Mạng đô thị Man và giải pháp xây dựng mạng viễn thông Hà nội

Mạng đô thị Man và giải pháp xây dựng mạng viễn thông Hà nội Mạng đô thị Man và giải pháp xây dựng mạng viễn thông Hà nội Mạng đô thị Man và giải pháp xây dựng mạng viễn thông Hà nội luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

trường đại học bách khoa hà nội

-

LUậN VĂN THạC Sỹ KHOA HọC Ngành: kỹ thuật điện tử

MạNG ĐÔ THị MAN Và GIảI PHáP XÂY DựNG MạNG VIễN THÔNG Hà NộI

CAO NGọC TIếN

Hà NộI 2009

Cao ngọc tiến

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYễN VIếT NGUYÊN

Hà NộI 2009

MỤC LỤC

Trang LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

TỪ VIẾT TẮT A DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU E DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ F

MỞ ĐẦU 1

CH ƯƠNG 1 3

TỔNG QUAN VỂ MẠNG ĐÔ THỊ 3

1.1 Mạng đô thị là gì, vai trò của mạng 3

1.2 Cấu trúc phân lớp của mạng MAN, các công nghệ ứng dụng 6

1.3 Các công nghệ ứng dụng phân lớp 3 7

1.3.1 Công nghệ IP 7

1.3.2 Công nghệ MPLS 8

1.3.3 Công nghệ G-MPLS 21

1.4 Các công nghệ ứng dụng phân lớp 2 22

1.5 Các công nghệ ứng dụng phân lớp 1 34

CH ƯƠNG 2 46

ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ CỦA MẠNG ĐÔ THỊ 46

2.1 Khái niệm chất lượng dịch vụ (QoS- Quality of Service) 46

2.2 Các phương pháp đánh giá QoS 47

2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ QoS 50

2.4 Các mô hình kiến trúc đảm bảo QoS 51

CHƯƠNG 3 66

GIẢI PHÁP CỦA MỘT SỐ NHÀ SẢN XUẤT VÀ CÁC DỊCH VỤ ỨNG DỤNG TRONG MẠNG METRO 66

3.1 Cấu trúc, giải pháp Metro của một số Nhà sản xuất 66

3.2 Đa dịch vụ trong mạng Metro 72

CH ƯƠNG 4 77

ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP MẠNG ĐÔ THỊ MAN-NGN CHO THÀNH PHỐ HÀ NỘI 77

4.1 Sơ lược về mạng viễn thông hiện tại của Thành phố Hà Nội 77

4.2 Nhu cầu phát triển lên MAN – NGN của thành phố Hà Nội 79

4.3 Đề xuất về cấu trúc, các giải pháp xây dựng mạng Metro cho BĐHN 81

4.4 Hướng triển khai xây dựng cụ thể mạng MAN của BĐHN 84

4.5 Thiết kế mô hình QoS cho mạng Viễn thông Hà Nội 88

KẾT LUẬN 93

TÀI LIỆU THAM KHẢO 94 TÓM TẮT LUẬN VĂN

Đường dây thuê bao số bất đối xứng

ADM Add Drop Multiplexer Thiết bị xen/rẽ lưu lượng

AF Assured Forwarding Chuyển tiếp đảm bảo

ARIS Aggresgate Route-Based IP

Switching

Chuyển mạch IP theo phương pháp tổng hợp tuyến

ARP Address Resolution Protocol Giao thức phân tích địa chỉ

ARQ Admission Request Yêu cầu đăng ký

ATM Asynchronuos Transfer Mode Phương thức truyền dẫn không đồng

bộ BCF Bearer Control Function Chức năng điều khiển tải tin

BE Best Effort Dịch vụ nỗ lực tốt nhất

BER Bit Error Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

BGP Border Gateway Protocol Giao thức cổng biên

B-ISDN B-Inergrated Service Digital

Network

Mạng số các dịch vụ tích hợp băng rộng

BR Bandwidth Request Yêu cầu băng thông

BRAS BroadBand Remote Access

Server

Máy chủ truy nhập băng rộng từ xa

BW Bandwidth Băng thông

BWA Broadband Wireless Access Truy nhập không dây băng rộng

CA Call Agent Đại lý gọi

CAS Common Access Signalling Báo hiệu kênh chung

CCS7 Common Chanell Signalling

Hoạt động hướng kết nối

CoS Class of Servcie Lớp dịch vụ

CPE Customer Premise Equipment Thiết bị phía khách hàng

CSMA Carrier Sense Multiple

Giao thức cấu hình Host động

Diffserv Differentiated Services Dịch vụ phân biệt

DSL Digital Subcriber Line Đường dây thuê bao số

DSLAM DSL Access Module Khối truy nhập DSL

DWDM Density Wavelength Division Ghép kênh phân chia bước sóng dày

Multiplexing đặc

EF Expedited Forwarding Chuyển tiếp xúc tiến

ETSI European

Telecommunications Standards Institute

Viện các chuẩn viễn thông Châu Âu

FEC Forwarding Equivalence

Classes

Lớp chuyển tiếp tương đương FIB Forwarding Information Base Bảng gửi chuyển tiếp trong bộ định

tuyến FDM Frequence Division

Mutiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số

GE Gigabit Ethernet Mạng gigabit

GS Guardrantee Service Dịch vụ đảm bảo

IEEE Institute of Electrical and

Electronic Engineers

Viện các kĩ sư điện và điện tử

Intserv Intergrated Service Dịch vụ tích hợp

IP Internet Protocol Giao thức Internet

IPATM The IP over ATM Giao thức Internet trên ATM

ISDN Integrated Services Digital

Network

Mạng số đa dịch vụ

ISP Internet Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ Internet ISR Integrated Switch Router Bộ định tuyến chuyển mạch tích hợp LAN Local Area Network Mạng vùng cục bộ

LDP Label Distribution Protocol Giao thức phân phối nhãn

LFIB Label Forwarding

Information Base

Bộ thông tin chuyển tiếp nhãn LIB Label Information Base Bảng thông tin nhãn trong bộ định

tuyến LSP Label Switch Path Tuyến chuyển mạch nhãn

LSR Label Switch Router Thiết bị định tuyến chuyển mạch

nhãn MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập phương tiện MAN Metropolitan Area Network Mạng đô thị/ Mạng diện rộng

MG Media Gateway Cổng phương tiện

MGC Media Gateway Controller Thiết bị điều khiển MG

MPLS Multi Protocol Label

Khai thác quản lý và bảo dưỡng

OADM Optical Add Drop

Multiplexer

Thiết bị xen / rẽ quang OCh Optical Channel Kênh quang

PAN Personal Area Network Mạng cá nhân

PCF Point Control Function Chức năng điều khiển điểm

PDA Personal Digital Assistant Hỗ trợ cá nhân dùng kĩ thuật số

POS Packet over SDH Gói trên SDH

POST Plain Old Telephone Service Mạng thoại truyền thống

PMD Physical Media Dependent Đường truyền vật lý độc lập

PMP Point to Multipoint Điểm - đa điểm

PSTN Public Switch Telephone

Network

Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng

PPP Point to Point Protocol Giao thức điểm-điểm

QoS Quality Of Service Chất lượng dịch vụ

RAS Remote Access Server Máy chủ truy nhập từ xa

RAS Registration Admission

Status

Đăng ký, chấp nhận, tình trạng

REQ Request Yêu cầu

RFI Radio Frequency Interference Nhiễu tần số vô tuyến

RSVP Resource Reservation

Protocol

Giao thức dành sẵn tài nguyên

Rx Receiver Đầu thu

SAN Storage Area Network Mạng lưu trữ dữ liệu vùng

SAP Service Access Point Điểm truy nhập dịch vụ

SDH Synchronous Digital

Hierarchy

Hệ thống phân cấp kỉ thuật số đồng

bộ SDU Service Data Unit Đơn vị dữ liệu dịch vụ

SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

SOHO Small Office Home Office Văn phòng gia đình văn phòng nhỏ SONET Synchronous Optical

Lớp con hội tụ các dịch vụ riêng

STC Space Time Code Mã không gian thời gian

STM Synchronuos Transfer Mode Trường chuyển mạch đồng bộ

TC Transmission Convergence Lớp hội tụ truyền dẫn

TDM Time Division Multiplexer Ghép kênh phân chia theo thời gian TDP Tag Distribution Protocol Giao thức phân phối thẻ

TE/RRR Traffic Engineering/ Routing

with Resource Reservation

Kỹ thuật lưu lượng/ Định tuyến dành trước tài nguyên

TE Termination Equipment Thiết bị đầu cuối

TER Tag Edge Routers Bộ định tuyến thẻ rìa

Tx Transmition Máy phát

VoIP Voice over IP Thoại qua IP

VLAN Vitual LAN Mạng LAN ảo

VP Vitual Path Đường dẫn ảo

VPC Vitual Path Connection Cuộc kết nối đường ảo

VPN Virtual Private Network Mạng riêng ảo

WAN Wide Area Network Mạng diện rộng

WDM Wavelength Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo bước sóng WLL Wireless Local Loop Mạch vòng vô tuyến nội hạt

WS Work Station Trạm làm việc

xDSL Digital Subcriber Line Họ công nghệ DSL

DANH M ỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Khoảng cách truyền dẫn hỗ trợ bởi PMD 33

Bảng 1.2 Thông số của PMD và PHY 33

Bảng 2.1 Một số đặc điểm QoS quan trọng của MPLS 64

Bảng 4.1 Các hình thức kết nối 81

Bảng 4.2 Bảng cam kết đáp ứng dịch vụ 92

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 So sách tốc độ các loại dịch vụ băng thông rộng 4

Hình 1.2 Mô hình mạng MAN 5

Hình 1.3 Cấu trúc phân lớp của mạng MAN 6

Hình 1.4 Các công nghệ trong lớp truyền tải của mạng MAN 7

Hình 1.5 Sự hội tụ của MPLS 10

Hình 1.6 Cấu trúc khung của MPLS 10

Hình 1.7 Nhiệm vụ của các node mạng MPLS 11

Hình 1.8 Cơ chế chuyển gói tin 12

Hình 1.9 Cơ chế cấp phát nhãn 13

Hình 1.10 Bản tin Label Request và Label Mapping 14

Hình 1.11 Quá trình xây dựng một LSP bằng giao thức LDP 15

Hình 1.12 Cơ chế tạo tuyến lưu lượng thông suốt 16

Hình 1.13 Cơ chế hoạt động của RSVP 18

Hình 1.14 Mô tả luồng hoạt động của RSVP 19

Hình 1.15 Vòng RPR 23

Hình 1.16 Mô hình tham chiếu RPR MAC 24

Hình 1.17 MAC Datapath 25

Hình 1.18 Kiến trúc bộ đệm gói đơn và kiến trúc bộ đệm gói kép 26

Hình 1.19 Đường đi của dữ liệu trước khi sợi quang bị đứt 29

Hình 1.20 Đường đi của dữ liệu sau khi Wrap 29

Hình 1.21 Đường đi của dữ liệu sau một topology discovery mới 30

Hình 1.22 Kiến trúc LAN và WAN PHY 31

Hình 1.23 Chức năng XAUI như là giao diện mở giữa MAC và PCS 32

Hình 1.24 Cấu trúc thiết bị NG-SDH 34

Hình 1.25 Truyền tải IP trên nền SDH 35

Hình 1.26 Kiến trúc ghép kênh SONET/SDH 36

Hình 1.27 Xu thế phát triển của mạng SDH/SONET 38

Hình 1.28 Giao diện của GFP 39

Hình 1.29 Ví dụ ghép kênh vào luồng OC48 theo phương thức LCAS 39

Hình 1.30 Phân cấp mạng quang theo lớp 41

Hình 1.31 Kiến trúc mạng truyền tải quang 41

Hình 1.32 Hệ thống ghép bước sóng một hướng 44

Hình 1.33 Hệ thống ghép bước sóng hai hướng 44

Hình 2.1 Mối quan hệ QoS từ phía người dùng và nhà cung cấp 46

Hình 2.2 Quá trình RSVP 55

Hình 2.3 Diffserv và trường ToS 57

Hình 2.4 Các thành phần của một node hỗ trợ Diffserv 59

Hình 2.5 Chức năng định tuyến Diffserv 60

Hình 3.1 Cấu trúc mạng Metro của Cisco 67

Hình 3.2 Cấu trúc logic của mạng Metro 67

Hình 3.3 Cấu trúc mạng Metro của Nortel 68

Hình 3.4 Cấu trúc mạng Metro của Siemens 71

Hình 3.5 Đa dịch vụ trong mạng Metro 72

Hình 3.6 Dịch vụ Ethernet LAN (E-LAN Service) 73

Hình 3.7 Mô hình cung cấp dịch vụ cung cấp cho người dân 74

Hình 3.8 PPPoE Internet service 74

Hình 3.9 Dịch vụ IPTV 75

Hình 3.10 Dịch vụ VoD 75

Hình 3.11 Dịch vụ IP Phone 76

Hình 4.1 Cấu trúc mạng chuyển mạch của Bưu điện TP Hà Nội 77

Hình 4.2 Cấu trúc của mạng truyền dẫn của Bưu điện TP Hà Nội 78

Hình 4.3 Mạng Internet của Bưu điện TP Hà Nội 79

Hình 4.5 Mô hình mạng Metro của viễn thông Hà Nội 85

Hình 4.6.Thiết bị truy nhập IP cho mạng thế hệ sau 86

Hình 4.7 Mạng MAN-NGN hoàn chỉnh 88

Hình 4.8 Mô hình QoS cho mạng MAN Hà Nội 89

Hình 4.9 Mô hình phân loại lưu lượng 90

MỞ ĐẦU

Sự phát triển rất nhanh về kinh tế, văn hóa, xã hội trong môi trường các khu đô thị, các thành phố lớn kéo theo nhu cầu về trao đổi thông tin là rất lớn và đa dạng về các loại hình dịch vụ cũng như chất lượng và tốc độ dịch vụ Trong một xã hội văn minh hiện đại, thông tin liên lạc đã trở thành một nhu cầu thiết yếu chỉ đứng sau nhu cầu cơ bản để tồn tại Sự đột phá trong công nghệ viễn thông và công nghệ thông tin, đặc biệt là sự hội tụ giữa chúng - giao thức Internet Protocol (IP) đang bùng nổ ở các nước phát triển và đang phát triển

Thực tế mạng viễn thông hiện nay đã có một bước tiến dài nhờ có sự bùng nổ của các công nghệ mới và nhu cầu sử dụng dịch vụ viễn thông của khách hàng Tuy nhiên trong tương lai mạng viễn thông không những chỉ thỏa mãn cho khách hàng các dịch vụ thoại, phi thoại, Internet và các dịch vụ băng rộng mà còn phải đáp ứng cho khách hàng các dịch vụ có độ tích hợp cao, các dịch vụ đa phương tiện với các thuộc tính an ninh, bảo mật, chất lượng, linh hoạt và thông minh nhất

Công nghệ mạng đã trải qua các giai đoạn chuyển đổi từ tương tự sang số, từ chuyển mạch kênh sang chuyển mạch gói IP, từ mạng số tích hợp băng hẹp sang mạng số tích hợp băng rộng để có thể đáp ứng nhu cầu sử dụng dịch vụ cho người dùng đầu cuối Mặc dù vậy mạng hiện tại vẫn không thõa mãn hết được nhu cầu của khách hàng Chính vì vậy cần có một mô hình tổ chức mạng mới tập hợp được tất

cả các ưu điểm của mạng viễn thông hiện tại và thoả mãn đáp ứng được các nhu cầu truyền thông trong tương lai

Điều này dẫn đến việc cơ sở hạ tầng thông tin hiện tại với công nghệ TDM (chuyển mạch kênh, truyền dẫn SDH) là chủ yếu, sẽ rất khó đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin như vậy cả về loại hình dịch vụ và cường độ lưu lượng thông tin Do vậy việc nghiên cứu tìm hiểu công nghệ để xây dựng một cơ sở hạ tầng mạng đô thị MAN (Metropolitan Area Network) đáp ứng nhu cầu trên là việc làm cấp thiết của các nhà cung cấp dịch vụ

Với các lý do trên, cùng với sự hướng dẫn tận tình của TS Nguyễn Viết Nguyên, tôi đã thực hiện và hoàn thiện luận văn cao học: “ Mạng đô thị MAN và giải pháp xây dựng mạng viễn thông Hà Nội”

Luận văn gồm các chương với nội dung chính như sau:

Chương 1: Tổng quan về mạng đô thị

Chương 2: Đánh giá chất lượng của mạng đô thị

Chương 3: Giải pháp của một số nhà sản xuất và các dịch vụ ứng dụng trong mạng Metro

Chương 4: Đề xuất giải pháp mạng đô thị MAN-NGN cho thành phố Hà Nội.Tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Viết Nguyên đã tận tình hướng dẫn tôi

thực hiện luận văn này Trong suốt quá trình nghiên cứu, thực hiện luận văn, dưới

sự hướng dẫn rất bài bản và khoa học của Tiến sỹ, tôi đã học hỏi được những kiến thức và phương pháp nghiên cứu khoa học bổ ích

Nhân dịp này, tôi cũng xin gửi lời cám ơn các bạn bè, đồng nghiệp và gia đình

đã tích cực hỗ trợ, góp ý cho tôi trong quá trình nghiên cứu, thu thập tài liệu và hoàn chỉnh luận văn này

Do khả năng, cũng như thời gian còn hạn chế nên luận văn không thể trách khỏi các sai sót Kính mong nhận được sự chỉ bảo của thầy cô và các ý kiến đóng góp của bạn bè, đồng nghiệp quan tâm đến đề tài này, để luận văn được hoàn thiện hơn Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà nội, ngày……tháng… năm 2009

Người viết luận văn

Cao Ngọc Tiến

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỂ MẠNG ĐÔ THỊ 1.1 Mạng đô thị là gì, vai trò của mạng

Mạng đô thị băng rộng đa dịch vụ, gọi tắt là mạng MAN (Metropolitan Area Network) là mạng băng thông rộng trên cơ sở tích hợp cấu trúc mạng thế hệ mới - NGN (Next Generation Network), có khả năng cung cấp một siêu xa lộ thông tin Mạng MAN là mạng máy tính lớn có kích cỡ trung bình từ vài km đến vài chục

km, có khả năng tạo ra các kết nối tốc độ cao, lên đến hàng trăm Megabit/s (có thể

mở rộng lên đến Gigabit/s) Nó có thể được kết nối các nhóm văn phòng, các nhóm doanh nghiệp, trường, viện, đơn vị,… phục vụ cho công tác chỉ đạo, quản lý hành chính nhà nước, trao đổi thông tin, cung cấp các dịch vụ hành chính công, chuẩn bị cho phát triển thương mại điện tử Xu hướng tích hợp giữa công nghệ thông tin và viễn thông trên một cơ sở hạ tầng mạng duy nhất đã thúc đẩy nhóm các nhà cung cấp thiết bị, giải pháp xây dựng và khai thác mạng,…quan tâm nghiên cứu Mạng đô thị thế hệ kế tiếp (Next Generation Metropolitan Area Network) Mạng đô thị được hiểu nằm giữa mạng truyền tải đường trục và mạng truy nhập

Mạng đô thị băng rộng (MetroNet-MAN) cung cấp đường truyền tốc độ siêu cao, có khả năng cung cấp nhiều loại dịch vụ giá trị gia tăng cùng lúc trên cùng một đường truyền, chủ yếu sử dụng đường truyền cáp quang MetroNet được thiết kế mạng lõi theo dạng mạch vòng và được cáp quang hóa nên có tốc độ cao có thể lên tới hàng Gbps, đáp ứng được mọi nhu cầu về tốc độ cũng như các ứng dụng cao cấp, chất lượng đường truyền rất cao, không bị xuyên nhiễu, đảm bảo tốc độ ổn định và tính bảo mật cao

Nhờ ứng dụng công nghệ tiên tiến nhất kết hợp với hệ thống cáp quang đến tận nhà, MetroNet cung cấp cho khách hàng khả năng sử dụng đồng thời 3 loại dịch vụ

là thoại (voice), dữ liệu (data) và hình ảnh (video) gồm: truyền dữ liệu, hình ảnh (video), IP TV, điện thoại có hình ảnh (video phone), hội nghị truyền hình, xem phim theo yêu cầu (video on demand), truyền hình cáp, giáo dục từ xa, giám sát từ

xa, truy cập Internet,…

Hình 1.1 So sách tốc độ các loại dịch vụ băng thông rộng

Một trong những ứng dụng nổi bật của của MetroNet là tích hợp các ứng dụng trong thời gian thực nhờ băng thông cực rộng, tính linh hoạt cao Người sử dụng có thể dễ dàng thay đổi cấu hình băng thông tùy theo ý muốn tùy mục đích sử dụng và tiết kiệm

Với băng thông rộng lên tới 1 Gbps, người dùng dịch vụ này sẽ tiết kiệm được thời gian tải các chương trình, nhất là đối với các cơ sở dữ liệu, hệ thống hình ảnh, phim… có dung lượng lớn Tùy theo nhu cầu thực tế và điều kiện khách hàng, MetroNet có thể dễ dàng thay đổi cấu hình băng thông theo yêu cầu của khách hàng theo từng nấc 1Mbps Một cách khác là người sử dụng có thể lựa chọn 4 mức cam kết chất lượng dịch vụ (gọi là SLA) gồm: SLA1 ứng dụng thoại, SLA2 ứng dụng thời gian thực như video, IPTV, video phone, video conferenceing…, SLA3 thực hiện truyền số liệu và SLA4 cho chất lượng dịch vụ tối thiểu tùy lựa chọn của khách hàng

MetroNet cho phép thuê bao thiết lập mạng theo những cách mà dịch vụ truyền thống khác không thể thực hiện được Khách hàng có thể sử dụng 2 kiểu kết nối là

từ điểm đến điểm (Point - to - Point) và đa điểm đến đa điểm (Multipoint - to - Multipoint) Chẳng hạn, một công ty sử dụng dịch vụ MetroNet có thể kết nối nhiều mạng của họ (LAN, WAN), hoặc mạng của đối tác ở nhiều vị trí khác nhau để thành lập một mạng riêng ảo (VPN) hoặc kết nối Internet tốc độ cao đến nhà cung cấp dịch vụ Internet

Một điểm đặc biệt khi sử dụng MetroNet là khách hàng có thể thêm vào hoặc thay đổi băng thông rất nhanh thay vì phải thực hiện trong vài ngày hoặc thậm chí vài tuần như khi sử dụng những dịch vụ mạng truy nhập khác (Frame relay,

ATM…) Ngoài ra, những thay đổi này không đòi hỏi người sử dụng phải mua thiết

bị mới

Thuận lợi khi sử dụng dịch vụ này là người dùng sẽ có nhiều điều kiện thuận lợi, hội đủ tăng cường hiệu năng của hệ thống CNTT và viễn thông, dễ dàng triển khai các ứng dụng chuyên nghiệp và hiện đại nhất trên mạng, tích hợp việc giám sát mạng nhanh chóng, dễ dàng triển khai thêm các dịch vụ tiện ích với giá trị gia tăng trên mạng, kết nối mạng liên tỉnh, quốc tế với băng thông rộng, kết nối với các nhà cung cấp nội dung thông tin để tăng tính đa dạng và hiệu quả khai thác mạng nội bộ

Hình 1.2 Mô hình mạng MAN

Khách hàng làcác hộ dân

Khách hàng là

các công ty

MÔ HÌNH

1.2 C ấu trúc phân lớp của mạng MAN, các công nghệ ứng dụng

Hình 1.3 Cấu trúc phân lớp của mạng MAN

Chức năng các lớp trong mạng MAN:

- Lớp truy nhập: Kết nối mạng MAN và các thiết bị đầu cuối thuê bao hoặc các mạng truyền thống khác

- Lớp truyền tải: Định tuyến, chuyển mạch và chuyển tiếp gói tin giữa các phần tử mạng

- Lớp điều khiển có chức năng:

+ Điều khiển kết nối và báo hiệu cuộc gọi

+ Điều khiển lưu lượng và chất lượng dịch vụ

+ Điều khiển hoạt động của các phần tử mạng

- Lớp ứng dụng/dịch vụ: Điều phối, cung cấp dịch vụ và ứng dụng

- Lớp quản lý mạng: Có chức năng quản lý mạng theo mô hình MAN

+ Quản lý kinh doanh, chăm sóc khách hàng

+ Quản lý dịch vụ

+ Quản lý kết nối, tính cước

+ Quản lý tài nguyên và chất lượng mạng

Tham chiếu lớp truyền tải trong kiến trúc phân lớp của mạng MAN sang mô hình OSI và các công nghệ tương ứng trong lớp truyền tải

Hình 1.4 Các công nghệ trong lớp truyền tải của mạng MAN

Lớp truyền tải của mạng MAN bao gồm các phân lớp 1, 2, 3 trong kiến trúc phân lớp OSI

- Tại phân lớp 3: Sử dụng công nghệ IP, MPLS và tiến tới xây dựng GMPLS

- Tại phân lớp 2: Công nghệ ứng dụng là RPR, Gigabit Ethernet

- Tại phân lớp 1: Công nghệ ứng dụng là NG-SDH, DWDM

Dưới đây sẽ xem xét và đánh giá chi tiết các công nghệ này

1.3 Các công nghệ ứng dụng phân lớp 3

1.3.1 Công nghệ IP

Công nghệ IP hiện đã rất phổ biến, do vậy luận văn này chỉ nêu một số kiến thức cơ bản, ưu nhược điểm chính của công nghệ

IP chính là thành phần chính của kiến trúc mạng Internet Trong kiến trúc này,

IP đóng vai trò lớp 3 IP định nghĩa cơ cấu đánh số, cơ cấu chuyển tin, cơ cấu định tuyến và các chức năng điều khiển ở mức thấp (ICMP) Gói tin IP gồm địa chỉ của bên nhận; địa chỉ là một số duy nhất trong toàn mạng và mang đầy đủ thông tin cần cho việc chuyển gói tin tới đích

Cơ cấu định tuyến có nhiệm vụ tính toán đường đi tới các nút trong mạng Do vậy, cơ cấu định tuyến phải được cập nhật các thông tin về topo mạng, thông tin về

nguyên tắc chuyển tin (như trong BGP) và nó phải có khả năng hoạt động trong môi trường mạng gồm nhiều nút Kết quả tính toán của cơ cấu định tuyến được lưu trong các bảng định tuyến (routing table) chứa thông tin về chặng tiếp theo để có thể gửi gói tin tới hướng đích

Dựa trên các bảng có định tuyến, cơ cấu định tuyến chuyển mạch các gói IP hướng tới đích Phương thức định tuyến truyền thống là theo từng chặng một Ở cách này, mỗi nút mạng tính toán bảng định tuyến một cách độc lập Do vậy, phương thức này yêu cầu kết quả tính toán của phần định tuyến tại tất cả các nút phải nhất quán với nhau Sự thống nhất của kết quả sẽ dần tới việc chuyển gói tin sai hướng, điều này đồng nghĩa với việc mất gói tin

Kiểu định tuyến theo từng chặng hạn chế khả năng của mạng Ví dụ, với phương thức này, nếu các gói tin chuyển tới cùng một địa chỉ mà đi qua cùng một nút thì chúng sẽ được truyền qua cùng một tuyến tới điểm đích Điều này khiến mạng không thể thực hiện một số chức năng khác như định tuyến theo đích, theo loại dịch vụ,…

Tuy nhiên bên cạnh đó, phương thức định tuyến và chuyển tin này nâng cao độ tin cậy cũng như khả năng mở rộng của mạng Giao thức định tuyến động cho phép mạng phản ứng lại với sự cố bằng việc thay đổi tuyến khi router biết được sự thay đổi về topo mạng thông qua việc cập nhật thông tin về trạng thái kết nối Với các phương thức như CIDR (Classless Interdomain Routing), kích thước của bảng định tuyến được duy trì ở mức chấp nhận được, và do việc tính toán định tuyến đều do các nút tự thực hiện, mạng có thể được mở rộng mà không cần thực hiện bất kỳ một thay đổi nào

Tóm lại, IP là một giao thức có độ tin cậy và khả năng mở rộng cao Tuy nhiên, việc điều khiển lưu lượng rất khó thực hiện do phương thức định tuyến theo từng chặng Ngoài ra, IP cũng không hỗ trợ chất lượng dịch vụ mà chỉ với sự “cố gắng tối đa”

1.3 2 Công nghệ MPLS

Chuyển mạch nhãn đa giao thức (Multiple - Protocol Label Switching - MPLS)

là một công nghệ định tuyến/chuyển tiếp mới nhất cho mạng thường trực Internet, mang lại một giải pháp tích hợp thông suốt việc điều khiển định tuyến lưu lượng IP với sự đơn giản của chuyển mạch lớp 2 Trong các định tuyến truyền thống, các gói

IP di chuyển qua một loạt các router thông qua cơ chế định tuyến theo từng chặng (hop - by - hop) có tính hiệu quả thấp, thời gian định tuyến chậm MPLS ban đầu

được phát triển để cải thiện tốc độ chuyển tiếp gói của router Nền tảng của MPLS

là phát sinh ra các nhãn có chiều dài cố định và ngắn gọn thể hiện địa chỉ mạng lớp

3 của một gói Tất cả các quyết định chuyển mạch hay chuyển tiếp trên gọi dựa trên các nhãn này

MPLS thay thế định tuyến gói bằng chuyển mạch gói Nó dựa trên thực tế quá trình định tuyến gói phải thực hiện hai việc là phân tích mào đầu và lựa chọn bước tiếp theo Chức năng đầu sẽ chia tập hợp các gói có mào đầu tương đồng vào các lớp chuyển tiếp tương đương (FEC - Forwarding Equivalence Classes) Chức năng sau sẽ ghép mỗi FEC và bước chuyển tiếp MPLS thêm vào gói IP một nhãn ở router đầu vào Nhãn trong MPLS là một số có độ dài cố định và không phụ thuộc vào lớp mạng Nhờ đó bộ chuyển mạch/router thực hiện chuyển tiếp trực tiếp nhanh chóng gói đến đích Tại router/chuyển mạch đầu ra nhãn đó được gỡ bỏ

MPLS sử dụng cơ chế hoán đổi nhãn như của ATM để tăng tốc độ truyền gói tin mà không cần thay đổi các giao thức định tuyến của IP Nó tách chức năng của

IP router ra làm hai phần riêng biệt: Chức năng chuyển gói tin và chức năng điều khiển Phần chức năng chuyển gói tin, với nhiệm vụ gửi gói tin giữa các IP router,

sử dụng cơ chế hoán đổi nhãn tương tự như của ATM Kỹ thuật hoán đổi nhãn về bản chất là việc tìm nhãn của một gói tin trong một bảng các nhãn để xác định tuyến của gói và nhãn mới của nó Việc này đơn giản hơn nhiều so với việc xử lý gói tin theo kiểu thông thường và do vậy cải thiện khả năng của thiết bị Phần chức năng điều khiển của MPLS bao gồm các giao thức định tuyến lớp mạng với nhiệm vụ phân phối thông tin giữa các LSR và thủ tục gán nhãn để chuyển thông tin định tuyến thành các bảng định tuyến cho việc chuyển mạch

MPLS là một công nghệ đã được chuẩn hóa, các giao thức tương tác nhằm đảm bảo tính tương thích giữa các thiết bị của các nhà sản xuất khác nhau Các thiết bị mạng đều đã được thương mại hóa, cho nên giá thành hệ thống tương đối thấp MPLS hỗ trợ nhiều cấu hình mạng: MPLS hỗ trợ bất cứ cấu hình mạng (Ring, Star, Mix) cho phép sử dụng các giao diện GE, POS, 10 GB quang, có khả năng thiết lập các đường kết nối riêng giữa hai nút bất kỳ với nhiều tốc độ khác nhau không đòi hỏi cùng tốc độ trên các tuyến tạo khả năng cấu hình mạng mềm dẻo, linh hoạt

MPLS là một trong những công nghệ tiên tiến nhất có nhiều lợi điểm trong đó phải kể đến một số tính năng quan trọng như Traffic Engineering, MPLS - VPN, OAM, Billing, Accounting, khả năng phục hồi mạng khi có lỗi (<50 ms) … Nó đặc biệt thích hợp cho việc triển khai mạng truyền số liệu chuyên dùng và mạng nội đô

Tóm lại MPLS đã kết hợp được khả năng chuyển mạch tốc độ cao của ATM và tính thông minh, linh hoạt của IP

Hình 1.5 Sự hội tụ của MPLS

Gói tin chuyển đến lớp MPLS sẽ được gắn một nhãn nhằm phân loại thông tin vận chuyển là thoại/video/số liệu để các loại gói tin sẽ được xử lý ưu tiên khác nhau

Hình 1.6 Cấu trúc khung của MPLS

Phần mào đầu MPLS (laber shim) có thể gồm một hoặc nhiều nhãn, mỗi nhãn gồm bốn trường:

- Laber (20 bit): Nội dung nhãn

- Exp (3 bit): Cấp độ dịch vụ, cung cấp tối đa 8 cấp độ dịch vụ khác nhau, tuy nhiên hiện tại mới chỉ dùng 3 cấp độ: Cố gắng tối đa (best effort), nhiệm vụ tới hạn (mission critical) và thời gian thực (real time)

- S (1 bit): Cờ đánh dấu kết thúc nhãn nếu S = 1

- TTL (8 bit): Thời gian tồn tại của gói tin

Mạng MPLS gồm hai phần: Biên và lõi với chức năng riêng biệt:

- Lõi: Chuyển mạch nhãn và chuyển gói

- Biên: Xử lý gói, dán nhãn và định tuyến

MPLS gồm bộ định tuyến biên LER (Laber Edge Router) được tích hợp các giao thức định tuyến và bộ định tuyến lõi LSR (Laber Switch Router) thực hiện chức năng chuyển mạch nhãn gói tin

Hình 1.7 Nhiệm vụ của các node mạng MPLS

Nhãn ngoài cùng của gói tin MPLS sẽ được LSR phân tích để chọn một trong

ba tác vụ sau: Tráo đổi hay thay nhãn mới (swap); Lấy nhãn ra (pop); Thêm nhãn vào (push)

Tác vụ push sẽ cộng thêm nhãn vào phía trước của chồng nhãn (encapsulting)

=> một nâng cấp mới được tạo ra => cho phép gói tin MPLS được định tuyến theo

cơ chế phân cấp (hierarchical routing)

Tác vụ pop sẽ tách nhãn ngoài cùng khỏi gói tin (decapsulating) Trường hợp nhãn cuối cùng trên chồng nhãn được bóc thì gói tin sẽ rời khỏi tuyến ngầm MPLS

Cơ sở dữ liệu nhãn được cập nhật tại mỗi phần từ mạng sẽ quyết định tác vụ nào được thực hiện trên cơ sở nội dung của nhãn

Hình 1.8 Cơ chế chuyển gói tin 1.3 2.1 Cơ chế thiết lập LSP sử dụng giao thức LDP

Mục đích: Trao đổi thông tin liên kết nhãn cho các FEC giữa các phần tử mạng MPLS

Nguyên tắc thực hiện: Dựa trên giao thức định tuyến có sẵn hoặc giao thức phân phối nhãn chuyên dụng LDP (Label Distribution Protocol) hoặc theo nguyên tắc ngang hàng (peers) và song hướng (bi-directional)

Hình 1.9 Cơ chế cấp phát nhãn

Giao thức hoạt động trên kết nối UDP và có thể xem là giai đoạn nhận biết nhau của hai LSR trước khi giữa chúng thiết lập kết nối TCP Một LSR sẽ quảng bá bản tin Hello tới tất cả LSR kết nối trực tiếp với nó trên một cổng UDP mặc định theo chu kỳ nhất định Tất cả các LSR đều lắng nghe bản tin Hello trên cổng UDP Nhờ

đó mà LSR biết được địa chỉ của tất cả các LSR kết nối trực tiếp với nó Sau khi biết được địa chỉ của LSR nào đó, một kết nối TCP sẽ được thiết lập giữa hai LSR này Ngay cả khi không kết nối trực tiếp với nhau thì LSR vẫn có thể gửi định kỳ bản tin Hello đến cổng UDP mặc định của một địa chỉ IP xác định Và LSR nhận cũng có thể gửi lại bản tin Hello cho LSR gửi để thiết lập kết nối TCP

Các bản tin LDP cơ bản, thông dụng được sử dụng là:

Hình 1.10 Bản tin Label Request và Label Mapping

Bản tin Initialization: Bản tin khởi tạo, các thông số gồm: phương thức cấp

phát nhãn, phạm vi giá trị nhãn được sử dụng cho kết nối của 2 LSR này, giá trị timer Cả 2 LSR đều có thể gửi bản tin khởi tạo và LSR nhận sẽ phúc đáp lại bằng bản tin Keepalive, nếu như chấp nhận những thông số đó Nếu như không chấp nhận, LSR nhận sẽ gửi một thông báo lỗi và kết thúc quá trình khởi tạo

Bản tin Keepalive: Ngoải chức năng trên, bản tin này được gửi tuần tự theo

chu kỳ trong khoảng thời gian không có bản tin nào khác được gửi đi Bản tin này giúp cho LSR nhận biết LSR gửi vẫn hoạt động bình thường Nếu không nhận được bản tin này hay bất cứ một bản tin nào khác trong một khoảng thời gian ấn định trước thì kết nối LDP giữa 2 LSR sẽ bị cắt

Bản tin Label mapping: Các LSR sử dụng để truyền các thông tin ánh xạ từ

một FEC sang một nhãn

Bản tin Label request: Có hai hình thức ấn định nhãn unsolicited downstream

và downstream_on_demand Một LSR sẽ yêu cầu nút mạng tiếp theo sẽ nhận dữ liệu thuộc một FEC nào đó ấn định nhãn cho FEC bằng cách gửi đến LSR này bản tin Label request Nếu bản tin này bị hủy bỏ, bởi vì nút mạng nhận dữ liệu thuộc FEC thay đổi, LSR sẽ tiếp tục gửi yêu cầu bằng bản tin Label request abort

Bản tin Label withdraw: Bản tin này dùng để hủy bỏ các thông tin ánh xạ đã

gửi đi Lý do của việc hủy bỏ giá trị nhãn bao gồm cả việc xóa bỏ một địa chỉ ra khỏi bảng định tuyến do sự thay đổi trong thông tin định tuyến hoặc do cấu hình của LSR

Bản tin Label release: Sau khi nhận được bản tin Label mapping và nếu không

sử dụng bản tin này, LSR sẽ gửi đi bản tin Label release Ví dụ như: khi LSR2 nhận được từ LSR1 thông tin ánh xạ từ FEC sang một nhãn, nhưng LSR2 nhận ra rằng LSR1 không phải là nút mạng kế tiếp nhận dữ liệu thuộc FEC này

Quá trình xây dựng một LSP bằng giao thức LDP được mô tả sau:

Hình 1.11 Quá trình xây dựng một LSP bằng giao thức LDP

LSP tạo mối liên kết nhãn vào và ra giữa các phần tử mạng để tạo tuyến chuyển tải lưu lượng thông suốt từ nguồn đến đích

Hình 1.12 Cơ chế tạo tuyến lưu lượng thông suốt 1.3.2.2 Cơ chế thiết lập LSP sử dụng giao thức RSVP

RSVP là giao thức báo hiệu dùng để thiết lập sự dự phòng về chất lượng dịch

vụ trong mạng internet RSVP hỗ trợ chất lượng dịch vụ bằng cách yêu cầu các router phải thống nhất dành riêng tài nguyên (như băng thông) cho mỗi giao thông giữa một cặp điểm đầu cuối, tức trước khi dữ liệu được gửi đi, các điểm đầu cuối phải gửi yêu cầu xác định lượng tài nguyên cần thiết và tất cả các router dọc theo con đường phải cùng thống nhất cung cấp tài nguyên này, cơ chế này được xem như

là một dạng báo hiệu Khi gói tin di chuyển, router cần theo dõi và kiểm soát việc di chuyển để đảm bảo lượng lưu lượng gửi đi không vượt quá khối lượng đã xác định

và thiết lập chính sách lập hàng đợi để đảm bảo cho việc gửi gói tin đều đặn (do giao thông trên mạng thường trồi sụt thất thường, như một luồng tốc độ trung bình

là 1 Mbps có thể có lưu lượng 2 Mb trong vài ms và kế tiếp chẳng có dữ liệu nào cả Router có thể ổn định độ trồi sụt bằng các hàng đợi tạm thời cho các gói tin và gửi chúng theo mức ổn định là 1 Mbps)

RSVP đảm bảo hoạt động hiệu quả bằng cách dự phòng tài nguyên cần thiết tại mỗi nút trạm tham gia để hỗ trợ luồng lưu lượng IP là giao thức phi kết nối, không thiết lập con đường cho luồng lưu lượng trong khi RSVP thiết lập con đường này và đảm bảo băng thông cho con đường này RSVP không cung cấp các hoạt động định tuyến mà dựa vào Ipv4 hay Ipv6 làm cơ chế chuyển vận (như ICMP, IGMP) với các thủ tục unicast hay multicast Nó đòi hỏi người nhận yêu cầu QoS cho luồng Ứng

dụng người nhận phải xác định thông số QoS mà sau đó được chuyển cho RSVP Sau khi phân tích yêu cầu, RSVP sẽ gửi thông điệp đến nút tham gia trong luồng dữ liệu

RSVP là giao thức báo hiệu cung cấp thủ tục để thiết lập và điều khiển quá trình chiếm giữ tài nguyên, hay nói cách khác RSVP là giao thức cho phép các chương trình ứng dụng thông báo cho mạng biết những yêu cầu về mức chất lượng dịch vụ

và mạng sẽ phúc đáp lại chấp nhận hoặc không chấp nhận yêu cầu đó

Các bản tin RSVP được các Router hoặc các Switch trên liên kết giữa hai đầu cuối gửi và nhận trao đổi với nhau để đáp ứng yêu cầu về mức chất lượng dịch vụ của ứng dụng

Giao thức RSVP có hai bản tin cơ bản: Bản tin Path và bản tin RESV Bản tin Path mang thông tin vể đặc tả luồng lưu lượng Tspec và các thông tin như địa chỉ IP của nút gửi, nút nhận, chỉ số cổng (port) UDP Và khi nhận được bản tin path, nút mạng đích sẽ gửi lại bản tin RESV Bản tin RESV sẽ gửi kèm theo phần mô tả yêu cầu RSPEC (Request Specification) chỉ định kiểu dịch vụ tích hợp là kiểm soát tải hay đảm bảo dịch vụ, ngoài ra còn có dấu hiệu nhận dạng luồng ( flow descriptor)

mà mỗi bộ định tuyến dùng để nhận diện mỗi phiên chiếm dữ tài nguyên

Khi nhận được bản tin RESV, mỗi bộ địch tuyến trung gian sẽ tiến hàng quá trình điều khiển chấp nhận (admission control) Nếu yêu cầu không được chấp nhận

do không đủ tài nguyên mạng thì bộ định tuyến sẽ báo lỗi về phía đầu thu Nếu yêu cầu được chấp nhận thì bộ định tuyến sẽ gửi bản tin RESV đến cho bộ định tuyến (router) đã gửi bản tin Path cho nó

Đối với trường hợp điểm_đa điểm (multicast) sẽ có nhiều phức tạp hơn bởi vì

sẽ có nhiều yêu cầu về mức chất lượng dịch vụ cho luồng lưu lượng xuất phát từ những đầu thu khác nhau Vì vậy MPLS tập trung hoàn toàn vào những ứng dụng unicast của RSVP

Ngoài ra RSVP là một giao thức mềm, có nghĩa là các bản tin Path và RESV sẽ được gửi lại sau những khoảng thời gian nhất định để có thể duy trì lâu dài sự chiếm giữ tài nguyên Nếu sau khoảng thời gian này không có bản tin nào gửi đi, sự dự trữ tài nguyên sẽ bị xóa bỏ Điều này dẫn đến có một số ưu điểm và nhược điểm

Mặt khác lưu lượng RSVP có thể đi qua các bộ định tuyến không có hỗ trợ RSVP Tại những bộ định tuyến này, dịch vụ sẽ được phục vụ theo mô hình “ phục

vụ tối đa”

Nói tóm lại, giao thức RSVP đóng vai trò quan trọng trong quá trình triển khai việc truyền tải nhiều dịch vụ như âm thanh (audio), hình ảnh (video), dữ liệu trong cùng một hạ tầng mạng Các ứng dụng có thể lựa chọn cho nhiều mức chất lượng dịch vụ khác nhau cho luồng lưu lượng của mình

Hình 1.13 Cơ chế hoạt động của RSVP

Trong hình trên, bộ điều khiển lưu lượng RSVP gồm bộ phân loại, điều khiển chấp nhận, điều phối gói (hay một số cơ chế phụ thuộc tầng liên kết để xác định khi nào gói được chuyển tiếp), điều khiển chính sách

Bộ phân loại xác định lớp QoS (và tuyến) cho mỗi gói, dựa trên tiêu đề lớp IP

và chuyển vận Với mỗi giao tiếp ngõ ra, bộ điều phối hay cơ chế phụ thuộc tầng liên kết sẽ thực hiện các cam kết QoS theo các mô hình phục vụ được định nghĩa bởi các nhóm làm việc IntServ

Bộ điều khiển chấp nhận bao gồm thuật toán quyết định mà router sử dụng để xác định xem có đủ tài nguyên để chấp nhận QoS được yêu cầu cho một luồng mới Nếu không có đủ nguồn định tuyến rỗi thì luồng mới sẽ bị từ chối Nếu luồng được chấp nhận thì router sẽ phân công cho bộ phân loại gói và bộ điều phối gói

Bộ điều phối gói quản lý việc chuyển tiếp các luồng gói khác nhau trong các host và router, dựa vào các lớp dịch vụ của chúng, sử dụng các cách quản lý hàng đợi và các thuật toán phân loại khác nhau Điều phối gói đảm bảo sự phân phối gói tin phù hợp với QoS của mỗi luồng Được thực hiện khi các gói đã được xếp hàng Đặc tính này phù hợp giao thức mức liên kết

Trong giao đoạn thiết lập, yêu cầu chất lượng dịch vụ được chuyển qua hai module quyết định cục bộ là bộ điều khiển cho phép và điểu khiển chính sách Điều khiển cho phép xác định được nút có đủ tài nguyên sẵn có cho QoS được yêu cầu hay không Bộ điều khiển chính sách xác định luồng đó có được chấp nhận hay không dựa vào các quy luật quản trị, như một số địa chỉ IP được (hoặc không được)

dự phòng băng thông, một số Protocol ID được (hoặc không được) dự phòng băng thông Một phiên RSVP được định nghĩa gồm: địa chỉ IP đích đến, định danh giao thức sử dụng và số hiệu cổng đích

Điều khiển chấp nhận và điểu khiển chính sách

Tiến trình RSVP chuyển yêu cầu cho bộ điều khiển chấp nhận và điểu khiển chính sách Nếu kiểm tra không thoả, việc dành trước tài nguyên bị từ chối và tiến trình RSVP trả về thông điệp báo lỗi cho phía nhận Còn nếu cả hai thành công, nút

sẽ thiết lập để bộ phận loại gói chọn ra các gói dữ liệu được định nghĩa bởi đặc tả bộ lọc (filterspec) và sẽ tương tác với tầng liên kết dữ liệu thích hợp để đạt được chất lượng dịch vụ mong muốn được định nghĩa trong đặc tả luồng (flowspec)

Bộ mô tả luồng

Một yêu cầu dự phòng RSVP đơn giản gồm đặc tả luồng và đặc tả bộ lọc được gọi chung là mô tả luồng (Flow Descriptor)

Hình 1.14 Mô tả luồng hoạt động của RSVP

Đặc tả bộ lọc, cùng với đặc tả phiên, định nghĩa một tập các gói (luồng) nhận được QoS được định nghĩa bởi đặc tả luồng Đặc tả luồng thiết lập các tham số

trong bộ điều phối của nút và đặt bộ lọc thiết lập các tham số trong phân loại gói Các gói dữ liệu trong một phiên mà không phù hợp với bất kỳ đặc tả bộ lọc nào của phiên đó sẽ được xử lý theo kiểu best-effort Đặc tả luồng trong một yêu cầu dự phòng gồm loại dịch vụ và tập các tham số: Rspec (định nghĩa chất lượng dịch vụ mong muốn) và Tspec (mô tả luồng dữ liệu)

1.3 2.3 Nhận xét về MPLS

Có thể tóm tắt những ưu nhược điểm của MPLS với nội dung chính như sau:

• Ưu điểm của MPLS là:

Kiến trúc đơn giản, tốc độ xử lý nhanh, giải quyết được vấn đề độ phức tạp và khả năng mở rộng mạng Thích ứng với hầu hết các giao thức lớp 2 hiện nay như: ATM, Frame Relay, PPP, HDLC, RPR, Ethernet Do vậy khi đầu tư mạng MPLS vẫn tận dụng được cơ sở hạ tầng mạng hiện có

So với ATM, MPLS không cần đến các giao thức điều khiển báo hiệu hay chuyển mạch tế bào phức tạp, kích thước gói MPLS lớn hơn nhiều so với tế bào ATM nên giảm đáng kể mào đầu Mặt khác, MPLS duy trì được chức năng kiểm soát lưu lượng và điều khiển ngoài băng như ATM

Ưu điểm của MPLS so với IP là khả năng điều khiển lưu lượng và hỗ trợ kiểm soát chất lượng dịch vụ (cao hơn DiffServ, thấp hơn ATM) nhờ việc tạo đường ảo trước khi truyền và phân cấp dịch vụ dựa vào trường Exp trong mào đầu khung MPLS MPLS có thể cung cấp các dịch vụ với các cấp độ chất lượng thỏa thuận từ

cố gắng tối đa cho đến dịch vụ thời gian thực

Như vậy công nghệ MPLS đáp ứng được tất cả yêu cầu đề ra cho một mạng MAN: Cung cấp tất cả các dịch vụ trên một cơ sở hạ tầng mạng, có khả năng tận dụng cơ sở hạ tầng mạng hiện tại khi đầu tư mới, cung cấp được các hợp đồng thỏa thuận về cấp độ dịch vụ, cung cấp dịch vụ với băng thông rộng, tốc độ cao Do đó MPLS được lựa chọn cho mạng MAN

• Nhược điểm của MPLS:

Hỗ trợ giao thức sẽ dẫn đến các vấn đề phức tạp trong kết nối

Khó thực hiện hỗ trợ QoS xuyên suốt

Việc hợp nhất các kênh ảo đang còn tiếp tục nghiên cứu Giải quyết việc chèn tế bào sẽ chiếm nhiều tài nguyên bộ đệm hơn

1.3.3 Công nghệ G-MPLS

Với sự bùng nổ nhu cầu lưu lượng trong những năm gần đây, mạng quang được xem là giải pháp hữu hiệu để đáp ứng nhu cầu Các hệ thống SDH, WDM và các thiết bị đấu nối chéo OXC cũng phát triển mạnh mẽ nhằm tăng dung lượng và phạm

vi mạng Mảng điều khiển quang được thiết kế nhằm đơn giản hoá, tăng tính đáp ứng và mềm dẻo trong việc cung cấp các phương tiện trong mạng quang MPLS đã trở thành mô hình định tuyến mới cho mạng IP G-MPLS là sự mở rộng của MPLS nhằm hướng tới mảng điều khiển quang cho mạng quang

G-MPLS mở rộng khả năng định tuyến lớp số liệu đến mạng quang, cho phép mạng truyền tải và mạng số liệu hoạt động như một mạng đồng nhất

G-MPLS cũng hứa hẹn sẽ mang lại chất lượng dịch vụ tốt hơn và thiết kế lưu lượng trên Internet, một xu hướng hiện tại và cũng là mục tiêu chính của bất cứ nhà cung cấp dịch vụ nào

Sự phát triển MPLS thành G-MPLS đã mở rộng giao thức báo hiệu (RSVP-TE, CR-LDP) và giao thức định tuyến (OSPF-TE, IS-IS-TE) Các mở rộng này gồm các đặc tính mạng quang và TDM/SONET Giao thức quản lý tuyến là một giao thức mới để quản lý và bảo dưỡng trường điều khiển và mặt số liệu giữa hai nút lân cận LMP là giao thức dựa trên IP bao gồm cả các mở rộng đối với RSVP-TE và CR-LDP

G-MPLS được mở rộng từ MPLS, tuy nhiên trong khi MPLS hoạt động trong mảng số liệu thì G-MPLS được ứng dụng trong mảng điều khiển, thực hiện quản lý kết nối cho mảng số liệu gồm cả chuyển mạch gói, chuyển mạch kênh (như TDM, chuyển mạch bước sóng và chuyển mạch sợi )

G-MPLS mang lại nhiều lợi ích nỗi bật, thể hiện cụ thể trong các vấn đề sau:

- Thiết kế lưu lượng qua lớp

- Tích hợp việc khôi phục và bảo vệ

- Cung cấp dịch vụ nhanh chóng

- Tăng lợi nhuận

Bên cạnh những ưu điểm vượt trội của G-MPLS mang lại so với các phương thức điều khiển hiện tại, nó cũng bộc lộ một số vấn đề cần được bổ sung như: An toàn bảo mật trong mạng, phối hợp hoạt động giữa các mạng

1.4 Các công nghệ ứng dụng phân lớp 2

1.4 1 Công nghệ RPR

RPR (Resilient Packet Ring) hay IEEE 802.17, giao thức lớp MAC đang được chuẩn hóa bởi IEEE, là giải pháp cho vấn đề bùng nổ nhu cầu kết nối tốc độ cao và chi phí thấp trong khu vực thành phố Bằng cách ghép thống kê gói IP truyền trên

hạ tầng vòng sợi quang, có thể khai thác hiệu quả dạng vòng quang và tận dụng ưu điểm truyền gói như Ethernet Khi có lỗi node hay liên kết xảy ra trên vòng sợi quang, RPR thực hiện chuyển mạch bảo vệ thông minh để đổi hướng lưu lượng đi

xa khỏi nơi bị lỗi với độ tin cậy đạt tới thời gian nhỏ hơn 50 ms

RPR sử dụng vòng song hướng gồm hai sợi quang truyền ngược chiều nhau, cả hai vòng đồng thời được sử dụng để truyền gói dữ liệu và điều khiển RPR cho phép nhà cung cấp dịch vụ giảm chi phí thiết bị phần cứng cũng như thời gian và chi phí của việc giám sát mạng Trong RPR không có khái niệm khe thời gian, toàn bộ băng thông được ấn định cho lưu lượng Bằng cách tính toán khả năng mạng và dự báo yêu cầu lưu lượng, RPR ghép thống kê và phân phối công bằng băng thông (fairness) cho các node trên vòng để tránh tắc nghẽn có thể mang lại lợi ích hơn nhiều so với vòng SDH/SONET dựa trên ghép kênh phân chia theo thời gian

RPR là giao thức lớp MAC vận hành ở lớp 2 của mô hình OSI, nó không nhận biết lớp 1 nên độc lập với truyền dẫn nên có thể làm việc với WDM, SDH hay truyền dẫn dựa trên Ethernet (sử dụng GBIC - Gigabit Interface Converter) Ngoài

ra, RPR đi từ thiết bị đa lớp đến dịch vụ mạng thông minh lớp 3 như MPLS MPLS kết hợp thiết bị biên mạng IP lớp 3 với thiết bị lớp 2 như ATM, Frame Relay Sự kết hợp độ tin cậy và khả năng phục hồi của RPR với ưu điểm quản lý lưu lượng và khả năng mở rộng của MPLS VPN và MPLS TE được xem là giải pháp xây dựng MAN trên thế giới hiện nay

Sơ lược về RPR 802.17 - Vòng RPR

RPR sử dụng vòng song hướng gồm 2 sợi quang truyền ngược chiều đối xứng nhau Một vòng được gọi là vòng ngoài (Outer ring), vòng kia được gọi là vòng trong (Inner ring) gọi chung là ringlet Hai ringlet có thể đồng thời sử dụng để truyền gói dữ liệu và điều khiển Một node gửi gói dữ liệu trên hướng downstream

và gửi gói điều khiển trên hướng ngược lại upstream trên ringlet kia

Hình 1.15 Vòng RPR Các Class dịch vụ RPR hỗ trợ

Để hỗ trợ dịch vụ với các yêu cầu QoS khác nhau, RPR hỗ trợ 3 lớp dịch vụ (CoS), các dịch vụ này được sắp xếp bởi MAC Client tương ứng với yêu cầu QoS riêng của chúng Trong đó Class A tương ứng với dịch vụ được giữ trước và dịch vụ

có độ ưu tiên cao, Class B tương ứng với dịch vụ có độ ưu tiên trung bình, Class C tương ứng với dịch vụ có độ ưu tiên thấp Điều đáng lưu ý là vòng RPR không loại

bỏ gói để giải quyết tắc nghẽn vì thế khi một gói được thêm vào vòng, thậm chí khi gói thuộc Class C thì nó vẫn tới đích

Lưu lượng Class A được chia thành Class A0 và Class A1, lưu lượng Class B được chia thành Class B-CIR (Committed Information Rate) và B-EIR (Excess Information Rate) Class C và Class B-EIR gọi là Fairness Eligible (FE) bị tác động của RPR-fa là giải thuật phân phối băng thông trên trạm nhằm tránh tắc nghẽn xảy

ra

Băng thông trên vòng được giữ trước bằng hai cách:

Cách thứ nhất gọi là đặt trước (reserved) chỉ được sử dụng bởi lưu lượng Class A0 và băng thông được giữ trước như nhau ở tất cả các trạm trên vòng Nếu trạm không sử dụng băng thông A0 thì lượng băng thông được giữ trước này bị lãng phí Theo cách này lưu lượng như TDM có thể được gửi bởi trạm RPR như gói A0 Cách thứ hai gọi là khôi phục (reclaimable) Một trạm cần gửi lưu lượng Class A1 và Class B-CIR, giữ trước băng thông “reclaimable” cho loại lưu lượng này Nếu băng thông này không được sử dụng thì có thể được sử dụng bởi lưu lượng FE

Thiết kế trạm RPR

Đối tượng mà lớp con MAC và lớp con điều khiển MAC cung cấp dịch vụ được gọi là MAC Client, là các lớp giao thức (theo mô hình OSI) ở ngay phía trên lớp con MAC, nhìn chung là lớp Mạng hay lớp con LLC (Logical Link Control) MAC Client có thể gồm lớp con LLC, Bridge Relay Entity hoặc những user khác dùng dịch vụ MAC

Hình 1.16 Mô hình tham chiếu RPR MAC

RPR MAC cung cấp các dịch vụ sau cho MAC Client:

• MAC Data Path - truyền và nhận gói dữ liệu

• Chức năng MAC Control - thông tin về tình trạng vòng

• Chức năng Bridge - chuyển sang dịch vụ lớp 2 khác ở trạm trên vòng

• Dịch vụ MAC được thực hiện không bị hạn chế bởi:

• Mất gói - Một khi truyền trên vòng, gói được phân phối đến đích

• Sắp xếp lại gói - Gói đến có thứ tự giống như được gửi

• Nhân bản gói - Gói không bị sao ra thành nhiều gói bởi mạng

Chức năng MAC Datapath

Hình 1.17 MAC Datapath

Tùy vào gói nhận, MAC xác định gói được nhận hay chuyển đi Gói có thể được chuyển đến MAC Client, lớp con điều khiển hay bộ đệm truyền Gói đến vòng RPR được phân loại bởi RPR MAC RPR MAC nhận gói từ vòng chuyển đến RPR Client chỉ khi địa chỉ MAC đích đến trùng địa chỉ MAC của node và RingID tương thích

Còn lại, RPR MAC chuyển gói qua đường trung gian (transit path) Gói multicast hay gói unicast có đích đến là trạm hay lớp con điều khiển của nó được nhận Gói multicast và gói unicast không tương ứng địa chỉ sẽ tiếp tục chuyển đi trên vòng Với trạm có hàng đợi truyền kép, gói sẽ được đặt vào hàng đợi thích hợp theo độ ưu tiên gói

MAC truyền lưu lượng có độ ưu tiên cao và lưu lượng được giữ trước từ MAC Client trước khi truyền lưu lượng không được giữ trước

Khi RPR MAC quyết định chuyển gói đến transit path, gói thâm nhập vào bộ đệm truyền (hay hàng đợi truyền) và xếp hàng trong đó Trạm có thể thêm gói nếu

bộ đệm truyền rỗng và không có gói đến, sau khi trạm bắt đầu thêm 1 gói vào thì gói truyền phải lưu tạm trong bộ đệm truyền cho đến khi gói thêm vào này được lấy

đi

Bộ đệm gói đơn:

Bộ đệm gói đơn truyền suốt thời gian rỗi là thời gian không chịu sự chi phối cân bằng băng thông (fairness) trên vòng Hàng đợi truyền chính PTQ (Primary Transit Queue) có thể giữ được ít nhất 1-2 gói và thường cho phép Client hoàn thành việc truyền mà không phải loại bỏ gói trong transit path Khi truy nhập nhiều gói hơn đối với Class B và Class C có thể kích hoạt RPR-fa để yêu cầu thêm băng thông

Thứ tự truyền của bộ đệm gói đơn là:

Thứ tự truyền của hàng đợi kép:

• Gói trong PTQ

• Gói trong STQ (chỉ khi STQ gần đầy)

• Gói điều khiển

• Gói từ Client

• Gói từ STQ

STQ không được phép tràn Khi STQ gần đầy thì gói trong STQ được truyền trước gói từ Client Điều kiện này cũng kích hoạt RPR-fa để yêu cầu thêm băng thông

Chọn Ringlet:

MAC Client có thể chọn ringlet nào truyền frame trên đó Thông tin topology

có thể được sử dụng để chọn vòng và thiết lập TTL Suốt thời gian bảo vệ, gói có thể đổi hướng theo ringlet khác để tránh đoạn hỏng

Điều khiển băng thông/ Traffic Shaper:

Băng thông truyền có thể thiết lập tương ứng với Class lưu lượng Shaper của Class A và Class B đảm bảo băng thông Lưu lượng Class C được cân chỉnh tương ứng băng thông cân bằng được xác định bởi Đơn vị điều khiển fairness FCU (Fairness Control Unit)

Mục đích của Shaper là cân đối sự phân phối băng thông của mỗi Class lưu lượng và tránh những lượng gói lớn được gửi từ bất kì Class nào Client nhận sự cho phép của mỗi Class lưu lượng và ringlet riêng biệt

Chức năng MAC Control

Điều khiển fairness:

Đảm bảo băng thông FE (dành cho Class B-EIR và Class C) được chia sẻ giữa các trạm trên vòng

Điều khiển bảo vệ:

Cung cấp sự bảo vệ cho lỗi của trạm và lỗi trên đoạn truyền Một cơ sở dữ liệu

về trạng thái được duy trì thông qua sự truyền thông giữa các node trên vòng

Điều khiển topology:

Duy trì cơ sở dữ liệu về topology và trạng thái mạng đồng thời truyền thông tin này với các trạm khác trên vòng

Điều khiển OAM:

Điều khiển Vận hành, Giám sát và Bảo trì (OAM) cung cấp chức năng báo trạng thái lỗi và cấu hình

Phát hiện và điều khiển tắc nghẽn

Đạt đến băng thông cân bằng và chia sẻ tài nguyên trong kiến trúc mạng vòng tốc độ cao bao phủ một khu vực thành phố rộng lớn là một mong đợi và cũng là thách thức kỹ thuật Fairness là một ưu điểm thiết kế của RPR so với kỹ thuật

truyền gói trong MAN như Gigabit Ethernet để làm việc trong môi trường như thế Fairness điều khiển truy nhập của các node đến băng thông sẵn sàng trên vòng một cách công bằng tránh tình trạng một node tham lam chiếm băng thông, tạo ra trễ và tắc nghẽn Giải thuật fairness (RPR-fa) chỉ áp dụng cho gói ưu tiên thấp, gói ưu tiên cao không theo RPR-fa và có thể truyền chừng nào bộ đệm còn đủ trống

RPR-fa thực hiện những chức năng sau trong lớp MAC:

• Xác định khi nào ngưỡng tắc ngẽn bị vượt qua và khi nào tắc nghẽn giảm

• Xác định fair rate để quảng bá bản tin điều khiển fairness

• Truyền thông tin về fair rate đến các node phát lưu lượng qua điểm tắc nghẽn để các node điều chỉnh tốc độ phát lưu lượng được phép của chúng Tắc nghẽn được phát hiện khi:

Tổng lưu lượng phát của một node vượt quá dung lượng liên kết trừ đi băng thông giữ trước cho lưu lượng không chịu tác động của RPR-fa (lưu lượng ưu tiên cao)

Độ sâu của hàng đợi truyền thứ cấp STQ vượt quá ngưỡng dưới (low_threshold) là giá trị định trước

Thời gian truy nhập của Class B-EIR và Class C hết

Chuyển mạch bảo vệ thông minh

Tự hồi phục là đặc điểm quan trọng của RPR Yêu cầu là cung cấp bảo vệ thông tin hệ thống trong vòng 50ms trong trường hợp lỗi node hay vòng Có hai kỹ thuật được biết là Wrap (ràng buộc) và Steer (lái) Steer là kĩ thuật bảo vệ chính và Wrap

là một tùy chọn đối với node RPR Tuy nhiên tất cả các node trong vòng chọn cùng một kĩ thuật bảo vệ

Trong topology discovery, mỗi node RPR sẽ chỉ ra nó có hỗ trợ kĩ thuật Wrap hay không Nếu tất cả các node có thể hỗ trợ bảo vệ Wrap, kĩ thuật bảo vệ sẽ dựa trên luồng gói để chọn Wrap hay Steer Nói cách khác, (Steer) sẽ được chọn như sự phối hợp bảo vệ trong vòng RPR

Một bản tin bảo vệ (protection) sẽ báo hiệu lỗi giữa các node trong cùng vòng RPR Bản tin này sẽ chứa thông tin cần thiết cho RPR thực hiện Wrap hay Steer

Hình 1.19 Đường đi của dữ liệu trước khi sợi quang bị đứt

Kỹ thuật Wrap

Một vòng RPR gồm hai vòng sợi quang truyền ngược chiều nhau Nếu một thiết

bị hay sợi quang bị phát hiện có lỗi, lưu lượng đang đi đến và từ hướng bị lỗi sẽ bị wrap ngược về theo hướng đối nghịch trên vòng quang kia Wrap xảy ra trên node

kế cận với lỗi, dưới sự điều khiển của giao thức chuyển mạch bảo vệ

Một ví dụ đường truyền dữ liệu trước khi xảy ra lỗi như hình vẽ dưới Trước khi sợi quang đứt Node 4 gửi lưu lượng đến Node 1 qua con đường Node 46Node 56Node 66Node 1

Hình 1.20 Đường đi của dữ liệu sau khi Wrap