Tìm hiểu phương pháp điều khiển IP trên mạng thông tin quang

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KIẾN TRÚC MẠNG TRUYỀN TẢI

1.1 GIẢI PHÁP TỔ CHỨC CÁC MẠNG VIỄN THÔNG

1.1.1 Giải pháp tích hợp

Giải pháp mạng tích hợp các mạng viễn thông là tất cả các mạng viễn thông cung cấp các dịch vụ khác nhau như thoại, dữ liệu, truyền thanh và truyền hình, mạng cố định và di động, mạng truyền tải và tính toán,...được tích hợp thành một mạng thống nhất và duy nhất.

Hiện nay trên thế giới đã đang tồn tại và phát triển 3 thế hệ mạng để cung cấp dịch vụ viễn thông, tin học như dữ liệu, truyền thanh và truyền hình, mạng cố định và di động, mạng truyền tải và tính toán,…Đó là mạng điện thoại chuyển mạch công cộng PSTN, mạng thế hệ sau (NGN) và mạng hội tụ băng rộng (BCN).

Giải pháp tích hợp mạng phải được thực hiện trên cả ba thế hệ mạng. Ví dụ khi xây dựng mạng NGN thì phải tính toán đến khả năng phát triển mạng BCN trong tương lai, đồng thời quan tâm đến khấu hao và nhu cầu chuyển đổi của mạng PSTN lên mạng NGN.

Phát triển mạng BCN

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 75 trang tài liệu này.

Phát triển mạng tích hợp

Phát triển mạng NGN

Phát triển mạng PSTN

Hình 1.1 Sơ đồ thực hiện giải pháp tích hợp mạng

Giải pháp tích hợp mạng có ưu điểm là giao diện người sử dụng cũng như quản lý khá đơn giản và đang là một xu hướng phát triển của các mạng viễn thông hiện tại và đang được triển khai ở nhiều nước trên thế giới. Tuy nhiên nó có khá nhiều nhước điểm như tổ chức mạng phức tạp, độ tin cậy và chất lượng truyền dẫn thấp, tính trong suốt của mạng và hiệu quả kinh tế thấp.

1.1.2 Giải pháp phân tán

Giải pháp phân tán là giải pháp tổ chức các mạng cung cấp dịch vụ khác nhau, cũng như tổ chức các mạng cho hệ thống mạng khác nhau như mạng PSTN, mạng

NGN, mạng hội tụ băng rộng BCN trên các kênh quang khác nhau, trên một sợi quang hay một mạng quang, hoặc tổ chức hỗn hợp các mạng cung cấp dịch vụ khác nhau, các mạng cho các thế hệ khác nhau trên các kênh quang khác nhau.

Theo các mạng cung cấp dịch vụ

Theo các thế hệ mạng

Giải pháp phân tán phát triển các mạng viễn thông

Hỗn hợp các thế hệ mạng và dịch vụ

Hình 1.2 Sơ đồ giải pháp mạng phân tán

Giải pháp phân tán phát triển các mạng viễn thông có ưu điểm là tổ chức mạng đơn giản, độ tin cậy và chất lượng truyền dẫn cao, tính trong suốt của mạng và tính hiệu qura kinh tế lớn. Tuy nhiên giải pháp này có một số hạn chế như giao diện người sử dụng và quản lý phức tạp hơn.

1.2 GIAO THỨC THỐNG NHẤT CỦA MẠNG TRUYỀN TẢI

1.2.1 IP

Sự phát triển bùng nổ của lưu lượng Internet cũng như công nghệ truyền dẫn IP băng rộng tốc độ cao có khả năng truyền tải được tất cả các dịch vụ viễn thông hay dữ liệu làm cho truyền tải IP đang trở thành phương thức truyền tải chính trên cơ sở hạ tầng truyền tải thông tin hiện nay cũng như trong tương lai.

Mặt khác, công nghệ thông tin quang ngày càng phát triển mạnh mẽ. Đặc biệt khi công nghệ truyền dẫn quang ghép kênh phân chia theo bước sóng – WDM, mà giai đoạn tiếp theo là ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao – DWDM, ra đời với những ưu điểm vượt trội về băng thông rộng, tốc độ lớn và chất lượng truyền dẫn cao cũng tạo nên một sự phát triển đột biến trong công nghệ truyền dẫn.

Cùng sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ IP và công nghệ thông tin quang đã tạo nên một cuộc cách mạng truyền tải của các mạng viễn thông. Truyền tải IP trên mạng quang được xem là nhân tố then chốt trong việc xây dựng mạng truyền tải NGN.

Phương thức truyền tải IP trên quang là một trong những yếu tố quan trọng để lựu chọn giao thức IP làm giao thức thống nhất cho mạng truyền tải.

1.2.2 Giao thức IP

Cho đến nay đã có hai phiên bản của giao thức IP đó là IPv4 và IPv6, tuy vậy chúng vẫn thực hiện chức năng chính sau:

+ IP định nghĩa đơn vị số liệu mà có thể gửi qua Internet

+ Phần mềm IP thực hiện chức năng định tuyến dựa trên địa chỉ IP

+ IP gồm một tập hợp các nguyên tắc cho phép xử lý đơn vị số liệu tại các bộ định tuyến và Host như thế nào và khi nào và bao giờ bản tin lỗi cần được tạo ra, và khi nào số liệu cần hủy bỏ.

1.2.2.1 IPv4

IPv4 tổ chức thiết bị/người sử dụng của nó theo kiến trúc địa chỉ 2 lớp đơn giản gồm địa chỉ mạng và địa chỉ host (ID). Độ dài địa chỉ 32 bit được chia thành 3 lớp cho các ứng dụng quảng bá: lớp A, B và C tương ứng với các kích thước mạng lớn, vừa và nhỏ. Công suất và kích thước bộ nhớ của các máy tính đã thay đổi đáng kể.

1.2.2.2 IPv6

IPv6 không tương hợp trưc tiếp với IPv4. Cơ chế địa chỉ của IPv6 hoàn toàn mới và dựa trên cơ sở sử dụng địa chỉ của các mạng tiên tiến đang dùng nó. Không gian địa chỉ của Ipv6 có độ dài 128 bit nên có khả năng tạo ra một lượng lớn địa chỉ IP.

Đặc tính bảo mật của Ipv6 hỗ trợ cho tính hợp pháp và bí mật cá nhân. Chúng cũng cung cáp chức năng cơ bản cho việc tính cước dịch vụ và lưu lượng tương lai theo cước phí.

1.2.2.3 Hỗ trợ chất lượng dịch vụ trong IP

Trước đây, Internet chỉ hỗ trợ dịch vụ với nỗ lực tối đa như bản chất thuật ngữ “best effort” (cố gắng tối đa), ở đó tất cả các gói có cùng năng lực truy nhập tài nguyên mạng. Lớp mạng liên quan đến việc truyền tải các gói từ nguồn đến đích bằng cách sữ dụng địa chỉ đích trong mào đầu gói dựa vào một thực thể trong bảng định tuyến. Sự phân tách trong quá trình định tuyến (tao, duy trì, cập nhật bảng định tuyến) từ quá trình gửi gói tin thực tế là một khái niệm thiết kế quan trọng trong Internet. Trong số những giải pháp này, Intserv/RSVP vafDiffServ/QoS – agents là những giải pháp hứa hẹn nhất.

1.3 MẠNG TRUYỀN TẢI TRUYỀN THỐNG

1.3.1. Kiến trúc mạng truyền thống

Các nhà cung cấp dịch vụ từ trước đến nay vẫn sử dụng một pha trộn nhiều loại công nghệ mạng khác nhau để xây dựng lên các mạng dịch vụ cấp quốc gia hoặc quốc tế. Khi làm vậy, khi đã phải đương đầu với một số sức ép và thử thách. Mỗi công nghệ mạng đưa ra bởi nhà cung cấp dịch vụ đã xử lý trong nhiều mạng vẫn xử lý các vấn đề của một hoặc nhiều hơn những thách thức này.

Kết quả là kiến trúc mạng của các nhà cung cấp dịch vụ và truyền thông được xây dựng bởi nhiều lớp. Lớp tín hiệu quang/Ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) tạo nên môi trường truyền dẫn vật lý với toàn bộ băng tần truyền dẫn. Trong quá khứ, lớp này không được định tuyến thông minh. Nhằm phân phối được băng tần hợp lý, người ta sử dụng lớp mạng quang phân cấp số đồng bộ (SONET/SDH và quang/WDM). ATM cũng được định nghĩa cơ chế định tuyến nhằm tối ưu lưu lượng truyền qua mạng trong giới hạn của các dịch vụ ATM khác nhau.

Khi có sự bùng nổ về thông tin, đã phát sinh nhu cầu và sự phát triển nhanh của mạng Internet đòi hỏi yêu cầu phải có một giao thức mới đảm bảo chất lượng và dịch vụ theo yêu cầu đông thời phải đơn giản và tốc độ xử lý phải rất cao. Khi đó, các nhà cung cấp đã đề xuất nhiều giải pháp công nghệ để xâp dựng mạng IP, như IPoA (IP qua ATM) IPoS (IP qua SONET/SDH), IP qua WDM. Mỗi công nghệ có ưu nhược điểm nhất định. Công nghệ TM được sử dụng rộng rãi trên toàn cầu trong các mạng IP xương sống do tốc độ cao, chất lượng dịch vụ QoS, điều khiển luồng và các đặc tính khác của nó mà các dạng định tuyến truyền thông không có. Nó cũng được phát triển để hỗ trợ cho IP. Hơn nữa, trong các trường hợp yêu cầu thời gian thực cao, IPoA sẽ là lựa chọn số một.

Nguyên tắc cơ bản của chuyển mạch nhãn là sử dụng một thiết bị tương tự bộ định tuyến để điều khiển thiết bị chuyển mạch bộ định tuyến phần cứng ATM, nó cũng có thể hỗ trợ nhiều chức năng định tuyến mới. Công nghệ MPLS kết hợp ưu điểm của các tổng đài chuyển mạch với ưu điểm của các bộ định tuyến, vì thế MPLS đem lại một số lợi ích cho nhà cung cấp IP như:

- Chuyển phát hiệu quả: do sử dụng nhãn nên các bộ định tuyến lõi/I.SR không cần thực hiện việc tìm kiếm tuyến trong các bảng định tuyến lớn mà chỉ thực hiện trong LIB nhỏ.

- Dịch vụ phân biệt: các tuyến hoặc FEC có thể được gán cho CoS khác nhau, sử dụng nhãn kết hợp với các tham số CoS cho phép dễ dàng nhận diện dòng lưu lượng.

- Mạng riêng ảo: VPN có thể được thiết lập bằng cách tương đối đơn giản, sử dụng các nhãn lưu lượng riêng có thể tách ra trong mạng công cộng.

- Thiết kế lưu lượng: bởi vì các tuyến MPLS dựa trên topo và sử dụng nhãn để nhận diện nên dễ dàng định tuyến lại.

1.3.2. Các công nghệ sử dụng trong mạng truyền thống

Mạng truyền tải truyền thống thường sử dụng các hệ thống thông tin trên cáp sợi quang với phương thức truyền dẫn đồng bộ hoặc không đồng bộ, vì các hệ thống thông tin này có ưu việt của kỹ thuật thông tin quang như cự ly truyền dẫn xa, khả năng truyền dẫn lớn và chất lượng truyền dẫn cao và được xác định là một phương tiện truyền dẫn chủ đạo của mạng truyền tải truyền thống.

1.3.2.1 Kỹ thuật thông tin quang

Các thành phần chính của một hệ thống thông tin quang gồm có bộ phát quang, cáp sợi quang và bộ thu quang. Bộ phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện điều khiển liên kết với nhau. Cáp sợi quang gồm có các sợi quang và các lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ khỏi tác động có haị từ bên ngoài. Bộ thu quang do bộ tách sóng quang và các mạch khuếch đại, tái tạo tín hiệu hợp thành. Ngoài các thành phần chủ yếu này, tuyến thông tin quang còn có các bộ ghép nối quang, các mối hàn, các bộ chia quang và các trạm lặp, tất cả tạo nên một hệ thống thông tin quang hoàn chỉnh.

Tham số quan trọng nhất của các sợi quang là suy hao sợi quang theo bước sóng. Đặc tuyến suy hao của sợi quang tồn tại ba vùng mà tại đó suy hao thấp nhất là các vùng bước sóng 850 nm, 1300 nm và 1550 nm. Sợi quang có suy hao nhỏ nhất được chế tạo từ thủy tinh fluoride có hàm lượng kim loại nặng trong đó ZrF4 là thành phần chủ yếu. Giá trị suy hao tối thiểu ở sợi đạt tới 0.01 đến 0.001 dB/km.

Nguồn phát quang ở thiết bị phát có thể sử dụng đi-ốt phát quang hoặc laser bán dẫn. Cả hai loại nguồn phát này đều phù hợp cho các hệ thống thông tin quang, thiết bị này sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu thành tín hiệu quang tương ứng và công suất quang đầu ra sẽ phụ thuộc vào sự thay đổi của cường độ dòng điều biến.

Tín hiệu ánh sáng đã được điều chế tại nguồn phát quang sẽ lan truyền dọc theo sợi quang để tới bộ thu quang. Khi truyền trên sợi quang, tín hiệu ánh sáng thường bị

suy hao và méo do các yếu tố hấp thụ, tán xạ, tán sắc gây nên. Bộ tách sóng ở phần thu thực hiện tiếp nhận ánh sáng và tách lấy tín hiệu từ hướng phát tới. Tín hiệu quang được biến đổi trực tiếp trở lại thành tín hiệu điện. Yếu tố quan trọng nhất phản ánh hiệu suất làm việc của thiết bị thu quang là độ nhạy thu quang, nó mô tả công suất quang nhỏ nhất có thể thu được ở một tốc độ truyền dẫn nào đó ứng với tỷ lệ lỗi bit của hệ thống.

Khi khoảng cách truyền dẫn khá dài, tín hiệu quang trong sợi quang bị suy hao khá nhiều thì cần thiết phải có trạm lặp quang đặt trên tuyến. Cấu trúc của thiết bị trạm lặp quang gồm có thiết bị phát và thiết bị thu ghép quay phần điện vào nhau. Thiết bị thu ở trạm lặp sẽ thu tín hiệu quang yếu rồi tiến hành biến đổi thành tín hiệu điện, khuếch đại tín hiệu, sửa dạng và đưa vào đầu vào thiết bị phát quang. Thiết bị phát quang thực hiện biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang rồi lại phát tiếp vào đường truyền.

1.3.2.2 Kỹ thuật truyền dẫn đồng bộ (SDH)

Bản chất của truyền dẫn đông bộ SDH là thực hiện ghép các tín hiệu có tốc độ thấp thành tín hiệu có tốc độ cao hơn để truyền dẫn.

Các ưu điểm cơ bản của SDH: Đến năm 1990, ITU-T đã chính thức ban hành tiêu chuẩn của SDH, so với PDH thì SDH có ưu điểm cơ bản sau:

- Giao diện đồng bộ, thống nhất nhờ vậy mà trên mạng SDH có thể sử dụng các chủng loại thiết bị của nhiều nhà cung cấp khác nhau.

- Nhờ việc sử dụng các con trỏ mà việc tách/ghép các luồng nhánh từ/thành tín hiệu STM-N đơn giản và dễ dàng.

- Có thể ghép được các loại tín hiệu khác nhau một cách linh hoạt, không chỉ tín hiệu thoại mà các tín hiệu khác như tế bào ATM, dữ liệu,… đều có thể ghép vào khung SDH.

- Dung lượng các byte dành cho quản lý và bảo dưỡng lớn, do đó tăng khả năng quản lý mạng, độ tin cậy cao.

1.3.2.3 Kỹ thuật truyền dẫn không đồng bộ (ATM)

Trong năm 1980, các tiêu chuẩn được các công ty điện thoại và các nhà sản xuất phát triển thành một lớp linh hoạt ở trên cung của SONET/SDH để có thêm sự mềm dẻo trong việc phân bổ băng thông và làm tăng thêm thành quả cho các dịch vụ. Công nghệ mới ATM làm việc với các khe cận đồng bộ gọi là tế bào, nhưng tế bào đó không

có việc gửi định kỳ như trong khe thời gian của mạng TDM. Thay vào đó, có nhiều dịch vụ được định nghĩa chỉ gửi khi có yêu cầu. Một lợi điểm quan trọng của ATM là tích hợp lưu lượng số liệu và thoại một cách hiệu quả hơn so với SONET/SDH.

Một mạng ATM cơ bản gồm các mạng lưới của bộ chuyển mạch ATM kết nối với nhau bằng các liên kết ATM điểm-nối-điểm hoặc các giao diện. Bộ truyền dẫn hoặc bộ chuyển mạch của ATM là nhỏ, gói số liệu có độ dài cố định và được gọi là tế bào cỡ khoảng 53 byte, vì vậy có thể gọi là chuyển mạch tế bào. Bởi vì tế bào nhỏ và có cỡ cố định, bộ chuyển mạch ATM có thể chuyển các tế bào từ một giao diện này tới các giao diện khác một cách nhanh chóng. ATM cho phép truyền dẫn lưu lượng qua kết nối đầ cuối tới đầu cuối dọc theo mạng ATM với sự dự báo trước và độ trễ rất nhỏ, điều này là chìa khóa để mở ra cho việc phân phối thoại và dịch vụ số liệu với một QoS chắc chắn trong điều kiện của băng thông, trễ, trượt của mạng.

Nguyên lý cơ bản của ATM là kết hợp các ưu điểm của chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói, truyền không đồng bộ và ghép kênh thống kê ATDM. Trong công nghệ chuyển mạch gói, ví dụ như trong giao thức X.25 các gói tin có phần tiêu đề khá phức tạp, kích thước gói khá lớn và có độ dài không chuẩn hóa. Như vậy việc xử lý ở chuyển mạch gói tương đối khó, kích thước lớn nên độ trễ sẽ lớn, xử lý truyền dẫn chậm đồng thời khó quản lý trong quá trình truyền. Khắc phục nhược điểm này của chuyển mạch gói, ở ATM tạo ra các gói tin có kích thước và khuôn dạng được chuẩn hóa sao cho dễ dàng quản lý nhất và truyền dẫn hiệu quả nhất, các gói tin đó được gọi là các tế bào ATM. Tế bào gồm có trường thông tin mang thông tin của người dung và phần tiêu đề mang thông tin điều khiển của mạng để định tuyến bản tin đích. Mặt khác, vì trên cùng một đường truyền có thể có nhiều tế bào từ các nguồn tín hiệu ghép lại với nhau nên cần phải có biện pháp phân biệt các tế bào của các nguồn khác nhau, biện pháp này được thực hiện bằng thông tin mang trong tiêu đề tế bào.

Trường thông tin được truyền tải trong suốt qua mạng ATM và không bị xử lý trong quá trình vận chuyển. Trong mạng ATM sử dụng khái niệm đường ảo và kênh ảo nên thứ tự các tế bào ở phía thu có thứ tự như ở phía phát. Trong công nghệ chuyển mạch kênh, mỗi một cuộc gọi được gán một kênh vật lý nhất định tương ứng với một khe thời gian và kênh này tồn tại trong suốt thời gian như cuộc gọi. Như vậy tốc độ truyền dẫn sẽ được đảm bảo nhưng nhược điểm là hiệu suất sử dụng kênh rất thấp, mặt khác nó không đáp ứng được nhu cầu thay đổi độ rộng băng tần của người sử dụng một cách linh hoạt.

Để phát huy những ưu điểm và khắc phục nhược điểm của chuyển mạch kênh, thì ATM cũng là kỹ thuật có tính chất hướng kết nối, trong đó đường truyền được thiết lập trước khi người dung trao đổi thông tin với nhau. Điều này được thực hiện bởi thủ tục thiết lập kết nối tại thời điểm bắt đầu và thủ tục giải phóng cuộc gọi tại thời điểm kết thúc. Tuy nhiên, do thông tin được truyền dưới dạng gói và sử dụng ghép kênh thống kê nên hiệu suất sử dụng băng tần là rất cao.

Sử dụng chuyển nhãn đa giao thức cho phân phối dịch vụ IP

+ Các vấn đề liên quan đến giao thức định tuyến IP chuẩn

Định tuyến IP thông thường dựa trên trao đổi thông tin có được của mạng thông qua giao thức định tuyến, như OSPF hoặc các loại khác. Các bộ định tuyến sẽ xem xét địa chỉ IP đích trong phần mào đầuIP đối với gói đến và sử dụng thông tin có được của mạng để chuyển tiếp gói tin. Quá trình này được gọi là xem xét bảng định tuyến được thực hiện độc lập tại mỗi chặng của bộ định tuyến trong suốt đường truyền của gói tin.

Mạng IP được triển khai điển hình tại tầng trên của cấu trúc ATM. Mạng lớp 2 hoàn toàn độc lập với mạng IP. Điều này dẫn đến các vấn đề sau:

Vấn đề đầu tiên đưa ra định tuyến tối ưu trong mạng IP, các kết nối đa điểm-đến- đa điểm giữa các bộ định tuyến mong muốn. Điều này dẫn tới n* (n-1)/2 kết nối áo trong mạng ATM. Do vậy, mỗi khi một bộ định tuyến kết nối vào mạng các kết nối ảo được tao ra đến mỗi bộ định tuyến trong mạng.

Vấn đề thứ hai, lỗi mạng hoặc thay đổi cấu hình mạng làm thay đổi lớn lưu lượng giao thức mạng. Mối bộ định tuyến phải gởi thông tin cập nhập định tuyến đến các kết nối ảo đang kết nối để thông báo với các bộ định tuyến bên cạnh trạng thái có được của mạng IP mới.

Đứng trên quan điểm thiết kế định tuyến, một vấn đề khác có thể nhận thấy. Một ví dụ, xem xét mạng của nhà cung cấp dịch vụ Internet trong đó có rất nhiều bộ định tuyến tại biên của mạng có mối quan hệ ngang hàng với bộ định tuyến của các ISP khác để trao đổi thông tin định tuyến và có kết hợp với IP toàn cầu. Để tìm được đường đi ngắn nhất tới bất cứ điểm đích của mạng ISP bên ngoài, các bộ định tuyến trong lõi của mạng ISP phải có được toàn bộ thông tin có được trong mạng, do vậy các bộ định tuyến tại biên mạng hiểu được từ các bộ định tuyến ngang hàng. Do vậy, toàn bộ định tuyến của ISP phải duy trì toàn bộ bảng định tuyến Internet để dẫn tới cần lượng lớn bộ nhớ và sử dụng CPU cao. Giải pháp này dẫn tới vấn đề là một kỹ thuật