2.2.1. Khái niệm RPR
Resilient Packet Ring-RPR hay còn gọi là công nghệ gói vòng co giãn là gi ải pháp cho nhu cầu kết nối tốc độ cao và chi phí thấp trong khu vực thành phố. Bằng cách ghép thống kê gói IP truyền trên hạ tầng vòng sợi quang, có thể khai thác hiệu quả dạng vòng quang và t ận dụng ƣu điểm truyền gói nhƣ Ethernet. Khi có lỗi node hay liên kết xảy ra trên vòng sợi quang, RPR thực hiện chuyển mạch bảo vệ thông minh để đổi hƣớng lƣu lƣợng đi xa khỏi nơi bị lỗi với độ tin cậy đạt tới thời gian nhỏ hơn 50 ms.
35
RPR đóng một vai trò quan trọng trong việc phát triển các dịch vụ ở môi trƣờng mạng Metro. RPR là một giao thức điều khiển truy nhập (Media Access Control-MAC) mới đƣợc thiết kế để tối ƣu hóa việc quản lí băng thông và tạo sự dễ dàng trong việc triển khai các dịch vụ dữ liệu trong môi trƣờng mạng cấu trúc theo vòng ring. Nguồn gốc của RPR xuất phát từ thời điểm hãng Cisco tiến hành áp dụng kĩ thuật vận chuyển gói dữ liệu-DPT (Data Packet Transport) để tối ƣu hóa việc quản lí băng thông và khả năng co giãn của kiến trúc mạng theo vòng ring.
RPR từng nhận đƣợc sự quan tâm r ất lớn từ các nhà khai thác đa dịch vụ, nhƣ các nhà cung cấp dịch vụ cáp dữ liêu-truyền hình, nơi mà các nhà khai thác dịch vụ cáp tổng hợp lƣu lƣợng từ các bộ cáp đầu cuối tích hợp modem (Cable Modem Termination System – CMTS) trong mạng Metro. Tuy nhiên, lí do chính mà RPR thiếu sức hấp dẫn đó là theo quan điểm của các chuyên gia, việc triển khai RPR sẽ tiêu tốn công sức và tiền bạc để xây dựng một hệ thống mới từ đầu, trong khi triển khai công nghệ Ethernet trên nền SONET/SDH sẽ giúp tận dụng đƣợc cơ sở hạ tầng sẵn có và vì vậy dễ dàng phát triển mở rộng hơn. RPR có thể đƣợc triển khai bao phủ lên hạ tầng mạng SONET/SDH đang tồn tại, tuy nhiên tính phức tạp của vòng ring RPR bao phủ lên vòng ring SONET/SDH theo mô hình này hầu nhƣ không thu hút đƣợc sự quan tâm của các nhà khai thác dịch vụ. Mặc dù RPR và EOS giải quết đƣợc những vấn đề khác nhau trong mạng Metro (EOS giải quết vấn đề triển khai các dịch vụ Ethernet, và RPR giải quyết các vấn đề về tính hiệu quả trong sử dụng băng thông trên vòng ring) nhƣng hai công nghệ này rất khó kết hợp với nhau trong môi trƣờng mạng Metro của nhà cung cấp.
36
Hình 2-11: Triển khai công nghệ RPR [2]
Hình vẽ trên chỉ ra một mô hình triển khai của RPR c ủa các nhà khai thác dịch vụ cáp. Các bộ CMTS đóng vai trò t ập trung lƣu lƣợng từ các doanh nghiệp và hộ gia đình để chuyển tiếp tới RP R router. Các RPR router này đƣợc kết nối tới vòng ring OC48 và lƣu lƣợng sẽ đƣợc tổng hợp tới bộ tập trung chính, nơi mà kết nối Internet sẽ đƣợc thiết lập.
Khi so sánh RPR với vòng ring SONET/SDH truyền thống, ta dễ dàng nhận ra rằng việc triển khai RPR có khá nhiều ƣu điểm đơn giản vì RPR là một giao thức đƣợc xây dựng từ nền tảng hỗ trợ vòng ring dữ liệu. Mục tiếp theo sẽ nói rõ hơn vấn đề này.
2.2.2. Các thuộc tính của RPR
RPR sử dụng vòng song hƣớng gồm hai sợi quang truyền ngƣợc chiều nhau, cả hai vòng đồng thời đƣợc sử dụng để truyền gói dữ liệu và điều khiển. RPR cho phép nhà cung cấp dịch vụ giảm chi phí thiết bị phần cứng cũng nhƣ thời gian và chi phí của việc giám sát mạng. Trong RPR không có khái niệm khe thời gian, toàn bộ băng thông đƣợc ấn định cho lƣu lƣợng. Bằng cách tính toán khả năng mạng và dự báo yêu cầu lƣu lƣợng, RPR ghép thống kê và phân phối công bằng băng thông (fairness) cho các node trên vòng để tránh tắc nghẽn có thể mang lại lợi ích hơn nhiều so với vòng SDH/SONET dựa trên ghép kênh phân chia theo thời gian.
37
Vòng RPR
RPR sử dụng vòng song hƣớng gồm 2 sợi quang truyền ngƣợc chiều đối xứng nhau. Một vòng đƣợc gọi là vòng ngoài (Outer ring), vòng kia đƣợc gọi là vòng trong (Inner ring) gọi chung là ringlet. Hai ringlet có thể đồng thời sử dụng để truyền gói dữ liệu và điều khiển. Một node gửi gói dữ liệu trên hƣớng downstream và gửi gói điều khiển trên hƣớng ngƣợc lại upstream trên ringlet kia.
Hình 2-12: Vòng RPR [8]
Các Class dịch vụ RPR hỗ trợ
Để hỗ trợ dịch vụ với các yêu cầu QoS khác nhau, RPR hỗ trợ 3 lớp dịch vụ (CoS), các dịch vụ này đƣợc sắp xếp bởi MAC Client tƣơng ứng với yêu cầu QoS riêng của chúng. Trong đó Class A tƣơng ứng với dịch vụ đƣợc giữ trƣớc và dịch vụ có độ ƣu tiên cao, Class B tƣơng ứng với dịch vụ có độ ƣu tiên trung bình, Class C tƣơng ứng với dịch vụ có độ ƣu tiên thấp. Điều đáng lƣu ý là vòng RPR không loại bỏ gói để giải quyết tắc nghẽn vì thế khi một gói đƣợc thêm vào vòng, thậm chí khi gói thuộc Class C thì nó vẫn tới đích.
Lƣu lƣợng Class A đƣợc chia thành Class A0 và Class A1, lƣu lƣợng Class B đƣợc chia thành Class B-CIR (Committed Information Rate) và B-EIR (Excess Information Rate). Class C và Class B-EIR gọi là Fairness Eligible (FE) bị tác động của RPR-fa là giải thuật phân phối băng thông trên trạm nhằm tránh tắc nghẽn xảy ra.
38
Băng thông trên vòng đƣợc giữ trƣớc bằng hai cách:
- Cách thứ nhất gọi là đặt trƣớc (reserved) chỉ đƣợc sử dụng bởi lƣu lƣợng Class A0 và băng thông đƣợc giữ trƣớc nhƣ nhau ở tất cả các trạm trên vòng. Nếu trạm không sử dụng băng thông A0 thì lƣợng băng thông đƣợc giữ trƣớc này bị lãng phí. Theo cách này lƣu lƣợng nhƣ TDM có thể đƣợc gửi bởi trạm RPR nhƣ gói A0.
- Cách thứ hai gọi là khôi phục (reclaimable). Một trạm cần gửi lƣu lƣợng Class A1 và Class B-CIR, giữ trƣớc băng thông “reclaimable” cho loại lƣu lƣợng này. Nếu băng thông này không đƣợc sử dụng thì có thể đƣợc sử dụng bởi lƣu lƣợng FE.
Chức năng MAC Datapath
Tùy vào gói nhận, MAC xác định gói đƣợc nhận hay chuyển đi. Gói có thể đƣợc chuyển đến MAC Client, lớp con điều khiển hay bộ đệm truyền. Gói đến vòng RPR đƣợc phân loại bởi RPR MAC. RPR MAC nhận gói từ vòng chuyển đến RPR Client chỉ khi địa chỉ MAC đích đến trùng địa chỉ MAC của node và RingID tƣơng thích.
Hình 2-13: Chức năng MAC Datapath [8]
Còn lại RPR MAC chuyển gói qua đƣờng trung gian (transit path). Gói multicast hay gói unicast có đích đến là trạm hay lớp con điều khiển của nó đƣợc nhận. Gói multicast và gói unicast không tƣơng ứng địa chỉ sẽ tiếp tục chuyển đi trên vòng. Với trạm có hàng đợi truyền kép, gói sẽ đƣợc đ ặt vào hàng đợi thích hợp theo độ ƣu tiên gói.
39
MAC truyền lƣu lƣợng có độ ƣu tiên cao và lƣu lƣợng đƣợc giữ trƣớc từ MAC Client trƣớc khi truyền lƣu lƣợng không đƣợc giữ trƣớc.
Khi RPR MAC quyết định chuyển gói đến transit path, gói thâm nhập vào bộ đệm truyền (hay hàng đợi truyền) và xếp hàng trong đó. Tr ạm có thể thêm gói nếu bộ đệm truyền rỗng và không có gói đến, sau khi trạm bắt đầu thêm 1 gói vào thì gói truyền phải lƣu tạm trong bộ đệm truyền cho đến khi gói thêm vào này đƣợc lấy đi.
Bộ đệm gói đơn:
Bộ đệm gói đơn truyền suốt thời gian rỗi là thời gian không chịu sự chi phối cân bằng băng thông (fairness) trên vòng. Hàng đợi truyền chính PTQ (Primary Transit Queue) có thể giữ đƣợc ít nhất 1-2 gói và thƣờng cho phép Client hoàn thành việc truyền mà không phải loại bỏ gói trong transit path. Khi truy nhập nhiều gói hơn đối với Class B và Class C có thể kích hoạt RPR-fa để yêu cầu thêm băng thông.
Thứ tự truyền của bộ đệm gói đơn là:
- Gói trong PTQ
- Gói điều khiển
- Gói từ Client
Hình 2-14: Kiến trúc bộ đệm gói đơn [8]
Bộ đệm gói kép:
Bộ đệm gói kép có cả hàng đợi chính PTQ và hàng đợi thứ cấp STQ (Secondary Transit Queue). PTQ chỉ đƣợc dùng cho lƣu lƣợng có ƣu tiên cao. Kích thƣớc của PTQ giống nhƣ trong hàng đợi đơn. STQ là hàng đợi lớn hơn có khả năng giữ nhiều gói. Kích thƣớc của STQ tùy theo kích thƣớc và băng thông của vòng. Gói thuộc Class B và Class C có thể trì hoãn tạm trong STQ trong khi các gói khác đƣợc truyền
40
từ Client. MAC đảm bảo gói từ PTQ và STQ không bao giờ bị loại bỏ. Nhƣ vậy gói khi vào vòng sẽ không bao giờ bị loại bỏ bởi node truyền.
Thứ tự truyền của hàng đợi kép:
- Gói trong PTQ
- Gói trong STQ (chỉ khi STQ gần đầy)
- Gói điều khiển
- Gói từ Client
- Gói từ STQ
STQ không đƣợc phép tràn. Khi STQ gần đầy thì gói trong STQ đƣợc truyền trƣớc gói từ Client. Điều kiện này cũng kích hoạt RPR-fa để yêu cầu thêm băng thông.
Hình 2-15: Kiến trúc bộ đệm gói kép [8] Phát hiện và điều khiển tắc nghẽn
Đạt đến băng thông cân bằng và chia sẻ tài nguyên trong kiến trúc mạng vòng tốc độ cao bao phủ một khu vực thành phố rộng lớn là một mong đợi và cũng là thách thức kĩ thuật. Fairness là một ƣu điểm thiết kế của RPR so với kĩ thuật truyền gói trong MAN nhƣ Gigabit Ethernet để làm việc trong môi trƣờng nhƣ thế. Fairness điều khiển truy nhập của các node đến băng thông sẵn sàng trên vòng một cách công bằng tránh tình trạng một node tham lam chiếm băng thông, tạo ra trễ và tắc nghẽn. Giải thuật fairness (RPR-fa) chỉ áp dụng cho gói ƣu tiên thấp, gói ƣu tiên cao không theo RPR-fa và có thể truyền chừng nào bộ đệm còn đủ trống.
RPR-fa thực hiện những chức năng sau trong lớp MAC:
- Xác định khi nào ngƣỡng tắc ngẽn bị vƣợt qua và khi nào tắc nghẽn giảm. - Xác định fair rate để quảng bá bản tin điều khiển fairness.
41
- Truyền thông tin về fair rate đến các node phát lƣu lƣợng qua điểm tắc nghẽn để các node điều chỉnh tốc độ phát lƣu lƣợng đƣợc phép của chúng.
- Tắc nghẽn đƣợc phát hiện khi:
- Tổ ng lƣu lƣợng phát của một node vƣợt quá dung lƣợng liên kết trừ đi băng thông giữ trƣớc cho lƣu lƣợng không chịu tác động của RPR-fa (lƣu lƣợng ƣu tiên cao).
- Độ sâu của hàng đợi truyền thứ cấp STQ vƣợt quá ngƣỡng dƣới (low_threshold)
là giá trị định trƣớc.
- Thời gian truy nhập của Class B-EIR và Class C hết.
Điều khiển chuyển mạch thông minh
Tự hồi phục là đ ặc điểm quan trọng của RPR. Yêu cầu là cung c ấp bảo vệ thông tin hệ thống trong vòng 50ms trong trƣờng hợp lỗi node hay vòng. Có hai kĩ thuật đƣợc biết là Wrap (ràng buộc) và Steer (lái). Steer là kĩ thuật bảo vệ chính và Wrap là một tùy chọn đối với node RPR. Tuy nhiên tất cả các node trong vòng chọn cùng một kĩ thuật bảo vệ.
Trong topology discovery, mỗi node RPR sẽ chỉ ra nó có hỗ trợ kĩ thuật Wrap hay không. Nếu tất cả các node có thể hỗ trợ bảo vệ Wrap, kĩ thuật bảo vệ sẽ dựa trên luồng gói để chọn Wrap hay Steer. Nói cách khác, (Steer) sẽ đƣợc chọn nhƣ sự phối hợp bảo vệ trong vòng RPR.
Một bản tin bảo vệ (protection) sẽ báo hiệu lỗi giữa các node trong cùng vòng RPR. Bản tin này sẽ chứa thông tin cần thiết cho RPR thực hiện Wrap hay Steer.
42
Hình 2-16: Đƣờng đi của dữ liệu trƣớc khi sợi quang bị đứt [8]
Kĩ thuật Wrap
Một vòng RP R gồ m hai vòng sợi quang truyền ngƣợc chiều nhau. Nếu một thiết bị hay sợi quang bị phát hiện có lỗi, lƣu lƣợng đang đi đến và từ hƣớng bị lỗi sẽ bị wrap ngƣợc về theo hƣớng đối nghịch trên vòng quang kia. Wrap xảy ra trên node kế cận với lỗi, dƣới sự điều khiển của giao thức chuyển mạch bảo vệ.
Một ví dụ đƣờng truyền dữ liệu trƣớc khi xảy ra lỗi nhƣ hình 2-17. Trƣớc khi sợi quang đứt, Node 4 gửi lƣu lƣợng đến Node 1 qua con đƣờng Node 46 - Node 56 - Node 66 - Node 1.
43
Có một lỗi đứt sợi giữa Node 5 và Node 6, Node 5 và Node 6 sẽ wrap lƣu luợng vòng Inner qua vòng Outer. Sau khi quá trình Wrap đƣợc khởi động, lƣu lƣợng từ Node 4 đến Node 1 sẽ khởi động đi qua con đƣờng Node 46Node 56Node 46Node 36Node 26Node 16Node 66Node 1.
Kĩ thuật Steer
Đối với bảo vệ Steer, một node sẽ không wrap đoạn bị lỗi trong khi lỗi đƣợc phát hiện. Một bản tin yêu c ầu sự bảo vệ đƣợc gửi đến mỗi node để xác định có lỗi đứt sợi giống nhƣ bảo vệ kiểu Wrap. Khi node nhận bản tin yêu c ầu xác định lỗi, topology sẽ đƣợc cập nhật tƣơng ứng. Nó sẽ nhận trách nhiệm của node lƣu lƣợng nguồn để đổi hƣớng lƣu lƣợng của vòng Inner hay Outer để tránh đoạn bị lỗi.
Hình 2-18: Đƣờng đi của dữ liệu sau khi phát hiện ra topo mới [8]
Sự phát triển của RPR là một trong những phát triển kĩ thuật mạng lớn nhất đang tiến triển trong đầu thế kỉ 21, là kĩ thuật có thể có ảnh hƣởng lớn nhất đến sự củng cố vị trí của GigE trong doanh nghiệp và mạng metro của nhà khai thác trong nhiều năm tới.
2.2.3. Kết luận
Mặc dù RPR chứa đựng những ƣu điểm nổi bật kể trên nhƣng khả năng hỗ trợ multicast và triple play vẫn chƣa đƣợc phát triển, thêm vào đó RPR vẫn còn chứa đựng nhiều sự phức tạp và chƣa đƣợc chuẩn hóa đầy đủ, nhiều nhà sản xuất đã có sản phẩm RPR nhƣng khả năng tƣơng thích giữa sản phẩm của các hãng khác nhau là không chắc chắn. Vì vậy, việc ứng dụng RPR vào truyền dẫn trong mạng Metro cũng
44
chỉ dừng lại ở mức độ nghiên cứu. Tuy nhiên, trong tƣơng lai không xa, RPR hứa hẹn sẽ là một công nghệ có thể ảnh hƣởng nhiều đến vị trí của Ethernet trong doanh nghiệp và mạng metro của nhà khai thác trong nhiều năm tới.
2.3. Công nghệ truyền tải Ethernet truyền thống 2.3.1. Phƣơng thức họat động 2.3.1. Phƣơng thức họat động
Mạng metro thuần Ethernet chỉ sử dụng chuyển mạch lớp 2 (switch) cho tất cả các cấu trúc bên trong của nó.
Họat động cơ bản của switch
Nguyên lí hoạt động của thiết bị chuyển mạch lớp 2 đƣợc tóm tắt qua 4 chức năng sau - Learning : hay còn gọi là chức năng học địa chỉ MAC. Khi một khung (frame) đi tới switch, switch sẽ dựa vào giao diện mà frame đƣợc gửi đến và so sánh với thông tin lƣu trong bảng MAC (bảng chứa địa chỉ MAC của các frame). Nếu địa chỉ MAC nguồn của frame này chƣa có trong bảng MAC, switch sẽ lƣu thông tin về điạ chỉ MAC này vào bảng MAC với giao diện tƣơng ứng nhận đƣợc frame và gắn nhãn thời gian cho điạ chỉ này (nhằm mục đích xóa bỏ thông tin dƣ thừa trong bảng MAC khi địa chỉ MAC này không gửi frame trong một kho ảng thời gian qui định). Nếu địa chỉ MAC của frame đã có trong bảng MAC, switch sẽ
reset lại nhãn thời gian cho địa chỉ MAC này. Quá trình này gọi là Learning.
- Filtering: hay còn gọi là chức năng lọc thông tin. Khi so sánh địa chỉ MAC đích của frame với thông tin đƣợc lƣu trong bảng MAC, nếu địa chỉ MAC này và giao diện tƣơng ứng đƣợc lƣu trong quá trình Learning, nhƣng giao diện tƣơng ứng với địa chỉ này trùng với giao diện mà switch nhận đƣợc frame, switch sẽ vứt bỏ frame. Quá trình này gọi là filtering.
- Forwarding: hay còn gọi là chức năng chuyển tiếp thông tin. Khi so sánh địa chỉ MAC đích của frame với thông tin đƣợc lƣu trong bảng MAC, nếu địa chỉ MAC này với giao diện tƣơng ứng đƣợc lƣu trong quá trình Learning và giao diện tƣơng ứng với địa chỉ này khác với giao diện mà switch nhận đƣợc frame, switch