Các giải pháp truyền tải IP trong mạng quang

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA CÔNG NGHỆ    ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: CÁC GIẢI PHÁP TRUYỀN TẢI IP TRONG MẠNG QUANG Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực hiện Lớp Niên khoá : TS. NGUYỄN THỊ QUỲNH HOA : HOÀNG QUỐC HIỆU : 46K - Điện tử viễn thông : 2005-2010 1 Vinh, 5/2010 LỜI NÓI ĐẦU Kiến trúc mạng IP ngày nay được xây dựng theo ngăn mạng xếp chồng những công nghệ như ATM, SDH và WDM. Do có nhiều lớp liên quan nên đặc trưng của kiến trúc này là dư thừa tính năng và chi phí liên quan đến vận hành khai thác cao. Kiến trúc này trước đây sử dụng để cung cấp chỉ tiêu đảm bảo cho dịch vụ thoại và thuê kênh, không được thiết kế phù hợp cho mạng số liệu. Do đó nó không thật sự thích hợp đối với các ứng dụng hoạt động dựa trên công nghệ chuyển mạch gói và đặc biệt là những ứng dụng có nguồn gốc IP. Một số nhà cung cấp và tổ chức tiêu chuẩn đang đề xuất những giải pháp mới khai thác IP trên kiến trúc mạng đơn giản, ở đó lớp WDM là nơi cung cấp băng tần truyền dẫn lớn. Những giải pháp này nhằm giảm tối đa tính năng dư thừa, giảm mào đầu giao thức, đơn giản hoá công việc quản lý và qua đó truyền tải IP trên lớp WDM (lớp mạng quang) càng hiệu quả càng tốt. Hiện nay có nhiều kiến trúc mạng đã được nhận diện và triển khai trong thực tế. Tất cả chúng đều liên quan đến việc đơn giản hoá các ngăn giao thức nhưng trong số chúng chỉ có một số kiến trúc có nhiều đặc tính hứa hẹn như DoS (Data over SONET/SDH), Gigabit Ethernet (GbE) và Resilient Packet Ring (RPR) ngoài kiến trúc IP trên ATM/SDH/WDM. Nội dung của đồ án được chia thành 4 chương. Nội dung chính của chương 1 là giới thiệu công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM và sự phát triển công nghệ IP. Nội dung chính của chương 2 là giới thiệu một số phương thức truyền tải IP trong mạng quang. Nội dung chính của chương 3 là so sánh và đánh giá hiệu quả của các giải pháp. Nội dung chính của chương 4 là giới thiệu tổng quan về mạng thế hệ sau NGN và áp dụng các giải pháp truyền tải IP vào VNPT. Em xin chân thành cảm ơn Ts. Nguyễn Thị Quỳnh Hoa và các thầy cô khoa Công nghệ Trường Đại học Vinh đã hướng dẫn và giúp đỡ tận tình trong suốt quá trình làm đồ án vừa qua. Em cũng xin chân thành cảm ơn bạn bè đã giúp đỡ và chia sẽ kinh nghiệm để em hoàn thành tốt đồ án này. Vinh, tháng 5/2010 Sinh viên Hoàng Quốc Hiệu 2 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU .1 MỤC LỤC .2 TÓM TẮT ĐỒ ÁN 4 DANH SÁCH HÌNH VẼ .5 DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU 6 KÝ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT 7 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU WDM VÀ CÔNG NGHỆ IP .10 1.1 Xu hướng phát triển của mạng viễn thông Việt Nam 10 1.1.1 Những hạn chế của mạng viễn thông hiện tại 10 1.1.2 Xu hướng phát triển các dịch vụ viễn thông .11 1.1.3 Xu hướng phát triển của công nghệ viễn thông 12 1.2 Công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM 12 1.2.1 Các thế hệ mạng WDM .13 1.2.2 Nguyên lý cơ bản của WDM .14 1.2.3 Các thiết bị của hệ thống WDM 16 1.2.4 Ưu điểm của hệ thống thông tin quang (WDM) .23 1.3 Sự phát triển của công nghệ IP .24 1.3.1 Giao thức IPv4 .24 1.3.2 Giao thức IPv6 .33 1.3.3 Sự phát triển công nghệ IP trên mạng quang 36 Kết luận chương .39 CHƯƠNG 2: CÁC GIẢI PHÁP TRUYỀN TẢI IP QUA MẠNG QUANG .40 2.1 Kiến trúc IP/ATM/SDH/WDM 41 2.2 Kiến trúc IP/ATM/WDM .42 2.3 Kiến trúc IP/SDH/WDM 43 2.3.1 Kiến trúc IP/PPP/HDLC/SDH 44 2.3.2 Kiến trúc IP/LAPS/SDH .47 2.4 Kiến trúc IP/SDL/WDM 49 2.5 Công nghệ Ethernet quang (Gigabit Ethernet- GbE) .50 2.6 Kỹ thuật MPLS để truyền dẫn IP trên quang .52 2.7 GPMLS và mạng chuyển mạch quang tự động (ASON) 56 2.7.1 MPLS trong mạng quang (Generalized MPLS) .56 2.7.2 Mạng quang chuyển mạch tự động (ASON) .60 2.8 Công nghệ truyền tải gói động (DPT) 62 2.9 Phương thức truyền tải gói đồng bộ động (DTM) .63 2.9.1 Truyền tải IP qua mạng DTM .64 2.9.2 Cấu trúc định tuyến .64 2.9.3 Phân đoạn IPOD 65 2.9.4 Tương tác với OSPF 66 2.10 Kiến trúc IP/WDM .66 2.10.1 IP over WDM 66 2.10.2 IP over Optical .75 Kết luận chương .79 CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ CÁC GIẢI PHÁP TRUYỀN TẢI IP TRÊN MẠNG QUANG .80 3.1 Giá thành .80 3.2 Hiệu năng và dịch vụ 82 3.3 Khả năng tương hợp và quản lý .84 3 3.4 Tính năng 86 Kết luận chương 88 CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG TRIỂN KHAI TRUYỀN TẢI IP TRÊN MẠNG QUANG VÀO MẠNG NGN VIỆT NAM .89 4.1 Tổng quan về mạng thế hệ sau NGN .89 4.1.1 Nguyên tắc tổ chức mạng NGN 90 4.1.2 Cấu hình của mạng NGN 90 4.2 Cấu trúc mạng viễn thông Việt Nam .90 4.2.1 Cấu trúc mạng 91 4.2.2 Mạng chuyển mạch .91 4.2.3 Mạng truy nhập 92 4.2.4 Mạng truyền dẫn 93 4.2.5 Mạng truyền dẫn liên tỉnh .93 4.2.6 Mạng truyền dẫn nội tỉnh 94 4.2.7 Mạng báo hiệu .94 4.2.8 Mạng đồng bộ 94 4.2.9 Mạng quản lý .95 4.2.10 Các nhà cung cấp dịch vụ 95 4.3 Mạng NGN của VNPT .95 4.3.1 Định hướng phát triển mạng NGN của VNPT .95 4.3.2 Nguyên tắc tổ chức 96 4.3.3 Mô hình kết nối mạng NGN với mạng PSTN và Internet 100 4.3.4 Tình hình triển khai trên mạng viễn thông Việt Nam 101 4.4 Áp dụng các giải pháp truyền tải IP trên mạng quang vào mạng NGN của VNPT 101 4.4.1 Mạng trục .102 4.4.2 Mạng vùng .105 4.4.3 Mạng truy nhập .107 Kết luận chương .109 Kết luận chung .110 Tài liệu tham khảo 111 4 TÓM TẮT ĐỒ ÁN Với tên đề tài “Các giải pháp truyền tải IP trên mạng quang” thì đồ án đã nêu lên được một cách tổng quát về công nghệ WDM và công nghệ IP, đó là những xu thế mà công nghệ hiện nay đang sử dụng. Đồng thời đi cùng với các công nghệ đó là một số phương pháp truyền tải IP trong mạng quang đã làm chủ, các giải pháp mới có tính khả thi cho tương lai. Ngoài ra đồ án còn đề cập đến vấn đề đánh giá hiệu quả của các giải pháp và ứng dụng của nó vào mạng NGN của VNPT. Các giải pháp ấy đã góp phần làm giảm tối đa tính năng dư thừa, giảm mào đầu giao thức, đơn giản hóa công việc quản lý càng hiệu quả càng tốt. Qua đó thấy được rằng để truyền tải IP trên mạng quang cần phải thực hiện các chức năng mỗi lớp tương ứng theo mô hình OSI, vấn đề này sẽ được trình bày theo thứ tự của kiến trúc liên quan đến công nghệ đã làm chủ như ATM, SDH, WDM và Ethernet. To name the project "Measures IP transmission on optical networks", the project has raised a general WDM technology and IP technology, which is the technology trends that are currently used. At the same time the technology is going to introduce some method of transmitting optical IP network ownership, the new solution is feasible for the future. Besides evaluating the effectiveness of the solution and its application to NGN by VNPT. The solution that has contributed to minimize redundant features, reducing the crest protocol, simplified management job as efficiently as possible. Thus see that in order to transmit IP over optical networks need to perform functions corresponding to each layer of the OSI model, this problem will be presented in order of architecture-related technologies such as the main ATM, SDH, WDM and Ethernet. 5 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Mạng WDM qua các thế hệ 14 Hình 1.2 Hệ thống WDM đơn hướng .15 Hình 1.3 Hệ thống WDM song hướng .15 Hình 1.4 Bộ kết nối chéo quang OXC 18 Hình 1.5 Chuyển mạch quang không gian 19 Hình 1.6 Chuyển mạch phân chia bước sóng .20 Hình 1.7 Mô hình phân lớp địa chỉ IP .25 Hình 1.8 Định dạng datagram của IPv4 26 Hình 1.9 Trường TOS 27 Hình 1.10 Trường Flags 28 Hình 1.11 Định dạng gói IPv6 .34 Hình 1.12 Mô hình xếp chồng .38 Hình 1.13 Mô hình ngang hàng .38 Hình 2.1 Ngăn giao thức của các kiểu kiến trúc .40 Hình 2.2 Ngăn giao thức IP/ATM/SDH/WDM 41 Hình 2.3 Đóng gói LLC/SNAP .41 Hình 2.4 Xử lý tại lớp thích ứng ATM ALL5 42 Hình 2.5 Ngăn giao thức IP/ATM/SDH 42 Hình 2.6 Ngăn xếp giao thức IP/SDH .44 Hình 2.7 Khuôn dạng khung PPP 46 Hình 2.8 Khung HDLC chứa PPP .46 Hình 2.9 Khung LAPS chứa IP datagram .47 Hình 2.10 Ví dụ về mạng IP/SDH/WDM .49 Hình 2.11 Cấu trúc mào đầu SDL .50 Hình 2.12 Khung Gigabit Ethernet 51 Hình 2.13 Mạng MPLS .52 Hình 2.14 Định dạng MPLS 52 Hình 2.15 LER gắn nhãn cho gói 53 Hình 2.16 Hoạt động của LSR 53 Hình 2.17 Mô hình thể hiện LSPs .54 Hình 2.18 Phân cấp phát chuyển của GMPLS 57 Hình 2.19 ASON Kiến trúc mảng điều khiển .61 Hình 2.20 Mô hình xếp chồng của mạng ASON 61 Hình 2.21 Mô hình overlay và peer .71 Hình 2.22 Sơ đồ khối thiết bị chuyển mạch gói quang .75 Hình 2.23 Khe thời gian cho truyền dẫn theo gói tin 76 Hình 2.24 Tái sinh quang luồng dữ liệu mã RZ 77 Hình 2.25 Bộ đệm khi có và không có TWC 79 Hình 3.1 So sánh chi phí của 3 mô hình kiến trúc 81 Hình 3.2 So sánh hiệu năng của các giải pháp 84 Hình 3.3 So sánh về dịch vụ giữa các giải pháp .84 Hình 3.4 So sánh về khả năng tương hợp giữa các giải pháp .85 Hình 3.5 So sánh tiêu chí quản lí giữa các giải pháp 86 Hình 3.6 So sánh về tính năng giữa các giải pháp 87 Hình 4.1 Cấu trúc chuyển mạch mạng 91 Hình 4.2 Cấu trúc phân lớp mạng thế hệ sau 97 Hình 4.3 Cấu trúc kết nối cấp đường trục quốc gia 99 Hình 4.4 Cấu trúc kết nối cấp vùng .99 6 Hình 4.5 Mô hình kết nối NGN, PSTN và Internet 101 Hình 4.6 Cấu trúc mạng trục giai đoạn đến năm 2006 .103 Hình 4.7 Cấu trúc điển hình của một POP trục đa dịch vụ 103 Hình 4.8 Cấu trúc mạng trục giai đoạn 2006-2010 .104 Hình 4.9 Cấu trúc mạng mục tiêu .105 Hình 4.10 Mạng vùng 1 giai đoạn đến năm 2006 .106 Hình 4.11 Mạng vùng 1 giai đoạn 2006-2010 107 Hình 4.12 Kiến trúc mạng vùng sau 2010 .107 DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các loại Next Header .35 Bảng 1.2 So sánh giữa hai mô hình xếp chồng và ngang hàng 39 Bảng 2.1 Giá trị của SAPI tương ứng với các dịch vụ lớp trên 48 7 KÝ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT AAL ATM Adaptation Layer Lớp thích ứng ATM ADM Add/Drop Multiplexer Bộ xe/rẽ kênh quang APD Avalanche PhotoDetector Bộ tách quang thác APS Automatic Protection Switch Chuyển mạch bảo vệ tự động AR Asynchronous Regernation Tái sinh cận đồng bộ ARP Address Resolution Protocol Giao thức chuyển đổi địa chỉ ASE Amplified Spontanous Emission Bức xạ tự phát có khuếch đại ASON Automatic Switched Optical Networks Mạng quang chuyển mạch tự động ATM Asychronous Transfer Mode Phương thức truyền tải không đồng bộ BGP Border Gateway Protocol Giao thức cổng biên CBR Constant Bit Rate Tốc độ bit không đổi CR-LDP Constain-based Routing using Lable Distribution Protocol Định tuyến và sử dụng giao thức phân phối nhãn DBR Distribute Bragg Reflect Laser phản xạ Bragg phân bố DFB Distribute FeedBack Laser phản hồi phân bố DVA Distance Vector Algorithm Thuật toán vector khoảng cách DWDM Dense Wavelength Division Multiplex Ghép kênh bước sóng mật độ cao DXC Digital Cross-Connect Kết nối chéo số EGP External Gateway Protocol Giao thức ngoài cổng FCS Frame Check Sequence Chuỗi kiểm tra khung FEC Forward Error Correction Sửa lỗi trước FPA Fabry-Perot Amplifier Bộ khuếch đại Fabry-Perot FR Frame Relay Trễ khung FWM Four Wavelength Mix Hiệu ứng trộn bốn bước sóng GMPLS Generalized Multiprotocol Label Switching Tổng quát chuyển mạch nhãn đa giao thức HDLC High-level Data Link Control Điều khiển liên kết dữ liệu mức cao Host ID Host Identification Phần chỉ thị host ICMP Internet Control Message Protocol Giao thức bản tin điều khiển Internet ID Identity Mã nhận dạng IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers Viện đào tạo các kỹ sư điện và điện tử IGMP Internet Group Management Protocol Giao thức quản lý nhóm IGP Internal Gateway Protocol Giao thức trong cổng IP Internet Protocol Giao thức Internet IPv4 IP version 4 Giao thức Internet phiên bản 4 IPv6 IP version 6 Giao thức Internet phiên bản 6 IP VPN Internet Protocol Virtual Private Network Mạng riêng ảo trên nền IP IS - IS Intermediate System-to-Intermadiate System Giao thức node trung gian-node trung gian ITU International Telecommunication Union Liên hiệp viễn thông quốc tế LAN Local Area Network Mạng địa phương LCP Link Control Protocol Giao thức điều khiển liên kết LEAF Larger Effect Area Fiber Sợi quang có diện tích hiệu dụng cao 8 LMP Link Management Protocol Giao thức quản lý liên kết LSA Link State Algorithm Thuật toán trạng thái liên kết LSP Lable Switch Path Đường chuyển mạch nhãn LSR Lable Switched Router Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn MF More Fregment Còn mảnh MPLS MultiProtocol Lable-Switch Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS TE MPLS Traffic Engineering Kỹ thuật lưu lượng MPLS MPλS MultiProtocol Lambda Switching Chuyển mạch bước sóng đa giao thức MSOH Multiplex Section OverHead Mào đầu đoạn ghép MTU Maximum Transmission Unit Đơn vị truyền dẫn lớn nhất Net ID Network Identification Chỉ thị mạng NGN Next Generation Network Mạng thế hệ tiếp theo NMS Network Management Station Trạm quản lý mạng NNI Network-Network Interface Giao diện mạng-mạng OADM Optical ADM ADM quang OAM&P Operation, Administation, Maintaince and Provisioning Các chức năng vận hành, quản lý, bảo dưỡng và giám sát Och Optical Channel Kênh quang OCHP Optical CHannel Protection Bảo vệ kênh quang ODSI Optical Domain Service Interconnect Kết nối dịch vụ miền quang OIF Optical Internetworking Forum Diễn đàn kết nối mạng quang OMS Optical Multiplex Section Đoạn ghép kênh quang OMSP OMS Protection Bảo vệ đoạn ghép kênh quang OSPF Open Shortest Path First Lựa chọn đường đi ngắn nhất OTN Optical Transport Network Mạng truyền tải quang OTS Optical Transmission Section Đoạn truyền dẫn quang O-UNI Optical User-Network Interface Giao diện mạng-người sử dụng OXC Optical Cross-connect Kết nối chéo quang PCM Pulse Code Modulaion Điều chế xung mã PDH Plesiochronous Digital Hierarche Phân cấp số cận đồng bộ PDU Protocol Data Unit Khối dữ liệu giao thức PIN Positive Intrinsic Negative Bộ tách sóng quang loại PIN POH Path OverHead Mào đầu đường truyền PPP Point to Point Protocol Giao thức điểm nối điểm PSTN Public Switching Telephone Network Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng PVC Permanent Virtual Channel Kênh ảo cố định QoS Quality of Service Chất lượng của dịch vụ RARP Reverse ARP Giao thức chuyển đổi địa chỉ ngược RIP Routing Information Protocol Giao thức thông tin định tuyến RSOH Regeneration Section OverHead Mào đầu đoạn lặp RSVP Resource Reservation Protocol Giao thức chiếm tài nguyên RTCP RTP Control Protocol Giao thức điều khiển RTP RTP Real Time Protocol Giao thức thời gian thực SAPI Service Access Point Identifier Chỉ thị điểm truy cập dịch vụ SDH Synchronous Digital Hierarche Phân cấp số đồng bộ SDU Service Data Unit Khối dữ liệu dịch vụ SLA Semiconductor Laser Amplifier Bộ khuếch đại laser bán dẫn SPM Self Pulse Modulation Hiệu ứng tự điều chế pha SRS Stimulated Raman Scattering Hiệu ứng tán xạ bị kích thích Raman 9 SVC Switched Vitual Channel Kênh chuyển mạch ảo TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh theo thời gian TE Traffic Engineering Kỹ thuật lưu lượng TLV Type Length Value Kiểu mã hoá loại độ dài-giá trị UBR Unspecified Bit Rate Tốc độ bit không xác định UCP Unified Control Plane Mặt điều khiển chung UDP User Datagram Protocol Giao thức gói dữ liệu người dùng UNI User-Network Interface Giao diện mạng-người dùng VBR-rt Variable Bit Rate-real time Tốc độ bit khả biến-thời gian thực VC Virtual Channel Kênh ảo VCI VC Identification Nhận dạng kênh ảo VoIP Voice over Internet Protocol Truyền giọng nói trên giao thức IP VP Virtual Path Đường ảo VT Virtual Tributary Luồng ảo WADM Wavelength Add/Drop Multiplexer Bộ xen/rẽ bước sóng quang WAN Wide Area Network Mạng diện rộng WC Wavelength Converter Bộ biến đổi bước sóng WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh theo bước sóng WSXC Wavelength-selective cross-connect Chọn lọc kết nối bước sóng WP Wavelength Path Đường bước sóng Chương 1: Giới thiệu WDM và công nghệ IP 10 . sử dụng. Đồng thời đi cùng với các công nghệ đó là một số phương pháp truyền tải IP trong mạng quang đã làm chủ, các giải pháp mới có tính khả thi cho tương. 101 4.4 Áp dụng các giải pháp truyền tải IP trên mạng quang vào mạng NGN của VNPT 101 4.4.1 Mạng trục .102