Công nghệ MPLS và ứng dụng trong mạng của VNPT

Công nghệ chuyển mạch IP ra đời là giải pháp kỹ thuật áp dụng cho việc kết nối mạng toàn cầu với tốc độ cao, kết hợp linh hoạt và mềm dẻo giữa các giao thức kết nối toàn cầu Internet và

Trường đại học bách khoa hà nội

Lêi cam ®oan

T«i xin cam đoan toàn bộ nội dung đề cập trong luận văn tốt nghiệp

“C«ng nghÖ MPLS vµ øng dông trong m¹ng cña VNPT” được viết dựa trªn

kết quả nghiªn cứu theo đề cương bởi c¸ nh©n t«i dưới sự hướng dẫn của

TS Ph¹m V¨n B×nh Mọi th«ng tin và số liệu tham khảo đều được trÝch dẫn đầy đủ nguồn và sử dụng theo đóng luật bản quyền quy định T«i xin hoàn

toàn chịu tr¸ch nhiệm về nội dung luận văn của m×nh

T¸c gi¶ luËn v¨n

ThiÒu §×nh Hïng

MụC LụC

Danh mục các hình vẽ……….………

Lời nói đầu……… 1

Chương 1 Giới thiệu tổng quan về công nghệ mạng 1.1 Một số xu hướng phát triển mạng……… 3

1.2 Mô hình kết nối hệ thống mở……… 4

1.3 Các kỹ thuật chuyển mạch cơ bản nhìn từ khía cạnh dịch vụ………… 5

1.4 Công nghệ chuyển mạch LAN/WAN……… 7

1.4.1 Sự phát triển của xử lý phân tán……… 7

1.4.2 Các thiết bị mạng LAN……… 7

1.4.3 Ethernet……… 8

1.4.4 Token Ring……… 9

1.4.5 FDDI……… 9

1.4.6 Kết nối LAN qua WAN……… 10

1.5 Mạng thế hệ kế tiếp và các giao thức ứng dụng……… 15

1.5.1 Giới thiệu chung……… 15

1.5.2 Động lực phát triển……… 16

1.5.3 Cấu trúc cơ bản của mạng NGN……… 17

1.5.4 Giao thức trong mạng NGN……… 18

1.5.5 Một số đánh giá về giải pháp phát triển NGN……… 21

1.6 Tổng kết chương……… 23

Chương 2 Công nghệ IP 2.1 Địa chỉ Internet……… 25

2.1.1 Mô hình tham chiếu tới OSI……… 25

2.1.2 Tiêu đề IPv4……… 26

2.1.3 Địa chỉ Internet (IP v4)……… 28

2.1.4 Định tuyến trong Internet với các địa chỉ IP……… 29

2.2 Một số giao thức cơ bản trong công nghệ IP……… 31

2.2.1 Giao thức phân giải địa chỉ ARP……… 31

2.2.2 Giao thức bản tin điều khiển Internet ICMP……… 32

2.2.3 Giao thức điều khiển truyền tải TCP……… 33

2.2.4 Giao thức lược đồ dữ liệu người dùng UDP……… 36

2.2.5 Giao thức thông tin định tuyến miền trong RIP………… 36

2.2.6 Giao thức tìm đường ngắn nhất OSPF……… 38

2.2.7 Giao thức cổng biên giới BGP……… 39

2.3 Mô hình chất lượng dịch vụ IP……… 40

2.3.1 Dịch vụ tích hợp (IntServ)……… 40

2.3.2 Dịch vụ DiffServ……… 42

2.4 Tổng kết chương……… 43

Chương 3 công nghệ chuyển mạch IP và chuyển mạch nhãn 3.1 Khái niệm về chuyển mạch IP……… 44

3.1.1 Định nghĩa và thuật ngữ 44

3.1.2 Đường vào và đường ra của chuyển mạch IP……… 45

3.1.3 Đường tắt (Short - cut)……… 46

3.1.4 Hoạt động của chuyển mạch IP……… 46

3.2 Các mô hình chuyển mạch IP……… 48

3.2.1 Mô hình chồng lấn (Overlay Model)……… 48

3.2.2 Mô hình ngang bằng (Peer Model) 49

3.2.3 Tích hợp IP trên ATM……… 50

3.3 Các kiểu điều khiển chuyển mạch IP……… 51

3.3.1 Mô hình chuyển mạch IP điều khiển luồng ……… 51

3.3.2 Mô hình chuyển mạch IP điều khiển topo……… 54

3.4 Khái niệm và cấu trúc cơ bản của chuyển mạch nhãn……… 55

3.4.1 Chuyển mạch nhãn là gì? 55

3.4.2 Tại sao chúng ta sử dụng chuyển mạch nhãn ……… 56

3.4.3 Các thành phần của mạng chuyển mạch nhãn ……… 59

3.4.4 Thành phần chuyển tiếp gói tin ……… 61

3.4.5 Thành phần điều khiển ……… 65

3.5 Các giao thức định tuyến trong chuyển mạch IP……… 68

3.5.1 Giao thức định tuyến OSPF và OSPF mở rộng……… 69

3.5.2 Định tuyến cưỡng bức……… 70

3.6 Tổng kết chương……… 73

Chương 4 công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức

4.1 Giới thiệu chung……… 74

4.2 Các thành phần cơ bản của MPLS……… 76

4.2.1 Các thuật ngữ……… 76

3 4.2.2 Kiểu của node MPLS 77

4.3 Các giao thức cơ bản……… 78

4 4.3.1 Điều khiển gán nhãn độc lập và theo yêu cầu……… 78

5 4.3.2 Phát hiện và chống vòng lặp 80

6 4.3.3 Giao thức phân phối nhãn LDP 81

4.3.4 Giao thức RSVP……… 89

7 4.3.5 Giao thức CR-LDP……… 93

8 4.3.6 Giao thức MPLS-BGP……… 94

4.4 Các chế độ hoạt động của MPLS……… 95

4.4.1 Chế độ hoạt động khung MPLS 95

9 4.4.2 Chế độ hoạt động tế bào MPLS……… 96

4.5 Tổng kết chương……… 100

Chương 5 ứng dụng MPLS trong mạng viễn thông của VNPT 0 5.1 Các vấn đề kỹ thuật của MPLS……… 101

1 5.1.1 Mô hình tổng đài đa dịch vụ……… 101

2 5.1.2 Triển khai ứng dụng MPLS trong mạng viễn thông của VNPT 106 5.2 Kết luận và khuyến nghị ……… 118

Tài liệu tham khảo……… 119

Tóm tắt luận văn………

Thesis summary………

Thuật ngữ và viết tắt

ARIS Aggregate Route-Based IP

Switching

Chuyển mạch IP theo phương pháp tổng hợp tuyến

ARP Addresss Resolution Protocol Giao thức phân giải địa chỉ

ASIC Application Specific Integrated

Curcuit

Mạch tích hợp ứng dụng đặc biệt

ATM Asynchronous Transfer Mode Phương thức truyền tải không đồng bộ

B-ISDN Broadband-Integrated Sevice

Digital Network

Mạng số đa dịch vụ băng rộng

CPE Customer Premise Equipment Thiết bị phía khách hàng

CSPF Constrained Shortest Path First Giao thức định tuyến tìm đường ngắn

nhất

bào

DLCI Data Link Connection Identifier Nhận dạng kết nối lớp liên kết dữ liệu DVMRP Distance Vector Multicast

Routing Protocol

Giao thức định tuyến multicast theo vec tơ khoảng cách

Standard Institute

Viện tiêu chuẩn viễn thông châu Âu

FDDI Fiber Distributed Data Interface Giao tiếp dữ liệu cáp quang phân tán FEC Forwarding Equivalence Class Nhóm chuyển tiếp tương đương

FIB Forwarding Infomation Base Cơ sở dữ liệu chuyển tiếp trong bộ

định tuyến

FRAD Frame Relay Access Device Thiết bị truy nhập chuyển mạch khung

FRND Frame Relay Network Device Thiết bị mạng FR

IBM International Bussiness Machine Công ty IBM

ICMP Internet Control Mesage Protocol Giao thức bản tin điều khiển internet

IETF International Engineering Task

Force

Tổ chức tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế cho Internet

IGP Interior Gateway Protocol Giao thức định tuyến trong miền

ISC International Softswitch

Consortium

Tổ chức chuyển mạch mềm quốc tế

ISDN Intergrated Service Digital

Network

Mạng số liên kết đa dịch vụ

IS-IS Intermediate System –

Intermediate System

Giao thức định tuyến IS-IS

ISR Intergrated Switch Router Bộ định tuyến chuyển mạch tích hợp

LANE Local Area Network Emulation Mô phỏng mạng cục bộ

LC-ATM

Label Controlled ATM Interface Giao diện ATM điều khiển bởi nhãn

LDP Label Distribution Protocol Giao thức phân phối nhãn

LFIB Label Forwarding Information

Base

Cơ sở dữ liệu chuyển tiếp nhãn

tuyến

LIS Logical IP Subnet Mạng con IP logic

phương tiện truyền thông

MIB Management Information Base Cơ sở dữ liệu thông tin quản lý MPLS MultiProtocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức

NHLFE NextHop Label Forwarding

NLPID Network Layer Protocol

Identifier

Nhận dạng giao thức lớp mạng

NSIF Network Service Interface

Function

Khối chức năng giao diện dịch vụ mạng

OAM Operation Administration and

Manternance

Quản lý vận hành và bảo dưỡng

OSI Open System Interconnection Kết nối hệ thống mở

PCI Protocol Control Information Thông tin điều khiển giao thức

PNNI Private Node to Node Interface Giao diện nút - nút riêng

PPP Point to Point Protocol Giao thức điểm - điểm

PRCC Physical Router Controlled

Component

Thành phần điều khiển router vật lý

PSTN Public switch telephone Network Mạng chuyển mạch thoại công cộng

đưa ra RIP Realtime Internet Protocol Giao thức báo hiệu IP thời gian thực RSVP Resource Reservation Protocol Giao thức giành trước tài nguyên (hỗ

trợ QoS) RTCP Realtime Control Protocol Giao thức điều khiển thời gian thực SAR Segmentation And Reassembly Phân tích và tái hợp

SDH Synchronous Digital Hierrachy Hệ thống phân cấp số đồng bộ

SGF Signalling Gateway Function Khối chức năng cổng báo hiệu

SIP Session Initiation Protocol Giao thức khởi tạo phiên

cấp và khác hàng SNA System Network Architecture Kiến trúc mạng hệ thống

SNAP Service Node Access Point Điểm truy nhập nút dịch vụ

SNI Signalling Network Interface Giao diện mạng báo hiệu

Protocol

Giao thức quản lý mạng đơn giản

SONET Synchronous Optical Network Mạng truyền dẫn quang đồng bộ

TCP Transport Control Protocol Giao thức điều khiển truyền tải

VCI Virtual Circuit Identifier Trường nhận dạng kênh ảo trong tế

bào VLSI Very Large Scale Intergration Vi mạch tích hợp cực lớn

VPNID Virtual Private Network

Identifier

Nhận dạng mạng riêng ảo

WDM Wave Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng

Danh môc c¸c b¶ng biÓu

B¶ng 1.1: M« h×nh ph©n líp OSI 4 B¶ng 1.2: Mét sè so s¸nh dÞch vô tho¹i vµ d÷ liÖu……… 6 B¶ng 4.1 : C¸c lo¹i LSR trong m¹ng MPLS……… 78

Danh mục các hình vẽ

Hình 1.1: Kiến trúc bộ định tuyến thế hệ đầu tiên……… 12

Hình 1.2: Kiến trúc bộ định tuyến thế hệ thứ hai……… 13

Hình 1.3: Sơ đồ chức năng của bộ định tuyến thế hệ 3……… 14

Hình 1.4: Cấu trúc cơ bản của mạng NGN ……… 18

1 Hình 1.5: Mô hình giao thức mạng NGN……… 19

Hình 1.6: Mô hình phân lớp hệ thống chuyển mạch NGN……… 22

Hình 2.1: Mô hình ARPA với mô hình OSI……… 25

Hình 2.2: Tiêu đề IPv4……… 26

Hình 2.3: Mô hình dịch vụ tích hợp……… 40

Hình 2.4: Mô hình DiffServ tại biên và lõi của mạng……… 42

Hình 3.1: Thiết bị chuyển mạch IP……… 44

Hình 3.2: Mô hình kết nối của chuyển mạch IP……… 47

Hình 3.3: Mô hình chuyển mạch IP điều khiển luồng……… 52

Hình 3.4: Giao thức giải bước kế tiếp……… 53

Hình 3.5: Chuyển mạch IP điều khiển topo……… 54

Hình 3.6: entry trong bảng chuyển tiếp……… 61

Hình 3.7: Mang nhãn trong tiêu đề “Shim”……… 62

Hình 3.8: Các chức năng định tuyến trong bộ định tuyến……… 64

Hình 3.9: Kiến trúc chuyển mạch nhãn……… 64

Hình 3.10: Thành phần điều khiển chuyển mạch nhãn……… 66

Hình 3.11: Cấu trúc bảng chuyển tiếp chuyển mạch nhãn……… 66

Hình 3.12: Liên kết nhãn downstream và upstream……… 67

Hình 4.1: Lớp chèn MPLS……… 75

Hình 4.2: Định dạng cấu trúc nhãn ……… 75

Hình 4.3: Ngăn xếp nhãn……… 76

Hình 4.4: Minh hoạ lớp chuyển tiếp tương đương……… 77

Hình 4.5: Các kiểu node MPLS 78

Hình 4.6: Điều khiển độc lập……… 79

Hình 4.7: Điều khiển theo yêu cầu……… 79

Hình 4.8: Giao thức LDP với các giao thức khác……… 82

1 Hình 4.9: Thủ tục phát hiện LSR lân cận……… 83

Hình 4.10: Các kịch bản phân phối nhãn……… 85

Hình 4.11: Thủ tục LSR hướng xuống (downstream)……… 87

Hình 4.12: Tiêu đề LDP……… 89

Hình 4.13: Mã hoá TLV……… 89

Hình 4.14: Thủ tục báo hiệu trong RSVP……… 90

Hình 3.15: Nhãn phân phối trong bảng tin RESV……… 92

Hình 4.16: Vị trí của nhãn MPLS trong khung lớp 2 95

Hình 4.17: Trao đổi thông tin giữa các LSR cận kề……… 98

Hình 4.18: Cơ chế thiết lập kênh ảo điều khiển MPLS……… 98

Hình 5.1: Mô hình các khối chức năng của tổng đài đa dịch vụ………… 102

Hình 5.2: Mô hình softswitch theo ISC……… 105

Hình 5.3: So sánh chuyển mạch kênh và chuyển mạch mềm SoftSwitch… 105 Hình 5.4: Cấu hình tổ chức mạng MPLS phương án 1 đến 2010………… 111

Hình 5.5: Cấu hình tổ chức mạng MPLS phương án 2 đến 2010………… 112

Hình 5.6: Cấu hình tổ chức mạng MPLS phương án 3 đến 2010………… 115

LờI NóI ĐầU

Việc phát triển các giao thức cho Internet (IP) bắt đầu từ những năm 70, nhưng thực sự phát triển vào những năm 1980 và phát triển mạnh vào những năm tiếp sau

đó Năm 1995 mạng Internet đã kết nối 4,8 triệu máy tính với nhau, đến năm 2002 Internet đã kết nối khoảng trên 100 triệu máy tính Qua đó có thể thấy được sự phát triển mạnh mẽ về nhu cầu sử dụng Internet Do đó cũng đòi hỏi phải có giải pháp kỹ thuật để đáp ứng được sự bùng nổ của Internet và sự gia tăng của lưu lượng thông tin Song song với những yêu cầu sử dụng Internet thì mạng thông tin băng rộng cần thiết phải tỏ ra thích nghi với các tính năng như tốc độ cao, băng rộng, đa phương tiện và phải thiết lập một mạng thông tin tốc độ siêu cao và công nghệ mạng chìa khoá chính là công nghệ ATM

Công nghệ chuyển mạch IP ra đời là giải pháp kỹ thuật áp dụng cho việc kết nối mạng toàn cầu với tốc độ cao, kết hợp linh hoạt và mềm dẻo giữa các giao thức kết nối toàn cầu Internet và công nghệ phần cứng của chuyển mạch ATM Chuyển mạch

IP thực sự đã là mối quan tâm hàng đầu của rất nhiều nhà sản xuất và cung cấp dịch

vụ do những ưu việt của nó trong triển khai hướng công nghệ cho mạng thế hệ kế tiếp Hiện nay trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu về các giải pháp chuyển mạch tiên tiến, trong đó công nghệ chuyển mạch nhãn MPLS nổi lên với nhiều đặc tính ưu việt hơn một số công nghệ chuyển mạch IP khác Việt nam đang giai đoạn nghiên cứu phát triển và ứng dụng các công nghệ chuyển mạch tiên tiến, nhằm xây dựng và phát triển mạng có khả năng hỗ trợ đa dịch vụ Chuyển mạch IP

là một trong những hướng đi được quan tâm trong chiến lược phát triển của Tổng công ty Bưu chính Viễn thông Việt nam giai đoạn 2001-2010

Với các lý do trên cùng với sự hướng dẫn tận tình của TS.Phạm Văn Bình tôi đã thực hiện và hoàn thành luận văn tốt nghiệp cao học “Công nghệ MPLS và ứng dụng trong mạng của VNPT”

Đề tài gồm 4 chương với các nội dung chính sau:

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về công nghệ mạng

Giới thiệu về kiến trúc cơ sở và các giao thức cơ bản của môi trường IP và ATM, trên cơ sở đó đưa ra đặc điểm và hướng kết hợp công nghệ IP và ATM, xu hướng phát triển sang mạng thế hệ kế tiếp

Chương 2 : Công nghệ IP

Trình bày các giao thức cơ bản của mô hình giao thức TCP/IP Các giao thức liên quan tới công nghệ chuyển mạch IP và MPLS

Chương 3: Công nghệ chuyển mạch IP và chuyển mạch nhãn

Nội dung của chương này đưa ra các khái niệm cơ sở về công nghệ chuyển mạch

IP và công nghệ chuyển mạch nhãn, các giải pháp công nghệ cũng được trình bày trong chương này

Chương 4: Công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức

Nội dung của chương này trình bày các đặc điểm cơ bản và các giao thức hỗ trợ trong công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức Các mô hình hoạt động của công nghệ được đưa ra cùng với các giải pháp công nghệ đang và sẽ được tiến hành trong mạng viễn thông

Chương 5: ứng dụng MPLS trong mạng viễn thông của VNPT

Chương này trình bày một số giải pháp triển khai ứng dụng MPLS trong mạng viễn thông của VNPT

Do khả năng và thời gian còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót Kính mong nhận được sự chỉ bảo của thầy, cô và ý kiến đóng góp của bạn

bè và đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn!

Hà nội, 11- 2006

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về công nghệ mạng

1.1 Một số vấn đề trong xu hướng phát triển mạng

Mong muốn của rất nhiều khách hàng là được triển khai các dịch vụ mới của mạng trong khoảng thời gian ngắn nhất Những nhà cung cấp dịch vụ viễn thông mới không có đủ thời gian cần thiết để xây dựng cơ sở hạ tầng mới, và như vậy, sự kết hợp cơ sở hạ tầng mới và cũ là một giải pháp đầu tiên được đưa ra Kết hợp cơ sở hạ tầng để truyền tín hiệu trên nhiều phương tiện như cáp đồng, cáp quang và vô tuyến cho đến nay vẫn là một giải pháp tốt

Những dịch vụ mới đang sử dụng những công nghệ hiện tại chủ yếu như: Mạng

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

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

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

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

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

việc cung cấp những sản phẩm và những dịch vụ có tính chất đổi mới, dịch vụ khách hàng và tùy biến tốt hơn

1.2 Mô hình kết nối hệ thống mở OSI

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

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

hệ thống mở OSI

Mục tiêu của mô hình OSI (Open System Interconnection) là để đảm bảo rằng bất kỳ một xử lý ứng dụng nào đều không ảnh hưởng tới trạng thái nguyên thuỷ của dịch vụ, hoặc các xử lý ứng dụng có thể giao tiếp trực tiếp với các hệ thống máy tính khác trên cùng lớp (nếu các hệ thống cùng được hỗ trợ theo tiêu chuẩn của mô hình OSI) Mô hình OSI cung cấp một khung làm việc tiêu chuẩn cho các hệ thống Cấu trúc phân lớp được sử dụng trong mô hình và có 7 lớp, có thể phân loại thành 2 vùng chính

o Lớp thấp cung cấp các dịch vụ đầu cuối - tới - đầu cuối đáp ứng phương tiện truyền số liệu (các chức năng hướng về phía mạng)

o Lớp cao cung cấp các dịch vụ ứng dụng đáp ứng truyền thông tin (các chức năng hướng về người sử dụng)

phương tiện truyền thông

Card giao tiếp

Sử dụng khung, gói, tế bào

mạng Các giao thức: IP,IPX Sử dụng tiêu đề (datagram)

Lớp truyền tải Độ tin cậy và ghép các

số liệu truyền qua mạng Các giao thức: TCP, UDP Sử dụng các segments

điều khiển luồng số liệu Các giao thức: SIP, RTCP Sử dụng các cuộc gọi thủ tục từ xa

Lớp trình diễn Thêm các cấu trúc vào

đơn vị số liệu để trao

đổi

Giao thức : Biến

đổi, nén, giải nén

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

Lớp ứng dụng Quản lý truyền thông

giữa các ứng dụng Các giao thức: Telnet, FTP Sử dụng các bản tin

Bảng 1.1: Mô hình phân lớp OSI

Mô hình OSI có thể chia thành ba môi trường điều hành:

Môi trường mạng: Liên quan tới các giao thức, trao đổi các bản tin và các tiêu chuẩn

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

Môi trường OSI: Cho phép thêm vào các giao thức hướng ứng dụng và các tiêu

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

Môi trường hệ thống thực: Xây dựng trên mô hình OSI và liên quan tới đặc tính dịch

vụ và phần mềm của người sản xuất, nó được phát triển để thực hiện nhiệm vụ xử lý thông tin phân tán trong thực tế

Những môi trường này cung cấp những đặc tính sau :

o Giao tiếp giữa các lớp

o Chức năng của các lớp, giao thức định nghĩa tập hợp của những quy tắc và những quy ước sử dụng bởi lớp để giao tiếp với một lớp tương đương tương tự trong hệ thống từ xa khác

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

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

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

Khi xét tới các kỹ thuật chuyển mạch cơ bản được sử dụng trong các hệ thống viễn thông chúng ta có thể tiếp cận từ khía cạnh dịch vụ mà hệ thống chuyển mạch cung cấp Trên hướng tiếp cận tương đối đơn giản, các dịch vụ này được chia thành dịch vụ thoại và dịch vụ phi thoại, trong đó đại diện cho dịch vụ phi thoại là dịch vụ

số liệu Chúng ta hiểu rằng, số hoá và gói hoá thoại là hai vấn đề hoàn toàn khác nhau, trong mạng chuyển mạch điện thoại công cộng PSTN hiện nay tín hiệu thoại

đã được số hoá, và kỹ thuật chuyển mạch truyền thống được áp dụng là kỹ thuật chuyển mạch kênh Dữ liệu thoại chỉ được gọi là đã gói hoá nếu những gói này được chuyển tải trên mạng chuyển mạch gói Chuyển đổi mạng thoại từ chuyển mạch kênh sang chuyển mạch gói là vấn đề hết sức khó khăn Trong mục này chúng ta sẽ xem xét những vấn đề kỹ thuật cơ bản được ứng dụng trong hệ thống chuyển mạch:

Kỹ thuật chuyển mạch kênh và kỹ thuật chuyển mạch gói

Mạng điện thoại công cộng (PSTN) được phát triển trên mạng chuyển mạch kênh để cung cấp các dịch vụ thoại truyền thống Các mạng dữ liệu như các mạng LAN, mạng Internet là mạng chuyển mạch gói rất thích hợp để trao đổi dữ liệu Trong Bảng 1.2 ta thấy sự khác biệt giữa các dịch vụ thoại (chuyển mạch kênh) và dịch vụ dữ liệu (chuyển mạch gói)

Đặc điểm Dịch vụ thoại Dịch vụ dữ liệu

Nhạy cảm với lỗi Đàm thoại lại nếu có lỗi Không cho phép lỗi

Phát lại thông tin Không thể thực hiện được Thực hiện dễ dàng

Bảng 2.2: Một số so sánh dịch vụ thoại và dữ liệu

Các dịch vụ thoại trong mạng PSTN hiện nay sử dụng kỹ thuật điều chế PCM (Pulse Code Mudulation) và chiếm băng thông 64kb/s Nếu chúng ta có thể cung cấp băng thông lớn hơn cho mỗi cuộc gọi thì chất lượng cuộc gọi thoại cũng không vì thế mà tốt hơn Trái lại, đối với các dịch vụ dữ liệu băng thông rất quan trọng Một số ứng dụng đòi hỏi băng thông tới 1Gb/s hoặc cao hơn Sự thay đổi về băng thông thường được gọi là bùng nổ băng thông Trong khi dịch vụ thoại được cung cấp bởi kỹ thuật chuyển mạch kênh luôn đòi hỏi băng thông không đổi, ngược lại các dịch vụ dữ liệu có thể có nhu cầu về băng thông thay đổi tới hàng trăm, thậm chí hàng ngàn lần

Độ trễ là tham số rất quan trọng để đánh giá chất lượng mạng điện thoại Các cuộc gọi thoại đòi hỏi thời gian trễ thấp và ổn định Nhiều mạng dữ liệu cũng có yêu cầu độ trễ tương đối thấp, tuy nhiên không đòi hỏi sự ổn định Chẳng hạn trong khi truyền tệp việc các gói tin của đầu hay cuối tệp đến trước không có ý nghĩa gì Để

đảm bảo độ trễ thấp và ổn định mạng PSTN được thiết kế là mạng định tuyến theo hướng kết nối Một số mạng dữ liệu cũng là mạng hướng kết nối, tuy nhiên một khi yêu cầu về độ trễ không quá ngặt nghèo thì mạng dữ liệu thường được xây dựng theo mô hình phi kết nối

Vì những khác biệt giữa các dịch vụ thoại và dịch vụ dữ liệu nên việc xây dựng mạng riêng biệt để cung cấp các dịch vụ trên là dễ dàng hơn rất nhiều so với việc xây dựng một mạng có thể cung cấp được tất cả các dịch vụ Trong các mô hình mạng tích hợp cho phép sử dụng cùng một cơ sở hạ tầng để cung cấp dịch vụ thoại

và dữ liệu, thì hướng công nghệ ATM là một hướng cho phép xây dựng các kiến trúc mạng tích hợp mạng thoại và dữ liệu Nếu xét về khả năng tương thích trong quá trình chuyển đổi thì giải pháp nâng cấp các tổng đài PSTN để hỗ trợ chuyển mạch

gói hoặc phát triển mạng dữ liệu để hỗ trợ dịch vụ thoại có vẻ là giải pháp hiệu quả hơn so với phát triển kiến trúc mới hoàn toàn như mạng ATM chẳng hạn, tuy nhiên, hướng tiếp cận này cũng gặp không ít khó khăn vì các hệ thống chuyển mạch truyền thống khi được thiết kế thường bị giới hạn bởi khả năng công nghệ áp dụng

1.4 Công nghệ chuyển mạch LAN/WAN

1.4.1 Sự phát triển của xử lý phân tán

Các thế hệ máy tính đầu tiên không chỉ lớn về mặt kích thước mà còn hạn chế

về khả năng xử lý, các hệ thống máy tính hiện nay có năng lực xử lý tốt hơn rất nhiều so với trước đây kể cả các hệ thống máy tính lớn và hệ thống máy tính cá nhân Máy tính lớn sử dụng các bộ vi xử lý tập trung và hầu hết các ứng dụng được

xử lý tại đó theo nguyên tắc chia sẻ tài nguyên và thời gian thực, các thiết bị đầu cuối truy nhập bắt buộc phải sử dụng cùng một giao thức liên lạc truyền thông và các kết nối cho phép hỗ trợ một lượng hữu hạn thiết bị đầu cuối Như vậy, thiết bị

đầu cuối khá đơn giản và làm giảm giá thành đối với người sử dụng Tuy nhiên, các thiết bị đầu cuối quá phụ thuộc vào máy tính lớn cũng như kết nối trong hệ thống Khi máy tính cá nhân trở thành phổ biến vì giá thành hạ, thì người sử dụng mong muốn có được các kết nối giữa các máy tính với nhau, điều đó đã thúc đẩy cho ngành công nghiệp mới (LAN/WAN) và quá trình xử lý phân tán được hình thành và phát triển

1.4.2 Các thiết bị mạng LAN

Khái niệm cấu hình mạng có thể được nhìn nhận từ khía cạnh bố trí về mặt logic của mạng và nó có thể không chỉ ra các kết nối vật lý thực sự Ba cấu hình cơ bản thường được sử dụng trong mạng LAN: cấu hình hình sao, bus, mạch vòng (đơn, kép) và mỗi kiểu cấu hình đều có các ưu nhược điểm khác nhau Các thành phần cơ bản trong một mạng LAN được sử dụng để chuyển tiếp gói tin qua mạng là: các bộ lặp, cầu, bộ định tuyến, một số thiết bị phụ trợ khác như: Card giao tiếp mạng (NIC), khối truy nhập phương tiện (MAU), bộ tập trung v v

o Các bộ lặp được coi là thiết bị lớp 1 trong mô hình OSI, chúng không phải biên dịch thành phần dữ liệu và không có khả năng kiểm tra địa chỉ trong tiêu

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

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

được sử dụng trong mạng WAN

o Bộ định tuyến được sử dụng để kết nối nhiều mạng với nhau và là thiết bị lớp

3 Các bộ định tuyến hỗ trợ rất nhiều giao thức liên quan tới các công nghệ mạng khác nhau, chúng hoàn toàn tương thích với môi trường mạng WAN

Lớp gần với lớp vật lý nhất là lớp MAC, lớp này ghép các dữ liệu thành khung Ethernet từ dữ liệu lớp trên (LLC) và gửi các dữ liệu trên đường truyền vật lý Khi một nút nhận được dữ liệu, lớp con MAC đọc địa chỉ từ tiêu đề giao thức và xác định xem dữ liệu có thuộc về nút đó hay không? Nếu đúng thì MAC loại bỏ tiêu đề chuyển gói tới lớp con kế tiếp (LLC)

MAC thực hiện phát hiện và sửa lỗi mức 2, bằng cách thêm vào tiêu đề thứ tự của khung truyền (FCS), tuy nhiên, MAC vẫn sử dụng một thuật toán đề kiểm tra dữ liệu nhận được từ LLC, thuật toán này được sử dụng tại các nút để phát hiện lỗi qua giá trị tính toán Phương thức yêu cầu truyền lại cũng khác nhau theo từng giao thức Một khung có thể bị loại bỏ vì chiều dài của khung vượt quá tiêu chuẩn cho phép

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

Có ba loại dịch vụ được cung cấp trong tiêu chuẩn IEEE 802.3 : Dịch vụ phi kết nối không phản hồi, dịch vụ kết nối có hướng, được phi kết nối phản hồi Chuẩn IEEE 802.3 khác với chuẩn Ethernet 2.0 ở chỗ ethernet 2.0 chỉ cung cấp dịch vụ phi kết nối không phản hồi và kết hợp LLC và MAC thành một lớp đơn, đó là dịch vụ có độ tin cậy thấp nhất

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

Dịch vụ kết nối có hướng thoả hiệp một phiên liên lạc với nút đích trước khi truyền dữ liệu, phiên liên lạc hoàn toàn mang tính logic và không có sự hiện diện của các kết nối vật lý giữa các nút Trong giao thức này, mỗi khi nút đích nhận

được dữ liệu thì phía phát tin sẽ nhận được phản hồi đề đảm bảo phiên liên lạc đó thành công Số thứ tự được sử dụng đề ngăn chặn lỗi trong dữ liệu truyền vì lý do không đúng thứ tự và sử dụng để yêu cầu phát lại Cơ chế điều khiển luồng được

sử dụng để dừng luồng dữ liệu khi máy thu không sẵn sàng hoặc chiều dài các khung vượt quá tiêu chuẩn cho phép, nó cho phép cắt kết nối qua khung không

đánh số để giải phóng kết nối logic

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

đó bị mất và tiến hành truyền lại, điều này làm tăng lưu lượng trên mạng nhưng

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

1.4.4 Token Ring

Token ring được đề xuất lần đầu tiên vào năm 1969 bởi IBM, tại thời điểm ethernet chỉ hỗ trợ tốc độ truyền 10Mb/s thì token ring hỗ trợ tốc độ 16 Mb/s (chuẩn IEEE 802.5) Sự khác biệt cơ bản của token ring và ethernet là cấu hình, token ring

sử dụng cấu hình vòng trong khi ethernet sử dụng cấu hình bus Để giải quyết xung

đột dữ liệu, token ring sử dụng các khung nhỏ (token) để truyền dữ liệu trên mạng, một nút không thể truyền nếu nó không bắt được token, sau khi truyền token sẽ

được giải phóng cho các nút khác Chính vì vậy, trễ là một vấn đề cố hữu trong mạng token ring vì khung dữ liệu phải đi qua tất các các nút Giống như Ethernet, token ring cũng chia thành hai lớp con: MAC và LLC Do các giao thức mạng LAN

có xu hướng phụ thuộc vào cấu hình nên hiển nhiên có sự khác biệt giữa các lớp MAC/LLC của token ring và ethernet Một số cơ chế ưu tiên được áp dụng để xác

định nút nào sẽ được nhận token, trong quá trình truyền nếu xuất hiện lỗi thì nút

đích sẽ không sao chép khung dữ liệu vào bộ nhớ và yêu cầu truyền lại Các bộ định thời sẽ ngăn chặn khả năng một nút nào đó liên tục chiếm giữ token (hogging), nó sẽ truyền liên tục và không giải phóng token Điều khiển token ring thuờng thông qua một trạm giám sát, và có thể đặt tại một nút bất kỳ trong mạch vòng, cơ chế này hoàn toàn tự động và thoả hiệp giữa các nút trong mạch vòng

1.4.5 FDDI

FDDI được phát triển bởi IEEE và được công nhận như một chuẩn của ANSI thông qua uỷ ban X3T9.5 ( giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1992) FDDI tương tự như token ring vì nó cũng sử dụng một token để xác định mạng rỗi và chống tranh chấp FDDI khác với token ring ở cách xử lý token, FDDI sử dụng một token định

thời cho phép nút chiếm kênh truyền trong một khoảng thời gian định trước và sau

đó phải trao quyền điều khiển cho nút khác FDDI sử dụng cấu hình mạng vòng kép cho phép dữ liệu truyền theo hai hướng, nếu một liên kết vòng bị gẫy, dữ liệu sẽ chuyển theo đường ngược lại hình thành nên một mạch vòng đơn

Trong FDDI token được giải phóng ngay sau khi truyền dữ liệu, nút phát không phải đợi khung dữ liệu đi hết một vòng và quay về, điều này có nghĩa là nhiều nút có thể truyền đồng thời trên mạng nếu như chúng nhận được token FDDI sử dụng chức năng quản lý mạch vòng phân tán, mỗi nút chịu trách nhiệm liên lạc với nút kế bên, các thông tin trạng thái được trao đổi liên tục với nút kế bên, cho phép một nút bất

kỳ khởi tạo lại vòng, cách ly lỗi và phục hồi các lỗi trong mạch vòng

Chuẩn FDDI định nghĩa các lớp con tương đương với lớp 1 trong mô hình OSI, lớp phụ thuộc phương tiện vật lý PMD ( physical Media Dependent) là lớp thấp nhất,

nó xác định tất cả các thiết bị phần cứng và các hoạt động giao tiếp phần mềm gồm việc truyền dữ liệu trên cáp quang, các dịch vụ cho lớp cao, các bộ kết nối dạng sóng của tín hiệu và yêu cầu mã hoá Lớp vật lý (PHY) nằm ngay phía trên PMD, PHY cung cấp các phương pháp mà hoá và giải mã dữ liệu trước khi truyền trên sợi quang, nó chịu trách nhiệm về việc truyền và nhận dữ liệu, điều chỉnh tốc độ và

đồng bộ, trạng thái đường dây khác nhau và hỗ trợ các dịch vụ lớp cao hơn Lớp MAC xác định loại khung được gửi, định nghĩa khuôn dạng và kích thước khung Khi mạng rỗi, các bản tin quản lý được truyền để duy trì tính toàn vẹn của mạng, nó gồm các bản tin trạng thái được gửi đi giữa các nút, định thời trong mạng vòng, cách

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

vụ băng rộng của các mạng lớn, nó tạo ra đường trục chất lượng tốt cho nhiều mạng

để hình thành mạng diện rộng dựa trên công nghệ cáp quang

1.4.6 Kết nối LAN qua WAN

Các mạng LAN tồn tại trong phạm vi nhỏ, và các mạng WAN sẽ là mạng diện rộng Tuy nhiên, rất khó vạch ra một biên giới rõ ràng về LAN và WAN dù chỉ theo phương diện địa lý Nếu một mạng kết nối với mạng LAN khác và giao thức sử dụng

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

Giao thức chuyển mạch gói X.25 và X.75 là các giao thức mở đầu cho phép truyền gói tin trên mạng kết nối định hướng Tuy nhiên, công nghệ FR ( frame relay) được đưa ra để thay thế và có những ưu điểm hơn hẳn về độ chiếm dùng của thông tin điều khiển FR là một giao thức lớp 2, nó đóng gói dữ liệu bao gồm cả tiêu

đề giao thức của các mạng khác thành một khung và gửi chúng đến đích trong mạng

FR FR không cung cấp bất kỳ một phương pháp phát hiện và sửa lỗi nào trên lớp 3, mạng FR chỉ sử dụng một phương pháp đơn giản trong kỹ thuật điều khiển luồng để ngăn ngừa sự tắc nghẽn, đó là các thủ tục rất đơn giản

ATM cũng được đặt ra là công nghệ nền cho mạng diện rộng, với các ưu điểm của công nghệ truyền tải không đồng bộ, cho phép đóng gói dữ liệu thành các tế bào

và được nhận dạng qua trường VPI/VCI để thực hiện chuyển mạch tới thiết bị đích của mạng ATM ATM được đề xuất cho mô hình mạng đa dịch vụ tích hợp băng thông lớn (B-ISDN) cho phép tích hợp dịch vụ và các giao thức lớp trên chạy trên nền tảng của nó Các giao thức phổ biến như TCP/IP hoàn toàn có thể hoạt động tốt trên môi trường mạng ATM, phần chi tiết sẽ được trình bày trong các chương tiếp theo Trong phần này chúng ta sẽ cùng nhau xem xét kiến trúc cơ bản và xu hướng phát triển trong lĩnh vực thiết kế bộ định tuyến truyền thống kết nối các mạng LAN thông qua WAN

a Kiến trúc của các bộ định tuyến truyền thống

Sự phổ biến của internet đã khiến cho lưu lượng trên mạng tăng lên nhanh chóng trong những năm gần đây Để duy trì sự tăng trưởng các nhà cung cấp dịch vụ liên tục đưa ra các dịch vụ mới đa dạng trên nền đa phương tiện, các dịch vụ đã tạo

ra sức ép với hạ tầng mạng nhất là với các bộ định tuyến Các bộ định tuyến truyền thống hoạt động chủ yếu trên phần mềm, khả năng của bộ định tuyến thường bị giới hạn bởi khả năng xử lý mã Để đạt được tốc độ định tuyến nhanh, cần có một bộ xử

lý tốc độ cao và dung lượng bộ nhớ lớn, điều đó đồng nghĩa với giá thành cao Các mạch tích hợp ứng dụng đặc biệt ASIC cùng với các công nghệ bộ nhớ đã được triển khai nhằm cải thiện hiệu năng của các bộ định tuyến Mặt khác, các giải pháp công nghệ mới cũng được đề xuất và ứng dụng

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

bộ định tuyến điển hình được chỉ ra trên các hình sau đây gồm có 4 khối chức năng cơ bản: phần mềm định tuyến, khối xử lý gói, ma trận chuyển mạch và card đường truyền

Bộ xử lý chính thực thi phần mềm định tuyến, phần mềm này thực hiện các chức năng định tuyến và duy trì các thông tin của mạng thông qua các giao thức

định tuyến, các thông tin được lưu trữ tại bảng định tuyến và các dữ liệu được cập

nhật thường xuyên tuỳ thuộc vào cấu hình mạng Ma trận chuyển mạch thực hiện quá trình chuyển tiếp gói tin từ đầu vào tới đầu ra bộ định tuyến, nó là thành phần cốt lõi của phương tiện chuyển gói Bộ xử lý chuyển gói thường là một ASIC được tối ưu để thực hiện nhiệm vụ xử lý gói với tốc độ cao nhất, trong bộ xử lý chuyển gói chứa và duy trì một bảng dữ liệu dành cho nhiệm vụ chuyển gói, bảng này nhận các thông tin cơ bản từ bảng định tuyến và thực hiện các tác vụ như: đọc địa chỉ

đích, tra cứu tuyến, tìm tiền tố phù hợp và chuyển gói tới đầu ra tương ứng

b Sự phát triển cấu trúc của các bộ định tuyến

Đã có rất nhiều cấu trúc được ứng dụng cho các bộ định tuyến, các cấu trúc

được lựa chọn để đưa vào khai thác dựa trên rất nhiều yếu tố gồm giá thành, dung lượng, chất lượng yêu cầu và công nghệ hiện thời

Thế hệ thứ nhất của bộ định tuyến tương đối đơn giản nếu chúng ta nhìn nhận từ phương diện cấu trúc (xem trên hình 1.1)

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

Bộ định tuyến sử dụng bus truyền thống gồm một bộ xử lý tập trung đa chức năng, bộ đệm tập trung và một BUS chung chia sẻ dữ liệu cho các card đường truyền

đầu vào và đầu ra Bộ định tuyến nhận các gói tin tại giao diện và gửi các gói tin này tới bộ xử lý trung tâm (CPU) CPU có nhiệm vụ xác định chặng đến tiếp theo của gói tin và gửi chúng tới giao diện đầu ra tương ứng Các gói tin đi vào bộ định tuyến phải được truyền trên cùng một bus để lập lịch trình tới đầu ra và thường được lưu

đệm tại một bộ nhớ dữ liệu tập trung Các card giao tiếp đường truyền là các thiết bị không chứa khả năng xử lý gói Nhược điểm cơ bản của mô hình kiến trúc này là dữ liệu phải đi hai lần qua bus sau khi vào bộ định tuyến và bus chỉ có thể được sử dụng cho một card đường truyền tại một thời điểm Một nhược điểm khác nữa là hệ thống

xử lý của bộ định tuyến, với chức năng đa xử lý, CPU sẽ phải thực hiện rất nhiều

công việc gồm cả chức năng định tuyến lẫn chuyển gói, nó tạo ra một tải trọng lớn cho các bộ xử lý đồng thời tạo ra hiện tượng nghẽn cổ chai tại bộ định tuyến

Hiệu năng của bộ định tuyến thế hệ đầu tiên phụ thuộc rất lớn vào tốc độ bus và năng lực xử lý của bộ xử lý trung tâm Kiến trúc này không thể đáp ứng được nhu cầu lưu lượng ngày càng tăng của các giao diện mạng với tốc độ lên tới nhiều gigabit

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

đây Bộ định tuyến được bổ sung các bộ xử lý ASIC và một vài bộ nhớ trong card

đường truyền nhằm phân tán hoạt động chuyển gói, giảm lưu lượng tải trên bus dùng chung Những thành phần bổ sung này có thể thực hiện tìm kiếm trong tiêu đề gói tin các thông tin và thực hiện lưu đệm gói tin đến khi bus rỗi, có nghĩa là kiến trúc này cho phép xử lý gói tin ngay tại các giao diện

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

Trong kiến trúc này, bộ định tuyến giữ một bảng định tuyến trung tâm và các bộ

xử lý vệ tinh tại các giao diện mạng Nếu một tuyến nối không có sẵn trong bảng lưu đệm thì giao diện sẽ yêu cầu tới bảng biên dịch tại trung tâm, như vậy, tại tốc độ cao các bộ xử lý trung tâm vẫn xảy ra hiện tượng tắc nghẽn vì có quá nhiều yêu cầu cần xử lý tại các giao diện mạng và thời gian xử lý chậm hơn rất nhiều nếu như dữ liệu này đã được cache tại card đường dây

Một hạn chế chính của kiến trúc này là lưu lượng phụ thuộc rất lớn vào khả năng xử lý của CPU và năng lực của BUS, tuy nhiên chúng ta có thể thấy rõ biện pháp cải thiện hiệu năng hệ thống qua việc tăng cường tính năng cho các giao diện, bằng cách sử dụng bộ nhớ lớn hơn với các bảng định tuyến có kích thước tăng lên Một giải pháp khác nhằm phân tán và giảm tốc độ truyền bằng các khối chuyển gói

song song, như vậy cấu trúc này tận dụng được băng thông của BUS sử dụng chung Tuy nhiên, các bộ định tuyến thế hệ 2 chỉ tồn tại trong một khoảng thời gian ngắn vì không hỗ trợ được yêu cầu thông lượng lại mạng lõi, cấu trúc sử dụng bus làm phương tiện truyền đã bộc lộ điểm yếu rõ rệt và rất khó thiết kế tại tốc độ cao

Để giải quyết vấn đề tắc nghẽn của các bộ định tuyến thế hệ 2, thế hệ bộ định tuyến thứ 3 được thiết kế với mục tiêu thay thế bus sử dụng chung bằng trường chuyển mạch Các thiết kế cho bộ định tuyến thế hệ 3 nhằm giải quyết 3 vấn đề tiềm tàng trước đây: năng lực xử lý, kích thước bộ nhớ, và băng thông của bus Cả 3 vấn

đề này đều có thể tránh được bằng cách sử dụng một kiến trúc với nền tảng là ma trận chuyển mạch và các giao diện được thiết kế hợp lý Một bước tiến quan trọng trong việc xây dựng các bộ định tuyến hiệu năng cao là tăng cường xử lý cho từng giao diện mạng để giảm thiểu khối lượng xử lý và nguồn tài nguyên bộ nhớ của bộ

định tuyến Các bộ xử lý đa năng và các mạch tích hợp đặc biệt hoàn toàn có thể giải quyết vấn đề này Tuy nhiên, khả năng xử lý tổng thể cho các gói tin qua hệ thống như thế nào còn phụ thuộc vào khả năng tìm và chọn tuyến, cũng như kiến trúc được lựa chọn, trong phần sau chúng ta sẽ xem xét chi tiết hơn Để kết thúc phần này, chúng ta xem xét một sơ đồ chức năng của bộ định tuyến thế hệ 3 dưới góc độ tổng quan nhất (Hình 1.3 )

Bộ xử lý(CPU)

Giao tiếpmạng

Giao tiếpmạng

Trường chuyển mạch

Giao diện ma trận chuyển mạch

Giao tiếp đa phương tiện

Đi cùng với sự thay đổi của kiến trúc bộ định tuyến, các thuật toán xử lý cũng

được phát triển ví dụ như thuật toán tìm kiếm địa chỉ theo tiền tố dài nhất, các kiểu

hàng đợi, các bài toán lập lịch và các phương pháp tích hợp bộ định tuyến,v v Các vấn đề đó vượt quá phạm vi của cuốn đồ án này

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

1.5.1 Giới thiệu chung

NGN là thuật ngữ được sử dụng ngày càng nhiều trong mạng viễn thông, nó thường được sử dụng đặt tên cho sự thay đổi cơ sở hạ tầng cung cấp dịch vụ đang bắt

đầu trong ngành viễn thông và công nghệ thông tin (IT) Theo cách hiểu thông thường, thuật ngữ này có thể không chính xác nhưng nó không phải đơn giản chỉ là thuật ngữ để mô tả sự phát triển PSTN/ISDN /GSM pha 2

Một trong các đặc tính chính của NGN là tách riêng các dịch vụ với các mạng, cho phép đưa chúng ra một cách riêng biệt và phát triển độc lập Do đó trong các cấu trúc NGN đưa ra có sự phân chia rõ ràng giữa các chức năng của dịch vụ và các chức năng truyền tải Một giao diện mở được cung cấp giữa hai phía NGN cho phép cung cấp cả các dịch vụ đang tồn tại và các dịch vụ mới không phụ thuộc vào mạng

và kiểu truy nhập được sử dụng

NGN sẽ phải cung cấp các năng lực (cơ sở hạ tầng, các giao thức…) để có thể tạo ra, phát triển và quản lý tất cả các loại dịch vụ đã biết hoặc sẽ có Các dịch vụ trên có thể sử dụng tất cả các loại phương tiện - media(audio, visual, audiovisual) với tất cả các hệ thống mã hoá và các dịch vụ dữ liệu, đàm thoại, hợp nhất-Unicast,

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

đảm bảo hoặc không Trong mạng NGN các mạng này tuỳ biến theo dịch vụ khách hàng của các nhà cung cấp dịch vụ ngày càng quan trọng NGN sẽ bao gồm các API(giao diện chương trình ứng dụng liên quan đến dịch vụ) để hỗ trợ việc tạo, cung cấp và quản lý các dịch vụ

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

và các mạng đang tồn tại như PSTN, ISDN, GSM bằng các gateway

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

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

độ mất gói ) cũng như vấn đề bảo mật NGN cần cung cấp cơ chế đối với các thông tin nhạy cảm khi đi qua cơ sở hạ tầng của nó Để bảo vệ chống lại việc sử dụng gian lận các dịch vụ được cung cấp bởi các nhà cung cấp dịch vụ và bảo vệ bản thân cơ sở hạ tầng của nó trước sự tấn công từ bên ngoài, điều rất hay gặp đối với một mạng gói

1.5.2 Động lực phát triển

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

vụ này sẽ chiếm một tỷ lệ áp đảo trong những thập niên tiếp theo Trong lĩnh vực khoa học - công nghệ, những thành tựu đạt được về điện tử - tin học như mã hoá tốc

độ thấp, tích hợp máy tính - truyền thông CTI, kỹ thuật xử lý phân tán đã tạo ra những tính năng mới và những phương pháp tiếp cận mới trong công nghệ mạng Các công nghệ mạng được chia thành 3 lĩnh vực, công nghệ truyền dẫn, công nghệ chuyển mạch và công nghệ truy nhập

Trong lĩnh vực công nghệ truyền dẫn, kỹ thuật quang mặc dù mới ra đời nhưng

đã phát triển rất mạnh, hiện nay trên 60% lưu lượng thông tin truyền trên toàn thế giới được truyền trên mạng quang Công nghệ truyền dẫn quang SDH cho phép tạo

ra các đường truyền dẫn tốc độ cao (Gb/s) với khả năng vu hồi bảo vệ của các mạch vòng đã được sử dụng ở nhiều nước trong đó có Việt nam Cùng với đó là kỹ thuật ghép bước sóng quang WDM cho phép sử dụng độ rộng băng tần rất lớn của sợi quang bằng cách kết hợp một số các tín hiệu ghép kênh theo thời gian với độ dài các bước sóng khác nhau và có thể sử dụng được các cửa sổ không gian, thời gian và độ dài bước sóng Công nghệ WDM cho phép nâng tốc độ truyền dẫn lên 5Gb/s, 10Gb/s, 20Gb/s Công nghệ truyền dẫn vô tuyến cũng đang được phát triển rất mạnh trong một số năm gần đây, với sự phối hợp công nghệ truyền dẫn SDH trong lĩnh vực Viba, CDMA trong lĩnh vực thông tin di động, thông tin vệ tinh

Công nghệ chuyển mạch trước đây và đang sử dụng phổ biến hiện nay rất khó

để đảm bảo được đa phương tiện, đa dịch vụ băng rộng trong tương lai Hướng phát triển công nghệ ATM được đánh giá rất cao trong mô hình mạng thế hệ sau NGN Cùng với công nghệ ATM, hiện nay đã có các thử nghiệm về việc chế tạo các

chuyển mạch quang và xu hướng chuyển mạch quang sẽ phân loại theo nguyên lý: phân chia không gian, phân chia thời gian, phân chia theo tần số

Công nghệ mạng truy nhập đã thay đổi rất lớn trong những năm vừa qua, do

nhu cầu truy nhập các dịch vụ tiên tiến từ phía khách hàng đã làm thay đổi các phương thức truyền thống, hình thành các công nghệ mạng mới: Mạng truy nhập quang, mạng truy nhập vô tuyến, truy nhập cáp đồng tốc độ cao Công nghệ mạng truy nhập có xu hướng phát triển truy nhập băng rộng và kết hợp các dịch vụ băng hẹp vào cùng một đường truy nhập như là đối với các dịch vụ băng rộng, nhưng trong quá trình phát triển các dịch vụ này có thể truy nhập riêng biệt

1.5.3 Cấu trúc cơ bản của mạng NGN

Nội dung chủ yếu của hoạt động chuẩn hoá công nghệ NGN được tập trung vào các công nghệ truy nhập hiện thời và đưa ra một số nguyên tắc liên kết hoạt động mạng để đảm bảo: Tính tương đồng kết nối của các mạng truy nhập và khả năng liên kết với các mạng có sẵn

Các vấn đề về giao thức và cấu trúc chung nhằm xác định cơ chế liên kết hoạt

động mạng giữa các mạng truy nhập dựa trên cấu trúc mạng NGN khác nhau cần phải nghiên cứu Điều này sẽ trở nên cấp bách khi các đầu cuối thực hiện các cuộc gọi giữa các kiểu mạng truy nhập khác nhau Cấu trúc NGN cho phép cung cấp cả các dịch vụ mới và các dịch vụ đang tồn tại, không phụ thuộc vào kiến trúc mạng cũng như kiểu truy nhập được sử dụng Một mô hình cấu trúc cơ bản gồm có các phần tử như sau:

o Media gateway: Cung cấp Media từ mạng truy nhập tới mạng gói NGN… Gateway Media hoàn thành các giao thức điều khiển mang và chứa các kết cuối mang Nó cũng chứa các thiết bị thao tác media như bộ dịch mã hoá, bộ khử

o Tiếng vọng hay bộ gửi tone

o Call server : Cung cấp các chức năng điều khiển cuộc gọi theo mô hình cuộc gọi, quá trình báo hiệu và nó cũng cung cấp việc điều khiển Media gateway

Nó cũng phải cung cấp các giao diện (giao diện chuẩn hay giao diện API mở

về phía server) ứng dụng để điều khiển dịch vụ Server ứng dụng trong mạng NGN là sự phát triển của server ứng dụng trên nền tảng Web có thể thực hiện các dịch vụ điều khiển Call server Do đó server ứng dụng có thể hiểu như một nền IT đóng vai trò IN –SCF mở rộng các chức năng của chúng để mở rộng các mô hình hoạt động (scenaros) mạng mới Môi trường kiến tạo ứng dụng sẽ hỗ trợ đầy đủ việc xây dựng chu trình sống của một dịch vụ hay ứng dụng chạy trên server ứng dụng qua tất cả các giai đoạn của nó như phân tích

các yêu cầu, kiến tạo ứng dụng, kiểm tra tính khả thi, triển khai ứng dụng, cung cấp hoạt động ứng dụng và xoá bỏ ứng dụng

o Media server: Sẽ cung cấp các chức năng cho phép tương tác giữa các bên gọi

và các ứng dụng qua các thiết bị thoại như nó có thể trả lời cuộc gọi và các thông báo, đọc thư điện tử bằng cách tổng hợp giọng nói, cung cấp đầu ra tới các ứng dụng từ các lệnh DTMF hay lệnh bằng giọng nói bằng cách sử dụng công nghệ nhận dạng giọng nói…

o Messaging server: Chịu trách nhiệm lưu trữ và điều khiển các bản tin đến, đi

và việc truyền các bản tin giữa các Messaging server khác nhau

1.5.4 Giao thức trong mạng NGN

Các giao thức chính trong mạng NGN có thể xác định dựa trên các mặt phẳng như trong hình 1.5:

o Các giao thức giữa mặt phẳng dịch vụ/ứng dụng với mặt phẳng báo hiệu và

điều khiển là các API mở như (IN/INAP, SIP, Camel, Jain, Parlay…)

o Các giao thức giữa mặt phẳng báo hiệu và điều khiển với mặt phẳng truyền tải là các giao thức Megaco,SIP-T, MGCP, RANAP, MAP, ISUP

o Ngoài ra trong mặt phẳng đều có các giao thức giữa các phần tử như: Giữa các SCP với giao thức INAP trong mặt phẳng dịchvụ/ứng dụng, hay giữa các CallAgent với giao thức BICC, SIP-T

Môi trường kiến tạo ứng dụng

Server ứng dụng

Media Media

Call server

Call server

Truy

IP

Hình 1.5 : Mô hình giao thức mạng NGN

a.BICC

Là giao thức được SG11 của ITU-T phát hành dựa trên cơ sở ISUP trong SS7 với

đặc điểm là rất dễ dàng liên kết hoạt động với ISUP

BICC là giao thức được định nghĩa cho việc áp dụng trên việc truyền dẫn gói

(IP, ATM) Với CS1 ứng dụng cho việc truyền dẫn ATM: AAL1, AAL2, CS2 ứng

dụng cho cả truyền dẫn IP & ATM, CS3 nâng cao việc liên kết hoạt động với các

giao thức khác bao gồm cả SIP(hiện nay đang phát triển)

Các máy chủ ứng

Các trung tâm gọi,

Miền truyền dẫnIP: đường trụcIP, các bộ định tuyến các cơ chế QOS BG(RSVP,MPLS…)

Liên kết hoạt động miền:

TG(MG),

SG, liên kết hoạt động

GW

Miền truy nhập không phải IP

Truy nhập hữu tuyến(AG, Proxy truy nhập)

Truy nhập di động (RAN,AG)

IN

MGC

Mạng VoIP

Đầu cuối không IP

Điện thoại IP(H323,SIP,MGC P )Đầu cuối IP

Mạng PTN/SS7/ATM

Báohiệu(MEGACO,MGCP,RANAP,ISUP, MAP)

SS7,TDM/ATM BICC,SIP-T

BICC cung cấp các công việc phục vụ cho dịch vụ mạng băng hẹp (PSTN, ISDN) qua mạng nền tảng gói mà không ảnh hưởng tới các giao diện mạng đang tồn tại và các dịch vụ mạng kết cuối

Với giao thức BICC mạng không cần nhận biết dữ liệu truyền dẫn mang thực tế, thông tin kết nối xác định tải được sử dụng cho từng trường hợp cuộc gọi và từng tải Chức năng điều khiển mang của BICC phụ thuộc vào công nghệ mang được sử dụng ở lớp dưới

b Megaco

Giao thức Megaco/H248 dựa trên mô hình chủ/ tớ và là chuẩn quốc tế cho việc

điều khiển gateway trong mạng phân tán và là chuẩn mở được phát triển kết hợp giữa ITU và IETF Megaco/H248 tuy còn đơn giản nhưng hiệu quả và rất linh hoạt trong việc mở rộng, cho phép xây dựng phân chia các chức năng gateway bên dưới lớp điều khiển cuộc gọi(như SIP, H.323…) Nó rất linh hoạt cho việc phát triển phần lớn các dịch vụ với các yêu cầu chất lượng, giá cả khác nhau cũng như hỗ trợ và phát triển các mạng sẵn có

c SIP

SIP là giao thức điều khiển cuộc gọi ngang hàng, được phát triển như là một chuẩn mở của IETF, và là đối thủ của H.323 Khác với H.323, nó dựa trên nguồn gốc Web(HTTP) và có thiết kế kiểu modul, đơn giản và dễ dàng mở rộng với các ứng dụng thoại SIP

o Định vị người dùng thông qua địa chỉ tương tự như email

o Năng lực người dùng: Các tham số phiên có thể thương lượng giữa hai phía

o Lợi ích người dùng: Xác định dựa trên kiểu bên bị gọi muốn tiến hành truyền thông

SIP đang tăng trưởng nhanh trong cả hệ thống và lớp thiết bị SIP là giao thức thích hợp với giao diện ngang hành cho các chuẩn khác nhau hay các gateway phân tán

o Có khả năng định tyuến các bản tin SIP phụ thuộc vào bản tin ISUP

o Truyền dẫn các bản tin báo hiệu ISUP trung gian

SIP đảm bảo các chức năng sau:

o Chứa đựng được ISUP trong bản tin SIP

o Khả năng chuyển thông tin từ ISUP sang SIP

o Sử dụng phương pháp INFO cho các chức năng SIP-T báo hiệu các cuộc gọi trung gian

e H.323

H.323 là chuẩn mở được ITU-T phát triển cho việc điều khiển cuộc gọi ngang hàng, dựa trên cơ sở của H.320 và ISDN Q.93 H.232 là một cấu trúc chặt chẽ, phức tạp và phù hợp với việc thực thi các đặc tính thoại truyền thống H.232 cũng thích hợp với các gateway đơn lẻ hay một giao diện ngang hàng tới các gateway tách rời

sử dụng dưới Megaco/H248 H.323 hiện nay được dùng phổ biến cho việc liên kết hoạt động các lớp hệ thống, nhất là trong môi trường thương mại một số điện thoại dựa trên H.323 và các máy PC có cài phần mềm thoại H.323 đang được đưa vào sử dụng

f MGCP

MGCP (giao thức điều khiển gateway media) đã khởi đầu như đề nghị cho giao thức Megaco/H248, và nó cũng dựa trên kiểu chủ/tớ Trong khi MGCP sớm phát triển và được triển khai trong một số mạng, nó không đáp ứng được đầy đủ xu hướng công nghiệp hiện tại mà cũng không thực sự là một chuẩn mở MGCP có các hạn chế trong việc hỗ trợ các mạng khác PSTN, nó ít mềm dẻo và khó mở rộng hơn Megaco/H.248 do đó ít được sử dụng

g ISUP, INAP

Đây là các giao thức rất phổ biến, hỗ trợ cho việc điều khiển cuộc gọi giữa các tổng đài số, được ITU-T phát triển ISUP là một giao thức báo hiệu số 7 cung cấp các chức năng báo hiệu cho các dịch vụ cơ bản, dịch vụ bổ xung trong các ứng dụng thoại và phi thoại của mạng số đa dịch vụ

ISUP sử dụng các dịch vụ do phần chuyển giao tin báo MTP cung cấp và trong một số trường hợp sử dụng các dịch vụ cung cấp bởi phần điều khiển đấu nối báo hiệu SCCP ISUP hỗ trợ ISDN, trao đổi báo hiệu kênh, các lớp dịch vụ và kết nối giữa ISDN với các mạng không phải ISDN

Giao thức INAP được thực hiện với 3 phần chức năng: Xác định các nguyên tắc giữa SACF/MACF, xác định các tiến trình hoạt động truyền dẫn giữa các thực thể và xác định hoạt động xảy ra tại mỗi thực thể

1.5.5 Một số đánh giá về giải pháp phát triển NGN

Các hãng cung cấp thiết bị giới thiệu nhiều mô hình cấu trúc NGN khác nhau và kèm theo là các giải pháp mạng với các thiết bị mới do họ cung cấp Qua các tài liệu

kỹ thuật cho thấy, các hãng đã đưa ra được mô hình cấu trúc tương đối rõ ràng và

các giải pháp phát triển mạng NGN khá cụ thể: Siemens với Superpass, Alcatel với

1000 MM E10, Ericsson với Engine, v…v

Trong đó phần lớn các mô hình cấu trúc tương ứng với mô hình của diễn đàn chuyển mạch đa dịch vụ MSF đưa ra như sau:

Hệ thống chuyển mạch NGN được phân thành 4 lớp tách biệt thay vì tích hợp thành một hệ thống như công nghệ chuyển mạch kênh hiện nay: Lớp ứng dụng/dịch

vụ, lớp điều khiển, lớp chuyển tải dịch vụ, lớp truy nhập Mô hình phân lớp của hệ chuyển mạch thế hệ mới được mô tả trong hình 1.11 Trong đó lớp quản lý là một lớp đặc biệt xuyên suốt các lớp truy nhập, truyền tải và điều khiển

Hình 1.6: Mô hình phân lớp hệ thống chuyển mạch NGN

Lớp ứng dụng và dịch vụ cung cấp các ứng dụng và dịch vụ như dịch vụ mạng thông minh IN, trả tiền trước, dịch vụ giá trị gia tăng Internet cho khách hàng thông qua lớp điều khiển v.v…Một số loại dịch vụ sẽ thực hiện làm chủ việc điều khiển logic dịch vụ của chúng, một số loại khác sẽ được điều khiển qua liên kết với lớp

điều khiển thông qua các giao diện mở Nhờ giao diện mở này mà mạng có thể phát triển các ứng dụng và triển khai nhanh chóng các dịch vụ trên mạng

Lớp điều khiển

Lớp điều khiển bao gồm các hệ thống điều khiển kết nối cuộc gọi giữa các thuê bao thông qua việc diều khiển các thiết bị chuyển mạch của lớp chuyển tải và các thiết bị truy nhập của lớp truy nhập Gồm có các chức năng sau:

o Định tuyến và định tuyến lại lưu lượng giữa các khối chuyển mạch

o Thiết lập các yêu cầu, điều chỉnh lại kết nối hoặc các luồng, điều khiển sắp xếp nhãn giữa giao diện các cổng

Lớp điều khiển

Lớp chuyển tải Lớp truy nhập

Chuyển mạch gói Chuyển mạch kênh

Lớp quản

lý

o Phân bổ lưu lượng và các chỉ tiêu chất lượng đối với mỗi kết nối hoặc mỗi luồng và thực hiện việc quản lý giám sát điều khiển để đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng

o Điều khiển các chức năng của lớp ứng dụng,

o Chức năng thu nhận và chuyển thông tin báo hiệu từ cổng và chuyển các thông tin này tới các thành phần khác trong lớp mạng điều khiển

o Điều phối kết nối và các thông số của lớp ứng dụng với các thành phần của

hệ thống chuyển mạch đầu xa

o Quản lý và bảo dưỡng hoạt động của các tuyến kết nối thuộc phạm vi điều khiển Thiết lập quản lý và bảo dưỡng các luồng yêu cầu cho các dịch vụ đặc biệt, báo hiệu cho các thành phần ngang cấp

o Các chức năng hỗ trợ như tính cước, chăm sóc khách hàng cũng được tích hợp trong lớp điều khiển

Lớp chuyển tải

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

Lớp truy nhập

Bao gồm các thiết bị truy nhập cung cấp các cổng kết nối với thiết bị đầu cuối thuê bao qua hệ thống mạng ngoại vi cáp đồng, hoặc cáp quang hoặc vô tuyến Các thiết bị truy nhập có thể cung cấp các loại cổng truy nhập cho các loại thuê bao sau: POTS, VOIP, IP, FR, X.25, ATM, xDSL, di động v.v

Như vậy, trong cấu trúc mạng mới mà các hãng đề xuất, các chức năng truyền tải bao gồm chức năng chuyển mạch và truyền dẫn, hình thành lớp lõi Với mô hình này các thiết bị truyền dẫn và chuyển mạch chỉ được xem như các công cụ thực hiện chức năng truyền tải lưu lượng

Cấu trúc mạng mới đa phương tiện, đa dịch vụ đòi hỏi các thủ tục kết nối phải

được thực hiện từ đầu cuối tới đầu cuối xuyên suốt, chịu sự ảnh hưởng rất lớn của các hoạt động điều hành trong lớp điều khiển và lớp quản lý

1.6 Tổng kết chương

Chương mở đầu trình bày khái quát về một vấn đề cơ bản trong quá trình phát triển mạng, cách tiếp cận là từ tổng quan tới chi tiết, nội dung các mục đã thể hiện một số đặc điểm cơ bản trong quá trình hội tụ công nghệ mạng Mô hình kết nối hệ thống mở được đưa vào trong chương này với mục đích giới thiệu và sẽ là sở cứ cho các mô hình tham chiếu của các hệ thống tới đó Phần trình bày về chuyển mạch LAN/WAN đánh giá sơ bộ về một số công nghệ mạng phổ biến, trong đó giới thiệu

về sự phát triển của các bộ định tuyến để nhằm nổi bật chức năng định tuyến và chuyển mạch trong mạng công nghệ thông tin IT Phần còn lại của chương giới thiệu sơ bộ về một số đặc điểm cơ bản của mạng thế hệ kế tiếp, nơi mà công nghệ chuyển mạch IP sẽ được ứng dụng, cụ thể hơn là công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức đang và sẽ được triển khai trong các mô hình mạng NGN Một vài phân tích cơ bản đã cho thấy, mạng thế hệ sau không phải là một mạng hoàn toàn mới, vì vậy khi xây dựng và phát triển mạng theo xu hướng NGN phải thực hiện kết nối với mạng hiện tại và tận dụng các thiết bị viễn thông trên mạng để nhằm đạt được hiệu quả khai thác tối đa Điều này phụ thuộc rất nhiều vào cấu trúc mạng hiện tại và nhu cầu dịch vụ trong tương lai của từng quốc gia

Chương 2: Công nghệ IP

2.1 Địa chỉ Internet

2.1.1 Mô hình tham chiếu tới OSI

Mô hình tham chiếu APRA tới mô hình OSI gồm có 4 lớp chức năng được chỉ ra trên hình 2.1 sau đây:

Lớp thấp nhất trong mô hình ARPA là lớp giao diện mạng hay còn được gọi là lớp mạng cục bộ bao gồm liên kết vật lí giữa các thiết bị Lớp giao diện mạng có mặt ở tất cả các thiết bị mạng (các Host, các trạm trung chuyển) Nó bao gồm tất cả các thành phần phần cứng của cơ sở hạ tầng mạng và có chức năng tương ứng với tầng vật lí và tầng liên kết dữ liệu trong mô hình OSI, nó tạo các kết nối vật lí đến

hệ thống cáp trong thời gian thích hợp, tạo khung thông tin Giao tiếp mạng có thể bao gồm một chương trình điều khiển thiết bị hay một hệ con phức tạp sử dụng các giao thức kết nối dữ liệu riêng

Lớp Internet của mô hình ARPA tương ứng với lớp mạng trong mô hình OSI Nó cách ly các Host với các chức năng chi tiết của mạng, ví dụ như phương pháp đánh

địa chỉ để thực hiện các chức năng định tuyến và chuyển mạch thông tin qua mạng

Cụ thể lớp Internet giải quyết một số vấn đề: đánh địa chỉ, phân phối gói tin, định tuyến Giao thức IP được phát triển để cung cấp các dịch vụ đầu cuối tới đầu cuối cho lớp Internet, gửi và nhận các thông điệp kiểm soát và xử lý lỗi ICMP (Internet Control Message Protocol)

Nhiệm vụ cơ bản của lớp truyền tải là cung cấp phương tiện liên lạc từ một chương trình ứng dụng này tới một chương trình ứng dụng khác Trong khi lớp Internet thực hiện chức năng phân phối bản tin từ đầu cuối đến đầu cuối và không

đảm bảo cho sự phân phối đó Mức truyền tải có thể điều chỉnh luồng thông tin, nó

có thể cung cấp quá trình truyền có độ tin cậy, bảo đảm dữ liệu đến nơi không có lỗi

Hình 2.1: Mô hình ARPA với mô hình OSI

ARPA OSI

Lớp xử lý và ứng dụng

Lớp truyền tải Lớp internet

Giao diện mạng

Giao thức ứng dụng trong internet

HTTP, FTP, SMTP

TCP, UDP

IP, ARP, RARP, ICMP

NIC, Ethernet, MAN, WAN, cáp, v v

và đúng thứ tự Để làm được điều đó phần mềm giao thức sẽ gửi lại nơi nhận bản tin xác nhận, Có hai giao thức được phát triển để hỗ trợ lớp này là: Giao thức điều khiển truyền dẫn TCP (Transport Control Protocol) - hỗ trợ các ứng dụng yêu cầu dịch vụ

từ đầu cuối - tới - đầu cuối có độ tin cậy Giao thức lược đồ dữ liệu người dùng UDP (User Datagram Protocol) - hỗ trợ các ứng dụng không yêu cầu độ tin cậy cao Ngoài ra giao thức bản tin điều khiển ICMP cho phép các Host và các trạm trung chuyển trao đổi các thông tin quản lí và điều khiển bằng các bản tin

Lớp cao nhất trong mô hình ARPA là lớp ứng dụng/xử lí , chỉ có mặt ở các Host

để hỗ trợ quá trình xử lí hay ứng dụng từ người dùng tới host và từ host tới host Có nhiều tiêu chuẩn ứng dụng được phát triển bao gồm ứng dụng cho mạng viễn thông, cho các truy nhập thiết bị đầu cuối ở xa (TELNET), giao thức FTP (File Transfer Protocol) để truyền file, giao thức truyền thư đơn giản SMTP (Simple Mesage Transfer Protocol) cho thư điện tử Lớp này tương đương với 3 lớp trên cùng của mô hình OSI

2.1.2 Tiêu đề IPv4

Tiêu đề IP được thêm vào sau khi nó nhận được thông tin của lớp chuyển vận hoặc từ lớp ứng dụng, sau đó nó được đưa xuống tầng liên kết dữ liệu để truyền đi trên một phương tiện nhất định Cấu trúc tiêu đề IPv4 được chỉ rõ trên hình 2.2

00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31

Source IP address Destination IP address

:::

Hình 2.2: Tiêu đề IPv4

Các trường chức năng của tiêu đề gói tin IP gồm có:

Version: Chỉ ra phiên bản của giao thức hiện hành (IPv4), được sử dụng để máy gửi,

máy nhận, các bộ định tuyến cùng thống nhất về định dạng datagram

IHL (Identifed Header Length): Trường xác nhận độ dài tiêu đề cung cấp thông tin

về độ dài tiêu đề của gói tin, thông thường tiêu đề có độ dài 20 octets

TOS (Type Of Service): Trường kiểu phục vụ dài 8 bit gồm 2 phần: trường ưu tiên và

kiểu phục vụ Trường ưu tiên gồm 3 bit dùng để gán mức ưu tiên cho các gói tin, cung cấp cơ chế cho phép điều khiển các gói tin qua mạng Các bit còn lại dùng xác

định kiểu lưu lượng gói tin khi nó chuyển qua mạng, như đặc tính trễ, độ thông qua

và độ tin cậy Vào khoảng cuối năm 1990, IETF đã định nghĩa lại ý nghĩa của các bít trong trường TOS để thể hiện một tập hợp các dịch vụ khác biệt Thông qua 6 bit

đầu tiên thiết lập 64 điểm mã (codepoint) để ánh xạ vào một số dịch vụ cơ sở, 2 bit còn lại để trống Tuy nhiên trường dữ liệu này được sử dụng như thế nào? thì còn tuỳ thuộc rất nhiều vào kiến trúc mạng, vì chính bản thân mạng Internet không đảm bảo chất lượng phục vụ QoS, nên đây đơn thuần chỉ là tiêu chí yêu cầu chứ không phải là tiêu chí đòi hỏi đối với các bộ định tuyến Việc sử dụng trường TOS để nâng cao chất lượng dịch vụ sẽ được đề cập trong các phần sau của luận văn

TL (Total length): Trường hiển thị tổng độ dài gói tin dài 16 bit, sử dụng để xác định

chiều dài của toàn bộ gói IP Chiều dài lớn nhất một gói IP cho phép là 65535 octets

Identification: Trường nhận dạng dài 16 bit, được máy chủ sử dụng để phát hiện và

nhóm các đoạn bị chia nhỏ của gói tin Các bộ định tuyến sẽ chia nhỏ các gói tin nếu như đơn vị truyền tin lớn nhất của gói tin MTU (Maximum Transmission Unit) lớn hơn MTU của môi trường truyền MTU của môi trường truyền được định nghĩa như là kích cỡ của gói IP lớn nhất mà nó có thể được mang trong một khung liên kết dữ liệu Việc hợp lại các đoạn tin được thực hiện tại máy chủ đích Sự chia cắt gói tin tạo thêm công việc cho các bộ định tuyến và các máy chủ đầu cuối Một kỹ thuật

có tên là tìm tuyến đường cho đơn vị truyền gói tin lớn nhất (Path MTU Discovery)

được đưa ra, tạo khả năng cho một máy chủ gửi tin có thể tìm ra một MTU lớn nhất

có thể, theo con đường từ nguồn tới đích mà không cần bất kỳ quá trình chia cắt gói tin nào khác

Flags : Trường cờ chứa 3 bít được sử dụng cho quá trình điều khiển phân đoạn, bít

đầu tiên chỉ chị tới các bộ định tuyến cho phép hoặc không cho phép phân đoạn gói tin, 2 bít giá trị thấp được sử dụng để điều khiển phân đoạn, kết hợp với trường nhận dạng và trường phân đoạn để xác định gói tin nhận được sau quá trình phân đoạn

Fragment Offset : Trường phân đoạn mang thông tin về số lần chia một gói tin, kích

thước của gói tin phụ thuộc vào mạng cơ sở truyền tin, tức là độ dài gói tin không thể vượt qua MTU của môi trường truyền

TTL (Time-to-live): Trường thời gian sống của gói tin sử dụng để ngăn các gói tin

lặp vòng trên mạng, có vai trò như một bộ đếm ngược nhằm tránh hiện tượng trễ gói tin quá lâu trên mạng TTL cũng sử dụng để xác định phạm vi điều khiển, qua việc xác định xem một gói có thể đi được bao xa trong mạng Bất kỳ gói tin nào có vùng TTL đạt giá trị bằng 0 thì gói tin đó sẽ bị bộ định tuyến huỷ bỏ và thông báo lỗi sẽ

được gửi về trạm phát gói tin

Protocol : Trường này được dùng để xác nhận giao thức lớp kế tiếp mức cao hơn

đang sử dụng dịch vụ IP, thể hiện dưới dạng con số thập phân

H-Check sum: Trường kiểm tra tổng dài 16 bit, được tính toán trong tất cả các

trường của tiêu đề IPv4 (TOS, HL, TTL ) Mỗi khi gói qua bộ định tuyến, các