đồ án môn học tìm hiểu về mạng man e

1.1 Mạng đô thị - MAN và công nghệ Ethernet MAN là viết tắt của Metro Area Network là một mạng dữ liệu băng rộng trong phạm vi địa lý cỡ một thành phố, cung cấp tích hợp các dịch vụ tru

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Khoa Điện – Điện tử

Bộ môn Viễn thông -o0o -

ĐỒ ÁN MÔN HỌC 2 TÌM HIỂU VỀ MẠNG MAN-E

GVHD: ThS Hồ Văn Khương SVTH: Phan Dũng Vy

MSSV: 40903403

TP.HCM, tháng 06 năm 2014

MỤC LỤC

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn 3

Lời cảm ơn 4

Danh mục hình vẽ 5

Danh mục bảng biểu 7

Thuật ngữ viết tắt 8

Lời nói đầu 11

Chương I: Giới thiệu về mạng MAN-E 13

1.1 Mạng đô thị MAN và công nghệ Ethernet 13

1.2 Các đặc tính của mạng MAN-E 15

1.3 Cấu trúc mạng MAN-E 19

Kết luận chương 22

Chương II: Các công nghệ mạng MAN-E 23

2.1 Ethernet over SONET/SDH 23

2.2 Resilient Packer Ring (RPR) 29

2.3 Gigabit Ethernet 35

2.4 MPLS/GMPLS 38

2.5 IEE 802.1Q và Q-in-Q 40

2.6 Công nghệ MAC-in-MAC (PBB/PBT) 43

Kết luận chương 47

Chương III: Các dịch vụ của mạng MAN-E 48

3.1 Ưu điểm của các dịch vụ cung cấp qua MAN-E 49

3.2 Các loại dịch vụ MAN-E cơ bản 51

3.3 Các thuộc tính dịch vụ Ethernet 60

3.4 Ví dụ một số dịch vụ 78

Kết luận chương 84

Chương IV: Tình hình triển khai mạng MAN-E của VNPT 85

4.1 Mạng đô thị băng rộng đầu tiên tại Việt Nam 85

4.2 Tình hình triển khai MAN-E của VNPT hiện nay 88

Kết luận 91

Tài liệu tham khảo 90

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Chữ ký của giáo viên hướng dẫn

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơn thầy Hồ Văn Khương

cùng quý thầy cô bộ môn Viễn Thông, khoa Điện - Điện Tử, trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh

Trong quá trình thực hiện đồ án gặp các khó khăn về thời gian cũng như hạn chế về kiến thức và kinh nghiệm thiết kế Nhưng được hướng dẫn và chỉ dạy nhiệt tình của quý thầy cô đã giúp em khắc phục được những khó khăn đó và có thể hoàn thành tốt đồ án

Bên cạnh đó, em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các bạn sinh viên tập thể lớp DD09DV5, đã nhiệt tình giúp đỡ trong quá trình tìm kiếm tài liệu cũng như thực hiện để em có thể hoàn thành đồ án trong thời gian sớm nhất

TP.HCM, tháng 06 năm 2014

SV thực hiện

Phan Dũng Vy

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1 Mạng đô thị MAN

Hình 1-2 Truyền dẫn TDM trong mạng đô thị MAN

Hình 1-3 So sánh TDM với Ethernet

Hình 1-4 Cấu trúc mạng MAN-E điển hình

Hình 2-1 Ethernet over SONET/SDH

Hình 2-2 Chức năng EoS trong ADM

Hình 2-3 Chức năng EoS trong switc

Hình 2-4 Chức năng EoS và chuyển mạch trong ADM

Hình 2-5 Luồng tập trung ảo

Hình 2-6 Truyền dẫn Ethernet SONET/SDH

Hình 2-7 Mô hình mạng sử dụng RPR

Hình 2-8 Hoạt động thêm, bớt và chuyển tiếp trong RPR

Hình 2-9 Bảo vệ trong RPR

Hình 2-10 Cấu trúc Hub-and-Spoke

Hình 2-11 Cấu hình ring Gigabit Ethernet

Hình 2-12 Spanning Tree trong cấu hình ring Gigabit Ethernet

Hình 2-13 Cấu trúc gói tin MPLS

Hình 2-14 Mạng Ethernet đô thị MPLS

Hình 2-15 Cấu trúc nhãn VLAN

Hình 2-16 Các trường trong Q-in-Q

Hình 2-17 Nhãn P-VLAN được thêm vào khung dịch vụ của khách hàng

Hình 2-18 Các trường trong khung M-in-M

Hình 3-1 Mô hình dịch vụ cơ bản

Hình 3-2 Dịch vụ E-Line sử dụng EVC điểm-điểm

Hình 3-3 Dịch vụ E-Line tương tự Frame Relay

Hình 3-4 Dịch vụ E-line tương tự như sử dụng kênh riêng

Hình 3-5 Dịch vụ E-LAN sử dụng EVC đa điểm-đa điểm

Hình 3-6 Dịch vụ E-LAN trương tự Frame Relay

Hình 3-7 Thêm mới một UNI trường hợp sử dụng dịch vụ E-Line

Hình 3-8 Thêm mới một UNI trường hợp sử dụng một E-LAN

Hình 3-9 EVC gốc - đa điểm

Hình 3-10 Kiểu dịch vụ E-tree sử dụng EVC gốc – đa điểm

Hình 3-11 Dịch vụ E-Tree sử dụng nhiều UNI “gốc”

Hình 3-12 Thuộc tính màu của khung dịch vụ

Hình 3-13: Sự phân chia độ trễ khung

Hình 3-14 Ví dụ về mất khung trong EVC điểm-điểm

Hình 3-15 Định dạng khung VLAN

Hình 3-16 Hỗ trợ gán nhãn VLAN

Hình 3-17 Ghép nhiều dịch vụ với các EVC điểm-điểm

Hình 3-18 Truy nhập Internet qua một EVC điểm-điểm

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2-1 Ý nghĩa các trường trong M-in-M

Bảng 3-1 Ví dụ thuộc tính dịch vụ

Bảng 3-2 Các giao thức điều khiển lớp 2

Bảng 3-3 Các khả năng có thể hỗ trợ nhãn VLAN tại một UNI

44

71

72

76

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

ADM Add-Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen-rẽ

ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ chuyển mạch không đồng

bộ

CoS Class of Service Lớp dịch vụ

CRC Cyclic Redundancy Check Mã sửa lỗi vòng

DSL Digital subscriber line Đường thuê bao số

DXC Digital Cross-Connect Bộ đấu chéo số

E-LAN Ethernet LAN Service Dịch vụ LAN ethernet

EoS Ethernet over SDH Ethernet trên SDH

FICON Fibre Connection Kết nối sợi quang

GE Gigabit Ethenet Gigabit Ethenet

GFP-F/T Framing mapped/Transparent Generic

IP Internet Protocol Giao thức internet

IS–IS Intermediate System–to–Intermediate

System

Kết nối hệ thống trung gian đến

hệ thống trung gian ISP Internet Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ internet ITU-T International Telecommunications Union

(Telecommunications Standardisation

Hiệp hội viễn thông quốc tế

Sector)

LAN Local area network Mạng nội bộ

LCAT Link Capacity Adjustment Scheme Cơ chế điều chỉnh dung lượng

tuyến LSP Label-Switched Path Đường chuyển mạch nhãn

LSR Label-Switched Router Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường MAN Metro Area Network Mạng vùng đô thị

MPLS MultiProtocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức NGN Next Generation network Mạng thế hệ sau

NG-SDH Next Generation SDH SDH thế hệ sau

NNI Network – to – Network Interface Giao diện kết nối Mạng – Mạng OA&M Operation, Administration and

Maintenance

Vận hành, quản lý và bảo dưỡng

OADM Optical Add Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen rẽ quang OSPF Open Shortest Path First Thuật toán chọn đường ngắn nhất OXC Optical Cross-connect Thiết bị kết nối chéo quang PDH Plesiochronous Digital Hierarchy Phân cấp số cận đồng bộ

PDU Protocol Data Unit Khối dữ liệu giao thức

PIM Protocol Independent Multicast Phát tán multicsat độc lập với

giao thức PPP Point to Point Protocol Giao thức điểm-tới-điểm

PSTN Public Switched Telephone Network Mạng điện thoại công cộng QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

RSVP Resource Reservation Protocol Giao thức dành trước tài nguyên SAN Storage area network Mạng lưu trữ

SDH Synchronous Digital Hierarchy Hệ thống phân cấp số đồng bộ SLA Service Level Agreement Thoả thuận mức dịch vụ

SONET Synchronous Optical Network Mạng quang đồng bộ

SSM Source Specific Multicast Phát tán multicast theo nguồn STM-n Synchronous Transport Module level N Mô-dun truyền tải đồng bộ mức n TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền tải TDM Time division multiplexing Ghép kênh theo thời gian

UNI User-to-Network Interface Giao diện kết nối người sử dụng

– mạng VCAT Virtual Concatenation Ghép chuỗi ảo

VCC Virtual Channel Connection Kênh kết nối ảo

VPN Virtual Private Network Mạng riêng ảo

WAN Wide area network Mạng diện rộng

WDM Wavelength Division Multiplex Ghép kênh theo bước sóng

Lời nói đầu

Trên thế giới cũng như tại Việt Nam, các ngành dịch vụ có tốc độ tăng trưởng ngày càng cao Ở Việt Nam trong mấy năm gần đây ngành Bưu Chính Viễn Thông đã góp phần không nhỏ vào sự phát triển của đất nước Việt Nam được đánh giá là quốc gia có tốc độ phát triển Công Nghệ Thông Tin và Viễn Thông hàng đầu thế giới Trong đó đóng góp của ngành Viễn Thông nói riêng

và MobiFone đang nắm giữ tổng số thuê bao lớn nhất Trong lĩnh vực truyền dẫn, VNPT không ngừng nâng cao dung lượng mạng truyền dẫn, hiện nay Công ty điện toán và truyền dẫn số liệu – VDC đã xây dựng và đưa vào sử dụng mạng truyền dẫn đường trục mới – VN2 đưa tổng dung lượng đường truyền Internet đi quốc tế lên 45Gbps và trong nước đạt gần 57,5Gbps Cũng trong lĩnh vực truyền dẫn, hiện nay VNPT đã và đang triển khai xây dựng mạng MAN-E (Metro Area Network – Ethernet) trên khắp các tỉnh thành trong cả nước MAN-E là một giải pháp nhằm đáp ứng như cầu truyền số liệu ngày càng lớn của các khách hàng là tổ chức, doanh nghiệp cũng như cá nhân

Trong vai trò một sinh viên, việc nghiên cứu tìm hiểu những công nghệ đang được áp dụng bên cạnh những công nghệ mới là hết sức cần thiết Do đó em

đã lựa chọn đề tài “ Tìm hiểu về mạng MAN-E” Nội dung đề tài này gồm 4 chương:

- Chương I: Giới thiệu tổng quan về mạng MAN-E với các đặc điểm đáng chú ý của mạng

- Chương II: Giới thiệu về các công nghệ có thể được sử dụng để xây dựng mạng MAN-E

- Chương III: Trình bày về các dịch được cung cấp trên mạng MAN-E

- Chương IV: Giới thiệu sơ lược về tình hình triển khai mạng MAN-E tại Việt Nam của VNPT

Mặc dù đã cố gắng hết sức, tuy nhiên do hạn chế về tài liệu cũng như quá trình dịch thuật còn nhiều lỗi nên các vấn đề được trình bày trong đồ án vẫn chưa thể mang tính hoàn chỉnh, rất mong các thầy cô và các bạn góp ý thêm

TP.HCM, tháng 06 năm 2014

CHƯƠNG I – GIỚI THIỆU VỀ MẠNG MAN-E

Trong chương này, chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu về các chủ đề sau:

- Mạng MAN-E là gì?

- Các đặc tính của mạng MAN-E

- Cấu trúc của mạng MAN-E

1.1 Mạng đô thị - MAN và công nghệ Ethernet

MAN là viết tắt của Metro Area Network là một mạng dữ liệu băng rộng trong phạm vi địa lý cỡ một thành phố, cung cấp tích hợp các dịch vụ truyền thông như dữ liệu, thoại và hình ảnh Mạng MAN là nhánh đầu tiên của hệ thống mạng toàn cầu kết nối người dùng, khách hàng tới mạng WAN Các đối tượng sử dụng mà mạng MAN hướng tới bao gồm các khách hàng cá nhân và các doanh nghiệp, ví dụ như các công xưởng lớn (LEs), văn phòng vừa và nhỏ (SOHO), các nhà kinh doanh vừa và nhỏ (SMBs), các dịch vụ cấp phát tài nguyên động (MTUs), các chung cư (MDUs) (xem hình 1-1)

Bộ phận của mạng đô thị kết nối với các khách hàng được gọi là last

mile để biểu thị nhánh cuối cùng của mạng dữ liệu Tuy nhiên nếu đặt khách

hàng làm trung tâm, người ta lại gọi nhánh này là first mile để biểu thị ý

quyền lợi khách hàng là hàng đầu Một từ có biểu đạt ý nghĩa cụ thể hơn là

“đầu cuối”, bởi nhánh cuối cùng của mạng dữ liệu thường là thử thách lớn nhất, có chi phí xây dựng cao nhất và cũng là rào cản cuối cùng của tiến trình chuyển đổi từ mạng đô thị sang mạng dữ liệu tập trung tốc độ cao (high-speed data-centric network) Kết nối giữa các phần tử của mạng MAN thường là cáp

quang hoặc có thể là không dây Các công nghệ được sử dụng cho mạng MAN như ATM, FDDI, DQDB và SMDS

CoreEdgeMetroCustomer

Hình 1-1 Mạng đô thị MAN

Ethernet là công nghệ được sử dụng rộng rãi cho mạng LAN Công nghệ Ethernet do Robert Melancton Metcafe phát minh ra tại trung tâm nghiên cứu Xeror Palo Alto từ những năm 1970 Lúc đó, hệ thống Ethernet chỉ chạy với tốc độ xấp xỉ 3Mbps Năm 1980, đặc tả Ethernet chính thức ra đời từ nghiên cứu của liên minh DEC-Intel-Xeror Tốc độ Ethernet lúc đó được mở rộng lên 10Mbps Sau đó, công nghệ Ethernet được đưa vào ủy ban các tiêu chuẩn LAN của IEEE (IEEE 802) Năm 1985, chuẩn Ethernet là IEEE 802.3 được phát hành Ethernet hoạt động theo giao thức cảm nhận sóng mang CSMA/CD Tốc độ Ethernet ngày càng tăng, từ 10Mbps ban đầu lên 100Mbps, 1000Mbps (1Gbps), 10Gbps, 40 Gbps và có thể lên tới 100Gbps Hiện nay chuẩn tốc độ cao nhất được phát hành là 10Gbps, chuẩn 40Gbps và 100Gbps vẫn đang được phát triển và chưa hoàn thiện Cũng theo

đó, môi trường truyền dẫn chuyển từ cáp đồng sang cáp quang Sử dụng truyền dẫn bằng cáp quang và tốc độ truyền dẫn cao là yếu tố quan trọng để xây dựng các mạng dung lượng lớn, chất lượng cao đáp ứng nhu cầu ngày càng lớn của khách hàng

MAN-E được xây dựng để kết nối các mạng cục bộ của các tổ chức và

cá nhân với một mạng diện rộng WAN hay với Internet sử dụng các chuẩn Ethernet MAN-E cung dịch vụ truyền tải khung Ethernet và cung cấp các giao diện kết nối Ethernet tới khách hàng

1.2 Các đặc tính của mạng MAN-E:

Để thấy được sự đơn giản và tiết kiệm chi phí của MAN-E, ta xét một mạng MAN truyền thống sử dụng công nghệ TDM Một mạng MAN sử dụng công nghệ TDM điển hình bao gồm các trang thiết bị TDM được đặt ở các tầng hầm của các tòa nhà khách hàng và các trạm chuyển đổi dữ liệu địa phương (Incumbent Local Exchange Carrier - ILEC) Các trang thiết bị của TDM bao gồm các bộ ghép kênh số, các bộ kết nối chéo kỹ thuật số (Digital Access Cross-connects - DACs), các bộ ghép kênh SONET/SDH, v.v…

Hình 1-2 Truyền dẫn TDM trong mạng MAN

Hình vẽ mô tả hai trường hợp triển khai kết nối tới khách hàng là kết

nối on-net và kết nối off-net Trường hợp on-net, nhà cung cấp dịch vụ sẽ

cung cấp một đường cáp quang tới tận nhà khách hàng, và bên phía khách hàng sẽ có thiết bị ghép xen rẽ ADM cung cấp các đường T1 hoặc DS3/OCn tới từng người sử dụng đầu cuối riêng Trường hợp này, các bộ ghép kênh số như M13 sẽ có chức năng ghép nhiều đường T1 thành một đường DS3 hoặc nhiều đường DS3 thành một đường OCn để có thể truyền dẫn qua mạng

quang SONET/SDH tới tổng đài Kết nối off-net là khi không có đường cáp

quang tới nhà khách hàng, kết nối được thực hiện qua các đường cáp đồng T1 hoặc DS3 được tập hợp lại tại tổng đài sử dụng bộ nối chéo truy cập số DAC Luồng tổng này được truyền dẫn tới các tổng đài trung tâm, tại đó các luồng này kết thúc hoặc truy cập tới WAN tùy theo dịch vụ của khách hàng đang sử dụng

Triển khai và điều hành một mạng thuần TDM rất tốn kém vì công nghệ TDM không linh hoạt đối với nhu cầu của khách hàng Giá thành để triển khai một mạng đô thị bao gồm cả chi phí cố định về thiết bị, cơ sở hạ tầng lẫn chi phí điều hành Chi phí điều hành mạng bao gồm các chi phí về thiết kế, lắp đặt, vận hành, bảo dưỡng, quản lý… Giá thành để tạo nên dịch vụ

sẽ tác động lớn tới thành công của việc đưa dịch vụ đó tới khách hàng Chi phí cho các thiết bị truyền dẫn càng thấp thì giá thành dịch vụ được đưa tới khách hàng càng thấp

Khó khăn lớn mà giao diện TDM gặp phải là băng thông cung cấp không truyến tính theo yêu cầu của khách hàng mà tăng theo các mức cố định

Ví dụ một giao diện T1 cung cấp luồng 1.5Mbps, mức tiếp theo là DS3 với 45Mbps, mức cao hơn là OC3 155Mbps… Khi băng thông khách hàng yêu cầu lớn hơn 1.5Mbps thì buộc nhà cung cấp phải lắp nhiều đường T1 hoặc cung cấp cho khách hàng một đường DS3 mới Kéo theo đó phải thay đổi cả giao diện vật lý đã cung cấp cho khách hàng Chi phí phát sinh trong việc thay đổi đó gây ảnh hưởng chính tới cả khách hàng và nhà cung cấp Không chỉ thế, khi giao diện phía khách hàng thay đổi, nhà mạng cũng phải thay đổi giao diện tại tổng đài để thích ứng với kênh đã triển khai Việc này thường xuyên xảy ra vì nhu cầu của khách hàng ngày càng đa dạng Các dịch vụ như Channelized DS1, Channelized DS3 hay Channelized OCn có thể cung cấp băng thông thay đổi linh hoạt, tuy nhiên phải mất chi phí lớn cho các router và giao diện cung cấp dịch vụ này Chính điều này làm cho giao diện truy cập Ethernet đạt được lợi thế lớn trong môi trường mạng đô thị So với các chuẩn TDM thì giao diện Ethernet 10/100/1000 Mbps linh hoạt hơn trong việc ghép tách luồng

Hình 1-3 So sánh TDM với Ethernet

Hình vẽ so sánh sự khác nhau giữa kết nối TDM và Ethernet trong việc cung cấp truy nhập Internet Với mạng đô thị sử dụng công nghệ TDM, nhà cung cấp kết nối đưa ra một đường kết nối điểm-điểm từ POP của ISP tới khách hàng Việc quản lý địa chỉ IP và định truyến được ISP thực hiện tại POP Điều này tạo ra ranh giới giữa việc cung cấp kết nối và cung cấp dịch vụ Internet Với mạng đô thị sử dụng công nghệ Ethernet, giao diện phía khách hàng và phía ISP đều là Ethernet Nhà cung cấp kết nối quản lý kết nối lớp 2 (L2), trong khi ISP quản lý các dịch vụ IP Điều này mở ra cơ hội để các nhà cung cấp kết nối có thể nâng cấp các dịch vụ mở rộng trên cùng một kết nối Ethernet mà không cần phải thay đổi hạ tầng mạng của mình cũng như các thiết bị đã cung cấp cho khách hàng

Từ những điều đã dẫn và thông qua ví dụ trên, chúng ta có thể tổng kết được các ưu điểm của công nghệ Ethernet so với công nghệ TDM thông thường như sau:

+ Tính dễ sử dụng: Dịch vụ Ethernet dựa trên giao diện Ethernet chuẩn,

dùng rộng rãi trong các hệ thống mạng cục bộ Hầu như tất cả các thiết

bị và máy chủ trong các mạng LAN có đầu kết nối Ethernet

+ Tính kinh tế: Ethernet được sử dụng phổ biến trong hầu hết hết các

thiết bị mạng nên chi phí lắp đặt thiết bị có giao diện Ethernet là không cao Giá thành thiết bị thấp, chi phí quản trị và vận hành thấp cho phép thuê bao thêm băng thông khi cần thiết và khách hàng chỉ chi trả cho những gì họ cần

+ Tính linh hoạt: Nhà cung cấp dễ dàng cung cấp các dịch vụ như

Intranet VPN, Extranet VPN, kết nối Internet tốc độ cao tới ISP Thay đổi băng thông nhanh chóng, mềm dẻo

+ Tính chuẩn hóa: Hiện nay MEF đang tiếp tục định nghĩa và chuẩn

hóa các loại dịch vụ và thuộc tính này, cho phép các nhà cung cấp dịch

vụ có khả năng trao đổi giải pháp của họ một cách rõ ràng, các thuê bao

có thể hiểu và so sánh các dịch vụ một cách tốt hơn

1.3 Cấu trúc của mạng MAN-E:

Kiến trúc mạng MAN-E điển hình có thể mô tả như hình 1-4 Phần mạng truy nhập Metro tập hợp lưu lượng từ các khu vực (cơ quan, toà nhà ) trong khu vực của mạng Metro Mô hình điển hình thường được xây dựng xung quanh các vòng Ring quang với mỗi vòng Ring truy nhập MAN gồm từ

5 đến 10 node Những vòng Ring này mang lưu lượng từ các khách hàng khác nhau đến các điểm POP mà các điểm này được kết nối với nhau bằng mạng

lõi Metro Một mạng lõi Metro điển hình sẽ bao phủ được nhiều thành phố hoặc một khu vực tập trung nhiều doanh nghiệp

CISC OSYS TEMS

CISC OSYS TEMS

Hình 1-4 Cấu trúc mạng MAN-E

Một phần quan trọng của những mạng lõi Metro này là các trung tâm

dữ liệu, thường được đặt tại các node quan trọng của mạng lõi Metro có thể truy nhập dễ dàng Những trung tâm dữ liệu này phục vụ chủ yếu cho nội dung các host gần người sử dụng Đây cũng chính là nơi mà các dịch vụ từ nhà cung cấp dịch vụ khác (Outsourced services) được cung cấp cho các khách hàng của mạng MAN-E Quá trình truy nhập đến đường trục Internet đ-ược cung cấp tại một hoặc một số điểm POP cấu thành nên mạng lõi Metro

Theo định nghĩa của Metro Ethernet Forum trong MEF4 (Metro Ethernet Architecture Framework - Part 1), mạng Metro Ethernet sẽ được xây dựng theo 3 lớp: Lớp Dịch Vụ Ethernet – hỗ trợ các dịch vụ truyền thông dữ liệu L2 Ethernet cơ bản; tổ hộp của một hoặc nhiều Lớp Truyền Tải Dịch Vụ

hỗ trợ; và có thể bao gồm Lớp Dịch Vụ Ứng Dụng hỗ trợ cho các ứng dụng trên nền L2 Ethernet Mô hình mạng theo các lớp dựa trên quan hệ

client/server Bên cạnh đó, mỗi lớp mạng này có thể được thiết kế theo các mặt phẳng điều khiển, dữ liệu, quản trị trong từng lớp, bao gồm:

+ Lớp dịch vụ Ethernet (ETH layer): Lớp dịch vụ Ethernet có chức

năng truyền tải các dịch vụ hướng kết nối chuyển mạch dựa trên địa chỉ MAC Các bản tin Ethernet sẽ được truyền qua hệ thống thông qua các giao diện hướng nội bộ, hướng bên ngoài được quy định rõ ràng, gán với các điểm tham chiếu Lớp ETH cũng phải cung cấp các khả năng về OAM, khả năng phát triển dịch vụ trong việc quản lý các dịch vụ Ethernet hướng kế nối Tại các giao diện hướng bên ngoài của lớp ETH, các bản tin bao gồm: Ethernet unicast, multicast hoặc broadcast, tuân thủ theo chuẩn IEEE 802.3 – 2002

+ Lớp truyền tải dịch vụ (TRAN layer): Lớp truyền tải dịch vụ hỗ trợ

kết nối giữa các phần tử của lớp ETH Có thể sử dụng nhiều công nghệ khác nhau dùng để thực hiện việc hỗ trợ kết nối Một số ví dụ: IEEE 802.1, SONET/SDH, ATM VC, OTN ODUK, PDH DS1/E1, MPLS LSP… Các công nghệ truyền tải trên, đến lượt mình lại có thể do nhiều công nghệ khác hỗ trợ, cứ tiếp tục như vậy cho đến lớp vật lý như cáp

quang, cáp đồng, không dây

+ Lớp dịch vụ và ứng dụng (APP layer): Lớp dịch vụ ứng dụng hỗ

trợ các dịch vụ sử dụng truyển tải trên nền Ethernet của mạng MEN Có nhiều dịch vụ trong đó bao gồm cả các việc sử dụng lớp ETH như một lớp TRAN cho các lớp như: IP, MPLS, PDH…

Kết luận chương I:

Trong chương này, chúng ta đã nắm được những khái niệm cơ bản về mạng MAN-E, khảo sát sự khác biệt cũng như ưu điểm của mạng MAN sử dụng công nghệ Ethernet đối với mạng MAN truyền thông sử dụng công nghệ TDM, qua đó rút ra được những đặc tính cơ bản của một mạng MAN-E Chúng ta cũng đã tìm hiểu qua về cấu trúc một mạng MAN-E cơ bản, cũng như các lớp cấu thành nó

Trong chương tiếp theo, chúng ta sẽ đi sâu hơn vào việc tìm hiểu các công nghệ xây dựng mạng MAN-E

CHƯƠNG II - CÁC CÔNG NGHỆ MẠNG

MAN-E

Các dịch vụ và ứng dụng của MAN-E không nhất thiết phải yêu cầu sử dụng Ethernet làm công nghệ truyền dẫn lớp dưới, mạng MAN-E còn có thể được xây dựng bởi các công nghệ khác, trong chương này chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu các công nghệ:

- Ethernet over SONET/SDH (EOS)

- Resilient Packet Ring (RPR)

- Gigabit Ethernet

- MPLS/GMPLS

- PBB/PBT

2.1 Ethernet over SONET/SDH (EOS)

Giải pháp này được sử dụng để tận dụng hạ tầng mạng WAN có sẵn với công nghệ SONET/SDH Vấn đề chủ yếu trong giải pháp này là việc quản lý băng thông, bởi vì các vòng ring SONET/SDH dung lượng thấp dễ dàng bị quá tải bởi các dịch vụ dữ liệu

Lợi ích của EOS là nó cung cấp dịch vụ Ethernet trong khi vẫn giữ được những ưu điểm của hạ tầng mạng SONET/SDH như khả năng phục hồi nhanh, giám sát chất lượng đường truyền và tận dụng được hệ quản lý mạng SONET OMP&P Với EOS, các khung Ethernet vẫn được giữ nguyên và đóng gói vào gói SONET tại đầu vào và giải phóng ở đầu ra của mạng

Khung Ethernet Khung Ethernet Khung Ethernet

Khung EoS Tải trọng SONET/DSH

Hình 2-1 Ethernet over SONET/SDH

Trong hình vẽ, toàn bộ khung Ethernet sẽ được đưa vào trọng tải SONET/SDH tại đầu vào và được trích xuất ra tại đầu ra Có hai chuẩn có thể

áp dụng để có thể truyền tải khung Ethernet qua mạng SONET/SDH:

+ LAPS – Link Acess Procedure SDH là chuẩn được định nghĩa bởi

ITU-T trong X.86 LAPS là giao thức phi kết nối tương tự như HDLC

+ GFP – Generic Framing Procedrure là một chuẩn của ITU-T sử

dụng SDL (Simple Data Link) GFP khác với LAPS là có thể tương thích với các giao thức khác ngoài Ethernet như PPP, FICON, SCON

Chức năng EOS có thể nằm tại thiết bị truyền dẫn SONET/SDH hoặc tại thiết bị chuyển mạch Điều này đôi khi tạo ra sự cạnh tranh giữa nhà cung cấp thiết bị truyền dẫn và thiết bị chuyển mạch

Hình 2-2 Chức năng EoS trong ADM

Hình 2-2 chỉ trường hợp chức năng EOS được thực hiện tại bộ ghép xen rẽ ADM thông qua một bộ ánh xạ kết hợp tạo khung được đặt tại card đường dây Ánh xạ là thêm một khung X.86 hoặc GFP bao bọc toàn bộ khung

Ethernet, việc tạo khung là thực hiện đóng gói khung Ethernet vào trong SONET/SDH SPE SONET/SDH SPE sau đó được truyền tải trên ring SONET/SDH, tới đầu ra khung Ethernet được mở đóng gói

Hình 2-3 Chức năng EoS trong switch

Hình 2-3 chỉ trường hợp chức năng EOS được thực hiện tại thiết bị chuyển mạch Ở đây sẽ có sự khác biệt giữa thiết bị số liệu và thiết bị truyền dẫn, hai thiết bị này có thể thuộc quản lý của hai nhóm khác nhau của cùng một nhà mạng Điều này làm cho việc triển khai dịch vụ mới trở nên dễ dàng Dịch vụ mới được thực hiện ở lớp trên mà không liên quan đến phần truyền dẫn Tuy nhiên trường hợp này sẽ yêu cầu thiết bị chuyển mạch phải có đầy

đủ các đặc tính của SONET/SDH Trường hợp hình 2-2 phần SONET/SDH kết thúc tại ADM, thiết bị chuyển mạch Ethernet chỉ thấy một đường Ethernet tổng

SONET/SDH

Switch/ADM

Ethernet Ethernet E

o S

E o S Switch/ADM

Hình 2-4 Chức năng EoS và chuyển mạch trong ADM

Hình 2-4 là trường hợp chức năng chuyển mạch gói, ADM và EOS thực hiện trên cùng một thiết bị Mô hình này là tối ưu, tuy nhiên nếu muốn

có sự tách biệt giữa truyền dẫn và dịch vụ số liệu thì sẽ là một khó khăn

Công nghệ EOS cũng làm cho việc sử dụng băng thông của dịch vụ không hiệu quả Bởi vì các tốc độ luồng SONET/SDH không linh hoạt trong việc mở rộng băng thông và băng thông của SONET/SDH không phù hợp với các tốc độ Ethernet Để hạn chế điều này người ta sử dụng VCAT (Virtual Concatenation)

Luồng tập trung ảo - Virtual Concatenation (VCAT)

Với chuẩn ghép kênh SONET/SDH thông thường thì việc cung cấp một băng thông phù hợp với yêu cầu của khách hàng là rất khó khăn Bởi vì tốc độ SONET/SDH quá nhỏ hoặc quá lớn so với yêu cầu Trong cấu hình ring SONET/SDH thì một phần băng thông bị lãng phí, không phải lúc nào cũng được sử dụng

VCAT sẽ gom một số đường tốc độ thấp tạo thành đường tốc độ cao hơn VCAT được thực hiện ở lớp 1 (L1), tức là VCAT sẽ tập hợp các kênh khác nhau và đưa lên lớp trên như một kênh vật lý VCAT cũng cho phép gộp n*STS/STM hoặc n*VT/VC tạo thành một đường có tốc độ phù hợp

Hình 2-5 Luồng tập trung ảo

Hình 2-5 minh họa cho việc sử dụng hiệu quả băng thông Với một băng thông yêu cầu là 300Mbps (khoảng 6 đường STS-1), trường hợp ghép kênh thông thường, nhà mạng sẽ sử dụng nhiều giao diện DS3 và thực hiện ghép kênh phía khách hàng để cung cấp cho khách hàng băng thông vừa ý (DS3 là giao diện vật lý cung cấp tốc độ 45Mbps còn STS-1 là định dạng khung SONET có thể truyền tải tốc độ 50Mpbs) Việc sử dụng nhiều giao diện DS3 ở phía khách hàng là không hiệu quả, bởi vì sẽ làm tăng giá thành

và không đạt được băng thông cao nhất do kỹ thuật chia sẻ tải Cách khác, nhà mạng có thể cung cấp cho khách hàng một đường OC12 (12 STS-1), nhưng như vậy thì nhà mạng sẽ chịu lỗ bởi vì còn thừa 6 STS-1 không thể sử dụng cho khách hàng khác Với VCAT, nhà mạng có thể cung cấp cho khách hàng đường 300Mbps bằng cách kết hợp 6 STS-1 như một đường lớn hơn

Hình 2-6 Truyền dẫn Ethernet SONET/SDH

Hình 2-6 là một ví dụ về việc cung cấp cả dịch vụ kết nối Ethernet và dịch vụ TDM trên cùng một hạ tầng mạng SONET/SDH Nếu thiết bị SONET/SDH có hỗ trợ VCAT thì giao diện Gigabit Ethernet có thể được truyền tải qua một luồng 21STS-1, giao diện Fast Ethernet có thể truyền tải qua luồng 2STS-1 và giao diện DS3 truyền tải qua luồng 1STS-1 Trong nhiều trường hợp, tốc độ của giao diện Ethernet không nhất thiết phải tương ứng với tốc độ của SONET/SDH Một giao diện 100Mbps Ethernet có thể được truyền tải qua một, hai hoặc ba luồng STS-1 (50Mbps) Trường hợp này cần có các kỹ thuật hàng đợi, điều chỉnh để giảm thiểu việc mất gói do quá tải gây ra

Chức năng EOS và VCAT được thực hiện tại điểm đầu vào và đầu ra, không nhất thiết phải thực hiện ở mọi trạm trên đường truyền dẫn Như trong hình 2-6 thiết bị nối chéo XC thực hiện kết nối hai vòng ring như thông thường Tuy nhiên để VCAT có thể phát huy hiệu quả thì các thiết bị đều phải

hỗ trợ VCAT, nếu không việc tiêt kiệm băng thông sẽ không thực hiện được Nếu thiết bị trên vòng ring hỗ trợ phân chia kênh mức STS-1 hoặc cao hơn thì kênh nhỏ nhất VCAT hỗ trợ là STS-1 Nếu thiết bị hỗ trợ VCAT tới mức VT

1.5 (T1) thì băng thông cao nhất của STS-1 trên vòng ring vẫn bị lãng phí thậm chí khi CPE được chỉ định là n*VT 1.5 thông qua VCAT Ví dụ trong hình 1.10, nếu thiết bị ADM 1 và 2 hỗ trợ VCAT tới mức VT 1.5 nhưng thiết

bị nối chéo chỉ thực hiện nối chéo ở mức DS3 thì việc tiết kiệm băng thông không được thực hiện

Cơ chế điều khiển dung lượng kênh (LCAS):

VCAT là công cụ hiệu quả trong việc cung cấp cho khách hàng băng thông theo yêu cầu Tuy nhiên nhu cầu về băng thông của khách hàng luôn luôn thay đổi Để tránh tình trạng thêm bớt liên kết liên tục theo nhu cầu của khách hàng người ta sử dụng LCAS LCAS là một giao thức cho phép thay đổi kích cỡ kênh bất kỳ lúc nào LCAS cũng được sử dụng để kiểm tra tính kết nối của đường truyền để thêm hoặc bỏ đường truyền mà không cần phải phá vỡ hoạt động Sử dụng kết hợp EOS với LCAS, VCAT có thể đạt hiệu quả cao khi triển khai dịch vụ Ethernet qua SONET/SDH

2.2 Resilient Packet Ring (RPR)

RPR là một giao thức lớp MAC được thiết kế để tối ưu quản lý băng thông và dễ dàng triển khai dịch vụ dữ liệu trên một mạng ring RPR được khởi nguồn từ khi Cisco sử dụng công nghệ DPT để tối ưu quản lý và phục hồi băng thông cho các mạng ring Sau đó DPT được nhóm IEEE 802.17 nghiên cứu và đưa ra chuẩn RPR RPR là giao thức lớp MAC vận hành ở lớp

2 của mô hình OSI, nó không nhận biết lớp 1 nên độc lập với truyền dẫn nên

có thể làm việc với WDM, SDH hay truyền dẫn dựa trên Ethernet (sử dụng GBIC - Gigabit Interface Converter) Ngoài ra, RPR đi từ thiết bị đa lớp đến dịch vụ mạng thông minh lớp 3 như MPLS MPLS kết hợp thiết bị rìa mạng

IP lớp 3 với thiết bị lớp 2 như ATM, Frame Relay Sự kết hợp độ tin cậy và khả năng phục hồi của RPR với ưu điểm quản lý lưu lượng và khả năng mở rộng của MPLS VPN và MPLS-TE được xem là giải pháp xây dựng MAN trên thế giới hiện nay

Hình 2-7 Mô hình mạng sử dụng RPR

Hình vẽ 2-7 chỉ ra mô hình triển khai RPR cơ bản Các CMTS (Cable Modem Termination System – hệ thống đầu cuối điều giải cáp) tập hợp lưu lượng đến thông qua cáp đồng trục từ nhà khách hàng rồi chuyển tới router RPR Có nhiều router RPR kết nối với nhau bằng một ring OC48, sau đó lưu lượng được tập trung chuyển đến một hub trung tâm để thực hiện kết nối ra Internet

Có thể nhận thấy RPR sử dụng các ruoter còn EOS sử dụng các swtich

Lí do bởi vì RPR xuất thân từ DPT của Cisco sử dụng router để thực hiện các dịch vụ định tuyến IP trên mạng ring IEEE 802.17 có hướng làm RPR độc lập với lớp 2 và lớp 3, nhưng thực tế RPR được chấp nhận dành cho các dịch

vụ lớp 3 Đồng thời cũng ít router hỗ trợ dịch vụ lớp 2

Hoạt động xen, rẽ và chuyển tiếp gói RPR:

RPR có ba hoạt động chính là xen, rẽ và chuyển tiếp gói tương tự như

cơ chế add/drop trong SONET/SDH Ở đây các kênh được thêm, bớt và kết nối chéo bên trong vòng ring

IEEE 802.3 MAC xử lý các gói tại mỗi node của vòn ring bất kể node đích là nod kế tiếp Ngược lại RPR 802.17 MAC chuyển tiếp gói tin trong vòng ring mà không thực hiện bất kỳ bước đệm hoặc chuyển mạch trung gian nào nếu như gói không thuộc về node Do đó giảm thiểu được công việc của từng node

Hình 2-8 Hoạt động thêm, bớt và chuyển tiếp trong RPR

Hình 2-8 minh họa hoạt động của RPR, lưu lượng không thuộc về node được chuyển tiếp trong vòng ring được thực hiện bởi IEEE 802.17 MAC Trong hoạt động của Ethernet IEEE 802.3 MAC lưu lượng được xử lý, lưu đệm tại mỗi node để chức năng chuyển mạch xác định giao diện đầu ra

Ưu điểm của RPR so với SONET/SDH là toàn bộ các gói đến vòng ring đều được chia sẻ đầy đủ băng thông, cơ chế quản lý băng thông của RPR cho phép tránh được nghẽn Trong SONET/SDH mỗi khe thời gian được dành cho một kênh, băng thông dành cho kênh sẽ bị bỏ ra khỏi vòng ring khi không

có lưu lượng nào

Khả năng phục hồi của RPR:

RPR cung cấp khả năng phục hồi bảo vệ trong 50ms Khả năng phục hồi nhanh chóng cùng với tận dụng băng thông là đặc điểm nổi trội so với SONET/SDH và các cơ chế bảo vệ khác

RPR thực hiện chức năng bảo vệ theo 2 cách:

+ Wrap: Một vòng RPR gồm hai vòng sợi quang truyền ngược chiều

nhau Nếu một thiết bị hay sợi quang bị phát hiện có lỗi, lưu lượng đi đến sẽ được chuyển sang hướng ngược lại trên vòng quang kia

+ Steer: Khi phát hiện lỗi sẽ không thực hiện chuyển lưu lượng sang

vòng khác Node phát hiện lỗi đầu tiên sẽ khởi tạo bản tin báo lỗi gửi cho các node khác Khi node nhận được tin bảo vệ, sẽ thực hiện tính toán lại đường đến đích và topology sẽ được cập nhật tương ứng

Steer là kỹ thuật bảo vệ mặc định Nếu các router trong vòng có hỗ trợ

cả hai kiểu bảo vệ thì kiểu Steer sẽ được chọn Mọi router trong vòng phải chạy cùng một kiểu bảo vệ Tất cả hoạt động cảnh báo và chuyển lưu lượng được thực hiện không quá 50 ms

Đối với cơ chế bảo vệ SONET/SDH UPSR có một đường hoạt động và một đường dự phòng, chỉ có 50% dung lượng được sử dụng Với RPR cả hai đường đều được sử dụng để truyền đồng thời Khi xảy ra lỗi, vòng ring được chuyển sang đường còn lại và cô lập vị trí lỗi

Hình 2-9 Bảo vệ trong RPR

Như vậy RPR có các đặc điểm chính sau đây:

- Kết nối theo cấu hình Ring

- Khôi phục đường truyền nhanh khi có sự cố (<50ms)

- Hỗ trợ đa dạng phân lớp dịch vụ

- Sự linh hoạt của lớp vật lý: có thể tương thích với các tiêu chuẩn lớp vật lý khác nhau như Ethernet, SONET/SDH và DWDM

- Cho phép truyền tải lưu lượng theo phương thức quảng bá

- Điều khiển băng thông tránh tắc nghẽn

2.3 Gigabit Ethernet (GE)

Công nghệ Ethernet không chỉ giới hạn ở là một công nghệ truy nhập

mà còn có thể sử dụng làm công nghệ truyền dẫn Khi sử dụng Ethernet làm công nghệ truyền dẫn thì phần mạng truy nhập có thể xây dựng theo kiểu ring hoặc kiểu hub-and-spoke

Với cấu hình hub-and-spoke sẽ có các node tập trung lưu lượng từ những node khác như trong hình 2-10 Các switch sẽ được đặt ở gần POP hoặc CO sử dụng sợi quang riêng hoặc bước sóng để kết nối giữa các node Mặc dù cấu hình này tốn kém hơn kiểu ring nhưng vẫn được nhiều nhà mạng coi là tốt hơn ring Băng thông đến khách hàng có thể mở rộng bởi vì toàn bộ đường cáp dành cho khách hàng Có hai kiểu bảo vệ có thể thực hiện Kiểu thứ nhất tải lưu lượng sẽ được chia đều trên hai đường liên kết, nếu có sự cố thì lưu lượng sẽ dồn sang đường còn lại Kiểu bảo vệ thứ hai là có hai đường liên kết từ hai swittch khác nhau tới nhà khách hàng Trong hai đường này sẽ

có một đường ở trạng thái dự phòng không sử dụng do đó phải sử dụng giao thức STP giữa những node này

Hình 2-10 Cấu trúc Hub-and-Spoke

Hình 2-11 Cấu hình ring Gigabit Ethernet

Cấu hình ring có thể coi là một tập hợp các liên kết điểm - điểm giữa các switch Băng thông của ring được chia sẻ cho các node Ngoài ra băng thông này còn được dành cho quản lý, bảo vệ Trong cấu hình này phải sử dụng STP để tránh vòng lặp vô hạn của gói tin STP sẽ khóa một số cổng dư thừa, đo đó kém tin cậy hơn bảo vệ của RPR, SONET/SDH Khi có sự cố xảy

ra thì STP sẽ điều chỉnh lại cổng bị khóa để thiết lập đường liên kết mới như hình 2-12

Hình 2-12 Spanning Tree trong cấu hình ring Gigabit Ethernet

2.4 MPLS/GMPLS

MPLS là giải pháp chuyển mạch nhãn đa giao thức, được sử dụng trong các mạng hiệu năng cao để định truyến và chuyển tiếp dữ liệu Chức năng cơ bản của MPLS là cho phép các router thiết lập các luồng điểm - điểm (còn gọi

là các luồng chuyển mạch nhãn - LSP) với các đặc tính QoS xác định qua bất

kỳ mạng loại gói hay tế bào MPLS có thể coi như một giải pháp công nghệ tổ hợp, mạng MPLS có khả năng chuyển các gói tin tại lớp 3 và tại lớp 2 sử dụng cơ chế hoán đổi nhãn như một kỹ thuật chuyển tiếp

MPLS hoạt động giữa lớp liên kết dữ liệu (L2) và lớp mạng (L3), MPLS có thể hoạt động với các giao thức mạng lớp 2 khác nhau như Ethernet, ATM, Frame Relay, PPP

Hình 2-13 Cấu trúc gói tin MPLS

Phần tiêu đề của gói tin MPLS bao gồm một hoặc nhiều một chồng nhãn Một chồng nhãn bao gồm 4 trường sau:

+ 20 bit trường giá trị nhãn

+ 3 bit trường kiểu lưu lượng dành cho QoS

+ 1 bit cờ chỉ chồng nhãn cuối, nếu cờ được đặt thì chồng nhãn đó là cuối cùng trong tiêu đề của gói tin MPLS

+ 4 bit trường thời gian sống – TTL

Các router thực hiện chuyển mạch dựa trên nhãn gọi là các LSR (Label Switch Router) Nhãn được phân phối giữa các LSR bằng giao thức phân phối nhãn LDP (Label Distribution Protocol) Các đường chuyển mạch nhãn LSP (Label Switched Path) được thiết lập có thể tạo một mạng riêng ảo hoặc để truyền tải lưu lượng qua mạng LSP cũng tương tự như PVC trong ATM nhưng LSP không phụ thuộc vào giao thức hoạt động ở lớp 2

+ Độ tin cậy cao, có khả năng phục hồi nhanh

+ Các tính năng vận hành khai thác OAM thuận tiện và nhanh chóng + Được hỗ trợ bởi nhiều hãng lớn như Cisco, Acatel, Juniper…

Công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức tổng quát GMPLS (Generalized Multiprotocol Labed Switching là bước phát triển theo của công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS (Multiprotocol Labed Switching) GMPLS thực chất là sự mở rộng chức năng điều khiển của mạng MPLS, nó cho phép kiến tạo mặt phẳng điểu khiển quản lý thống nhất không chỉ ở lớp mạng mà còn thực hiện đối với các lớp ứng dụng, truyền dẫn và lớp vật lý GMPLS mở rộng chức năng hỗ trợ giao thức IP để điều khiển thiết lập hoặc giải phóng các đường chuyển mạch nhãn LSP cho mạng hỗn hợp bao gồm cả chuyển mạch gói, chuyển mạch kênh, mạng quang

2.5 IEE 802.1Q và Q-in-Q

IEEE 802.1Q là chuẩn được thiết kế cho việc gán nhãn VLAN 4 bytes tiêu đề sẽ được thêm vào khung IEEE802.3 tiêu chuẩn và được gọi là nhãn VLAN Hình vẽ 2-15 minh họa các trường của nhãn VLAN