Công nghệ mạng MEN

bài giảng mạng MEN

Công nghệ mạng MEN

Những động lực thúc đẩy phát triển công nghệ mạng MEN

• Sự bùng nổ về nhu cầu và loại hình trao đổi thông tin trong tất cả các lĩnh vực hoạt động của xã hội như kinh tế, văn hóa, giáo dục, khoa học lỹ thuật…

• Mạng cục bộ (LAN) chỉ đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin trong

diện”

• Các loại hình công nghệ truyền tải NGN (truyền dẫn, chuyển mạch, định tuyến) cho phép kiến tạo các giải pháp thực hiện mạng MEN theo yêu cầu

Mục tiêu của công nghệ

mạng MEN

• Truyền tải đa loại hình dịch vụ, đa tốc độ, đa

giao diện

• Giảm chi phí đầu tư xây dựng mạng

• Rút ngắn thời gian đáp ứng dịch vụ cho khách hàng

• Dự phòng dung lượng đối với sự gia tăng lưu lượng dạng gói

• Tăng lợi nhuận từ việc triển khai các dịch vụ mới

• Nâng cao hiệu suất khai thác mạng

Cấu trúc phân lớp của mạng đô thị (xét trên khía cạnh dịch vụ)

thị (xét trên khía cạnh dịch vụ)

Cấu trúc phân lớp mạng MEN (theo mô hình tham chiếu OSI)

hợp các giải pháp tích hợp của nhiều

công nghệ thực hiện truyền tải lưu lượng Ethernet

Công nghệ NG-SDH/NG-SDH

• Những đặc điểm chung của công nghệ SDH

• Công nghệ truyền tải theo phương thức TDM

dựa trên cấu trúc ghép kênh phân cấp đồng bộ.

• Cung cấp các kết nối băng thông cố định có tốc

độ từ vài Mbit/s tới hàng chục Gbit/s

• Truyền tải thông tin trên kết nối có độ tin cậy cao

do sử dụng cơ chế phục hồi bảo/vệ

• Được thiết kế tối ưu cho truyền tải dịch vụ TDM

Cấu trúc ghép kênh SDH

Ưu điểm của công nghệ SDH

truyền thống

• Ưu điểm

– Chất lượng truyền tải thông tin trên kết nối cao, trễ

truyền tải nhỏ

– Độ tin cậy kết nối cao

– Công nghệ đã được chuẩn hóa

– Thuận tiện sử dụng cho mô hình kết nối điểm – điểm– Thiết bị được triển khai rộng rãi trên mạng, tương

thích với nhiều chủng loại thiết bị mạng

– Quản lý dễ dàng

Nhược điểm của công nghệ

SDH truyền thống

• Do SDH được thiết kế tối ưu cho phương thức truyền tải TDM, do vậy có những nhược điểm khi triển khai SDH cho mạng truyền tải dữ liệu gói:

– Kết nối cứng, lãng phí tài nguyên băng thông khi kết nối truyền tải lưu lượng gói

– Không tối ưu và lãng phí tài nguyên băng thông khi truyền tải lưu lượng gói trên cấu trúc tô-pô ring

– Tài nguyên mạng dành cho phục hồi và bảo vệ mạng lớn

– Không tối ưu trong việc triển khai các dịch vụ quảng bá (multicast)

– Hiệu quả sử dụng băng thông thấp khi ghép dữ liệu gói vào tải tin SDH – Cấu trúc ghép kênh qua nhiều cấp, số lượng thiết bị mạng lớn khi phải phân chia nhiều loại giao diện khách hàng

– Các giao diện mạng không tương thích với các giao diện của thiết bị Ethernet

– Chi phí nâng cấp mở rộng tốn kém

– Thời gian cung ứng dịch vụ cho khách hàng lâu

Hiệu suất sử dụng băng thông

khi truyền dịch vụ Ethernet qua

mạng SDH

Ethenet SDH Tốc độ truyền

Hiệu suất sử dụng băng thông

Công nghệ SDH thế hệ mới

(NG-SDH)

• Công nghệ NG-SDH được cải tiến từ công nghệ SDH

nhằm khắc phục một số nhược điểm của công nghệ SDH– Cho phép hỗ trợ truyền tải các dịch vụ truyền tải TDM và dịch vụ truyền tải gói

– Tạo các giao thức cải thiện hiệu quả sử dụng băng thông khi truyền tải dịch vụ dữ liệu

– Cung cấp các giao diện ghép nối chuẩn với thiết bị mạng

Mô hình giao thức trong

NG-SDH

Cấu trúc ghép các loại hình

tín hiệu trong NG-SDH

Các giao thức chính được

bổ sung trong NG-SDH

• Thủ tục định dạng khung chung (GFP): Thủ tục sắp xếp gói số liệu của bất kỳ dịch vụ tuyến số liệu (data link) nào như Ethernet, quảng bá video số (DVB), lưu trữ cục

bộ (SAN) So với các thủ tục định dạng khung khác như Packet over SDH hay X.86, GFP có tỉ lệ mào đầu thấp nên không đòi hỏi nhiều quá trình phân tích xử lý

• Liên kết ảo (VCAT): Thủ tục tạo ra một “ống ảo” với kích thước phù hợp cho lưu lượng, độ linh hoạt và khả năng tương thích cao với các kỹ thuật SDH hiện có

• Giao thức điều chỉnh dung lượng tuyến (LCAS): thủ tục báo hiệu thực hiện phân định hay huỷ bỏ các đơn vị băng thông để phù hợp với yêu cầu truyền tải số liệu

Giao thức ghép khung tổng

quát GFP

• Được chuẩn hóa trong ITU-T G.7041

• Là giao thức đóng gói cần thiết thích ứng với tính bùng phát của lưu lượng dạng gói

• Hiện tại có hai thủ tục ghép khung thích ứng với tín hiệu khách hàng là:

và Ethernet Gigabit, tốt với các dịch vụ nhạy cảm về trễ

Cấu trúc ghép khung tổng quát GFP

Quá trình ghép và chuyển tải các khung GFP vào VC container trong

các khung STM

Liên kết ảo VCAT

• Được chuẩn hóa trong ITU-T G.7042

• Là giải pháp tăng hiệu suất truyền tải của băng thông có trong các cấp VC của cấu trúc ghép SDH

• VCAT tạo ra tải liên tục tương đương với X lần các khối VC-n Tập hợp container được goại là nhóm container ảo (VCG), mỗi VC ảo là một thành viên của VCG

• Sử dụng 2 phương thức ghép kênh ảo:

+ Liên kết ảo bậc cao (HO-VCAT) sử dụng container VC-3

hoặc VC-4 (VC-3/4-Xv, X=1 256), tạo ra dung lượng tải là bội của 48384 hay 149760 kbit/s.

+ Liên Kết ảo bậc thấp (LO-VCAT) VCAT sử dụng

container VC- 11, VC12, VC2 (VC-11/12/2-Xv, X=1 64), tạo

ra dung lượng là bội của 1600, 2176 hay 6784 kbit/s

Liên kết chuỗi liên kết ảo

Hiệu quả sử dụng băng thông bằng liên kết ảo

Dung lượng liên kết ảo SDH

So sánh hiệu suất sử dụng băng thông ghép một số loại

Công nghệ WDM

• Những nguyên lý cơ bản

– Ghép kênh theo bước sóng (WDM) là công nghệ cơ bản để tạo nên mạng quang Kỹ thuật này tận dụng băng tần của sợi quang bằng cách truyền nhiều kênh bước sóng quang độc lập và riêng

rẽ trên cùng một sợi quang Mỗi bước sóng biểu thị cho một kênh quang trong sợi

– Một cách nhìn khác đối với nguyên lý ghép bước sóng đó là xem mỗi kênh bước sóng có một màu sắc khác nhau Và như vậy tín hiệu truyền trên hệ thống WDM sẽ giống như một chiếc

“cầu vồng”

Nguyên lý cơ bản của hệ thống thống tin quang WDM

Phân loại hệ thống WDM

• Phân loại về phương thức truyền

– Hệ thống ghép bước sóng một hướng sử dụng mỗi sợi quang cho từng hướng truyền dẫn

– Hệ thống ghép bước sóng hai hướng sử dụng một sợi quang chung cho cả hai hướng truyền dẫn

• Phân loại phân bổ bước sóng và khoảng cách giữa các bước sóng

Nguyên lý cơ bản của hệ thống thông tin quang WDM

Hệ thống ghép bước sóng một hướng sử dụng mỗi sợi quang cho từng hướng truyền dẫn

Hệ thống ghép bước sóng hai hướng sử dụng một sợi quang chung cho cả hai hướng truyền

dẫn

Đặc điểm của hệ thống

WDM/DWDM

• Sử dụng miền bước sóng 1500-1600 nm (băng C và L)

• Khoảng cách bước sóng từ 0,4 nm đến 1,6nm (200-50GHZ)

• Công nghệ hiện tại cho phép ghép đến

100 bước sóng trên một sợi quang

• WDM/DWDM chủ yếu được sử dụng làm truyền dẫn lõi hoặc metro hoặc mạng

truyền dẫn đường trục

Đặc điểm của hệ thống

CWDM

• Một trong những phương pháp truyền hiệu quả khác là CWDM

• Hiện tại, các nhà sản xuất, những cơ quan về chuẩn hoá

đã đưa ra phân bổ vùng bước sóng cho CWDM Hiện nay khoảng cách bước sóng phổ biến là từ 20-40 nm

• CWDM được sử dụng chủ yếu ở các mạng LAN, WAN

• Trong một số trường hợp CWDM bao gồm cả WDM băng thông rộng Wide-passband WDM và WDM băng rộng

WWDM (1300 nm/1500nm WDM)

Công nghệ RPR

• Quá trình phát triển công nghệ

– Ý tưởng tìm kiếm giải pháp truyền tải lưu lượng gói

cho cấu trúc ring quang

– Cisco giới thiệu công nghệ truyền tải gói động DPT

Động lực thúc đẩy phát triển

công nghệ

• Khi triển khai mạng Metro với các công nghệ

chủ yếu là SDH và Ethernet, tồn tại một số vấn đề:

– Phần lớn hệ thống cáp tại các đô thị được tổ chức

theo cấu trúc tô pô ring

– Sử dụng SDH là tiện ích truyền tải lưu lượng sẽ lãng phí băng thông

– Triển khai cấu trúc HUB cho mạng Ethernet lãng phí dung lượng hệ thống

– Cơ chế hoạt động của Ethernet không có cơ chế hỗ trợ truyền tải cấu trúc ring

• Cần tìm ra giải pháp công nghệ phù hợp để giải quyết vấn đề trên

Những ưu điểm của RPR

• RPR tận dụng khả năng phục hồi nhanh sự cố tuyến và

sự cố nút của công nghệ SDH (<50ms)

• RPR tận dụng ưu điểm về giá thành của thiết bị mạng Ethernet

• Tối ưu hóa truyền lưu lượng Ethernet trên mạng ring

(đảm bảo tương thích cơ chế hoạt động của Ethernet và duy trì hiệu suất sử dung băng thông hệ thống)

• Có khả năng hỗ trợ các mức ưu tiên truyền tải lưu lượng

• Có khả năng phân chia băng thông công bằng trong

mạng

• Có khả năng tự phát hiện cấu hình (chức năng Plugin)

• Tương thích hoàn toàn với các giao thức truyền tải hiện có

Khuôn dạng khung RPR

Khuôn dạng mào đầu RPR

Chức năng tái sử dụng băng

thông (spatial reuse)

• Trong trường hợp nút mạng RPR thu một khung dữ liệu, nó gỡ bỏ khung dữ liệu

trên ring xuống nút mạng thay vì copy

khung dữ liệu.

• Khung dữ liệu trống quay trở lại nơi gửi

theo chiều vòng ring

• Băng thông trống khung dữ liệu để lại cho các nút khác sử dụng

Ví dụ về chức năng tái sử

dụng băng thông

Chức năng chia sẻ băng

thông công bằng

• Khi xuất hiện tắc nghẽn tại nút mạng nào đó, nó

sẽ truyền một cảnh báo với một giá trị băng

thông đề xuất nào đó theo hướng ring ngược lại

• Nút mạng hướng truyền lên sẽ điều chỉnh tốc độ truyền sao cho không vượt quá giá trị băng

Mô tả cơ cấu chia sẻ băng

Ví dụ về thuật giải chia sẻ băng thông công bằng khi tắc nghẽn

Cơ chế ưu tiên phân định theo loại hình lưu lượng

• Chuẩn IEEE 802.17 RPR đề xuất 3 mức

ưu tiên theo loại hình lưu lượng

– Class A (ưu tiên cao nhất),

– Class B (ưu tiên trung bình)

– Class C (ưu tiên thấp nhất)

Băng thông chỉ định cho các

loại hình lưu lượng

• Class A traffic được phân chia thành 2 lớp con: class A0 và A1

– Class A0 được chỉ định trước giá trị băng thông cố

định

– Class A1 được chỉ định trước giá trị băng thông nhưng

có thể điều chỉnh ở giá trị thấp hơn

• Class B chỉ định cho loại hình lưu lượng CIR

(committed information rate) và EIR (excess

information rate)

• Class C chỉ định cho loại hình lưu lượng MIR

(minimum Information rate)

Chức năng bảo vệ phục hồi

• Wrapping:

– nếu sự cố hỏng được phát hiện lưu lượng sẽ được loop vòng lại đầu ra nút mạng gần nhất với nơi có sự cố hỏng Theo đó lưu lượng sẽ được truyền theo chiều ngược lại của ring

• Steering:

– Nếu sự cố hỏng được phát hiện, các nút

mạng kế cận nơi có sự cố hỏng thực hiện

chuyển mạch chọn tín hiệu để chuyển lưu

lượng sang ring dự phòng

Wrapping

Steering

Sơ đồ khối chức năng thực

hiện của nút RPR

Công nghệ Ethernet

• Ethernet là công nghệ đã được sử dụng phổ biến cho các mạng cục bộ LAN trong vài thập kỷ gần đây.

• Công nghệ được khởi đầu bởi công ty Bob Metcalfe, David Boggs

và các đồng nghiệp tại công ty Xerox PARC vào năm 1973

• Hệ thống đầu tiên có tốc độ 3 Mbit/s

• Các công ty Digital, Intel và Xerox (DIX) nghiên cứu chuẩn hóa

công nghệ

• Chuẩn Ethernet 10 Mbit/s (Blue book) công bố năm 1980

• Công nghệ này đã được nhóm nghiên cứu IEEE.802.3 xem xét các khía cạnh xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật vào năm 1980

• Tiêu chuẩn đầu tiên được IEEE ban hành vào năm 1985 (IEEE

802.3 “Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection

(CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specifications”)

• Thực chất các tiêu chuẩn trong họ tiêu chuẩn IEEE 802.3 là bộ tiêu chuẩn của công nghệ Ethernet

Mô hình tham chiếu của công

nghệ Ethernet

Khuôn dạng khung dữ liệu

IEEE 802.3

I G

U L

Byte 0

U

L U

7 bytes 1 byte 6 bytes 6 bytes 2 bytes 1 byte 1 byte 1 or 2 bytes < 1496 bytes 4 bytes

Source Address Bit 0

Destination address

Source address

Length field

Destination Service Access Point (DSAP)

Source Service Access Point (SSAP)

Control fields

Tiện ích truyền dẫn và giao diện kết nối được chuẩn hóa trong

IEEE 802.3

• 10BROAD36: Dùng Broadband, tốc độ 10Mb/s, cáp đồng trục 75 Ohm, phạm vi cáp 1800 m (lên tới 3600m trong cấu hình cáp đôi),

• 100 BASE-X: Gọi là Fast Ethernet, mạng hình sao tương tự

10BASE-, tốc độ 100Mb/s Chuẩn này gồm 100 BASE-TX dùng cho cáp UTP hoặc STP 2 đôI, 100 BASE-FX dùng cho cáp quang, 100 BASE-T4 dùng cho cáp UTP 4 đôi (Four Twisted Pairs)

• 1000 Base – TX/FX sử dụng giao diện kết nối cáp UTP hoặc cáp quang

Thiết bị lặp (repeater)

• Thiết bị lặp khuếch đại tín hiệu thu được (bite) và có khả năng sửa lỗi tín hiệu Tuy nhiên với các luồng dữ liệu tốc

độ cao nó có thể gây trễ

Thiết bị lặp (1)

• Ưu điểm của thiết bị lặp

– Có thể kết nối các phân mảnh mạng LAN với nhau, thậm chí khác nhau về tiện tích truyền tải vật lý (cáp đồng trục, cáp UTP…)

– Giá thành rẻ, thời gian lắp đặt nhanh, dễ dàng ttrong

sử dụng và vận hành bảo dưỡng

• Nhược điểm

– Không tương thích khi ghép nối các phân mảng mạng

sử dụng các phương thức truy nhập khác nhau

– Hạn chế về số lượng thiết bị sử dụng trong một mạng– Chỉ dử dụng cho phân mảnh mạng LAN nhỏ

Thiết bị truyền khung theo LAN BUS (cáp đồng trục)

Thiết bị HUB

• Thực chất hiết bị HUB cũng chính là thiết bị

truyền khung theo LAN BUS

• Thiết bị HUB thực hiên lặp tính hiệu, do vậy nó

có chức năng của thiết bị lặp

• Kết nối với máy tính thông qua cáp UTP

• Hiện tại, thiết bị cho phép kết nối với máy tính với cự ly nhỏ hơn 200 m (UTP cat5/6)

Thiết bị HUB (1)

• Cơ chế làm việc của HUB

Thiết bị HUB (2)

• Ưu điểm

– Thiết bị có giá thành rẻ, dễ triển khai

– Có thể mở rộng hoặc nối các hub với nhau để tăng số lượng người sử dụng

– Kết nối dễ dàng các phân mảnh mạng dùng HUB với các thiết bị chuyển mạch

Thiết bị chuyển mạch Ethernet (Ethernet Switch)

• Là thiết bị bao gồm nhiều công Ethernet tốc độ cao, cho phép kết nối với nhiều phân mảnh mạng LAN

• Có nhiều phương thức chuyển mạch khác nhau tùy thuộc tiện ích truyền dẫn, như Ethernet, FDDI, Token Ring, ATM…

• Chuyển mạch Ethernet thực hiện chức năng chuyển tiếp

khung dữ liệu giữa các giao diện vào/ra Ethernet

• Việc chuyển tiếp khung dữ liệu dựa trên địa chỉ MAC

• Chuyển mạch Ethernet có thể thực hiện nhiều tính năng tiên tiến như cơ chế chuyển mạch/xếp hàng ưu tiên, cơ chế kiến tạo dịch vụ lớp 2

• Chuyển mạch Ethernet thế hệ mới còn thực hiện tính năng chuyển mạch lớp 3, cho phép kiến tạo các dịch vụ truyền tải

Chuyển mạch Ethernet (2)

• Sơ đồ khối chức năng của một nút chuyển mạch

Chuyển mạch Ethernet (3)

• Mô hình một mạng Ethernet có sử dụng chuyển mạch

– Triển khai mạng trong phạm vi lớp gặp nhiều khó khăn cần phải

có công nghệ truyền tải khác hỗ trợ

IEEE 802.3z: Mạng Gigabit Ethernet trên cáp quang

• Chuẩn hóa năm 1998.

• Tại tầng liên kết dữ liệu:

– Hoạt động ở chế độ song công và chuyển mạch

– Điều khiển truy nhập: CSSMA/CD trong phương thức song công

• Phương tiện truyền dẫn cơ bản là sợi quang đơn mode (SMF) hoặc đa

mode (MMF)

• Tín hiệu được truyền dẫn chủ yếu trên hai bước sóng là 850nm (bước sóng ngắn) và 1310 nm (bước sóng dài)

• Tại tầng vật lý:

– 1000Base-SX : chuẩn cho cáp quang bước sóng ngắn

• Với cáp quang đa mode 62.5 μm, khoảng cách tối đa 220-275 m

• Với cáp quang đa mode 50 μm, khoảng cách tối đa 500-550 m

– 1000Base-LX : chuẩn cho cáp quang bước sóng dài

• Với cáp quang đa mode 62.5/50 μm, khoảng cách tối đa 550 m

• Với cáp quang đơn mode 9 μm, khoảng cách tối đa 5000 m

• 1000Base-CX : chuẩn cho cáp đồng tuyến ngắn

– Với cáp đồng trục, khoảng cách tối đa là 25 m

Gigabit Ehernet trên cáp đồng:

Chuẩn IEEE 802.3ab

• Chuẩn hóa năm 1998

– Tại tầng liên kết dữ liệu:

– Hoạt động ở chế độ song công và chuyển mạch

– Điều khiển truy nhập: CSSMA/CD trong phương thức song công

• Phương tiện truyền dẫn cơ bản là cáp UTP cat (5,6,7)

• đặc trưng bởi 1000Base-T Sử dụng cả 4 đôi dây cáp UTP Cat 5 (hoặc Cat-6, Cat- 7) với khoảng cách tối đa 100m Tín hiệu truyền dẫn song công trực tiếp 2 chiều trên cả 4 đôi với tốc độ 250 Mbps/ 1 đôi dây

• Tại tầng vật lý

– 1000Base-T: Sử dụng cả 4 đôi dây cáp UTP Cat 5 (hoặc Cat-6, Cat- 7) với khoảng cách tối đa 100m

– 1000Base-CX : Chuẩn cho cáp đồng tuyến ngắn, cáp đồng trục,

khoảng cách tối đa là 25 m