CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ METRO ETHERNET NETWORK
1.2. Các công nghệ Metro
1.2.1. Ethernet over SONET/SDH
Nhiều nhà cung cấp dịch vụ trên thế giới đã bỏ ra hàng tỉ đô la để xây dựng hạ tầng cơ sở SONET/SDH. Những nhà cung cấp này muốn đây là đòn bẩy thúc
đẩy việc truyền tải Ethernet thế hệ sau. Nhưng việc quản lý băng thông là cần thiết, bởi vì dung lượng thấp của ring SONET/SDH đang tồn tại nó sẽ dễ dàng gặp quá tải khi sử dụng các dịch vụ dữ liệu.
SONET/SDH truyền thống là công nghệ TDM đã được tối ưu hóa để truyền tải các lưu lượng dịch vụ thoại. Vì thế nhà cung cấp muốn triển khai EoS cho truyền dữ liệu những hạn chế của nó:
Phân kênh cố định: SONET cung cấp các mạch điểm nối điểm giữa các node trong vòng ring. Mỗi mạch được chỉ định một lượng băng thông tối đa cố định giữa hai điểm cuối, điều này gây lãng phí khi mạch này không hoạt động. Vậy đây là điểm bất lợi cho lưu lượng dữ liệu có tính chất mở rộng.
SONET Ring
Hình 1.5. Ring SONET phân kênh cố định
Lãng phí băng thông cho mạng mắt lưới: Nếu một mạng yêu cầu hình logic dạng mắt lưới, khi đó băng thông trên vòng Ring của mạng phân chia thành 10 mạch. Việc cung cấp các mạch này đòi hỏi phải tạo ra một mạng mắt lưới logic qua vòng SONET không những rất khó thực hiện mà còn làm giảm hiệu suất băng thông.
SONET Ring
Hình 1.6. SONET dạng mắt lưới.
Multicast traffic: Trên vòng SONET, lưu lượng multicast yêu cầu mỗi điểm nguồn chỉ định những mạch riêng biệt cho mỗi điểm đến. Những bản sao riêng biệt của các gói sẽ được gửi đến các điểm đích. Kết quả là nhiều bản sao của các gói multicast sẽ đi vòng trên vòng ring, làm cho lãng phí băng thông.
Lãng phí băng thông bảo vệ: Theo lý thuyết, 50% băng thông của vòng Ring sẽ đặt trước cho việc bảo vệ, dự phòng. Việc bảo vệ hoạt động của mạng rất quan trọng. SONET không linh hoạt trong việc sử dụng băng thông cho việc dự phòng bảo vệ.
Tuy nhiên, EoS cung cấp dịch vụ Ethernet mà vẫn duy trì được các thuộc tính của hạ tầng SONET, như phục hồi nhanh SONET, giám sát chất lượng đường link và sử dụng quản lý mạng OAM. Với EoS, khung Ethernet vẫn duy trì và đóng gói trong tải SONET tại lối vào và loại bỏ ở lối ra của mạng.
Hình 1.7. Ethernet over SONET/SDH
Toàn bộ khung Ethernet được đóng gói trong tiêu đề của EoS tại lối vào, khung Ethernet sau khi được ánh xạ vào khung tải đồng bộ SONET/SDH (SONET/SDH- Synchoronous Payload Envelope-SPE) và được truyền đi qua Ring SONET/SDH. Khung Ethernet sau đó được tách ra khỏi chức năng EoS ở lối ra.
Có 2 cách chuẩn để truyền khung Ethernet qua mạng SONET/SDH:
LAPS - Ethernet qua LAPS được định nghĩa bởi ITU-T, được công bố chuẩn X.86 vào tháng 2/2001. LAPS là giao thức không kết nối tương tự như HDLC.
GFP – cũng là chuẩn ITU-T, sử dụng giao thức liên kết dữ liệu đơn giản (SDL) như một điểm bắt đầu. Khác nhau giữa GFP và LAPS là GFP có định dạng khung phù hợp hơn Ethernet như PPP, Fiber Channel, Fiber Connectivity và Enterprise Systems Connection (ESCON).
Chức năng EoS được thể hiện bên trong thiết bị SONET/SDH hoặc bên trong thiết bị chuyển mạch gói.
Hình 1.8, 1.9 và 1.10 thể hiện vai trò EoS ở các thiết bị khác nhau.
Hình 1.8. Chức năng EOS trong ADM
Hình 1.9. Chức năng EOS trong chuyển mạch.
ADM: Add/Drop Multiplexer EOS: Ethernet over SONET/SDH.
Hình 1.10: Chức năng EOS và chuyển mạch trong ADM.
Hình 1.8 mô tả chức năng EoS trong thiết bị ADM, điều này có được là sự kết hợp của bộ framer/mapper được đặt trong line card hoặc daughter card của ADM mà hỗ trợ EoS. Chức năng ánh xạ Eos thêm một X.86 hoặc đóng gói GFP toàn bộ khung Ethernet và khung này được đóng gói trong SONET/SDH SPE.
Từ đây SONET/SDH SPE được truyền qua Ring SONET/SDH và được tách tại lối ra. ADM có chức năng EoS và chức năng VCAT đươợ gọi là ADM thế hệ sau.
Hình 1.9 mô tả chức năng EoS trong Switch, điều khác nhau là thiết bị dữ liệu và thiết bị truyền tải là các thực thể được sử dụng bởi các nhóm điều hành
khác nhau trong cùng một nhà cung cấp. Việc này dễ hơn cho các thực thể quy định và không quy định để nhà cung cấp triển khai một dịch vụ mới. Các thực thể quy định chịu trách nhiệm cung cấp mạch SONET/SDH và các dịch vụ truyền thống như thoại và leased-line. Các nhóm không quy định thì sẽ triển khai các dịch vụ tầng cao hơn như các dịch vụ dữ liệu. Chuyển mạch Ethernet truyền các dịch vụ dữ liệu với đầy đủ quyền điều khiển của các nhánh SONET/SDH.
Điều này ngược lại với hình 1.8 nơi mà các nhánh SONET/SDH kết thúc tại thiết bị ADM và chuyển mạch Ethernet chỉ được xem như chuỗi các ống Ethernet.
Hình 1.10 mô tả thiết bị bao gồm các chức năng chuyển mạch gói, ADM và EoS.
Về mặt hiệu quả thiết bị thì đây là giải pháp tối ưu nhưng việc triển khai hệ thống gặp nhiều khó khăn nếu phác thảo hoạt động chặt chẽ giữa các gói và tuyền tải. EoS gặp vài trường hợp băng thông không hiệu quả trong triển khai dịch vụ Ethernet vì băng thông các mạch SONET/SDH không phù hợp với băng thông các ống Ethernet. Để làm được điều này hiệu quả người ta sử dụng cơ chế VCAT.
VCAT là cơ chế để giảm thiểu sự không hiệu quả trong việc sử dụng băng thông của vòng Ring SONET/SDH. Với các chuỗi SONET/SDH chuẩn nhiều khi ống SONET/SDH được cung cấp mà không thích hợp với yêu cầu băng thông thực sự. Mạch TDM hoặc quá nhỏ hoặc quá lớn so với băng thông yêu cầu. Trên Ring SONET/SDH khi một mạch được cấp, Ring mất một lượng băng thông bất kể băng thông có được sử dụng hay không. Với VCAT một số ống nhỏ sẽ được ghép chuỗi để tạo ống lớn hơn để cải thiện tốc độ dữ liệu. VCAT được thực hiện tại tầng 1 của SONET/SDH điều này có nghĩa rằng các mạch khác được gắn chặt và thể hiện tới tầng cao hơn như một ống vật lý. VCAT cho phép nhóm n*STS/STM hoặc n*VT/VC, cho phép thay đổi băng thông theo yêu cầu.
Hình 1.11. Minh họa VCAT
VCAT là một công cụ mạnh và hiệu quả khi nhóm băng thông tạo thành các ống thích hợp với yêu cầu. Tuy nhiên, yêu cầu băng thông của khách hàng đôi khi thay đổi vì vậy yêu cầu ống SONET/SDH phải thay đổi kích thước. Điều này gây ra việc ngừng mạng khi các kênh SONET/SDH được thêm vào hay bỏ đi. LCAS là giao thức cho phép các kênh thay đổi kích thước tại bất cứ thời gian nào mà không làm gián đoạn lưu lượng và kết nối LCAS thực hiện kiểm tra kết nối và cho phép kết nối lỗi được bỏ đi và thêm kết nối mới vào một cách tự động mà không làm gián đoạn liên lạc.
Việc kết hợp EoS, VCAT và LCAS cung cấp hiệu quả cao nhất khi triển khai dịch vụ Ethernet qua SONET. Tuy nhiên những hạn chế của EoS đã được khắc phục trong công nghệ RPR.
1.2.2. Resilient Packet Ring (RPR).
1.2.2.1. Khái niệm và mô tả hoạt động.
Công nghệ RPR (IEEE 802.17) là bản mới nhất trong họ giao thức mạng dựa trên nền tảng vòng Ring được chuẩn hóa bởi IEEE. Trước đây đã có giao thức hoạt động trong mô hình dạng vòng của IEEE như IEEE 802.5 Token Ring và IEEE 1596 SCI. Các ưu điểm của RPR như sau:
Cung cấp khả năng phục hồi trong khoảng thời gian nhỏ hơn 50ms với băng thông không cần dành trước.
Cấu hình vòng đôi, trong đó mỗi vòng thực sự sử dụng hết băng thông để truyền dữ liệu. Không dùng băng thông để dự phòng bảo vệ.
Nhiều node trên vòng có thể truyền đồng thời cùng lúc.
Có thể mở rộng lên 256 node trên một vòng.
Đạt hiệu quả trong truyền đa điểm.
Các vòng Ring được tạo thành từ nhiều kết nối điểm nối điểm với nhau.
Khi các kết nối giữa các trạm hoạt động trên hai chiều riêng biệt nhau, vòng Ring khi đó sẽ có khả năng hoạt động khi gặp sự cố như đứt kết nối giữa 2 điểm (nghĩa là frame dữ liệu vẫn được truyền đến đích khi vòng Ring đang bị sự cố).
Mặt khác với mạng dạng vòng người quản trị sẽ dễ dàng thao tác và quản lý hơn các dạng mạng khác như mắt lưới.
Các nhà cung cấp dịch vụ mạng MAN, WAN thường sử dụng cầu hình vòng SONET/SDH. Các mạng vòng SONET có dạng vòng đôi, trong đó một vòng được sử dụng và một vòng dự phòng. Vòng dự phòng sẽ không được sử dụng khi vòng Ring hoạt động tốt, khi vòng thứ nhất gặp sự cố không hoạt động được thì vòng dự phòng sẽ được sử dụng. Sự chỉ định băng thông cố định và nhiều yêu cầu giám sát mạng làm tăng chi phí của mạng SONET. Trong khi dịch vụ GE không yêu cầu chỉ định cung cấp băng thông tĩnh. SONET cũng không
cung cấp các tính năng như sự cân bằng mạng và tự động phục hồi nhanh (<50ms).
Nhằm chuẩn hóa các tính năng mới đó, IEEE đã nghiên cứu đặt ra chuẩn mới, một trong những mục tiêu của chuẩn mới này là tận dụng sự đơn giản của các mạng vòng và sử dụng băng thông vòng đôi càng hiệu quả càng tốt trong việc truyền dữ liệu tốc độ cao trên các mạng MAN và WAN. Một mục đích khác nữa là sự phân phối băng thông một cách công bằng cho tất cả các trạm đang hoạt động đồng thời cung cấp sự phục hồi một cách nhanh chóng. Cuối cùng một vấn đề không thể thiếu là để việc triển khai mạng được nhanh chóng và rộng rãi thì sự tự sử dụng lại môi trường truyền dẫn hiện tại cũng cần được quan tâm. Để làm được tất cả các vấn đề trên, IEEE 802.17 chính thức sử dụng vào tháng 3 năm 2001 với tên gọi là RPR. Vì RPR được chuẩn hóa theo dòng giao thức mạng LAN/MAN, nên nó có thể hoạt động dạng cầu nối IEEE 802 và giả lập môi trường broadcast. RPR thực hiện giao thức điều khiển truy xuất môi trường (MAC) để truy xuất vào môi trường chia sẻ.
MAC : Media Access Controll. RPR : Resillient Packet Ring.
Hình 1.12. Hoạt động của vòng Ring RPR.
RPR là giao thức lớp MAC tốc độ cao để truyền các gói trong mạng cấu hình vòng. RPR sử dụng cấu trúc vòng có hướng, mỗi vòng là một đường truyền dữ liệu cho một hướng. Các vòng được xác định là vòng 0 và vòng 1, với cấu trúc này sẽ đảm bảo ở mức cao nhất gói dữ liệu được truyền đến đích. Nếu như xảy ra sự cố như một trạm bị hỏng hay đứt cáp quang thì dữ liệu sẽ được truyền trên vòng còn lại.
1.2.2.2. Cơ chế dự phòng bảo vệ.
Sự hồi phục hoạt động của mạng là một phần rất quan trọng của RPR. Đặc tính này yêu cầu sự bảo vệ phục hồi trong khoảng thời gian 50ms khi xảy ra sự cố hỏng node hay đứt đường truyền dẫn. Hiện có 2 cơ chế bảo vệ đó là wrapping và steering. Steering là cơ chế bảo vệ bắt buộc, còn wrapping là một lựa chọn
cho các node trên RPR. Tuy nhiên, cùng một thời điểm tất cả các node trên vòng bắt buộc phải dùng cùng một cơ chế bảo vệ.
Bảo vệ Wrap: Một vòng RPR được cấu thành từ 2 vòng có chiều ngược nhau, mỗi đường là một vòng cáp quang đơn. Nếu như một thiết bị hay cáp quang được phát hiện bị hỏng thì lưu lượng dữ liệu gửi ra trên hướng bị hỏng được loop (wrap) vòng theo hướng ngược lại trên vòng khác. Nói cách khác, wrapping thực hiện định tuyến lại dữ liệu từ nhánh bị lỗi. Wrapping được thực hiện trên node kế bên điểm xảy ra lỗi dưới sự điều khiển của giao thức chuyển mạch bảo vệ.
Hình 1.13. Vòng RPR hoạt động bình thường
Trước khi sự cố xảy ra, vòng hoạt động bình thường. S4 gửi dữ liệu cho S2 theo đường S2→S3→S4. Nếu xảy ra sự cố như đứt cáp đoạn giữa S3 và S4 thì S3 sẽ loop vòng dữ liệu trên đường ngược lại. Khi đó dữ liệu từ S2 đi đến S4 sẽ đi theo đường từ S2→S3→S2→S1→S4.
Hình 1.14. Vòng RPR sau khi có lỗi.
Bảo vệ Steering: Với kiểu bảo vệ này, node sẽ không loop vòng khi phát hiện có lỗi xảy ra. Gói tin yêu cầu bảo vệ sẽ được gửi tới các node để thông báo có lỗi xảy ra trên vòng Ring. Khi các node nhận được gói tin này sẽ cập nhật lại cấu hình mạng. Các gói đang truyền trên vòng khi có sự cố xảy ra sẽ bị loại bỏ.
Hình 1.15. Bảo vệ Steering khi bình thường.
Hình 1.16. Bảo vệ Steering khi bị lỗi.
1.2.2.3. Thuật toán Fairness.
Thuật toán Fairness được xây dựng cho giao thức RPR. Các thông tin về thuật toán được đặt trong phần header RPR, dựa vào đó MAC sẽ biết cách xử lý đối với mỗi gói. Các lớp khác nhau và lớp con của nó có thể sử dụng để tạo bất kỳ profile dịch vụ nào tương ứng cho mỗi ứng dụng. Độ ưu tiên cao hay sự đảm bảo về băng thông không là vấn đề của Fairness. Các lưu lượng có độ ưu tiên cao luôn luôn chiếm băng thông chỉ định cho nó, luôn luôn nhận sự ưu tiên trên vòng Ring, do đó sẽ không có sự trì hoãn hoặc thay đổi trì hoãn.
Sự quản lý băng thông được thực hiện để duy trì sự công bằng cho các khung được áp đặt công bằng (FE-Fairness Eligible), với các cơ chế để đảm bảo tất cả các trạm nhận chia sẻ dung lượng vòng Ring qua các link nó sử dụng.
Thuật toán Fairness đảm bảo sự phân phối động khả năng về băng thông của tuyến cho các trạm nguồn.
Thuật toán có các đặc điểm sau:
Hỗ trợ hoạt động công bằng độc lập trên từng vòng.
Mạng thông tin điều khiển vòng dữ liệu trên vòng ngược với vòng truyền dẫn dòng dữ liệu đó.
Hình 1.17. Dòng gói Fairness
Chỉ điều chỉnh lưu lượng cho lớp C và lớp B-EIR (ví dụ FE).
Tính toán tốc độ hợp lý liên quan tới trạm nguồn.
Sắp xếp tốc độ cân đối hợp lý tới sự chỉ định.
Cho phép dung lượng vòng không được chỉ định rõ ràng có thể xem như dung lượng có thể dùng được.
Cho phép dung lượng được chỉ định rõ ràng cho lớp con A1 hoặc lớp B- CIR nhưng không được sử dụng cũng có thể xem như dung lượng có thể dùng được.
Hỗ trợ cả hàng đợi chuyển tiếp đơn và hàng đợi chuyển tiếp đôi.
1.2.2.4. Sử dụng lại không gian băng thông (Spatial Reuse).
Sự sử dụng lại băng thông được sử dụng trong vòng Ring nhằm làm tăng thêm hiệu quả sử dụng băng thông. Điều này có thể thực hiện được vì lưu lượng unicast chỉ được chuyển đi trên phần vòng Ring giữa trạm nguồn và trạm đích, chứ không đi trên toàn bộ vòng Ring như các giao thức token ring và FDDI.
Trong ví dụ dưới đây cho phép 2 trạm S1 và S4 cùng gửi dữ liệu ra vòng Ring.
Với đặc tính này cho phép sử dụng cả 2 vòng Ring để truyền dẽ liệu, không dành trước băng thông dự phòng
Hình 1.18 mô tả ví dụ sử dụng lại băng thông:
Hình 1.18. Sử dụng lại băng thông.
1.2.3. Truyền tải Ethernet( Ethernet Transport) [7].
Sự trưởng thành của Ethernet so với TDM như giao diện truy cập, nhưng Ethernet không giới hạn bởi một công nghệ truy cập mà Ehernet còn được mở rộng như một công nghệ truyền tải trong MAN. Từ năm 2000 Metro Ethernet triển khai nhiều kiểu và nhìều dạng, khi Ethernet được sử dụng như công nghệ truyền tải, mạng truy cập có thể được xây dựng cả dạng Ring và Hub-and-Spoke.
1.2.3.1. Cấu hình GE dạng Hub-and-Spoke.
Trong cấu hình GE Hub-and-Spoke, chuyển mạch Ethernet được triển khai trong tòa nhà gần với POP hoặc CO. Các kết nối sử dụng cáp quang với bước sóng sử dụng WDM. Đây là phương án triển khai tương đối tốn kém bởi chi phí của cáp quang. Với mô hình Hub-and-Spoke thì băng thông trong mỗi tòa nhà có thể mở rộng, bởi vì mỗi toà nhà có đủ cáp quang dự phòng. Cơ chế bảo vệ có thể đạt được
giống như link aggregation 802.3ad hoặc dual-homed. Với link aggregation, 2 sợi quang được tập trung vào một ống to hơn và được kết nối tới CO. Lưu lượng cần bằng tải giữa 2 sợi và khi một sợi bị fail thì tải sẽ tràn cả sang sợi còn lại. Điều này cũng thừa nhận rằng 2 sợi quang chạy qua 2 ống khác nhau tới CO được bảo vệ tốt hơn.
Hình 1.19 mô tả kết nối giữa tòa nhà 1 và CO:
CO: Central Office
Hình 1.19. Mô hình Ethernet Hub-and-Spoke.
Một phương pháp khác là dual-homed, sợi quang vào các chuyển mạch khác nhau tại CO, trên hình vẽ tòa nhà 1 và 2. Điều này tạo ra nhiều phức tạp hơn bởi vì STP phải chạy giữa tòa nhà và CO, gây ra lãng phí lưu lượng vì có thể một dual- home bị block.
1.2.3.2. GE RING.
Phần lớn triển khai sợi quang trong mạng Metro được đặt trong vòng Ring.
Bởi vậy, cấu hình RING là tự nhiên để thực hiện và kết quả là tiết kiệm chi phí. Tuy nhiên nó cũng phụ thuộc vào từng hoàn cảnh và tùy từng mô hình triển khai. Triển khai RING có thể cực kỳ hiệu quả với nhà cung cấp này nhưng lại có bất tiện với nhà cung cấp khác. RING GE là một chuỗi các kết nối điểm-điểm giữa các chuyển