp đặt từ trước thì nguồn tài nguyên dường như đã cạn kiệt. Yêu cầu đặt ra là phải có các giải pháp để khắc phục hiện tượng này. Nếu phải lắp thêm các đường cáp quang mới thì chi phí sẽ rất cao. Mặt khác, sự ra đời của các loại nguồn quang laser bán dẫn có phổ hẹp cho phép phổ của tia sáng là rất nhỏ so với băng thông của sợi quang. Về mặt lý thuyết, có thể làm tăng dung lượng truyền dẫn của hệ thống bằng cách truyền đồng thời nhiều tín hiệu quang trên cùng một sợi nếu các nguồn phát có phổ cách nhau hợp lý và ở đầu thu có thể thu được tín hiệu quang riêng biệt khi sử dụng các bộ tách bước sóng. Và đây chính là cơ sở của kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM. Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật WDM là các tín hiệu quang có bước sóng khác nhau ở đầu phát được ghép kênh và truyền trên cùng một sợi quang. Ở đầu thu, tín hiệu gồm nhiều bước sóng đến từ sợi quang đó được tách kênh để thực hiện xử lý theo yêu cầu của từng bước sóng. Như vậy, WDM có nghĩa là độ rộng băng quang của một liên kết được tách thành các vùng phổ cố định, không chồng lấn. Mỗi vùng tương ứng với một kênh có bước sóng λi. Các kênh khác nhau thì độc lập với nhau và truyền với các tốc độ xác định. Điều này cho phép WDM được xem như là hệ thống truyền dẫn mà tín hiệu được truyền trong suốt đối với dạng mã và tốc độ bit. Hình 2.1: Hệ thống WDM a, Hệ thống WDM một hướng b, Hệ thống WDM hai hướng Hình 2.1 mô tả hai loại hệ thống WDM: hệ thống ghép kênh bước sóng hai hướng trên hai sợi khác nhau (hệ thống WDM một hướng) và hệ thống ghép kênh bước sóng hai hướng khác nhau trên một sợi (hệ thống WDM hai hướng). Trong hệ thống WDM một hướng, tại đầu phát thiết bị ghép bước sóng được dùng để kết hợp các bước sóng khác nhau sau đó truyền trên cùng một sợi quang. Tại đầu thu, thiết bị tách bước sóng sẽ tách các bước sóng này trước khi đưa tới các bộ thu quang. Để có thể truyền dẫn thông tin hai hướng thì cần lắp đặt hai hệ thống WDM một hướng ngược chiều nhau. Trong hệ thống WDM hai hướng, tín hiệu được truyền đi theo một hướng tại bước sóng và hướng ngược lại tại bước sóng trên cùng một sợi quang. Chúng thường thuộc hai vùng phổ khác nhau và được gọi là băng đỏ và băng xanh. Hệ thống WDM một hướng được phát triển và ứng dụng tương đối rộng rãi. Hệ thống WDM hai hướng yêu cầu công nghệ phát triển cao hơn vì khi thiết kế gặp phải nhiều vấn đề như can nhiễu nhiều kênh (MPI), ảnh hưởng của phản xạ quang, cách ly giữa các kênh hai chiều, xuyên âm…Nhưng so với hệ thống WDM một hướng, hệ thống WDM hai hướng giảm được số lượng bộ khuếch đại sợi quang. 2.2. Các đặc điểm của công nghệ WDM Công nghệ WDM có các đặc điểm cơ bản sau: ▪ Tận dụng tài nguyên dải tần rất rộng của sợi quang. Công nghệ WDM tận dụng tài nguyên băng thông truyền dẫn to lớn của sợi quang, làm cho dung lượng truyền dẫn của sợi quang so với truyền dẫn bước sóng đơn tăng từ vài lần tới hàng trăm lần. Do đó, có thể giảm chi phí đầu tư. Dùng công nghệ WDM có thể ghép N bước sóng truyền dẫn trong sợi quang đơn mode và có thể truyền dẫn hoàn toàn song công. Do vậy, khi truyền dẫn thông tin đường dài với dung lượng lớn có thể tiết kiệm số lượng lớn sợi quang. Thêm vào đó là khả năng mở rộng dung lượng cho hệ thống quang đã xây dựng. Chỉ cần hệ thống cũ có độ dư công suất tương đối lớn thì có thể tăng thêm dung lượng mà không cần thay đổi nhiều đối với hệ thống cũ. ▪ Có khả năng đồng thời truyền dẫn nhiều tín hiệu. Vì trong công nghệ WDM sử dụng các bước sóng độc lập với nhau nên có thể truyền dẫn nhiều tín hiệu có đặc tính hoàn toàn khác nhau, thực hiện việc tổng hợp và phân chia các dịch vụ viễn thông, bao gồm tín hiệu số và tín hiệu tương tự, tín hiệu PDH và tín hiệu SDH, truyền dẫn tín hiệu đa phương tiện (thoại, số liệu, đồ hoạ, ảnh động…). ▪ Có nhiều ứng dụng. Căn cứ vào nhu cầu, công nghệ WDM có thể có rất nhiều ứng dụng như trong mạng đường trục, mạng phân phối kiểu quảng bá, mạng cục bộ nhiều đường, nhiều địa chỉ…Bởi thế, nó rất quan trọng trong các ứng dụng mạng. ▪ Giảm yêu cầu xử lý tốc độ cao cho một số linh kiện quang điện. Tốc độ truyền dẫn tăng lên không ngừng nên tốc độ xử lý tương ứng của nhiều linh kiện quang điện tăng lên theo nhưng không đáp ứng được đủ. Sử dụng công nghệ WDM có thể giảm yêu cầu quá cao về tốc độ đối với linh kiện mà vẫn có thể đáp ứng dung lượng lớn. ▪ Có khả năng truyền dẫn IP. Sử dụng công nghệ WDM có thể thiết lập kênh truyền dẫn số liệu (IP). Ghép kênh bước sóng đối với khuôn dạng số liệu (IP) là trong suốt, tức là không có quan hệ gì với tốc độ của tín hiệu và phương thức điều chế tín hiệu xét trên phương diện điện. Ghép kênh bước sóng cũng là biện pháp mở rộng và phát triển mạng lý tưởng, là cách thuận tiện để đưa vào dịch vụ băng rộng. Chỉ cần dùng thêm một bước sóng là có thể tăng thêm một dịch vụ mới hoặc dung lượng mới mong muốn. ▪ Có khả năng truyền dẫn hai chiều trên cùng một sợi quang. ▪ Cấu hình mạng có tính linh hoạt, tính kinh tế và độ tin cậy cao. 2.3. Một số công nghệ then chốt 2.3.1. Bộ tách ghép bước sóng quang Về mặt nguyên lý, cấu trúc của bộ tách ghép có tính thuận nghịch, bất kỳ bộ ghép bước sóng nào cũng có thể dùng làm bộ tách bước sóng chỉ bằng cách đơn thuần là thay đổi hướng tín hiệu đầu vào. Vì vậy, ở đây chỉ lấy bộ ghép bước sóng để phân tích. Có nhiều cách để phân loại thiết bị ghép bước sóng. Theo công nghệ chế tạo thì chúng được chia làm hai loại chính: thiết bị vi quang và thiết bị WDM ghép sợi. Thiết bị vi quang Các thiết bị vi quang được chế tạo theo hai công nghệ khác nhau: các thiết bị có bộ lọc và thiết bị phân tán góc. Các thiết bị có bộ lọc chỉ hoạt động mở cho một bước sóng (hoặc một nhóm bước sóng) tại một thời điểm, nhằm để tách ra một bước sóng trong nhiều bước sóng. Để thực hiện thiết bị hoàn chỉnh và có thể sử dụng cho nhiều kênh thì phải tạo ra cấu trúc lọc theo tầng. Các loại bộ lọc này sẽ được trình bày trong phần 2.3.2. Cấu trúc sử dụng các phần tử phân tán cho phép đồng thời đưa ra tất cả các bước sóng. Chùm tín hiệu quang đầu vào chuẩn trực sẽ đập vào thiết bị phân tán, thiết bị phân tán sẽ tách ra các kênh khác nhau tuỳ theo bước sóng của chúng tạo thành các chùm theo các góc khác nhau. Các chùm đầu ra đã tách sẽ được hội tụ nhờ một hoặc một số lăng kính và được đưa vào sợi dẫn quang riêng rẽ. Các phần tử phân tán góc được sử dụng như cách tử, lăng kính. Hình 2.2 mô tả một bộ tách hai bước sóng quang: Tín hiệu WDM gồm hai bước sóng đi tới lăng kính trực chuẩn, sau khi được tách bởi cách tử chúng được hội tụ để đi vào hai ống dẫn sóng riêng. Các thiết bị vi quang sử dụng phù hợp với các hệ thống truyền dẫn đa mode, chúng cho phép tách ghép đồng thời nhiều bước sóng khác nhau. Nhưng chúng lại khó sử dụng cho sợi đơn mode do ánh sáng phải qua các giai đoạn phản xạ, hội tụ…từ đó dẫn tới quang sai, trễ tạo suy hao tín hiệu trong thiết bị. Cách tử Thấu kính l1, l2 l2 l1 Hình 2.2: Thiết bị phân tán góc Thiết bị ghép sợi Các thiết bị ghép sợi có cấu trúc dựa trên việc ghép hai trường ánh sáng phía ngoài lõi. Chúng còn được gọi là các coupler quang. Phía phát nó kết hợp các tín hiệu quang vào từ các tuyến khác nhau thành một tín hiệu quang tại đầu ra truyền trên một sợi. Phía thu, tách công suất quang của một sợi vào để phân phối cho hai hoặc nhiều sợi. Vì thế, để tách các bước sóng khác nhau thì sau mỗi một sợi phải có một bộ lọc bước sóng sẽ trình bày ở mục 2.3.2 Hình 2.3: Thiết bị ghép sợi Chùm ánh sáng đầu ra sẽ phụ thuộc vào nhiều yếu tố: khoảng cách giữa các lõi sợi, chỉ số chiết suất vật liệu ở giữa, đường kính của lõi sợi, độ dài tương tác và bước sóng ánh sáng. Khi số lượng kênh ghép tăng lên thì phải xử lý bằng cấu hình rẽ nhánh tách (ghép) liên tiếp. Các thiết bị ghép sợi rất phù hợp với các hệ thống truyền dẫn đơn mode. Hình 2.3 là bộ ghép bốn bước sóng sử dụng thiết bị ghép sợi. 2.3.2. Bộ lọc quang Bộ lọc màng mỏng điện môi nhiều lớp Bộ lọc quang sử dụng trong thiết bị WDM thường là bộ lọc màng mỏng điện môi, làm việc theo nguyên tắc phản xạ tín hiệu ở một dải phổ nào đó và cho phần dải phổ còn lại đi qua, vì vậy nó thuộc loại lọc bước sóng cố định. Cấu trúc bộ lọc gồm một khoang cộng hưởng bằng điện môi trong suốt, hai đầu khoang có các gương phản xạ được thực hiện nhờ nhiều lớp màng mỏng điện môi có chiết suất cao thấp xen kẽ nhau. Vì vậy, chiết suất lớp điện môi trong suốt (n3) sẽ thấp hơn chiết suất của các lớp màng mỏng điện môi (n1 = 2.2 (TiO2), n2 = 1.35 (MgF2) hoặc 1.46 (SiO2)). Thiết bị này như một bộ lọc băng hẹp, cho qua một bước sóng riêng và phản xạ các bước sóng khác. Bước sóng lọt qua bộ lọc được xác định bằng chiều dài khoang cộng hưởng. Chiều dài của khoang bằng bội số nguyên lần của nửa bước sóng nào thì công suất của bước sóng ấy đạt cực đại tại đầu ra của bộ lọc. Để có thể lọc được bước sóng một cách chính xác, loại bỏ được đa số các bước sóng xung quanh thì có thể sử dụng bộ lọc nhiều khoang cộng hưởng. Bộ lọc này gồm hai hoặc nhiều khoang tách biệt nhau bởi các lớp màng mỏng điện môi phản xạ. Số khoang càng nhiều thì đỉnh hàm truyền đạt càng phẳng và sườn càng dốc. Cả hai đặc tính này của bộ lọc đều rất cần thiết. Cấu trúc bộ lọc màng mỏng điện môi nhiều khoang cộng hưởng được thể hiện trong hình 2.4. n1 n2 n3 Khoang Khoang Khoang … 1 2 3 Bộ phản xạ điện môi Lớp điện môi trong suốt Hình 2.4: Bộ lọc màng mỏng điện môi có nhiều khoang cộng hưởng Bộ lọc Fabry – Perot Các bộ lọc bước sóng điều chỉnh được thường được ngoại suy từ cấu trúc laser điều chỉnh được (điều hưởng). Bộ lọc khoang cộng hưởng Fabry – Perot được tạo thành bởi hai gương phản xạ đặt song song với nhau như hình 2.5. Đây là loại bộ lọc điều chỉnh được. Tia sáng đi vào qua gương thứ nhất, đầu ra ở mặt gương thứ hai. Do các thiết bị hiện nay thường được chế tạo từ các chất bán dẫn để đạt được kích thước nhỏ nhất. Khi này, các gương được tạo thành nhờ sự chênh lệch chiết suất giữa các lớp bán dẫn. Việc điều chỉnh chọn lựa bước sóng có thể thực hiện bằng cách: điều chỉnh chiều dài khoang cộng hưởng (khoảng cách giữa hai gương), chiết suất của môi trường điện môi của khoang cộng hưởng nhờ điện áp ngoài. Hình 2.5: Bộ lọc Fabry - Perot 2.3.3. Bộ đấu nối chéo quang OXC Chức năng của OXC Chức năng của OXC tương tự như chức năng của DXC trong mạng SDH, chỉ khác là thực hiện trên miền quang, không cần chuyển đổi O/E/O và xử lý tín hiệu điện. OXC phải hoàn thành hai chức năng chính sau: + Chức năng nối chéo các kênh quang: thực hiện chức năng kết nối giữa N cổng đầu vào tới N cổng đầu ra. + Chức năng xen/rẽ đường tại chỗ: chức năng này có thể làm cho kênh quang nào đó tách ra để vào mạng địa phương hoặc sau đó trực tiếp đi vào DXC của SDH thông qua biến đổi O/E. Có thể phân biệt chức năng đấu nối chéo với chức năng chuyển mạch là: đấu nối chéo là các kết nối bán cố định dưới sự điều khiển của nhà khai thác và thường thực hiện ở mức tín hiệu đã ghép kênh theo thời gian như các VC-n; chuyển mạch là các kết nối tạm thời dưới sự điều khiển của người sử dụng. Kết cấu của điểm node OXC Cấu tạo của OXC có 3 thành phần chính: ♦ Bộ tách kênh chia bước sóng quang ở đầu vào: thực hiện tách các kênh quang theo các bước sóng khác nhau từ các sợi quang vào khác nhau. ♦ Ma trận chuyển mạch: thực hiện đấu nối chéo từ một kênh quang đầu vào tới một kênh quang đầu ra. Trường chuyển mạch có thể là chuyển mạch chia thời gian hoặc chuyển mạch chia bước sóng được trình bày ở mục sau. ♦ Bộ ghép kênh chia bước sóng quang ở đầu ra: thực hiện ghép các kênh quang từ các đầu ra tương ứng của trường chuyển mạch để truyền dẫn trên một sợi quang. Ngoài các thành phần chính trên thì trong OXC có thể còn trang bị các bộ lọc bước sóng để loại bỏ các thành phần xuyên nhiễu xuất hiện trong quá trình truyền tín hiệu. Biến đổi bước sóng là công nghệ then chốt trong cấu tạo của OXC. Nhờ công nghệ này có thể thực hiện kết nối định tuyến ảo, do đó giảm nghẽn mạng, tận dụng tối đa tài nguyên sợi quang cũng như bước sóng… λM λ1 λ2 λ1, λ2,…, λM 1 λ1, λ2,…, λM 2 λ1, λ2,…, λM N λ1, λ2,…, λM 1 λ1, λ2,…, λM 2 λ1, λ2,…, λM N Tách kênh Ghép kênh Bộ chuyển mạch quang Added Dropped Hình 2.6: Sơ đồ mạch của bộ OXC Tuỳ theo OXC có cung cấp chức năng biến đổi bước sóng hay không mà có thể chia kênh quang thành kênh bước sóng (WP) hay kênh bước sóng ảo (VWP). WP nghĩa là các kênh quang trong từng liên kết sẽ có bước sóng giống nhau trên toàn bộ đường truyền dẫn từ đầu cuối đến đầu cuối. Vì vậy, để có được một kết nối thì yêu cầu phải có một bước sóng rỗi chung cho tất cả các liên kết. Nếu không thoả mãn điều kiện này dù chỉ là trên một liên kết thì vẫn không tạo được kênh yêu cầu. VWP cho phép các đoạn ghép kênh bước sóng khác nhau có thể chiếm bước sóng khác nhau nhờ vào chức năng biến đổi bước sóng của OXC. Từ đó, có thể lợi dụng các bước sóng rỗi của từng đoạn ghép để tạo thành các kênh quang. Ưu điểm của VWP so với WP: + Xác suất thiết lập được kênh quang cao hơn. + Nâng cao được hiệu suất sử dụng bước sóng. + Khả năng định tuyến cao. + Thực hiện điều khiển đơn giản hơn do việc phân phối bước sóng có thể được thực hiện từng bước tại các điểm node. Tuy nhiên, cấu trúc mạng phức tạp, có thể có nhiều tuyến liên kết giữa hai node. Vì vậy, phải có được thuật toán chọn đường và phân phối bước sóng hữu hiệu căn cứ vào topo của mạng và trạng thái hiện hành. Phân loại Điểm node OXC được chia thành: điểm node OXC tĩnh và điểm node OXC động. Trong điểm node OXC tĩnh, trạng thái nối vật lý của các tín hiệu kênh quang khác nhau là cố định. Như vậy, dễ thực hiện về mặt công nghệ nhưng mạng không linh hoạt. Trong điểm node OXC động, trạng thái nối vật lý của các tín hiệu kênh quang có thể thay đổi tuỳ theo yêu cầu tức thời. Nó thực hiện gần giống với chức năng của chuyển mạch nhưng ở đây các yêu cầu này lại là của nhà cung cấp. Tuy khó khăn về mặt công nghệ nhưng nó chính là tiền đề tất yếu để thực hiện nhiều chức năng then chốt của mạng thông tin quang WDM như: định tuyến động, khôi phục và tái tạo cấu hình theo thời gian thực, mạng tự khôi phục… 2.3.4. Bộ xen/rẽ quang OADM Chức năng của OADM OADM là một linh kiện quan trọng trong việc tổ chức mạng truyền dẫn. Chức năng chính của OADM là rẽ tín hiệu quang từ thiết bị truyền dẫn về mạng tại chỗ, đồng thời xen tín hiệu quang của thuê bao để phát đến một điểm nút khác mà không ảnh hưởng đến việc truyền dẫn các tín hiệu kênh bước sóng khác. Chức năng này tương tự như chức năng của bộ xen/rẽ kênh ADM trong mạng SDH, nhưng đối tượng thao tác trực tiếp là tín hiệu quang. Nhờ năng lực này của OADM nên nó trở thành phần tử cơ bản nhất trong các mạng hình vòng dựa trên công nghệ WDM. Mạng hình vòng WDM giữ lại đặc tính tự khôi phục của kiến trúc hình vòng, đồng thời có thể nâng cấp dung lượng đều đặn trong trường hợp không biến đổi kiến trúc của hệ thống. Cấu trúc của OADM Kết cấu của OADM bao gồm phần tử tách kênh, phần tử điều khiển tách nhập và phần tử ghép kênh. Hình 2.7 trình bày kết cấu tính năng của OADM. Kết cấu trong hình vẽ không có nghĩa là tất cả các bước sóng đều phải tách kênh trên sợi quang đầu vào. Thông thường điểm nút OADM được dùng để tách ra bước sóng cần thiết của luồng đến (λd), đồng thời ghép lên sợi quang truyền dẫn bước sóng truy nhập (λa) thông qua bộ ghép kênh. Hình 2.7: Kết cấu chức năng của OADM Phân loại Các thiết bị OADM được chia làm hai loại: OADM tĩnh và OADM động. Trong OADM tĩnh, sử dụng tín hiệu kênh quang có bước sóng vào/ra cố định. Vì vậy trong kết cấu, phần tử điều khiển tách nhập chủ yếu dùng linh kiện thụ động như: bộ tách ghép kênh, bộ lọc cố định. Như vậy, định tuyến của điểm node là cố định, thiếu linh hoạt nhưng không có trễ. Trong OADM động, có thể căn cứ vào nhu cầu để chọn tín hiệu kênh quang có bước sóng vào/ra khác nhau. Vì vậy trong kết cấu, phần tử điều khiển tách nhập thường dùng linh kiện khoá quang, bộ lọc có điều khiển. Như vậy, có thể phân phối tài nguyên bước sóng của mạng một cách hợp lý. Tuy nhiên, phức tạp và có trễ. 2.3.5. Chuyển mạch quang v Khái niệm Để xây dựng các hệ thống truyền dẫn toàn quang nhằm lợi dụng được các ưu điểm của truyền dẫn quang thì ngoài phần truyền dẫn là các sợi quang, các thiết bị chuyển mạch cũng phải làm việc ở miền quang. Các ma trận chuyển mạch được sử dụng để cấu tạo nên các thiết bị chuyển mạch quang dùng thay thế cho các thiết bị chuyển mạch điện tử, sẽ khắc phục giới hạn “nút cổ chai” trong các mạch điện tử và làm tăng khả năng trong suốt của mạng quang. Ngoài ra, các ma trận chuyển mạch quang cũng là một trong các thành phần lõi của các thiết bị điểm node trong mạng WDM. Hệ thống chuyển mạch quang là một hệ thống cho phép các tín hiệu bên trong các sợi cáp quang hay các mạch tích hợp quang (IOC) được chuyển mạch có lựa chọn từ một cáp (mạch) này tới một cáp (mạch) khác. Một hệ thống chuyển mạch quang có thể được vận hành nhờ các phương tiện cơ như dịch chuyển sợi quang này tới sợi quang khác, hay nhờ các hiệu ứng điện – quang, từ - quang, hay bằng các phương pháp khác. v Phân loại Có 4 loại chuyển mạch quang là: chuyển mạch phân chia theo thời gian, chuyển mạch phân chia theo không gian, chuyển mạch phân chia theo bước sóng và chuyển mạch phân chia theo mã. Trong hệ thống WDM chỉ dùng hai loại chuyển mạch là: chuyển mạch phân chia theo không gian và chuyển mạch phân chia theo bước sóng. Còn chuyển mạch quang phân chia theo thời gian và chuyển mạch quang phân chia theo mã đã được ứng dụng vào chuyển mạch gói quang ATM. Sau đây, ta sẽ tìm hiểu hai loại chuyển mạch này a, Chuyển mạch quang phân chia theo không gian Chuyển mạch quang phân chia theo không gian là loại chuyển mạch cơ bản. Nó có thể chia thành hai loại: loại sợi quang và loại không gian tự do. Trong đó, loại sợi quang là phổ biến. Cấu trúc của loại này: đầu vào và đầu ra có các sợi quang có thể hoàn thành hai trạng thái kết nối song song và kết nối chéo. Trong kết cấu kiểu này, các sợi đến và đi có thể phải giao nhau tại các điểm chuyển mạch nên phải đặt gần nhau về mặt vật lý. Hình 2.8 là một ví dụ về loại chuyển mạch này. Hình 2.8: Ví dụ về chuyển mạch quang không gian loại sợi quang Đây là các chuyển mạch quang kiểu ống dẫn sóng, hoạt động nhờ sự thay đổi hiệu suất khúc xạ của ống dẫn sóng được điều khiển từ bên ngoài để chọn ống dẫn sóng đầu ra. Điều khiển hiệu suất khúc xạ bằng cách đưa điện áp bên ngoài vào để hình thành điện trường, hoặc thông qua đốt nóng. Công nghệ hiện nay cho phép sử dụng các vi gương để tạo nên cấu trúc của ma trận chuyển mạch. Các vi gương chính là các gương có kích thước nhỏ hơn cả đầu của chân cắm IC, được chế tạo từ silicon – crystal đơn để chuyển mạch luồng tín hiệu quang. Để thực hiện chuyển mạch tín hiệu quang từ đầu vào đến đầu ra tương ứng thì góc nghiêng của các vi gương được điều chỉnh thích hợp sao cho tia sáng từ sợi đầu vào phản xạ trên gương để đến đầu ra yêu cầu. Các ma trận chuyển mạch thường được cấu tạo từ nhiều module. Trên mỗi module có một số lượng vi gương nhất định và bằng nhau theo nhà sản xuất, thường là 512 vi gương. Hình 2.9 là cấu tạo của module chuyển mạch loại này. Hình 2.9: Cấu trúc module vi gương Nhược điểm của chuyển mạch quang phân chia theo không gian là khi chuyển mạch với dung lượng lớn, số lượng các giao điểm quang tăng lên nhanh và cần một số lượng lớn các sợi quang cho đầu vào và đầu ra. b, Chuyển mạch quang phân chia theo bước sóng Chuyển mạch bước sóng tức là bước sóng λi bất kỳ trong các tín hiệu ghép kênh bước sóng được biến đổi thành bước sóng λj khác theo nhu cầu. Chuyển mạch bước sóng quang cần bộ biến đổi bước sóng. Thực hiện chuyển mạch bước sóng là tách kênh để chia cắt các kênh tín hiệu về không gian, tiến hành chuyển đổi bước sóng đối với mỗi kênh rồi ghép lại và đưa ra sợi quang. Cần phân biệt giữa chuyển mạch bước sóng với định tuyến bước sóng. Định tuyến bước sóng là lợi dụng sự khác nhau giữa các bước sóng để thực hiện chọn đường tức là, chuyển mạch không gian trong đó không bao gồm chuyển đổi bước sóng. Để thực hiện biến đổi bước sóng phải sử dụng các bộ biến đổi bước sóng (WC). Chức năng của bộ này là biến đổi bước sóng mang dữ liệu đầu vào thành một bước sóng đầu ra trong dải thông của hệ thống. Một bộ WC lý tưởng sẽ trong suốt đối với tốc độ bit BR và khuôn dạng tín hiệu. Các thiết bị WC có thể là thiết bị quang - điện hay hoàn toàn là quang. Sử dụng loại thiết bị nào phụ thuộc vào yêu cầu của hệ thống. Tuy nhiên, WC hoàn toàn quang có nhiều ưu điểm vượt trội hơn và có xu hướng được sử dụng rộng rãi. Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu chuyển mạch quang đã đạt được nhiều thành tựu. Các loại cấu hình chuyển mạch quang đã được thử nghiệm trên các tuyến thực tế. Chuyển mạch quang theo không gian kết hợp chặt chẽ với định tuyến bước sóng đã được sử dụng vào các nút xen/rẽ quang (OADM) và nối chéo quang (OXC) trên các tuyến thông tin quang DWDM. Chuyển mạch quang sẽ đóng vai trò hết sức quan trọng trong mạng quang thế hệ sau. 2.3.6. Sợi quang Sợi quang là một trong những thành phần quan trọng nhất của mạng. Nó là phương tiện truyền dẫn vật lý. Dưới đây sẽ trình bày một số loại sợi quang. Sợi quang G.652 Đây là loại sợi quang đơn mode được sử dụng phổ biến trên mạng lưới viễn thông của nhiều nước hiện nay. Loại sợi này có thể làm việc ở hai cửa sổ truyền dẫn 1310 nm và 1550 nm. Khi làm việc ở cửa sổ 1310 nm, G.652 có tán sắc nhỏ (xấp xỉ 0 ps/nm.km) và suy hao tương đối lớn. Ngược lại, khi làm việc ở cửa sổ 1550 nm, G.652 có suy hao truyền dẫn nhỏ nhất và hệ số tán sắc tương đối lớn. Sợi quang G.653 Để xây dựng các tuyến thông tin quang tốc độ cao, cự ly dài thì cần phải sử dụng loại sợi có cả suy hao và tán sắc tối ưu tại một bước sóng. Hiện nay, bằng cách thay đổi mặt cắt chiết suất có thể chế tạo được sợi tán sắc dịch chuyển, loại sợi này gọi là sợi DSF hay sợi G.653. Hệ số suy hao của sợi DSF thường nhỏ hơn 0.3 dB/km ở cửa sổ 1310 nm và nhỏ hơn 0.2 dB/km ở cửa sổ 1550 nm. Hệ số tán sắc ở vùng bước sóng 1310 nm khoảng 20 ps/nm.km, còn ở vùng bước sóng 1550 nm thì nhỏ hơn 3.5 ps/nm.km. Bước sóng cắt thường nhỏ hơn 1270 nm. Xét về mặt kỹ thuật, sợi G.653 cho phép xây dựng các hệ thống thông tin quang với suy hao chỉ bằng khoảng một nửa suy hao của hệ thống bình thường khi làm việc ở bước sóng 1310 nm. Còn đối với các tuyến hoạt động ở bước sóng 1550nm thì do sợi G.653 có tán sắc rất nhỏ, nên nếu chỉ xét về tán sắc thì gần như không có sự giới hạn về tốc độ truyền tín hiệu trong các hệ thống này. Sợi quang G.654 G.654 là sợi quang đơn mode tới hạn thay đổi vị trí bước sóng cắt. Loại sợi này có đặc điểm: suy hao ở bước sóng 1550 nm giảm nhưng tán sắc vẫn tương đối cao, điểm tán sắc bằng 0 vẫn ở bước sóng 1310 nm. G.654 chủ yếu được sử dụng cho các tuyến cáp quang biển. Sợi quang G.655 Sử dụng sợi quang nào thích hợp nhất cho hệ thống WDM luôn là vấn đề được nhiều nhà khoa học quan tâm. Do tính chất ưu việt của sợi quang G.653 (DSF) ở bước sóng 1550 nm mà nó trở thành sợi quang được chú ý nhất. Nhưng nghiên cứu kỹ người ta đã phát hiện ra rằng khi dùng G.653 trong hệ thống WDM thì ở khu vực bước sóng có tán sắc bằng 0 sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi hiệu ứng phi tuyến. Đây là nhược điểm chính của DSF. Từ đó xuất hiện một loại sợi quang mới - sợi quang dịch chuyển tán sắc khác 0 (NZ-DSF), còn gọi là sợi quang đơn mode G.655. Đối với loại sợi này, điểm tán sắc bằng 0 của nó không nằm ở 1550 nm mà dịch tới 1570 nm hoặc gần 1510 - 1520 nm. Giá trị tán sắc trong phạm vi 1548 – 1565 nm là ở 1 ÷ 4 ps/nm.km đủ để đảm bảo tán sắc khác 0, trong khi vẫn duy trì tán sắc tương đối nhỏ. NZ-DSF có ưu điểm của cả hai loại sợi quang G.652 và G.653, đồng thời khắc phục được nhược điểm cố hữu của sợi G.652 (bị hạn chế bởi tán sắc) và sợi G.653 (bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng phi tuyến “trộn 4 bước sóng” nên khó thực hiện trong hệ thống WDM). Lý thuyết đã chứng minh rằng tốc độ truyền dẫn của sợi quang NZ-DSF có thể đạt ít nhất là 80 Gbps. Vì vậy, sợi NZ-DSF là sự lựa chọn lý tưởng để thiết kế tuyến truyền dẫn tốc độ cao, cự ly dài. Việc tận dụng các sợi quang hiện có chỉ là biện pháp tạm thời cho hệ thống WDM, bởi vì nó làm cho hệ thống trở nên phức tạp cũng như giảm khả năng truyền dẫn. Hướng phát triển trong tương lai là sử dụng các loại sợi quang mới dành riêng cho hệ thống WDM. Các sợi quang mới phải có một số đặc điểm sau đây: Dải tần truyền dẫn lớn. Sợi có diện tích hiệu dụng lớn hơn cho phép công suất quang cao hơn trong sợi mà không bị ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến. Giảm hiệu ứng trộn 4 sóng. Giảm ảnh hưởng PMD cho các tuyến truyền dẫn tốc độ cực cao. Có suy hao và tán sắc thấp ở bước sóng 1550 nm. Có tán sắc bằng phẳng trong vùng bước sóng truyền dẫn. Ví dụ một số loại sợi quang mới: sợi SMF-28e, sợi LEAF. 2.3.7. Bộ khuếch đại quang sợi Hiện nay, công nghệ khuếch đại quang sợi cũng đã được nghiên cứu và ứng dụng. Việc sử dụng các bộ khuếch đại quang sợi giúp dễ dàng mở rộng dung lượng đường dây thông tin (do xử lý hoàn toàn ở miền quang mà không cần phải chuyển đổi O/E/O), tăng khoảng cách trạm lặp và hạ giá thành cho hệ thống. Mặt khác, các bộ khuếch đại này còn có vai trò quan trọng trong các hệ thống WDM, khi mà có nhiều bước sóng cùng truyền dẫn trên một sợi quang thì công suất phát của mỗi bước sóng sẽ bị giới hạn và nhỏ hơn nhiều so với hệ thống truyền dẫn bước sóng đơn nhằm tránh các hiệu ứng phi tuyến. Trong khi đó, suy hao và tán sắc là những nhược điểm cố hữu của truyền dẫn trên sợi quang. Vì vậy, công nghệ quang sợi phát triển sẽ thúc đẩy sự phát triển và thương mại hoá của hệ thống WDM. Khuếch đại quang sợi chính là một đoạn sợi quang nhưng khi chế tạo có pha thêm nguyên tố vi lượng Erbium (EDF) với một tỷ trọng nhỏ (0.1). Các ion Erbium (Er3+) hấp thụ ánh sáng từ một nguồn bơm để nhảy lên mức năng lượng cao hơn phía trên (các bộ khuếch đại quang sợi đạt hiệu suất cao khi làm việc ở các bước sóng bơm 980 nm hay 1480 nm). Sự dịch chuyển của ion từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp hơn sẽ bức xạ ra một photon. Có hai loại bức xạ sau: ◙ Bức xạ tự phát: là hiện tượng các ion nhảy về trạng thái cơ bản khi hết thời gian sống. Bức xạ này gây ra tạp âm bức xạ tự phát có khuếch đại ASE. ◙ Bức xạ kích thích: là hiện tượng photon của tín hiệu kích thích các ion phát xạ khi chúng chưa hết thời gian sống, tạo thêm các photon mới. Vì vậy, các photon mới có cùng pha và tần số với tín hiệu quang đầu vào nên tín hiệu này được khuếch đại. Thời gian sống ở mức năng lượng cao vào khoảng 10 ms đảm bảo cho hầu hết các ion Erbium thực hiện bức xạ kích thích để khuếch đại tín hiệu thay vì bức xạ tự phát. EDFA có 3 ứng dụng chính bao gồm: ▪ Khuếch đại công suất BA là thiết bị EDFA có công suất bão hoà lớn, được sử dụng ngay sau Tx để tăng công suất tín hiệu phát. ▪ Khuếch đại đường truyền LA là thiết bị EDFA có mức tạp âm thấp, được sử dụng trên đường truyền (giữa hai đoạn sợi quang) để tăng chiều dài khoảng lặp. Đối với hệ thống có sử dụng LA đòi hỏi phải có một kênh thông tin riêng (OSC) để thực hiện việc cảnh báo, giám sát và điều khiển các LA. Kênh OSC này không được quá gần với bước sóng bơm cũng như kênh tín hiệu để tránh ảnh hưởng lẫn nhau. Sử dụng các LA liên tiếp có thể làm suy giảm nghiêm trọng chất lượng hệ thống do các hiện tượng như: tích luỹ tạp âm, ảnh hưởng của tán sắc, phân cực và các hiệu ứng phi tuyến, đặc biệt là hình thành đỉnh khuếch đại xung quanh một bước sóng nào đó dẫn đến việc thu hẹp dải phổ khuếch đại của LA. Vì thế, sau một số LA cần có các trạm lặp. ▪ Tiền khuếch đại PA là thiết bị EDFA có mức tạp âm rất thấp nhờ sử dụng các bộ lọc quang băng hẹp có thêm chức năng điều chỉnh bước sóng trung tâm theo bước sóng của nguồn phát. Được sử dụng ngay trước Rx để tăng độ nhạy thu. 2.4. Một số điểm lưu ý Hiện nay, công nghệ DWDM đã được sử dụng trong mạng đường trục Việt Nam. Do số lượng kênh ghép nhiều nên cần chú ý đến thiết bị cũng như các hiện tượng như hiệu ứng phi tuyến, tán sắc…vì chúng có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng hệ thống. Nguồn quang Các yêu cầu đối với nguồn quang: ♦ Độ rộng phổ hẹp để tránh chồng lấn phổ giữa các kênh rất gần nhau. ♦ Công suất phát quang thấp vì ánh sáng truyền dẫn trên sợi quang được ghép từ nhiều bước sóng, nếu công suất mỗi kênh bước sóng mà lớn thì tổng công suất phát sẽ rất cao gây ra các hiệu ứng phi tuyến trên sợi quang. Sợi quang Vấn đề ảnh hưởng nghiêm trọng trong hệ thống DWDM chính là các hiệu ứng phi tuyến. Để giảm hiệu ứng phi tuyến của sợi, thường sử dụng sợi có diện tích hiệu dụng cao như một số loại sợi quang mới: sợi SMF-28e, sợi LEAF. Bộ khuếch đại quang Như đã biết, các bộ khuếch đại quang sợi thường có phổ khuếch đại không đồng đều, dẫn đến các bước sóng khác nhau có hệ số khuếch đại khác nhau, ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn của hệ thống. Đối với hệ thống DWDM có số lượng kênh bước sóng trong dải phổ truyền dẫn là rất lớn. Vì vậy, yêu cầu cần có các bộ khuếch đại có độ bằng phẳng rất cao để đảm bảo các kênh có hệ số khuếch đại như nhau. Hiệu ứng phi tuyến Hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang không những dẫn đến sự tổn hao năng lượng, méo tín hiệu mà còn làm cho cường độ và pha của tín hiệu trong một kênh nào đó của hệ thống ảnh hưởng đến tín hiệu trong kênh khác, hình thành xuyên nhiễu phi tuyến, làm suy giảm mức tín hiệu của từng kênh dẫn đến suy giảm tỷ số S/N… Các biện pháp khắc phục hiệu ứng phi tuyến của sợi quang bao gồm: + Lựa chọn sợi quang phù hợp. + Giảm công suất phát của các kênh, đảm bảo công suất tổng phát vào sợi quang. Khi hệ thống ghép kênh vài chục kênh tín hiệu thì ảnh hưởng của hiệu ứng trộn bốn sóng (FWM) là chính. Vì vậy, mục tiêu đặt ra là phải giảm ảnh hưởng của hiệu ứng FWM. Trong hệ thống DWDM thì người ta đưa ra phương pháp tạo khoảng cách giữa các kênh tín hiệu bằng nhau. Phương pháp này có khoảng cách giữa các kênh bước sóng bằng nhau và sử dụng sợi quang NZ-DSF (G.655). Như vậy, vừa giảm ảnh hưởng của FWM, hỗ trợ truyền dẫn nhiều kênh, lại làm cho tán sắc ở vùng bước sóng 1550 nm không quá lớn (1 ÷ 6 ps.nm/km). Tán sắc Khái niệm: Tán sắc là hiện tượng những sóng ánh sáng có tần số khác nhau truyền dẫn với tốc độ khác nhau trong cùng môi trường. Tán sắc là bản chất của sợi quang. Tán sắc gây ra hiện tượng trải rộng xung tín hiệu (dãn xung), làm cho biến dạng tín hiệu trong khi truyền và tỷ số lỗi bit tăng cao. Do đó, ảnh hưởng đến tốc độ truyền dẫn và khoảng cách trạm lặp. Bộ khuếch đại quang đã cải thiện khoảng cách giữa các trạm lặp (bị giới hạn bởi suy hao) trên tuyến rất nhiều. Nhưng do nhu cầu ngày càng lớn về các dịch vụ mới có tốc độ cao nên tán sắc trở thành tham số chính giới hạn khả năng nâng cao dung lượng của tuyến cáp quang. Chính vì vậy, chúng ta cần phải giảm ảnh hưởng của tán sắc. Các giải pháp giảm ảnh hưởng của tán sắc: Sử dụng các nguồn phát có độ rộng phổ hẹp kết hợp với điều chế ngoài. Lựa chọn sợi quang phù hợp. Sử dụng các bộ bù tán sắc. Chương 3: INTERNET PROTOCOL – IP š@&?› IP (Internet Protocol) là giao thức được thiết kế để kết nối các hệ thống chuyển mạch gói nhằm mục đích phục vụ trao đổi thông tin giữa các mạng. Đơn vị truyền dẫn là các datagram được truyền từ nguồn tới đích với nguồn và đích là các host được chỉ thị bằng một địa chỉ có độ dài xác định. IP còn cung cấp khả năng phân mảnh và tái hợp các gói tin lớn nếu cần thiết. Giao thức này thực hiện phân phát datagram theo phương thức phi kết nối, nghĩa là các datagram được truyền đi theo các hướng độc lập với nhau. IP tập hợp các nguyên tắc cho việc xử lý số liệu tại các bộ định tuyến và host như thế nào, khi nào bản tin lỗi cần được tạo ra và khi nào số liệu cần được huỷ bỏ. Phần mềm IP thực hiện chức năng định tuyến dựa trên địa chỉ IP. IP không có cơ cấu để đảm bảo độ tin cậy, điều khiển luồng thứ tự đến hay các đảm bảo khác cho truyền dẫn dữ liệu từ đầu cuối đến đầu cuối. Không tin cậy nghĩa là không đảm bảo cho các datagram đến đích thành công. Nhưng IP có khả năng cung cấp nhiều loại hình dịch vụ khác nhau với các cấp chất lượng dịch vụ khác nhau. Đầu tiên, giao thức IP sử dụng cho mạng Internet. Đây là mạng truyền dẫn số liệu lớn nhất và được coi là kho thông tin khổng lồ mà ai cũng có thể truy nhập từ một số trang web đặc biệt sử dụng cho mục đích riêng. Ngày nay, giao thức IP được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như thoại, mobile, video… Cho đến nay đã có hai phiên bản của giao thức IP, đó là: IP version 4 (IPv4) và IP version 6 (IPv6). Chương này sẽ tìm hiểu về giao thức IP và cung cấp một số thông tin liên quan đến hai mô hình phân loại gói IP thành các lớp dịch vụ theo tiêu chuẩn IETF: DiffServ và InServ. 3.1. IPv4 3.1.1. Phân lớp địa chỉ Trong giao thức IP, việc nhận diện các máy được thông qua các địa chỉ của máy. Địa chỉ này nằm trong hệ thống đánh địa chỉ được dùng để quản lý các máy cũng như việc truy xuất từng máy. Có ba khái niệm địa chỉ: Địa chỉ logic (logical address): chính là IP address sử dụng 32 bit để đánh địa chỉ các máy. Địa chỉ này do tổ chức IAB quản lý và mỗi địa chỉ được cấp duy nhất cho một máy. Địa chỉ cổng (port address): gán nhãn cho các dịch vụ đồng thời. Địa chỉ vật lý (physical address): là địa chỉ phần cứng của một node nằm trong mạng (ví dụ Ethernet là 48 bit). Địa chỉ này là duy nhất trong một mạng LAN hay WAN. Hệ thống đánh địa chỉ dùng để định danh duy nhất cho tất cả các máy. Mỗi máy được gán một địa chỉ số nguyên 32 bit duy nhất và địa chỉ này cũng chỉ được dành riêng cho máy đó. Máy sử dụng địa chỉ này trong tất cả các mối liên lạc của nó. 32 bit địa chỉ này được phân thành các lớp như sau: Net ID Host ID Lớp A 1 0 Net ID Host ID Lớp B 1 1 0 Net ID Host ID Lớp C 1 1 1 0 Địa chỉ Multicast Lớp D 1 1 1 1 dự phòng cho tương lai Lớp E Hình 3.1: Mô hình phân lớp địa chỉ IP Lớp A: cho phép định danh 27 – 2 mạng và tối đa 224 – 2 host trên mỗi mạng. Lớp này dùng cho các mạng có số trạm cực lớn. Lớp B: cho phép định danh tới 16384 mạng với tối đa 65534 host trên mỗi mạng. Lớp C: cho phép định danh 221 – 2 mạng với tối đa 254 host trên mỗi mạng. Lớp D: WDM dùng để gửi datagram tới một nhóm các host trên một mạng. Lớp E: dự phòng để dùng cho tương lai. Mỗi địa chỉ IP là một cặp net ID và host ID với net ID xác định một mạng và host ID xác định một máy trên mạng đó. Một địa chỉ IP có host ID = 0 dùng để hướng tới mạng định danh bởi vùng net ID. Ngược lại, một địa chỉ có vùng host ID gồm toàn số 1 được dùng để hướng tới tất cả các host nối vào mạng được định danh net ID, và nếu vùng net ID cũng gồm toàn số 1 thì nó hướng tới tất cả các host trên tất cả các mạng. Địa chỉ IP có độ dài 32 bit thường được chia thành 4 vùng (mỗi vùng một byte) và biểu diễn dưới dạng ký hiệu thập phân có dấu chấm ngăn cách giữa các vùng. Nhìn vào các giá trị thập phân có thể biết được máy tính đó có địa chỉ lớp nào (A, B, C, D hay E) như bảng 3.1. Địa chỉ logic giúp đơn giản hoá việc quản lý và cấp phát địa chỉ. Nhưng các máy chỉ có thể liên lạc được với nhau khi biết địa chỉ phần cứng của nhau. Vì vậy, giao thức ARP được sử dụng để ánh xạ địa chỉ IP thành địa chỉ vật lý khi gửi các gói qua mạng. Đồng thời, máy cũng phải xác định được địa chỉ IP của nó ngay sau khi khởi động nhờ giao thức RARP. Bảng 3.1: Miền giá trị của từng lớp địa chỉ Lớp Địa chỉ chỏ nhất Địa chỉ lớn nhất Lớp A 0.0.0.0 127.255.255.255 Lớp B 128.0.0.0 191.255.255.255 Lớp C 192.0.0.0 223.255.255.255 Lớp D 224.0.0.0 239.255.255.255 Lớp E 240.0.0.0 255.255.255.255 3.1.2. Các kiểu địa chỉ phân phối gói tin Có ba kiểu địa chỉ được dùng để phân phối gói tin: ♦ Unicast: datagram đến một máy xác định vì thế nó có đầy đủ cả net ID và host ID ở địa chỉ đích. ♦ Broadcast: có hai dạng: - Direct broadcast address: dùng để một router gửi datagram đến tất cả các máy thuộc mạng được xác định theo địa chỉ có net ID và host ID bằng 1. - Limited broadcast address: dùng để một máy trên mạng gửi datagram đến tất cả các máy thuộc mạng đó nên phần địa chỉ đích có host ID bằng 0. ♦ Multicast: dùng địa chỉ lớp D để phát datagram đến một nhóm các máy tính xác định. Các máy này có thể cùng một mạng hoặc thuộc các mạng khác nhau. 3.1.3. Mobile IP Một nhược điểm của địa chỉ IP là nó còn mang thông tin mạng (phần net ID) nên địa chỉ tham chiếu đến các liên kết chứ không phải là các máy tính. Vì thế, khi máy tính di chuyển từ mạng này sang mạng khác thì địa chỉ IP của nó cũng thay đổi theo. Để một máy xách tay có thể kết nối Internet và có thể di chuyển từ mạng này sang mạng khác mà không thay đổi địa chỉ IP người ta đưa ra khái niệm mobile IP. Trong đó, một máy tính được cung cấp đồng thời hai địa chỉ. Địa chỉ đầu có thể coi là địa chỉ cơ bản của máy có liên quan đến mạng gốc của máy, là cố định và thường trực. Địa chỉ thứ hai được xem như là địa chỉ phụ, là tạm thời – nó thay đổi khi máy tính di dời sang mạng khác và chỉ hợp lệ khi máy tính đang nối vào một mạng nào đó. Khi máy tính di chuyển tới một mạng mới thì nó phải lấy được địa chỉ tạm thời và gửi địa chỉ này về một “đại lý” đặt tại trạm gốc. Khi đó, hoạt động của máy tính trên mạng như sau: nó tạo các datagram gửi đến một máy tính thì địa chỉ đích là địa chỉ của máy cần gửi và địa chỉ nguồn là địa chỉ gốc của nó. Khi có máy khác cần gửi dữ liệu đến nó thì không thể gửi trực tiếp đến mà phải gửi đến bộ định tuyến có chức năng “đại lý” gốc kết nối vào mạng gốc. Đại lý gốc sẽ kiểm tra bảng của nó về các máy tính động để xác định xem máy tính động đang ở mạng gốc hay ở mạng nào rồi sẽ chuyển dữ liệu và ở nguyên một vị trí mới nào đó trong thời gian tương đối dài, đặc biệt khi đang truy nhập mạng và trao đổi dữ liệu (khác với điện thoại di động là có thể di chuyển liên tục). 3.1.4. Địa chỉ mạng con (subnet) Trong mô hình phân lớp địa chỉ IP ở trên thì mỗi mạng vật lý được gán địa chỉ mạng duy nhất, và mỗi máy tính trên mạng đó sẽ có phần tiền tố địa chỉ chính là địa chỉ mạng đó. Ưu điểm chính của việc chia địa chỉ IP thành hai phần là làm cho kích thước của bảng định tuyến giảm. Đó là nhờ thay vì lưu trữ tất cả đường đi đến từng máy, mỗi đường một dòng, bảng định tuyến có thể lưu trữ một dòng cho mỗi mạng và chỉ kiểm tra phần mạng của địa chỉ đích khi thực hiện các quyết định định tuyến. Phần địa chỉ host chỉ được kiểm tra khi đã xác định được datagram này có đích là mạng. Với sự phát triển của mạng Internet trên toàn cầu, số lượng máy tính cũng tăng lên nhanh chóng nên kích thước bảng định tuyến là rất lớn. Ngoài ra, mô hình địa chỉ ban đầu không dung nạp được tất cả các mạng hiện có trên Internet. Đặc biệt là địa chỉ lớp B. Yêu cầu đặt ra là phải mở rộng địa chỉ lớp B. Có nhiều cách khác nhau như proxy ARP, sử dụng các bộ định tuyến trong suốt…Nhưng phổ biến và được dùng rộng rãi trên mạng Internet hơn cả là kỹ thuật đánh địa chỉ mạng con. Lúc này, thay cho địa chỉ IP chỉ gồm có hai phần net ID và host ID thì phần host ID lại được chia thành subnet ID và host ID. Ví dụ, địa chỉ lớp B có 16 bit host ID được chia thành 8 bit subnet ID và 8 bit host ID. 0 15 16 23 24 31 1 0 Net ID Subnet ID Host ID Hình 3.2: Địa chỉ mạng con của địa chỉ lớp B Không có quy định nào về việc sử dụng bao nhiêu bit cho subnet ID. Vì thế, phần subnet ID thường có độ dài biến đổi tuỳ thuộc vào yêu cầu sử dụng của từng tổ chức. Vì vậy, ngoài địa chỉ IP, một host còn phải biết được có bao nhiêu bit sử dụng cho subnet ID và bao nhiêu cho host ID. Để giải quyết vấn đề này người ta sử dụng mặt nạ mạng con (subnet mask). Subnet mask là một dãy 32 bit bao gồm các bit 1 chỉ phần net ID và subnet ID, các bit 0 chỉ phần host ID. Subnet mask thường được biểu diễn dưới dạng cơ số 16. Ví dụ, một máy có địa chỉ lớp B có subnet mask là 0xFFFFFFC0 = 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1100 0000 0000 thì nó có 16 bit net ID, 10 bit subnet ID và 6 bit host ID. 3.1.5. Cấu trúc tổng quan của một IP datagram trong IPv4 Hình 3.3 là cấu trúc của một datagram trong phiên bản IPv4. Việc xử lý datagram xảy ra trong phần mềm, nội dung và định dạng của nó không bị ràng buộc bởi bất kỳ phần cứng nào. Vì vậy, nó đáp ứng được yêu cầu của mạng Internet là hoàn toàn độc lập với các chi tiết cấp thấp. 0 3 7 15 18 23 31 Ver HL TOS Total Length Identification Flags Fragment Offset TTL Protocol Header Checksum Source IP Address Destination IP Address Options (nếu cần) Padding (nếu cần) Data Hình 3.3: Định dạng datagram của IPv4 Ý nghĩa của các trường như sau: * Ver (4 bit): chứa giá trị của phiên bản giao thức IP đã dùng để tạo datagram. Nó đảm bảo cho máy gửi, máy nhận và các bộ định tuyến cùng thống nhất với nhau về định dạng gói datagram. Tất cả các phần mềm IP được yêu cầu kiểm tra vùng phiên bản trước khi xử lý datagram để đảm bảo nó phù hợp với định dạng mà phần mềm đang sử dụng. Nếu chuẩn thay đổi, máy tính sẽ từ chối những datagram có phiên bản khác để tránh hiểu sai nội dung của datagram. Với IPv4 thì giá trị thường xảy ra là (0100). * HL – Header Length (4 bit): cung cấp thông tin về độ dài vùng tiêu đề của datagram, được tính theo các từ 32 bit. Ta nhận thấy, tất cả các trường trong tiêu đề có độ dài cố định trừ hai trường hợp Options và Padding tương ứng. Phần tiêu đề thông thường nhất, không có Options và Padding, dài 20 octet và giá trị trường độ dài sẽ bằng 5. * TOS – Type of Service (8 bit): xác định cách các datagram được xử lý nhờ vùng Identification của datagram đó. 0 2 3 4 5 6 7 Precedence D T R 0 0 Hình 3.4: Trường TOS + Precedence (3 bit): xác định độ ưu tiên của datagram, cho phép nơi gửi xác định độ quan trọng của mỗi datagram. Nó cung cấp cơ chế cho phép điều khiển thông tin, nghĩa là khi mạng có hiện tượng tắc nghẽn hay quá tải xảy ra thì những datagram có độ ưu tiên cao sẽ được ưu tiên phục vụ. 000 là độ ưu tiên thấp nhất, 111 là độ ưu tiên mức điều khiển mạng. + D – Delay (1 bit): D = 0 độ trễ thông thường. D = 1 độ trễ thấp. + T – Throughput (1 bit): T = 0 lưu lượng thông thường. T = 1 lưu lượng cao. + R – Reliability (1 bit): R = 0 độ tin cậy thông thường. R = 1 độ tin cậy cao. + Hai bit cuối cùng dùng để dự trữ, chưa sử dụng. Các phần mềm TCP/IP hiện nay thường không cung cấp tính năng TOS mà tính năng này lại được tạo bởi các hệ thống mới như 4.3BSD. Các giao thức định tuyến mới như OSPF và IS – IS sẽ đưa ra các quyết định định tuyến dựa trên cơ sở trường này. * Total Length (16 bit): cho biết độ dài của IP datagram tính theo octet bao gồm cả phần tiêu đề và phần dữ liệu. Kích thước của trường dữ liệu được tính bằng cách lấy Total Length trừ đi HL. Trường này có 16 bit nên cho phép độ dài của datagram có thể lên đến 65535 octet. Tuy nhiên, các tầng liên kết sẽ phân mảnh chúng vì hầu hết các host chỉ có thể làm việc với các datagram có độ dài tối đa là 576 byte. * Identification (16 bit): chứa một số nguyên duy nhất xác định datagram do máy gửi gán cho datagram đó. Giá trị này hỗ trợ trong việc ghép nối các fragment của một datagram. Khi một bộ định tuyến phân đoạn một datagram, nó sẽ sao chép hầu hết các vùng tiêu đề của datagram vào mỗi fragment trong đó có cả Identification. Nhờ đó, máy đích sẽ biết được fragment đến thuộc vào datagram nào. Để thực hiện gán giá trị trường Identification, một kỹ thuật được sử dụng trong phần mềm IP là lưu giữ một bộ đếm trong bộ nhớ, tăng nó lên mỗi khi có một datagram mới được tạo ra và gán kết quả cho vùng Identification của datagram đó. * Flags (3 bit): tạo các cờ điều khiển khác nhau. 0 DF MF Hình 3.5: Trường Flags Bit 0: dự trữ, được gán giá trị 0. Bit 1: DF → DF = 0: có thể phân mảnh. → DF = 1: không phân mảnh. Bit 2: MF → MF = 0: fragment cuối cùng. → MF = 1: vẫn còn fragment. DF là bit không phân mảnh vì khi DF = 1 thì không có nghĩa rằng không nên phân mảnh datagram. Bất cứ khi nào một bộ định tuyến cần phân mảnh một datagram mà không có bit phân mảnh độc lập, bộ định tuyến sẽ huỷ bỏ datagram và gửi thông báo lỗi trở về nơi xuất phát. MF gọi là bit vẫn còn fragment. Để hiểu vì sao chúng ta cần đến bit này, xét phần mềm IP tại đích cuối cùng đang cố gắng kết hợp lại một datagram. Nó sẽ nhận các fragment (có thể không theo thứ tự) và cần biết khi nào nhận được tất cả fragment của một datagram. Khi một fragment đến, trường Total Length trong tiêu đề là để chỉ độ dài của fragment chứ không phải là độ dài của datagram ban đầu nên máy đích không thể dùng trường Total Length để biết nó đã nhận đủ các fragment hay chưa. Bit MF sẽ phải giải quyết vấn đề này: khi máy đích nhận được fragment với MF = 0 nó biết rằng fragment chuyển tải dữ liệu thuộc phần cuối cùng của datagram ban đầu. Từ các trường Fragment Offset và Total Length, nó có thể tính độ dài của datagram ban đầu. Và bằng cách kiểm tra hai trường này của tất cả các fragment đến, máy nhận sẽ biết được các fragment đã nhận được đủ để kết hợp lại thành datagram ban đầu hay chưa. * Fragment Offset (13 bit): trường này chỉ vị trí fragment trong datagram. Nó tính theo đơn vị 8 octet một (64 bit). Như vậy, độ dài của các Fragment phải là bội số của 8 octet trừ Fragment cuối cùng. Fragment đầu tiên có trường này bằng 0. * TTL - Time to Live (8 bit): trường này xác định thời gian tối đa mà datagram được tồn tại trong mạng tính theo đơn vị thời gian là giây. Tại bất cứ một router nào nó đều giảm 1 đơn vị khi xử lý tiêu đề datagram và cả thời gian mà datagram phải lưu lại trong router (đặc biệt khi router bị quá tải), ngoài ra tính cả thời gian router truyền trên mạng. Khi giá trị này bằng 0 thì datagram sẽ bị huỷ. Vì vậy, giá trị này phải đảm bảo đủ lớn để datagram có thể truyền được từ nguồn tới đích. Để thực hiện điều này trước khi truyền các datagram từ nguồn tới đích sẽ có một loại bản tin ICMP được phát đi để xác định thời gian tối thiểu. Và trong khi truyền các datagram nếu thiếu thời gian thì cũng có một bản tin ICMP quay lại nguồn để thông báo tăng thêm thời gian cho các datagram truyền sau đó. Đây là một trường quan trọng vì nó sẽ đảm bảo các IP datagram không bị quẩn trong mạng. Công nghệ hiện nay gán giá trị cho trường Time to Live là số router lớn nhất mà các datagram phải truyền qua khi đi từ nguồn tới đích. Mỗi khi datagram đi qua một router thì giá trị của trường này sẽ giảm đi 1. Và khi giá trị của trường này bằng 0 thì datagram bị huỷ. * Protocol (8 bit): giá trị trường này xác định giao thức cấp cao nào (TCP, UDP hay ICMP) được sử dụng để tạo thông điệp để truyền tải trong phần data của IP datagram. Về thực chất, giá trị của trường này đặc tả định dạng của trường Data. * Header Checksum (16 bit): trường này chỉ dùng để kiểm soát lỗi cho tiêu đề IP datagram. Trong quá trình truyền, tại các router sẽ xử lý tiêu đề nên có một số trường bị thay đổi (như Time to Live) vì thế nó sẽ kiểm tra và tính toán lại tại mỗi điểm này. Thuật toán tính toán như sau: Đầu tiên, giá trị của trường này được gán bằng 0. Sau đó, tiêu đề IP datagram sẽ được chia thành từng từ 16 bit và được cộng module 2 với nhau theo từng vị trí bit. Kết quả được gán cho checksum. Đầu thu (kể cả tại các router và đích) sẽ tiến hành cộng tất cả các từ 16 bit của tiêu đề IP datagram (cả trường checksum) nhận được. Nếu bằng 0 thì kết quả truyền là tốt, khác 0 thì kết quả truyền có sai lỗi. * Source IP Address (32 bit): xác định địa chỉ IP nguồn của IP datagram. Nó không thay đổi trong suốt quá trình datagram được truyền. * Destination IP Address (32 bit): xác định địa chỉ IP đích của IP datagram. Nó không thay đổi trong suốt quá trình datagram được truyền. * Options (độ dài thay đổi): trường này chứa danh sách các thông tin được lựa chọn cho datagram. Nó có thể có hoặc không có, chứa một lựa chọn hoặc nhiều lựa chọn. Các lựa chọn hiện có gồm: + Chọn lựa bảo an và kiểm soát thẩm quyền. + Chọn lựa bản ghi định tuyến. + Chọn lựa ghi nhận thời gian. + Chọn lựa nguồn định tuyến. * Padding (độ dài thay đổi): trường này được sử dụng để đảm bảo cho tiêu đề của IP datagram luôn là bội của 32 bit (bù cho trường option có độ dài thay đổi). Nhờ đó đơn giản cho phần cứng trong xử lý tiêu đề của IP datagram. * Data (độ dài thay đổi): mang dữ liệu của lớp trên, có độ dài tối đa là 65535 byte. Tiêu đề với các trường có độ dài cố định có thể tăng tốc độ xử lý bằng cách cứng hoá quá trình xử lý thay cho xử lý bằng phần mềm. Tuy nhiên, việc sử dụng phần cứng sẽ làm tăng chi phí thiết bị cũng như không mềm dẻo bằng phần mềm khi có những điều kiện bị thay đổi. 3.1.6. Phân mảnh và tái hợp Phân mảnh Các IP datagram có độ dài tối đa là 65535 byte. Nhưng trong thực tế, frame của các liên kết truyền dẫn có các kích thước vùng dữ liệu bị giới hạn. Giá trị giới hạn này gọi là đơn vị truyền dẫn lớn nhất MTU của liên kết. Mặt khác, các datagram lại phải qua nhiều liên kết khác nhau trước khi đến đích nên MTU cũng thay đổi theo từng liên kết. MTU có giá trị nhỏ nhất trong các MTU của các liên kết tạo nên đường truyền dẫn được gọi là path MTU (MTU của đường truyền). Các datagram có thể định tuyến theo các con đường khác nhau nên path MTU giữa hai host không phải là một hằng số. Nó sẽ phụ thuộc vào tuyến được lựa chọn định tuyến tại thời gian đang sử dụng. Path MTU hướng thuận khác với path MTU hướng ngược. Để các datagram có thể đóng gói vào các frame của tầng liên kết thì IP phải có khả năng phân mảnh datagram thành các fragment có kích thước phù hợp. Việc phân mảnh có thể ở ngay nguồn hay ở các bộ định tuyến mà tại đó datagram có kích thước lớn hơn kích thước vùng dữ liệu của frame. Các fragment đầu sẽ có kích thước tối đa sao cho vừa với vùng dữ liệu của frame, riêng fragment cuối cùng sẽ là phần dữ liệu còn lại (nhỏ hơn hoặc bằng vùng dữ liệu của frame). Quá trình phân mảnh được thực hiện nhờ các trường Flag, Fragment Offset và làm thay đổi các trường Total Length, Header Checksum. Tái hợp Các Fragment được truyền như những datagram độc lập cho đến máy đích mới được tái hợp lại. Thực hiện tái hợp sẽ nhờ vào trường Flag để biết được Fragment cuối cùng cũng như sử dụng Identification để biết được fragment thuộc vào datagram nào. Như vậy, các fragment có giá trị bốn trường Identification, Source Address, Destination Address và Protocol giống nhau thì sẽ thuộc cùng vào một datagram để truyền lên lớp cao. Chỉ khi phía thu nhận đủ fragment thì mới thực hiện quá trình tái hợp. Vì vậy, cần có các bộ đệm, một bảng theo bit chỉ các khối fragment đã nhận được, một bộ đếm thời gian tái hợp. Dữ liệu của fragment được đặt vào một bộ đệm dữ liệu và vị trí của nó phụ thuộc vào Fragment Offset, bit trong bảng tương ứng với Fragment nhận được sẽ được lập. Nếu nhận được fragment đầu tiên có Fragment Offset bằng 0 tiêu đề của nó được đặt vào bộ đệm tiêu đề. Nếu nhận được fragment cuối cùng (có MF của trường Fragment bằng 0) thì độ dài tổng sẽ được tính. Khi đã nhận đủ các fragment (biết được bằng cách kiểm tra các bit trong bảng bit khối Fragment) thì sau đó datagram được gửi lên tầng trên. Mặt khác, bộ đếm thời gian tái hợp nhận giá trị lớn nhất là giá trị của bộ đếm thời gian tái hợp hiện thời hoặc giá trị của trường Time to Live trong Fragment. Chý ý: Trong quá trình tái hợp, nếu bộ đếm thời gian tái hợp đã hết thì các tài nguyên phục vụ cho quá trình tái hợp (các bộ đệm, một bảng theo bit chỉ các khối fragment đã nhận được) sẽ bị giải phóng, các fragment đã nhận được sẽ bị huỷ mà không xử lý gì datagram. Khi tái hợp, giá trị khởi đầu của bộ đếm thời gian tái hợp thường thấp hơn giới hạn thời gian thực hiện tái hợp. Đó là vì thời gian thực hiện tái hợp sẽ tăng lên nếu Time to Live trong fragment nhận được lớn hơn giá trị hiện thời của bộ đếm thời gian tái hợp nhưng nó lại không giảm nếu nhỏ hơn. Đối với các datagram có kích thước nhỏ, trong quá trình truyền không phải phân mảnh (có trường Fragment Offset và vùng MF của trường Flag bằng 0) thì phía thu không cần thực hiện tái hợp mà datagram được gửi luôn lên tầng trên. Việc chỉ tái hợp các fragment ở đích cuối cùng có những hạn chế sau: sau khi phân mảnh các fragment có thể đi qua mạng có MTU lớn hơn, do đó không tận dụng được hiệu quả truyền dẫn. Ngoài ra, như ta đã biết các fragment chỉ được tái hợp lại khi đã nhận đủ. Với số lượng fragment lớn thì xác suất mất fragment cao hơn, khi đó kéo theo xác suất mất datagram cũng cao vì chỉ cần một fragment không về đến đích trước khi bộ đếm thời gian bằng 0 thì toàn bộ datagram sẽ mất. Nhưng việc kết hợp các gói tin tại đích sẽ giúp cho chức năng của các router đơn giản hơn, xử lý nhanh hơn và tránh được tình trạng tái hợp rồi lại phân mảnh. Vì thế, cơ cấu này vẫn được sử dụng trong IP. 3.1.7. Định tuyến Định tuyến là một trong các chức năng quan trọng của IP. Datagram sẽ được định tuyến bởi host tạo ra nó và có thể còn có một số host khác (có chức năng như các router). Sau đây, sẽ tìm hiểu về định tuyến trong IP. Cấu trúc bảng định tuyến Thành phần cơ bản được sử dụng trong quá trình định tuyến đó là bảng định tuyến. Bảng 3.2 thể hiện cấu trúc của bảng định tuyến. Bảng 3.2: Cấu trúc bảng định tuyến Mask Destination Add Next Hop Add Flag Reference cout Use Interface ……. …………… …………… … ……………… …. ………. ……. ………… …………… … ……………… …. ………. Các thành phần trong bảng định tuyến gồm có: Mask: subnetmask được dùng cho địa chỉ IP của máy đích. Destination Add: địa chỉ IP của máy đích. Next Hop Add: địa chỉ IP của router tiếp theo (next hop router) trên đường truyền. Flag: là các cờ dùng để báo hiệu. Có 5 loại cờ khác nhau: - U: khi được lập có nghĩa là các router tiếp theo đang còn chạy. - G: + Khi lập có nghĩa là tuyến của datagram phải đi qua một router (undirect delivery). + Khi tắt có nghĩa là datagram được truyền trực tiếp đến máy đích (direct delivery). Tức là, máy đích nằm trên cùng một mạng vật lý với máy nguồn hay với router có nhiệm vụ định tuyến cho datagram đó. Khi này, tại cột next hop add sẽ có địa chỉ của giao diện đầu ra. Nếu máy đích nối trực tiếp vào mạng thì đó là địa chỉ đích. - H: Khi lập sẽ chỉ định tuyến đến một host tức là cột Destination add là một địa chỉ host. Nếu không là chỉ định tuyến đến một mạng, cột Destination add là một địa chỉ mạng: chỉ sử dụng phần net ID hay kết hợp net ID và subnet ID. - D: khi lập chỉ rằng các thông tin định tuyến đã được cập nhật vào bảng định tuyến. - M: khi lập chỉ rằng các thông tin thay đổi trong bảng định tuyến đã được ghi lại. Reference – cout: chỉ ra số các dịch vụ đang kết nối vào đường truyền tại cùng một thời điểm với địa chỉ là Destination add. Use: chỉ số các gói tin được truyền qua router để đến một đích. Interface: là tên của giao diện. Địa chỉ 0.0.0.0 được sử dụng để xác định là tuyến mặc định trong bảng định tuyến. Độ phức tạp của bảng định tuyến phụ thuộc vào cấu hình mạng. Độ phức tạp được chia thành các mức độ sau: - Trường hợp đơn giản nhất là chỉ có một máy duy nhất, máy này không được nối vào mạng nào. Trong trường hợp này, bảng định tuyến chỉ có một đầu ra sử dụng giao diện loopback. - Một host được kết nối đến một mạng LAN độc lập chỉ cho phép truy cập đến các host trên mạng đó. Bảng định tuyến gồm hai đường: một cho giao diện loopback và một cho mạng LAN. - Các mạng chỉ nối với nhau qua một router duy nhất. Khi đó định tuyến thường sử dụng điểm đầu ra mặc định default đến chính router này. - Cuối cùng, có thêm các tuyến host – specific và network – specific. Nguyên tắc định tuyến trong IP Định tuyến trong IP có hai loại: Định tuyến tĩnh. Định tuyến động. Định tuyến tĩnh Phương pháp định tuyến tĩnh sử dụng một bảng định tuyến (cấu trúc đã trình bày ở trên) để lưu trữ thông tin về các đích có thể đến và làm sao có thể đến được đó. Vì cả máy tính và router đều phải chuyển datagram nên cả hai đều có các bảng định tuyến. Để chuyển datagram đi thì trước hết phải tìm thông tin trong bảng định tuyến. Có ba bước tìm kiếm thông tin trong bảng định tuyến theo thứ tự như sau: + Tìm xem có host nào có địa chỉ phù hợp với địa chỉ đích không (trùng hợp cả vùng net ID và vùng host ID). Khi này, có thể truyền trực tiếp datagram tới đích. + Tìm xem có host nào có địa chỉ phù hợp với địa chỉ đích không (trùng hợp vùng net ID). Khi này, datagram được gửi tới router (được xác định tại cột next hop address) hay giao diện kết nối trực tiếp (được xác định tại cột interface) với mạng trên. + Tìm kiếm một đầu ra mặc ước (đầu ra mặc ước trong bảng định tuyến thường được xác định là một địa chỉ mạng). Datagram được gửi ra theo next hop router được xác định tương ứng với dòng này. Nếu không bước nào thực hiện được thì datagram sẽ không được chuyển đi. Nếu datagram đang trên host tạo ra nó thì lỗi “host unreachable”, hay “network unreachable” được gửi về ứng dụng đã tạo ra datagram này. Định tuyến động Định tuyến động là công nghệ tối ưu bởi nó thích ứng với những điều kiện thay đổi của mạng. Các router sử dụng các giao thức định tuyến động để trao đổi các thông tin cần thiết cho nhau. Quá trình trao đổi thông tin này sẽ thực hiện cập nhật bảng định tuyến cho các router. Và việc định tuyến sau đó lại dựa vào thông tin của bảng định tuyến. Bộ định tuyến sử dụng các số liệu được đánh giá theo một chỉ tiêu nào đó để xây dựng đường dẫn tối ưu giữa hai host. Các chỉ tiêu có thể là: khoảng cách ngắn nhất, giá thành rẻ nhất…Khi đó, nếu có nhiều tuyến để đi đến đích thì thông tin về đường đi tốt nhất sẽ được cập nhật vào bảng. Đặc biệt khi có một liên kết trên tuyến bị lỗi, tuyến đó sẽ được bỏ đi và thay thế bằng một tuyến khác nên đã khắc phục được lỗi. Có nhiều giao thức định tuyến khác nhau sử dụng các thuật toán khác nhau để xác định đường đi tối ưu tới đích. Các thuật toán đó là: thuật toán véc tơ khoảng cách DVA và thuật toán trạng thái kết nối LSA. Trong đó, các giao thức sử dụng thuật toán DVA thường chỉ dùng cho các mạng có phạm vi nhỏ. Các mạng của cùng một nhà cung cấp sử dụng chung giao thức định tuyến để trao đổi thông tin giữa các router. Các giao thức này được gọi là giao thức trong cổng IGP. Các loại giao thức IGP bao gồm: giao thức RIP dựa trên thuật toán DVA, giao thức OSPF, IS – IS là những giao thức IGP được sử dụng thay thế cho giao thức RIP và dựa trên thuật toán LSA. Để trao đổi thông tin giữa các router thuộc các nhà cung cấp khác nhau người ta sử dụng các giao thức định tuyến gọi chung là giao thức định tuyến ngoài cổng EGP. Một loại giao thức EGP cũ cũng có tên là EGP. Thế hệ mới hiện nay đã được sử dụng là giao thức BGP. 3.2. IPv6 3.2.1. Tại sao lại có IPv6? Giao thức lớp mạng trong dãy giao thức TCP/IP hiện nay là IPv4. IPv4 cung cấp sự truyền dẫn host – to – host giữa các hệ thống trong mạng Internet. Mặc dù IPv6 được thiết kế khá hoàn chỉnh, việc truyền dẫn số liệu ngày càng phát triển kể từ khi IPv4 ra đời và nó tồn tại đến ngày nay mà không có sự thay đổi gì nhiều. Nhưng với sự phát triển chóng mặt của Internet, IPv4 không còn phù hợp do nó có một vài điểm thiếu hoàn thiện sau: - Không gian địa chỉ sắp cạn kiệt, đặc biệt là địa chỉ lớp B. - Cấu trúc bảng định tuyến không phân lớp. Vì thế, khi số lượng mạng tăng lên thì đồng thời kích thước bảng định tuyến tăng. - Mạng truyền dẫn Internet yêu cầu về thời gian thực cao trong truyền dẫn hình ảnh và âm thanh do ngày càng có nhiều dịch vụ khác nhau sử dụng IP. Loại truyền dẫn này yêu cầu độ trễ nhỏ nhất và khả năng dự trữ về tài nguyên không được cung cấp trong cấu trúc của IPv4. Khắc phục những thiếu sót này, IPv6 cũng được biết như IPNG (Internetworking Protocol, next generation) được ra đời và hiện nay là một phiên bản chuẩn. Trong IPv6, mạng Internet được thay đổi nhiều để phù hợp với sự phát triển. Định dạng và chiều dài của các địa chỉ IP được thay đổi cho phù hợp với định dạng gói tin. Các giao thức liên quan như ICMP cũng được biến đổi. Các giao thức khác trong lớp mạng như ARP, RARP và IGMP hoặc là được xoá bỏ hoặc là được thêm vào giao thức ICMP. Các giao thức định tuyến như RIP và OSPF cũng thay đổi để phù hợp với sự biến đổi trên. Các chuyên gia viễn thông dự đoán rằng IPv6 và các giao thức liên quan sẽ thay thế phiên bản IP hiện nay. Phần dưới đây sẽ trình bày về IPv6. 3.2.2. Khuôn dạng datagram IPv6 Ver Prio Flow Label Payload Length Next Header Hop Limit Source Address Destination Address Data Hình 3.6: Định dạng datagram của IPv6 Hình 3.6 là cấu trúc của một datagram trong phiên bản IPv6. Ý nghĩa của các trường trong cấu trúc: Ver (4 bit): chứa giá trị của phiên bản giao thức IP đã dùng để tạo datagram. Với IPv6 thì giá trị trường này sẽ là 0110. Prio (4 bit): chỉ thị mức độ ưu tiên trong quá trình phân phát của datagram. Flow Lable (24 bit): đây là một giá trị khác 0 được phía nguồn gán cho các datagram thuộc một luồng cụ thể có yêu cầu các router xử lý đặc biệt (các dịch vụ có QoS hay các dịch vụ không lỗi) và để điều khiển. Payload Length (16 bit): chỉ độ dài của phần tải tin và bất kỳ tiêu đề mở rộng nào nằm tiếp sau phần tiêu đề cơ bản của IPv6 (không bao gồm phần tiêu đề cơ bản của datagram IPv6). Đơn vị tính theo từng octet. Như vậy, một datagram IPv6 có phần độ dài tải tối đa là 65535 byte nên có thể chứa khoảng 64K tải số liệu hữu hiệu. Nếu bằng 0 thì nó ngụ ý rằng độ dài tải tin được đặt trong lựa chọn hop – by – hop cho tải tin lớn hơn Jumbo Payload. Next Header (8 bit): chỉ loại tiêu đề được sử dụng ngay sau tiêu đề cơ bản của IPv6. Nó có thể là tiêu đề mở rộng hay tiêu đề của tầng truyền tải (khi này các giá trị giống như trường Protocol trong IPv4) hay thậm chí là để chỉ trường tải dữ liệu. Hop Limit (8 bit): giá trị của trường này giảm đi 1 mỗi khi datagram được chuyển tiếp qua một router. Datagram sẽ bị huỷ nếu giá trị này bằng 0, (gần giống trường Time to Live trong IPv4). Source Address (128 bit): xác định địa chỉ IP nguồn của IPv6 datagram. Nó không thay đổi trong suốt quá trình datagram được truyền. Destination Address (128 bit): xác định địa chỉ IP đích của IPv6 datagram. Nó không thay đổi trong suốt quá trình datagram được truyền. Data: chứa dữ liệu cần truyền. 3.2.3. Các tiêu đề mở rộng của IPv6 v Tổng quát Các tiêu đề mở rộng nằm giữa phần tiêu đề cơ bản và phần tải tin. Có thể có một hoặc nhiều tiêu đề mở rộng. Giống như option trong IPv4, tiêu đề mở rộng chứa các thông tin yêu cầu xử lý đặc biệt của các datagram. Hầu hết các tiêu đề mở rộng của IPv6 chỉ được xử lý tại đích mà không phải xử lý tại các router chuyển tiếp vì thế đạt được hiệu năng cao hơn. Nội dung trong các tiêu đề mở rộng sẽ được chỉ thị bởi các trường Next header trong tiêu đề cơ bản hay các tiêu đề mở rộng khác. Nội dung và ngữ nghĩa của các tiêu đề mở rộng phụ thuộc vào giá trị của trường Next header của tiêu đề ngay trước nó. Vì thế, các tiêu đề phải được xử lý theo đúng trình tự xuất hiện trong mỗi datagram. Mỗi tiêu đề mở rộng sẽ nhận một giá trị riêng. Độ dài tính theo đơn vị octet của mỗi tiêu đề mở rộng phải là bội số của 8. Các option trong các tiêu đề mở rộng: hai loại tiêu đề mở rộng được định nghĩa hiện nay là Hop – by – Hop Options Header và Destination Options Header có mang các loại mã hoá Loại - Độ dài – Giá trị TLV có khuôn dạng chung như sau: Option Type Option Data Length Option Data Hình 3.7: Lựa chọn mã hoá TLV - Option Type (8 bit): chỉ thị loại lựa chọn. - Option data Length (8 bit): chỉ độ dài của trường data trong lựa chọn này theo đơn vị octet. - Option data (độ dài thay đổi): chứa dữ liệu cụ thể của loại lựa chọn tương ứng. Các option trong một tiêu đề phải được xử lý đúng theo trình tự đã nhận được chúng nghĩa là, phía thu không được phép tìm kiếm một loại lựa chọn nào đó và xử lý nó trước các lựa chọn khác đã nhận được trước nó. Trong Option Type có sử dụng hai bit có trọng số cao nhất để mã hoá việc xử lý đối với datagram khi các node IPv6 không nhận ra được loại của option. Mã hoá như sau: + 00: bỏ qua option này và tiếp tục xử lý tiêu đề. + 01: xoá bỏ datagram. + 10: xoá bỏ datagram. Xem địa chỉ đích của datagram có phải là địa chỉ multicast không, nếu đúng sẽ gửi bản tin ICMP lỗi thông số, mã số 2 về địa chỉ nguồn để báo rằng loại lựa chọn không thể nhận ra. + 11: xoá bỏ datagram. Xem địa chỉ đích của datagram có phải là địa chỉ multicast không, chỉ khi không phải mới gửi bản tin ICMP lỗi thông số, mã số 2 về địa chỉ nguồn để báo rằng loại lựa chọn không thể nhận ra. Bit có trọng số cao thứ ba trong Option Type để xác định dữ liệu trong lựa chọn có thể bị thay đổi tại các router hay không: + 0: dữ liệu trong lựa chọn không được thay đổi tại các router. + 1: dữ liệu trong lựa chọn có thể thay đổi tại các router. Nếu dữ liệu trong lựa chọn có thể thay đổi tại các router thì tiêu đề nhận thực Authentication Header phải có trong datagram và toàn bộ trường dữ liệu của lựa chọn được coi như là các octet toàn giá trị 0 trong khi tính toán hay thay đổi giá trị nhận thực của datagarm. v Các tiêu đề mở rộng Các tiêu đề mở rộng được định nghĩa trong IPv6 và thường xuất hiện theo thứ tự sau: a, Hop – by – Hop Options Header Được xác định với giá trị của trường Next Header bằng 0. Nó mang thông tin lựa chọn yêu cầu phải được kiểm tra tại mỗi router trên đường phân phát datagram. Khi trường Payload Length của tiêu đề cơ bản bằng 0 thì hai phần lựa chọn đệm của Hop – by – Hop Options được sử dụng để mang Jumbo Payload Option. Jumbo Payload Option được sử dụng để mang các datagram của IPv6 có dung lượng tải tin lớn hơn 65535 octet. Khuôn dạng của Hop – by – Hop Options Header như sau: Hình 3.8: Khuôn dạng của Hop – by – Hop Options Header - Next Header (8 bit): xác định loại của tiêu đề tiếp ngay sau nó. - Hdr Ext Len (8 bit): là số không âm chỉ độ dài của Hop – by – Hop Options Header theo đơn vị 8 octet nhưng không kể 8 octet đầu tiên. - Options (độ dài thay đổi là bội của 8 octet): gồm một hay nhiều lựa chọn mã hoá TLV. b, Destination Options Header Được xác định với giá trị của trường Next Header bằng 60. Dùng để mang các thông tin chỉ yêu cầu xử lý tại đích. Khuôn dạng của Destination Options Header giống như của Hop – by – Hop Options Header. c, Routing Header Được xác định với giá trị của trường Next Header bằng 43. Được module IPv6 phía nguồn sử dụng để liệt kê tất cả các router trung gian mà gói tin sẽ đi qua để đến được đích. Khuôn dạng của Routing Header như sau: Hình 3.9: Khuôn dạng của Routing Header - Next Header (8 bit): xác định loại của tiêu đề tiếp ngay sau nó. - Hdr Ext Len (8 bit): là số không âm chỉ độ dài của Routing Header theo đơn vị 8 octet nhưng không kể 8 octet đầu tiên. - Routing Type (8 bit): xác định loại tiêu đề định tuyến cụ thể. - Segments Left (8 bit): là số nguyên không âm chỉ số các router còn lại mà datagram phải qua để đến đích. - Type – specific data (độ dài thay đổi, là bội của 8 octet): nó có khuôn dạng được quy định cho từng loại định tuyến cụ thể. Khi xử lý datagram nhận được mà node không nhận biết được giá trị loại định tuyến thì nó sẽ xử lý phụ thuộc vào giá trị của trường Segments Left: + Segments Left bằng 0 thì node sẽ bỏ qua việc xử lý tiêu đề định tuyến mà xử lý tiêu đề tiếp theo được xác định bởi Next Header của Routing Header. + Segments Left khác 0 thì datagram sẽ bị xoá và bản tin ICMP lỗi tham số, mã số 0 được gửi về địa chỉ nguồn để báo rằng loại định tuyến không nhận biết được. d, Fragment H