2.2.1 IP/ATM/SDH cho truyền dẫn WDM
Theo phương thức truyền thống các dịch vụ TDM, ATM và IP được cung cấp thông qua mô hình mạng gồm bốn lớp IP/ATM/SDH/WDM. Để truyền tải trên các tuyến WDM, phần lớn các định dạng khung truyền dẫn chuẩn đều sử dụng khung SDH. Ngăn xếp giao thức cho kiểu đóng khung này được mô tả tóm tắt trong bảng 2.1.
Kiến trúc mạng IP/WDM sử dụng công nghệ đóng gói IP/ATM/SDH được minh họa trong hình 2.2. Trong kiến trúc mạng này, các gói IP được chia nhỏ vào các tế bào ATM và được gán các kết nối ảo khác nhau nhờ card đường truyền SDH/ATM trong bộ định tuyến IP. Sau đó các tế bào ATM được đóng gói vào trong khung SDH rồi gửi tới bộ chuyển mạch ATM hoặc trực tiếp tới bộ thu phát WDM để truyền tải qua lớp mạng quang.
Bảng 2.1 Ngăn xếp giao thức IP/ATM/SDH
ATM
IP
IP ATM
DTM
cell SDH KhungSDH KhungDTM
IP ATM MPOS SDH(VCnc)/LAPS SDH POS SDL WDM IP Ethernet SDH GbE WDM IP RSP SDH Ethernet WDM WDM WDM ATM SDH Ethernet RPR DTM Lớp 3 Lớp 2 Lớp 1 ATM
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
Hình 2.2: Đóng gói IP/ATM/SDH để truyền tải qua mạng WDM
2.2.2 IP/ATM trực tiếp trên WDM
Một giải pháp khác là truyền tải trực tiếp bào ATM bao gói IP trên kênh WDM. Giải pháp này giống như phương thức trên theo quan điểm kiến trúc. Sự khác biệt ở đây là các tế bào ATM không được đóng trong các khung SDH mà chúng được gửi trực tiếp qua môi trường vật lý bằng cách sử dụng tế
Giao diện STM16c/ATM Giao diện STM16c/ATM Giao diện STM16c Giao diện STM1/ATM Định tuyến IP Định tuyến IP Định tuyến IP Chuyển mạch ATM Ví dụ: WDM 32λ OADM OADM OADM OADM
bào ATM tạo trên lớp vật lý. Tế bào dựa trên lớp vật lý được phát triển riêng cho giao thức ATM, kỹ thuật này không hỗ trợ cho bất kỳ giao thức nào ngoài những giao thức thiết kế cho ATM.
Ưu điểm của việc sử dụng tế bào dựa trên môi trường vật lý là: mào đầu lớp vật lý ít hơn so với SDH và ATM là cơ chế truyền tải không đồng bộ nên không đòi hỏi cơ chế định thời nghiêm ngặt.
Tuy nhiên, nhược điểm của giải pháp này là phần mào đầu cũng lớn tương tự như đối với truyền tải SDH và công nghệ này không được các nhà công nghiệp phát triển rộng rãi do kỹ thuật truyền dẫn này chỉ có thể mang riêng các tế bào ATM.
Tế bào ATM dựa trên các lớp vật lý được định nghĩa trong một số tổ chức tiêu chuẩn, 155 Mbit/s và 622 Mbit/s của ITU [6], và hiện tại thì Diễn đàn ATM đã hoàn thành chỉ tiêu cho tốc độ 622 Mbit/s và 2.488 Mbit/s [7].
2.3 Truyền số liệu trên mạng SONET/SDH
Nhu cầu truyền tải các loại dịch vụ như IP, Ethernet, Fiber Channel, ESCON/FICON qua mạng SONET/SDH đã xuất hiện từ rất lâu. Tuy nhiên chỉ đến khi lưu lượng số liệu bùng nổ trong những năm đầu thấp kỷ 90 người ta mới thực hiện nghiên cứu các giao thức nhằm sắp xếp lưu lượng số liệu vào trong tải đồng bộ SONET/SDH. Từ đó cho đến nay đã có nhiều giao thức được công bố và chuẩn hoá trong các tổ chức tiêu chuẩn như ANSI, ITU-T, IETF, OIF....Nội dung phần này sẽ trình bày những giao thức được sử dụng để truyền tải lưu lượng IP trên mạng SONET/SDH. Những giải pháp này đã và đang được ứng dụng trong thực tế.
2.3.1 IP/PDH/SDH cho truyền dẫn WDM
Truyền tải IP qua môi trường PDH có thể thực hiện dựa trên giao thức PPP và khung HDLC ở lớp 2. Hiện nay, ITU cũng đã chuẩn hoá giải pháp đóng gói IP trong khung PDH qua giao thức LAPS (X.85/Y.1321[5]). Lớp vật lý bao gồm các bước sóng WDM và sợi quang. Để cải thiện chức năng bảo vệ và khôi phục mạng cho PDH thì các khung của nó sau đó sẽ được đóng gói trong các khung SDH trước khi truyền sợi quang.
Ngày này, do sự bùng nổ lưu lượng số liệu nên giới hạn tốc độ và phương pháp ghép kênh của PDH đã làm cho nó không thể tồn tại trong mạng truyền tải mới. Đồng thời, sử dụng PDH sẽ làm giảm hiệu quả khai thác của mạng truyền tải quang. Giải pháp kết nối này chỉ còn hiện diện trong những mạng số liệu mà dung lượng kết nối rất thấp.
2.3.2 Truyền gói qua SONET/SDH (POS)
POS cho phép đặt lớp IP trực tiếp trên lớp SONET/SDH, trong khi đó vẫn đảm bảo QoS và loại bỏ được mào đầu sử dụng để truyền IP/ATM/SDH. Vì IP là giao thức lớp mạng phi kết nối, trong khi đó SONET/SDH là giao thức lớp vật lý nên kẽ hở giữa lớp 3 và lớp 1 phải được lấp nhờ giao thức điểm-điểm (PPP). PPP được sử dụng để đóng các gói IP vào một luồng số liệu sau đó sắp xếp vào vùng tải trọng của SONET hoặc SDH. PPP bao gồm hai phần: giao thức điều khiển tuyến (LCP) làm nhiệm vụ thiết lập và kiểm tra kết nối tuyến số liệu, phần thứ hai là các giao diện giao thức điều khiển mạng (NCP) cho giao thức lớp 3. Chi tiết về POS được trình bầy trong bảng 2.2.
Hình 2.3 đưa ra một ví dụ về mạng truyền tải gói IP qua SDH qua WDM. Card đường truyền trong bộ định tuyến IP thực hiện chức năng tạo khung
PPP/HDLC. Sau đó tín hiệu quang được truyền dẫn qua sợi quang tới phần tử mạng SDH, bộ định tuyến IP lân cận hoặc tới bộ thu phát WDM để truyền đi xa hơn.
Bảng 2.2 Công nghệ POS
IP Gói số liệu có độ dài cực đại 65535 byte
PPP Đóng gói PPP (RFC 1661). Thêm 1 hoặc 2 byte “trường giao thức” và thực hiện nhồi ( tuỳ c h ọ n ) . PPP cũng cung cấp giao thức thiết lập tuyến nhưng không phải là quyết định trong IP/SDH.
HDLC Tạo khung (RFC 1662). Thêm 1 byte cờ để chỉ thị điểm bắt đầu của khung, 2 byte cho mào đầu và 2 byte kiểm tra khung (FCS) tạo ra khung có độ dài tới 1500 byte. Cùng với PPP, HDLC tạo thêm 7 hoặc 8 byte mào đầu vào gói IP.
SDH Đặt các khung HDLC vào tải trọng VC4 hoặc VC4 kết chuỗi (RFC 1619). Thêm mào đầu đoạn SDH (81 byte gồm cả con trỏ AU) và 9 VC4 byte m ào đầu tuyến vào 2340 byte tải VC4 SDH. Đối với VC4 kết chuỗi, tải V4-Xc có độ dài X*2340.
Hình 2.3 Ví dụ về mạng IP/SDH/WDM
2.3.3 Giao thức đa truy nhập qua SONET/SDH (MAPOS)
Giao thức MAPOS là giao thức lớp tuyến số liệu hỗ trợ IP trên SDH. Giao thức MAPOS cũng được gọi với một tên khác là Packet Over Lightwave (POL). Đây là một giao thức chuyển mạch gói phi kết nối dựa trên việc mở rộng
WDM MUX SDH ADM OLA IP router IP router Transponder STM-16
khung POS (PPP- HDLC). Trước đây MAPOS được phát triển với mục đích ứng dụng khả năng tốc độ cao của SONET cho LAN nhưng hiện nay sự hiện diện của Gigabit Ethernet đã làm cho MAPOS không còn được lựa chọn.
Trong hình hình 2.4 biểu diễn khung MAPOS phiên bản 1 và 2. Cấu trúc khung của MAPOS bao gồm các trường:
• Dãy cờ: sử dụng cho đồng bộ khung.
• Địa chỉ: chứa địa chỉ HDLC đích (8 bit trong phiên bản 1 và 16 bit trong phiên bản 2)
• Điều khiển: có giá trị 0x03, thuật ngữ chuyên môn trong HDLC nghĩa là khung thông tin không đánh.
• Giao thức: chỉ thị giao thức đóng gói số liệu trong trường thông tin.
• Thông tin: chứa gói số liệu tối đa 64 Kbyte.
• Dãy kiểm tra khung: được tính trên tất cả các bit của trường địa chỉ, giao thức, và trường tin.
C ờ Địa chỉ đíc h Điề u khi ển Giao thức
Trường thông tin FCS
0 x 7 E
8
bit 0x03 (16bit) (0-65280 bytes) (16/32 bit)
C
ờ Địa chỉ đích Giao thức Trường thông tin FCS 0 x 7 E 16 bit (16bi t) (0-65280 bytes) (16/32 bit)
Hình 2.4: Khung MAPOS phiên bản 1 và phiên bản 2
Có thể thực hiện dễ dàng giao thức MAPOS trong một bộ định tuyến IP tiêu chuẩn với các giao diện POS. Chỉ có hai chức năng mới cần thêm vào giao
thức POS là giao thức chuyển mạch node (NSP) và giao thức phân giải địa chỉ (ARP).
2.3.4 Thủ tục truy nhập tuyến SDH (LAPS)
Giao thức truy nhập tuyến SDH (LAPS) là một giao thức tuyến số liệu được thiết kế cho mục đích truyền tải IP/SDH và Ethernet/SDH được ITU-T chuẩn hoá lần lượt trong khuyến nghị X.85, X.86 [7][8]. IP/SDH sử dụng LAPS là một kiến trúc thông tin số liệu kết hợp giao thức internet hoặc các giao thức khác với mạng SDH. Lớp vật lý, lớp tuyến số liệu và lớp mạng hoặc các giao thức khác được hiện diện tuần tự gồm SDH, LAPS và IP hoặc PPP.. Hình 2.5 mô tả ngăn xếp lớp/ giao thức cho IP/STM-N.
Hình 2.5: Ngăn xếp lớp/giao thức cho IP/STM-N sử dụng LAPS X.85 (Ngăn TCP/UDP/IP được thay bằng Ethernet đối với X.86) Định dạng khung của LAPS được minh họa trong hình 2.6 bao gồm:
• Trường cờ: chỉ điểm bắt đầu và kết thúc khung (từ mã cố định 01111110). Cờ đứng trước trường địa chỉ được gọi là cờ mở. Trường đứng sau trường FSC được định nghĩa là cờ đóng,
TCP/UDP IP LAPS VC bậc thấp VC bậc cao Đoạn ghép kênh Đoạn lặp Đoạn điện/quang
• Trường địa chỉ: liền ngay sau trường cờ có kích thước một byte
• Trường điều khiển và SAPI: Trường điều khiển có giá trị hexa 0x03 và lệnh thông tin không đánh số với giá trị Poll/Final là 0. SAPI chỉ ra điểm tại đó dịch vụ tuyến số liệu cung cấp cho giao thức lớp 3.
• Trường thông tin: chứa thông tin số liệu có độ dài tối đa 1600 byte.
• Dãy kiểm tra khung (FCS-32): đảm bảo tính nguyên dạng của thông tin truyền tải
Cờ Địa chỉ Điều khiển Giao thức Thông tin Nhồi Cờ
0x7E 0x04 0x03 SAPI Thông tin LAPS, gói IP 32 bit 0x7E
Hình 2.6:Định dạng khung LAPS theo X.85
2.3.5 SONET/SDH thế hệ tiếp theo
SONET/SDH thế hệ tiếp theo cho phép truyền tải một cách hiệu quả lưu lượng số liệu qua mạng SONET/SDH. Ba công nghệ nền tảng của SONET/SDH thế hệ tiếp theo bao gồm: Thủ tục đóng khung chung (GFP), kết chuỗi ảo (VCAT) và cơ chế điều chỉnh dung lượng tuyến (LCAS).
Thủ tục đóng khung chung GFP
Thủ tục đóng khung chung (GFP) được ANSI thảo luận đầu tiên trong T1X1.5 và hiện nay đã được ITU-T chuẩn hoá trong khuyến nghị G.704.1 [9]. GFP là một thủ tục đóng khung tạo nên tải có độ dài thay đổi theo byte từ các tín hiệu client mức cao hơn và sắp xếp tín hiệu client vào trong luồng tín hiệu đồng bộ SONET/SDH.
GFP bao gồm hai lớp: lớp phía dưới liên quan đến dịch vụ truyền tải sử dụng GFP và lớp phía trên liên quan đến việc sắp xếp các dịch vụ cung cấp bởi GFP. Lớp GFP phía dưới cho phép sử dụng bất cứ kiểu công nghệ truyền tải nào, mặc dù hiện chỉ chuẩn hoá cho SONET/SDH và OTN (Digital
Wrapper, G.709). Tại lớp phía trên, GFP hỗ trợ nhiều kiểu gói khác nhau như IP, khung Ethernet, và khung HDLC.
Kết chuỗi ảo
Kết chuỗi ảo là một cơ chế cung cấp khả năng khai thác tải SONET/SDH hiệu quả và mềm dẻo. Cơ chế này phá vỡ giới hạn do sự phân cấp tín hiệu truyền dẫn đồng bộ SONET/SDH được thiết kế cho tải PDH (tốc độ kênh được phân thành từng cấp STM-1, STM-4,...). Từ “ảo” ngụ ý nối xâu chuỗi các tải trong SONET/SDH để cung cấp băng tần mềm dẻo phù hợp với kích thước số liệu. Ý tưởng này đã được thực hiện trong giải pháp POS, tuy nhiên nó mới chỉ dừng lại ở mức kết chuỗi tải ở mức luồng bậc cao tạo thành tuyến có dung lượng phù hợp với giao diện của các bộ định tuyến. Các tải kết chuỗi trong mạng được xử lý như những tải riêng biệt và độc lập. Do đó nhà khai thác mạng truyền tải có thể tự do thực hiện chức năng kết chuỗi mà không sợ ảnh hưởng đến hệ thống đang sử dụng hiện tại. Hơn nữa, hệ thống quản lý phần tử mạng (EMS)/Hệ thống quản lý mạng (NMS) ngày nay có thể cung cấp dễ dàng chức năng này.
Cơ chế điều chỉnh dung lượng tuyến
Kết chuỗi tải được thực hiện để tạo nên những tải có dung lượng khác nhau. Mặc dù một số lượng tải kết chuỗi có thể đã được xác định trước cho phần lớn ứng dụng nhưng thực tế chúng ta cũng cần phân phát động một số tải cho một vài ứng dụng cụ thể. LACS được thiết kế để thực hiện chức năng trên.
LCAS là một giao thức báo hiệu thực hiện trao đổi bản tin giữa hai điểm kết cuối VC để xác định số lượng tải kết chuỗi. Ứng với yêu cầu của người sử dụng, số lượng tải kết chuỗi có thể tăng/giảm phù hợp với kích thước
lưu lượng trao đổi. Đặc tính này rất hữu dụng với nhà khai thác để thích ứng băng tần giữa các bộ định tuyến thay đổi theo thời gian.
Cơ chế hoạt động của LCAS dựa trên việc trao đổi gói điều khiển giữa bộ phát và bộ thu. Mỗi gói điều khiển sẽ mô tả trạng thái của tuyến trong gói điều khiển kế tiếp. Những thay đổi này được truyền đi tới phía thu để bộ thu có thể chuyển tới cấu hình mới ngay khi nhận được nó. Gói điều khiển gồm một loạt các trường dành cho những chức năng định trước và chứa thông tin truyền từ bộ phát đến bộ thu cũng như thông tin từ bộ thu đến bộ phát.
Chi tiết về các công nghệ liên quan đến SONET/SDH thế hệ tiếp theo sẽ được trình bầy trong chương 3.
2.4 IP/SDL trực tiếp trên WDM
Tuyến số liệu đơn giản (SDL) là một phương pháp lập khung được Lucent đề xuất [26]. So với HDLC, khung SDL không có cờ phân ranh giới thay vì đó nó sử dụng trường độ dài gói tại điểm bắt đầu khung. Điều này rất thuận lợi ở tốc độ bit cao vì khi đó việc thực hiện đồng bộ với dãy cờ rất khó. Định dạng SDL có thể đưa vào trong tải SDH cho truyền dẫn WDM hoặc thiết bị SDH. Định dạng này cũng có thể được mã hoá trực tiếp trên các sóng mang quang. SDL sử dụng 4 byte tiêu đề trong đó có trường độ dài gói như biểu diễn trong hình 2.7. Gói có thể dài tới 65535 byte. Các mã kiểm tra lỗi (CRC- 16 hoặc CRC-32) có thể tuỳ chọn sử dụng cho gói và nó có thể bị đặt sau mỗi gói. Tất cả các bit trừ phần tiêu đề được trộn theo bộ trộn x48. Các bộ trộn của phần phát và thu được duy trì đồng bộ qua các gói đặc biệt truyền không thường xuyên. SDL không có thêm bất kỳ byte nào dành cho các giao thức chuyển
mạch bảo vệ (giống như byte K1 và K2 của SDH). Sử dụng các CRC tải tuỳ chọn cho phép giảm sát tỷ lệ lỗi bit.
Hình 2.7: Cấu trúc mào đầu SDL
2.5 IP/Gigabit Ethernet cho WDM
Hiện nay, Ethernet chiếm tới 85% trong trong số những ứng dụng mạng LAN. Chuẩn Gigabit Ethernet có thể sử dụng để mở rộng dung lượng LAN tiến tới MAN và thậm chí cả đến cả WAN nhờ các card đường truyền Gigabit trong các bộ định tuyến IP. Nhờ đó, Gigabit Ethernet trở nên hấp dẫn trong môi trường mạng đô thị để truyền tải lưu lượng IP qua các mạch vòng WDM hoặc thậm chí cho cả các tuyến WDM cự ly dài. Hơn thế nữa, các