07-dinh tuyen mang quang - users.soict.hust.edu.vn tuyen... · mạng$thông$8n$quang$!...
TRANSCRIPT
Các giao thức định tuyến
Định tuyến cho mạng quang
Mạng thông 8n quang • Mạng cáp quang
– Fiber op8cs – Các nút mạng là các chuyển mạch – Các nút được kết nối bằng cáp quang. – Sử dụng các sóng ánh sáng để truyền On hiệu giữa các nút thông qua sợi quang
– Tốc độ 10-‐100 Gbps • Mạng quang không dây
– Free space op8cs – Sử dụng các bước sóng xung quanh dải ánh sáng nhìn thấy được, hồng ngoại, …
– Chủ yếu sử dụng trong các kết nối point-‐to-‐point – Tốc độ 1 Gbps
Mạng thông 8n quang n Sử dụng ánh sáng để truyền On hiệu trên đường truyền ¨ Dùng cáp quang để dẫn ánh sáng
n Ưu điểm ¨ Băng thông rộng ¨ Truyền được xa với độ suy hao thấp
n Nhược điểm ¨ Xử lý phức tạp vì chưa có bộ nhớ quang học (bộ nhớ hiện tại lưu On hiệu ở dạng điện)
¨ Đôi khi phải chuyển On hiệu sang dạng điện để xử lý, sau đó chuyển On hiệu ngược lại dạng quang
n Ứng dụng cho các mạng trục
LocalNetwork
LocalTraffic
BlockingFilter
Optical Router/switch
Freq.Convert
User
User
User
User
UserUser
User UserOpticalAmp
UserLocalNetwork
LocalTraffic
BlockingFilter
Optical Router/switch
Freq.Convert
User
User
User
User
UserUser
User UserOpticalAmp
User
Mạng thông tin quang
Mạng thông 8n quang
• Cáp quang được khai thác dưới 2 chế độ n Mul8-‐mode (cũ)
¨ Truyền nhiều 8a sáng trên 1 sợi quang ¨ Lõi lớn, nguồn sáng rẻ ¨ Nhiễu giữa các chế độ truyền ¨ Sinh lại On hiệu sau mỗi 10km ¨ Tốc độ 32-‐140 Mbps
n Single-‐mode (mới) ¨ Truyền một 8a sáng trên 1 sợi quang ¨ Lõi nhỏ, nguồn sáng đắt 8ền ¨ Loại bỏ nhiễu ¨ Sinh lại On hiệu sau mỗi 40km ¨ Tốc độ vài trăm Mbps
Truyền sóng ánh sáng trong cáp quang
Công nghệ dồn kênh trên cáp n TDM: Electronic Time Division Mux
¨ Đưa xen kẽ các bit của các luồng tốc độ thấp vào một luồng tốc độ cao
¨ 10 Gbps-‐40Gbps ¨ SONET/SDH
n OTDM: Op8cal Time Division Mux ¨ Cùng nguyên tắc với TDM nhưng thực
hiện xen kẽ bit trong miền quang học ¨ 250 Gbps ¨ Đang trong thí nghiệm
n WDM: Wavelength Division Mux ¨ Truyền nhiều bước sóng trên một
cable n Simple WDM: Ít bước sóng với mật độ
thưa n Dense WDM (DWDM) nhiều bước
sóng với mật độ dầy ¨ Sử dụng rộng rãi trong mạng trục, đi
cáp dưới biển và dần đưa vào trong mang đô thị
Mạng cáp quang thế hệ 1 n Tín hiệu sử dụng trên đường truyền là On hiệu quang học
¨ Tỉ lệ lỗi thấp ¨ Dung lượng lớn
n Chuyển mạch và các chức năng mạng thông minh được xử lý trên miền &n hiệu điện ¨ Tín hiệu được chuyển sang dạng điện trước khi được xử lý ¨ Sử dụng chuyển mạch điện có bộ chuyển đổi OEO
n Thường dùng công nghệ dồn kênh TDM trên đường truyền
n Sử dụng rộng rãi trong các mạng viễn thông cũ n VD: SONET/SDH
Mạng cáp quang thế hệ 2 n Định tuyến, chuyển mạch và các chức năng mạng thông minh được thực hiện trong miền &n hiệu quang
n Thường dùng công nghệ dồn kênh WDM trên mỗi sợi quang
n Để tránh việc dùng các thiết bị chuyển đổi OEO, On hiệu thường được duy trì ở một bước sóng từ đầu đến cuối ¨ cần có một bước sóng rỗi dọc theo đường truyền à điều kiện liên tục về bước sóng
n Đã được đưa vào sử dụng và thường được gọi là Wavelength routed network hay All op8cal network
OXC thuần quang
Thiết bị chuyển đổi bước sóng n Chuyển dữ liệu từ một bước sóng đầu vào thành một bước sóng đầu ra ¨ Giải phóng ràng buộc liên tục về bước sóng ¨ Tăng khả năng tận dụng các bước sóng rỗi
n Chuyển đổi Optoelectronic ¨ Chuyển On hiệu sang dạng điện ¨ Sinh lại On hiệu và truyền trên một bước sóng khác
n 1R: khuyếch đại, không điều chế lại n 2R: khuyếch đại, khôi phục lại dạng xung On hiệu n 3R: khuyếch đại, khôi phục lại dạng xung và độ rộng xung
¨ Thường dùng hiện nay
n Chuyển đổi trong miền quang ¨ Op8cal ga8ng, interferometric, wave mixing ¨ Chưa phát triển
Công nghệ chuyển mạch n Chuyển mạch kênh
– Thông thường các mạng cáp quang dùng công nghệ chuyển mạch kênh
– Định tuyến cần được xác định trước cho từng – Sử dụng trong SONET/SDH, WDM
n Chuyển mạch gói → OPS n Chuyển mạch Burst → OBS
Mạng WDM WA
CA1
CA2
UT CO
TX
NE IL
MI NY
NJ PA
MD
GA
Mạng WDM n Lightpath:
¨ Một kết nối bằng 1 bước sóng giữa 2 điểm
¨ Lightpath có thể trải dài qua nhiều cáp nhờ các OADM
n Lightpath Topology ¨ Xác định các lightpath của tầng WDM để thỏa mãn ma trận thông lượng
n Topo vật lý ¨ Topo của các cáp
Định tuyến �nh trong mạng quang ¨ Cho trước topo vật lý của mạng cáp quang ¨ Cho trước ma trận thông lượng yêu cầu (giữa các chuyển mạch)
¨ Yêu cầu n Tìm các lightpath cần thiết lập để tải ma trận thông lượng, chưa quan tâm đến đường đi cụ thể của các lightpath
¨ Lightpath Topology Design (LTD) n Xác định đường đi của các lightpath này trên các cáp quang đã có và xác định bước sóng cho chúng
¨ Rou8ng and Wavelength Assignement (RWA)
¨ Tài nguyên được phân phối đồng thời cho tất cả các yêu cầu kết nối trong ma trận thông lượng
Ví dụ: Mạng
CA1
NY WA
CA2
UT CO
TX
NE IL
MI
NJ PA
MD
GA
Ví dụ: Ma trận thông lượng
Định tuyến động cho mạng cáp quang n Phát biểu bài toán
¨ Cho trước một mạng đang có tải ¨ Có thêm 1 yêu cầu kết nối mới từ s àd với băng thông w ¨ Định tuyến cho yêu cầu kết nối này
n Ràng buộc ¨ Không thay đổi các kết nối đang tồn tại trong mạng
n Có nhiều 8êu chí định tuyến khác nhau ¨ Tiết kiệm tài nguyên nhất ¨ Dành nhiều khả năng chấp nhận các yêu cầu khác trong tương lai nhất ¨ …
n Định tuyến động khó phân bố tài nguyên toàn cục một cách tối ưu như định tuyến �nh
n Cũng được chia thành các bước định tuyến và gán bước sóng
Rou8ng and Wavelength Assignment n Cho trước các lightpath và topo các cáp, vị trí các chuyển mạch quang
n Yêu cầu ¨ Xác định đường đi các lightpath trên topo các cáp à Rou8ng ¨ Gán bước sóng cho từng lightpath à Wavelength Assignment
n Mục 8êu ¨ Có thể có mục 8êu khác nhau tùy bài toán. VD:Dùng ít bước sóng nhất
n Ràng buộc ¨ Hai lightpath không thể cùng dùng 1 bước sóng trên một sợi quang ¨ Nếu không dùng bộ chuyển đổi bước sóng thì một lightpath phải dùng cùng một bước sóng dọc theo đường đi của nó.
n Dùng hay không các bộ chuyển đổi bước sóng? Số lượng bao nhiêu? ¨ Thường bị hạn chế
RWA n Giải tổng thể bài toán RWA sẽ đem lại kết quả tối ưu, nhưng đây là bài toán NP-‐đầy đủ nên không có giải thuật chính xác trong thời gian đa thức.
n Để giảm độ phức tạp Định tuyến và Gán bước sóng thường được giải trong 2 bước riêng biệt
n Định tuyến: có thể sử dụng các giải thuật cơ bản ¨ Fixed path rou8ng, ¨ Fixed Alternate-‐path rou8ng, ¨ adap8ve rou8ng ¨ randomized rou8ng
n Gán bước sóng ¨ First Fit and Random Fit, ¨ Least Used, ¨ Most Used, ¨ Min Product, Least Loaded, Max Sum …
Fixed path rou8ng • Với mỗi cặp nguồn đích xác định một tuyến đường cố định
• Mọi yêu cầu kết nối giữa cặp nguồn đích đều đi theo tuyến đường trên
• Tuyến đường được Onh toán trước, – có thể sử dụng giải thuật như đường đi ngắn nhất.
• Hiệu quả không cao – Sau một khi định tuyến cho một số yêu cầu, tuyến đường có thể hết tài nguyên nhưng mọi thông lượng vẫn giữa 2 điểm đầu, cuối của tuyến đường vẫn đi theo con đường đã định
Fixed alterna8ve path rou8ng
• Một mở rộng của fixed path rou8ng • Với mỗi cặp nguồn đích sẽ có một số tuyến đường được �m sẵn
• Khi có yêu cầu kết nối giữa 1 cặp nút, mọi tuyến đường giữa cặp nút đó sẽ được thử xem có thể có lightpath rỗi trên đó không
• Nếu có nhiều lightpath rỗi à chọn 1 • Nếu không à không định tuyến được
Adap8ve rou8ng
• Fixed path rou8ng và Fixed alterna8ve path rou8ng không Onh đến trạng thái mạng vào thời điểm định tuyến
• Adap8ve rou8ng Onh đến trạng thái mạng – Định tuyến tránh các vùng tắc nghẽn (hết bước sóng rỗi)
– Định tuyến tránh những vùng có chất lượng On hiệu kém
– …
Gán bước sóng: First Fit
• Sau khi định tuyến, mỗi kết nối đã có 1 tuyến đường à lightpath
• Cần gán cho lightpath này một bước sóng để hoạt động
• Lightpath cần dùng 1 bước sóng duy nhất dọc đường đi của nó
• First fit: – Lấy bước sóng có chỉ số thấp nhất còn rỗi
Gán bước sóng: Random fit, least used, most used
• Random fit: – Lấy bước sóng bất kỳ còn rỗi để gán cho lightpath
• Least used: – Lấy bước sóng nào ít được dùng nhất
• Most used – Lấy bước sóng nào hay được dùng nhất …
Bài tập
• Thử thực hiện định tuyến bằng thuật toán đường đi ngắn nhất và gán bước sóng băng Least Used
• Mỗi link có 8 bước sóng. Thông lượng: • WA-‐UI:1 • CA1-‐IL:1 • CA1-‐TX:1 • …
WA
CA2
UT CO
TX
NE IL
MI
NJ PA
MD
GA
CA1
Định tuyến có dự phòng
Dự phòng và khôi phục ¨ Khái niệm cơ bản
n Tính sẵn sàng n Các loại lỗi n Dự phòng vs khôi phục n Dự phòng dành riêng n Dự phòng chia sẻ
Khái niệm cơ bản n Các sự cố trên mạng làm gián
đoạn hoạt động của mạng ¨ Đứt cáp ¨ Hỏng thiết bị
n Thời gian gián đoạn càng nhỏ càng tốt ¨ Mean Time to Repare: MTR
n Tính sẵn sàng của mạng càng cao càng tốt ¨ Mean Time between Failures:
MTF n Khả năng duy trì dịch vụ khi xảy ra
lỗià Survivability
Ảnh hưởng của việc gián đoạn Impact
50 msec
0 200 msec
2 sec
10 sec
5 min
30 min
"Hit"
Trigger Change- over of CCS Links
FCC Reportable
Packet (X.25)
Disconnect
Call- Dropping
Private Line Disconnect
May Drop Voiceband
Calls
APS
1st Range
2nd Range
3rd Range
4th Range
5th Range
6th Range
Social/ Business Impacts
Sự cố trên mạng làm thiệt hại về tiền
Yếu tố thị trường của Survivability ■ Quan hệ với khách hàng ■ Lợi thế cạnh tranh ■ Lợi nhuận
¨ Bất lợi – Phải tăng chi phí để mạng có Onh tự phục hồi sau lỗi
¨ Ưu điểm – Tạo các dịch vụ cao cấp đem lại lợi nhuận lớn
n Dịch vụ dành cho doanh nghiệp n Dịch vụ cho các tổ chức y tế n Dịch vụ dành cho các tổ chức chính phủ
■ Vận hành phức tạp hơn
Network Survivability n Tính sẵn sàng
¨ 99.999% (5 con 9) => dưới 5 phút gián đoạn/năm n Cần có kế hoạch đối phó với lỗi
¨ Thêm tài nguyên thay thế, phát hiện lỗi và tự động định hướng các luồng dữ liệu vòng qua lỗi
n Khôi phục: ¨ Chỉ bổ sung băng thông, thiết bị thay thế khi sự cố đã xảy ra ¨ Tiết kiệm tài nguyên ¨ Chậm à thời gian gián đoạn lớn
n Dự phòng: fast 8me-‐scale: ¨ Chuẩn bị sẵn tài nguyên dự phòng để thay thế tài nguyên chính khi xảy ra sự cố
¨ Chuyển luồng dữ liệu từ đường truyền bị lỗi sang đường dự phòng khi có sự cố xảy ra
¨ Nhanh: 10s-‐100s of ms…
Sự cố n Các loại sự cố
¨ Sự cố thành phần: trên link, nút, kênh WDM, phần mềm…
¨ Sự cố hệ thống: Thảm họa có thể hủy hoại toàn bộ trung tâm kết nối
n Lỗi đơn vs. nhiều lỗi đồng thời ¨ 4.39 cáp đứt/năm/1000 dặm cáp ( thống kê năm 94) ¨ Thông thường giả thiết mạng chỉ có lỗi đơn
n Dự phòng và khôi phục có thể thực hiện ở nhiều mức
Tính sẵn sàng Availability là xác suất thiết bị hoạt động bình thường
Reliability Reliability + Recovery
Availability =
Định lượng Onh sẵn sàng
Tính sẵn sàng tương ứng với thời gian mạng không hoạt động. • 99% 2-‐Nines 5,000 Min/Yr • 99.9% 3-‐Nines 500 Min/Yr • 99.99% 4-‐Nines 50 Min/Yr • 99.999% 5-‐Nines 5 Min/Yr • 99.9999% 6-‐Nines 0.5 Min/Yr
Ví dụ mạng PSTN n Mỗi thành phần của mạng có tính sẵn sàng 99.99%
Facility Entrance
Facility Entrance
AN
0.01 %
0.005 % 0.005 %
0.02 %
0.005 % 0.005 %
LE
NI
LE
NI
LD
AN
0.01 %
PSTN End-2-End Availability 99.94%
NI : Network Interface
LE : Local Exchange
LD : Long Distance
AN : Access Network
Source : http://www.packetcable.com/downloads/specs/pkt-tr-voipar-v01-001128.pdf
Các phương pháp bảo vệ mạng Network Survivability Architectures
Restoration Protection
Protection Switching
Self-healing Network
Re-Configurable
Network
Mesh Restoration Architectures
Linear Protection Architectures
Ring Protection Architectures
Phân loại các phương pháp dự phòng
n Theo topo ¨ Vòng ¨ Tuyến Onh: link, đoạn, đường
n Theo sử dụng tài nguyên ¨ Dự phòng dành riêng ¨ Dự phòng chia sẻ
n Các nút được nối với nhau qua các link tạo thành vòng tròn ¨ Dữ liệu được truyền theo chiều ngược lại khi có sự cố
Topo dự phòng -‐ vòng
E
W
W
E
W
E W
E
D
L L
Working Protect
Topo dự phòng– Tuyến -nh
Dự phòng theo link
Dự phòng theo đường
Dự phòng theo đoạn
Dự phòng dành riêng vs. chia sẻ n Dự phòng dành riêng
¨ Một tài nguyên dự phòng chỉ dùng để bảo vệ một đường truyền chính
n Dự phòng chia sẻ ¨ Một tài nguyên dự phòng có thể được dùng trong nhiều đường dự phòng để bảo vệ nhiều đường truyền chính
n Dự phòng chia sẻ có tốc độ khôi phục chậm hơn dự phòng dành riêng ¨ Mất thời gian thành lập đường dự phòng từ các tài nguyên dự phòng khi sự cố xảy ra
Dự phòng dành riêng vs. chia sẻ
Băng thông cần thiết cho các đường bảo vệ trên link chung v3-v4
P-‐cycle n Mạng mesh không có topo hình vòng
n Tạo các vòng trong mạng à p-‐cycle
n Sử dụng cơ chế bảo vệ theo topo vòng
n Các link trên p-‐cycle và các đoạn cắt p-‐cycle được bảo vệ
Bài toán định tuyến có dự phòng n Tìm kiếm đường đi chính và đường đi dự phòng cho mỗi kết nối
n Ràng buộc ¨ Trong trường hợp chỉ có tối đa một lỗi đơn trong mạng thì đường đi chính và đường đi dự phòng phải không bị ảnh hưởng đồng thời lỗi
n Hai đường đi không dùng chung 1 cáp n Hai đường đi không dùng chung một thiết bị
¨ Tốc độ khôi phục chấp nhận được ¨ Đường đi dự phòng không quá dài làm ảnh hưởng độ trễ
n Tiêu chí ¨ Tiết kiệm tài nguyên tổng cộng
n Có 2 dạng �nh và động tương ứng với bài toán định tuyến thông thường
Bài toán định tuyến có dự phòng n Hướng 8ếp cận
¨ Tách thành 2 bước định tuyến: n Định tuyến cho đường chính trước sau đó �m đường dự phòng
¨ Định tuyến đồng thời cho cả đường chính và dự phòng
n Rất khó trong trường hợp định tuyến động
Định tuyến có dự phòng dành riêng • Mỗi đường làm việc và dự phòng sử dụng tài nguyên riêng • Thuật toán �m 2 đường đi phân biệt
– Surballe – Sử dụng đường đi ngắn nhất
• Với mỗi cặp nguồn đích (s,d) �m 1 đường đi chính là đường đi ngắn nhất
• Loại bỏ các cạnh của đường đi chính khỏi đồ thị • Tìm đường đi dự phòng là đường đi ngắn nhất giữa s và d
• Gán bước sóng cho đường làm việc và dự phòng bằng các thuật toán thông thường.
• Có thể thực hiện định tuyến trước cho tất cả các đường trước rồi mới gán bước sóng hoặc thực hiện xen kẽ.
Định tuyến có dự phòng chia sẻ
• Các đường dự phòng có thể dùng chung tài nguyên với điều kiện đường làm việc của chúng không cùng gặp sự cố.
• Định tuyến sao cho các đường dự phòng có thể chia sẻ nhau nhiều tài nguyên (bước sóng) chung nhất với nhau à 8ết kiệm tổng lượng tài nguyên dự phòng.