Quản trị mạng IP luận văn ths công gnghệ thông tin 1 01 10 pdf

MỞ ĐẦU Công nghệ Mạng và Viễn thông trên thế giới nói chung, đặc biệt tại Việt Nam nói riêng đang chuẩn bị bước sang 1 giai đoạn phát triển hoàn toàn mới, với những bước đột phá mang tín

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Vũ Trường Giang

QUẢN TRỊ MẠNG IP

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Hà nội, 11/2006

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Thuật ngữ và kỹ hiệu viết tắt 3

MỞ ĐẦU 6 Chương 1 TỔNG QUAN MẠNG VIỄN THÔNG THẾ HỆ SAU 8

1.1 Mạng viễn thông hiện tại ở Việt Nam _8

1.1.1 Khái niệm mạng viễn thông _ 8 1.1.2 Đặc điểm 9

1.2 Mạng viễn thông thế hệ mới NGN (Next Generation Network) _11

1.2.1 Khái niệm[1] 11 1.2.2 Đặc điểm và động cơ phát triển mạng thế hệ mớ [1]i _ 12 1.2.3 Chiến lược tiến hóa[1] 15 1.2.4 Cấu trúc mạng NGN[1] 23 1.2.4.1 Mô hình phân lớp chức năng mạng NGN _ 24 1.2.4.2 Phân tích 25

2.3 Một số giao thức điều khiển 41

2.3.1 ICMP[2,3] 41 2.3.2 ARP[2,3] _ 42 2.3.3 RARP[2,3] _ 42

2.4 Giao thức TCP _43

2.4.1 Cấu trúc gói số liệu TCP[2,3] _ 43 2.4.2 Thiết lập và kết thúc kết nối TCP 44 2.4.2.1 Thiết lập kết nối[3] 44 2.4.2.2 Kết thúc kết nối[3] _ 45 2.4.3 Điều khiển lưu lượng và điều khiển tắc nghẽn 46 2.4.3.1 Cơ chế cửa sổ động[2,3] 46 2.4.3.2 Cơ chế phát lại thích nghi[3] _ 46 2.4.3.3 Cơ chế điều khiển tắc nghẽn số liệu _ 47

2.5 Giao thức UDP[2,3] _47 2.6 Giao thức kết nối điểm điểm PPP [2,3] _48

2.6.1 Thiết lập kết nối PPP[3] _ 49 2.6.2 Kiểm tra quyền truy nhập[3] 50 2.6.3 Cấu trúc gói số liệu[2,3] _ 51 2.6.4 Kiểm tra chất lượng đường kết nối[3] 51

Chương 3 GIAO THỨC SNMP _ 52

3.1 Giao thức quản lý mạng đơn giản SNMP _52

3.1.1 Lịch sử giao thức SNMP[4] 52 3.1.2 Vài nét về giao thức SNMP[4] 53 3.1.3 Các thành phần cơ bản của SNMP[4] _ 56 3.1.4 Các lệnh cơ bản[5] _ 57 3.1.5 Cơ sở thông tin quản lý của SNMP (MIB)[4] _ 59 3.1.6 Cấu trúc thông tin quản lý (SMI)[4] 62 3.1.6.1 Kiểu dữ liệu ASN.1 62 3.1.6.2 Kiểu dữ liệu đặc thù _ 62 3.1.6.3 Bảng SNMP MIB _ 63 Khuôn dạng gói tin SNMP[4] _ 65

3.2 Thiết kế và Xây dựng chương trình cho giao thức SNMP 67

3.2.1 Thiết kế Modul cho giao thức _ 67 3.2.1.1 Mô hình luồng dữ liệu 67 3.2.1.2 Lưu đồ hoạt động _ 67 3.2.1.3 Thiết kế lớp đối tượng[5] _ 70 3.2.1.4 Mô hình phát triển _ 73 3.2.2 Vận hành hệ thống _ 76

Chương 4 ỨNG DỤNG GIAO THỨC SNMP TRONG QUẢN TRỊ MẠNG 79

4.1 Ứng dụng trong mạng IP hiện tại _79 4.2 Xu thế quản trị trong mạng NGN[7] _87

4.2.1 Chất lượng dịch vụ của mạng thế hệ sau 87 4.2.2 Quản trị mạng trên cơ sở chính sách 87 4.2.3 Quản trị mạng theo chính sách đối với các thiết bị IP truyền thống 89 4.2.4 Thực thi phương thức _ 89 4.2.5 Mô hình thử nghiệm đối với hệ thống VoIP trong mạng thế hệ sau 91

KẾT LUẬN _ 92 Tài liệu tham khảo _ 93 Phụ lục 94

Thuật ngữ và kỹ hiệu viết tắt

THUẬT NGỮ, VIẾT TẮT MÔ TẢ Ý NGHĨA

có ph¸p trõu t-îng

MIB Management Information Base

Gateway Management Protocol

SMI Structure of Management Information

MỞ ĐẦU

Công nghệ Mạng và Viễn thông trên thế giới nói chung, đặc biệt tại Việt Nam nói riêng đang chuẩn bị bước sang 1 giai đoạn phát triển hoàn toàn mới, với những bước đột phá mang tính quyết định trong việc xây dựng kiến trúc và hạ tầng công nghệ nhằm cải tiến, hoàn thiện mô hình mạng viễn thông tổng thể, làm nền tảng phát triển cho 1 nền Công nghệ Mạng và Viễn thông hội

tụ đa dịch vụ, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu của Xã hội hiện đại đang ngày 1 đòi hỏi gắt gao và cấp thiết Cùng với định hướng phát triển hạ tầng kiến trúc, mô hình quản trị mạng cho toàn bộ hệ thống Công nghệ Mạng và Viễn thông nói chung cũng được đặt ra, nhằm đa dạng hóa và nâng cao các tính năng trong tác nghiệp điều hành, giám sát hệ thống

Trong khuôn khổ Luận văn này, tôi xin đề cập đến các vấn đề trong định hướng Công nghệ Mạng

và Viễn thông tương lai ở nước ta, nền tảng kiến trúc của hệ thống quản trị mạng IP và giao thức

hỗ trợ quản trị SNMP phục vụ cho các Hệ quản trị mạng hiện tại và tương lai Nội dung Luận văn được chia làm 6 phần

Phần I giới thiệu tổng quan về mô hình mạng thế hệ sau NGN (Next Generation Network) Miêu

tả 1 bức tranh tổng thể về mô hình kiến trúc của mạng NGN, là 1 định hướng phát triển và quy hoạch mạng viễn thông của nước ta trong tương lai Từ đó đánh giá được tầm quan trong của công nghệ IP trong lĩnh vực viễn thông ở những giai đoạn phát triển tiếp theo tại Việt Nam cũng như trên thế giới

Phần II trình bày kiến trúc và nguyên tắc hoạt động nền tảng của công nghệ IP, các kết nối và giao thức sử dụng để vận hành cũng như quản trị và bảo vệ mạng Internet/Intranet

Phần III trình bày kết cấu hoạt động và cấu trúc điều khiển của giao thức SNMP, một trong những giao thức quan trọng nhất trong quản trị của công nghệ mạng IP Mô tả phân tích thiết kế xây dựng giao thức trên nền tảng ngôn ngữ lập trình cấp cao và cách thức vận hành giao thức vừa được xây dựng

Phần IV với nền tảng kiến trúc SNMP đã được trình bày ở phần III, phần IV sẽ trình bày ứng dụng của giao thức SNMP trong thức tế quản trị của các đơn vị cung cấp dịch vụ viễn thông tại Việt Nam và trên thế giới Đống thời khẳng định tầm quan trọng và ý nghĩa của giao thức SNMP trong hệ thống mạng thế hệ sau NGN

Phần cuối cùng đánh giá kết luận tổng thể cho toàn bộ tài liệu Luận văn

Tài liệu Luận văn được xây dựng cùng với sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Văn Tam hiện đang công tác tại Viện công nghệ thông tin Quốc gia và các Giảng viên đã giảng dạy và đào tạo lớp cao học K10T3 ngành Công nghệ thông tin của trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà nội

Rất mong nhận được các ý kiến đóng góp của các thầy giáo, đồng nghiệp và các bạn nghiên cứu, tìm hiểu các lĩnh vực liên quan để hoàn thiện đầy đủ hơn đề tài này

Chương 1 TỔNG QUAN MẠNG VIỄN THƠNG THẾ HỆ SAU

1.1.1 Khái niệm mạng viễn thơng

Mạng viễn thông là phương tiện truyền đưa thông tin từ đầu phát tới đầu thu Mạng có nhiệm vụ cung cấp các dịch vụ cho khách hàng Mạng viễn thông bao gồm các thành phần chính: thiết bị chuyển mạch, thiết bị truyền dẫn, môi trường truyền và thiết bị đầu cuối

Hình 1.1 Các thành phần chính của mạng viễn thông

 Thiết bị chuyển mạch gồm có tổng đài nội hạt và tổng đài quá giang Các thuê bao được nối vào tổng đài nội hạt và tổng đài nội hạt được nối vào tổng đài quá giang Nhờ các thiết bị chuyển mạch mà đường truyền dẫn được dùng chung và mạng có thể được sử dụng một cách kinh tế

 Thiết bị truyền dẫn dùng để nối thiết bị đầu cuối với tổng đài, hay giữa các tổng đài để thực hiện việc truyền đưa các tín hiệu điện Thiết bị truyền dẫn chia làm hai loại: thiết bị truyền dẫn phía thuê bao và thiết bị truyền dẫn cáp quang Thiết bị truyền dẫn phía thuê bao dùng môi trường thường là cáp kim loại, tuy nhiên có một số trường hợp môi trường truyền là cáp quang hoặc vô tuyến

 Môi trường truyền bao gồm truyền hữu tuyến và vô tuyến Truyền hữu tuyến bao gồm cáp kim loại, cáp quang Truyền vô tuyến bao gồm vi ba, vệ tinh Thiết bị đầu cuối cho mạng thoại truyền thống gồm máy điện thoại, máy Fax, máy tính, tổng đài PABX

1.1.2 Đặc điểm

Các mạng viễn thông hiện tại có đặc điểm chung là tồn tại một cách riêng lẻ, ứng với mỗi loại dịch vụ thông tin lại có ít nhất một loại mạng viễn thông riêng biệt để phục vụ dịch vụ đó

 Mạng Telex: dùng để gửi các bức điện dưới dạng ký tự đã được mã hoá bằng 5 bit (mã Baudot) Tốc độ truyền rất thấp (từ 75 tới 300 bit/s)

 Mạng điện thoại công cộng, còn gọi là mạng POTS (Plain Old Telephone Service): ở đây thông tin tiếng nói được số hóa và chuyển mạch ở hệ thống chuyển mạch điện thoại công cộng PSTN

 Mạng truyền số liệu: bao gồm các mạng chuyển mạch gói để trao đổi số liệu giữa các máy tính dựa trên giao thức của X.25 và hệ thống truyền số liệu chuyển mạch kênh dựa trên các giao thức X.21

 Các tín hiệu truyền hình có thể được truyền theo ba cách: truyền bằng sóng vô tuyến, truyền qua hệ thống mạng truyền hình cáp CATV (Community Antenna Television) bằng cáp đồng trục hoặc truyền qua hệ thống vệ tinh, hay còn gọi là truyền hình trực tiếp DBS (Direct Broadcast System)

 Trong phạm vi cơ quan, số liệu giữa các máy tính được trao đổi thông qua mạng cục bộ LAN (Local Area Network) mà nổi tiếng nhất là mạng Ethernet, Token Bus và Token Ring

Mỗi mạng được thiết kế cho các dịch vụ riêng biệt và không thể sử dụng cho các mục đích khác Ví dụ ta không thể truyền tiếng nói qua mạng chuyển mạch gói X.25 vì trễ qua mạng này quá lớn

“Quá khứ là bàn đạp của tương lai” Do vậy trước khi tìm hiểu mạng viễn thông thế hệ mới NGN, chúng ta cần rút kinh nghiệm từ lịch sử phát triển của các mạng hiện tại mà tiêu biểu là:

 Xét về góc độ dịch vụ thì gồm các mạng sau: mạng điện thoại cố định, mạng điện thoại di động và mạng truyền số liệu

 Xét về góc độ kỹ thuật bao gồm các mạng chuyển mạch, mạng truyền dẫn, mạng truy nhập, mạng báo hiệu và mạng đồng bộ

 PSTN (Public Switching Telephone Network) là mạng chuyển mạch thoại công cộng PSTN phục vụ thoại và bao gồm hai loại tổng đài: tổng đài nội hạt (cấp 5), và tổng đài

tandem (tổng đài quá giang nội hạt, cấp 4) Tổng đài tandem được nối vào các tổng đài Toll để giảm mức phân cấp Phương pháp nâng cấp các tandem là bổ sung cho mỗi nút một ATM core Các ATM core sẽ cung cấp dịch vụ băng rộng cho thuê bao, đồng thời hợp nhất các mạng số liệu hiện nay vào mạng chung ISDN Các tổng đài cấp 4 và cấp 5 là các tổng đài loại lớn Các tổng đài này có kiến trúc tập trung, cấu trúc phần mềm và phần cứng độc quyền

 ISDN (Integrated Service Digital Network) là mạng số tích hợp dịch vụ ISDN cung cấp

nhiều loại ứng dụng thoại và phi thoại trong cùng một mạng và xây dựng giao tiếp người sử dụng – mạng đa dịch vụ bằng một số giới hạn các kết nối ISDN cung cấp nhiều ứng dụng khác nhau bao gồm các kết nối chuyển mạch và không chuyển mạch Các kết nối chuyển mạch của ISDN bao gồm nhiều chuyển mạch thực, chuyển mạch gói và sự kết hợp của chúng Các dịch vụ mới phải tương hợp với các kết nối chuyển mạch số 64 kbit/s ISDN phải chứa sự thông minh để cung cấp cho các dịch vụ, bảo dưỡng và các chức năng quản lý mạng, tuy nhiên tính thông minh này có thể không đủ để cho một vài dịch vụ mới và cần được tăng cường từ mạng hoặc từ sự thông minh thích ứng trong các thiết bị đầu cuối của người sử dụng Sử dụng kiến trúc phân lớp làm đặc trưng của truy xuất ISDN Truy xuất của người sử dụng đến nguồn ISDN có thể khác nhau tùy thuộc vào dịch vụ yêu cầu và tình trạng ISDN của từng quốc gia Cần thấy rằng ISDN được sử dụng với nhiều cấu hình khác nhau tùy theo hiện trạng mạng viễn thông của từng quốc gia

 PSDN (Public Switching Data Network) là mạng chuyển mạch số liệu công cộng PSDN

chủ yếu cung cấp các dịch vụ số liệu Mạng PSDN bao gồm các PoP (Point of Presence) và các thiết bị truy nhập từ xa Hiện nay PSDN đang phát triển với tốc độ rất nhanh do sự bùng nổ của dịch vụ Internet và các mạng riêng ảo (Virtual Private Network)

 Mạng di động GSM (Global System for Mobile Telecom) là mạng cung cấp dịch vụ

thoại tương tự như PSTN nhưng qua đường truy nhập vô tuyến Mạng này chuyển mạch dựa trên công nghệ ghép kênh phân thời gian và công nghệ ghép kênh phân tần số Các thành phần cơ bản của mạng này là: BSC (Base Station Controller), BTS (Base Transfer Station), HLR (Home Location Register), VLR ( Visitor Location Register) và MS ( Mobile Subscriber)

Hiện nay các nhà cung cấp dịch vụ thu được lợi nhuận phần lớn từ các dịch vụ như leased line, Frame Relay, ATM, và các dịch vụ kết nối cơ bản Tuy nhiên xu hướng giảm lợi nhuận từ các dịch vụ này bắt buộc các nhà khai thác phải tìm dịch vụ mới dựa trên IP để đảm bảo lợi nhuận lâu dài VPN là một hướng đi của các nhà khai thác Các dịch vụ dựa trên nền

IP cung cấp kết nối giữa một nhóm các user xuyên qua mạng hạ tầng công cộng VPN có thể đáp ứng các nhu cầu của khách hàng bằng các kết nối dạng any-to-any, các lớp đa dịch vụ, các dịch vụ giá thành quản lý thấp, riêng tư, tích hợp xuyên suốt cùng với các mạng Intranet/Extranet Một nhóm các user trong Intranet và Extranet có thể hoạt động thông qua mạng có định tuyến IP Các mạng riêng ảo có chi phí vận hành thấp hơn hẳn so với mạng riêng trên phương tiện quản lý, băng thông và dung lượng Hiểu một cách đơn giản, VPN là một mạng mở rộng tự quản như một sự lựa chọn cơ sở hạ tầng của mạng WAN VPN có thể liên kết các user thuộc một nhóm kín hay giữa các nhóm khác nhau VPN được định nghĩa bằng một chế độ quản lý Các thuê bao VPN có thể di chuyển đến một kết nối mềm dẻo trải dài từ mạng cục bộ đến mạng hoàn chỉnh Các thuê bao này có thể dùng trong cùng (Intranet) hoặc khác (Extranet) tổ chức

Tuy nhiên cần lưu ý rằng hiện nay mạng PSTN/ISDN vẫn đang là mạng cung cấp các dịch vụ dữ liệu

Network)

1.2.1 Khái niệm[1]

Mạng viễn thông thế hệ mới có nhiều tên gọi khác nhau, chẳng hạn như:

- Mạng đa dịch vụ (cung cấp nhiều loại dịch vụ khác nhau)

- Mạng hội tụ (hỗ trợ cho cả lưu lượng thoại và dữ liệu, cấu trúc mạng hội tụ)

- Mạng phân phối (phân phối tính thông minh cho mọi phần tử trong mạng)

- Mạng nhiều lớp (mạng được phân phối ra nhiều lớp mạng có chức năng độc lập nhưng hỗ trợ nhau thay vì một khối thống nhất như trong mạng chuyển mạch kênh)

Cho tới hiện nay, mặc dù các tổ chức viễn thông quốc tế và các nhà cung cấp thiết bị viễn thông trên thế giới đều rất quan tâm và nghiên cứu về chiến lược phát triển NGN nhưng

vẫn chưa có một định nghĩa cụ thể và chính xác nào cho mạng NGN Do đó định nghĩa mạng NGN nêu ra ở đây không thể bao hàm hết mọi chi tiết về mạng thế hệ mới, nhưng nó có thể tương đối là khái niệm chung nhất khi đề cập đến NGN

Bắt nguồn từ sự phát triển của công nghệ thông tin, công nghệ chuyển mạch gói và công nghệ truyền dẫn băng rộng, mạng thông tin thế hệ mới (NGN) ra đời là mạng có cơ sở hạ tầng thông tin duy nhất dựa trên công nghệ chuyển mạch gói, triển khai các dịch vụ một cách đa dạng và nhanh chóng, đáp ứng sự hội tụ giữa thoại và số liệu, giữa cố định và di động

Như vậy, có thể xem mạng thông tin thế hệ mới là sự tích hợp mạng thoại PSTN, chủ yếu dựa trên kỹ thuật chuyển mạch kênh, với mạng chuyển mạch gói, dựa trên kỹ thuật IP/ATM Nó có thể truyền tải tất cả các dịch vụ vốn có của PSTN đồng thời cũng có thể nhập một lượng dữ liệu rất lớn vào mạng IP, nhờ đó có thể giảm nhẹ gánh nặêng của PSTN

Tuy nhiên, NGN không chỉ đơn thuần là sự hội tụ giữa thoại và dữ liệu mà còn là sự hội tụ giữa truyền dẫn quang và công nghệ gói, giữa mạng cố định và di động Vấn đề chủ đạo ở đây là làm sao có thể tận dụng hết lợi thế đem đến từ quá trình hội tụ này Một vấn đề quan trọng khác là sự bùng nổ nhu cầu của người sử dụng cho một khối lượng lớn dịch vụ và ứng dụng phức tạp bao gồm cả đa phương tiện, phần lớn trong đó là không được trù liệu khi xây dựng các hệ thống mạng hiện nay

1.2.2 Đặc điểm và động cơ phát triển mạng thế hệ mớ [1]i

Mạng NGN có bốn đặc điểm chính:

1 Nền tảng là hệ thống mạng mở

- Các khối chức năng của tổng đài truyền thống chia thành các phần tử mạng độc lập, các phần tử được phân theo chức năng tương ứng, và phát triển một cách độc lập

- Giao diện và giao thức giữa các bộ phận phải dựa trên các tiêu chuẩn tương ứng

Việc phân tách làm cho mạng viễn thông vốn có dần dần đi theo hướng mới, nhà kinh doanh có thể căn cứ vào nhu cầu dịch vụ để tự tổ hợp các phần tử khi tổ chức mạng lưới Việc tiêu chuẩn hóa giao thức giữa các phần tử có thể thực hiện nối thông giữa các mạng có cấu hình khác nhau

2 Mạng NGN là do mạng dịch vụ thúc đẩy, nhưng dịch vụ phải thực hiện độc lập với mạng

lưới

- Chia tách dịch vụ với điều khiển cuộc gọi

- Chia tách cuộc gọi với truyền tải

Mục tiêu chính của chia tách là làm cho dịch vụ thực sự độc lập với mạng, thực hiện một

cách linh hoạt và có hiệu quả việc cung cấp dịch vụ Thuê bao có thể tự bố trí và xác định đặc trưng dịch vụ của mình, không quan tâm đến mạng truyền tải dịch vụ và loại hình đầu cuối Điều đó làm cho việc cung cấp dịch vụ và ứng dụng có tính linh hoạt cao

3 Mạng NGN là mạng chuyển mạch gói, dựa trên một giao thức thống nhất

MaÏng thông tin hiện nay, dù là mạng viễn thông, mạng máy tính hay mạng truyền hình cáp, đều không thể lấy một trong các mạng đó làm nền tảng để xây dựng cơ sở hạ tầng thông tin Nhưng mấy năm gần đây, cùng với sự phát triển của công nghệ IP, người ta mới nhận thấy rõ ràng là mạng viễn thông, mạng máy tính và mạng truyền hình cáp cuối cùng rồi cũng tích hợp trong một mạng IP thống nhất, đó là xu thế lớn mà người ta thường gọi là “dung hợp ba mạng” Giao thức IP làm cho các dịch vụ lấy IP làm cơ sở đều có thể thực hiện nối thông các mạng khác nhau; con người lần đầu tiên có được giao thức thống nhất mà ba mạng lớn đều có thể chấp nhận được; đặt cơ sở vững chắc về mặt kỹ thuật cho hạ tầng cơ sở thông tin quốc gia

Giao thức IP thực tế đã trở thành giao thức ứng dụng vạn năng và bắt đầu được sử dụng làm cơ sở cho các mạng đa dịch vụ, mặc dù hiện tại vẫn còn ở thế bất lợi so với các chuyển mạch kênh về mặt khả năng hỗ trợ lưu lượng thoại và cung cấp chất lượng dịch vụ đảm bảo cho số liệu Tốc độ đổi mới nhanh chóng trong thế giới Internet, mà nó được tạo điều kiện bởi sự phát triển của các tiêu chuẩn mở sẽ sớm khắc phục những thiếu sót này

4 Là mạng có dung lượng ngày càng tăng, có tính thích ứng cũng ngày càng tăng, có đủ

dung lượng để đáp ứng nhu cầu

Hình 1.2 Topo mạng thế hệ sau

 Động cơ xuất hiện mạng thế hệ mới:

Yếu tố hàng đầu là tốc độ phát triển theo hàm số mũ của nhu cầu truyền dẫn dữ liệu và các dịch vụ dữ liệu là kết quả của tăng trưởng Internet mạnh mẽ Các hệ thống mạng công cộng hiện nay chủ yếu được xây dựng nhằm truyền dẫn lưu lượng thoại, truyền dữ liệu thông tin và video đã được vận chuyển trên các mạng chồng lấn, tách rời được triển khai để đáp ứng những yêu cầu của chúng Do vậy, một sự chuyển đổi sang hệ thống mạng chuyển mạch gói tập trung là không thể tránh khỏi khi mà dữ liệu thay thế vị trí của thoại và trở thành nguồn tạo ra lợi nhuận chính Cùng với sự bùng nổ Internet trên toàn cầu, rất nhiều khả năng mạng thế hệ mới sẽ dựa trên giao thức IP Tuy nhiên, thoại vẫn là một dịch vụ quan trọng và

do đó, những thay đổi này dẫn tới yêu cầu truyền thoại chất lượng cao qua IP Những lý do chính dẫn tới sự xuất hiện của mạng thế hệ mới :

 Cải thiện chi phí đầu tư

Công nghệ căn bản liên quan đến chuyển mạch kênh truyền thống được cải tiến chậm trễ và chậm triển khai kết hợp với nền công nghiệp máy tính Các chuyển mạch kênh này hiện đang chiếm phần lớn trong cơ sở hạ tầng PSTN Tuy nhiên chúng chưa thật sự tối ưu cho mạng truyền số liệu

Kết quả là ngày càng có nhiều dòng lưu lượng số liệu trên mạng PSTN đến mạng Internet và sẽ xuất hiện một giải pháp với định hướng số liệu làm trọng tâm để thiết kế mạng chuyển mạch tương lai, nền tảng dựa trên công nghệ chuyển mạch gói cho cả thoại và dữ liệu

Các giao diện mở tại từng lớp mạng cho phép nhà khai thác lựa chọn nhà cung cấp có hiệu quả nhất cho từng lớp mạng của họ Truyền tải dựa trên gói cho phép phân bổ băng tần linh hoạt, loại bỏ nhu cầu nhóm trung kế kích thước cố định cho thoại, nhờ đó giúp các nhà khai thác quản lý mạng dễ dàng hơn, nâng cấp một cách hiệu quả phần mềm trong các nút điều khiển mạng, giảm chi phí khai thác hệ thống.

 Xu thế đổi mới viễn thông

Khác với khía cạnh kỹ thuật, quá trình giải thể đang ảnh hưởng mạnh mẽ đến cách thức hoạt động của các nhà khai thác viễn thông lớn trên thế giới Xuyên suốt quá trình được gọi là “mạch vòng nội hạt không trọn gói”, các luật lệ của chính phủ trên toàn thế giới đã ép buộc các nhà khai thác lớn phải mở cửa để các công ty mới tham gia thị trường cạnh tranh Trên quan điểm chuyển mạch, các nhà cung cấp thay thế phải có khả năng giành được khách hàng địa phương nhờ đầu tư trực tiếp vào “ những dặm cuối cùng” của đường cáp đồng Điều này dẫn đến việc gia tăng cạnh tranh Các NGN thực sự phù hợp để hỗ trợ kiến trúc mạng và các mô hình được luật pháp cho phép khai thác

 Các nguồn doanh thu mới

Dự báo hiện nay cho thấy mức suy giảm trầm trọng của doanh thu thoại và xuất hiện mức tăng doanh thu đột biến do các dịch vụ giá trị gia tăng mang lại Kết quả là phần lớn các nhà khai thác truyền thống sẽ phải tái định mức mô hình kinh doanh của họ dưới ánh sáng của các dự báo này Cùng lúc đó, các nhà khai thác mới sẽ tìm kiếm mô hình kinh doanh mới cho phép họ nắm lấy thị phần, mang lại lợi nhuận cao hơn trên thị trường viễn thông Các cơ hội kinh doanh mới bao gồm các ứng dụng đa dạng tích hợp với các dịch vụ của mạng viễn thông hiện tại, số liệu Internet, các ứng dụng video

1.2.3 Chiến lược tiến hĩa[1]

Trong nhiều năm gần đây, nền công nghiệp Viễn thông vẫn đang trăn trở về vấn đề phát triển công nghệ căn bản nào và dùng mạng gì để hỗ trợ các nhà khai thác trong bối cảnh luật viễn thông đang thay đổi nhanh chóng, cạnh tranh ngày càng gia tăng mạnh mẽ Khái niệm mạng thế hệ mới (hay còn gọi là mạng thế hệ tiếp theo - NGN) ra đời cùng với việc tái kiến trúc mạng, tận dụng tất cả các ưu thế về công nghệ tiên tiến nhằm đưa ra nhiều dịch vụ

mới, mang lại nguồn thu mới, góp phần giảm chi phí khai thác và đầu tư ban đầu cho các nhà kinh doanh

Một chiến lược để phát triển nhịp nhàng từ mạng hiện tại sang kiến trúc mạng mới là rất quan trọng nhằm giảm thiểu yêu cầu đầu tư trong giai đoạn chuyển tiếp, trong khi sớm tận dụng được những phẩm chất của mạng NGN Tuy nhiên bất kỳ bước đi nào trong tiến trình chuyển tiếp này cũng cần tạo điều kiện dễ dàng hơn cho mạng để rốt cuộc vẫn phát triển sang kiến trúc NGN dựa trên chuyển mạch gói Bất cứ giải pháp nào được chọn lựa thì các hệ thống chuyển mạch truyền thống cũng sẽ phải tồn tại bên cạnh các phần tử mạng công nghệ mới trong nhiều năm tới

Mạng thế hệ sau được tổ chức dựa trên các nguyên tắc cơ bản sau :

- Đáp ứng nhu cầu cung cấp các loại hình dịch vụ viễn thông phong phú, đa dạng, đa dịch vụ, đa phương tiện

- Mạng có cấu trúc đơn giản

- Nâng cao hiệu quả sử dụng, chất lượng mạng lưới và giảm thiểu chi phí khai thác và bảo dưỡng

- Dễ dàng mở rộng dung lượng, phát triển các dịch vụ mới

- Độ linh hoạt và tính sẵn sàng cao, năng lực tồn tại mạnh

Việc tổ chức mạng dựa trên số lượng thuê bao theo vùng địa lý và nhu cầu phát triển dịch vụ, không tổ chức theo địa bàn hành chính mà tổ chức theo vùng mạng hay vùng lưu lượng

Ở đây, chủ yếu chúng ta xem xét quá trình tiến hóa về cấu trúc từ mạng hiện có lên cấu trúc

mạng NGN

Hình 1.3 Nhu cầu tiến hóa mạng

Như hình vẽ, chúng ta nhận thấy mạng viễn thông hiện tại gồm nhiều mạng riêng lẻ kết hợp lại với nhau thành một mạng “hỗn tạp”, chỉ được xây dựng ở cấp quốc gia, nhằm đáp ứng được nhiều loại dịch vụ khác nhau Xét đến mạng Internet, đó là một mạng đơn lớn, có tính chất toàn cầu, thường được đề cập theo một loạt các giao thức truyền dẫn hơn là theo một kiến trúc đặc trưng Internet hiện tại không hỗ trợ QoS cũng như các dịch vụ có tính thời gian thực ( như thoại truyền thống)

Do đó, việc xây dựng mạng thế hệ mới NGN cần tuân theo các chỉ tiêu :

1 NGN phải có khả năng hỗ trợ cả cho các dịch vụ của mạng Internet và của mạng hiện

hành

2 Một kiến trúc NGN khả thi phải hỗ trợ dịch vụ qua nhiều nhà cung cấp khác nhau Mỗi

nhà cung cấp mạng hay dịch vụ là một thực thể riêng lẻ với mục tiêu kinh doanh và cung cấp dịch vụ khác nhau, và có thể sử dụng những kỹ thuật và giao thức khác nhau Một vài dịch vụ có thể chỉ do một nhà cung cấp dịch vụ đưa ra, nhưng tất cả các dịch vụ đều phải được truyền qua mạng một cách thông suốt từ đầu cuối đến đầu cuối

3 Mạng tương lai phải hỗ trợ tất cả các loại kết nối (hay còn gọi là cuộc gọi), thiết lập đường truyền trong suốt thời gian chuyển giao, cả cho hữu tuyến cũng như vô tuyến Vì vậy, mạng

NGN sẽ tiến hóa lên từ mạng truyền dẫn hiện tại (phát triển thêm chuyển mạch gói) và từ mạng Internet công cộng ( hỗ trợ thêm chất lượng dịch vụ QoS).

Để thực hiện việc chuyển dịch một cách thuận lợi từ mạng viễn thông hiện có sang mạng thế hệ mới, việc chuyển dịch phải phân ra làm ba mức (ở hai lớp : kết nối và chuyển mạch)

Trước hết là chuyển dịch ở lớp truy nhập và truyền dẫn Hai lớp này bao gồm lớp vật lý, lớp 2 và lớp 3 nếu chọn công nghệ IP làm nền cho mạng thế hệ mới Trong đó :

 Công nghệ ghép kênh bước sóng quang DWDM sẽ chiếm lĩnh ở lớp vật lý IP/MPLS làm nền cho lớp 3

 Công nghệ ở lớp 2 phải thỏa mãn:

• Càng đơn giản càng tốt

• Tối ưu trong truyền tải gói dữ liệu

• Khả năng giám sát chất lượng, giám sát lỗi và bảo vệ, khôi phục mạng khi có sự cố phải tiêu chuẩn hơn của công nghệ quang (SDH/SONET) và vi ba (PDH/SONET)

 Hiện tại công nghệ RPT (Resilient Packet Transport) đang phát triển nhằm đáp ứng các chỉ tiêu này

Xây dựng mạng truy nhập băng rộng (như ADSL, LAN, modem cáp,…) để có thể cung cấp phương thức truy nhập băng rộng hướng đến phân nhóm cho thuê bao, cho phép truy nhập với tốc độ cao hơn Hiện nay, việc xây dựng mạng con thông minh đang được triển khai một cách toàn diện, điều đó cũng có nghĩa là việc chuyển dịch sang mạng NGN đã bắt đầu

Thứ hai là chuyển dịch mạng đường dài (mạng truyền dẫn) Sử dụng cổng mạng trung kế tích hợp hoặc độc lập, chuyển đến mạng IP hoặc ATM, rồi sử dụng chuyển mạch mềm để điều khiển luồng và cung cấp dịch vụ Sử dụng phương thức này có thể giải quyết vấn đề tắt nghẽn trong chuyển mạch kênh

Hình 1.4 Sự hội tụ giữa các mạng

So sánh công nghệ mạng hiện tại và tương lai :

Cùng với sự tiến hóa ở lớp truy nhập và truyền dẫn, chức năng chuyển mạch của tổng đài ở

lớp điều khiển được thay thế bằng một phần mềm chuyển mạch thông minh gọi là Softswitch (hay Call Agent) :

Thứ ba là mạng chuyển dịch mạng nội hạt Tổng đài điện thoại có rất nhiều giá máy và nhiều dữ liệu dịch vụ thoại nội hạt, không chỉ đầu tư lớn mà việc cải tạo cũng sẽ rất khó khăn Có thể dùng thiết bị tổng hợp truy nhập băng rộng, có dung lượng lớn, thay thế giá máy thuê bao hiện có, dùng cổng mạng truy nhập tốc độ cao đến mạng IP, nhằm nâng cấp chuyển mạch mềm và bộ phục vụ ứng dụng, bảo đảm cho dịch vụ thoại nội hạt và dịch vụ IP

Từ những phân tích trên, chúng ta xây dựng sự tiến hóa bằng sơ đồ lớp chức năng của các mạng :

 Mạng hiện tại :

Hình 1.5 M« h×nh logic m¹ng hiƯn t¹i

 Mạng trong tương lai gần:

Hình 1.6 M« h×nh logic m¹ng t-¬ng lai gÇn

 Mạng tương lai:

Hình 1.7 M« h×nh logic m¹ng t-¬ng lai

1.2.4 Cấu trúc mạng NGN[1]

Cho đến nay, mạng thế hệ sau vẫn là xu hướng phát triển mới mẻ, chưa có một khuyến nghị chính thức nào của Liên minh Viễn thông thế giới ITU về cấu trúc của nó Nhiều hãng viễn thông lớn đã đưa ra mô hình cấu trúc mạng thế hệ mới như Alcatel, Ericssion, Nortel, Siemens, Lucent, NEC,… Bên cạnh việc đưa ra nhiều mô hình cấu trúc mạng NGN khác nhau và kèmtheo là các giải pháp mạng cũng như những sản phẩm thiết bị mới khác nhau Các hãng đưa ra các mô hình cấu trúc tương đối rõ ràng và các giải pháp mạng khá cụ thể là Alcatel, Siemens, Ericsions

Nhìn chung từ các mô hình này, cấu trúc mạng mới có đặc điểm chung là bao gồm các lớp chức năng sau :

- Lớp nết nối (Access + Transport/ Core)

- Lớp trung gian hay lớp truyền thông (Media)

- Lớp điều khiển (Control)

- Lớp quản lý (Management)

Trong các lớp trên, lớp điều khiển hiện nay đang rất phức tạp với nhiều loại giao thức, khả năng tương thích giữa các thiết bị của hãng là vấn đề đang được các nhà khai thác quan tâm

1.2.4.1 Mơ hình phân lớp chức năng mạng NGN

Hình 1.8 Cấu trúc mạng thế hệ sau (góc độ mạng)

Xem xét từ góc độ kinh doanh và cung cấp dịch vụ thì mô hình cấu trúc mạng thế hệ sau còn

có thêm lớp ứng dụng dịch vụ Trong môi trường phát triển cạnh tranh thì sẽ có rất nhiều

thành phần tham gia kinh doanh trong lớp ứng dụng dịch vụ

Với API : Application Program Interface

Hình 1.9 Cấu trúc mạng và dịch vụ NGN (góc độ dịch vụ)

1.2.4.2 Phân tích

Hình 1.10 Cấu trúc luận lý của mạng NGN

Kiến trúc mạng NGN sử dụng chuyển mạch gói cho cả thoại và dữ liệu Nó phân chia các khối vững chắc của tổng đài hiện nay thành các lớp mạng riêng lẽ, các lớp này liên kết với nhau qua các giao diện mở tiêu chuẩn

Sự thông minh của xử lý cuộc gọi cơ bản trong chuyển mạch của PSTN thực chất là đã được tách ra từ phần cứng của ma trận chuyển mạch Bây giờ, sự thông minh ấy nằm trong một thiết bị tách rời gọi là chuyển mạch mềm (softswitch) cũng được gọi là một bộ điều khiển cổng truyền thông (Media Gateway Controller) hoặc là một tác nhân cuộc gọi (Call Agent), đóng vai trò phần tử điều khiển trong kiến trúc mạng mới Các giao diện mở hướng tới các ứng dụng mạng thông minh (IN- Intelligent Network) và các server ứng dụng mới tạo điều kiện dễ dàng cho việc nhanh chóng cung cấp dịch vụ và đảm bảo đưa ra thị trường trong thời gian ngắn

Tại lớp truyền thông, các cổng được đưa vào sử dụng để làm thích ứng thoại và các phương tiện khác với mạng chuyển mạch gói Các media gateway này được sử dụng để phối ghép hoặc với thiết bị đầu cuối của khách hàng (RGW- Residental Gateway), với các mạng truy nhập (AGWAccess Gateway) hoặc với mạng PSTN (TGW- Trunk Access) Các server phương tiện đặc biệt rất nhiều chức năng khác nhau, chẳng hạn như cung cấp các âm quay số hoặc thông báo Ngoài ra, chúng còn có các chức năng tiên tiến hơn như : trả lời bằng tiếng nói tương tác và biến đổi văn bản sang tiếng nói hoặc tiếng nói sang văn bản

Các giao diện mở của kiến trúc mới này cho phép các dịch vụ mới được giới thiệu nhanh chóng Đồng thời chúng cũng tạo thuận tiện cho việc giới thiệu các phương thức kinh doanh mới bằng cách chia tách chuỗi giá trị truyền thống hiện tại thành nhiều dịch vụ có thể

do các hãng khác nhau cung cấp

Hệ thống chuyển mạch NGN được phân thành bốn lớp riêng biệt thay vì tích hợp thành một hệ thống như công nghệ chuyển mạch kênh hiện nay : lớp ứng dụng, lớp điều khiển, lớp truyền thông, lớp truy nhập và truyền tải Các giao diện mở có sự tách biệt giữa dịch vụ và truyền dẫn cho phép các dịch vụ mới được đưa vào nhanh chóng, dễ dàng; những nhà khai thác có thể chọn lựa các nhà cung cấp thiết bị tốt nhất cho từng lớp trong mô hình mạng NGN

a Lớp truyền dẫn và truy nhập

 Phần truyền dẫn

- Lớp vật lý : Truyền dẫn quang với kỹ thuật ghép kênh bước sóng quang DWDM sẽ được sử dụng

- Lớp 2 và lớp 3 :

Truyền dẫn trên mạng lõi (core network) dựa vào kỹ thuật gói cho tất cả các dịch vụ với chất lượng dịch vụ QoS tùy yêu cầu cho từng loại dịch vụ

ATM hay IP/MPLS có thể được sử dụng làm nền cho truyền dẫn trên mạng lõi để đảm bảo QoS

Mạng lõi có thể thuộc mạng MAN hay mạng đường trục

Các router sử dụng ở biên mạng lõi khi lưu lượng lớn, ngược lại, khi lưu lượng thấp, switch – router có thể đảm nhận luôn chức năng của những router này

- Thành phần :

Các nút chuyển mạch/ Router (IP/ATM hay IP/MPLS), các chuyển mạch kênh của mạng PSTN, các khối chuyển mạch PLM nhưng ở mạng đường trục, kỹ thuật truyền tải chính là IP hay IP/ATM

Có các hệ thống chuyển mạch, hệ thống định tuyến cuộc gọi

- Chức năng :

Lớp truyền tải trong cấu trúc mạng NGN bao gồm cả chức năng truyền dẫn và chức năng chuyển mạch

Lớp truyền dẫn có khả năng hỗ trợ các mức QoS khác nhau cho cùng một dịch vụ và cho các dịch vụ khác nhau Nó có khả năng lưu trữ lại các sự kiện xảy ra trên mạng (kích thước gói, tốc độ gói, độ trì hoãn, tỷ lệ mất gói và Jitter cho phép,… đối với mạng chuyển mạch gói; băng thông, độ trì hoãn đối với mạng chuyển mạch kênh TDM) Lớp ứng dụng sẽ đưa ra các yêu cầu về năng lực truyền tải và nó sẽ thực hiện các yêu cầu đó

 Phần truy nhập :

- Lớp vật lý :

Hữu tuyến : Cáp đồng, xDSL hiện đang sử dụng Tuy nhiên trong tương lai truyền dẫn quang DWDM, PON (Passive Optical Network) sẽ dần dần chiếm ưu thế và thị trường xDSL, modem cáp dần dần thu hẹp lại

Vô tuyến : thông tin di động - công nghệ GSM hoặc CDMA, truy nhập vô tuyến cố định, vệ tinh

- Lớp 2 và lớp 3 : Công nghệ IP sẽ làm nền cho mạng truy nhập

b Lớp truyền thông

Các cổng giao tiếp : TG (Trunking Gateway) kết nối giựa mạng lõi với mạng PSTN/ISDN, WG (Wireless Gateway) kết nối mạng lõi với mạng di động,

- Chức năng :

Lớp truyền thông có khả năng tương thích các kỹ thuật truy nhập khác với kỹ thuật chuyển mạch gói IP hay ATM ở mạng đường trục Hay nói cách khác, lớp này chịu trách nhiệm chuyển đổi các loại môi trường ( chẳng hạn như PSTN, FramRelay, LAN, vô tuyến,…) sang môi trường truyền dẫn gói được áp dụng trên mạng lõi và ngược lại

Nhờ đó, các nút chuyển mạch (ATM + IP) và các hệ thống truyền dẫn sẽ thực hiện chức năng chuyển mạch, định tuyến cuộc gọi giữa các thuê bao của lớp truy nhập dưới sự điều khiển của các thiết bị thuộc lớp điều khiển

c Lớp điều khiển

- Thành phần

Lớp điều khiển bao gồm các hệ thống điều khiển mà thành phần chính là Softswitch còn gọi là Media Gateway Controller hay Call Agent được kết nối với các thành phần khác để kết nối cuộc gọi hay quản lý địa chỉ IP như : SGW ( Signaling Gateway), MS (Media Sever), FS (Feature Server), AS (Application Server)

Theo MSF (MutiService Switching Forum), lớp điều khiển cần được tổ chức theo kiểu module và có thể bao gồm một số bộ điều khiển độc lập Ví dụ có các bộ điều khiển riêng cho các dịch vụ : thoại / báo hiệu số 7, ATM / SVC, IP/MPLS, …

Hình 1.11 Cấu trúc mạng chuyển mạch đa dịch vụ

- Chức năng

Lớp điều khiển có nhiệm vụ kết nối để cung cấp các dịch vụ thông suốt từ đầu cuối đến đầu cuối với bất kỳ loại giao thức và báo hiệu nào

Cụ thể , lớp điều khiển thực hiện :

Định tuyến lưu lượng giữa các khối chuyển mạch

Thiết lập yêu cầu, điều chỉnh và thay đổi các kết nối hoặc các luồng, điều khiển sắp xếp nhãn (label mapping) giữa các giao diện cổng

Phân bổ lưu lượng và các chỉ tiêu chất lượng đối với mỗi kết nối (hay mỗi luồng) và thực hiện giám sát điều khiển để đảm bảo QoS

Báo hiệu đầu cuối từ các trung kế, các cổng trong kết nối với lớp media Thống kê và ghi lại các thông số về chi tiết cuộc gọi, đồng thời thực hiện các cảnh báo

Thu nhận thông tin báo hiệu từ các cổng và chuyển thông tin này đến các thành phần thích hợp trong lớp điều khiển

Quản lý và bảo dưỡng hoạt động của các tuyến kết nối thuộc phạm vi điều khiển Thiết lập và quản lý hoạt động của các luồng yêu cầu đối với chức năng dịch vụ trong mạng Báo hiệu với các thành phần ngang cấp

Các chức năng quản lý, chăm sóc khách hàng cũng được tích hợp trong lớp điều khiển Nhờ các giao diện mở nên có sự tách biệt giữa dịch vụ và truyền dẫn, điều này cho phép các dịch vụ mới được đưa vào nhanh chóng và dễ dàng

Một số ví dụ về các loại ứng dụng dịch vụ được đưa ra sau đây:

Các dịch vụ thoại

Các dịch vụ thông tin và nội dung

VPN cho thoại và số liệu

Video theo yêu cầu

Nhóm các dịch vụ đa phương tiện

Thương mại điện tử

Các trò chơi trên mạng thời gian thực

……

e Lớp quản lý

Lớp quản lý là một lớp đặc biệt xuyên suốt các lớp từ lớp kết nối cho đến lớp ứng dụng Tại lớp quản lý, người ta có thể triển khai kế hoạch xây dựng mạng giám sát viễn thông TMN, như một mạng riêng theo dõi và điều phối các thành phần mạng viễn thông đang hoạt động Tuy nhiên cần phân biệt các chức năng quản lý với các chức năng điều khiển Vì căn bản NGN sẽ dựa trên các giao diện mở và cung cấp rất nhiều loại hình dịch vụ trong một mạng đơn, cho nên mạng quản lý phải làm việc trong một môi trường đa nhà đầu tư, đa nhà

khai thác, đa dịch vụ Từ những phân tích trên, ta xây dựng sơ đồ các thực thể chức năng của mạng NGN:

Hình 1.12 Các thực thể chức năng trong NGN

AS-F: Application Server Function

MS-F: Media Server Function

MGC-F: Media Gateway Control Function

CA-F: Call Agent Function

IW-F: Interworking Function

R-F: Routing Function

A-F: Accounting Function

SG-F: Signaling Gateway Function

MG-F: Media Gateway Function

Nhiệm vụ của từng thực thể như sau:

- AS-F: đây là thực thể thi hành các ứng dụng nên nhiệm vụ chính là cung cấp các logic

dịch vụ và thi hành một hay nhiều các ứng dụng/dịch vụ

- MS-F: cung cấp các dịch vụ tăng cường cho xử lý cuộc gọi Nó hoạt động như một server

để xử lý các yêu cầu từ AS-F hoặc MGC-F

- MGC-F: cung cấp logic cuộc gọi và tín hiệu báo hiệu xử lý cuộc gọi cho một hay nhiều

Media Gateway

- CA-F: là một phần chức năng của MGS-F Thực thể này được kích hoạt khi MGC-F thực

hiện việc điều khiển cuộc gọi

- IW-F: cũng là một phần chức năng của MGC-F Nó được kích hoạt khi MGC-F thực hiện

các báo hiệu giữa các mạng báo hiệu khác nhau

- R-F: cung cấp thông tin định tuyến cho MGC-F

- A-F: cung cấp thông tin dùng cho việc tính cước

- SG-F: dùng để chuyển các thông tin báo hiệu của mạng PSTN qua mạng IP

- MG-F: dùng để chuyển thông tin từ dạng truyền dẫn này sang dạng truyền dẫn khác

- Trên đây chỉ là những chức năng cơ bản nhất của mạng NGN Và tùy thuộc vào nhu cầu thực tế mà mạng có thêm những chức năng khác nữa

Chương 2 CÔNG NGHỆ IP

Như phần trên đã trình bày, mạng viễn thông thế hệ sau sẽ hoàn toàn dựa trên nền công nghệ của mạng IP để đảm bảo sự ổn định, tính linh hoạt và khả năng đồng bộ trong quá trình điều khiển hệ thống mạng viễn thông cung cấp cho tất cả các dịch vụ cùng hoạt động Vì vậy trong chương này chúng ta sẽ tìm hiểu cấu trúc và cách hoạt động nền tảng của mạng IP hay còn được gọi là mạng Internet

Mạng Internet được hình thành từ 1 dự án nghiên cứu, phát triển mạng thông tin máy tính dựa trên công nghệ chuyển mạch gói phục vụ nghiên cứu, phát triển của Bộ quốc phòng Mỹ giữa những năm 1960, Internet ngày nay đã trở thành mạng của các mạng thông tin toàn cầu, được kết nối với nhau trên cơ sở bộ giao thức TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol), đáp ứng ngày càng phong phú hầu hết các dịch vụ thông tin liên lạc của xã hội, tiến tới trở thành

hạ tầng thông tin liên lạc duy nhất của xã hội thông tin tương lai

2.2.1 Giới thiệu chung

Sở dĩ Internet được phát triển hết sức mạnh mẽ như vậy chính bởi kiến trúc đơn giản và linh hoạt của mạng Tương tự như mô hình kết nối mở các hệ thống tính toán ISO/OSI, bộ giao thức trao đổi số liệu Internet bao gồm 2 phần chính:

a Các giao thức tạo thành hệ thống truyền dẫn

b Các giao thức hỗ trợ ứng dụng

Khác với mô hình ISO/OSI, mức liên mạng Internet sử dụng giao thức kết nối mạng

“không liên kết” (connectionless) Internet Protocol IP, tạo thành hạt nhân hoạt động của hệ thống truyền dẫn Internet Cùng với các thuật toán định tuyến RIP, OSFP, BGP, mức liên mạng IP cho phép kết nối 1 cách mềm dẻo và linh hoạt các loại mạng “vật lý” khác nhau như: Ethernet, Token Ring, X25, vv dựa trên địa chỉ IP (bao gồm địa chỉ phân mạng IP và địa chỉ của thiết bị cuối thuộc phân mạng đó)

Hình 2.1 Bộ giao thức trên mạng Internet

Giao thức trao đổi số liệu “hướng kết nối” (connection-oriented) TCP được sử dụng ở mức vận chuyển để đảm bảo chính xác và tin cậy việc trao đổi số liệu dựa trên kiến trúc kết nối

“không kết nối” (connectionless) ở mức liên mạng IP

Các giao thức hỗ trợ ứng dụng phổ biến như đăng nhập từ xa (Telnet), chuyển tệp (FTP), dịch vụ World Wide Web (HTTP), thư điện tử (SMTP), dịch vụ tên miền (DNS), quản trị mạng (SNMP) không chỉ tích hợp các dịch vụ của các mức chức năng như mức phiên, mức thể hiện và mức hỗ trợ ứng dụng trong 1 thực thể thống nhất mà còn dược cài đặt ngày càng phổ biến như là những bộ phận cấu thành của các hệ điều hành thông dụng như UNIX (và các hệ chuyên dụng cùng họ của nhiều nhà cung cấp thiết bị tính toán như AIX của IBM, SINIX của Siemens, Digital UNIX của DEC), Window95/NT, Novell Netware, Vì vậy, việc sử dụng, mở rộng và phát triển mới các liên kết mạng và các ứng dụng trên mạng dựa trên bộ giao thức TCP/IP đã trở thành dễ dàng và tiện lợi cho bất cứ một nhà thiết kế và thực hiện mạng thông tin máy tính nào

2.2.2 Giao thức liên mạng IP

2.2.2.1 Địa chỉ IP[2,3]

IP là ứng dụng thực tế phổ biến nhất của lược đồ địa chỉ mạng phân cấp IP là 1 giao thức mạng mà Internet dùng Địa chỉ IP gồm 4 bytes (32 bits) Người ta chia địa chỉ IP thành 4 lớp địa chỉ khác nhau Mỗi địa chỉ ứng với 1 kích thước mạng khác nhau và số lượng các trạm làm việc trên mạng đó

Bốn bit đầu tiên của địa chỉ cho ta biết cấu trúc lớp của địa chỉ được sử dụng Các bit còn lại được chia làm 2 phần:

- Một phần dùng để định danh địa chỉ mạng (Network)

- Một phần dùng để định danh địa chỉ các trạm làm việc trên mạng đó (Host)

Các địa chỉ thuộc lớp A được dành cho các mạng có số lượng lớn các trạm làm việc, trong khi các địa chỉ lớp C cho phép nối một số lượng lớn các mạng con, trong đó mỗi mạng con chỉ có 1 số ít trạm làm việc (tối đa 256 trạm)

Để hỗ trợ cho các chiến lược định tuyến trên mạng, người ta đưa ra khái niệm mặt nạ mạng (Network Mask) Tương tự như địa chỉ IP, mặt nạ mạng gồm 4 bytes (32 bits) Mặt nạ mạng được sử dụng để xác định vùng nào trên địa chỉ IP là địa chỉ phần mạng (network part) và vùng nào là địa chỉ của các thiết bị cuối (host part) Các xác định địa chỉ phần mạng và địa chỉ thiết bị cuối với mặt nạ mạng được quy định như sau:

- Các bit 1: dùng để xác định địa chỉ phần mạng

- Các bit 0: dùng để xác định địa chỉ thiết bị cuối

Từ địa chỉ IP ta thực hiện phép toán logic AND với mặt nạ mạng để xác định địa chỉ phần mạng

IP

Hình 2.2.Phân lớp địa chỉ IP

2.2.2.2 Cấu trúc gói số liệu[2,3]

IP là giao thức cung cấp dịch vụ truyền thông theo kiểu “không liên kết” (connectionless) hay còn gọi là dịch vụ Datagram Phương thức không liên kết cho phép các cặp đối tác không cần phải thiết lập liên kết trước khi truyền số liệu và do vậy cũng không cần phải giải phóng liên kết khi không có nhu cầu truyền số liệu nữa Phương thức kết nối không liên kết cho phép thiết kế và thực hiện giao thức trao đổi số liệu đơn giản (không có cơ chế phát hiện và khắc phục lỗi truyền) Cũng chính vì vậy độ tin cậy trao đổi số liệu của loại giao thức này không cao

Các gói số liệu IP được định nghĩa là các datagram Mỗi datagram có phần tiêu đề (header) chứa các thông tin cần thiết để chuyển số liệu (VD địa chỉ IP nguồn, địa chỉ IP đích) Nếu địa chỉ IP đích là địa chỉ của 1 trạm nằm trên cùng 1 mạng IP với máy nguồn thì các gói số liệu sẽ được truyền thẳng đến đích, nếu địa chỉ IP đích không nằm trên cùng 1 mạng IP với máy nguồn thì các gói số liệu được gửi đến 1 máy trung chuyển, IP gateway, để chuyển tiếp IP Gateway là thiết bị kết nối mạng IP, đảm nhận việc lưu chuyển các gói số liệu IP giữa 2 mạng IP khác nhau Cấu trúc gói số liệu IP được mô tả như sau:

Hình 2.3 Cấu trúc gói số liệu IP

 Version: chỉ phiên bản của IP được dùng (IP4 và IP6)

 IHL: chỉ độ dài của tiêu đề (header), tính bằng các từ 32 bit Nếu không có trường này thì độ dài mặc định của tiêu đề là 5 từ

 Type of Service: cho biết các thông tin về các loại dịch vụ và các mức ưu tiên của gói IP Trường này gồm có 8 bit Giá trị mặc định là 0

 Total Length: cho biết độ dài của gói IP, gồm các phần tiêu đề, được tính bằng đơn vị Byte

 Identification: chứa từ định danh của gói phân mảnh

 Flags: dùng trong quá trình phân mảnh và hợp nhất mảnh của các gói IP

 Fragment Offset: cho biết khoảng cách tương đối của gói IP với gói bị phân mảnh (tính theo

8 byte)

 Time To Live: cho biết thời gian tối đa mà gói có thể tồn tại Trường này bị giảm đi 1 mỗi khi phần tiêu đề gói IP qua một hệ thống xử lý Trừ khi gói bị lưu trong vùng đệm của 1 hệ thống quá lâu, trường này chỉ ra số tối đa các thiết bị định tuyến trung gian mà gói có thể đi qua trước khi bị loại bỏ Khi trường này =0, IP phải hủy bỏ gói này vô điều kiện Đặc tính này cho phép loại bỏ các gói tồn tại quá lâu trong mạng do lỗi định tuyến Trường TTL này thường được hệ thống gửi đặt là 30 second

 Protocol: chỉ loại số liệu giao thức mức trên được nhúng trong phần số liệu của gói IP (giá trị

6 cho TCP và 17 cho UDP)

 Header Checkum: là giá trị bù 1 của tổng các từ 16-bit trong phần tiêu đề của gói IP Trường này kiểm tra xem các thông tin tiêu đề của gói có bị hỏng do lỗi truyền hay không IP chỉ kiểm tra lối tiêu đề

 Source: Địa chỉ IP của hệ thống gửi

 Destination: Địa chỉ IP của hệ thống đích

 Options: Chức năng các thông số tùy chọn như:

- Source Routing: cho phép định tuyến theo đường đã được xác định trước

- Route Recording: Ghi lại tuyến đường của gói số liệu được chuyển

- TimeStamping: Thêm 1 nhãn thời gian khi qua mỗi thiết bị định tuyến trung gian

- Security: Bao gồm nhiều tùy chọn về an ninh

 Padding: Số liệu khống, thêm vào phần tiêu đề của gói IP, làm cho nó thành bội của 4 bytes hay 32 bits

 Data: Chứa số liệu của giao thức mức vận chuyển, là bội số của 8 byte

2.2.2.3 Phân mảnh và hợp nhất phân mảnh của các gói IP[2,3]

Các gói số liệu IP phải được nhúng trong khung số liệu của mức liên kết số liệu tương ứng, trước khi chuyển tiếp trong mạng Quá trình nhận 1 gói số liệu IP diễn ra ngược lại

Ví dụ: với mạng Ethernet ở mức liên kết số liệu, quá trình truyền 1 gói số liệu IP diễn ra như sau: Khi gửi 1 gói số liệu IP cho mức Ethernet đích, kiểu khung Ethernet (chỉ số liệu mà Ethernet đang mang là của IP) và cuối cùng là gói IP Mức liên kết số liệu đặt địa chỉ Ethernet nguồn là địa chỉ kết nối mạng của mình và tính toán giá trị tổng kiểm tra (checksum) Trường Type chỉ ra kiểu khung là 0x0800 đối với số liệu IP Mức liên kết số liệu sẽ chuyển khung số liệu theo thuật toán truy nhập Ethernet

Hình 2.4 Phương thức đóng gói số liệu

Một gói số liệu IP có độ dài tối đa 65536 byte, trong khi hầu hết các mức liên kết số liệu chỉ hỗ trợ các khung số liệu nhỏ hơn độ lớn tối đa của gói số liệu IP nhiều lần (ví dụ độ dài lớn nhất của một khung số liệu Ethernet là 1500 byte) Vì vậy, cần phải có cơ chế phân mảnh khi phát và hợp mảnh khi thu đối với các gói số liệu IP

Người ta định nghĩa độ dài tối đa của 1 gói số liệu liên kết là MTU (Maximum Transmit Unit) Khi cần chuyển 1 gói số liệu IP có độ dài lớn hơn MTU của 1 mạng cụ thể, người ta phải chia gói

số liệu IP đó thành những gói IP nhỏ hơn, gọi chung là mảnh (fragment) Trong phần tiêu đề của gói số liệu IP có các thông tin về mảnh và xác định các mảnh có quan hệ phụ thuộc để hợp thành sau này Ví dụ Ethernet chỉ hỗ trợ các khung có độ dài tối đa 1500 bytes Nếu muốn gửi 1 gói số liệu IP gồm 2000 byte qua Ethernet, phải chia gói IP thành 2 gói nhỏ hơn, mỗi gói vừa với giới hạn MTU của Ethernet

Hình 2.5 Phân mảnh gói dữ liệu

IP dùng cờ MF (3 bit thấp của trường Flags trong phần đầu gói IP) và trường Fragment Offset của gói IP (đã bị phân đoạn) để định danh gói IP đó là 1 phân đoạn và vị trí của phân đoạn này trong gói IP gốc Các gói cùng trong chuỗi phân mảnh đều có trường này giống nhau Cờ MF bằng 0 nếu là gói đầu của chuỗi phân mảnh và 1 nếu là gói cuối phân mảnh

Quá trình hợp nhất diễn ra ngược lại với quá trình phân mảnh Khi IP nhận được 1 gói phân mảnh, nó giữ phân mảnh đó trong vùng đệm, cho đến khi nhận được hết các gói IP trong