Tài liệu Công Nghệ ring

Việc kết nối theo cấu hình RING cho phép SONET thực hiện việc bảo vệ đờng truyền khi có sự cố sảy ra, nghĩa là có thể duy trì đờng truyền trong trờng hợp đứt cáp quang khôi phục trong vò

chơng v: công nghệ ring gói hồi phục nhanh

i Ethernet trong mạng MAN:

Chúng ta đã biết, dịch vụ Ethernet là dịch vụ truyền số liệu qua giao diện Ethernet (các cổng 10 Mb/s, 100 Mb/s, 1Gb/s) Điểm khác biệt chính giữa Ethernet và các dịch vụ truyền số liệu truyền thống nh Leasedlines, Frame Relay hay ATM là có khả năng mở rộng qui mô của giao diện dịch vụ

Với các dịch vụ truyền thống, các giao diện vật lý phải thay đổi theo tốc

độ dịch vụ Ví dụ phần cứng cho dịch vụ T1 sẽ khác biệt với phần cứng cho các dịch vụ DS-3 và OC-3

Mặt khác, với dịch vụ Ethernet, ngời cung cấp có thể tách luồng từ 100Mb/s đến 1Gb/s để cung cấp cho thuê bao và việc thay đổi tốc độ luồng không phải thay đổi giao diện kết nối Ngoài ra, băng thông và việc thay đổi dịch vụ có thể quản lý từ xa, thuận tiện và việc cung cấp băng thông cho khách hàng vì thế sẽ nhanh hơn

Tuy nhiên, đối với dịch vụ Ethernet, nhìn một cách tổng thể không thể dừng lại ở việc cung cấp nhanh chóng dịch vụ cho khách hàng, vấn đề đạt ra

là phải xây dựng đợc cơ sở hạ tầng nh thế nào cho hiệu quả để phù hợp với nhu cầu của thị trờng

Ethernet đã phát triển qua hơn 25 năm qua từ 10Mbps đến 100Mbps, 1Gbps và bây giờ là 10Gbps Trên cơ sở ban đầu và các thay đổi theo khuyến nghị của IEEE đã tạo ra công nghệ Ethernet quang Với khả năng truyền dẫn của sợi quang (trên 80km), ngày nay chúng ta có thể sử dụng cáp quang để truyền tải dữ liệu trên mạng công cộng Ngày nay, tất cả các gói dữ liệu đều bắt đầu và kết thúc hành trình của mình trong mạng Internet dới dạng các khung Ethernet, việc mang dữ liệu dới dạng gói đồng nhất từ khi bắt đầu đến khi kết thúc qua đờng truyền tải loại bỏ nhu cầu về các lớp giao thức bổ sung

và sự đồng bộ tạo nên sự gia tăng chi phí và độ phức tạp Ngoài ra với việc

điều khiển hiệu quả các gói IP, Ethernet có nhiều thuận lợi là đơn giản, giá thành hạ

Hình 5.1: Sự phát triển của công nghệ chuyển tải gói dữ liệu

Gigabit Ethernet chỉ là bớc đầu trong quá trình truyền tải các gói dữ liệu cơ sở trong mạng MAN Mặc dù nó thích hợp với cấu hình điểm - điểm, hay mạng hình lới, nhng Giga Ethernet không thích hợp trong cấu hình RING cũng nh dới dạng chia sẻ đa phơng tiện (shared media) Việc thực hiện chia

sẻ đa phơng tiện trong mạng RING cần phải có bộ phận điều khiển truy nhập phơng tiện (MAC) để quản lý truy nhập qua nhiều ngời sử dụng Hiện nay, hầu hết các mạng cáp quang hiện có trong mạng thành phố đã kết nối theo cấu hình RING vì công nghệ truyền tải hiện tải chủ yếu là SONET khai thác qua mạng RING cáp quang

Việc kết nối theo cấu hình RING cho phép SONET thực hiện việc bảo

vệ đờng truyền khi có sự cố sảy ra, nghĩa là có thể duy trì đờng truyền trong trờng hợp đứt cáp quang (khôi phục trong vòng 50ms), không giống nh SONET, Ethernet không xây dựng phơng án bảo vệ nhanh, Bài toán đặt ra là nếu tìm đợc giải pháp mà vừa tận dụng đợc khả năng khôi phục mạng lới nh SONET và cơ chế truyền tải gói nh Ethernet sẽ mang lại hiệu quả to lớn

Transport

Circuit:

Sonet/ATM Packet

Mesh:

Ethernet Ring:

???

Cuối cùng một giải pháp cho mạng truyền số liệu thành phố đã ra đời,

đó là công nghệ RING chuyển mạch gói hồi phục nhanh (RPR), RPR đã kế thừa hai đặc trng quan trọng của mạng SONET đó là:

- Có thể kết nối theo cấu hình RING và

- Có thể khôi phục đờng truyền nhanh khi cáp quang bị đứt

Ngoài ra, RPR có thể cung cấp đờng truyền số liệu hiệu quả, đơn giản

và giá thành thấp nh dịch vụ Ethernet Đồng thời RPR đã giải quyết đợc vấn

đề về sự đồng đều băng thông giữa các ngời sử dụng (Fairness) và điều khiển

sự tắc nghẽn lu lợng trong mạng mà cho đến nay các công nghệ hiện tại vẫn cha giải quyết đựơc

ii Những hạn chế của SONET và ETHERNET trong mạng MAN:

1 SONET:

Hầu hết mạng cáp quang Thành phố đều đợc kết nối theo cấu hình RING, cấu hình RING phù hợp cho mạng TDM trên cơ sở SONET, đó là cấu hình chính đang sử dụng hiện nay của mạng Thành phố Tuy nhiên cũng có những bất lợi nhãn tiền khi sử dụng SONET để truyền tải lu lợng số liệu, vì SONET đợc thiết kế theo cấu hình Điểm- Điểm, chuyển mạch kênh và hầu hết các hạn chế của SONET đều bắt đầu từ đây Dới đây là các hạn chế của SONET:

+ Số lợng mạch là cố định:

SONET thiết lập các mạch điểm- điểm giữa các Node trong vòng RING Mỗi mạch đợc ấn định một băng thông cố định do vậy rất lãng phí trong trờng hợp mạch này không sử dụng

Hình 5.2: Mô tả cấu trúc kết nối SONET RING

Việc ấn định cố định băng thông sẽ hạn chế khả năng truyền tải dữ liệu giữa các node, trong trờng hợp lu lợng tăng đột biến giữa 2 node thì có thể xảy ra nghẽn mạch Đây là nhợc điểm đối với loại lu lợng dữ liệu, chúng có bản chất là bùng nổ lu lợng

+ Lãng phí băng thông trong cấu hình Mesh:

Trong cấu hình này, ngời thiết kế phải khai báo các kết nối giữa các Node bất kỳ trong mạng với nhau, điều này không những gặp khó khăn trong quá trình thực hiện mà còn không hiệu quả trong việc sử dụng băng thông Khi lu lợng dữ liệu ở trong mạng nội bộ thành phố tăng lên, một mạng hình lới đầy đủ mà dễ triển khai, bảo dỡng và nâng cấp trở thành một yêu cầu quan trọng

+ Chuyển lu lợng đến nhiều điểm:

Trong mạng RING SONET, để thực hiện việc chuyển tải lu lợng đến nhiều điểm, thì tại node nguồn phải ấn định các kết nối riêng biệt đến từng node đích, đồng thời phải sao gởi từng gói dữ liệu đến từng node đích, kết quả là sẽ có rất nhiều gói dữ liệu (giống nhau) đợc truyền tải trong mạng gây lãng phí băng thông

Kết nối cáp quang

Mạch Logic

+ Lãng phí băng thông phục vụ cho việc bảo vệ mạng:

Thông thờng mạng SONET phải giành 50% băng thông của mạng RING để duy trì cho việc bảo vệ đờng truyền, nh vậy là quá lãng phí Việc bảo vệ là cần thiết, SONET không thực hiện đợc việc cho phép nhà cung cấp lựa chọn bao nhiêu băng tần giành cho bảo vệ

Hình 5.3: Mạng RING SONET theo cấu hình Mesh

2 Ethernet:

Không giống nh SONET, Ethernet không có u điểm của mạng RING trong việc thực hiện bảo vệ nhanh đờng truyền Ethernet thờng đợc ứng dụng trong cấu trúc hình cây trải dài (spanning tree) để nhằm loại bỏ tất cả các mạch vòng từ mạng chuyển mạch Mặc dù trong giao thức spanning tree chúng ta có thể thực hiện việc tạo ra đờng dự phòng, nó có thể khôi phục đ-ờng truyền khi có sự cố cáp quang, lúc đó sự khôi phục đđ-ờng truyền sẽ phải lan truyền qua từng node Sự tập hợp liên kết (802.1ad) có thể cung cấp một giải pháp khôi phục nhanh mức liên kết nhng tơng đối chậm từ 500ms đến 50ms và không thích hợp cho việc bảo vệ mức đờng truyền

Ethernet cũng không thực hiện tốt việc phân bổ băng thông công bằng tổng thể

Kết nối cáp quang

Mạch Logic

Hình 5.4: Mạng Ethernet qua Ring Topology-Sơ đồ logic

iii Mạng RING chuyển mạch gói phục hồi nhanh

Nh đã phân tích ở trên, cả SONET và Ethernet đều không phải là lựa chọn lý tởng trong việc điều khiển lu lợng số liệu trong mạng RING SONET có nhiều u điểm khi kết nối theo mạng RING, nhng không điều khiển lu lợng một cách hiệu quả, bỏ phí băng thông trong mạng RING Ethernet phù hợp cho lu lợng dữ liệu nhng lại khó kết nối theo mạng RING,

do vậy không có những u điểm của mạng RING

Công nghệ RPR là một kiến trúc mạng nổi bật và công nghệ đợc thiết

kế để đạt các yêu cầu của mạng thành phố chuyển mạch gói Không giống

nh những cấu trúc mạng hiện tại dựa trên công nghệ chuyển mạch Ethernet hay Sonet ADM, RPR đã giải quyết đợc các vấn đề tắc nghẽn một cách triệt

để

Trong vài năm qua, các mạng RING cáp quang đã phát triển tại các thành phố, do vậy buộc các nhà khai thác phải có nhiều phơng án, công nghệ

để khai thác một cách triệt để dung lợng các tuyến cáp quang trên Vấn đề quản lý tài nguyên dùng chung trong mạng RING một cách hiệu quả (trong trờng hợp mạng RING cáp quang, tài nguyên đòi hỏi phải đợc dùng chung cho hàng nghìn thuê bao trong mạng thành phố) đợc giải quyết hiệu quả nhất tại lớp MAC của ngăn xếp giao thức RPR (IEEE 802.17) sẽ là một giao thức MAC mới đợc thiết kế cho các mạng RING cáp quang Thành phố

802.1ad 802.1ad

Internet

Với việc tạo ra giao thức MAC cho mạng ring, RPR đã đa ra giải pháp cơ bản để giải quyết vấn đề tắc nghẽn của mạng Thành phố Các giải pháp khác cố gắng tạo sự thay đổi lớn với các sản phẩm hiện có nhng không đa ra vấn đề cơ bản và do đó không hiệu quả Cả SONET và chuyển mạch Ethernet đều không đa ra sự cần thiết đối với lớp MAC đợc thiết kế cho môi trờng mạng Thành phố SONET sử dụng kỹ thuật lớp 1 (kết nối điểm- điểm)

để quản lý dung lợng trên mạng RING Chuyển mạch Ethernet dựa trên cầu Ethernet hay định tuyến IP để quản lý băng thông Do đó mạng hoặc sử dụng không đúng mức trong trờng hợp của SONET hoặc không định rõ trong tr-ờng hợp của chuyển mạch Ethernet

IV Các đặc tính của RPR

RPR có nhiều đặc tính đặc biệt tạo nên một nền tảng lý tởng để phân phát các dịch vụ dữ liệu trong các mạng thành phố

1 Kiến trúc tách ghép các gói dữ liệu:

Chúng ta hãy so sánh cấu trúc tách ghép gói trong RPR với cấu trúc tách ghép gói trong Ethernet

Mạng Thành phố xây dựng với các bộ chuyển mạch Ethernet bao gồm các node đợc kết nối theo cấu hình điểm-điểm Lu lợng mạng phải lần lợt đi qua các trung gian khi truyền từ node nguồn đến node đích Mỗi node trung gian phải xử lý lu lợng mà nó cho đi qua với tốc độ đờng truyền Các kỹ thuật xử lý gói tại mỗi node có thể xử lý đợc ở các tốc độ thấp từ 1-2.5 Gb/s Nhng nếu tốc độ dòng dữ liệu mà bằng hoặc lớn hơn 10 Gb/s thì mạng sẽ bị tắc nghẽn

Hình 5.5: Cấu trúc kết nối mạng Ethernet điểm- điểm

Đối với hệ thống RPR, tại mỗi node sẽ dễ dàng cho truyền qua các l u lợng trung chuyển mà không phải xếp hàng nh đối với cấu hình Ethernet Thực thể MAC trong mỗi node thực hiện chức năng sau:

Ghép: Ghép lu lợng vào mạng từ node đó

Tách: Tách lu lợng ra khỏi mạng từ node đó

Trung chuyển: Chuyển tiếp các lu lợng qua node đó

Đờng truyền chuyển tiếp trở thành 1 phần của phơng tiện truyền dẫn hiệu quả và làm cho vòng RING RPR hoạt động nh một phơng tiện chuyển tiếp dùng chung giữa các node Vì tại mỗi node không phải xử lý lu lợng chuyển tiếp, do vậy kiến trúc tách ghép gói có thể dễ dàng mở rộng tới các tốc độ dòng số liệu cao hơn

Hình 5.6: Cấu trúc tách ghép gói RPR

Ưu điểm cơ bản của Ring gói là tại mỗi node có thể giả thiết rằng một gói đã

đợc gửi đi trên ring thì cuối cùng gói đó sẽ đến đợc node đích mà không chú

ý đến đờng truyền nào trong mạng ring đã thực hiện Do các node biết rằng tất cả các node trong vòng RING đều có 3 nhiệm vụ là: Tách, ghép, chuyển

MAC

tiếp các gói, điều này đã làm giảm số lợng công việc mà mỗi node phải kết nối với các node khác, đặc biệt khi so sánh với mạng Mesh, ở đó mỗi node trong mạng Mesh phải quyết định cổng nào sẽ đợc sử dụng để gửi các gói đi

Hình 5.7: Ring gói 2 hớng

2.Điều khiển gói trong giao thức SRP

Quá trình xử lý gói tại một node

Có hai địa chỉ SRP MAC ở mỗi giao tiếp SRP Mỗi địa chỉ SRP MAC

đ-ợc nối đến một đôi cáp quang Các node trên ring SRP đđ-ợc kết nối giống nh

hệ thống vòng ring FDDI ( Fiber Distributed Data Interface) mặt A trên một router sẽ kết nối với mặt B của một rauter khác

Khi cần một gói đợc truyền đến một node, gói này sẽ dợc kiểm tra địa chỉ đích cần đến, nếu gói cần truyền đến node thì nó truyền lên lớp trên để

xử lý, nếu gói không phải chuyển đến node này thì nó sẽ đợc đa vào bộ phận chuyển tiếp ( transit buffer) để tiếp tục truyền đi đến node khác

Quá trình tái sử dụng trong không gian

Mỗi đặc điểm nổi bật của công nghệ DPT là việc sử dụng băng thông và một cách hiệu quả Với khả năng tái sử dụng không gian của giao thức SRP, băng thông của vòng ring DPT tăng lên đáng kể Các kỹ thuật vòng ring trớc

đây nh FDDI hoặc Token Ring, nơi phát sẽ hủy bỏ các gói dữ liệu khi các gói này đi toàn bộ vùng ring Ngợc lại, trong giao thức SRP, đích đến sẽ thực hiện việc hủy bỏ các gói ra khỏi vòng ring, và vì vậy, toàn bộ băng thông trên phần còn lại của vòng ring đợc dành cho các gói khác Hơn nữa, các node có thể truyền các gói lên vòng ring đồng thời, điều này làm cho băng thông của vòng ring đợc tận dụng tối đa

Quá trình điều khiển gói ở phía thu

Tại mỗi node phía thu có thể thực hiện các công việc sau:

- Hủy bỏ các gói: node hủy bỏ các gói ra khỏi vòng ring, việc này đợc thực hiện khi các giá trị TTL hay RI không hợp lệ

- Nhận và hủy bỏ : gói đợc đa lên lớp trên để xử lý và hủy bỏ khỏi vòng ring

- Nhận và gửi đi: nếu gói alf multicast, node sẽ đa lên lớp trên

và đa vào bộ đệm chuyển tiếp để truyền sang node khác

- Truyền qua: gói đợc đa đến bộ đệm chuyền tiếp để truyền sang node kế tiếp khác nếu nó không phải đến node đó

- Chuyển vòng: các gói đợc truyền theo hớng nhợc lại trên vòng ring kia

Điều khiển gói phía phát: Phía phát thực hiện các công việc sau

- Kiểm tra độ u tiên của gói và đặt vào hàng thích hợp

- Chọn gói kế tiếp đợc truyền đi từ bộ đệm chuyển tiếp hay bộ

đệm phát

- Điều khiển dòng lu lợng sử dụng thuật toán SRP-fa

Quá trình nhận dạng cấu hình: Nhận dạng cấu hình đóng một vai trò quan

trọng việc chọn lọc vòng ring và nâng cao khả năng quản lý mạng Mỗi node trên vòng ring gửi đi theo chu kỳ các gói nhận dạng cấu hình ở vòng ring ngoài, các node nhận đợc gói này sẽ ghi nhận thông tin về trạng thái của vòng ring, sau đó gói này đợc chuyển đến node kế tiếp Khi gói này trở về nơi xuất phát, nó sẽ đợc nhận lại và hủy bỏ khỏi vòng ring

3 Giao thức SRP (Spatial Reuse Protocol)

Trên vòng ring DPT, mỗi node thực thi một thuật toán SRP-fa ở lớp MAC Hoạt động của giao thức SRP và thuật toán SRP-fa nh sau

Các hoạt động ở phía thu: các gói đi vào một node đợc sao chép vào bộ

đệm thu nếu địa chỉ đích của gói này phù hợp với node Nếu địa chỉ đích là phù hợp và gói là unicast, gói đó sẽ đợc loại khỏi vòng ring và đợc chuyển lên xử lý ở lớp cao hơn Gói sẽ đợc đa vào transit buffer để gửi đến node kế tiếp nếu:

- Địa chỉ đích của gói không phù hợp với địa chỉ của node

- Gói là multicast và địa chỉ nguồn của gói không phù hợp với địa chỉ của node

- Gói qua đợc quá trình kiểm tra TTL (Time To Live) và CRC (Cyclic Redundancy Check)

Hoạt động ở phía phát: một gói truyền đi từ một node thì đợc lấy từ bộ

đệm chuyển tiếp hoặc là dữ liệu từ node đó thông qua bộ đêm phát Để xác

định gói kế tiếp nào đợc truyền đi, chơng trình phải thực hiện việc lựa chọn giữa các gói tin chuyển tiếp có độ u tiên thấp và độ u tiên cao và các gói phát

có độ u tiên thấp và độ u tiên cao theo nguyên lý nh sau:

- Truyền các gói tin có độ u tiên cao trớc các gói có độ u tiên thấp

- Tránh việc hủy các gói tin đang lu thông trên vòng ring

Việc xác định các gói đợc truyền đi đợc thực hiện theo thứ tự phân cấp

độ u tiên nh sau:

- Các gói tin chuyển tiếp có độ u tiên cao

- Các gói tin phát có độ u tiên cao từ host

- Các gói tin phát có độ u tiên thấp từ hots

- Các gói tin chuyển tiếp có độ u tiên thấp

Tuy nhiên, quá trình phân cấp độ u tiên trên sẽ bị thay đổi khi xảy ra hiện tợng quá ngỡng trên hàng có độ u tiên thấp để đảm bảo rằng:

- Bộ đệm chuyển tiếp không bị tràn trong lúc đang truyền các gói

đ-ợc phát từ node đó

- Dòng lu lợng chuyển tiếp có độ u tiên thấp không phải chờ quá lâu trong khi truyền các gói có độ u tiên thấp từ node đó

4 Sự linh hoạt của lớp vật lý