Đồ án Mạng truy nhập quang thụ động ethernet –pon

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG…………….. ĐỒ ÁN MẠNG TRUY NHẬP QUANG THỤ ĐỘNG ETHERNET – PON LỜI CẢM ƠN  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  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 LỜI CẢM ƠN......................................................................................... B LỜI CAM ĐOAN ................................................................................... C MỤC LỤC .............................................................................................. D BẢNG TỪ VIẾT TẮT............................................................................G LỜI MỞ ĐẦU.......................................................................................... I CHƯƠNG1 ............................................................................................................1 HIỆN TRẠNG MẠNG VIỄN THÔNG VIỆT NAM VÀ XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN MẠNG TRUY NHẬP CỦA THẾ GIỚI ..................................................1 1.1 Giới thiệu chương....................................................................................1 1.2 Hiện trạng mạng truyền thông của Việt Nam........................................1 1.2.1 Truyền dẫn Quốc Tế ........................................................................1 1.2.2 Truyền dẫn Quốc Gia ......................................................................1 1.2.3 Truyền dẫn nội tỉnh .........................................................................2 1.3 Sự phát triển của lưu lượng ....................................................................2 1.4 Xu hướng phát triển hiện nay.................................................................3 1.5 Mạng truy nhập thế hệ sau .....................................................................4 1.6 So sánh giữa các giải pháp truy nhập và thị trường mạng quang thụ động toàn cầu .....................................................................................................5 Bảng 1.1 Thị trường mạng quang thụ động toàn cầu 2003-2008 ........5 1.7 Kết luận chương ......................................................................................7 CHƯƠNG2 ............................................................................................................8 MẠNG TRUY NHẬP QUANG THỤ ĐỘNG – PON...........................................8 2.1 Giới thiệu chương....................................................................................8 2.2 Tổng quang về công nghệ PON ..............................................................8 2.2.1 Bộ tách / ghép quang........................................................................9 2.2.2 Các đầu cuối mạng PON................................................................11 2.2.3 Mô hình PON .................................................................................11 2.2.4 WDM và TDM PON ......................................................................13 2.3 Kết luận chương ....................................................................................15 CHƯƠNG3 ..........................................................................................................16 CÔNG NGHỆ ETHERNET................................................................................16 3.1 Giới thiệu chương................................................................................16 3.2 Tổng quan về Ethernet..........................................................................17 3.3 Các phần tử của mạng Ethernet...........................................................17 3.4 Kiến trúc mô hình mạng Ethernet .......................................................18 3.5 Quan hệ vật lý giữa IEEE802.3 và mô hình tham chiếu ISO ..............19 3.6 Lớp con MAC Ethernet ........................................................................21 3.6.1 Dạng khung cơ bản của Ethernet ..................................................21 3.6.2 Sự truyền khung dữ liệu ................................................................22 3.6.2.1 Truyền đơn công phương thức truy nhập CSMA/CD ..............23 3.6.2.2 Truyền song công-một cách tiếp cận để hiệu quả mạng cao hơn 24 3.7 Lớp vật lý Ethernet ...............................................................................24 3.8 Quan hệ giữa lớp vật lý Ethernet và mô hình tham chiếu ISO ...........25 3.9 Kết luận chương ....................................................................................26 CHƯƠNG4 ..........................................................................................................27 MẠNG TRUY CẬP QUANG THỤ ĐỘNG ETHERNET – EPON ..................27 4.1 Giới thiệu chương..................................................................................27 4.2 Lợi ích của mạng truy cập quang thụ động Ethernet _ PON..............27 4.3 Mạng truy cập quang thụ động EPON ................................................28 4.3.1 Nguyên lý hoạt động ......................................................................28 4.3.2 Giao thức điều khiển đa điểm MPCP(Multi Point Control Protocol)........................................................................................................30 4.3.3 EPON với kiến trúc 802 .................................................................34 4.3.3.1 Point to Point Emulation............................................................35 4.3.3.2 Share Medium Emulation ..........................................................36 4.4 Kết luận chương ....................................................................................37 CHƯƠNG5 ..........................................................................................................39 KHẢO SÁT TRỄ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN PHỐI BĂNG THÔNG TRONG EPON ....................................................................................................39 5.1 Giới thiệu chương..................................................................................39 5.2 Mô hình của EPON ...............................................................................39 5.3 Thuật toán Interleaved Polling .............................................................41 5.4 Kế hoạch phân bổ băng thông (cửa sổ truyền cực đại) .......................44 5.5 Các thành phần của trể gói ...................................................................46 5.6 Cấp phát băng thông cố định................................................................47 5.7 Cấp phát băng thông cân đối................................................................48 5.8 Sự cấp phát băng thông theo quyền ưu tiên.........................................49 5.9 SLA aware p-DBA.................................................................................50 5.10 SLA aware Adaptive DBA....................................................................52 5.11 Kết luận chương ....................................................................................53 CHƯƠNG6 ..........................................................................................................54 GIAO DIỆN CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ TÍNH TOÁN..54 6.1 Giới thiệu chương..................................................................................54 6.2 Giao diện chính của chương trình mô phỏng.......................................54 6.3 Giao diện thể hiện mô phỏng quá trình truyền dữ liệu từ OLT đến các ONU (hướng xuống) ........................................................................................55 6.4 Giao diện mô phỏng quá trình truyền dữ liệu từ các ONU đến OLT (hướng lên) .......................................................................................................56 6.5 Cấp phát băng thông truyền tải theo tỷ lệ lượng bytes có trong hàng đợi cho từng ONU ............................................................................................56 6.6 Tỷ lệ cấp phát băng thông cho các ONU ..............................................58 6.7 Thuật toán phân bổ băng thông theo tỷ lệ bytes có trong hàng đợi dựa trên tính ưu tiên của dịch vụ ...........................................................................58 6.8 Thuật toán tính toán trễ trong mạng truy nhập quang – EPON .......63 6.9 Kết luận chương ....................................................................................65 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ...............................II TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................... III PHỤ LỤC ............................................................................................... V 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  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 Chương 1: Hiện trạng mạng VT Việt Nam và xu hướng phát triển mạng truy nhập trên TG 1 CHƯƠNG1 HIỆN TRẠNG MẠNG VIỄN THÔNG VIỆT NAM VÀ XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN MẠNG TRUY NHẬP CỦA THẾ GIỚI 1.1Giới 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. 1.2Hiện 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). 1.2.1 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. 1.2.2 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 Chương 1: Hiện trạng mạng VT Việt Nam và xu hướng phát triển mạng truy nhập trên TG 2 Digital Hierachy) 140Mb/s (có cấu hình 2+1), ngoài ra còn có tuyến cáp quang dọc đường Trường Sơn.  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. 1.2.3Truyền dẫn nội tỉnh  Các tuyến vi ba số PDH.  Các tuyến cáp quang nội tỉnh.  Mạng truy nhập thuê bao sử dụng cáp đồng. 1.3 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 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 Chương 1: Hiện trạng mạng VT Việt Nam và xu hướng phát triển mạng truy nhập trên TG 3 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.