Đồ án Hiện trạng mạng viễn thông Việt Nam và xu hướng phát triển mạng truy nhập của thế giới

LỜI CẢM ƠN dc Suốt trong thời gian học tập vừa qua, được sự quan tâm, giúp đỡ của trường Đại học Bách Khoa, khoa Điện Tử Viễn Thông, nay em đã hoàn thành khoá học của mình. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến: Quý thầy cô trong khoa Điện Tử Viễn Thông đã tận tình chỉ bảo em trong suốt quá trình học tập. Quý thầy cô ở các khoa có liên quan đã cung cấp cho em những kiến thức cần thiết cho một sinh viên. Trường Đại học Bách Khoa đã tạo điều kiện cho em học tập trong suốt thời gian qua. Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến thầy NGUYỄN TẤN HƯNG đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp này. Cảm ơn tất cả bạn bè đã giúp đỡ tôi và chia sẽ những khó khăn trong quá trình thực hiện đồ án này. Sinh viên thực hiện VÕ DŨNG LỜI CAM ĐOAN ab Đồ án này đã được hoàn thành sau một thời gian nghiên cứu và tìm hiểu các nguồn tài liệu đã học, sách báo chuyên ngành cũng như các thông tin trên mạng mà theo em là hoàn toàn tin cậy. Do thời gian thực hiện đồ án có hạn nên trong quá trình nghiên cứu và tìm hiểu còn gặp nhiều thiếu sót. Em xin cam đoan đồ án này không giống với bất kỳ công trình nghiên cứu hay đồ án nào trước đây mà em đã biết. Đà Nẵng, tháng 06 năm 2006. Người thực hiện VÕ DŨNG MỤC LỤC BẢNG TỪ VIẾT TẮT TỪ VIẾT TẮT TÊN TIẾNG ANH TÊN TIẾNG VIỆT A-DBA Adaptive Dynamic Bandwidth Allocation Cấp phát băng thông thích ứng dữ liệu ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền dị bội CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect Đa truy nhập cảm nhận sóng mang có phát hiện xung đột DA Destination Address Địa chỉ đích DCE Data Communication Equipment Thiết bị giao dịch dữ liệu DTE Data Terminal Equipment Thiết bị dữ liệu đầu cuối DSL Digital Subscriber Line Đường dây thuê bao số EMS Element Management System Hệ thống quản lý EPON Ethernet Passive Optical Network Mạng quang thụ động Ethernet FCS Frame Check Sequence Kiểm tra khung tuần tự FR Frame Relay Công nghệ Frame Relay FSAN Full Service Access Network Mạng truy cập dịch vụ đầy đủ FTTB Fiber To The Building Sợi quang đến tòa nhà FTTC Fiber To The Curb Sợi quang đến cụm thuê bao FTTH Fiber To The Home Sợi quang đến tận nhà thuê bao IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers Hiệp hội các kỹ sư điện và điện tử thế giới ID Indentify Destination Chỉ định địa chỉ đích IP Internet Protocol Giao thức Internet ISDN Integrated Services Digital Network Mạng tích hợp dịch vụ số ITU International Telecommunication Union Liên hiệp viễn thông quốc tế LAN Local Area Network Mạng cục bộ LLC Logical Link Control Điều khiển kết nối logic MAN Metropolitan Area Network Mạng khu vực thủ đô MAC Media Access Control Lớp điều khiển truy nhập phương tiện MDI Medium Depentdent Interface Giao diện phụ thuộc phương tiện MII Medium Indepentdent Interface Giao diện độc lập phương tiện MPCP MultiPoint Control Protocol Giao thức điều khiển đa điểm MPtP MultiPoint to Point Mô hình điểm đa điểm NGN Next Generation Network Mạng thế hệ sau NIC Network Interface Card Card giao tiếp mạng OLT Optical Line Terminal Kết cuối đường truyền quang ONU Optical Network Unit Đơn vị mạng quang PC Personal Computer Máy vi tính PCS Physical Coding Sublayer Lớp con mã hóa vật lý PDH Plesiochoronous Digital Hierarchy Phân cấp số cận đồng bộ PMA Physical Medium Attachment Lớp con thuộc lớp vật lý PON Passive Optical Network Mạng quang thụ động POTS Plain Old Telephony System Hệ thống điện thoại kiểu cũ PRE Preamble Mào đầu PtP Point to Point Mô hình điểm-điểm PtPE Point-to-Point Emulation PtMP Point-to-Multi-Point Mô hình điểm đa điểm QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ SA Source Address Địa chỉ nguồn SDH Synchoronous Digital Hierarchy Phân cấp số đồng bộ SDM Space Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo không gian SFD Start of Frame Delimiter Byte xác định sự bắt đầu khung SLA-DBA Service Level Agreement Dynamic Bandwidth Allocation Cấp phát băng thông động theo mức dịch vụ cam kết SBA Static Bandwidth Allocation cấp phát băng thông cố định SP-DBA Strict Priority Dynamic Bandwidth Allocation Cấp phát băng thông động theo chế độ ưu tiên SLA Service Level Agreement Cam kết mức độ dịch vụ SME Shared Medium Emulation SONET Synchoronous Optical Network Mạng quang đồng bộ TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời gian WAN Wide Area Network Mạng truy nhập diện rộng LỜI MỞ ĐẦU ab Mạng đường trục Bắc – Nam nước ta sử dụng mạng Ring cáp quang SDH 20 Gbps. Các mạng liên tỉnh sử dụng các hệ thống cáp quang SDH với dung lượng 622 Mbps và 2,5 Mbps. Vào cuối năm 2004, mạng NGN đã chính thức được đưa vào khai thác với khả năng cung cấp dịch vụ đa dạng, hội tụ cả thoại, video và dữ liệu, nhưng mạng truy nhập hầu như không có một sự phát triển nào đáng kể.Tuy nhiên mạng truy nhập lại chủ yếu sử dụng cáp đồng, do đó không khai thác hết tính năng của mạng NGN. Vấn đề đặt ra là làm thế nào để mạng truy nhập phát triển tương xứng với mạng đường trục đặc biệt là mạng NGN đồng thời đáp ứng ngày càng nhiều các dịch vụ mới đòi hỏi băng thông cao cho người dùng. Trong khi đó, với những ưu điểm vượt trội của mình, EPON (Ethernet Passive Optical Network) đã tạo ra một sự chuyển biến rõ rệt trong mạng truy nhập. Đây cũng là giải pháp mà đề tài này đề cập cho mạng truy nhập tại Việt Nam. Nội dung của đề tài này được chia làm sáu chương theo cơ cấu như sau: Chương 1 HIỆN TRẠNG MẠNG VIỄN THÔNG VIỆT NAM VÀ XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN MẠNG TRUY NHẬP CỦA THẾ GIỚI. Chương này cho ta biết một cách tổng quan về mạng truyền dẫn hiện tại của Việt Nam, phân tích xu hướng phát triển mạng truy nhập trên thế giới dựa trên nhu cầu về dịch vụ. Trên cơ sở đó, mục đích của chương này là nói lên tính tất yếu phải nâng cấp mạng truy nhập hiện nay và mạng truy nhập quang thụ động là giải pháp được lựa chọn. Chương 2 MẠNG TRUY NHẬP QUANG THỤ ĐỘNG – PON Chương này cho ta biết một cách tổng quang về mạng PON, đưa ra các mô hình cơ bản của mạng, phân tích các thành phần tồn tại chủ yếu trong mạng là OLT và ONU. Chương này cũng đưa ra hai kỹ thuật được sử dụng trong việc truyền tải của mạng PON đó là WDM và TDM. Từ đó đưa ra ưu nhược từng kỹ thuật để đi đến lý do chọn kỹ thuật TDM. Chương 3 CÔNG NGHỆ ETHERNET Trong chương này sẽ giới thiệu tổng quan về kỹ thuật Ethernet, quan hệ giữa mô hình Ethernet với mô hình 7 lớp OSI , kiến trúc khung của Ethernet, các phương thức phát dữ liệu của Ethernet cũng như các chuẩn của nó. Từ đó cho thấy được thế mạnh của công nghệ này trong mạng truy nhập quang thụ động. Chương 4 MẠNG TRUY NHẬP QUANG THỤ ĐỘNG EHTERNET – EPON Chương này nói lên những ích lợi của việc sử dụng mạng truy nhập EPON, phân tích nguyên lý hoạt động của nó, phân tích về chuẩn IEEE 802. Chương cũng phân tích hai mô hình Share Medium và song công. Từ đó cho thấy quá trình truyền dữ liệu trong mạng EPON. Chương 5 KHẢO SÁT TRỄ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN PHỐI BĂNG THÔNG TRONG EPON Chương này đưa ra các phương pháp phân phối băng thông cơ bản được sử dụng trong mạng EPON và phân tích tính toán các thành phần trễ ảnh hưởng đến quá trình truyền tải của mạng. Chương 6 GIAO DIỆN MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ TÍNH TOÁN Chương này đưa ra giao diện mô phỏng và hình ảnh đồ thị cũng như ma trận của quá trình tính toán của chương trước, cũng như đưa ra các thuật toán sử dụng để tính toán. Thuật toán được viết dựa trên ngôn ngữ MathCad, giao diện mô phỏng viết trên ngôn ngữ Visual Basic. Đó là tổng quan về đề tài mà em sẽ trình bày sau đây. Tuy đã cố gắng trong quá trình thực hiện đề tài này, song do sự hạn chế về kiến thức nên không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em mong được sự phê bình, chỉ dẫn của thầy cô và bạn bè để đề tài được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn thầy NGUYỄN TẤN HƯNG người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong quá trình làm đề tài này. Em cũng chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành đề tài tốt nghiệp này. Sinh viên thực hiện VÕ DŨNG HIỆN TRẠNG MẠNG VIỄN THÔNG VIỆT NAM VÀ XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN MẠNG TRUY NHẬP CỦA THẾ GIỚI Giới thiệu chương Với những ưu điểm vượt trội của thông tin quang thì việc ứng dụng thông tin quang trong mạng truy cập là điều cần thiết và tất yếu của xu hướng hiện nay. Mục đích của việc này là nhằm đáp ứng các nhu cầu ngày càng gia tăng của người dùng viễn thông trong nước và quốc tế với các loại hình dịch vụ ngày càng phong phú, đặc biệt giải quyết được vấn đề “nút cổ chai” giữa mạng truy nhập và mạng đường trục hiện nay. Bên cạnh đó, chiến lược phát triển viễn thông phụ thuộc rất nhiều vào hiện trạng mạng viễn thông và định hướng phát triển viễn thông ở mỗi nước. Ở Việt Nam thì đây cũng không phải là một ngoại lệ. Chương này sẽ trình bày về hiện trạng mạng truyền dẫn của Việt Nam, xu hướng phát triển viễn thông trên thế giới và tổng quan về mạng truy nhập quang thụ động. Hiện trạng mạng truyền thông của Việt Nam Mạng viễn thông Việt Nam hiện tại được chia thành ba thành phần chính: Cấp Quốc Tế, cấp Quốc Gia và cấp nội tỉnh (hình 1.1). Truyền dẫn Quốc Tế Các trạm cập bờ cáp biển TVH (ThaiLan-VietNam-HongKong_560Mb/s) và SMW3 (SouthEastAsia-MiddleEast-WestEurope_2,5Gb/s). Các trạm thuộc tuyến CSC(2,5Gb/s), tuyến cáp quang TP Hồ Chí Minh-PhnomPenh (155Mb/s). Ngoài ra còn có các trạm thông tin vệ tinh mặt đất. Truyền dẫn Quốc Gia Tuyến trục Bắc-Nam sử dụng mạng Ring cáp quang 2,5Gb/s (trên cáp quang quốc lộ 1A và cáp quang 500Kv) và tuyến vi ba PDH (Plesiochoronous Digital Hierachy) 140Mb/s (có cấu hình 2+1), ngoài ra còn có tuyến cáp quang dọc đường Trường Sơn. Quốc Tế Quốc gia Nội tỉnh Gateway Quốc Tế TOLL quốc gia TOLL quốc gia Gateway Quốc Tế Host Host Hình 1.1: Cấu trúc mạng viễn thông Việt Nam hiện tại Cuối năm 2004, mạng NGN (Next Generation Network) đã được đưa vào khai thác dựa trên công nghệ chuyển mạch gói, cho phép triển khai đa dạng và nhanh chóng các dịch vụ, đáp ứng sự hội tụ giữa thoại và số liệu, giữa sự cố định và di động với Internet băng rộng. Truyền dẫn nội tỉnh Các tuyến vi ba số PDH. Các tuyến cáp quang nội tỉnh. Mạng truy nhập thuê bao sử dụng cáp đồng. Sự phát triển của lưu lượng Lưu lượng dữ liệu ngày càng tăng với một tốc độ chưa từng thấy. Có thể chứng minh được tốc độ tăng lưu lượng dữ liệu trên 100% mỗi năm từ những năm 1990. Có một thời kỳ mà sự kết hợp giữa các nhà máy kỹ thuật và kinh tế đã làm cho tốc độ tăng lên rất cao ví dụ năm 1995, 1996 mỗi năm tăng 1000%. Xu hướng online và họ sẽ sẵn sàng online để trải qua nhiều thời gian và sử dụng những ứng dụng đòi hỏi băng thông lớn. Việc nghiên cứu thị trường cho thấy, sau khi nâng cấp lên băng rộng người dùng đã online nhiều hơn 35% so với trước. Lưu lượng thoại cũng tăng nhưng tốc độ chậm hơn 8% mỗi năm. Theo như hầu hết các nhà phân tích thì lưu lượng dữ liệu đã vượt trội lưu lương thoại. Nhiều dịch vụ và ứng dụng sẽ trỡ thành hiện thực khi mà băng thông mỗi người dùng được tăng lên. Cả DSL( Digital Subscriber Line) và cáp modem đều không thể theo kịp nhu cầu. Cả hai công nghệ này đều là những kiến trúc truyền thông được xây dựng hàng đầu hiện nay nhưng không tối ưu hoá cho lưu lượng dữ liệu. Trong mạng cáp Modem, chỉ một vài kênh RF được chỉ định cho dữ liệu trong khi phần lớn băng thông dành cho video tương tự. Mạng cáp đồng DSL không thể phù hợp với tốc độ dữ liệu ở khoảng cách yêu cầu do méo và nhiễu xuyên tâm tín hiệu. Hầu hết các nhà hoạt động mạng đều nhận thức rõ rằng sự cần thiết của một giải pháp tập trung dữ liệu, các dịch vụ truyền thống như thoại, video sẽ hội tụ vào định dạng số với đầy đủ các dịch vụ sẽ ra đời. Xu hướng phát triển hiện nay Trong những năm gần đây, mạng đường trục ( mạng xương sống:backbone) đã có một sự phát triển vượt bậc, tuy nhiên mạng truy cập ít có sự thay đổi. Sự phát triển kinh khủng của lưu lượng Internet càng làm trầm trọng thêm sự chậm trễ của dung lượng mạng truy cập. Đó chính là vấn đề “nút cổ chai” giữa mạng truy nhập và mạng đường trục. Giải pháp băng rộng được triển khai phổ biến hiện nay là DSL và mạng cáp Modem. Mặc dầu nó đã có sự cải thiện đáng kể so với đường dây dial-up 56Kbps, tuy nhiên nó không thể cung cấp đủ băng thông cho các dịch vụ như video, tró chơi tương tác hay hội nghị truyền hình. Một công nghệ mới đã được đưa ra, có chi phí đầu tư không cao, đơn giản, có thể nâng cấp, có khả năng hội tụ các dịch vụ thoại dữ liệu và video đến người dùng trên một mạng đơn. Đó là EPON (Ethernet Passive Optical Network), là giải pháp truy nhập quang sử dụng mạng quang thụ động (PON: Passive Optical Network) kết hợp với giao thức Ethernet (EPON). Giải pháp này mang ưu diểm của cả hai công nghệ PON với băng rộng và Ethernet được thiết kế phù hợp tải mang lưu lượng IP (Internet Protocol). Đây là một công nghệ truy nhập được kỳ vọng trong những năm tới và cũng được xem như là một trong những công nghệ động lực để tiến đến mạng toàn quang. Mạng truy nhập thế hệ sau (a) Point to Point Network (b) Curb-Switched Network (c) Passive optical network Hình 1.2: Các mô hình phân bổ sợi quang đến thuê bao Sợi quang có khả năng phân phối băng thông cao, tích hợp dịch vụ thoại, dữ liệu và video với khoảng cách trên 20Km trong mạng truy nhập. Phương thức vật lý để triển khai sợi quang trong mạng truy nhập nội hạt là sử dụng mô hình điểm điểm (PtP: Point to Point), với sợi quang chạy từ CO (Central Office) đến mỗi đầu cuối thuê bao (hình 1.2a). Kiến trúc này đơn giản tuy nhiên chi phí khá cao. Chúng ta xét N thuê bao với khoảng cách trung bình so với CO là L Km thì mô hình PtP yêu cầu 2N bộ thu phát và NxL tổng chiều dài sợi quang. Để giảm chiều dài sợi quang, chúng ta có thể sử dụng các chuyển mạch từ xa, làm giảm chiều dài sợi quang chỉ còn L km (khoảng cách giữa chuyển mạch và người dùng không đáng kể) nhưng sẽ làm tăng số lượng bộ thu phát lên 2N+2 (hình 1.2b). Ngoài ra, kiến trúc mạng chuyển mạch cụm thuê bao (Curb-Switched) yêu cầu năng lượng điện cũng như năng lượng sao lưu tại Curb-switch. Hiện tại, một trong những chi phí cao nhất của các nhà cung cấp tổng đài nội hạt là cung cấp và bảo quản năng lượng điện trong vòng nội hạt. Cho nên, thật hợp lý khi thay các chuyển mạch cụm thuê bao bằng các bộ quang thụ động rẽ tiền (hình 1.2c). PON là một kỷ thuật được xem xét với nhiều ưu điểm như số lượng các bộ thu phát quang, thiết bị đầu cuối CO và sợi quang ít. PON là mạng quang điểm đa điểm( PtMP: Point to MultiPoint) với các phần tử không kích hoạt trong đường dẫn tín hiệu từ nguồn đến đích. Chỉ các phần tử được sử dụng bên trong mạng PON là các linh kiện quang thụ động như là sợi quang, bộ nối và bộ chia quang. Một mạng truy nhập dựa trên một sợi quang đơn chỉ yêu cầu N+1 bộ thu phát và L km sợi quang So sánh giữa các giải pháp truy nhập và thị trường mạng quang thụ động toàn cầu Bảng 1.1 Thị trường mạng quang thụ động toàn cầu 2003-2008 Triệu USD 2003 2004 2005 2006 2007 2008 Tổng (FTTB+FTTH) 221,4 363,4 547,7 754,7 979,9 1161,5 Công nghệ Tốc độ cực đại (Mbit/s) Khoảng cách cực đại (m) Đánh giá Tốc độ Khoảng cách Chia sẽ môi trường Chi phí Công lao động Độ tin cậy Cáp đồng DSL 1.5 3200 Thấp T/bình Không T/bình T/bình T/bình Đồng trục 10 3200 T/bình T/bình Có Cao T/bình T/bình CAT-5(6) 100 300 Cao Gần Không T/bình T/bình T/bình Sợi quang Đa mode >10 10000 Cao T/bình Không T/bình Cao Cao Đơn mode >10 100000 Cao Xa Không T/bình Cao Cao PON 100 10000 Cao T/bình Có T/bình T/bình Cao Vô tuyến Satellite <1 N/A Thấp T/bình Có Cao Thấp T/bình WiFi <11 100 T/bình Tb/Gần Có Cao Thấp Cao 802.11a 50 20 Cao Gần Có Cao Thấp T/bình Blue Tooth 10 3 T/bình Gần Có Cao Thấp T/bình Bảng 1.2 So sánh giữa các giải pháp truy nhập Từ hai bảng trên, triển vọng của EPON được minh chứng qua dự báo thị trường sản phẩm mạng PON và phẩm chất kỹ thuật so với các giải pháp truy nhập khác. Tốc độ phát triển trung bình 39,3% trong giai đoạn 2003-2008 cho thấy một tương lai đầy hứa hẹn với thị trường PON trong bối cảnh suy thoái của thị trường viễn thông trong thời gian qua. Đây được xem là một trong những thị trường hấp dẫn nhất đối với các nhà đầu tư trong giai đoạn tới. Kết luận chương Như đã trình bày ở trên, mạng đường trục là mạng với tốc độ dữ liệu cao lên đến hàng Gb/s và được áp dụng công nghệ chuyển mạch gói (mạng chuyển mạch thế hệ sau NGN) với sự hội tụ của thoại, dữ liệu và video tốc độ cao trong khi đó mạng truy nhập hầu như không có một sự phát triển tương xứng. Gần đây, với công nghệ DSL đã giảm bớt phần nào vấn đề “nút cổ chai” tuy nhiên vẫn chưa giải quyết triệt để vấn đề này. Như vậy, sự nâng cấp mạng truy nhập là việc làm tất yếu vào lúc này. Tuy nhiên, kỹ thuật nào được lựa chọn ? Theo như xu hướng trên thế giới và những ưu điểm mà nó đem lại, EPON đã chứng tỏ là giải pháp hữu hiệu nhất cho mạng truy nhập hiện nay. EPON là sự kết hợp giữa mạng quang thụ động PON và công nghệ Ethernet. Sự kết hợp này sẽ được trình bày trong các chương tiếp theo. MẠNG TRUY NHẬP QUANG THỤ ĐỘNG – PON Giới thiệu chương Với những ưu điểm vượt trội, mạng quang thụ động PON( Passive Optical Network) là một sự lựa chọn thích hợp nhất cho mạng truy nhập. Trong chương này sẽ nói về PON là như thế nào, hoạt động ra sao, cấu trúc của nó cũng như phương thức được sử dụng để truyền dữ liệu WDM và TDM PON. Từ đó đưa ra ưu và nhược của từng phương thức. Tổng quang về công nghệ PON Mạng quang thụ động PON (hình 2.1) sử dụng phần tử chia quang thụ động trong phần mạng phân bố nằm giữa thiết bị đường truyền quang (OLT) và thiết bị kết cuối mạng quang (ONU). Hoạt động của mạng PON được điều khiển bởi giao thức truy nhập theo địa chỉ MAC (lớp 2) Hình 2.1: Mô hình mạng quang thụ động Các phần tử thụ động của PON đều nằm trong mạng phân bố quang (hay còn gọi là mạng quang ngoại vi) bao gồm các phần tử như sợi quang, các bộ tách /ghép quang thụ động, các đầu nối và các mối hàn quang. Các phần tử tích cực như OLT và các ONU đều nằm ở đầu cuối của mạng PON. Tín hiệu trong PON có thể được phân ra và truyền đi theo nhiều sợi quang hoặc được kết hợp lại và truyền đi trên một sợi quang thông qua bộ ghép quang, phụ thuộc tín hiệu đó đi theo hướng lên hay xuống của PON. Bộ tách / ghép quang Một mạng quang thụ động sử dụng một thiết bị thụ động để tách một tín hiệu quang từ một sợi quang sang một vài sợi quang và ngược lại. Thiết bị này là Coupler quang. Để đơn giản, một Coupler quang gồm hai sợi nối với nhau. Tỷ số tách của bộ tách có thể được điều khiển bằng chiều dài của tầng nối và vì thế nó là hằng số. Hình 2.2: Cấu hình cơ bản các loại Coupler a) c) b) I1 I1 I2 I1 I2 O2 O3 O2 O2 O3 Hình 2.2a có chức năng tách tia cào thành 2 tia ở đầu ra, đây là Coupler Y.Hình 2.2b là Coupler ghép các tín hiệu quang tại hai đầu vào thành một tín hiệu tại đầu ra. Hình 2.2c vừa ghép vừa tách quang và gọi là Coupler X hoặc Coupler phân hướng 2x2. Coupler có nhiều hơn hai cổng vào và nhiều hơn hai cổng ra gọi là Coupler hình sao. Coupler NxN được tạo ra từ nhiều Couper 2x2. a) Coupler 4 ngăn 8x8 b) Coupler 3 ngăn 8x8 Hình 2.3: Coupler 8x8 được tạo ra từ nhiều Coupler Coupler được đặc trưng bởi các thông số sau: Splitting loss (tổn hao tách): Mức năng lượng ở đầu ra của Coupler so với năng lượng đầu vào (db). Đối với Coupler 2x2 lý tưởng, giá trị này là 3dB. Hình 2.3 minh hoạ hai mô hình 8x8 Coupler dựa trên 2x2 Coupler. Trong mô hình 4 ngăn (hình a), chỉ 1/6 năng lượng đầu vào được chia ở mỗi đầu ra. Hình (b) đưa ra mô hình hiệu quả hơn gọi là mạng liên kết mạng đa ngăn. Trong mô hình này mỗi đầu ra nhận được 1/8 năng lượng đầu vào. Insertion loss(tổn hao chèn): Năng lượng tổn hao do sự chưa hoàn hảo của quá trình xử lý. Giá trị này nằm trong khoảng 0,1dB đến 1dB. Directivity (định hướng): Lượng năng lượng đầu vào bị rò rỉ từ một cổng đầu vào đến các cổng đầu vào khác. Coupler là thiết bị định hướng cao với thông số định hướng trong khoảng 40-50dB. Thông thường, các Coupler được chế tạo chỉ có một cổng vào hoặc một Combiner (bộ kết hợp). Đôi khi các Coupler 2x2 được chế tạo có tính không đối xứng cao ( với tỷ số tách là 5/95 hoặc 10/90). Các Coupler loại này được sử dụng để tách một phần năng lượng tín hiệu, ví dụ với mục đích định lượng. Các thiết bị như thế này được gọi là “tap coupler”. Các đầu cuối mạng PON Optical Line Terminal (OLT thiết bị đường truyền quang ): OLT cung cấp giao tiếp giữa hệ thống mạng truy cập quang thụ động EPON và mạng quang đường trục của các nhà cung cấp dịch vụ thoại, dữ liệu và video. OLT cũng kết nối đến mạng lõi của nhà cung cấp dịch vụ thông qua hệ thống quản lý EMS(Element Management System). Optical Network Unit (ONU: thiết bị kết cuối mạng quang): ONU cung cấp giao tiếp giữa mạng thoại, video và dữ liệu người dùng với mạng PON. Chức năng cơ bản của ONU là nhận dữ liệu ở dạng quang và chuyển sang dạng phù hợp với người dùng như Ethernet, POST,T1... Element Management System (EMS :hệ thống quản lý ): EMS quản lý các phần tử khác nhau của mạng PON và cung cấp giao diện đến mạng lõi của các nhà cung cấp dịch vụ. EMS có chức năng quản lý về cấu hình, đặc tính và bảo mật. Mô hình PON Có một vài mô hình thích hợp cho mạng truy cập như mô hình cây, vòng hoặc bus. Mạng quang thụ động PON có thể triển khai linh động trong bất kỳ mô hình nào nhờ sử dụng một tapcoupler quang 1:2 và bộ tách quang 1:N. Mô hình cây ( sử dụng splitter 1:N)(a) Mô hình bus sử dụng tapcoupler(b) Mô hình vòng (c) Mô hình cây với ređunant trunk (d) Hình 2.4: Các mô hình mạng PON Ngoài những mô hình trên, PON có thể triển khai trong cấu hình Redundant như là vòng đôi hoặc cây đôi hay cũng có thể là một phần của mạng PON được gọi là trung kế cây. Tất cả sự truyền dẫn trong mạng PON đều được thực hiện giữa OLT và các ONU. PLT ở tại tổng đài (Central Office), kết nối truy nhập quang đến mạng đường trục (có thể là mạng IP, ATM hay SONET). ONU ở tại đầu cuối người sử dụng (trong giải pháp FTTH_Fiber To The Home, FTTB_Fiber To The Building) hoặc ở tại Curb trong giải pháp FTTC_Fiber To The Cur và có khả năng cung cấp các dịch vụ thoại, dữ liệu và video băng rộng. Tuỳ theo điểm cuối của tuyến cáp quang xuất phát từ tổng đài mà các mạng truy nhập thuê bao quang có tên gọi khác nhau như sợi quang đến tận nhà FTTH, sợi quang đến khu dân cư FTTC... WDM và TDM PON Ở hướng xuống (từ OLT đến ONU), mạng PON là mạng điểm-đa điểm. OLT chiếm toàn bộ băng thông hướng xuống. Trong hướng lên, mạng PON là mạng đa điểm-điểm: nhiều ONU truyền tất cả dữ liệu của nó đến một OLT. Đặc tính hướng của các bộ tách ghép thụ động là việc truyền thông của một ONU sẽ không được nhận biết bởi các ONU khác. Tuy nhiên các luồng dữ liệu từ các ONU khác nhau được truyền cùng một lúc cũng có thể bị xung đột. Vì vậy trong hướng lên, PON sẽ sử dụng một vài cơ chế riêng biệt trong kênh để tránh xung đột dữ liệu và chia sẽ công bằng tài nguyên và dung lượng trung kế. Một phương pháp chia sẽ kênh ở hướng lên của ONU là sử dụng ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM, với phương pháp này thì mỗi ONU sẽ hoạt động ở một bước sóng khác nhau. Giải pháp WDM yêu cầu một bộ thu điều khiển được hoặc là một mảng bộ thu ở OLT để nhận các kênh khác nhau. Thậm chí nhiều vấn đề khó khăn cho các nhà khai thác mạng là kiểm kê từng bước sóng của ONU: thay vì chỉ có một loại ONU, thì có nhiều loại ONU dựa trên các bước sóng Laser của nó. Mỗi ONU sẽ sử dụng một laser hẹp và độ rộng phổ điều khiển được cho nên rất đắt tiền. Mặc khác, nếu một bước sóng bị sai lệch sẽ gây ra nhiễu cho các ONU khác trong mạng PON. Việc sử dụng Laser điều khiển được có thể khắc phục được vấn đề này nhưng quá đắt cho công nghệ hiện tại. Với những khó khăn như vậy thì WDM không phải là giải pháp tốt cho môi trường hiện nay. Một số giải pháp khác dựa trên WDM cũng được đề xuất nhưng giá cả khá cao. Do vậy, TDM PON đã ra đời. Trong TDM PON, việc truyền đồng thời từ vài ONU sẽ gây ra xung đột khi đến bộ kết hợp. Để ngăn chặn xung đột dữ liệu, mỗi ONU phải truyền trong cửa sổ (khe thời gian) truyền của nó. Một thuận lợi lớn của TDM PON là tất cả các ONU có thể hoạt động cùng một bước sóng, OLT cũng chỉ cần một bộ thu đơn. Bộ thu phát ONU hoạt động ở tốc độ đường truyền, thậm chí băng thông có thể dùng của ONU thấp hơn. Tuy nhiên, đặc tính này cũng cho phép TDM PON đạt hiệu quả thay đổi băng thông được dùng cho từng ONU bằng cách thay đổi kích cở khe thời gian được ấn định hoặc thậm chí sử dụng ghép kênh thống kê để tận dụng hết băng thông được dùng của mạng PON. Hình 2.5: Mạng PON sử dụng một sợi quang Trong mạng truy cập thuê bao, hầu hết các luồng lưu lượng lên và xuống không phải là Peer to Peer (user to user). Vì vậy điều này dường như là hợp lý để tách kênh lên và xuống. Một phương pháp tách kênh đơn giản có thể dựa trên ghép kênh phân chia không gian(SDM) mà nó tách PON được cung cấp theo hướng truyền lên xuống. Để tiết kiệm cho sợi quang và giảm chi phí sửa chữa và bảo quảng, một sợi quang có thể được sử dụng cho truyền theo hai hướng. Trong trường hợp này, hai bước sóng được dùng là: hướng lên l1=1310nm, hướng xuống l2=1550nm. Dung lượng kênh ở mỗi bước sóng có thể phân phối linh động giữa các ONU. Ghép kênh phân chia theo thời gian là phương pháp được ưu tiên hiện nay cho việc chia sẽ kênh quang trong mạng truy cập khi mà nó cho phép một bước sóng đơn ở hướng lên và bộ thu pháp đơn ở OLT đã làm cho giải pháp này có ưu thế hơn về chi phí đầu tư. Kết luận chương Nội dung trên đã trình bày cho ta biết tổng quan về mạng truy nhập quang thụ động PON. Và cũng cho ta thấy cấu trúc cơ bản của nó. Chương tiếp theo sẽ trình bày một công nghệ được sử dụng trong mạng PON, nhằm khai thác khả năng tốt nhất của mạng truy nhập quang thụ động. Đó là công nghệ Ethernet và được gọi là mạng truy nhập quang thụ động Ethernet – EPON. CÔNG NGHỆ ETHERNET Giới  thiệu  chương FASN (Full Service Access Network) (theo ITU G.983) định nghĩa một mạng truy nhập quang dựa trên công nghệ PON sử dụng ATM (Asynchronous Transfer Mode) như là giao thức lớp hai của nó. Vào năm 1995, khi mà việc khởi xướng được bắt đầu, ATM có hy vọng cao để trỡ thành công nghệ thịnh hành trong mạng. LAN (Local Area Network), MAN (Metropolitan Area Network) và mạng đường trục (backbone). Tuy nhiên, cũng từ thời gian đó, công nghệ Ethernet đã đẩy lùi ATM. Ethernet đã trở thành một chuẩn được chấp nhận phổ biến với trên 320 triệu cổng triển khai trên toàn thế giới. Việc triển khai Gigabit Ethernet tốc độ cao và họ sản phẩm 10 Gigabit Ethernet đã trở nên hiện thực. Ethernet dễ dàng triển khai và quản lý, đang chiến thắng vùng đất mới trong MAN và WAN. Suy cho cùng thì 95% LAN sử dụng Ethernet nên ATM-PON không thể là lựa chọn tốt nhất cho việc kết nối mạng Ethernet. Một thiếu sót của ATM là việc hư hỏng và sai lệch của các cell ATM sẽ làm mất hiệu lực hoàn toàn khung IP. Tuy nhiên các cell còng lại sẽ mang mức của cùng khung IP sẽ được truyền xa hơn, vì vậy việc chi phối tìa nguyên mạng là không cần thiết. Ngoài ra, có lẽ điều quan trọng nhất là ATM không thể đạt được một công nghệ chi phí thấp như mong muốn. Các chuyển mạch ATM và Card mạng là khá đắt so với chuyển mạch Ethernet và Card mạng Ethernet. Nói một cách khác, Ethernet là một lựa chọn hợp lý cho mạng truy nhập IP được tối ưu hoá dữ liệu. Kỹ thuật QoS được chấp nhận mới đã làm cho mạng Ethernet có khả năng cung cấp thoại, data và video. Kỹ thuật này bao gồm mô hình truyền dẫn song công và sự ưu tiên (P802.1p). Ethernet là công nghệ với chi phí thấp, phổ biến và phù hợp với nhiều thiết bị cũ khác nhau. Vì vậy, trong chương này sẽ trình bày tổng quan về kỹ thuật Ethernet, kiến trúc khung của Ethernet và quan hệ giữa Ethernet với mô hình 7 lớp OSI. Tổng quan về Ethernet Thuật ngữ Ethernet được quy vào họ sản phẩm của mạng LAN thuộc chuẩn 802.3 và được định nghĩa như là một giao thức CSMA/CD (Carrier Sence Multiple Access/Collision Detect). Hiện tại có 4 tốc độ dữ liệu được định nghĩa cho hoạt động trên cáp sợi quang: 10Mps-10Base-T Ethernet. 100Mbps-Fast Ethernet. 1000Mbps-Gigabit Ethernet. 10000Mbps-10Gigabit Ethernet. Nhiều giao thức và công nghệ khác nhau được đưa ra nhưng Ethernet vẫn tồn tại như là một công nghệ LAN bởi giao thức của nó có những đặc tính sau: Dễ hiểu, dễ thực hiện, dễ quản lý và bảo dưỡng. Cho phép triển khai mạng với chi phí thấp. Cung cấp nhiều mô hình linh hoạt cho việc cài đặt mạng. Bảo đảm kết nối thành công và hoạt động theo tiêu chuẩn của sản phẩm, bất chấp nhà chế tạo.. Các phần tử của mạng Ethernet Mạng LAN Ethernet bao gồm các node mạng và phương tiện liên kết. Các node mạng nằm trong hai lớp chính: DTE (Data Terminal Equipment): là thiết bị nguồn hay đích của khung dữ liệu. Các thiết bị DTE điển hình như PC, trạm làm việc, file server hoặc print server như là một nhóm ở trạm đầu cuối. DCE (Data Communication Equipment): là các thiết bị mạng trung gian có nhiệm vụ nhận và chuyển tiếp các khung dữ liệu thông qua mạng. DCE có thể là các thiết bị Standalone như là bộ lặp, bộ chuyển mạch hay các thiết bị giao tiếp truyền thông như là Card giao tiếp. Các thiết bị mạng trung gian Standalone được xem như là một node trung gian hoặc DCE. Card giao tiếp mạng được xem như là một NIC (Network Interface Card). Kiến trúc mô hình mạng Ethernet Mạng LAN có nhiều mô hình kiến trúc khác nhau, nhưng bất chấp sự rắc rối và kích cở của nó, tất cả đều kết hợp từ ba kiến trúc kết nối cơ bản: Hình 3.1: Mô hình kết nối điểm-điểm Kiến trúc đơn giản nhất là kết nối điểm-điểm (hình 3.1). Chỉ 2 đơn vị mạng được kết nối với nhau và kết nối này có thể là DTE với DTE, DTE với DCE, DCE với DCE. Dây cáp trong kết nối điểm điểm được gọi là network link. Chiều dài cho phép lớn nhất của cáp phụ thuộc vào kiểu cáp và phương thức truyền được sử dụng. Hình 3.2: Mô hình kết nối Bus đồng trục Mạng Ethernet cơ sở được thực hiện với kiến trúc bus cáp đồng trục (hình 3.2). Chiều dài của Segment (đoạn) được giới hạn ở 500m và có thể kết nối 100 trạm vào một Segment. Từng Segment có thể kết nối với các trạm lặp, miễn là nhiều đường không tồn tại giữa hai trạm bất kỳ trên mạng và số lượng DTE không vượt quá giá trị qui định. Mặc dầu những mạng mới không được kết nối trong cấu hình bus nhưng một vài mạng bus cũ vẫn tồn tại và vẫn được sử dụng hữu ích. Hình 3.3: Mô hình kết nối sao Từ đầu thập niên 90, cấu hình mạng được lựa chọn là mô hình kết nối sao (hình 3.3). Đơn vị mạng trung tâm là bộ lặp đa cổng (còn gọi là Hub) hoặc là một chuyển mạch mạng. Tất cả kết nối trong mạng sao là kết nối điểm điểm được thực hiện với cáp sợi quang. Quan hệ vật lý giữa IEEE802.3 và mô hình tham chiếu OSI Hình 3.4: Quan hệ vật lý của Ethernet với mô hình tham chiếu OSI HHiiiiiiiiiiiiiii Hình 3.4 mô tả các lớp vật lý của IEEE802.3 và quan hệ của nó với mô hình tham chiếu OSI. Với giao thức IEEE802, lớp liên kết dữ liệu trong OSI được chia thành hai lớp con IEEE802: lớp con MAC (Media Access Control) và lớp con MAC-Client. Lớp vật lý IEEE802.3 tương đương với lớp vật lý OSI. Lớp con MAC-Client có thể là một trong các lớp con sau: Là lớp con LLC (Logical Link Control) nếu đầu cuối là một DTE. Lớp con này cung cấp giao tiếp giữa Ethernet MAC và lớp trên trong ngăn giao thức của trạm đầu cuối. Lớp con LLC được định nghĩa trong chuẩn IEEE802.2. Là thực thể cầu nối (Bridge Entity) nếu đầu cuối là DCE. Thực tế cầu nối cung cấp giao tiếp LAN to LAN giữa các mạng LAN sử dụng cùng giao thức (ví dụ Ethernet to Ethernet) và cũng cung cấp giữa các giao thức khác nhau (ví dụ Ethernet với Token Ring). Thực thể cầu nối được định trong chuẩn IEEE802.1. Bởi vì đặc điểm kỹ thuật của LLC và thực thể cầu nối là chung cho tất cả các giao thức LAN IEEE802, tính tương thích của mạng là cơ sở của các giao thức mạng đặc biệt. Hình 3.5 minh hoạ các yêu cầu tương thích khác nhau được lợi dụng bởi lớp vật lý và lớp MAC trong truyền thông dữ liệu cơ sỏ trên kết nối Ethernet. Hình 3.5 Lớp vật lý và lớp MAC tương thích với các yêu cầu cho truyền thông dữ liệu cơ sở Lớp MAC điều khiển sự truy nhập của một node đến phương tiện truyền thông của mạng và đặc biệt là đến các giao thức riêng biệt. Tất cả lớp MAC phải có thiết lập cơ bản về các yêu cầu vật lý, bất chấp liệu có phải chúng bao gồm một hay nhiều giao thức mở rộng được lựa chọn định nghĩa. Chỉ những nhu cầu cho truyền thông cơ sở (truyền thông không có nhu cầu lựa chọn giao thức mở rộng) giữa hai node mạng thì cả hai lớp MAC phải hổ trợ cùng tốc độ truyền. Lớp vật lý 802.3 qui định rõ tốc độ truyền dữ liệu, mã hoá tín hiệu, và kiểu kết nối phương tiện giữa hai node. Ví dụ, Gigabit Ethernet định nghĩa hoạt động trên cáp xoắn đôi hoặc cáp sợi quang, nhưng tuỳ theo mỗi thủ tục mã hoá tín hiệu hoặc từng kiểu cáp riêng biệt mà yêu cầu một sợi thi hành lớp vật lý khác nhau. Lớp con MAC Ethernet Lớp con MAC có hai chức năng chính: Đóng gói dữ liệu kể cả đóng khung trước khi truyền, phân tích và dò lỗi trong suốt và sau khi nhận khung. Điều khiển truy nhập phương tiện bao gồm khởi tạo một sự truyền khung và phục hồi lại sự truyền bị hỏng. Dạng khung cơ bản của Ethernet Dạng khung dữ liệu MAC Ethernet cơ bản Chuẩn 802.3 định nghĩa dạng khung dữ liệu cơ bản được yêu cầu cho tất cả sự thi hành của MAC, cộng thêm một vài khuôn dạng để chọn bổ sung mà được sử dụng để mở rộng giao thức. Dạng khung dữ liệu cơ sở gồm có 7 trường: PRE (Preamble): gồm có 7 byte. PRE là các mức logic 0 và 1 xen kẻ nhau để báo cho trạm nhận khung dữ liệu đang đến và cung cấp phương tiện để đồng bộ mức thu nhận khung của lớp vật lý bên nhận với luồng bit đến. DA (Destination Address): trường DA xác định trạm sẽ nhận khung. Một bit ngoài cùng bên trái chỉ định có phải là địa chỉ của một địa chỉ cá nhân ( chỉ định bởi 0) hoặc của một nhóm địa chỉ (chỉ định bởi 1). Bit thứ hai kể từ bên trái chỉ định có phải DA là điều hành toàn bộ (globally administered) được chỉ định mứt 0 hoặc điều hành nội bộ (chỉ định mứt 1), 46 bit còn lại là một nhóm các trạm hoặc tất cả các trạm trên mạng. SA( Source Address): 6 byte: trường SA xác định trạm nguồn (trạm gởi).Trường SA luôn là địa chỉ duy nhất và bit đầu tiên bên trái luôn ở mức 0. Length/Type -4byte: Trường này chỉ định số byte dữ liệu của lớp con MAC-Client mà được chứa trong trường dữ liệu của khung hoặc kiểu ID khung nếu khung được tập hợp sử dụng một dạng khung lựa chọn. Nếu giá trị của trường Length/Type ít hơn hoặc bằng 1500, số byte của LLC trong trường dữ liệu bằng giá trị của trường Length/Type. Nếu lớn hơn 1536, khung này là một kiểu khung lựa chọn và giá trị của trường Length/Type chỉ định kiểu của khung sẽ được gởi và nhận. Data: Là sự nối tiếp của n byte giá trị bất kỳ với n £ 1500. Nếu chiều dài của trường dữ liệu nhỏ hơn 46, trường dữ liệu phải được mở rộng bằng cách thêm một filler thích hợp để mang trường dữ liệu dài 46 byte. FCS(Frame Check Sequence): 4 byte: trường này chứa một giá trị 32 bit kiểm tra độ dư vòng được tạo bởi lớp MAC bên gởi và được tính toán lại ở lớp MAC bên thu để kiểm tra độ hư hại của khung. FCS được phát trên các trường DA,SA, Length/Type và Data. Sự truyền khung dữ liệu Bất cứ lúc nào, một trạm MAC đầu cuối nhận một yêu cầu truyền khung kèm theo địa chỉ và thông tin dữ liệu từ lớp con LLC, lớp MAC bắt đầu truyền một cách tuần tự bằng cách truyền thông tin LLC vào bộ đệm khung lớp MAC. Việc định ranh giới mào đầu khung được chèn vào trường PRE và SOF. Địa chỉ nguồn và đích được chèn vào trường địa chỉ. Số byte dữ liệu LLC được tính và chèn vào trường Length/Type. Số byte dữ liệu LLC được chèn vào trường dữ liệu. Nếu lượng byte dữ liệu LLC nhỏ hơn 46 thì phải đệm thêm để trường dữ liệu dài 46byte. Một giá trị FCS được phát trên trường DA, SA, Length/Type, data và được gán vào phần sau của trường dữ liệu. Sau khi khung được tập hợp, quá trình phát khung phụ thuộc vào lớp MAC hoạt động ở chế độ đơn công hay song công. Chuẩn IEEE 802.3 hiện tịa yêu cầu tất cả các lớp MAC Etherhet hỗ trợ hoạt động ở chế độ đơn công, trong chế độ này lớp MAC có thể truyền và nhận khung nhưng không thể thực hiện cả hai. Ở chế độ hoạt động song công cho phép lớp MAC có thể đồng thời truyền và nhận khung. Truyền đơn công phương thức truy nhập CSMA/CD Giao thức CSMA/CD được bắt đầu phát triển như là một phương thức để hai hoặc nhiều trạm có thể chia sẽ chung một phương tiện trong một môi trường không chuyển mạch khi giao thức không yêu cầu xử lý tập trung, truy nhập Token hoặc ấn định khe thời gian để cho biết khi nào một trạm sẽ được phép truyền. Mỗi Ethernet MAC tự quyết định khi nó sẽ được phép gởi khung dữ liệu. Carrier sense: mỗi trạm liên tục lắng nghe lưu lượng trên cáp để xác định khi nào khoảng trống giữa các khung truyền xãy ra. Multiple Access: các trạm có thể bắt đầu truyền bất cứ lúc nào nó dò thấy mạng rỗi. Collision detect: nếu hai hoặc nhiều trạm trong cùng mạng CSMA/CD bắt đầu truyền cùng một lúc, thì các luồng bit này sẽ bị xung đột xãy ra trước khi nó hoàn thành việc gởi dữ liệu. Nó phải ngưng truyền ngay khi phát hiện xung đột và phải đợi đến một khoảng thời gian ngẫu nhiên rồi sẽ thử truyền lại. Truyền song công-một cách tiếp cận để hiệu quả mạng cao hơn Sự hoạt động song công là một khả năng lựa chọn MAC cho phép truyền đồng thời theo hai hướng tông qua kết nối điểm điểm. Truyền song công về mặt chức năng là đơn giản hơn truyền đơn công bởi vì nó không tranh chấp phương tiện truyền thông, không xung đột, không phải truyền lại và không caan fbit mở rộng trong các khung ngắn. Kết quả là không những chỉ có nhiều thời gian cho việc truyền tải dữ liệu mà còn gấp đôi hiệu quả băng thông vì mỗi đường có thể hổ trợ tốc độ cao nhất và truyền đồng thời theo hai hướng. Quá trình truyền thường bắt đầu ngay khi khung sẵn sàng để gởi. Chỉ có một giới hạn là phải có một khoảng trống IFG(InterFrame Gap) giữa các khung liên tiếp (hình 3.7) và mỗi khung phải phù hợp với dạng khung Ethernet chuẩn. Hình 3.7: Khuôn dạng truyền dữ liệu song công Lớp vật lý Ethernet Các thiết bị Ethernet chỉ được sử dụng ở dưới của lớp 2 trong ngăn giao thức OSI, thiết bị điển hình được sử dụng như Card giao tiếp mạng (NIC). Các NIC khác nhau được xác định dựa trên thuộc tính lớp vật lý. Việc đặt tên qui ước là một sự sâu chuỗi của ba thuật ngữ xác định tốc độ truyền, phương pháp truyền và phương tiện mã hoá tín hiệu. Ví dụ: 10 Base-T = 10 Mbps, băng thông cơ sở, trên 2 cáp xoắn đôi. 100 Base-T2 = 100 Mbps, băng thông cơ sở, trên 2 cáp xoắn đôi. 100 Base-T4 = 100 Mbps, băng thông cơ sở, trên 4 cáp xoắn đôi. 1000 Base-LX = 1000 Mbps, bước sóng dài trên cáp sợi quang. Quan hệ giữa lớp vật lý Ethernet và mô hình tham chiếu ISO Mặc dầu mô hình vật lý cụ thể của lớp vật lý có thể thay đổi từ phiên bản này sang phiên bản khác nhưng tất cả Ethernet NIC nói chung đều tương thích với mô hình được minh hoạ trong hình 3.8. Lớp vật lý đối với từng tốc độ truyền được phân thành các lớp con độc lập với kiểu phương tiện truyền thông riêng biệt và lớp con theo kiểu phương tiện truyền thông hay mã hoá tín hiệu. Lớp con Reconciliation (hoà giải ) và MII (Media Independent Interface) cung cấp kết nối logic giữa lớp con MAC và tập hợp khác nhau của lớp phụ thuộc phương tiện. MII và GMII được định nghĩa với các đường dẫn dữ liệu thu và phát riêng biệt ở tốc độ dữ liệu là 10 Mbps (độ rộng là 1 bit), với tốc độ 100Mbps (độ rộng là 4 bit), với tốc độ là 1000 Mbps(độ rộng là 8 bit). Giao tiếp độc lập phương tiện (MII) và lớp con Reconciliation có chung từng tốc độ truyền của nó và được cấu hình cho hoạt động song công. Lớp con mã hoá vật lý phụ thuộc phương tiện(PCS): cung cấp logic cho mã hoá, ghép kênh và đồng bộ của luồng dữ liệu đi cũng như sựu liên kết mã tách kênh và giải mã cho dữ liệu đến. Lớp con PMA(Physical Medium Attachment): chứa tín hiệu thu và phát cũng như phục hồi đồng hồ cho luồng dữ liệu thu. MDI (Medium Dependent Interface): là bộ kết nối cáp giữa tín hiệu thu nhận và đường truyền. Auto-negotiation Sublayer cho phép NIC ở mỗi đầu cuối đường truyền trao đổi thông tin về khả năng riêng có của nó, sau đó thương lượng và chọn lựa mô hình hoạt động thuận lợi nhất mà cả hai mô hình đều có thể hổ trợ. Auto-negotiation là một tuỳ chọn trong Ethernet trước đây và được uỷ thác phiên bản sau. Hình 3.8: Mô hình tham chiếu lớp vật lý Ethernet Phụ thuộc vào kiểu mã hoá tín hiệu được sử dụng và cấu hình đường truyền như thế nào mà PCS và PMA có thể hoặc không thể hổ trợ hoạt động song công. Kết luận chương Với mô hình linh hoạt, kiến trúc đơn giản đặc biệt là chi phí thấp, Ethernet đã vượt qua ATM và trở thành công nghệ phổ biến hiện nay. Ethernet được chuẩn hoá theo chuẩn IEEE802.3 với các tốc độ hoạt động đa dạngvà tương tích với mô hình bảy lớp là điều kiện thuận lợi để ứng dụng vào mạng truy cập. Ngoài ra, Ethernet còn tương thích với nhiều loại thiết bị khác nhau nên trở thành một sự lựa chọn lý tưởng cho mạng truy nhập để truyền tải lưu lượng IP và hổ trợ hiệu quả lưu lượng đa phương tiện. Ethernet đã chứng tỏ là lựa chọn thích hợp nhất cho mạng quang thụ động để ứng dụng cho mạng truy nhập MẠNG TRUY CẬP QUANG THỤ ĐỘNG ETHERNET – EPON Giới thiệu chương Việc vượt trội về khả năng truyền dữ liệu của mạng quang thụ động PON là không phủ nhận, nhưng để khai thác tối đa khả năng của nó thì còn tuỳ thuộc vào công nghệ được lựa chọn trong truyền tải. Chương này trình bày sự kết hợp cộng nghệ Ethernet trong mạng truy nhập quang thụ động gọi tắt EPON, và đưa ra nguyên lý truyền,lợi ích của nó và EPON với kiến trúc IEEE 802, giao thức điều khiển đa điểm MPCP(Multi Point Control Protocol) Lợi ích của mạng truy cập quang thụ động Ethernet _ PON EPON là sự kết hợp giữa mạng truy cập quang thụ động PON và kỷ thuật Ethernet nên nó mang ưu điểm của cả hai công việc này. Việc triển khai EPON mang lại lợi ích rất to lớn bao gồm: Băng thông cao hơn: EPON sẽ cung cấp băng thông cao nhất cho người dùng trong bất kỳ hệ thống truy cập quang thụ động nào. Tốc độ lưu lượng hướng xuống là 1Gbps và lưu lượng lên từ 64 ONU có thể vượt quá 800 Mbps. Với khả năng cung cấp băng thông rất lớn như vậy, EPON có một số lợi ích sau: Số lượng thuê bao trên một mạng PON lớn. Băng thông trên mỗi thuê bao nhiều. Khả năng cung cấp video. Chất lượng dịch vụ tốt hơn. Chi phí đầu tư thấp hơn: Hệ thống EPON đang khắc phục giữa chi phí và hiệu suất bằng sợi quang và các lênh kiện Ethernet. EPON cung cấp các chức năng và đặc tính sợi quang với giá có thể so sánh được với DSL và cáp đồng T1s. Hơn nữa, việc giảm chi phí đạt được nhờ kiến trúc đơn giản, hiệu quả hoạt động cao và chi phí bảo dưỡng thấp. EPON chuyển giao những cơ hội giảm giá sau: Loại trừ những phần tử ATM và SONET phức tạp và đắc đỏ. Các lênh kiện quang thụ động sống lâu đã giảm được chi phí bảo dưỡng. Những giao diện Ethernet chuẩn loại trừ nhu cầu cho DSL và Modem cáp bổ sung. Nhiều lợi nhuận hơn: EPON có thể hổ trợ đồng thời các dịch vụ thoại, dữ liệu và video, cho phép nhà cung cấp nâng cao dịch vụ băng rộng và linh hoạt. Ngoài ra, nó cũng cung cấp các dịch vụ truyền thống như POST, T1, 10/100 Base-T, hổ trợ các dịch vụ trên nền ATM, TDM(Time Division Multiplexing) và SONET. Mạng truy cập quang thụ động EPON EPON là mạng dựa trên mạng PON mà nó mang lưu lượng dữ liệu được đóng gói vào khung Ethernet. Nó sử dụng chuẩn mã đường truyền 8b/10b (8 bit người dùng được mã hoá như 10 bit đường truyền ) và hoạt động ở tốc độ chuẩn của Ethernet. Nguyên lý hoạt động Chuẩn IEEE 802.3 định nghĩa hai cấu hình cơ bản cho một mạng Ethernet. Một cấu hình trong đó các trạm sử dụng chung môi trường truyền dẫn với giao thức đa truy cập sóng mang có phát hiện xung đột (CSMA/CD) và cấu hình còn lại, các trạm sẽ giao tiếp với nhau thông qua một chuyển mạch sử dụng các tuyến kết nối điểm- điểm và song công. Tuy nhiên, EPON có một số đặc tính mà khiến cho nó không thể triển khai trên một trong hai cấu hình này mà thay vào đó ta phải kết hợp cả hai. Ở hướng xuống, EPON hoạt động như một mạng quảng bá. Khung Ethernet được truyền bởi OLT qua bộ chia quang thụ động đến từng ONU ( với N trong khoảng từ 4 đến 64). ONU sẽ lọc bỏ các gói tin không phải là của nó nhờ vào địa chỉ MAC(Media Access Control) trước khi truyền các gói tin còn lại đến người dùng. Hình 4.1. Hình 4.1: Lưu lượng hướng xuống trong EPON Hình 4.2: Lưu lượng hướng lên trong EPON Ở hướng lên, vì đặc tính định hướng của bộ kết hợp quang thụ động, khung dữ liệu từ bất kỳ ONU nào chỉ đến OLT và không đến các ONU khác. Trong trường hợp đó, ở hướng lên: đặc tính của EPON giống như kiến trúc điểm- điểm. Tuy nhiên, không giống như mạng điểm - điểm thật sự, các khung dữ liệu trong EPON từ các ONU khác nhau được truyền đồng thời vẫn có thể bị xung đột. Vì vậy, ở hướng lên (từ người dùng đến mạng), ONU cần sử dụng một vài cơ chế tránh xung đột dữ liệu và chia sẽ dung lượng kênh quang hợp lý. Ở đây, luồng dữ liệu hướng lên được phân bố theo thời gian. Hình 4.2 Nếu không có khung nào trong bộ đệm để điền vào khe thời gian thì 10 bit đặc tính rỗng sẽ được truyền. Sự sắp xếp định vị khe thời gian hợp lý có thể định vị tĩnh (TDMA cố định) hoạt động dựa vào hàng đợi tức thời trong từng ONU (thực hiện thống kê ). Có nhiều mô hình định vị như là định vị dựa vào quyền ưu tiên của dữ liệu, dựa vào chất lượng dịch vụ QoS hay dựa vào mức dịch vụ cam kết (SLAs :Service Level Agreements). Giao thức điều khiển đa điểm MPCP(Multi Point Control Protocol) Để hổ trợ việc định vị khe thời gian bởi OLT, giao thức MPCP đang được nhóm IEEE 802.3ah phát triển. MPCP không xây dựng một cơ chế phân bổ băng tần cụ thể, mà thay vào đó, nó là một cơ chế hổ trợ thiết lập các thuật toán phân bổ băng tần khác nhau trong EPON. Giao thức này dựa vào hai bản tin Ethernet: Gate và Report. Bản tin Gate được gởi từ OLT đến ONU để ấn định một khe thời gian truyền. Bản tin Report được ONU sử dụng để truyền đạt các thông tin về trạng thái hiện tại của nó (như mức chiếm dữ của bộ đệm) đến OLT, giúp OLT có thể phân bổ khe thời gian một cách hợp lý. Cả hai bản tin Gate và Report đều là các khung điều khiển MAC (loại 88-08) và được xử lý bởi lớp con điều khiển MAC. Có hai mô hình hoạt động của MPCP: tự khởi tạo và hoạt động bình thường. Trong mô hình tự khởi tạo được dùng để dò các kết nối ONU mới, nhận biết trễ Round-trip và địa chỉ MAC của ONU đó. Trong mô hình bình thường được dùng để phân bổ cơ hội truyền dẫn cho tất cả các ONU được khởi tạo. Từ nhiều ONU có thể yêu cầu khởi tạo cùng một lúc, mô hình khởi tạo tự động là một thủ tục dựa vào sự cạnh tranh. Ở lớp cao hơn nó làm việc như sau: OLT chỉ định một khe khởi tạo, một khoảng thời gian mà không có ONU khởi tạo trước nào được phép truyền. Chiều dài của khe khởi tạo này phải tối thiểu là: + - ; với là chiều dài của cửa sổ truyền mà một ONU không khởi tạo có thể dùng. OLT gởi một bản tin khởi tạo Gate báo hiệu thời gian bắt đầu của khe khởi tạo và chiều dài của nó. Trong khi chuyển tiếp bản tin này từ lớp cao hơn đến lớp MAC, MPCP sẽ gán nhãn thời gian được lấy theo đồng hồ của nó. Chỉ các ONU chưa khởi tạo mới đáp ứng bản tin khởi tạo Gate. Trong lúc nhận bản tin khởi tạo Gate, một ONU sẽ thiết lập thời gian đồng hồ của nó theo nhãn thời gian đến trong bản tin khởi tạo Gate. Khi đồng hồ trong ONU đến thời gian bắt đầu của khe thời gian khởi tạo (cũng được phân phối trong bản tin Gate), ONU sẽ truyền bản tin của chính nó (khởi tạo Report). Bản tin Report sẽ chứa địa chỉ nguồn của ONU và nhãn thời gian tượng trưng cho thời gian bên trong của ONU khi bản tin Report được gởi. Khi OLT nhận bản tin Report từ một ONU chưa khởi tạo, nó nhận biết địa chỉ MAC của nó và thời gian Round-trip. Như được minh họa ở hình 4.3, thời gian Round-trip của một ONU là thời gian sai biệt giữa thời gian bản tin Report được nhận ở OLT và nhãn thời gian chứa trong bản tin Report. Hình 4.3: Thời gian Round-trip Từ nhiều ONU chưa khởi tạo, có thể đáp ứng cùng bản tin khởi tạo Gate, bản tin Report có thể xung đột. Trong trường hợp đó, bản tin Report của ONU bị xung đột sẽ không thiết lập bất kỳ khe nào cho hoạt động bình thường của nó. Nếu như ONU không nhận được khe thời gian trong khoảng thời gian nào đó, nó sẽ kết luận rằng sự xung đột đã xãy ra và nó sẽ thử khởi tạo lại sau khi bỏ qua một số bản tin khởi tạo Gate ngẫu nhiên. Số bản tin bỏ được chọn ngẫu nhiên từ một khoảng thời gian gấp đôi sau mỗi lần xung đột. Dưới đây chúng ta mô tả hoạt động bình thường của MPCP: Từ lớp cao hơn (MAC control client), MPCP trong OLT đưa ra yêu cầu để truyền bản tin Gate đến một ONU cụ thể với các thông tin như sau: thời điểm ONU bắt đầu truyền dẫn và thời gian của quá trình truyền dẫn (hình 4.4). Hình 4.4: Giao thức MPCP-hoạt động của bản tin Gate 2 Trong lớp MPCP (của cả OLT và ONU) duy trì một đồng hồ. Trong khi truyền bản tin Gate từ lớp cao hơn đến lớp MAC, MPCP sẽ gán vào bản tin này nhãn thời gian được lấy theo đồng hồ của nó. 3. Trong khi tiếp nhận bản tin Gate có địa chỉ MAC phù hợp (địa chỉ của các bản tin Gate đều là duy nhất), ONU sẽ ghi lên các thanh ghi trong nó thời gian bắt đầu truyền và khoảng thời gian truyền. ONU sẽ cập nhật đồng hồ của nó theo thời gian lưu trên nhãn của bản tin Gate nhận được. Nếu sự sai biệt đã vượt quá ngưỡng đã được định trước thì ONU sẽ cho rằng, nó đã mất sự đồng bộ và sẽ tự chuyển vào mode chưa khởi tạo. Ở mode này, ONU không được phép truyền. Nó sẽ chờ đến bản tin Gate khởi tạo tiếp theo để khởi tạo lại. 4. Nếu thời gian của bản tin Gate được nhận gần giống với thời gian được lưu trên nhãn của bản tin Gate, ONU sẽ cập nhật đồng hồ của nó theo nhãn thời gian. Khi đồng hồ trong ONU chỉ đến thời điểm bắt đầu của khe thời gian truyền dẫn, ONU sẽ bắt đầu phiên truyền dẫn. Quá trình truyền dẫn này có thể chứa nhiều khung Ethernet. ONU sẽ đảm bảo rằng không có khung nào bị truyền gián đoạn. Nếu phần còn lại của khe thời gian không đủ cho khung tiếp theo thì khung này sẽ được để lại cho khe thời gian truyền dẫn tiếp theo và để trống một phần không sử dụng trong khe thời gian hiện tại. Bản tin Report sẽ được ONU gởi đi trong cửa sổ truyền dẫn gán cho nó cùng với các khung dữ liệu. Các bản tin Report có thể được gởi một cách tự động hay theo yêu cầu của OLT. Các bản tin Report được tạo ra ở lớp trên lớp điều khiển MAC (MAC Control Client) và được gán nhãn thời gian tại lớp điều khiển MAC (Hình 4.5). Thông thường Report sẽ chứa độ dài yêu cầu cho khe thời gian tiếp theo dựa trên độ dài hàng đợi của ONU. Khi yêu cầu một khe thời gian, ONU cũng có tính đến cả các phần mào đầu bản tin, đó là các khung mào đầu 64 bit và khung mào đầu IFG 96 bit được ghép vào trong khung dữ liệu. Hình 4.5: Giao thức MPCP-hoạt động của bản tin Report Khi bản tin Report đã được gán nhãn thời gian đến OLT, nó sẽ đi qua lớp MAC (lớp chịu trách nhiệm phân bổ băng tần). Ngoài ra, OLT cũng sẽ tính lại chu trình đi và về với mỗi nguồn ONU như trong hình 3.8. Sẽ có một số chênh lệch nhỏ của RTT mới và RTT được tính từ trước bắt nguồn từ sự thay đổi trong chiết suất của sợi quang do nhiệt độ thay đổi. Nếu sự chênh lệch này là lớn thì OLT sẽ được cảnh báo ONU đã mất đồng bộ và OLT sẽ không cấp phiên truyền dẫn cho ONU cho đến khi nó được khởi tạo lại. Hiện nay giao thức MPCP vẫn đang tiếp tục được xây dựng và phát triển bởi nhóm 802.3ah của IEEE. Đây là nhóm có nhiệm vụ phát triển và đưa ra các giải pháp Ethernet cho các thuê bao của mạng truy nhập. EPON với kiến trúc 802 Kiến trúc IEEE 802 định nghĩa hai phương thức: Share Medium và song công. Trong phuơng thức chia sẽ trung gian (Share Medium), tất cả các trạm được kết nối đến miền truy nhập đơn, ở đó phần lớn một trạm có thể phát tại một lúc và tất cả các trạm có thể nhận bất cứ lúc nào. Trong phương thức song công, đó là sự kết nối PtP kết nối hai trạm và cả hai trạm có thể phát và nhận đồng thời. Dựa vào định nghĩa đó, các cầu không bao giờ chuyển tiếp khung quay trở lại cổng vào của nó. Nói khác, nó cho rằng tất cả các trạm được kết nối đến cùng một cổng của cầu và có thể truyền thông với nhau mà không cần thông qua cầu. Phương thức này đã tạo ra khả năng các người dùng được kết nối đến các ONU khác nhau trong cùng mạng PON và có thể truyền thông với nhau mà dữ liệu không cần xử lý ở lớp 3 hoặc lớp cao hơn. Để giải quyết vấn đề này và đảm bảo thích hợp với các mạng Ethernet khác, các thiết bị gắn liền với EPON sẽ có ở lớp con thêm vào, dựa trên cấu hình của nó sẽ chọn Share Medium hoặc Point to Point Medium. Lớp con này được xem như là lớp con Share Medium Emulation (PtPE). Lớp con này phải ở dưới lớp MAC để đảm bảo hoạt động của Ethernet MAC hiện tại được định nghĩa trong chuẩn P802.3 của IEEE. Hoạt động của lớp Emulation dựa vào tagging của Ethernet với tag duy nhất cho mỗi ONU( hình 4.6). Những tag này được gọi là LinkID và được đặt vào trong mào đầu trước mỗi khung. Hình 4.6: Trường LinkID được nhúng trong mào đầu Để bảo đảm sự duy nhất cho LinkID, OLT sẽ ấn định một hoặc nhiều tag cho mỗi ONU trong suốt quá trình đăng ký lúc đầu. Point to Point Emulation Trong mô hình này, OLT phải có N cổng MAC, một cổng cho một ONU( hình 4.7a). Khi một khung được gửi xuống (từ OLT đến ONU), lớp con PtPE trong OLT sẽ chèn LinkID kết hợp với cổng MAC cụ thể vào khung dữ liệu. Các khung sẽ được chia sẽ cho từng ONU nhưng chỉ một lớp MAC của nó. Ở lớp MAC của các ONU còn lại sẽ không nhận được khung này. Trong khả năng này, nó sẽ xuất hiện nếu chỉ khi khung được gửi theo kết nối PtP chỉ cho một ONU. Hình 4.7 a): Hướng xuống trong PtPE Chèn LinkID kết hợp với cổng MAC Chấp nhận khung nếu LinkID phù hợp Từ chối khung nếu LinkID không phù hợp Ở hướng lên, ONU sẽ chèn LinkID được ấn định của nó vào mào đầu của mỗi khung được chuyển. Lớp con PtPE trong OLT sẽ tách khung để nhận biết cổng MAC chính xác dựa vào LinkID duy nhất cho mỗi ONU.(hình 4.7b). Hình 4.7 b): Hướng lên trong PtPE Tách khung theo cổng trong LinkID Chèn LinkID được ấn định cho ONU Cấu hình PtPE thích hợp với cầu khi mỗi ONU được kết nối đến một cổng độc lập của cầu. Cầu được đặt trong OLT sẽ chuyển tiếp lưu lượng vào trong ONU giữa các cổng của nó. Hình 4.8: Cầu giữa các ONU trong PtPE Share Medium Emulation Trong SME, bất kỳ một Node nào (OLT hay ONU) sẽ chuyển khung dữ liệu và sẽ được nhận ở tất cả các Node (OLT và ONU). Trong hướng xuống, OLT sẽ chèn một LinkID quảng bá mà mọi ONU đều chấp nhận (hình 4.9a). Để đảm bảo hoạt động Share Medium cho hướng lên, lớp con SME trong OLT phải nhản ánh tất cả các khung trở lại hướng xuống để tất cả các ONU nhận chính khung dữ liệu của nó thì lớp con SME ở ONU chỉ thừa nhận khung nếu LinkID của khung đó khác với LinkID của nó. Chèn LinkID quảng bá Chấp nhận tất cả các khung ngoại trừ khung của nó Hình 4.9 a): Hướng truyền xuống trong SME Chấp nhận tất cả các khung và phản hồi lại hướng xuống Khi truyền khung, chèn LinkID Khi nhận khung, từ chối LinkID của chính nó Hình 4.9 b): Hướng truyền lên trong SME SME chỉ yêu cầu một cổng MAC trong OLT. Chức năng vật lý của lớp này (lớp con SME) là cung cấp truyền thông ONU đến ONU, không cần cầu liên kết. Kết luận chương Nội dung trên đã cho thấy được sự kết hợp giữa mạng truy nhập quang thụ động PON và công nghệ Ethernet đã tạo ra một khuynh hướng mạng triển vọng cho mạng truy nhập thế hệ sau. EPON là một bước phát triển trong tiến trình cáp quang hoá mạng truy nhập thế hệ sau để xây dựng mạng truy nhập băng rộng. Với sự quan tâm đặc biệt đến mạng EPON, mạng truy nhập thế hệ sau sẽ giống như một mô hình kết hợp Ethernet điểm-điểm và điểm-đa điểm, tối ưu hoá cho truyền tải dữ liệu IP cũng như các dịch vụ thoại và video theo thời gian thực. Nhưng chất lượng của mạng là điều cốt lõi, chương tiếp sẽ trình bày về vấn đề này. KHẢO SÁT TRỄ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN PHỐI BĂNG THÔNG TRONG EPON Giới thiệu chương Đối với các dịch vụ viễn thông thì vấn đề chất lượng dịch vụ giữ vai trò quan trọng. Nó quyết định đến sự thành công hay thất bại của dịch vụ đó. Ở đây với mạng truy nhập quang thụ động Ethernet EPON thì chất lượng mà cụ thể ở đây là trễ trong truyền tải, khả năng cấp phát băng thông truyền tải cho từng ONU khi lượng byte của chúng thay đổi. Trễ ở đây chủ yếu phụ thuộc vào sự phân bổ băng thông cho từng ONU trong mạng. Trong chương này sẽ trình bày dữ liệu được phát lên trong ONU như thế nào, thuật toán phân bổ băng thông Interleaved-Polling mô hình tính toán trễ và đưa ra các phương pháp phân phối băng thông cho các ONU cũng như các hàng đợi của chúng: Cấp phát băng thông cố định, cấp phát băng thông cân đối, cấp phát băng thông theo quyền ưu tiên dịch vụ, và phương pháp SLA aware p-DBA. Mô hình của EPON Hình 5.1: Mô hình mạng truy cập EPON Trong phần này xét mạng truy cập gồm 1 OLT và N ONU được kết nối sử dụng mạng thụ động (hình 5.1). Mỗi ONU được ấn định một trể truyền xuống (từ OLT đến ONU) và trể truyền lên từ ONU đến OLT. Trong khi với mô hình cây, cả trể hướng lên và trể hướng xuống là như nhau thì mô hình vòng hai trể đó khác nhau. Một cách mô hình, ta giả thiết các độ trể độc lập nhau và chọn tùy ý trong khoảng [50ms ¸ 100ms]. Những giá trị này tương đương với khoảng cách giữa OLT và ONU trong khoảng từ 10 ¸ 20 km. Từ phía truy cập, lưu lượng có thể đến ONU từ một người dùng đơn hoặc từ một cổng (Gateway) của mạng LAN chẳng hạn như lưu lượng có thể được tập hợp từ một số người dùng. Khung Ethernet sẽ được đệm vào ONU cho đến khi ONU được phép truyền đi. Tốc độ truyền của mạng PON và kết nối truy cập của người dùng không nhất thiết phải giống nhau. Trong mô hình của chúng ta, chúng ta gọi Rn(Mbps) là tốc độ dữ liệu mạng (hướng lên từ ONU đến OLT). Chúng ta đề cập ở đây là nếu Rn ≥N´Ru thì vấn đề phân bổ băng thông là không tồn tại khi khả năng cung cấp băng thông của hệ thống cao hơn tổng lưu lượng tải tất cả các ONU. Trong mô hình này, chúng ta xét hệ thống với N = 16 và Ru và Rn lần lượt là 100Mbps và 1000Mbps. Một tập hợp N khe thời gian cùng với khoảng bảo vệ kết hợp của nó được gọi là chu kỳ. Nói một cách khác, một chu kỳ là một khoảng thời gian giữa hai khe thời gian liên tiếp được ấn định đến một ONU. Chúng ta ký hiệu chu kỳ là T. Nếu T quá lớn sẽ làm tăng độ trễ cho tất cả các gói kể cả các gói có quyền ưu tiên cao. Nếu T quá nhỏ thì thời gian bảo vệ làm phí băng thông. Để đạt được một sự phân tích chính xác và thực tế về chất lượng, điều quan trọng là mô tả hành vi của hệ thống với lưu lượng thích hợp được xen vào hệ thống. Để phát lưu lượng, chúng ta sử dụng phương thức sau: kết quả lưu lượng là tập hợp của nhiều luồng, mỗi luồng gồm khoảng thời gian ON/OF được phân bố luân phiên nhau. Hình 5.2 minh họa phương thức mà lưu lượng được phát trong từng ONU. Trong thời kỳ ON, mỗi nguồn phát các gói back to back (với một khoảng trống giữa các khung là 96 bit và 64 bit mào đầu ở giữa). Mỗi nguồn được ấn định một giá trị ưu tiên đặc biệt cho tất cả các gói của nó. Các gói được phát bởi n nguồn và được ghép vào một đường đơn nhưng mà các gói từ các nguồn khác nhau không gối lên nhau. Sau đó những gói này được chuyển đến từng hàng đợi riêng dựa trên ấn định ưu tiên của nó và những hàng đợi này được phục vụ theo thứ tự ưu tiên của nó. Hình 5.2 : Sự phát lưu lượng trong ONU Thuật toán Interleaved Polling Trong phần này chúng ta xem xét tổng quan thuật toán được đề xuất. Để đơn giản, chúng ta sẽ xét hệ thống với 3 ONU. Hình dung rằng, tại một lúc nào đó của thời gian đến, OLT biết chính xác có bao nhiêu byte đang chờ đợi trong từng bộ đệm của ONU và RTT của từng ONU. OLT sẽ lưu dữ liệu này vào bảng dò được minh họa hình 5.3. Tại lúc đến, OLT gởi một bản tin điều khiển đến ONU1 cho phép nó gửi 6000byte. Chúng ta gọi bản tin này là Grant. Khi đó, hướng xuống OLT gởi dữ liệu đến tất cả các ONU, Grant chứa ID đích của của ONU cũng như kích thước cửa sổ được chấp nhận. a) Vào lúc đang nhận Grant OLT, ONU1 bắt đầu gởi dữ liệu của nó theo kích thước được cấp. Trong ví dụ này, ta có 6000 byte. Cùng lúc đó ONU ghi dữ liệu mới nhận được từ người dùng của nó. Ở cuối cửa sổ truyền của nó, ONU1 sẽ phát bản tin điều khiển của chính nó. Bản tin này báo cho OLT biết được số lượng byte trong bộ đệm của ONU1 vào lúc đó. Trong trường hợp của chúng ta là 550 byte. b) c) Hình 5.3: Các bước của thuật toán Interleaved Polling d) Ngay trước khi OLT nhận trả lời từ ONU1, nó biết khi nào bit cuối cùng của ONU1 sẽ đến. Điều này được OLT tính toán như sau: Bit đầu tiên sẽ đến ngay sau RTT time. RTT trong tính toán của chúng ta bao gồm RTT thực tế, thời gian xử lý Grant, thời gian phát Request và mào đầu của OLT để định dạng sự xếp hàng của bit và byte trong dữ liệu nhận được, chính xác là khoảng thời gian giữa lúc gởi Grant đến ONU và nhận dữ liệu từ cùng ONU. Khi mà OLT biết bao nhiêu byte mà nó cho phép ONU1 gởi thì nó biết khi nào bit cuối cùng từ ONU1 sẽ đến. Sau đó nhận biết được RTT của ONU2, OLT sẽ sắp xếp 1 Grant đến ONU2 mà bit đầu tiên từ ONU2 sẽ đến với khoảng bảo vệ nhỏ sau khi bit cuối cùng từ ONU1 đến (5.3b). Khoảng bảo vệ cung cấp sự bảo vệ cho sự thay đổi của RTT và thời gian xử lý bản tin điều khiển của các ONU khác nhau. Ngoài ra, bộ thu của OLT cần một ít thời gian để sửa lại tín hiệu đến vì các ONU có các mức năng lượng khác nhau do có khoảng cách đến OLT là khác nhau. Sau một lúc, dữ liệu từ ONU1 đến. Ở cuối đường truyền của ONU1 có một Request mới chứa thông tin về khối lượng byte trong bộ đệm của ONU1 trước khi truyền Request. OLT sẽ sử dụng thông tin này để cập nhật vào bảng dò (Polling table) (hình 5.3c). Bằng cách ghi lại thời gian khi mà Grant gởi đi và dữ liệu được nhận về, OLT liên tục cập nhật RTT cho các ONU tương ứng. Tượng tự bước 4), OLT tính toán thời gian mà bit cuối cùng từ ONU2 sẽ đến. Do đó, nó sẽ biết khi nào gởi Grant đến ONU3 vì vậy dữ liệu của nó được nối vào phần cuối dữ liệu của ONU2. Sau một lúc, dữ liệu từ ONU2 sẽ đến. OLT sẽ cập nhật một lần nữa vào bảng của nó, thời gian này được lưu vào cho ONU2 (hình 5.3d). Nếu một ONU không có dữ liệu trong bộ đệm, nó sẽ gởi 0 byte trở lại OLT. Do đó, ở chu kỳ tiếp theo ONU sẽ được cấp 0 byte, chẳng hạn nó sẽ gởi một yêu cầu mới nhưng không có dữ liệu. Chú ý rằng, kênh thu của OLT được sử dụng hầu hết 100%. Các ONU trống không được cấp cửa sổ truyền. Điều này dẫn tới chu kỳ thời gian được rút ngắn, nên tần số dò các ONU tích cực thường xuyên hơn. Như vậy, theo sự mô tả trên thì không cần đống bộ cho các ONU. Mỗi ONU thực hiện cùng một thủ tục thông qua bản tin Grant nhận từ OLT. Toàn bộ sự sắp xếp và thuật toán định vị băng thông là ở tại OLT. Các ONU không cần dàn xếp hoặc nhận biết các thông số mới cũng không cần chuyển sang các thiết lập đồng hồ mới. Nếu như OLT cho phép từng ONU gởi toàn bộ nội dung bộ đệm của nó trong một lần truyền thì dung lượng dữ liệu cao của các ONU có thể chiếm toàn bộ băng thông. Để tránh điều này, OLT sẽ giới hạn cửa sổ truyền tối đa. Vì vậy, mỗi ONU sẽ thiết lập một Grant để gởi càng nhiều byte mà nó đã yêu cầu trong chu kỳ trước nhưng không nhiều hơn giới hạn cực đại. Có nhiều sơ đồ khác nhau để xác định giới hạn, có thể là cố định dựa trên Service Level Agreement(SLA) cho từng ONU hoặc là động dựa trên tải mạng trung bình. Phần tiếp theo chúng ta sẽ xem xét vấn đề này. Kế hoạch phân bổ băng thông (cửa sổ truyền cực đại) (5.1) Thực chất của giao thức MPCP là ấn định khe thời gian có kích thước thay đổi đến từng ONU dựa trên kế hoạch phân bổ băng thông. Để ngăn cản một ONU chiếm hết kênh lên với lượng dữ liễu cao thì có một giới hạn kích thước cửa sổ truyền tối đa cho từng ONU và được ký hiệu của Wimax sẽ xác định chu kỳ được cấp cực đại dưới điều kiện tải nặng cho từng ONU là Tmax Với Wimax : Kích thước cửa sổ cực đại cho UNO thứ i (byte) G : Khoảng thời gian bảo vệ N : Số ONU R : Tốc độ đường truyền [bps]. Khoảng thời gian bảo vệ cung cấp sự bảo vệ cho sự thay đổi của Round-Triptime ( thời gian lên và xuống) của các ONU khác nhau. Ngoài ra, đầu thu OLT cần một ít thời gian để điều chỉnh cho thích hợp bởi vì thực tế tín hiệu từ các ONU khác nhau có thể có mức năng lượng khác nhau. Nếu Tmax quá lớn sẽ làm tăng trể cho tất cả các khung Ethernet kể cả các gói IP được ưu tiên cao ( thời gian thực ). Nếu Tmax quá nhỏ thì khoảng thời gian bảo vệ sẽ làm hao phí băng thông. (5.2) Ngoài chu kỳ cực đại Wimax cũng quyết định băng thông tối thiểu có thể dùng của ONUi. Gọi Aimin là băng thông tối thiểu của ONUi[bps]. (5.3) Chẳng hạn như ONU được cam đoan băng thông tối thiểu là Wimax byte trong hầu hết thời gian Tmax. Dĩ nhiên, băng thông của các ONU sẽ bị giới hạn tại băng thông tối thiểu của nó nếu như tất cả các ONU trong hệ thống sử dụng tất cả băng thông cho phép của nó. Nếu ít nhất một ONU không có dữ liệu, nó sẽ được cấp cửa sổ truyền nhỏ hơn dẫn đến chu kỳ thời gian bảo vệ nhỏ hơn băng thông cho phép của các ONU còn lại sẽ tăng lên theo tỉ lệ Wimax của nó . Trong trường hợp đặc biệt khi chỉ có một ONU có dữ liệu, băng thông cho phép của ONU đó sẽ là: Trong mô phỏng, chúng ta cho rằng tất cả các ONU có cùng bằng thông cam đoan: Wimax = Wmax với mọi i, suy ra: (5.4) Tmax = Chúng ta cho rằng Tmax = 2ms và G = 5s là lựa chọn hợp lý. Khi đó Wmax = 15000 byte. Với các thông số lựa chọn này, mỗi ONU sẽ có băng thông tối thiểu là 60Mbps và băng thông cực đại là 600Mbps. Các thành phần của trể gói Hình 5.4 mô tả các thành phần của trể gói: Hình 5.4 : Các thành phần của trể gói d = dpoll + dcycle + dqueue (5.5) Trể gói d bằng : Trong đó : dpoll: thời gian giữa gói đến và Report tiếp theo được ONU gởi đi. Trung bình dpoll = 1/2T. dcycle : thời gian từ khi yêu cầu cửa sổ truyền của ONU cho đến khi được cấp khe thời gian và khung dữ liệu được truyền. Trễ này có thể trải qua nhiều chu kỳ phụ thuộc vào số lượng khung có trong hàng đợi lúc khung mới đến . T, q≤W , q≥W (5.6) dcycle = q- kích thước hàng đợi W : kích thước cửa sổ được cấp (5.7) dqueue : khoảng thời gian từ khi bắt đầu được cấp khe thời gian cho đến khi khung đó được truyền. dqueue = Câu hỏi đặt ra là làm cách nào để OLT có thể xác định kích thước cửa sổ nếu kích thước cửa sổ yêu cầu ít hơn kích thước cực đại được định nghĩa trước (Wi ≤ Wmax). Ở đây chúng ta sẽ phân phối cửa sổ theo tải có trong hàng đợi nhưng không vượt quá Wmax. Cấp phát băng thông cố định (5.8) Trong SBA, sự giải quyết về vấn đề cấp phát băng thông là không bị tác động bởi thông tin nhận được từ ONU. là phần băng thông hàng đợi thứ i trong ONU thứ j được cam đoan trong SLA. Thì kích thước cửa sổ được tính theo công thức (5.8) và là độ dài chu kỳ thứ n Trong SBA, nhiều hơn các thuật toán khác, các trễ gói trung bình phụ thuộc trực tiếp vào việc cấp phát băng thông cho lớp riêng của lưu thông. Nếu tất cả dung tích mong muốn của truyền thông có thể được truyền trong cửa sổ truyền đạt được cấp, thì chịu một mất mát nhỏ. Ngược lại, các trễ sẽ tăng nếu cửa sổ truyền tải cung cấp quá nhỏ, thì khi đó không có các điều chỉnh được tạo ra đối với băng thông được cấp. SBA chỉ phù hợp trong trường hợp mà ở đó số lượng lưu thông có thể dự đoán một cách chính xác và những thay đổi trong dung tích đi theo mẫu nào đó được biết đối với OLT. Sự lưu thông thể hiện trong các hệ thống mạng máy tính hiện đại cho thấy sự bồng nổ tự phát với sự thay đổi dung tích trung bình và trong các điều kiện như vậy tính năng của SBA có thể dẫn đến sự gia tăng trễ và thông lượng sẽ thấp hơn. Cấp phát băng thông cân đối (5.9) Thuật toán P-DBA dựa trên cơ chế tận dụng hoàn toàn các cập nhật về trạng thái kết nối các ONU để tính toán kích thước các cửa sổ truyền tải. Thuật toán làm việc trên nguyên tắc băng thông được phân chia giữa các hàng đợi cân xứng với báo cáo chiếm dụng bộ đệm. Qi(j) là lượng byte được báo cáo trong hàng đợi i của ONU thứ j. Phần băng thông cấp phát tới hàng đợi được tính theo (5.9) (5.10) Giả sử rằng độ dài chu kỳ là được biết là , chiều dài cửa sổ truyền tải cho hàng đợi thứ j của ONU thứ i được cho bởi công thức (5.10). Hơn nữa phương thức này đảm bảo chắc rằng tất cả băng thông là được sử dụng hiệu quả Thuận lợi chính của P-DBA là tính đáp ứng nhanh và cân đối của nó. Vì sự cấp phát dựa vào các báo cáo cuối cùng, nên khả năng tắt nghẽn có thể được giải quyết nhanh chóng và các gói backlogged được truyền tải. Sự định vị cân đối là không thiên vị và tất cả các loại lưu thông được đối xử như nhau. Đây là điều tuyệt vời khi mà tất cả những người dùng đồng ý với các SLA của họ. Mặc khác, sự lưu thông từ các nguồn Non-compliant sẽ tác động đến phân phối QoS đến các nguồn khác. Trong trường hợp này, P-DBA không phù hợp cho các ứng dụng DiffServ. Sự cấp phát băng thông theo quyền ưu tiên Trong SP-DBA, sự hổ cho các lớp lưu thông đòi hỏi QoS nhiều hơn được thực hiện bằng việc đưa ra sự sắp hàng theo tính ưu tiên nghiêm ngặc. Quá tình cấp phát băng thông gồm ba bước: Dựa trên các báo cáo nhận được để tính toán tổng lượng băng thông đòi hỏi bởi các loại dịch vụ khác nhau. Băng thông cấp phát cho các lớp dịch vụ dựa trên thuộc tính ưu tiên của chúng. Các lớp có tính ưu tiên đầu được xem xét đầu tiên. Một sự hợp lý ở đây các lớp có mức ưu tiên thấp hơn được cấp phát băng thông ít hơn yêu cầu hoặc không có. Băng thông được cấp phát tới lớp dịch vụ đã cho được phân chia cho tất cả các hàng đợi như trong cơ chế P-DBA. Điều này đảm bảo rằng nếu băng thông cấp phát ít hơn đòi hỏi của tất cả các hàng đợi thì sẽ được đối xử như nhau. Hai mục tiêu phải đối đầu trước quá trình thực hiện SP- DBA trong EPON với sựu định vị băng thông tập trung : Hỗ trợ tốt hơn cho mô hình DiffServ. Cho thấy rằng với phương thức tập trung cùng tính năng hoạt động có thể đạt được trong EPON nơi mà phân phối sắp hàng Inter và Intra của ONU được thực hiện Nó được dự đoán trước rằng sự sắp xếp theo nguyên tắc ưu tiên sẽ có khả năng cung cấp những đòi hỏi QoS cho các lớp lưu thông có mức ưu tiên cao. Khía cạnh khác, điều này có thể dẫn đến sự thực thi kém hơn đối với những lớp lưu thông có mức ưu tiên trung bình và thấp, khi tải nặng thì sự cấp phát băng thông cho các lớp này bị hạn chế trầm trọng. SLA aware p-DBA Trong mục này đưa ra thuật toán SLA-DBA. Tính năng hoạt động của thuật toán này chủ yếu dựa vào phương thứcP-DBA để quản lý sự cấp phát tối ưu các nguồn tài nguyên sẳn có và các khả năng đáp ứng tốt đối với sự thay đổi các điều kiện mạng. Trong thuật toán SLA-DBA đạt được QoS khác nhau cho các loại lưu thông khác nhau là mục đích cốt lõi. Từ quan điểm về hoạt tính phương thức này gồm ba bước. Trong phần đầu thuật toán cấp phát băng thông tương ứng với chiều dài hàng đợi được báo cáo. Đây chính là hoạt tính của P-DBA. .Như được giới thiệu trong mục 5.7 phương thức này dẫn đến không có sự bảo vệ của các thông số lưu thông. Để đáp ứng đúng lượng băng thông cho hàng đợi, trong phần hai của thuật toán các ép buộc đồng ý trong SLA được tính đến. Qi(j) là số lượng byte được báo cáo trong hàng đợi j của ONU i và bik(j) là số của các byte được cấp phá đối với hàng đợi này trong bước K của thuật toán. Số lượng của các byte mà có thể được gởi trong một chu kỳ bảo đảm đặc biệt được cho là phải chịu ràng buộc sau: (5.11) Với tmin và tmax là các giá trị min và max của chu kỳ đảm bảo và CL là dung lượng đường truyền tính bằng bit/s. (5.12) Trong phần một, lượng băng thông được cấp phát cho hàng đợi riêng có thể được tính: Cũng trong phần này băng thông vượt quá bexđược tính toán như là tổng của băng thông của tất cả các hàng đợi có đặc tính ưu tiên thấp. Trong phấn cuối lượng băng thông vượt quá này được phân chia giữa các hàng đợi có tính ưu tiên cao hơn nếu băng thông được cấp phát ở phần đầu nhỏ hơn giá trị cực tiểu mong muốn. là giá trị min và max của các byte đảm bảo đối với hàng đợi. Trong các ràng buộc đưa ra trong các SLA được thực hiện cho tất cả các lớp có thuộc tính trung bình và cao. Ba trạng thái riêng biệt được xét như sau: lượng băng thông cấp phát vượt quá lượng giao ước trong SLA. Băng thông cấp phát cho hàng đợi riêng biệt thì giảm xuống Băng thông yêu cầu trong các giới hạng của SLA. Không có sự thay đổi nào được thực hiện và trong trường hợp này nơi đây có đủ băng thông vượt mức thì băng thông cấp phát bằng . Hơn thế nữa lượng băng thông cấp phát là không thay đổi. (5.13) Băng thông mà không được cấp phát trong phần hai là được dùng cho cho tất cả các hàng đợi trong phần iii. Lượng băng thông cấp phát cho hàng đợi được tính như sau: (5.14) Sau cùng băng thông mới cấp phát cho mỗi hàng đợi cửa sổ truyền mới được gán. Kích thước của cửa sổ mới được tính trong (5.15) với là chu kỳ được tính từ công thức (5.14) (5.15) SLA aware Adaptive DBA Thực hiện sự phân tích thuật toán cấu trúc của SBA và P-DBA để đi đến một phương thức khác nhau đối với vấn đề. Như được thấy trong thuật toán SBA lượng băng thông cố định được cấp phát đến một lớp lưu thông. Ngược lại, P-DBA phản ứng nhanh đối với các điều kiện thay đổi do vậy băng thông cấp phát chỉ dựa trên các bản báo cáo nhận được từ các ONU. Trong sự cố gắn nhằm kết hợp hai phương thức SBA và P-DBA thành một thì thuật toán A-DBA được thiết lập. Để đạt được tính thực thi tốt nhất nó giả sử rằng lượng băng thông đánh dấu tuỳ thuộc vào chiều dài báo cáo của hàng đợi. Để cạnh tranh với mức hổ trợ QoS được đưa ra bởi SBA, thì lượng băng thông cho phép cực đại mà có thể gán cho hàng đợi là được đưa ra. Giá trị băng thông cho phép là vấn đề thảo thuận ngoại tuyến giữa khách hàng và nhà cung cấp mạng và được thiết lập trong SLA. Các thông số trong SLA được chọn trong một cách sao cho miễn là một nguồn đặc biệt truyền những gói ở tốc độ thấp hơn giá trị cực đại, chúng được đảm bảo được truyền đi mà không có trễ cộng thêm vào. Nếu tài nguyên vượt quá giá trị cực đại cho phép thì các gói của nó sẽ được gởi tại tốc độ cực đại cho phép và phần dữ liệu còn lại sẽ được nằm trong bộ đệm cho đến khi tài nguyên giảm xuống và tốc độ của nó dưới mức giá trị cực đại hoặc là các nguồn tài nguyên khác không có dữ liệu được gửi. (5.16) (5.17) Giống như trong mục trước, Qi,jn là chiều dài hàng đợi tính bằng Byte của hàng đợi thứ j ONU thứ i trong chu kỳ n. là số lượng của các byte được đánh dấu trong chu kỳ thứ n và là giá trị cực đại của các byte mà có thể gửi bởi một hàng đợi riêng biệt trong một chu kỳ. Thời gian chu kỳ đảm bảo tuỳ thuộc vào tổng lượng băng thông cấp phát đến các hàng đợi và được đưa ra ở (5.16). Thời không lớn hơn ,cái này được tính trong công thức (5.17): (5.18) Dựa trên các giá trị tính được từ việc xếp hàng, OLT tính toán các cửa sổ truyền mới theo công thức (5.19), với giống như các mục trước, là chiều dài của chu kỳ như được tính ở công thức (5.18). (5.19) Kết luận chương Chương trên đã trình bày các thành phần trễ trong mạng truy nhập quang thụ động, đưa ra thuật toán “Interleaved Polling”, đưa ra các thuật toán phân phối băng thông theo: sự cấp phát cố định, theo sự thay đổi ngõ vào, theo sự ưu tiên của dịch vụ. Và để hiểu rõ về kết quả đó như thế nào thì chương tiếp theo sẽ trình bày về vấn đề đó. GIAO DIỆN CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ TÍNH TOÁN Giới thiệu chương Chương này đưa ra một phương thức phân phát băng thông theo nhu cầu của các hàng đợi về lượng byte được truyền dựa trên tính ưu tiên. Đồng thời xem xét qua các yếu tố ảnh hưởng đến trễ để đưa ra thuật tính toán trễ. Thuật toán và giao diện mô phỏng được viết dựa vào phần mềm Mathcad đồng thời kết hợp một số phần mềm chuyên dụng khác. Giao diện chính của chương trình mô phỏng Giao diện thể hiện toàn bộ nội dung sẽ được trình bày trong chương này, với các nút chức năng trực quan đúng theo thuộc tính của nó. Chương trình này được thực hiện trên phần mềm Visual Basic và một số phần mềm bổ trợ khác. Giao diện thể hiện mô phỏng quá trình truyền dữ liệu từ OLT đến các ONU (hướng xuống) Hình 1: Dữ liệu truyền hướng xuống (từ OLT đến các ONU) Hình 1 mô hình hoá quá trình truyền dữ liệu hướng xuống từ OLT đến các ONU. Các gói dữ liệu được truyền đến tất cả các ONU nhưng ONU chỉ nhận những gói được đánh dấu là của nó dựa vào Link ID. Điều này đã được trình bày ở chương “mạng truy nhập quang thụ động EPON”. Ở đây ta đơn giản hoá mô hình bằng ba ONU. Giao diện mô phỏng quá trình truyền dữ liệu từ các ONU đến OLT (hướng lên) Hình 2: Dữ liệu truyền theo hướng lên (từ các ONU đến OLT) Đây là mô hình truyền dữ liệu hướng lên từ các ONU đến OLT, các gói dữ liệu của chúng được đưa đến bộ ghép phân kênh theo khe thời gian cho từng ONU riêng, sau đó truyền đến OLT . Trong mô hình này ta cũng chỉ thực hiện với ba ONU. Cấp phát băng thông truyền tải theo tỷ lệ lượng bytes có trong hàng đợi cho từng ONU Lượng bytes trong các hàng dợi được đưa vào theo một sự ngẫu nhiên nhất định, và để tiện trong khảo sát ta thiết lập theo những hàm thông dụng. Lượng dữ liệu được thiết lập theo dạng ma trận: chỉ số hàng tương ứng với các ONU, chỉ số cột tương ứng với chỉ số hàng đợi có trong từng ONU. Dưới đây là hình ảnh của các ngõ vào và tỷ lệ lượng băng thông cấp phát cho từng hàng đợi của từng ONU theo sự thay đổi thời gian. Hình 3: Lượng dữ liệu ngõ vào thay đổi theo thời gian Hình 4: Tỷ lệ lượng dữ liệu các hàng đợi được cấp theo tỷ lệ dung lượng ngõ vào của nó Tỷ lệ cấp phát băng thông cho các ONU Hình 5: Lượng dữ liệu mà từng ONU được cấp phát theo sự thay đổi của ngõ vào Dựa vào lượng dữ liệu có trong hàng đợi để tính toán theo tỷ lệ phần lượng dữ liệu đươc cấp cho từng hàng đợi. Hình sau thể hiện tỷ lệ phần dữ liệu trong hàng đợi được cấp tương ứng với lượng dữ liệu ngõ vào. Đồ thị có được bằng cách tính tổng lượng dữ liệu có trong các ONU, tổng dữ liệu có trong từng ONU sau đó tính tỷ lệ rồi nhân với cửa sổ truyền mà OLT cung cấp tại thời điểm đó. Thuật toán phân bổ băng thông theo tỷ lệ bytes có trong hàng đợi dựa trên tính ưu tiên của dịch vụ Thuật toán được thực hiện dựa trên việc tính tổng lượng dữ liệu hiện có trong tất cả các hàng đợi của các ONU, dữ liệu có trong từng ONU để từ đó đưa ra tỷ lệ băng thông cấp phát cho từng ONU tương ứng, tính dữ liệu có trong từng hàng đợi của từng ONU, tính tỷ lệ lượng băng thông mà OLT có thể cấp phát cho từng hàng đợi của từng ONU. Dữ liệu trong các hàng đợi của các ONU được sắp xếp dưới dạng ma trận, chỉ số hàng tương ứng với chỉ số ONU và chỉ số cột tương ứng với chỉ số của hàng đơị và cũng tương ứng với chỉ số ưu tiên của nó. Khi truyền dữ liệu ta đưa ra thuật toán tính theo tính ưu tiên đăng ký của dịch vụ để truyền. Các dịch vụ có độ ưu tiên cao hơn mức ưu tiên của dịch vụ đang xét thì được cấp phát băng thông đúng với tỷ lệ dung lượng mà nó chiếm dụng, các hàng đợi có mức ưu tiên ngang hàng với mức dịch vụ đang xét thì được cấp theo tỷ lệ lượng băng thông còn lại chia cho đồng đều cho tất cả dung lượng chiếm dụng của các dịch vụ còn lại. Còn các hàng đợi có mức ưu tiên thấp hơn được cấp băng thông nhỏ hơn rất nhiều so với yêu cầu và theo thuật toán này là bằng không. Trong thuật toán này ta sử dụng cho n ONU và mỗi ONU có m hàng đợi, thời gian của truyền tính bằng t được tính bằng ms, tốc độ đường truyền là r tính bằng Mbps. Thuật toán xét khi dung lượng đường truyền cấp phát ít hơn nhu cầu dung lượng của các hàng đợi trong các ONU và trong thuật toán đã được mặc định về điều đó. Trong mô phỏng lấy kết quả ta chỉ mặc định những giá trị đơn giản: tốc độ đường truyền r = 1000Mbps, thời gian t thay đổi (1÷ 10)ms, số lượng ONU n là 5, hàng đợi trong từng ONU m là 3, chỉ xét mức ưu tiên dịch vụ k là 2 . Kết quả thu được từ thuật toán này được trình bày trong các hình biểu diễn sau. Các hình này dựa trên dữ liệu ngõ vào thay đổi để phân phối băng thông truyền cho nó một cách hợp lý. Trước tiên đó là thuật toán về cấp phát băng thông truyền cho các hàng đợi trong các ONU theo mức ưu tiên dịch vụ đăng ký. Hình ảnh băng thông mà cụ thể là cửa sổ truyền được cấp cho các hàng đợi. So sánh tỷ lệ lượng dữ liệu mà các hàng đợi được truyền để thấy được tính truyền dữ liệu theo ưu tiên của dịch vụ. bắt đầu Nhập các thông số ban đầu gồm: –Tốc độ: r tính (Mbps) –Thời gian: t tính bằng (s) –Số ONU: n –Số hàng đợi: m –Thông số ưu tiên: k – Nhập ma trận dữ liệu hàng đợi theo ma trận B(t) thay đổi theo thời gian: –For i (0 ÷ n) –For j (0 ÷ m) Bi,j(t,n,m) = ((2+i)t + 10j) Tính tổng dữ liệu trong các ONU Tính tổng dữ liệu trong từng ONU dưới dạng ma trận: Tính tỷ lệ dung lượng kênh truyền cấp cho từng ONU Tính tỷ lệ dung lượng kênh truyền cấp cho từng hàng đợi của từng ONU: • Tỷ lệ băng thông cấp phát trong từng hàng đợi • Tỷ lệ dữ liệu truyền các hàng đợi Tính lượng dữ liệu được phép truyền của từng hàng đợi trong từng ONU dựa trên tính ưu tiên của dịch vụ For i (0 ÷ n) For j (0 ÷ m) Thực hiện so sánh sự ưu tiên của hàng đợi với dịch vụ j < k Wi,j(t,n,m,k) = lbthi,j(t,n,m) j = k Wi,j(t,n,m,k) = (tylonu(t,n,m)i,j - )* B(t,n,m)i,j/to(t,n,m)i,j Wi,j(t,n,m,k) = 0 kết thúc T F T Hình 6: Thể hiện cửa sổ truyền theo tính ưu tiên của dịch vụ Hình 7: Phần trăm lượng băng thông các hàng đợi được truyền so với nhu cầu của nó Hình 6 là phần băng thông được quy đổi sang lượng byte mà cấp phát cho từng hàng đợi có kết hợp tính ưu tiên của dịch vụ(hàng đợi). Và để cho thấy được sự cấp phát theo tính ưu tiên, thì hình 7 cho thấy được phần trăm lượng dữ liệu được truyền để thấy rõ tính truyền ưu tiên theo dịch vụ. Với các đường đồ thị được chú thích rõ trong đồ thị Các hàng đợi của các ONU có mức ưu tiên cao hơn so với mức ưu tiên đang xét thì được cấp 100% băng thông truyền theo đúng nhu cầu mà OLT có thể, cụ thể là đường màu đỏ và xanh biển, còn các dịch vụ còn các hàng đợi có độ ưu tiên thấp hơn được cấp băng thông nhỏ hơn so với nó yêu cầu nhiều, cụ thể là đường mà xanh lơ và mà tím. Ở đây các hàng đợi có chỉ số càng nhỏ thì độ ưu tiên càng cao, độ ưu tiên được xét theo chỉ số của cột. Cập nhật dữ liệu: R=12500, N=16, Rn=125000 Q=10000000, Wmin=100, Wmax=15100, ω=100 J = 0 W=Wmin + ω*J T=N[0,005+8(W/1000000)] d1=T/2, q=iRT Bắt đầu d2=T, d3=q/Rn d=d1+d2+d3 Y q=Q, T=N[0,005+8(Wmax/1000000)] d2=T*Round[(q-Wmax)/Wmax] d3=mod[(q-Wmax),Wmax]/Rn d=d1+d2+d3 N q<=W Tính số lần chạy : K=Round[(Wmax-Wmin)/ ω] Khởi tạo: dmin=2000 d<dmin dmin=d Y N J=k J = J+1 N Kết thúc Y i = 0,05 i=1 i = i+0,05 Y N Thuật toán tính toán trễ trong mạng truy nhập quang – EPON Thuật toán rất đơn giản. Với một tải xác định sẽ thực hiện vòng lặp với các cửa sổ khác nhau để tìm ra cửa sổ tối ưu (trễ nhỏ nhất). Tải sẽ cho chạy từ 0,05% đến 1% với bước nhảy là 0,05. Các thông số mô phỏng gồm có: Số ONU: N = 16 Kích thước bộ đệm: Q = 10Mbyte Cửa sổ cực đại: Wmax = 15100byte Tốc độ từ thuê bao đến ONU R=100Mb/s=12500byte/ms Tốc độ từ thuê ONU đến OLT Rn=1000Mb/s=125000byte/ms Cửa sổ tối thiểu: Wmin = 100byte Bước nhảy cửa sổ: ω = 100byte Tạo trể nhỏ nhất ban đầu : dmin = 2000ms Kết quả của thuật toán thể hiện trong đồ thị sau. Hình 8: Trễ trung bình theo cửa sổ tối ưu Kết luận chương Nội dung của chương trình bày các thuật toán phân bổ băng thông trên cơ sở phân phối đều theo nhu cầu và kết hợp với tính ưu tiên của dịch vụ. Đồng thời cũng thực hiện xem xét việc trễ trong mạng truy nhập quang thụ động EPON. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI abab Ngành công nghiệp viễn thông đang có tốc độ phát triển hết sức nhanh chóng và sự cạnh tranh trong lĩnh vực mạng thông tin diễn ra rất gay gắt. Khi sự cạnh tranh gia tăng, điều quan trọng đối với các công ty viễn thông là phải xác định lại vị thế của mình trong thị trường viễn thông và có chiến lược phát triễn mới để duy trì khách hàng của mình cũng như thu hút khách hàng của những nhà cung cấp khác. Với những ưu điểm về tốc độ, băng thông cũng như chi phí lắp đặt, EPON không thể nằm ngoài chiến lược phát triển của các nhà khai thác viễn thông cho mạng truy nhập. Chính vì vậy mà đề tài này đi sâu nghiên cứu về cấu trúc, hoạt động và chất lượng của mạng EPON. Qua đề tài này, em đã đưa ra được một mô hình mạng truy nhập quang với những ưu điểm vượt trội về tốc độ, băng thông cũng như chất lượng, hứa hẹn sự phát triển vượt bậc cho mạng truy nhập, đáp ứng nhu cầu khách hàng đồng thời em đã tính toán các thành phần trễ của mạng, cấp băng thông truyền cho các loại dịch vụ theo nhu cầu kết hợp với tính ưu tiên. Đó là các vấn đề cốt lõi nhất khi triển khai mạng EPON. Tuy nhiên, bên cạnh những điều em đã đạt được ở trên thì do sự hạn chế về thời gian, tài liệu tham khảo cũng như khả năng hiểu biết của bản thân, những kết quả đạt được chỉ dừng lại ở mức lý thuyết. Để triển khai EPON vào thực tế, đòi hỏi phải có kinh nghiệm về thực tiễn, kiến thức về mạng phải rộng cũng như các vấn đề cần giải quyết như sau: Tính toán và ước lượng dung lượng thuê bao. Giải pháp thiết bị cho hệ thống. Tính toán nhiễu trong hệ thống. Tính toán các mức ưu tiên về dich vụ mà thuê bao đăng ký. Nghiên cứu về quy trình truyền dữ liệu trong mạng. TÀI LIỆU THAM KHẢO bgha [1] KS. Phạm Tiến Đạt, KS. Nguyễn Quang Nghĩa, KS. Võ Đức Hùng, “Ethernet PON- Giải pháp cho mạng truy nhập thế hệ sau” Tạp chí Bưu Chính Viễn Thông và Công nghệ thông tin, Kỳ 1-tháng 6/2004, trang 14-17. [2] J.R. Stern, J.W. Ballance, D.W. Faulkner, S. Hornung, and D.B. Payne, “Passive Optical Local Networks for Telephony Applications and Beyond,” Electronics Letters, vol. 23, no. 24, pp. 1255–1257, Nov. 1987. [3] G.Kramer, B.Mukherjee, and G.Pesavento, “IPACT: A Dynamic Bandwidth Distribution Scheme in an Ethernet PON(EPON),” IEEE Communications Magazine, vol. 40, no. 2, pp. 66–73, 2002. [4] Su-il Choi, “Cyclic Polling-Based Dynamic Bandwidth Allocation for Differentiated Classes of Service in Ethernet Passive Optical Networks,” Photonic Network Communications, vol. 7, no. 1, pp. 87–96, 2004. [5] Ch.M.Assi, Y.Ye, S.Dixit, and M.A.Ali, “Dynamic Bandwidth Allocation for Quality-of-Service Over Ethernet PONs,” IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 21, no. 9, pp. 1467–1477, Nov. 2003. [6] Ch.M.Assi, Y.Ye, and S.Dixit, “Support of QoS in IP-Based Ethernet-PON,” in Proceedings of IEEE GLOBECOM, Dec. 2003, vol. 22, pp. 3737–3741. [7] D. Nikolova, B. Van Houdt, and C. Blondia, “Dynamic bandwidth allocation algorithms in EPON:a simulation study,” in OptiComm, 2003, pp. 369–380. [8] G. Kramer, B. Mukherjee, and G. Pesavento, “Interleaved Polling with Adaptive Cycle Time (IPACT): A Dynamic Bandwidth Distribution Scheme in an Optical Access Network,” Photonic Network Communications, vol. 4, no. 1 pp. 89-107, January 2002. [9] G. Kramer and G. Pesavento, "Ethernet Passive Optical Network(EPON): Building a Next-Generation Optical Access Network," IEEE Communications Magazine. 66-73, Feb. 2002. [10] G. Kramer, "Supporting differentiated classes of service in Ethernet passive optical networks," Journal of Optical Networks.280-298, August/September 2002. [11] Ho-Sook Lee, Tae-Whan Yoo, Ji-Hyun Moon, and Hyeong-Ho Lee, “A Two-Step Scheduling Algorithm to Support Dual Bandwidth Allocation Ppolicies in an Ethernet Passive Optical Network,” ETRI Journal, vol. 26, no. 2, pp. 185–188, Apr. 2004. [12] Jing Xie, Shengming Jiang, and Yuming Jiang, “A Dynamic Bandwidth Allocation Scheme for Differentiated Services in EPONs,” IEEE Communications Magazine, vol. 42, no. 8, pp. 32–33, Aug. 2004. 191 [13] G. Kramer, B. Mukherjee, and A. Maislos, “Ethernet passive optical networks,” in Multiprotocol over DWDM: Building the Next Generation Optical Internets, S. Dixit, ed. (to be published). [14] B. Mukherjee, Optical Communication Networks, McGraw-Hill, New York, 1997. [15] D. Sala and A. Gummalla, “PON functional requirements: services and performance,” presented at the IEEE 802.3ah meeting in Portland, Ore., July 2001. Available at 1 0701.pdf. PHỤ LỤC A) Đoạn chương trình phân phối băng thông cho các hàng đợi của ONU theo độ ưu tiên của dịch vụ. du lieu ngo vao thay doi theo thoi gian tong luong du lieu trong cac ONU tong luong du lieu co trong tung ONU ty le bang thong cap phat cho tung hang doi trong cac ONU ty le luong bang thong cap phat cho tung ONU luong byte truyen trong hang doi cua tung ONU ty le luong bang thong cap theo tinh uu tien ngang hang ty le phan tram luong byte duoc truyen B) Đoạn chương trình tính toán trễ theo cửa sổ tối ưu C) Đoạn mã gọi hàm Mathcad trong Visual Basic Đối với thuật toán phân phối băng thông Case "Ket qua" If (Text1.Text = "" Or Text2.Text = "" Or Text3.Text = "" Or Text3.Text = "" Or Text4.Text = "") Then MsgBox "Ban chua nhap cac thong so vao textbox !" Else OLE1.Visible = True Dim in1 As Variant Dim in2 As Variant Dim in3 As Variant Dim in4 As Variant Dim objmc1 As Object Set objmc1 = Tinhtoanphanphoibangthong.OLE1.object in1 = Val(Tinhtoanphanphoibangthong.Text1.Text) in2 = Val(Tinhtoanphanphoibangthong.Text2.Text) in3 = Val(Tinhtoanphanphoibangthong.Text3.Text) in4 = Val(Tinhtoanphanphoibangthong.Text4.Text) Call objmc1.setcomplex("n", in1, 0) Call objmc1.setcomplex("m", in2, 0) Call objmc1.setcomplex("k", in3, 0) Call objmc1.setcomplex("t", in4, 0) Call objmc1.recalculate Call objmc1.getcomplex("n", out1, 0) Call objmc1.getcomplex("m", out2, 0) Call objmc1.getcomplex("k", out3, 0) Call objmc1.getcomplex("t", out4, 0) End If Đối với thuật toán tính trễ theo cửa sổ tối ưu Case "Ket qua": If (Text1.Text = "" Or Text1.Text = "") Then MsgBox "Ban chua nhap thong so vao!" Else OLE1.Visible = True Dim in1 As Variant Dim in2 As Variant Dim objmc1 As Object Set objmc1 = Tinhtoantre.OLE1.object in1 = Val(Tinhtoantre.Text1.Text) in2 = Val(Tinhtoantre.Text2.Text) Call objmc1.setcomplex("N", in1, 0) Call objmc1.setcomplex("M", in2, 0) Call objmc1.recalculate Call objmc1.getcomplex("N", out1, 0) Call objmc1.getcomplex("M", out2, 0) End If