Kỹ thuật chuyển mạch mềm

Trường CĐ CNTT Hữu Nghị Việt-Hàn Kỹ Thuật Chuyển Mạch Mềm CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH 1.1 Một số khái niệm sở 1.1.1 Khái niệm chuyển mạch Chuyển mạch trình thực đấu nối chuyển thông tin cho người sử dụng thơng qua hạ tầng mạng viễn thơng Nói cách khác, chuyển mạch mạng viễn thông bao gồm chức định tuyến cho thông tin chức chuyển tiếp thơng tin 1.1.2 Hệ thống chuyển mạch Q trình chuyển mạch thực nút mạng, mạng chuyển mạch kênh nút mạng thường gọi hệ thống chuyển mạch (Tổng đài), mạng chuyển mạch gói thường gọi thiết bị định tuyến (Bộ định tuyến) Trong số mạng đặc biệt, phần tử thực nhiệm vụ chuyển mạch vừa đóng vai trị thiết bị đầu cuối vừa đóng vai trị chuyển mạch chuyển tiếp thơng tin 1.1.3 Phân loại chuyển mạch Các hệ thống chuyển mạch cấu thành mạng chuyển mạch, ta có hai dạng mạng chuyển mạch bản: Mạng chuyển mạch kênh mạng chuyển mạch gói Tuy nhiên, góc độ truyền xử lý thơng tin, chuyển mạch cịn phân thành bốn kiểu: chuyển mạch kênh, chuyển mạch tin, chuyển mạch gói chuyển mạch tế bào Mạng chuyển mạch kênh thiết lập mạch (kênh) định riêng cho kết nối trước q trình truyền thơng thực Như vậy, trình chuyển mạch chia thành giai đoạn phân biệt: thiết lập, truyền giải phóng Để thiết lập, giải phóng điều khiển kết nối, mạng chuyển mạch kênh sử dụng kỹ thuật báo hiệu để thực thành phần bắt buộc Ngược lại với mạng chuyển mạch kênh mạng chuyển mạch gói, dựa nguyên tắc phân chia lưu lượng liệu thành gói tin truyền mạng chia sẻ, gói tin thực thể độc lập chứa thông tin cần thiết cho trình xử lý thơng tin Đồ Án Kỹ Thuật Chuyển Mạch Trường CĐ CNTT Hữu Nghị Việt-Hàn Kỹ Thuật Chuyển Mạch Mềm mạng Các giai đoạn thiết lập, truyền giải phóng thực đồng thời khoảng thời gian định đường xác lập thơng tin tiêu đề gói tin 1.1.4 Kỹ thuật lưu lượng TE Kỹ thuật lưu lượng TE (Traffic Engineering) coi vấn đề quan trọng khung làm việc hạ tầng mạng viễn thơng Mục đích kỹ thuật lưu lượng để cải thiện hiệu độ tin cậy hoạt động mạng tối ưu nguồn tài nguyên lưu lượng Nói cách khác, TE công cụ sử dụng để tối ưu tài nguyên sử dụng mạng phương pháp kỹ thuật để định hướng luồng lưu lượng phù hợp với tham số ràng buộc tĩnh động Mục tiêu kỹ thuật lưu lượng cân tối ưu điều khiển tải tài ngun mạng thơng qua thuật tốn giải pháp kỹ thuật 1.1.5 Báo hiệu mạng viễn thơng Báo hiệu sử dụng tín hiệu để điều khiển truyền thông, mạng viễn thông báo hiệu trao đổi thông tin liên quan tới điều khiển, thiết lập kết nối thực quản lý mạng Các hệ thống báo hiệu phân loại theo đặc tính nguyên tắc hoạt động gồm: Báo hiệu băng báo hiệu băng, báo hiệu đường báo hiệu ghi, báo hiệu kênh liên kết báo hiệu kênh chung, báo hiệu bắt buộc, v v Các thông tin báo hiệu truyền dạng tín hiệu điện tin Các hệ thống báo hiệu mạng chuyển mạch điện thoại công cộng PSTN (Public Switched Telephone Network) đánh số từ No1-No7 1.1.6 Mạng tích hợp dịch vụ số băng rộng B-ISDN Mạng tích hợp dịch vụ số băng rộng có nhiệm vụ cung cấp nối thông qua chuyển mạch, nối cố định bán cố định, nối từ điểm tới điểm từ điểm tới đa điểm cung cấp dịch vụ yêu cầu, dịch vụ dành trước dịch vụ yêu cầu cố định Cuộc nối B-ISDN phục vụ cho dịch vụ chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói theo kiểu đa phương tiện, đơn phương tiện, theo kiểu hướng liên kết phi liên kết theo cấu hình đơn hướng đa hướng Đồ Án Kỹ Thuật Chuyển Mạch Trường CĐ CNTT Hữu Nghị Việt-Hàn Kỹ Thuật Chuyển Mạch Mềm 1.2 Các tổ chức tiêu chuẩn Các tiêu chuẩn cho phép nhà cung cấp thiết bị phát triển sản phẩm theo tập đặc tính chung người sử dụng nhà cung cấp dịch vụ lựa chọn thiết bị từ nhiều nhà cung cấp Hệ thống tiêu chuẩn chia thành hai loại: Tiêu chuẩn thực tế tiêu chuẩn pháp lý Tiêu chuẩn thực tế phát triển nhà cung cấp thiết bị nhóm nhà cung cấp chấp thuận tổ chức tiêu chuẩn Tiêu chuẩn pháp lý lập thỏa thuận chung tổ chức tiêu chuẩn Quốc gia Ủy ban tiêu chuẩn Quốc tế Các tiêu chuẩn liên quan tới lĩnh vực chuyển mạch thuộc hai loại tiêu chuẩn trên, tập trung chủ yếu hệ thống tiêu chuẩn pháp lý Dưới số tổ chức tiêu chuẩn diễn đàn 1.2.1 Liên minh viễn thơng Quốc tế ITU Liên minh viễn thông Quốc tế ITU (International Telecommunication Union) tổ chức liên phủ gồm có Quốc gia thành viên Thành viên lĩnh vực Liên minh viễn thông Quốc tế ITU gồm lĩnh vực chính: Lĩnh vực thơng tin vơ tuyến ITU-R (Radiocommunication); Lĩnh vực tiêu chuẩn hóa viễn thơng ITU-T (Telecommunication Standardization); Lĩnh vực phát triển viễn thông ITU-D (Development) ITU-T tổ chức 15 nhóm nghiên cứu kỹ thuật đưa tiêu chuẩn dạng khuyến nghị Các khuyến nghị ITU-T series Q liên quan tới báo hiệu chuyển mạch Ví dụ, Q.2931 mơ tả thủ tục báo hiệu sử dụng để thiết lập kênh ảo điểmđiểm qua giao diện người sử dụng-mạng môi trường ATM 1.2.2 Tổ chức tiêu chuẩn Quốc tế ISO Tổ chức tiêu chuẩn Quốc tế ISO (International Organization for Standardization) gồm Ủy ban tiêu chuẩn Quốc gia Nhiệm vụ tổ chức tiêu chuẩn Quốc tế ISO xúc tiến việc tiêu chuẩn hóa hoạt động liên quan toàn cầu nhằm tạo điều kiện thuận tiện trao đổi hàng hóa dịch vụ, phát triển hợp tác nhiều lĩnh vực Tiêu chuẩn ISO đưa tiêu chuẩn hóa Đồ Án Kỹ Thuật Chuyển Mạch Trường CĐ CNTT Hữu Nghị Việt-Hàn Kỹ Thuật Chuyển Mạch Mềm bao trùm tất lĩnh vực kỹ thuật, lĩnh vực viễn thơng mơ hình hệ thống kết nối hệ thống mở OSI tiêu chuẩn phổ biến ISO ISO hợp tác với Ủy ban điện tử Quốc tế IEC (International Electronical Commission) để phát triển tiêu chuẩn mạng máy tính lập Ủy ban liên kết kỹ thuật JCT1 để phát triển tiêu chuẩn lĩnh vực công nghệ thông tin 1.2.3 Viện kỹ thuật điện điện tử IEEE IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineering) cộng đồng chuyên gia kỹ thuật lớn giới phát triển tiêu chuẩn lĩnh vực điện-điện tử máy tính thơng qua hiệp hội tiêu chuẩn IEEE-SA (Standards Association) 1.2.4 Tổ chức đặc trách kỹ thuật Internet IETF IETF (Internet Engineering Task Force) cộng đồng mở Quốc tế nhà thiết kế mạng, điều hành mạng, nhà cung cấp thiết bị nhà nghiên cứu liên quan tới phát triển kiến trúc Internet Một số vùng chức IETF như: Ứng dụng, Internet, quản lý mạng, yêu cầu điều hành, định tuyến, bảo mật, truyền tải dịch vụ người sử dụng 1.2.5 Viện tiêu chuẩn viễn thông châu Âu ETSI ETSI (European Telecommunications Standards Institute) tổ chức tiêu chuẩn hóa viễn thông, phi lợi nhuận độc lập châu Âu giới Mục tiêu ETSI nhằm hỗ trợ q trình tiêu chuẩn hóa lĩnh vực viễn thông, công nghệ thông tin truyền thông tồn cầu thơng qua diễn đàn, tạo điều kiện cho thành viên chủ chốt đóng góp ý kiến xây dựng tiêu chuẩn 1.2.6 Diễn đàn chuyển mạch đa phương tiện MSF MSF (The Multimedia Switching Forum) cung cấp tiêu chuẩn cho chuyển mạch đa dịch vụ dựa tảng ATM, hỗ trợ kiểu dịch vụ gồm dịch vụ IP dịch vụ ATM dịch vụ khác 1.2.7 Diễn đàn IP/MPLS Diễn đàn IP/MPLS tổ chức Quốc tế phi lợi nhuận nhà cung cấp dịch vụ, nhà cung cấp thiết bị, trung tâm Đồ Án Kỹ Thuật Chuyển Mạch Trường CĐ CNTT Hữu Nghị Việt-Hàn Kỹ Thuật Chuyển Mạch Mềm đo kiểm người dùng xí nghiệp Mục tiêu diễn đàn tập trung vào giải pháp phát triển ứng dụng hạ tầng cơng nghệ IP/ MPLS 1.3 Q trình phát triển kỹ thuật chuyển mạch Vào khoảng thập niên 60 kỷ 20, xuất sản phẩm tổng đài điện tử số kết hợp cơng nghệ điện tử với kỹ thuật máy tính Tổng đài điện tử số công cộng đời điều khiển theo chương trình ghi sẵn SPC (Stored Program Control) Trong năm 70 hàng loạt tổng đài thương mại điện tử số đời Một tổng đài tổng đài E10 CIT-Alcatel sử dụng Pháp Năm 1976 Bell giới thiệu tổng đài điện tử số công cộng 4ESS Năm 1980 tổng đài DMS100 Northem Telecom dùng toàn kỹ thuật số giới Hệ thống 5ESS hãng AT&T đưa vào năm 1982 cải tiến nhiều từ hệ thống chuyển mạch 4ESS có chức tương thích với dịch vụ mạng số tích hợp dịch vụ ISDN (Integrated Service Digital Network) Khoảng năm 1996 mạng Internet trở thành bùng nổ giới cơng nghệ thơng tin, tác động mạnh mẽ đến công nghiệp viễn thông xu hướng hội tụ mạng máy tính, truyền thơng, điều khiển Hạ tầng mạng viễn thông trở thành tâm điểm quan tâm vai trò hạ tầng xã hội Một mạng truyền băng rộng với loại hình dịch vụ thoại phi thoại, tốc độ cao đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS (Quality Of Service) trở thành cấp thiết tảng kỹ thuật mới: Kỹ thuật truyền tải không đồng ATM (Asynchronous Transfer Mode) Các hệ thống chuyển mạch điện tử số phải dần thay đổi theo hướng với tiêu kỹ thuật, giao thức Một ví dụ điển hình hệ thống chuyển mạch kênh cung cấp dịch vụ Internet có độ tin cậy khác so với gọi thông thường với thời gian chiếm dụng gọi lớn nhiều Sự thay đổi hạ tầng mạng chuyển đổi sang mạng hệ sau NGN tác động lớn tới hệ thống chuyển mạch, sau trình bày số vấn đề liên quan tới mạng NGN đặc điểm trình hội tụ mạng hạ tầng mạng công cộng Mạng chuyển mạch kênh Đồ Án Kỹ Thuật Chuyển Mạch Trường CĐ CNTT Hữu Nghị Việt-Hàn Kỹ Thuật Chuyển Mạch Mềm công cộng PSTN IP (Internet Protocol) dần hội tụ tới mục tiêu nhằm hướng tới hạ tầng mạng tốc độ cao có khả tương thích với ứng dụng đa phương tiện tương tác đảm bảo chất lượng dịch vụ Hình 1.1 xu hướng hội tụ hạ tầng mạng cơng cộng: Hình 1.1 Xu hướng hội tụ công nghệ mạng công cộng Từ năm 1980, PSTN chuyển hướng tiếp cận sang phương thức truyền tải bất đồng ATM để hỗ trợ đa phương tiện QoS, sau chuyển hướng sang cơng nghệ kết hợp với IP để chuyển mạch nhãn đa giao thức Trong Internet đưa tiếp cận khác với PSTN qua giải pháp triển khai kiến trúc phân lớp dịch vụ CoS (Class Of Service) hướng tới đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS thơng qua mơ hình tích hợp dịch vụ IntServ phân biệt dịch vụ DiffServ, chiến lược Internet theo hướng tương thích với IP, mạng quang hướng tới mạng chuyển mạch nhãn đa giao thức tổng quát GMPLS (Generalized MultiProtocol Label Switch) Công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS đời vào năm 2001 nỗ lực kết hợp hai phương thức chuyển mạch hướng kết nối (ATM, FR) với công nghệ chuyển mạch phi kết nối (IP) Trong môi trường mạng nay, phân cấp hệ thống thiết bị biên (nội hạt), thiết bị giang thiết bị lõi mạng cung cấp Đồ Án Kỹ Thuật Chuyển Mạch Trường CĐ CNTT Hữu Nghị Việt-Hàn Kỹ Thuật Chuyển Mạch Mềm dịch vụ PSTN tồn Các mạng bao trùm FR, ATM Internet triển khai song song tạo nhu cầu kết nối liên mạng Các truy nhập cộng thêm gồm cáp đồng, cáp quang truy nhập không dây triển khai làm đa dạng tăng mật độ truy nhập từ phía mạng truy nhập Sự tăng trưởng dịch vụ truy nhập tạo nên sức ép đặt vấn đề hệ thống chuyển mạch băng rộng đa dịch vụ: Truy nhập băng thông rộng, thông minh thiết bị biên truyền dẫn tốc độ cao mạng lõi Với môi trường mạng PSTN trước đây, thiết bị lõi mạng chịu trách nhiệm điều hành quản lý điều thay đổi chức cho thiết bị gờ mạng môi trường NGN Các hệ thống chuyển mạch phải có độ mềm dẻo lớn nhằm tương thích đáp ứng yêu cầu tăng trưởng lưu lượng từ phía khách hàng Vì vậy, chế điều khiển hệ thống chuyển mạch phát triển theo hướng phân lớp module hóa nhằm nâng cao hiệu chuyển mạch đảm bảo QoS từ đầu cuối tới đầu cuối Hướng tiếp cận máy chủ gọi CS (Call Server) hướng triển khai phân hệ đa dịch vụ IP (IMS) trình bày thay đổi lớn lịch sử phát triển hệ thống chuyển mạch 1.3.1 Chuyển mạch mềm hướng tiếp cận máy chủ gọi CS Hướng tiếp cận máy chủ gọi CS hình thành trình chuyển đổi hạ tầng mạng chuyển mạch kênh sang chuyển mạch gói mạng PSTN Để thực trình chuyển đổi truyền thoại IP, giải pháp thực thi tạo thiết bị lai chuyển mạch thoại dạng kênh gói với tích hợp phần mềm xử lý gọi Thiết bị điều khiển cổng đa phương tiện MGC (Media Gateway Controller) coi thành phần mấu chốt giải pháp kỹ thuật chuyển mạch mềm Softswitch Đồ Án Kỹ Thuật Chuyển Mạch Trường CĐ CNTT Hữu Nghị Việt-Hàn Kỹ Thuật Chuyển Mạch Mềm Thực chất khái niệm chuyển mạch mềm phần mềm thực chức xử lý gọi hệ thống chuyển mạch có khả chuyển tải nhiều loại thơng tin với giao thức khác Theo thuật ngữ chuyển mạch mềm chức chuyển mạch vật lý thực cổng đa phương tiện MG (Media Gateway), xử lý gọi chức điều khiển cổng đa phương tiện MGC Chuyển mạch mềm thực chức tương tự chuyển mạch kênh truyền thống với lực mềm dẻo tính ưu việt Các ưu điểm chuyển mạch mềm mang lại việc chuyển mạch phần mềm dựa cấu trúc phân tán giao diện lập trình ứng dụng mở Trong chuyển mạch truyền thống, phần cứng chuyển mạch kèm với phần mềm điều khiển nhà cung cấp Điều làm tăng tính độc quyền việc cung cấp hệ thống chuyển mạch, không cung cấp môi trường kiến tạo dịch vụ mới, làm giới hạn khả phát triển dịch vụ nhà quản trị mạng Khắc phục điều này, chuyển mạch mềm đưa giao diện lập trình ứng dụng mở API (Application Programable Interface), cho phép tương thích phần mềm điều khiển phần cứng nhà cung cấp khác Chuyển mạch mềm xây dựng sở mạng IP, xử lý thông tin cách suốt, cho phép đáp ứng nhiều loại lưu lượng khác Được xây dựng theo cấu hình phân tán, tách chức khác khỏi chức chuyển mạch làm cho nhiệm vụ chuyển mạch trở nên đơn giản lực xử lý mạnh mẽ Cơng nghệ chuyển mạch mềm làm giảm tính độc quyền nhà cung cấp, góp phần tăng tính cạnh tranh giảm giá thành hệ thống chuyển mạch mềm 1.3.2 Hướng tiếp cận phân hệ đa phương tiện IP (IMS) Để thực hội tụ mạng di động với mạng cố định theo hướng IP hóa hồn tồn, mạng hệ NGN ứng dụng tới mạng 3G nhiều cách Vào năm 2000, 3GPP (3 rd Generation Partnership Project) thiết lập đặc tính WCDMA R4 (Wireless Code Division Multiple Access Release 4), lần đầu Đồ Án Kỹ Thuật Chuyển Mạch Trường CĐ CNTT Hữu Nghị Việt-Hàn Kỹ Thuật Chuyển Mạch Mềm tiên đưa khái niệm chuyển mạch mềm vào hệ thống mạng lõi di động Sự thay đổi ảnh hưởng tới kiến trúc mạng, giao diện mạng, phát triển dịch vụ hệ thống thông tin di động hướng phát triển 3G tới NGN NGN 3G đưa nhiều giao thức 3G NGN không cung cấp dịch vụ thoại mà dịch vụ đa phương tiện thông qua giao diện dịch vụ mở 1.4 Vai trò vị trí hệ thống chuyển mạch mạng viễn thơng 1.4.1 Các thành phần (Telecommunications network) mạng viễn thông Là tập hợp bao gồm nút mạng đường truyền dẫn kết nối hai hay nhiều điểm xác định để thực trao đổi thông tin chúng Mạng viễn thông cung cấp đa dạng loại hình dịch vụ viễn thơng cho khách hàng, từ dịch vụ truyền thống điện thoại, Fax, truyền số liệu dịch vụ Internet, VOD, thương mại điện tử, … 1.4.1.1 Thiết bị đầu cuối Thiết bị đầu cuối trang thiết bị người sử dụng để giao tiếp với mạng cung cấp dịch vụ Hiện có nhiều chủng loại thiết bị đầu cuối nhiều hãng khác tùy thuộc vào dịch vụ (ví dụ máy điện thoại, máy fax, …) Thiết bị đầu cuối thực chức chuyển đổi thông tin cần trao đổi thành tín hiệu điện ngược lại Đồ Án Kỹ Thuật Chuyển Mạch Trường CĐ CNTT Hữu Nghị Việt-Hàn Kỹ Thuật Chuyển Mạch Mềm Hình 1.2 Các thành phần mạng viễn thông 1.4.1.2 Hệ thống chuyển mạch Hệ thống chuyển mạch thành phần cốt lõi mạng viễn thơng có chức thiết lập đường truyền thuê bao (đầu cuối) Tùy theo vị trí hệ thống chuyển mạch mạng, người ta chia thành tổng đài chuyển tiếp quốc tế, tổng đài chuyển tiếp liên tỉnh tổng đài nội hạt router biên, router lõi 1.4.1.3 Thiết bị truyền dẫn Thiết bị truyền dẫn sử dụng để nối thiết bị đầu cuối hay tổng đài với truyền tín hiệu cách nhanh chóng xác Thiết bị truyền dẫn phân loại thành thiết bị truyền dẫn thuê bao, nối thiết bị đầu cuối với tổng đài nội hạt, thiết bị truyền dẫn chuyển tiếp, nối tổng đài Dựa vào mơi trường truyền dẫn, thiết bị truyền dẫn phân loại gồm thiết bị truyền dẫn hữu tuyến sử dụng cáp kim loại, cáp sợi quang thiết bị truyền dẫn vô tuyến sử dụng không gian làm mơi trường truyền dẫn 1.4.2 Vai trị hệ thống chuyển mạch mạng viễn thông Hệ thống chuyển mạch (tổng đài, Node chuyển mạch) có chức thiết lập đấu nối thiết bị đầu cuối phát với thiết bị đầu cuối thu dựa vào địa mạng (số thuê bao) Hệ thống chuyển mạch đặt vị trí nút mạng Nó bao gồm tập hợp phương tiện kỹ thuật để thực việc thu, xử lý phân phối thông tin chuyển tới từ kênh thông tin kết nối với hệ thống chuyển mạch Các chức thực hệ thống chuyển mạch, hay phân hệ cung cấp tính dịch vụ cho khách hàng Khi hạ tầng mạng thay đổi, việc thiết kế hệ thống chuyển mạch trở nên phức tạp để cung cấp phương tiện bổ sung cho phép mạng có khả cung cấp nhiều dịch vụ Đồ Án Kỹ Thuật Chuyển Mạch 10