TỔNG QUAN VỀ IP
IPv4
Địa chỉ IPv4 gồm 32 bit, chia thành bốn octet, mỗi octet là một byte Địa chỉ IP được chia thành năm lớp A, B, C, D và E Giả sử Net_ID và Host_ID lần lượt là định danh mạng và trạm Địa chỉ IP được biễu diễn dưới dạng
Với IPv4 chúng ta có 2 32 (4,3 tỷ) địa chỉ
Kề từ khi chính thức đựơc đưa vào sử dụng và được định nghĩa trong kiến nghị RFC791 năm 1981 đến nay, Ipv4 đã chứng minh được khả năng dễ triển khai, dễ phối hợp và hoạt động và tạo ra sự phát triển bùng nổ của các mạng máy tính Tuy nhiên đến thời điểm hiện tại với sự phát triển công nghệ hiện nay, hầu như tất cả tất cả các thiệt bị điện tử trong tương lai sẽ tích hợp dịch vụ IP, hơn nữa sự tăng vọt ồ ạt các ứng dụng và công nghệ cũng như các thiết bị di động khác đã làm cho không gian địa chỉ Ipv4 ngày càng chật hẹp và bộc lộ nhiều điểm yếu của Ipv4:
- Thiếu địa chỉ IP do sự tăng quá nhanh của các host trên mạng Internet đã dẫn đến tình trạng thiếu địa chỉ IP trầm trọng để gán cho các node Trong những năm 1990, CIDR đựơc xây dựng dựa trên khái niệm mặt nạ địa chỉ (address mask) CIDR đã tạm khắc phục được những vấn đề nêu trên Khía cạnh tổ chức mang tính thứ bậc của CIDR đã cải tiến khả năng mở rộng của Ipv4 Mặc dù có thêm nhiều công cụ khác ra đời như kĩ thuật subnetting
(1985), kĩ thuật VLSM (1987) và CIDR (1993), các kĩ thuật trên đã không cứu với IPv4 ra khỏi một vấn đề đơn giản: không có đủ địa chỉ cho các nhu cầu tương lai Do đó, một vài giải pháp tạm thời, chẳng hạn dùng RFC1918 trong đó dùng một phần không gian địa chỉ làm các địa chỉ dành riêng và NAT là một công cụ cho phép hàng ngàn host truy cập vào Internet chỉ một vài IP hợp lệ để tận dụng tốt hơn không gian địa chỉ của IPv4.
- Quá nhiều các routing entry (bản ghi định tuyến) trên các backbone router : Với tình hình hiện tại, do không có sự phân cấp địa chỉ IPv4 nên số lượng các routing entry trở nên rất lớn, lên tới 110.000 bản ghi Việc này làm chậm quá trình xử lý của router, làm giảm tốc độ mạng.
- An ninh của mạng : với IPv4, đã có nhiều giải pháp khắc phục nhược điểm như IPSec, DES, 3DES… nhưng các giải pháp này đều phải cài đặt thêm và có nhiều phương thức khác nhau với mỗi loại sản phẩm chứ không đựơc hỗ trợ ở mức bản thân của giao thức.
- Nhu cầu về các ứng dụng thời gian thực hay vấn đề đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS : Các thách thức mới từ việc nảy sinh các dịch vụ viễn thông,các yêu cầu truyền thời gian thực cho các dịch vụ multimedia, video, âm thanh qua mạng, sự phát triển của thương mại điện tử đã đặt ra việc đảm bảo QoS cho các ứng dụng QoS trong IPv4 cũng được xác định trong trường TOS và phần nhận dạng tải trọng của gói tin IP Tuy nhiên trườngTOS này có tính ít tính năng.
Ưu điểm của IPv6 so với IPv4
Do các vấn đề đặt ra ở trên nên một phiên bản của giao thức mới đã được giới thiệu Xuất phát điểm của IPv6 có tên gọi là Ipng (Internet Protocol Next Generation) Sau đó, IPng được gán với phiên bản 6 và lấy tên chính thức là IPv6. Quan điểm chính khi thiết kế từng bước thay thế IPv4, không tạo ra sự biến đổi quá lớn với các tầng trên và dưới.
- Mở rộng của không gian địa chỉ : Địa chỉ của IPv6 bao gồm 128bit so với 32bit của địa chỉ IPv4 Với phạm vi của địa chỉ IPv6, việc cung cấp địa chỉ trở nên thoải mái hơn rất nhiều Về mặt lý thuyết, 128bit địa chỉ có khả năng cung cấp 2 128 địa chỉ, nhiều hơn địa chỉ IPv4 khoảng 8 tỷ tỷ tỷ lần Số địa chỉ này sẽ đáp ứng được sự bùng nổ của các thiết bị IP trong tương lai. Ngoải ra IPv6 còn cung cấp phương thức mới tự động cấu hình địa chỉ và xây dựng một phép kiểm tra tính duy nhất của địa chỉ IP.
- Kết cấu địa chỉ định tuyến được phân cấp hiệu quả: Địa chỉ IPv6 được thiết kết để tạo ra cơ sở định tuyến phân cấp, hiệu quả và có khả năng tập hợp lại dựa trên sự phân cấp thành nhiều mức của các nhà cung cấp dịch vụ (ISP). Như vậy các bảng định tuyến trên các router backbone sẽ gọn nhẹ hơn nhiều.
- Dạng header mới: Phần Header của IPv6 được giảm xuống tới mức tối thiểu bằng việc chuyển tất cả các trường phụ thuộc hoặc không cần thiết xuống phần header còn lại nằm ngay sau phần header của IPv6 Việc tổ chức hợp lý phần header này làm tăng hiệu quả xử lý tại các router trung gian IPv6 header và IPv4 header là không tương thích với nhau, do đó các node phải được cài đặt 2 phiên bản IP mới có thể xử lý được các header khác nhau này.
- Tự động cấu hình địa chỉ: Tương tự như IPv4, IPv6 cũng cung cấp khả năng cấu hình địa chỉ tự động DHCP, ngoài ra còn đưa thêm khả năng tự động cấu hình địa chỉ khi không có DHCP Server Trong một mạng, các host có thể tự động cấu hình địa chỉ của nó bằng cách sử dụng IPv6 Prefix nhận đựơc từ router (gọi là địa chỉ link-local) Hơn nữa trong một mạng mà không có router thì host cung có thể cấu hình địa chỉ link-local để liên lạc với các host khác.
- Bảo mật: Hỗ trợ IPSec đã được hỗ trợ ngay bản thân của IPv6 Yêu cầu bắt buộc này như là một tiêu chuẩn cho an ninh mạng, đồng thời mở rộng khả năng làm việc được với nhau của các loại sản phẩm.
- Chất lượng dịch vụ tốt hơn (QoS): Phần header của IPv6 được đưa thêm vào một số trường mới trường nhãn luồng (flow label) ở IPv6 header được dùng để đánh nhãn cho các luồng dữ liệu Từ đó các Router có thể có những xữ lý khác nhau với các gói tin thựôc các luồng dữ liêuk khác nhau.
Do trưòng Flow label nằm trong IPv6 header nên QoS vẫn được đảm bảo khi phần tải trọng được mã hoá bởi IPSec.
- Khả năng mở rộng tốt: IPv6 có khả năng mở rông tốt bằng việc sử dụng header mở rộng ngay sau phần IPv6 header Điều này cho phép thêm vào các chức năng mạng mới Không giống như IPv4, phần lựa chọn địa chỉ có
40 byte thì với IPv6, phần mở rộng chỉ bị hạn chế bởi kích thước của gói tin IPv6.
Có 3 loại địa chỉ IPv6 Đó là Unicast, Anycast và Multicast
Địa chỉ Unicast xác định một giao diện đơn.
Địa chỉ Anycast xác định một tập các giao diện sao cho một Packet gửi đến một địa chỉ Anycast sẽ được phát tới một thành viên của nó.
Địa chỉ Multicast xác định một nhóm các giao diện, sao cho một Packet gửi đến một địa chỉ Multicast sẽ được phát tới tất cả mọi giao diện của nhóm.Không có địa chỉ Broadcast trong IPv6, nó đã được thay thế bằng địa chỉMulticast.
Một đặc tính mới của IPv6 so với IPv4 đó là khả năng hỗ trợ QoS tại lớp mạng Tuy nhiên, điều này được thực hiện gián tiếp qua nhãn luồng và chỉ thị ưu tiên, và không có sự đảm bảo nào về QoS từ đầu đến cuối cũng như không thực hiện chức năng dành trước tài nguyên mạng Dù sao khi các tính năng của IPv6 được sử dụng với các giao thức dành trước tài nguyên mạng như RSVP chất lượng dịch vụ từ đầu đến cuối được đảm bảo. Đặc tính bảo mật của IPv6 hỗ trợ cho tính hợp pháp và bí mật cá nhân. Chúng cũng cung cấp chức năng cơ bản cho việc tính cước dịch vụ và lưu lượng tương lai theo cước phí.
Nhằm cải thiện vấn đề định tuyến, định dạng mào đầu (cơ sở) của IPv6 sẽ được cố định; điều này cho phép giảm thời gian xử lý ở phần mềm do phần cứng thực hiện nhanh hơn nên định tuyến cũng sẽ nhanh hơn Nhiều thay đổi chủ yếu tập trung ở phần phân tách số liệu Trong IPv6, phân tách số liệu được thực hiện tại phía nguồn và khác với IPv4, bộ định tuyến có dung lượng kích thước gói giới hạn Kết hợp với những thay đổi này bộ định tuyến IPv6 phải hỗ trợ tối thiểu 576 byte so với 68 byte của bộ định tuyến IPv4 Tất cả thông tin về phân tách được chuyển từ mào đầu IP tới phần mào đầu mở rộng nhằm đơn giản hóa giao thức và nâng tốc độ xử lý số liệu IP trong bộ định tuyến.
Kiểm tra lỗi ở mức IP không được thực hiện trong IPv6 để giảm khối lượng xử lý và cải thiện định tuyến Kiểm tra lỗi tiêu tốn nhiều thời gian, mất nhiều bit mào đầu và dư thừa khi cả lớp định tuyến và lớp truyền tải đều có chức năng kiểm tra tin cậy.
Sử dụng IPv4 hay IPv6
Đến bây giờ chúng ta có thể khẳng định rằng IPv6 chưa thể thay thế IPv4 ngay được Hai phiên bản IP này sẽ cùng tồn tại trong nhiều năm nữa Về nguyên lý, có thể thực thi IPv6 bằng cách nâng cấp phần mềm thiết bị IPv4 hiện thời và đưa ra một giai đoạn chuyển đổi để giảm thiểu chi phí mua sắm thiết bị mới và bảo vệ vốn đầu tư quá khứ Tuy nhiên, có một điều chưa chắc chắn đó là liệu tất cả các nhà khai thác Internet sẽ chuyển sang công nghệ IPv6 hay không? Điều này phụ thuộc rất lớn vào lợi ích mà nhà khai thác thu được khi chuyển sang nó Hiện tại,vây quanh các nhà khai thác vẫn là các bộ định tuyến IPv4 và phần lớn lưu lượng trên mạng thích ứng cho IPv4, đây không chỉ là một yếu tố làm hạn chế sự thay đổi Một đặc tính khác lôi cuốn các nhà khai thác có cơ sở hạ tầng phát triển nhanh đó là đặc tính cắm và chạy (Plug and Play), nó làm cho mạng IPv6 dễ dàng trong việc cấu hình và bảo dưỡng hơn so với mạng IPv4 Để dễ dàng khi chuyển sang IPv6 thì các ứng dụng của IPv4 và IPv6 phải có khả năng liên kết và phối hợp hoạt động với nhau (ví dụ các nhà sản xuất Internet Browser cần phân phối cho các Client khả năng thông tin với cả IPv4 và IPv6) Một điều quan trọng và tiên quyết cho việc phối hợp họat động đó là IPv6 cần hoạt động theo kiểu Host ngăn kép: một cho ngăn giao thức IPv4 và một cho ngăn giao thức IPv6.
Như vậy, chúng ta có thể thấy rằng trước mắt sự xuất hiện IPv6 chỉ làm cho sự lựa chọn thêm khó khăn (cũng giống như lợi ích của việc định tuyến hiệu quả còn tùy thuộc vào liệu các nhà khai khác có sử dụng IPv6 không) Về lâu dài, sự nghi ngại về độ phức tạp và hiệu quả của IPv6 so với IPv4 sẽ được loại bỏ vì đến nay các ứng dụng IP đang cố thu nạp những điểm mạnh của IPv6 chẳng hạn nhưQoS.
IPv6 cho IP/WDM
Vấn đề chính của chúng ta là phải xác định xem những gì cần cho mạng và những gì nên loại bỏ để làm cho truyền tải IP trên mạng WDM hiệu quả hơn. Trong bối cảnh hiện nay, IPv6 là phiên bản hợp lý nhất để hiện thực hóa điều này, để mạng tối ưu hơn Mào đầu nhỏ và hiệu quả cao, không có chức năng kiểm tra lỗi trong giao thức đó là ưu điểm của việc sử dụng IPv6 Điều này có nghĩa là yêu cầu cơ bản đối với hạ tầng WDM là phân phối dung lượng truyền tải tin cậy, đó là một trong những điểm giá trị nhất của nó Trong bất kỳ trường hợp nào, sự thích ứng mới giữa IP và WDM cần được phát triển Lớp thích ứng này phải có khả năng dành trước tài nguyên.
Kịch bản này xem các bộ định tuyến IPv4 được thích ứng ở biên của mạng WDM, điều này đồng nghĩa với việc tạo ra một quá trình chuyển đổi dần dần tại biên giới giữa các thành phần mạng Sử dụng IPv6 trong phần lõi của mạng WDM sẽ đem lại hiệu quả, khả năng mở rộng lớn hơn so với IPv4.
CÔNG NGHỆ IP TRÊN MẠNG QUANG
Các thế hệ mạng WDM
Thế hệ WDM đầu tiên được sử dụng trong mạng WAN Cấu hình mạng WAN WDM được cài đặt nhân công hoặc cố định Đường truyền WDM cung cấp các kết nối điểm nối điểm với tốc độ thấp Kỹ thuật chính trong WDM thế hệ đầu tiên là thiết kế và phát triển Laser WDM, các kỹ thuật khuếch đại quang, các giao thức truy nhập và định tuyến tĩnh Các thiết bị xen, ré bước sóng quang WADM cũng được sử dụng trong mạng MAN Các thiết bị đấu nối chéo quang DXC được sử dụng để kết nối các vòng Ring WADM Các kết nối này có thể là băng thông rộng hoặc băng thông hẹp Ứng dụng của các hệ thống WDM thế hệ đầu tiên là các trung kế chuyển mạch cho tín hiệu thoại, các đường truyền E1, T1.
Thế hệ WDM thứ hai có khả năng thiết lập các kết nối từ đầu cuối đến đầu cuối trên lớp quang bằng cách sử dụng WSXC Các đường quang này có cấu trúc (topology) ảo trên topology vật lý của cáp sợi quang Cấu hình các bước sóng ảo này được cài đặt mềm dẻo hơn theo yêu cầu sử dụng Kỹ thuật chính WDM thế hệ thứ hai là xen, rẽ bước sóng quang, các thiết bị đấu nối chéo, bộ biến đổi bước sóng quang tại các bộ đấu nối chéo, định tuyến động và phân bổ bước sóng quang, các giao diện để kết nối với các mạng khác.
Thế hệ WDM thứ ba phát triển theo hướng mạng chuyển mạch gói quang không có kết nối Trong mạng này, các nhãn hoặc mào đầu quang được gắn kèm với số liệu, được truyền cùng với tải và được xử lý tại các bộ chuyển mạch WDM quang Căn cứ vào tỷ số của thời gian xử lý gói tin mào đầu và thời gian xử lý toàn bộ gói tin, các bộ chuyển mạch quang WDM có thể chia thành hai loại: Chuyển mạch nhãn (OLS) hoặc chuyển mạch nhóm (OBS) Một số ví dụ thiết bị WDM thế hệ ba là: Bộ định tuyến (Router) quang chuyển mạch nhãn, Router quang Gigabit, Chuyển mạch quang nhanh.
Khả năng kết hợp với nhau trong vận hành giữa mạng WDM và mạng IP là vấn đề trọng tâm trong mạng WDM thế hệ ba Kết hợp định tuyến và phân bổ bước sóng trên cơ sở chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS) được coi là chuyển mạch nhãn đa giao thức tổng quát (Generalized MPLS) thể hiện nhiều ưu điểm vượt trội Nhiều kỹ thuật phần mềm quan trọng như quản lý băng thông, đặt lại cấu hình, khôi phục, hỗ trợ chất lượng dịch vụ cũng đã được thực hiện.
Hình 1 : Mạng WDM qua các thế hệ
Nghiên cứu các giải pháp truyền tải IP trên mạng quang
2.2.1 Xu hướng tích hợp WDM
Nhu cầu truyền tải IP qua mạng ngày càng tăng Trong khi IP được xem như là công nghệ lớp mạng phổ biến thì công nghệ WDM cung cấp khả năng dung lượng truyền dẫn lớn Hơn nữa, khả năng cấu hình mềm dẻo của các bộ OXC đã cho phép xây dựng mạng linh hoạt hơn, nhờ đó các đường quang (lightpath) có thể lập theo nhu cầu Một trong những thách thức quan trọng đó là vấn đề điều khiển các lightpath này, tức là phát triển các cơ chế và thuật toán cho phép thiệt lập các lightpath nhanh và cung cấp khả năng khôi phục khi có sự cố, trong khi vẫn đảm bảo được tính tương tác giữa các nhà cung cấp thiệt bị. Đã có nhiều phương pháp để cung cấp dịch vụ gói IP trên mạng WDM được đề nghị: IP/ATM/SDH over WDM, IP/SDH over WDM, v.v.v Tuy nhiên việc quản lý mạng theo các phương pháp trên gặp không ít khó khăn Nguyên nhân chủ yếu gây nên sự phức tạp trong quản lý chính là sự phân lớp theo truyền thống của giao thức mạng Các mạng truyền thống có rất nhiều lớp độc lâp, do đó có nhiều chức năng chồng chéo nhau ở các lớp và thường xuyên có sự mâu thuẩn lẫn nhau Vì vậy, một trong những giải pháp để giảm chi phí xây dựng và quản lý mạng một cách triệt để đó là số lớp giao thức.
Hơn nữa, khi dung lượng và khả năng kết nối mạng trong cả công nghê IP và WDM tăng lên thì càng cần thiết tối ưu mạng IP và bỏ qua tất cả các công nghệ lớp trung gian để tạo nên mạng Internet quang thật sự hiệu quả và mềm dẻo Tuy nhiên, các lớp trung gian cung cung cấp một số chức năng có giá trị như lưu lượng (Traffic Engineering) và khôi phục Những chức năng này cần được giữ lại trong mạng IP/WDM bằng cách đưa chúng lên lớp IP hoặc xuống lớp quang.
Từ đó người ta mới nghĩ đến công nghệ IP over WDM Đây là một công nghệ mới tuy rằng còn nhiều vấn đề chưa giải quyết nhưng với lợi ích của nó, thị trường rộng lớn và tương lai sáng sủa, các tổ chức viễn thông quốc tế đang triển khai công tác nghiên cứu công nghệ này IP over WDM cung cấp khả năng truyền dẫn trực tiếp gói số liệu IP trên kênh quang, giảm sự lặp chức năng giữa các lớp mạng, giảm bộ phận trung tâm dư thừa tại các lớp SDH/SONET, ATM, giảm thao tác thiệt bị, dẫn đến giảm chi phí bảo dưỡng và quản lý Do không phải qua lớp SDH và ATM nên gói số liệu có hiệu suất truyền dẫn cao nhất, đồng nghĩa với chi phí thấp nhất Ngoài ra còn có thể phối hợn với đặc tính lưu lượng không đối xứng của IP, tận dụng băng tần nhằm giảm giá thành khai thác Từ đó gián tiếp giảm chi phí cho thuê bao Rõ ràng đây là một kết cấu mạng trực tiếp nhất, đơn giản nhất, kinh tế nhất, rất thích hợp sử dụng cho các mạng đường trục.
Hình 2: Xu hướng tích hợp IP/WDM
2.2.2 Giới thiệu các giải pháp truyền tải IP trên mạng quang
Hiện nay đã có nhiều giải pháp đang được nghiên cứu, phát triển, hoặc là đã được triển khai trên các mạng của các nhà khai thác trong nhưng năm qua Xu hướng nghiên cứu tích hợp IP quang đang diễn ra mạnh mẽ không chỉ ở trong dự án nghiên cứu phát triển của những trung tâm nghiên cứu khoa học lớn mà nó còn lan rộng trong các phòng thí nghiệm Lab của các trường Đại học Theo thống kê của EURESCOM (European Institute for Research and Strategic Studies in Telecommunication) trong dự án hiện nay trên thế giới có khoảng hơn 13 giải pháp liên quan đến vấn đề truyền tải IP trên mạng quang.
Khi đi vào tìm hiểu và nghiên cứu cho thấy 2 xu hướng khả thi, một là khai thác ưu điểm của công nghệ hiện có trên mạng, thêm tính năng để thích ứng với việc mạng lưu lượng IP với kích thước gói thay đổi Xu hướng kia là nghiên cứu ra các giao thức mới phù hợp với đặc tín lưu lượng IP Điều này được thể hiện rõ khi ta gắn các giải pháp trên vào mô hình phân lớp mạng.
Hình 3: Các mô hình phân lớp mạng
Trong đó lớp thích ứng ATM (ALL 5) sẽ đóng vai trò cung cấp dịch vụ và chức năng định tuyến lớp 3.
Chức năng Lớp 2 được xây dựng dựa trên các công nghệ hiện đã trưởng thành như SDH, ATM, Ethernet, DTM và WDM Một số giao thức như MPOA/LAPS, RSP, POS, SDL được phát triển trong lớp mạng này thực hiện bao gói IP (Encapsulation) trong các định dạng khung cho truyền dẫn trên các bước sóng quang Một điều dễ nhận thấy là các giao thức này đều được xây dựng quanh
Lớ p dịch vụ/định tuyÕn
SDH frame DTM frame based
Ethernet SDH các công nghệ đã trưởng thành kể trên Chúng ta hoàn toàn có thể lý giải được điều này: các dự án nghiên cứu phần lớn chịu ảnh hưởng bởi nguồn tài chính từ các nhà khai thác mạng, sản xuất thiết bị, như thế nó sẽ chỉ giải quyết những vấn đề đang tồn tại của họ Chính vì vậy các nghiên cứu về giao thức truyền tải cũng chỉ tập trung vào những công nghệ này mà thôi
Lớp 1- giao diện vật lý, sẽ là các tế bào ATM (theo giao diện STM-1 hoặc STM-4), khung truyền dẫn SDH, Ethernet, DTM và Digital Wrapper (G.907) Các bước sóng quang đóng vai trò tuyến kết nối điểm - điểm giữa các nút trong mạng. Đôi khi người ta xem các bước sóng này tạo thành lớp quang đóng vai trò.
Lớp 0, nghĩa là nó thuần tuý chỉ là tuyến vật lý cung cấp kết nối giữa các thành phần trong mạng truyền tải.
Cấn nhớ thêm rằng là khi xuất hiện chuyển mạch gói quang (OPS), công nghệ này có khả năng hoạt động từ Lớp 1 đến lớp 3 trong mô hình OSI, thì gói IP sẽ được sắp xếp trực tiếp trong gói quang mà không cần qua lớp trung gian Tuy nhiên phải cần rất nhiều thời gian nữa thì công nghệ chuyển mạch gói quang mới có thể thương mại rộng rãi trên thị trường.
Có thể nêu các phương pháp trên bằng các tên gọi sau:
IP/ATM/SDH(frame)/WDM
IP/Ethernet/SDH(khung)/WDM
IP/RPR/SDH(khung)/WDM
IP/MAPOS /SDH(khung)/WDM
IP/DTM/SDH(khung)/WDM
IP/LAPS/SDH(khung)/WDM
IP-MPLS/SDH(khung)/WDM
IP-MPLS/quang (Digital Wrapper -G.907)
Cần biết rằng nguyên lý hoạt động của khung SDH (kỹ thuật ghép kênh SDH) có thể ứng dụng trong các thiết bị độc lập hoặc được tích hợp trong thiết bị khác mà có chung phần điều khiển với công nghệ khác Đó là lý do người ta phân thành hai giải pháp sử dụng khung SDH trong thiết bị độc lập và thiết bị tích hợp (SDH (khung)), phù hợp theo hai mô hình xếp chồng và đồng cấp đang được ứng dụng trong mạng ngày nay.
2.2.3 Thích ứng IP trên WDM
2.2.3.1 IP/ATM/SDH cho truyền dẫn WDM
Bảng 1: Ngăn giao thức sử dụng tích hợp cho IP/ATM/SDH
IP Được đóng thành các gói kích thước 250 đến 65535 byte.
LLC/SNAP Điều khiển tuyến logic thêm 8 byte mào đầu vào gói IP để tạo thành khối dữ liệu giao thức (PDU) ATM.
AAL5 Lớp thích ứng ATM5 thêm 8 byte mào đầu (trường độ dài và 4 byte CRC) cộng với trường nhồi (0 đến 47 byte) để tạo thành một PDU AAL5 có kích thước bằng một số nguyên lần tải trọng ATM 48 byte
ATM Chia PDU AAL5 thành các tải trọng 48 byte và thêm 5 byte mào đầu để tạo thành các tế bào ATM 53 byte.
SDH Đặt các tế bào ATM vào tải trọng VC-4 hoặc VC-4 kết chuỗi
SDH Thêm mào đầu đoạn SDH (81 byte gồm cả con trỏ AU) và
9 byte mào đầu tuyến VC4 vào vùng tải trọng VC4 2340 byte
Trường hợp kết chuỗi các VC4 một VC4-Xc
Truyền tải IP qua ATM được thực hiện dưới nhiều giao thức IP/ATM cổ điển, LAN mô phỏng, đa giao thức qua ATM, Ở đây ta tập trung chủ yếu vào giao thức cổ điển đã được chuẩn hoá và hoàn thiện Để truyền tải trong các tuyến
WDM, phần lớn các định dạng truyền dẫn chuẩn sử dụng khung SDH Ngăn giao thức cho giải pháp này được trình bày tóm lược trong bảng trên.
- Kích thước gói sau lớp ATM
AAL5_PDU = IPSIZE + SNAP_HD + AAL5_OH
ATM_PSIZE = (Cells/Packet)*53 = 53*roundup [(IPSIZE + 16)/48]
Hình 4: Biểu diễn kiến trúc mạng khả thi sử dụng IP/ATM/SDH over WDM.
Theo cách này, các gói IP được phân tách trong các tế bào ATM và được gán vào các Kết nối ảo (VC) qua Card đường truyền SDH/ATM trong bộ định tuyến IP Tiếp đến các tế bào ATM được đóng trong khung SDH và được gửi tới chuyển mạch ATM hoặc trực tiếp tới bộ Transponder WDM để truyền tải qua lớp mạng quang (biểu diễn đơn giản như trong Hình 4 cho ring OADM).
Hiện tại, một cách thực hiện đảm bảo QoS cho dịch vụ IP là cung cấp một băng tần cố định giữa các cặp thiết bị định tuyến IP cho từng khách hàng (quản lý QoS Lớp 2) ATM cung cấp tính năng thực hiện điều này với tính hạt băng tần thay đổi nhờ các Kênh ảo cố định (PVC) qua hệ thống quản lý ATM hoặc thiết lập
Kênh chuyển mạch ảo (SVC) linh hoạt, tất cả nằm trong Luồng ảo (VP) Hoặc cũng có thể sử dụng phương pháp ghép kênh thống kê cho phép người sử dụng có thể truy nhập băng tần phụ trong một khoảng thời gian ngắn Điều này đảm bảo băng tần tuỳ ý và cố định từ 1 Mbit/s đến vài trăm Mbit/s cho các khách hàng khác
OADM switch ATM IP router router IP e.g 32 WDM
STM16c/ATM interface router IP
Phương thức điều khiển trong mạng truyền tải tích hợp IP over WDM
Tích hợp IP quang sẽ đòi hỏi những thay đổi trong lĩnh vực báo hiệu và điều khiển Sự khác biệt đáng kể về băng tần của gói IP, gói quang, kênh TDM,bước sóng quang và sợi quang đã cho thấy điểm yếu của các giao thức đã và đang được sử dụng (chỉ được thiết kế tối ưu cho chuyển mạch kênh hoặc gói) Với những giao thức như vậy tài nguyên mạng sẽ không được khai thác hiệu quả Ở một khía cạnh khác, hiện có rất nhiều các nhà cung cấp thiết bị sử dụng những giao thức độc quyền, do đó sẽ nảy sinh những vấn đề tương thích giữa các hệ thống thiết bị
Phần này sẽ nghiên cứu về những giải pháp báo hiệu và điều khiển hiện đang được quan tâm đối với mạng IP quang Qua đó sẽ làm rõ hai khái niệm về G- MPLS và ASON liên quan trực tiếp đến kiến trúc mạng IP/quang và xem xét khả năng ứng dụng cũng như vấn đề tiêu chuẩn hoá của chúng.
2.3.1 Quá trình phát triển mặt điều khiển
Các mạng theo phương thức chuyển mạch kênh như TDM và đường thuê riêng thường có độ trễ thấp, độ thăng giáng trễ ít và tỷ lệ lỗi thấp Do đó QoS thường rất cao nhưng việc cung cấp băng tần cho các dịch vụ phải được thực hiện trước nên thiếu tính linh động Mạng chuyển mạch gói (như ATM, FR, Ethernet và IP) linh hoạt hơn Ví dụ, việc ghép kênh theo thống kê cho phép phân bổ băng tần cho các dịch vụ linh động hơn Tuy nhiên, tại mỗi nút trung gian, mỗi gói thành phần của một bản tin đều được xử lý, độ trễ của mỗi gói tại mỗi nút là khác nhau nên độ trễ lớn và gây nên độ thăng gián trễ rộng hơn, tỷ lệ lỗi và QoS thấp hơn hoặc không thể đoán trước được.
Có nhiều cách để cải thiện QoS của các kỹ thuật chuyển mạch gói mà vẫn giữ lại các ưu điểm của chúng Chẳng hạn vào đầu thập kỷ 90 đã phát triển kỹ thuật ATM, cho phép mạng truyền cả lưu lượng thoại, video và số liệu ATM dùng các gói có kích thước như nhau và nhỏ nên cải thiện được hiệu quả truyền dẫn, duy trì QoS ở mức cao Báo hiệu cho ATM là mở rộng của các giao thức báo hiệu như Q.931 cho ISDN và SS7 cho báo hiệu kênh chung.
Trong khi đó, mạng IP đã được triển khai rộng rãi để hỗ trợ các ứng dụng theo phương thức gói IP là giao thức lớp 3, xử lý và định tuyến các gói để tạo các dịch vụ datagram, phi kết nối các IP Router hoạt động theo kiểu ‘hop-by-hop”.
Nhận thấy tính hấp dẫn của phương thức điều khiển thiết kế lưu lượng và để đơn giản hoá các khái niệm định tuyến gói như chuyển mạch nhãn, IETF đã phát triển kỹ thuật chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS vào năm 1996 MPLS sử dụng giao thức thiết lập đường RSVP và giao thức phân phối nhãn để tạo các đường chuyển mạch nhãn LSP giữa điểm vào và ra của mạng, gán nhãn cho các gói MPLS được thiết kế để thiết lập các đường chuyển mạch nhãn trong các mạng dịch vụ gói (IP, ATM, FR) trên nền mạng quang Sự phát triển rầm rộ của sợi quang và WDM đã cho thấy một cơ chế tương tự có thể được sử dụng để thiết lập các luồng quang dưới lớp con WDM.
Kiểu mạng Giao thức báo hiệu và định tuyến
Các thiết kế mạng số liệu ban đầu có khả năng tận dụng các giao thức báo hiệu do ITU chuẩn hoá (Q.931, Q.2931) và của ATM Forum (PNNI)
Bước đầu tiên trong quá trình này là vào năm 1998 đã phát triển MPλS. Mục đích của nó là để xác định tập các giao thức dựa trên MPLS để điều khiển các thiết bị WDM nhằm cung cấp các luồng quang chuyển mạch bước sóng trong mạng quang.
Hình dưới mô tả quá trình phát triển các giao thức báo hiệu và định tuyến cũng như mối quan hệ giữa chúng.
Hình 30 Quá trình phát triển các giao thức báo hiệu, định tuyến Điều rõ ràng là cơ chế điều khiển cần phải bao gồm cả quá trình hồi phục và khả năng cung cấp không chỉ cho lớp WDM mà cho cả lớp SONET/TDM và lớp sợi quang phía dưới Do đó, vào khoảng năm 2000, IETF đã mở rộng MPλS thành GMPLS Quá trình mở rộng này mang đến một số cải tiến như: mở rộng nhãn cho cả các khe TDM, truyền hai chiều, tăng cường khả năng báo hiệu, kết hợp các khả năng định tuyến (khám phá topo mạng và topo dịch vụ).
Năm 2000 ban Viễn thông của ITU và ANSI T1X1 cũng bắt đầu nghiên cứu về mạng quang chuyển mạch tự động ASON, là một bộ phận của mạng truyền tải chuyển mạch tự động ASTN.
Với sự bùng nổ nhu cầu lưu lượng trong những năm gần đây, mạng quang được xem là giải pháp hữu hiệu để đáp ứng nhu cầu Các hệ thống SDH, WDM và các thiết bị đấu nối chéo OXC cũng phát triển mạnh mẽ nhằm tăng dung lượng và phạm vi mạng Mảng điều khiển quang được thiết kế nhằm đơn giản hoá, tăng tính đáp ứng và mềm dẻo trong việc cung cấp các phương tiện trong mạng quang.
MPLS đã trở thành mô hình định tuyến mới cho mạng IP G-MPLS là sự mở rộng của MPLS nhằm hướng tới mảng điều khiển quang cho mạng quang.
IETF và OIF đã phát triển tiêu chuẩn G-MPLS để đảm bảo sự phối hợp giữa các lớp mạng khác nhau Hiện tại lớp truyền tải (lớp quang) và lớp số liệu (điển hình là Lớp 2 và/hoặc IP) tách hẳn nhau và hoạt động độc lập nhau G- MPLS tập hợp các tiêu chuẩn với một giao thức báo hiệu chung cho phép phối hợp hoạt động, trao đổi thông tin giữa lớp truyền tải và lớp số liệu Nó mở rộng khả năng định tuyến lớp số liệu đến mạng quang G-MPLS có thể cho phép mạng truyền tải và mạng số liệu hoạt động như một mạng đồng nhất.
GMPLS được phát triển trong nỗ lực nhằm làm đơn giản hoá và bỏ bớt mô hình mạng bốn lớp hiện tại GMPLS loại bỏ các chức năng chồng chéo giữa các lớp bằng cách thu hẹp các lớp mạng Nó không phải là một giao thức đơn hay tập không đổi các giao thức, mà đó là phương thức để kết hợp nhiều kỹ thuật trên cùng một kiến trúc đơn và quản lý chúng với một tập đơn các giao thức quản lý.
Nhiều công ty hiện đang triển khai mạng GMPLS để đơn giản việc quản lý mạng và tạo ra một mặt điều khiển tập trung Điều này cho phép tạo ra nhiều dịch vụ hơn cho khách hàng trong khi đó giá thành hoạt động lại thấp.
GMPLS cũng hứa hẹn sẽ mang lại chất lượng dịch vụ tốt hơn và thiết kế lưu lượng trên internet, một xu hướng hiện tại và cũng là mục tiêu chính của bất cứ nhà cung cấp dịch vụ nào.
2.3.2.2 Hoạt động và nền tảng của MPLS
MPLS đã mở rộng bộ giao thức IP nhằm cải thiện quá trình phát chuyển của các Router Đối với các Router, khi nhận được một gói tin phải qua quá trình phân tích địa chỉ và tìm kiếm tuyến khá phức tạp để xác định trạm kế tiếp bằng cách kiểm tra địa chỉ đích trong header của gói MPLS đã đơn giản thủ tục này bằng cách dựa vào một nhãn đơn giản khi phát chuyển MPLS còn có khả năng đặt các lưu lượng IP trên các đường xác định trước qua mạng Bằng cách này MPLS tạo ra sự bảo đảm về băng tần và các đặc tính dịch vụ khác cho mỗi ứng dụng cụ thể của User (người sử dụng) Với mỗi dịch vụ cụ thể, một bảng lớp phát chuyển tương đương (FEC) biểu diễn một nhóm các dòng lưu lượng có cùng yêu cầu về xử lý lưu lượng được tạo ra Một nhãn đặc biệt sau đó được dùng để gán cho mộtFEC Tại lối vào mạng MPLS, các gói IP đến được được kiểm tra và gán một