Giới Thiệu Tổng Quan Về Công Nghệ Mạng

Những dịch vụ mới đang sử dụng những công nghệ hiện tại chủ yếu nh : mạng số đa dịch vụ tích hợp ISDN, chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói, chuyển mạch bản tin, công nghệ ATM, Chuyển mạch

Ch ơng 1: Giới thiệu tổng quan về công nghệ mạng

1.1 Một số vấn đề trong xu h ớng phát triển mạng

Mong muốn của rất nhiều khách h ng l đ ợc triển khai các dịch vụ mới của mạng trong khoảng thời gian ngắn nhất Những nh cung cấp dịch vụ viễn thông mới không có đủ thời gian cần thiết để xây dựng cơ sở hạ tầng mới, v nh vậy, sự kết hợp cơ sở hạ tầng mới v cũ l một giải pháp đầu tiên đ ợc đ a ra Kết hợp cơ sở hạ tầng để truyền tín hiệu trên nhiều ph ơng tiện nh cáp đồng, cáp quang v vô tuyến cho đến nay vẫn l một giải pháp tốt

Những dịch vụ mới đang sử dụng những công nghệ hiện tại chủ yếu nh : mạng

số đa dịch vụ tích hợp ISDN, chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói, chuyển mạch bản tin, công nghệ ATM, Chuyển mạch khung, Ethenet nhanh, Token ring, các dịch

vụ số liệu phân tán dựa trên cáp quang FDDI ( Fiber Distributed Data Interface) Ngo i ra, các công nghệ mới cũng đang đ ợc sử dụng hiện nay nh công nghệ không dây, dịch vụ số liệu multi-megabit SMDS, SONET/SDH, xDSL v B-ISDN Mỗi công nghệ đ ợc đề cập ở trên đây đều có những giải pháp v những hệ thống hỗ trợ trên chính hệ thống v sự tăng tr ởng những phần tử mạng sẽ tăng sự phức tạp của công tác quản lý Những công nghệ nh SONET/SDH, ATM v công nghệ không dây kỹ thuật số có độ phức tạp cao, chúng kéo theo sự phụ thuộc lẫn nhau giữa các phần tử của các mạng khác nhau ở mức cao, đồng thời tạo ra vấn đề khó khăn trong quá trình sử dụng dịch vụ v ph ơng pháp ly lỗi, đó l một thách thức thực tế, đặc biệt khi số những nh cung cấp dịch vụ tăng lên cùng với các công nghệ ứng dụng khác nhau

Trong kiến trúc mạng thế hệ kế tiếp NGN ( Next Generation Network) các hệ thống hỗ trợ phải có khả năng thích nghi với các điều kiện trên mạng Hiện nay

đang tồn tại các tiêu chuẩn công nghệ cho các hệ thống hỗ trợ quản lý vận h nh nh: Mạng quản lý viễn thông TMN (Telecommunication Management Network), mô hình đối t ợng truyền thông phân tán DCOM (Distributed COMmunication), kiến trúc CORBA (Common Object Request Brocker Architecture) , Kiến trúc TINA (Telecommunications Information Networking Architecture) v quản lý xí nghiệp trên Web,v v

Công nghệ tiên tiến đang tiến tới sự hội tụ truyền thông Những khách h ng

ng y nay đòi hỏi nhiều loại hình dịch vụ (thoại, dữ liệu / Internet, Video, các truy nhập không dây,v v.) từ cùng một nh cung cấp dịch vụ Sự hội tụ truyền thông yêu cầu sự triển khai các công nghệ tiên tiến nh các hệ thống khách/chủ hoặc trên nền web, sẽ cho phép cung cấp tới những khách h ng các dịch vụ giá trị cao, thông qua

việc cung cấp những sản phẩm v những dịch vụ có tính chất đổi mới, dịch vụ khách

h ng v tùy biến tốt hơn

1.2 Mô hình kết nối hệ thống mở OSI

Trong khoảng giữa những năm 70, công nghiệp máy tính bắt đầu phát triển rất mạnh, v nhu cầu kết nối thông tin qua mạng tăng lên rất nhanh Các hệ thống máy tính cần trao đổi thông tin qua rất nhiều hình thái khác nhau của mạng Hệ thống mở

ra đời nhằm tạo ra các tiêu chuẩn hoá cho tất cả các đấu nối gọi l mô hình kết nối

hệ thống mở OSI

Mục tiêu của mô hình OSI (Open System Interconnection) l để đảm bảo rằng bất kỳ một xử lý ứng dụng n o đều không ảnh h ởng tới trạng thái nguyên thuỷ của dịch vụ, hoặc các các xử lý ứng dụng có thể giao tiếp trực tiếp với các hệ thống máy tính khác trên cùng lớp (nếu các hệ thống cùng đ ợc hỗ trợ theo tiêu chuẩn của mô hình OSI) Mô hình OSI cung cấp một khung l m việc tiêu chuẩn cho các hệ thống Cấu trúc phân lớp đ ợc sử dụng trong mô hình v có 7 lớp, có thể phân loại th nh 2vùng chính

• Lớp thấp cung cấp các dịch vụ đầu cuối - tới - đầu cuối đáp ứng ph ơng tiện truyền số liệu (các chức năng h ớng về phía mạng)

• Lớp cao cung cấp các dịch vụ ứng dụng đáp ứng truyền thông tin (các chức năng

h ớng về ng ời sử dụng)

Lớp vật lý Giao tiếp cơ, điện tới

ph ơng tiện truyền thông

Card giao tiếp mạng

Sử dụng khung, gói, tế b o

Lớp mạng Truyền số liệu qua

mạng

Các giao thức:

IP,IPX

Sử dụng tiêu đề (datagram)

Lớp truyền tải Độ tin cậy v ghép các

số liệu truyền qua mạng

Các giao thức:

TCP, UDP

Sử dụng các segments

Lớp phiên Quản lý các dịch vụ v

điều khiển luồng số liệu

Các giao thức:

SIP, RTCP

Sử dụng các cuộc gọi thủ tục từ xa

Sử dụng kỹ thuật thay đổi số liệu nén, v giải nén

Lớp ứng dụng Quản lý truyền thông

giữa các ứng dụng

Các giao thức:

Telnet, FTP

Sử dụng các bản tin

Bảng 1.1: Mô hình phân lớp OSI

Mô hình OSI có thể chia th.nh ba môi tr0ờng điều h.nh:

Môi tr0ờng mạng: liên quan tới các giao thức, trao đổi các bản tin v các tiêu

chuẩn liên quan tới các kiểu mạng truyền thông số liệu khác nhau

Môi tr0ờng OSI: Cho phép thêm v o các giao thức h ớng ứng dụng v các

tiêu chuẩn cho phép các hệ thống kết cuối trao đổi thông tin tới hệ thống khác theo h ớng mở

Môi tr0ờng hệ thống thực: xây dựng trên mô hình OSI v liên quan tới đặc

tính dịch vụ v phần mềm của ng ời sản xuất, nó đ ợc phát triển để thực hiện

nhiệm vụ xử lý thông tin phân tán trong thực tế

Những môi tr0ờng n.y cung cấp những đặc tính sau :

o Giao tiếp giữa các lớp

o Chức năng của các lớp, giao thức định nghĩa tập hợp của những quy tắc vnhững quy ớc sử dụng bởi lớp để giao tiếp với một lớp t ơng đ ơng

t ơng tự trong hệ thống từ xa khác

o Mỗi lớp cung cấp một tập định nghĩa của những dịch vụ tới lớp kế cận

o Một thực thể chuyển thông tin phải đi qua từng lớp

1.3 Các kỹ thuật chuyển mạch cơ bản nhìn từ khía cạnh dịch vụ

Khi xét tới các kỹ thuật chuyển mạch cơ bản đ ợc sử dụng trong các hệ thống viễn thông chúng ta chúng ta có thể tiếp cận từ khía cạnh dịch vụ m hệ thống chuyển mạch cung cấp Trên h ớng tiếp cận t ơng đối đơn giản, các dịch vụ n y

đ ợc chia th nh dịch vụ thoại v dịch vụ phi thoại, trong đó đại diện cho dịch vụ phi thoại l dịch vụ số liệu Chúng ta hiểu rằng, số hoá v gói hoá thoại l hai vấn đề

ho n to n khác nhau, trong mạng chuyển mạch điện thoại công cộng PSTN hiện nay tín hiệu thoại đv đ ợc số hoá, v kỹ thuật chuyển mạch truyền thống đ ợc áp dụng

l kỹ thuật chuyển mạch kênh Dữ liệu thoại chỉ đ ợc gọi l đv gói hoá nếu những gói n y đ ợc chyển tải trên mạng chuyển mạch gói Chuyển đổi mạng thoại từ chuyển mạch kênh sang chuyển mạch gói l vấn đề hết sức khó khăn Trong mục

n y chúng ta sẽ xem xét những vấn đề kỹ thuật cơ bản đ ợc ứng dụng trong hệ thống chuyển mạch: kỹ thuật chuyển mạch kênh v kỹ thuật chuyển mạch gói

Mạng điện thoại công cộng (PSTN) đ ợc phát triển trên mạng chuyển mạch kênh để cung cấp các dịch vụ thoại truyền thống Các mạng dữ liệu nh các mạng LAN, mạng Internet l mạng chuyển mạch gói rất thích hợp để trao đổi dữ liệu Trong Bảng 1.3 ta thấy sự khác biệt giữa các dịch vụ thoại (chuyển mạch kênh) v

dịch vụ dữ liệu (chuyển mạch gói)

Đặc điểm Dịch vụ thoại Dịch vụ dữ liệu

Nhạy cảm với lỗi đ m thoại lại nếu có lỗi không cho phép lỗi

Phát lại thông tin không thể thực hiện đ ợc thực hiện dễ d ng

Độ trễ thấp v ổn định lớn hơn v có thể thay đổi

Kiểu kết nối h ớng kết nối có thể l phi kết nối

Bảng 1.2: Một số so sánh dịch vụ thoại v dữ liệu

Các dịch vụ thoại trong mạng PSTN hiện nay sử dụng kỹ thuật điều chế PCM

(Pulse Code Mudulation) v chiếm băng thông 64kb/s Nếu chúng ta có thể cung

cấp băng thông lớn hơn cho mỗi cuộc gọi thì chất l ợng cuộc gọi thoại cũng không

vì thế m tốt hơn Trái lại, đối với các dịch vụ dữ liệu băng thông rất quan trọng

Một số ứng dụng đòi hỏi băng thông tới 1Gb/s hoặc cao hơn Sự thay đổi về băng

thông th ờng đ ợc gọi l bùng nổ băng thông Trong khi dịch vụ thoại đ ợc cung

cấp bởi kỹ thuật chuyển mạch kênh luôn đòi hỏi băng thông không đổi, ng ợc lại

các dịch vụ dữ liệu có thể có nhu cầu về băng thông thay đổi tới h ng trăm, thậm chí

h ng ng n lần

Độ trễ l tham số rất quan trọng để đánh giá chất l ợng mạng điện thoại Các

cuộc gọi thoại đòi hỏi thời gian trễ thấp v ổn định Nhiều mạng dữ liệu cũng có yêu

cầu độ trễ t ơng đối thấp, tuy nhiên không đòi hỏi sự ổn định Chẳng hạn trong khi

truyền tệp việc các gói tin của đầu hay cuối tệp đến tr ớc không có ý nghĩa gì Để

đảm bảo độ trễ thấp v ổn định mạng PSTN đ ợc thiết kế l mạng định tuyến theo

h ớng kết nối Một số mạng dữ liệu cũng l mạng h ớng kết nối, tuy nhiên một khi

yêu cầu về độ trễ không quá ngặt nghèo thì mạng dữ liệu th ờng đ ợc xây dựng

theo mô hình phi kết nối

Vì những khác biệt giữa các dịch vụ thoại v dịch vụ dữ liệu nên việc xây dựng

mạng riêng biệt để cung cấp các dịch vụ trên l dễ d ng hơn rất nhiều so với việc

xây dựng một mạng có thể cung cấp đ ợc tất cả các dịch vụ Trong các mô hình

mạng tích hợp cho phép sử dụng cùng một cơ sở hạ tầng để cung cấp dịch vụ thoại

v dữ liệu, thì h ớng công nghệ ATM l một h ớng cho phép xây dựng các kiến trúc

mạng tích hợp mạng thoại v dữ liệu Nếu xét về khả năng t ơng thích trong quá

trình chuyển đổi thì giải pháp nâng cấp các tổng đ i PSTN để hỗ trợ chuyển mạch

gói hoặc phát triển mạng dữ liệu để hỗ trợ dịch vụ thoại có vẻ l giải pháp hiệu quả hơn so với phát triển kiến trúc mới ho n to n nh mạng ATM chẳng hạn, tuy nhiên,

h ớng tiếp cận n y cũng gặp không ít khó khăn vì các hệ thống chuyển mạch truyền thống khi đ ợc thiết kế th ờng bị giới hạn bởi khả năng công nghệ áp dụng

• Các bộ lặp đ ợc coi l thiết bị lớp 1 trong mô hình OSI, chúng không phải biên dịch th nh phần dữ liệu v không có khả năng kiểm tra địa chỉ trong tiêu

đề giao thức Chúng tiếp nhận dữ liệu d ới dạng tín hiệu (điện, quang) v tái sinh tín hiệu dựa trên thuật toán

• Cầu nối sử dụng để kết nối hai phân đoạn mạng với nhau v thuộc chức năng lớp 2 Cầu nối không có chức năng kiểm tra địa chỉ lớp 3, vì vậy cầu không

đ ợc sử dụng trong mạng WAN

• Bộ định tuyến đ ợc sử dụng để kết nối nhiều mạng với nhau v l thiết bị lớp

3 Các bộ định tuyến hỗ trợ rất nhiều giao thức liên quan tới các công nghệ mạng khác nhau, chúng ho n to n t ơng thích với môi tr ờng mạng WAN

• Điều khiển truy nhập ph0ơng tiện (MAC)

Lớp gần với lớp vật lý nhất l lớp MAC, lớp n y ghép các dữ liệu th nh khung Ethernet từ dữ liệu lớp trên (LLC) v gửi các dữ liệu trên đ ờng truyền vật lý Khi một nút nhận đ ợc dữ liệu, lớp con MAC đọc địa chỉ từ tiêu đề giao thức vxác định xem dữ liệu có thuộc về nút đó hay không? Nếu đúng thì MAC loại bỏ tiêu đề chuyển gói tới lớp con kế tiếp (LLC)

MAC thực hiện phát hiện v sửa lỗi mức 2, bằng cách thêm v o tiêu đề thứ tự của khung truyền (FCS), tuy nhiên, MAC vẫn sử dụng một thuật toán đề kiểm tra dữ liệu nhận đ ợc từ LLC, thuật toán n y đ ợc sử dụng tại các nút để phát hiện lỗi qua giá trị tính toán Ph ơng thức yêu cầu truyền lại cũng khác nhau theo từng giao thức Một khung có thể bị loại bỏ vì chiều d u của khung v ợt quá tiêu chuẩn cho phép

Địa chỉ trong lớp MAC gồm có hai loại: Địa chỉ máy nguồn v địa chỉ máy đích gửi khung ethernet, chúng gồm 6 byte v đ ợc mv hoá trong NIC, có thể độc lập với các giao thức địa chỉ lớp cao nh TCP/IP chẳng hạn

• Điều khiển liên kết logic (LLC)

Có ba loại dịch vụ đ ợc cung cấp trong tiêu chuẩn IEEE 802.3 : dịch vụ phi kết nối không phản hồi, dịch vụ kết nối có h ớng, đ ợc phi kết nối phản hồi Chuẩn IEEE 802.3 khác với chuẩn Ethernet 2.0 ở chỗ ethernet 2.0 chỉ cung cấp dịch vụ phi kết nối không phản hồi v kết hợp LLC v MAC th nh một lớp đơn, đó ldịch vụ có độ tin cậy thấp nhất

LLC sử dụng dịch vụ kết nối không phản hồi để trao đổi thông tin nhận dạng với các nút thông qua bản tin cơ sở, trong đó các thông tin không đánh số thứ tự truyền trong khung dữ liệu Cơ chế kiểm tra vòng (loopback) cũng đ ợc coi nhthuộc về dịch vụ kết nối không phản hồi

Dịch vụ kết nối có h ớng thoả hiệp một phiên liên lạc với nút đích tr ớc khi truyền dữ liệu, phiên liên lạc ho n to n mang tính logic v không có sự hiện diện của các kết nối vật lý giữa các nút Trong giao thức n y, mỗi khi nút đích nhận

đ ợc dữ liệu thì phía phát tin sẽ nhận đ ợc phản hồi đề đảm b o phiên liên lạc đó

th nh công Số thứ tự đ ợc sử dụng đề ngăn chặn lỗi trong dữ liệu truyền vì lý do không đúng thứ tự v sử dụng để yêu cầu phát lại Cơ chế điều khiển luồng đ ợc

sử dụng để dừng luồng dữ liệu khi máy thu không sẵn s ng hoặc chiều d i các khung v ợt quá tiêu chuẩn cho phép, nó cho phép cắt kết nối qua khung không

đánh số để giải phóng kết nối logic

Dịch vụ phi kết nối phản hồi cho phép máy thu phản hồi lại thông tin tới máy gửi theo từng khung truyền, nếu không có sự phản hồi, phía nguồn sẽ coi nh gói tin

đó bị mất v tiến h nh truyền lại, điều n y l m tăng l u l ợng trên mạng nh ng

đối với một số dịch vụ thì dịch vụ n y tỏ ra khá hữu hiệu ( ví dụ dịch vụ Email)

1.4.4 Token Ring

Token ring đ ợc đề xuất lần đầu tiên v o năm 1969 bởi IBM, tại thời điểm ethernet chỉ hỗ trợ tốc độ truyền 10Mb/s thì token ring hỗ trợ tốc độ 16 Mb/s (chuẩn IEEE 802.5) Sự khác biệt cơ bản của token ring v ethernet l cấu hình, token ring sử dụng cấu hình vòng trong khi ethernet sử dụng cấu hình bus Để giải quyết xung đột dữ liệu, token ring sử dụng các khung nhỏ (token) để truyền dữ liệu trên mạng, một nút không thể truyền nếu nó không bắt đ ợc token, sau khi truyền token sẽ đ ợc giải phóng cho các nút khác Chính vì vậy, trễ l một vấn đề cố hữu trong mạng token ring vì khung dữ liệu phải đi qua tất các các nút Giống nh Ethernet, token ring cũng chia th nh hai lớp con: MAC v LLC Do các giao thức mạng LAN có xu

h ớng phụ thuộc v o cấu hình nên hiển nhiên có sự khác biệt giữa các lớp MAC/LLC của token ring v ethernet Một số cơ chế u tiên đ ợc áp dụng để xác

định nút n o sẽ đ ợc nhận token, trong quá trình truyền nếu xuất hiện lỗi thì nút

đích sẽ không sao chép khung dữ liệu v o bộ nhớ v yêu cầu truyền lại Các bộ định thời sẽ ngăn chặn khả năng một nút n o đó liên tục chiếm giữ token (hogging), nó sẽ truyền liên tục v không giải phóng token Điều khiển token ring thuờng thông qua một trạm giám sát, v có thể đặt tại một nút bất kỳ trong mạch vòng, cơ chế n y

ho n to n tự động v thoả hiệp giữa các nút trong mạch vòng

1.4.5 FDDI

FDDI đ ợc phát triển bởi IEEE v đ ợc công nhận nh một chuẩn của ANSI thông qua uỷ ban X3T9.5 ( giới thiệu lần đầu tiên v o năm 1992) FDDI t ơng tự nhtoken ring vì nó cũng sử dụng một token để xác định mạng rỗi v chống tranh chấp FDDI khác với token ring ơ cách xử lý token, FDDI sử dụng một token định thời cho phép nút chiếm tken truyền trong một khoảng thời gian định tr ớc v sau đó phải trao quyền điều khiển cho nút khác FDDI sử dụng cấu hình mạng vòng kép

cho phép dữ liệu truyền theo hai h ớng, nếu một liên kết vòng bị gẫy, dữ liệu sẽ chuyển theo đ ờng ng ợc lại hình th nh nên một mạch vòng đơn

Trong FDDI token đ ợc giải phóng ngay sau khi truyền dữ liệu, nút phát không phải đợi khung dữ liệu đi hết một vòng v quay về, điều n y có nghĩa l nhiều nút có thể truyền đồng thời trên mạng nếu nh chúng nhận đ ợc token FDDI sử dụng chức năng quản lý mạch vòng phân tán, mỗi nút chịu trách nhiệm liên lạc với nút kế bên, các thông tin trạng thái đ ợc trao đổiliên tục với nút kế bên, cho phép một nút bất kỳ khởi tạo lại vòng, cách ly lỗi v phục hồi các lỗi trong mạch vòng

Chuẩn FDDI định nghĩa các lớp con t ơng đ ơng với lớp 1 trong mô hình OSI, lớp phụ thuộc ph ơng tiện vật lý PMD ( physical Media Dependent) l lớp thấp nhất, nó xác định tất cả các thiết bị phần cứng v các hoạt động giao tiếp phần mềm gồm việc truyền dữ liệu trên cáp quang, các dịch vụ cho lớp cao, các bộ kết nối dạng sóng của tín hiệu v yêu cầu mv hoá Lớp vật lý (PHY) nằm ngay phía trên PMD, PHY cung cấp các ph ơng pháp m hoá v giải mv dữ liệu tr ớc khi truyền trên sợi quang, nó chịu trách nhiệm về việc truyền v nhận dữ liệu, điều chỉnh tốc độ v

đồng bộ, trạng thái đ ờng dây khác nhau v hỗ trợ các dịch vụ lớp cao hơn Lớp MAC xác định loại khung đ ợc gửi, định nghĩa khuôn dạng v kích th ớc khung Khi mạng rỗi, các bản tin quản lý đ ợc truyền để duy trì tính to n vẹn của mạng, nó gồm các bản tin trạng thái đ ợc gửi đi giữa các nút, định thời trong mạng vòng, cách

ly lỗi v loại bỏ khung dữ liệu không hợp lệ FDDI l sự lựa chọn cho mạng đa dịch

vụ băng rộng của các mạng lớn, nó tạo ra đ ờng trục chất l ợng tốt cho nhiều mạng

để hình th nh mạng diện rộng dựa trên công nghệ cáp quang

1.4.6 Kết nối LAN qua WAN

Các mạng LAN tồn tại trong phạm vi nhỏ, v các mạng WAN sẽ l mạng diện rộng Tuy nhiên, rất khó vạch ra một biên giới rõ r ng về LAN v WAN dù chỉ theo

ph ơng diện địa lý Nếu một mạng kết nối với mạng LAN khác v giao thức sử dụng

địa chỉ mạng chứ không đơn thuần l địa chỉ máy thì đó có thể coi l mạng WAN WAN kết nối các mạng LAN thông qua thiết bị lớp 3- bộ định tuyến, các bộ định tuyến không sử dụng địa chỉ máy có trong tiêu đề giao thức LAN m chỉ dựa v o địa chỉ mạng

Giao thức chuyển mạch gói X.25 v X.75 l các giao thức mở đầu cho phép truyền gói tin trên mạng kết nối định h ớng Tuy nhiên, công nghệ FR ( frame relay) đ ợc

đ a ra để thay thế v có những u điểm hơn hẳn về độ chiếm dùng của thông tin

điều khiển FR l một giao thức lớp 2, nó đóng gói dữ liệu bao gồm cả tiêu đề giao thức của các mạng khác th nh một khung v gửi chúng đến đích trong mạng FR FR không cung cấp bất kỳ một ph ơng pháp phát hiện v sửa lỗi n o trên lớp 3, mạng

FR chỉ sử dụng một ph ơng pháp đơn giản trong kỹ thuật điều khiển luồng để ngăn ngừa sự tắc nghẽn, đó l các thủ tục rất đơn giản

ATM cũng đ ợc đặt ra l công nghệ nền cho mạng diện rộng, với các u điểm của công nghệ truyền tải không đồng bộ, cho phép đóng gói dữ liệu th nh các tế b o v o

đ ợc nhận dạng qua tr ờng VPI/VCI để thực hiện chuyển mạch tới thiết bị đích của mạng ATM ATM đ ợc đề xuất cho mô hình mạng đa dịch vụ tích hợp băng thông lớn (B-ISDN) cho phép tích hợp dịch vụ v các giao thức lớp trên chạy trên nền tảng của nó Các giao thức phổ biến nh TCP/IP ho n to n có thể hoạt động tốt trên môi

tr ờng mạng ATM v đó cũng l mục tiêu của cuốn t i liệu n y, phần chi tiết sẽ

đ ợc trình b y trong các ch ơng tiếp theo Trong phần n y chúng ta sẽ cùng nhau xem xét kiến trúc cơ bản v xu h ớng phát triển trong lĩnh vực thiết kế bộ định tuyến truyền thống kết nối các mạng LAN thông qua WAN

a Kiến trúc của các bộ định tuyến truyền thống

Sự phổ biến của internet đv khiến cho l u l ợng trên mạng tăng lên nhanh chóng trong những năm gần đây Để duy trì sự tăng tr ởng các nh cung cấp dịch vụ liên tục đ a ra các dịch vụ mới đa dạng trên nền đa ph ơng tiện, các dịch vụ đv tạo ra sức ép với hạ tầng mạng nhất l với các bộ định tuyến Các bộ định tuyến truyền thống hoạt động chủ yếu trên phần mềm, khả năng của bộ định tuyến th ờng bị giới hạn bởi khả năng xử lý mv để đạt đ ợc tốc độ định tuyến nhanh, cần có một bộ xử

lý tốc độ cao v dung l ợng bộ nhớ lớn, điều đó đồng nghĩa với giá th nh cao Các mạch tích hợp ứng dụng đặc biệt ASIC cùng với các công nghệ bộ nhớ đv đ ợc triển khai nhằm cải thiện hiệu năng của các bộ định tuyến Mặt khác, các giải pháp công nghệ mới cũng đ ợc đề xuất v ứng dụng

Tr ớc hết chúng ta tìm hiểu các chức năng cơ bản của bộ định tuyến IP Bộ định tuyến l thiết bị lớp 3 trong mô hình OSI Nó đảm nhiệm 2 chức năng cơ bản ( định tuyến v chuyển tiếp gói tin) Quá trình định tuyến tập hợp các thông tin về cấu trúc mạng v tạo ra một bảng định tuyến Trên cơ sở đó quá trình chuyển gói thực hiện chuyển tiếp các gói tin từ cổng đầu v o tới cổng đầu ra của bộ định tuyến Mô hình

bộ định tuyến điển hình đ ợc chỉ ra trên hình (21) sau đây gồm có 4 khối chức năng cơ bản: phần mềm định tuyến, khối xử lý gói, ma trận chuyển mạch v card đ ờng truyền

Bộ xử lý chính thực thi phần mềm định tuyến, phần mềm n y thực hiện các chức năng định tuyến v duy trì các thông tin của mạng thông qua các giao thức định tuyến, các thông tin đ ợc l u trữ tại bảng định tuyến v các dữ liệu đ ợc cập nhật

th ờng xuyên tuỳ thuộc v o cấu hình mạng Ma trận chuyển mạch thực hiện quá trình chuyển tiếp gói tin từ đầu v o tới đầu ra bộ định tuyến, nó l th nh phần cốt lõi

của ph ơng tiện chuyển gói Bộ xử lý chuyển gói th ờng l một ASIC đ ợc tối u đểthực hiện nhiệm vụ xử lý gói với tốc độ cao nhất, trong bộ xử lý chuyển gói chứa vduy trì một bảng dữ liệu d nh cho nhiệm vụ chuyển gói, bảng n y nhận các thông tin cơ bản từ bảng định tuyến v thực hiện các tác vụ nh : đọc địa chỉ đích, tra cứu tuyến, tìm tiền tố phù hợp v chuyển gói tới đầu ra t ơng ứng.

b, Sự phát triển cấu trúc của các bộ định tuyến

Đv có rất nhiều cấu trúc đ ợc ứng dụng cho các bộ định tuyến, các cấu trúc đ ợc lựa chọn để đ a v o khai thác dựa trên rất nhiều yếu tố gồm giá th nh, dung l ợng, chất

l ợng yêu cầu v công nghệ hiện thời

Thế hệ thứ nhất của bộ định tuyến t ơng đối đơn giản nếu chúng ta nhìn nhận từ

ph ơng diện cấu trúc (xem trên hình 1.1)

MAC

Card

đ ờng dây DMA

MAC

Card

đ ờng dây DMA

Hình 1.1: Kiến trúc bộ định tuyến thế hệ đầu tiên

Bộ định tuyến sử dụng bus truyền thống gồm một bộ xử lý tập trung đa chức năng,

bộ đệm tập trung v một BUS chung chia sẻ dữ liệu cho các card đ ờng truyền đầu

v o v đầu ra Bộ định tuyến nhận các gói tin tại giao diện v gửi các gói tin n y tới

bộ xử lý trung tâm (CPU) CPU có nhiệm vụ xác định chặng đến tiếp theo của gói tin v gửi chúng tới giao diện đầu ra t ơng ứng Các gói tin đi v o bộ định tuyến phải đ ợc truyền trên cùng một bus để lập lịch trình tới đầu ra v th ờng đ ợc l u

đệm tại một bộ nhớ dữ liệu tập trung Các card giao tiếp đ ờng truyền l các thiết bị không chứa khả năng xử lý gói Nh ợc điểm cơ bản của mô hình kiến trúc n y l dữliệu phải đi hai lần qua bus sau khi v o bộ định tuyến v bus chỉ có thể đ ợc sử dụng cho một card đ ờng truyền tại một thời điểm Một nh ợc điểm khác nữa l hệ thống

xử lý của bộ định tuyến, với chức năng đa xử lý, CPU sẽ phải thực hiện rất nhiều công việc gồm cả chức năng định tuyến lẫn chuyển gói, nó tạo ra một tải trọng lớn cho các bộ xử lý đồng thời tạo ra hiện t ợng nghẽn cổ chai tại bộ định tuyến

Hiệu năng của bộ định tuyến thế hệ đầu tiên phụ thuộc rất lớn v o tốc độ bus vnăng lực xử lý của bộ xử lý trung tâm Kiến trúc n y không thể đáp ứng đ ợc nhucầu l u l ợng ng y c ng tăng của các giao diện mạng với tốc độ lên tới nhiều gigabit

Thiết kế cơ bản của bộ định tuyến thế hệ thứ hai đ ợc chỉ ra trên hình 1.2 sau đây

Bộ định tuyến đ ợc bổ sung các bộ xử lý ASIC v một v i bộ nhớ trong card đ ờngtruyền nhằm phân tán hoạt động chuyển gói, giảm l u l ợng tải trên bus dùng chung Những th nh phần bổ sung n y có thể thực hiện tìm kiếm trong tiêu đề gói tin các thông tin v thực hiện l u đệm gói tin đến khi bus rỗi, có nghĩa l kiến trúc

n y cho phép xử lý gói tin ngay tại các giao diện

Hình 1.2: Kiến trúc bộ định tuyến thế hệ thứ hai

Trong kiến trúc n y, bộ định tuyến giữ một bảng định tuyến trung tâm v các bộ xử

lý vệ tinh tại các giao diện mạng Nếu một tuyến nối không có sẵn trong bảng l u

đệm thì giao diện sẽ yêu cầu tới bảng biên dịch tại trung tâm, nh vậy, tại tốc độ cao các bộ xử lý trung tâm vẫn xảy ra hiện t ợng tắc nghẽn vì có quá nhiều yêu cầu cần

xử lý tại các giao diện mạng v thời gian xử lý chậm hơn rất nhiều nếu nh dữ liệu

n y đv đ ợc cache tại card đ ờng dây

Một hạn chế chính của kiến trúc n y l l u l ợng phụ thuộc rất lớn v o khả năng xử

lý của CPU v năng lực của BUS, tuy nhiên chúng ta có thể thấy rõ biện pháp cải thiện hiệu năng hệ thống qua việc tăng c ờng tính năng cho các giao diện, bằng cách sử dụng bộ nhớ lớn hơn với các bảng định tuyến có kích th ớc tăng lên Một giải pháp khác nhằm phân tán v giảm tốc độ truyền bằng các khối chuyển gói song song, nh vậy cấu trúc n y tận dụng đ ợc băng thông của BUS sử dụng chung Tuy nhiên, các bộ định tuyến thế hệ 2 chỉ tồn tại trong một khoảng thời gian ngắn vì

không hỗ trợ đ ợc yêu cầu thông l ợng lại mạng lõi, cấu trúc sử dụng bus l m

ph ơng tiện truyền đv bộc lộ điểm yếu rõ rệt v rất khó thiết kế tại tốc độ cao

Để giải quyết vấn đề tắc nghẽn của các bộ định tuyến thế hệ 2, thế hệ bộ định tuyến thứ 3 đ ợc thiết kế với mục tiêu thay thế bus sử dụng chung bằng tr ờng chuyển mạch Các thiết kế cho bộ định tuyến thế hệ 3 nhằm giải quyết 3 vấn đề tiềm t ng

tr ớc đây: năng lực xử lý, kích th ớc bộ nhớ, v băng thông của bus Cả 3 vấn đề

n y đều có thể tránh đ ợc bằng cách sử dụng một kiến trúc với nền tảng l ma trận chuyển mạch v các giao diện đ ợc thiết kế hợp lý Một b ớc tiến quan trọng trong việc xây dựng các bộ định tuyến hiệu năng cao l tăng c ờng xử lý cho từng giao diện mạng để giảm thiểu khối l ợng xử lý v nguồn t i nguyên bộ nhớ của bộ định tuyến Các bộ xử lý đa năng v các mạch tích hợp đặc biệt ho n to n có thể giải quyết vấn đề n y Tuy nhiên, khả năng xử lý tổng thể cho các gói tin qua hệ thống

nh thế n o còn phụ thuộc v o khả năng tìm v chọn tuyến, cũng nh kiến trúc đ ợclựa chọn, trong phần sau chúng ta sẽ xem xét chi tiết hơn Để kết thúc phần n y,chúng ta xem xét một sơ đồ chức năng của bộ định tuyến thế hệ 3 d ới góc độ tổng quan nhất (Hình 1.3 )

Bộ xử lý(CPU)

Giao tiếpmạng

Giao tiếpmạng

Tr ờng chuyển mạch

Giao diện ma trận chuyển mạch

Giao tiếp đa ph ơng tiện

đợi, các b i toán lập lịch v các ph ơng pháp tích hợp bộ định tuyến,v v Các vấn đề

đó v ợt quá phạm vi của cuốn t i liệu n y

1.5 Mạng thế hệ kế tiếp và các giao thức ứng dụng

1.5.1 Giới thiệu chung

NGN l thuật ngữ đ ợc sử dụng ng y c ng nhiều trong mạng viễn thông, nó th ờng

đ ợc sử dụng đặt tên cho sự thay đổi cơ sở hạ tầng cung cấp dịch vụ đang bắt đầu trong ng nh viễn thông v công nghệ thông tin (IT) Theo cách hiểu thông th ờng, thuật ngữ n y có thể không chính xác nh ng nó không phải đơn giản chỉ l thuật ngữ để mô tả sự phát triển PSTN/ISDN /GSM pha 2

Một trong các đặc tính chính của NGN l tách riêng các dịch vụ với các mạng, cho phép đ a chúng ra một cách riêng biệt v phát triển độc lập Do đó trong các cấu trúc NGN đ a ra có sự phân chia rõ r ng giữa các chức năng của dịch vụ v các chức năng truyền tải Một giao diện mở đ ợc cung cấp gi uv hai phía NGN cho phép cung cấp cả các dịch vụ đang tồn tại v các dịch vụ mới không phụ thuộc v omạng v kiểu truy nhập đ ợc sử dụng

NGN sẽ phải cung cấp các năng lực (cơ sở hạ tầng, các giao thức…) để có thể tạo ra, phát triển v quản lý tất cả các loại dịch vụ đv biết hoặc sẽ có Các dịch vụ trên có thể sử dụng tất cả các loại ph ơng tiện -media(audio, visual, audiovisual) với tất cả các hệ thống mv hoáv các dịch vụ dữ liệu, đ m thoại, hợp nhất-Unicast,

địa ph ơng- Multicast v quảng bá-Broadcast, nhắn tin, dịch vụ truyền dữ liệu đơn giản, có thời gian thực, các dịch vụ nhạy cảm với trễ hay chấp nhận trễ, các dịch vụ với các yêu cầu độ rộng băng thông khác nhau từ v i kbit/s tới h ng trăm Mbit/s có

đảm bảo hoặc không Trong mạng NGN các mạng n y tuỳ biến theo dịch vụ khách

h ng của các nh cung cấp dịch vụ ng y c ng quan trọng NGN sẽ bao gồm các API(giao diện ch ơng trình ứng dụng liên quan đến dịch vụ) để hỗ trợ việc tạo, cung cấp v quản lý các dịch vụ

Trong NGN các thực thể chức năng điều khiển hoạt động, các phiên, media, các t i nguyên, phân phát dịch vụ bảo mật, có thể đ ợc phân tán khắp cơ sở hạ tầng bao gồm cả các mạng đang tồn tại v mạng mới Khi chúng đ ợc phân bố tự nhiên, chúng thông tin qua các giao diện mở Các giao thức mới đang đ ợc chuẩn hoá để cung cấp việc thông tin giữa các thực thể chức năng Liên kết hoạt động giữa NGN

v các mạng đang tồn tại nh PSTN, ISDN, GSM bằng các gateway

NGN sẽ hỗ trợ các thiết bị cuối nhận biết NGN v các dịch vụ khác đang tồn tại Vì thế các dịch vụ kết nối đến NGN sẽ bao gồm các thiết bị thoại t ong tự, máy fax, các thiết bị ISDN, điện thoại di động tế b o, các thiết bị đầu cuối GPRS, đầu cuối SIP, thoại Ethernet qua PC,

Vấn đề cụ thể l việc chuyển các dịch vụ điện thoại tới cơ sở hạ tầng NGN, chất l ợng dịch vụ liên quan tới các dịch vụ thời gian thực(đảm bảo băng thông, độ

trễ, độ mất gói ) cũng nh vấn đề bảo mật NGN cần cung cấp cơ chế đối với các thông tin nhạy cảm khi đi qua cơ sở hạ tầng của nó để bảo vệ chống lại việc sử dụng gian lận các dịch vụ đ ợc cung cấp bởi các nh cung cấp dịch vụ v bảo vệ bản thân cơ sở hạ tầngcủa nó tr ớc sự tấn công từ bên ngo i, điều rất hay gặp đối với một mạng gói

1.5.2 Động lực phát triển

Động lực để hình th nh v phát triển mạng thế hệ sau NGN (Next Genration Network) l sự gia tăng đột biến các loại hình dịch vụ, những th nh tựu khoa học công nghệ về điện tử - tin học v sự đan xen chồng lấn của quá trình quản lý v khai thác mạng Các số liệu thống kê v các kết quả dự báo đv đ a ra sự phát triển đột biến của dịch vụ phi thoại, đặc biệt l các dịch vụ trên nền giao thức IP v các dịch

vụ n y sẽ chiếm một tỷ lệ áp đảo trong những thập niên tiếp theo[12] Trong lĩnh vực khoa học - công nghệ, những th nh tựu đạt đ ợc về điện tử - tin học nh mv hoá tốc độ thấp, tích hợp máy tính - truyền thông CTI, kỹ thuật xử lý phân tán đv tạo ra những tính năng mới v những ph ơng pháp tiếp cận mới trong công nghệ mạng Các công nghệ mạng đ ợc chia th nh 3 lĩnh vực, công nghệ truyền dẫn, công nghệ chuyển mạch v công nghệ truy nhập

Trong lĩnh vực công nghệ truyền dẫn, kỹ thuật quang mặc dù mới ra đời nh ng đvphát triển rất mạnh, hiện nay trên 60% l u l ợng thông tin truyền trên to n thế giới

đ ợc truyền trên mạng quang[14] Công nghệ truyền dẫn quang SDH cho phép tạo

ra các đ ờng truyền dẫn tốc độ cao (Gb/s) với khả năng vu hồi bảo vệ của các mạch vòng đv đ ợc sử dụng ở nhiều n ớc trong đó có Việt nam Cùng với đó l kỹ thuật ghép b ớc sóng quang WDM cho phép sử dụng độ rộng băng tần rất lớn của sợi quang bằng cách kết hợp một số các tín hiệu ghép kênh theo thời gian với độ d i các

b ớc sóng khác nhau v có thể sử dụng đ ợc các cửa sổ không gian, thời gian v độ

d i b ớc sóng Công nghệ WDM cho phép nâng tốc độ truyền dẫn lên 5Gb/s, 10Gb/s, 20Gb/s Công nghệ truyền dẫn vô tuyến cũng đang đ ợc phát triển rất mạnh trong một số năm gần đây, với sự phối hợp công nghệ truyền dẫn SDH trong lĩnh vực Viba, CDMA trong lĩnh vực thông tin di động, thông tin vệ tinh

Công nghệ chuyển mạch tr ớc đây v đang sử dụng phổ biến hiện nay rất khó để

đảm bảo đ ợc đa ph ơng tiện, đa dịch vụ băng rộng trong t ơng lai H ớng phát triển công nghệ ATM đ ợc đánh giá rất cao trong mô hình mạng thế hệ sau NGN Cùng với công nghệ ATM, hiện nay đv có các thử nghiệm về việc chế tạo các chuyển mạch quang v xu h ớng chuyển mạch quang sẽ phân loại theo nguyên lý: phân chia không gian, phân chia thời gian, phân chia theo tần số