2.6.1 Mạng vòng gói phục hồi RPR/SPR
Tháng 12 năm 2000, IEEE thành lập một nhóm nghiên cứu về công nghệ mạng vòng gói phục hồi (IEEE 802.17) nhằm đưa ra các tiêu chuẩn cho giao thức RPR. Công nghệ RPR được sử dụng để truyền tải các gói số liệu trên mạng vòng ở tốc độ hàng gigabit/s. Hình 2.10 biểu diễn các thành phần của lớp tuyến số liệu và lớp vật lý được định nghĩa trong tiêu chuẩn 802.17.
Đặng Thế Ngọc – Cao học ĐTVT K4
Giao diện client MAC Điều khiển MAC Giao diện mạng vòng MAC 802.3 SONET/SDH Lớp tuyến số liệu Lớp
Hình 2.10: Công nghệ RPR (IEEE 802.17)
Như ta thấy trên hình vẽ, lớp tuyến số liệu RPR MAC được chia thành 3 phân lớp. Ở giữa là phân lớp phân lớp điều khiển MAC, phân lớp này hợp nhất tất cả các chức năng như phân bố băng thông và bảo vệ. Ở phía trên là phân lớp giao diện client MAC làm nhiệm vụ thích ứng các thuộc tính điều khiển với giao thức mạng gắn với client. Ở dưới cùng, phân lớp giao diện mạng vòng MAC chịu trách nhiệm chuyển tiếp gói và đánh địa chỉ.
Giao thức MAC lớp 2 được tiêu chuẩn hóa sẽ cung cấp chức năng chia sẻ băng thông một cách hiệu quả nhờ sử dụng cơ chế tái sử dụng không gian để tối ưu hóa việc sử dụng băng thông trên mạng vòng. Khuôn dạng khung RPR tiêu chuẩn cho phép sắp xếp một cách dễ dàng các khung 802.3 vào các khung RPR và ngược lại. Bên cạnh đó, công nghệ RPR hỗ trợ khả năng phân bổ băng thông đều, động và khả năng phục hồi chính xác khi gặp sự cố (đứt sợi quang hoặc các giao diện bị sự cố). Tất cả các cơ chế điều khiển có khả năng hỗ trợ các mạng vòng có số lượng trạm lên tới 128 hoặc 256 trạm.
Tại lớp vật lý, các giao diện với tốc độ truyền dẫn tới 10 Gigabit/s sẽ được tiêu chuẩn hóa. Các tiêu chuẩn lớp vật lý sẽ được định nghĩa đồng bộ với nhóm làm việc 802.3, ITU và ANSI.
2.6.2 DTM
Phương thức truyền tải gói đồng bộ động (DTM) là một kỹ thuật dùng để khai thác hiệu quả dung lượng truyền dẫn, hỗ trợ lưu lượng băng rộng thời gian thực và lưu lượng multicast. Nó khắc phục được các nhược điểm của chuyển mạch kênh truyền thống trong khi đó lại nổi bật ở khả năng cung cấp băng thông linh hoạt và đáp ứng dịch vụ chất lượng phân biệt.
DTM là nỗ lực kết hợp những ưu điểm của cơ chế chuyển giao số liệu đồng bộ và cận đồng bộ. Về cơ bản nó hoạt động giống như cơ chế ghép kênh theo thời gian truyền thống (TDM) nghĩa là đảm bảo một lượng băng tần xác định giữa các host và phần băng tần lớn dành cho chuyển giao số liệu linh động. Ngoài ra, cơ chế DTM có điểm chung như cơ chế chuyển giao không đồng bộ (như ATM) cho phép tái phẩn bổ băng tần giữa các host. Điều này nghĩa là mạng có thể thích ứng với những thay đổi về lưu lượng và phân chia băng tần giữa các host theo nhu cầu.
Các host nối vào mạng DTM thông tin với nhau qua các kênh. Một kênh DTM là một tài nguyên linh động có thể thiết lập băng tần từ 512 kbit/s cho đến băng tần cực đại theo bước 512 kbit/s. Các kênh này hiện diện trên môi trường vật lý nhờ cơ chế ghép kênh theo thời gian (TDM). Tổng dung lượng được chia thành các khung 125 µs và tiếp tục chia nhỏ thành khe thời gian 64 bit. Cấu trúc khung này tạo cho nó khả năng tương hợp với SDH/SONET. Một số kiểu dành trước khe thời gian tương ứng với QoS khác nhau theo yêu cầu của client, ví dụ như trễ không đổi, băng tần tối thiểu và nỗ lực tối đa.
Để liên kết giữa các tuyến DTM khác nhau cần phải sử dụng chuyển mạch DTM. Chuyển mạch trong DTM là kiểu đồng bộ, nghĩa là trễ chuyển
mạch đối với mọi kênh là như nhau. Các kênh DTM có bản chất quảng bá, nghĩa là bất kỳ kênh nào tại bất kỳ thời điểm nào cũng có thể dùng cho kết nối giữa một người gửi và nhiều người nhận. Do đó trên mạng có thể có nhiều nhóm quảng bá đồng thời.
DTM phù hợp cho công nghệ mạng đường trục bởi vì nó có thông lượng bit rất lớn. DTM được xem như một giải pháp thay thế cho ATM/SDH bởi vì phạm vi hoạt động của nó từ Lớp 1 tới lớp 3 và có cả giao thức báo hiệu lẫn chuyển mạch. DTM có thể hoạt động độc lập hoặc qua các ống SDH/SONET, mặc dù sự xếp chồng này không có ưu điểm gì hơn DTM thuần tuý.
IP/DTM (IPOD) mang nhiều ưu điểm của SDH và ATM bởi vì kỹ thuật đơn giản và khả năng hoạt động của nhiều kênh trên một giao diện. Các luồng IP có thể sắp xếp trên các kênh DTM. Tuy nhiên, DTM không hiệu quả bằng IP do nó sử dụng các kênh có dung lượng tối thiểu là 512 kbit/s.
DTM đủ dung lượng để xử lý WDM. Ở đây giả thiết là một bước sóng WDM sẽ mang một kênh DTM mà chỉ có thể thực hiện khi DTM hỗ trợ phương thức truyền dẫn này.
Nhược điểm của DTM đó là số lượng nhà cung cấp quá ít (hiện có 3 nhà cung cấp thiết bị Dynarc, Net Insight và Ericsson) tất cả đều ở Thuỵ Điển. Ngoài ra những giải pháp của những nhà cung cấp này cũng không tương hợp với nhau.
2.7 Hạ tầng chuyển mạch quang
Xây dựng hạ tầng truyền tải dựa trên công nghệ chuyển mạch quang cho đến nay vẫn được xem là giải pháp “lý tưởng” nhất. Mặc dù gặp rất nhiều trở ngại về mặt công nghệ và giá thành nhưng nhiều quốc gia vẫn định hướng
phát triển mạng truyền tải dựa trên công nghệ này. Nội dung tiếp theo sẽ trình bày tóm lược về những kỹ thuật chuyển mạch quang hiện đang được nghiên cứu, triển khai thử nghiệm và ứng dụng thực tế.
Chuyển mạch kênh quang OCS
Trong chuyển mạch kênh quang, tuyến quang được thiết lập trong một khoảng thời gian tương đối dài. Mặc dù các bộ định tuyến bước sóng đã được triển khai nhưng nó không thích hợp với lưu lượng internet. Để thiết lập một tuyến quang OCS cần một khoảng thời gian trễ một vòng hành trình, điều này làm cho hiệu suất sử dụng bước sóng rất thấp nếu thời gian duy trì kết nối ngắn. Do đó, để tăng hiệu suất sử dụng bước sóng cần các cơ chế điều khiển lưu lượng phức tạp để hỗ trợ cho kỹ thuật ghép kênh thống kê số liệu từ những người dùng khác nhau.
Chuyển mạch burst quang OBS
Chuyển mạch burst quang là một phương pháp tiếp cận nhằm mục đích dịch chuyển những công việc tính toán và điều khiển phức tạp từ miền quang sang miền điện (tại các node biên). Kích thước đơn vị truyền dẫn của chuyển mạch burst nằm ở giữa chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói quang. Trong một mạng IP/WDM, bust được hình thành tại biên của mạng có thể chứa một số gói IP và có chiều dài từ vài chục kilobyte đến vài megabyte. Trong OBS, gói điều khiển, tách biệt với burst số liệu, được gửi đi trước để thiết lập cấu hình cho mỗi node chuyển mạch dọc theo tuyến mà burst số liệu mang thông tin sẽ đi qua. OBS loại bỏ được yêu cầu về đệm quang nhờ việc đẩy chức năng đệm cho các node biên tại đó có thể sử dụng các bộ đệm điện tử sẵn có.
Trong tất cả các kỹ thuật chuyển mạch quang, OPS là ứng cử viên sáng giá nhất cho mạng trục internet thế hệ tiếp theo. Tuy nhiên, hiện nay chưa có các bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiên quang, thay vào đó OPS sử dụng các bộ đệm quang (các đường trễ quang) để giải quyết xung đột hoặc điều chỉnh vị trí của gói theo thời gian. Khi các gói đang được chuyển mạch, xung đột sẽ xảy ra bất cứ khi nào có ít nhất hai gói cùng “muốn” ra khỏi chuyển mạch tại cùng một cổng ra. Giải quyết xung đột có ảnh hưởng lớn đến các tham số kỹ thuật mạng như tỉ lệ tổn thất gói, trễ gói trung bình, khoảng cách chặng trung bình và thông lượng mạng. Trong một mạng chuyển mạch gói quang WDM, các cơ chế giải quyết xung đột có thể triển khai trên ba miền: bước sóng, không gian và thời gian. Đồng thời cũng có thể sử dụng kết hợp chuyển đổi bước sóng, đổi hướng tuyến (không gian) và các đường trễ quang để giải quyết các xung đột. Mỗi cơ chế đều có những ưu điểm và nhược điểm. Chuyển đổi bước sóng rất hiệu quả và có khả năng giải quyết xung đột mà không làm trễ gói nhưng đòi hỏi chi phí. Đổi hướng tuyến có giá thành thấp nhất vì nó chuyển toàn bộ gánh nặng giải quyết xung đột cho toàn bộ mạng, nhưng lại làm giảm thông lượng toàn mạng.
2.8 So sánh các công nghệ truyền tải IP trên mạng quang2.8.1 Phân nhóm các công nghệ 2.8.1 Phân nhóm các công nghệ
Mặc dù có rất nhiều công nghệ truyền tải lưu lượng IP trên mạng quang nhưng giữa chúng đều có mối quan hệ chung. Do đó, để thuận lợi cho việc so sánh, những công nghệ có nhiều điểm tương đồng được nhóm lại với nhau. Việc phân nhóm này vừa làm giảm lượng so sánh và cho thấy rõ hơn đặc tính của giải pháp khi biểu diễn trên đồ thị.
Lưu lượng IP trước khi truyền trên mạng quang sẽ được đóng trong khung Lớp 2. Do đó tuỳ thuộc công nghệ sử dụng trong Lớp 2, chúng ta có thể phân thành 5 nhóm:
• Công nghệ sử dụng ngăn giao thức IP/ATM:
- IP/ATM qua SONET/SDH: sử dụng ALL5/ATM bao gói IP và sau đó sắp xếp vào tải SONET/SDH trước khi truyền trên bước sóng quang. - IP/ATM trực tiếp trên WDM: sử dụng ALL5/ATM bao gói IP và
truyền trực tiếp trên bước sóng quang dựa trên tế bào. • Các công nghệ truyền số liệu trên mạng SONET/SDH (DoS):
- Sử dụng giao thức LAPS để bao gói IP trước khi sắp xếp vào tải SONET/SDH truyền trên các bước sóng quang.
- Sử dụng giao thức MAPOS để bao gói IP trước khi sắp xếp vào tải SONET/SDH truyền trên bước sóng quang.
- Sử dụng giao thức GFP để bao gói IP trước khi sắp xếp vào tải SONET/SDH truyền trên các bước sóng quang.
- Sử dụng giao thức POS để bao gói IP trước khi sắp xếp vào tải SONET/SDH truyền trên bước sóng quang.
• Công nghệ Gigabit Ethernet (GbE): - Ethernet chuyển mạch - Ethernet sử dụng khung • Công nghệ DTM
2.8.2 So sánh băng tần hiệu dụng
Băng tần hiệu dụng là một trong những tham số được quan tâm nhiều nhất giữa các giải pháp. Mục đích chính của việc nghiên cứu các giao thức mới để đóng gói IP trong tải truyền dẫn cũng là để giải quyết vấn đề này. Các nội dung phân tích, so sánh dưới đây được thực hiện đối với các giao thức bao gói lớp 2 cho truyền tải IP trên tuyến truyền dẫn SDH tốc độ STM-1.
2.8.2.1 Tính toán hiệu suất và tốc độ truyền dẫn
Mào đầu đóng gói
Trong quá trình đóng gói các gói IP ở lớp 2, tùy thuộc vào loại công nghệ được sử dụng sẽ có một số lượng nhất định các byte mào đầu được thêm vào gói IP. Kết thúc quá trình đóng gói, kích thước gói nhận được sẽ là:
PSIZE = IPSIZE + P_OH (2.1)
Trong đó: PSIZE là kích thước gói phụ thuộc công nghệ được sử dụng (ATM, RPR, DoS, GbE, DTM)
IPSIZE là kích thước gói IP
P_OH là mào đầu phụ thuộc công nghệ được sử dụng
Mào đầu đóng khung
Các gói có kích thước nhận được từ phương trình (2.1) sau đó được sắp xếp vào các khung SONET/SDH có kích thước (FSIZE):
FSIZE = hàng * cột = 9 * 270 = 2430 bytes
Trong đó phần tải trọng mang lưu lượng thực sự (PLD) có kích thước: PLD = FSIZE – SONET/SDH_OH
= 2430 – 9*(9+1) = 2340 bytes với SONET/SDH_OH là phần mào đầu SONET/SDH.
Giao diện 155 Mbit/s SONET/SDH phát đi 8000 khung trong một giây và nó có khả năng mang các gói dữ liệu ATM, DoS, RPR... Tốc độ gói lớn nhất, thông lượng và tốc độ bit truyền dẫn lớn nhất có thể rút ra được từ các phương trình sau: PSIZE 8000 * 2340 PSIZE sec PLD Rate Packet = = (2.2) ThroughPut = PacketRate*IPSIZE (2.3) TransmissionRate = ThroughPut*8 (2.4)
Trong đó PSIZE là kích thước gói ATM, DoS, RPR...
Hiệu suất đóng gói và đóng khung của mỗi công nghệ được tính như sau:
8000 * 2340 IPSIZE * Rate Packet sec PLD ThroughPut Efficiency = = (2.5)
Xét cả phần mào đầu SONET/SDH ta có hiệu suất tổng bằng:
8000 * 2430 IPSIZE * Rate Packet iency TotalEffic = (2.6) 2.8.2.2 Kết quả so sánh
Từ kết quả tính toán nhận được ta tiến hành biểu diễn hai đặc tính quan trọng nhất của các công nghệ truyền dẫn là tốc độ truyền dẫn lớn nhất và hiệu suất truyền dẫn theo kích thước gói IP. Để thuận tiện cho việc sánh ta biểu diễn riêng các công nghệ truyền số liệu trên mạng SONET/SDH, tiếp theo so sánh công nghệ POS, đặc trưng cho công nghệ DoS, với các công nghệ còn lại.
Đồ thị trên hình 2.11 thể hiện một dải kích thước gói IP tương đối rộng. Mỗi ứng dụng sử dụng một loại kích thước gói. Các ứng dụng điển hình sử dụng các gói có kích thước trong khoảng 50 đến 1.000 byte. Một số ít ứng dụng sử
dụng các gói lớn có kích thước khoảng 3.000 đến 4.000 byte ví dụ như ứng dụng truyền file.
Với giả thiết các ứng dụng sử dụng các gói IP khoảng 50 đến 1.000 byte, không một công nghệ nào trong số các công nghệ trên đạt được tốc độ đường truyền OC-3/STM-1 155 Mbit/s. Tuy nhiên khi so sánh công nghệ ATM với các công nghệ DoS và RPR có thể thấy sự khác biệt lớn. Hiệu suất khi sử dụng ATM để truyền các gói có kích thước tới 1.000 byte chỉ đạt khoảng 40-80 % trong khi DoS và RPR đạt hiệu suất từ 60-95 %. Sở dĩ có sự khác nhau này là vì các chức năng của phần mào đầu lớp AAL5 và SAR là nhược điểm lớn khi triển khai mạng đường trục tốc độ cao.
Khi so sánh DoS và RPR, cả hai công nghệ đều đạt hiệu suất khoảng 95 % khi truyền tải các gói IP lớn. Tuy nhiên, hiệu suất của RPR thấp hơn POS khoảng 20 % khi truyền các gói IP 46 byte do khung kiểu Ethernet của RPR. Các chức năng đánh địa chỉ, ưu tiên và điều khiển của lớp MAC yêu cầu phần tiêu đề lớn hơn tiêu đề PPP mà POS sử dụng.
2.8.3 So sánh một số chỉ tiêu khác
2.8.3.1 Phẩm chất
Các giải pháp trong nhóm DoS có phẩm chất nổi trội hơn những giải pháp khác nhờ tận dụng điểm mạnh của công nghệ SONET/SDH về trễ, jitter, khoảng cách tuyến, số lượng nút, khả năng mở rộng băng tần và đặc biệt là mào đầu nhỏ thêm vào gói IP nhỏ.
Đứng thứ hai là các giải pháp IP/ATM, DTM và GbE sử dụng khung do cũng “mượn” đặc tính chuyển mạch kênh nên cũng có được những ưu điểm như DoS về khía cạnh chỉ tiêu, song do phải thêm chức năng của giao thức nên chúng tạo ra mào đầu lớn.
Đứng cuối cùng là giải pháp RPR và GbE chuyển mạch do xây dựng theo đặc tính phi kết nối nên khó đạt được tham số về truyền dẫn như trễ, jitter, tính hạt băng tần, khả năng mở rộng băng tần.
2.8.3.2 Dịch vụ
Nhóm giải pháp DoS đứng đầu do các giải pháp này sử dụng SONET/SDH làm các tuyến truyền dẫn điểm - điểm giữa các bộ định tuyến không ảnh hưởng đến sự hỗ trợ dịch vụ IP.
Nhóm các giải pháp sử dụng giao thức ATM, DTM, RPR và Ethernet sử dụng khung đứng thứ hai. Các giải pháp trong nhóm này được thiết kế theo đặc
tính phi kết nối (trừ DTM) nên khó hỗ trợ ứng dụng thời gian thực, QoS/CoS. DTM không hỗ trợ MPLS, còn Ethernet sử dụng khung lại không hỗ trợ