IP quang
Tớch hợp IP quang sẽ đũi hỏi những thay đổi trong lĩnh vực bỏo hiệu và điều khiển. Sự khỏc biệt đỏng kể về băng tần của gúi IP, gúi quang, kờnh TDM, bƣớc súng quang và sợi quang đó cho thấy điểm yếu của cỏc giao thức đó và đang đƣợc sử dụng (chỉ đƣợc thiết kế tối ƣu cho chuyển mạch kờnh hoặc gúi). Với những giao thức nhƣ vậy tài nguyờn mạng sẽ khụng đƣợc khai thỏc hiệu quả. Ở một khớa cạnh khỏc, hiện cú rất nhiều cỏc nhà cung cấp thiết bị sử dụng những giao thức độc quyền, do đú sẽ nảy sinh những vấn đề tƣơng thớch giữa cỏc hệ thống thiết bị.
Phần này sẽ nghiờn cứu về những giải phỏp bỏo hiệu và điều khiển hiện đang đƣợc quan tõm đối với mạng IP quang. Qua đú sẽ làm rừ hai khỏi niệm về G-MPLS và ASON liờn quan trực tiếp đến kiến trỳc mạng IP/quang và xem xột khả năng ứng dụng cũng nhƣ vấn đề tiờu chuẩn hoỏ của chỳng.
2.3.1 Quỏ trỡnh phỏt triển mặt điều khiển
2.3.1.1 Sự thay đổi trong cấu trỳc mặt điều khiển
Đến nay mạng quang đó qua hai giai đoạn phỏt triển. Giai đoạn đầu vào những năm 1988-1995, sử dụng cỏc tiờu chuẩn SONET/SDH, với cỏc tuyến cỏp sợi quang đƣờng dài hoặc trong diện rộng. Giai đoạn 2 bắt đầu từ năm 1995, ứng dụng cụng nghệ WDM và đƣợc khởi đầu với 4 bƣớc súng trờn 1 sợi. Trong cả hai trƣờng hợp này đều bộc lộ một số hạn chế mà lý do chớnh là do sự thiếu linh hoạt, tớnh thụng minh thấp của cả phần cứng và phần mềm. Hƣớng giải quyết cho vấn đề này là tăng tớnh linh hoạt cho mạng bằng cỏch dựng cơ chế quản lý tập trung nhƣng tớnh thụng minh lại đƣợc phõn tỏn cho cỏc thành phần mạng.
Mỗi thành phần mạng phải thực hiện cỏc chức năng theo vị trớ của nú trong phõn cấp thẳng đứng và cả cỏc chức năng đồng cấp. Những chức năng này cú thể phõn thành 3 mặt khỏc nhau: mặt số liệu, mặt điều khiển và mặt quản lý. Mặt số liệu là mặt vật lý, điều khiển và mang số liệu, tớn hiệu. Mặt điều khiển tạo và biờn dịch cỏc bản tin để điều khiển cỏc chức năng mạng nhƣ bảo vệ và khụi phục mạng. Mặt
quản lý chịu trỏch nhiệm thực hiện hoạt động quản lý và bảo dƣỡng mạng (OA&M).
Hỡnh dƣới mụ tả sự thay đổi trong cấu trỳc .
Hỡnh 22. Sự thay đổi cấu trỳc mặt điều khiển của mạng
Trong hai thế hệ mạng quang đầu tiờn, mặt quản lý ngoài chức năng cơ bản là OA&M cũn thực hiện chức năng kiểm tra/quản lý tài nguyờn và cung cấp kết nối. Việc hạn chế khả năng xử lý của cỏc thành phần mạng làm cho cỏc chức năng này phải thực hiện từ cỏc trung tõm quản lý trờn cơ sở phần tử mạng này đến phần tử mạng khỏc và điều này làm tiờu tốn nhiều nhõn cụng cũng nhƣ thời gian. Khi tăng khả năng cho mỗi thành phần mạng thỡ việc kiểm tra/quản lý tài nguyờn và cung cấp kết nối cú thể đƣợc thực hiện theo kiểu khụng tập trung tại mặt điều khiển, do đú tăng tốc độ cung cấp và giảm chi phớ hoạt động. Hơn nữa, việc bổ sung thờm chức năng hồi phục sẽ làm tăng độ tin cậy của mạng và sử dụng băng tần cũng hiệu quả hơn.
2.3.1.2 Sự thay đổi cỏc giao thức bỏo hiệu và định tuyến
Cỏc mạng theo phƣơng thức chuyển mạch kờnh nhƣ TDM và đƣờng thuờ riờng thƣờng cú độ trễ thấp, độ thăng giỏn trễ ớt và tỷ lệ lỗi thấp. Do đú QoS thƣờng rất cao nhƣng việc cung cấp băng tần cho cỏc dịch vụ phải đƣợc thực hiện trƣớc nờn thiếu tớnh linh động. Mạng chuyển mạch gúi (nhƣ ATM, FR, Ethernet và IP) linh hoạt hơn. Vớ dụ, việc ghộp kờnh theo thống kờ cho phộp phõn bổ băng tần cho cỏc dịch vụ linh động hơn. Tuy nhiờn, tại mỗi nỳt trung gian, mỗi gúi thành phần của
Mặt quản lý mạng
OA&M
Kiểm tra/quản lý tài nguyờn Cung cấp kết nối Khụi phục (chƣa) Mặt điều khiển Bảo vệ Mặt số liệu Chuyển mạch Truyền dẫn Mặt quản lý mạng OA&M Mặt điều khiển Bảo vệ
Kiểm tra/quản lý tài nguyờn Cung cấp kết nối
Khụi phục
Mặt số liệu
Chuyển mạch Truyền dẫn
một bản tin đều đƣợc xử lý, độ trễ của mỗi gúi tại mỗi nỳt là khỏc nhau nờn độ trễ lớn và gõy nờn độ thăng giỏn trễ rộng hơn, tỷ lệ lỗi và QoS thấp hơn hoặc khụng thể đoỏn trƣớc đƣợc.
Cú nhiều cỏch để cải thiện QoS của cỏc kỹ thuật chuyển mạch gúi mà vẫn giữ lại cỏc ƣu điểm của chỳng. Chẳng hạn vào đầu thập kỷ 90 đó phỏt triển kỹ thuật ATM, cho phộp mạng truyền cả lƣu lƣợng thoại, video và số liệu. ATM dựng cỏc gúi cú kớch thƣớc nhƣ nhau và nhỏ nờn cải thiện đƣợc hiệu quả truyền dẫn, duy trỡ QoS ở mức cao. Bỏo hiệu cho ATM là mở rộng của cỏc giao thức bỏo hiệu nhƣ Q.931 cho ISDN và SS7 cho bỏo hiệu kờnh chung.
Trong khi đú, mạng IP đó đƣợc triển khai rộng rói để hỗ trợ cỏc ứng dụng theo phƣơng thức gúi. IP là giao thức lớp 3, xử lý và định tuyến cỏc gúi để tạo cỏc dịch vụ datagram, phi kết nối. cỏc IP Router hoạt động theo kiểu „hop-by-hop”.
Nhận thấy tớnh hấp dẫn của phƣơng thức điều khiển thiết kế lƣu lƣợng và để đơn giản hoỏ cỏc khỏi niệm định tuyến gúi nhƣ chuyển mạch nhón, IETF đó phỏt triển kỹ thuật chuyển mạch nhón đa giao thức MPLS vào năm 1996. MPLS sử dụng giao thức thiết lập đƣờng RSVP và giao thức phõn phối nhón để tạo cỏc đƣờng chuyển mạch nhón LSP giữa điểm vào và ra của mạng, gỏn nhón cho cỏc gúi. MPLS đƣợc thiết kế để thiết lập cỏc đƣờng chuyển mạch nhón trong cỏc mạng dịch vụ gúi (IP, ATM, FR) trờn nền mạng quang. Sự phỏt triển rầm rộ của sợi quang và WDM đó cho thấy một cơ chế tƣơng tự cú thể đƣợc sử dụng để thiết lập cỏc luồng quang dƣới lớp con WDM.
Cỏc thiết kế mạng số liệu ban đầu cú khả năng tận dụng cỏc giao thức bỏo hiệu do ITU chuẩn hoỏ (Q.931, Q.2931) và của ATM Forum (PNNI).
Bƣớc đầu tiờn trong quỏ trỡnh này là vào năm 1998 đó phỏt triển MPλS. Mục đớch của nú là để xỏc định tập cỏc giao thức dựa trờn MPLS để điều khiển cỏc thiết bị WDM nhằm cung cấp cỏc luồng quang chuyển mạch bƣớc súng trong mạng quang.
Hỡnh 23 dƣới đõy mụ tả quỏ trỡnh phỏt triển cỏc giao thức bỏo hiệu và định tuyến cũng nhƣ mối quan hệ giữa chỳng.
Hỡnh 23. Quỏ trỡnh phỏt triển cỏc giao thức bỏo hiệu, định tuyến
Điều rừ ràng là cơ chế điều khiển cần phải bao gồm cả quỏ trỡnh hồi phục và khả năng cung cấp khụng chỉ cho lớp WDM mà cho cả lớp SONET/TDM và lớp sợi quang phớa dƣới. Do đú, vào khoảng năm 2000, IETF đó mở rộng MPλS thành GMPLS. Quỏ trỡnh mở rộng này mang đến một số cải tiến nhƣ: mở rộng nhón cho cả cỏc khe TDM, truyền hai chiều, tăng cƣờng khả năng bỏo hiệu, kết hợp cỏc khả năng định tuyến (khỏm phỏ topo mạng và topo dịch vụ).
Năm 2000 ban Viễn thụng của ITU và ANSI T1X1 cũng bắt đầu nghiờn cứu về mạng quang chuyển mạch tự động ASON, là một bộ phận của mạng truyền tải chuyển mạch tự động ASTN.
2.3.1.3 Sự cần thiết của GMPLS và ASON
Kiến trỳc mạng hiện tại gồm cú bốn lớp: IP, ATM, SONET/SDH và DWDM. Trong đú, IP mang cỏc dịch vụ và ứng dụng, ATM thực hiện chức năng xử lý lƣu lƣợng và QoS, SONET/SDH để tỏch/ghộp kờnh và đảm bảo độ tin cậy truyền tải và WDM cung cấp dung lƣợng truyền tải qua sợi quang. Vấn đề đối với kiến trỳc cú 4 lớp này là hạn chế khả năng nõng cấp của toàn mạng. Ở đõy cú sự chồng chộo cỏc chức năng giữa cỏc lớp mạng (chẳng hạn IP, ATM và SONET đều cung cấp cỏc mức về độ tin cậy và chức năng ghộp kờnh đƣợc thực hiện tại cả 4 lớp).
Để giảm chi phớ hoạt động, cần phải bỏ bớt cỏc chức năng chồng nhau bằng cỏch giảm cấp mạng. Hiện tại, IP cú thể bao gồm cả QoS và khả năng xử lý lƣu lƣợng dƣới ảnh hƣởng của MPLS. Điều này dựa trờn một số khỏi niệm sau:
L3 (Packet) IP L2 (data Link) ATM MPLS PNNI (Q.29 31) Q.931 /SS7 MPλS OSRP GMP LS ASON Kiểu mạng Giao thức bỏo hiệu và định tuyến
Năm 1980s 1996 1998 1998 2000 2001 L1(Physical)
TDM/ISDN SONET/SDH DWDM
- Mặt điều khiển tỏch biệt về mặt lụgic so với mặt số liệu
- Một lƣợc đồ phỏt chuyển đơn sử dụng cỏc label, cho phộp cỏc kỹ thuật định tuyến khỏc nhau.
- Cơ chế phỏt chuyển sử dụng ngăn xếp nhón.
- Cú độ mềm dẻo cao khi tạo cỏc lớp phỏt chuyển tƣơng đƣơng.
Việc tỏch biệt giữa mặt số liệu và mặt điều khiển cho phộp MPLS đƣợc sử dụng trờn cỏc thiết bị mà mặt điều khiển khụng cụng nhận cỏc tiờu đề IP (vớ dụ cỏc chuyển mạch ATM). Mặt điều khiển MPLS hoạt động dựa trờn cỏc khỏi niệm phỏt chuyển và trao đổi nhón. Khỏi niệm một cơ chế phỏt chuyển thụng qua ngăn xếp nhón cho phộp tƣơng tỏc với cỏc thiết bị mà cú khả năng hỗ trợ chỉ một khụng gian nhón.
Cỏc mạng hiện tại đƣợc thực hiện để mở rộng mặt điều khiển nhằm sử dụng khụng chỉ cho cỏc chuyển mạch gúi/cell mà cũn cho cỏc chuyển thời gian, bƣớc súng và khụng gian. Do đú kỹ thuật mới gọi là GMPLS đó đƣợc phỏt triển và hiện đang đƣợc chuẩn hoỏ bởi IETF.
Bờn cạnh đú, cỏc mạng truyền tải hiện tại cung cấp cỏc dịch vụ SONET/SDH và WDM cú cỏc kết nối đƣợc cung cấp thụng qua cỏc giao thức quản lý mạng. Quỏ trỡnh này vừa chậm (mất hàng tuần đến hàng thỏng) và chi phớ lớn. Xu hƣớng phỏt triển của lƣu lƣợng số liệu cũng đặt ra một số thỏch thức khụng chỉ về lƣu lƣợng tổng mà cũn liờn quan đến tớnh khụng đối xứng và sự bựng nổ lƣu lƣợng. Sự xuất hiện cỏc mạng doanh nghiệp và cỏc ứng dụng đầu cuối là nguyờn nhõn dẫn đến sự thay đổi về nhu cầu băng tần một cỏch đột xuất. Cỏc mạng truyền tải cần phải đỏp ứng đƣợc cỏc yờu cầu mới nảy sinh nhƣ cung cấp đầu cuối - đầu cuối một cỏch nhanh chúng và tự động, khụi phục và định tuyến lại, hỗ trợ nhiều client, triển khai cỏc mạng riờng ảo quang (OVPN) và phối hợp hoạt động IP dựa trờn mạng truyền tải quang. Mạng quang chuyển mạch tự động sẽ đỏp ứng đƣợc những yờu cầu này.
2.3.2 G-MPLS
2.3.2.1 Khỏi niệm
Với sự bựng nổ nhu cầu lƣu lƣợng trong những năm gần đõy, mạng quang đƣợc xem là giải phỏp hữu hiệu để đỏp ứng nhu cầu. Cỏc hệ thống SDH, WDM và cỏc thiết bị đấu nối chộo OXC cũng phỏt triển mạnh mẽ nhằm tăng dung lƣợng và phạm vi mạng. Mảng điều khiển quang đƣợc thiết kế nhằm đơn giản hoỏ, tăng tớnh đỏp ứng và mềm dẻo trong việc cung cấp cỏc phƣơng tiện trong mạng quang. MPLS đó trở thành mụ hỡnh định tuyến mới cho mạng IP. G-MPLS là sự mở rộng của MPLS nhằm hƣớng tới mảng điều khiển quang cho mạng quang.
IETF và OIF đó phỏt triển tiờu chuẩn G-MPLS để đảm bảo sự phối hợp giữa cỏc lớp mạng khỏc nhau. Hiện tại lớp truyền tải (lớp quang) và lớp số liệu (điển hỡnh là Lớp 2 và/hoặc IP) tỏch hẳn nhau và hoạt động độc lập nhau. G-MPLS tập hợp cỏc tiờu chuẩn với một giao thức bỏo hiệu chung cho phộp phối hợp hoạt động, trao đổi thụng tin giữa lớp truyền tải và lớp số liệu. Nú mở rộng khả năng định tuyến lớp số liệu đến mạng quang. G-MPLS cú thể cho phộp mạng truyền tải và mạng số liệu hoạt động nhƣ một mạng đồng nhất.
GMPLS đƣợc phỏt triển trong nỗ lực nhằm làm đơn giản hoỏ và bỏ bớt mụ hỡnh mạng bốn lớp hiện tại. GMPLS loại bỏ cỏc chức năng chồng chộo giữa cỏc lớp bằng cỏch thu hẹp cỏc lớp mạng. Nú khụng phải là một giao thức đơn hay tập khụng đổi cỏc giao thức, mà đú là phƣơng thức để kết hợp nhiều kỹ thuật trờn cựng một kiến trỳc đơn và quản lý chỳng với một tập đơn cỏc giao thức quản lý.
Nhiều cụng ty hiện đang triển khai mạng GMPLS để đơn giản việc quản lý mạng và tạo ra một mặt điều khiển tập trung. Điều này cho phộp tạo ra nhiều dịch vụ hơn cho khỏch hàng trong khi đú giỏ thành hoạt động lại thấp.
GMPLS cũng hứa hẹn sẽ mang lại chất lƣợng dịch vụ tốt hơn và thiết kế lƣu lƣợng trờn internet, một xu hƣớng hiện tại và cũng là mục tiờu chớnh của bất cứ nhà cung cấp dịch vụ nào.
2.3.2.2 Quỏ trỡnh phỏt triển G-MPLS từ MPLS 2.3.2.2.1 Giới thiệu tổng quỏt MPLS 2.3.2.2.1 Giới thiệu tổng quỏt MPLS
MPLS đó mở rộng bộ giao thức IP nhằm cải thiện quỏ trỡnh phỏt chuyển của cỏc Router. Đối với cỏc Router, khi nhận đƣợc một gúi tin phải qua quỏ trỡnh phõn tớch địa chỉ và tỡm kiếm tuyến khỏ phức tạp để xỏc định trạm kế tiếp bằng cỏch kiểm tra địa chỉ đớch trong header của gúi. MPLS đó đơn giản thủ tục này bằng cỏch dựa vào một nhón đơn giản khi phỏt chuyển. MPLS cũn cú khả năng đặt cỏc lƣu lƣợng IP trờn cỏc đƣờng xỏc định trƣớc qua mạng. Bằng cỏch này MPLS tạo ra sự bảo đảm về băng tần và cỏc đặc tớnh dịch vụ khỏc cho mỗi ứng dụng cụ thể của User (ngƣời sử dụng). Với mỗi dịch vụ cụ thể, một bảng lớp phỏt chuyển tƣơng đƣơng (FEC) biểu diễn một nhúm cỏc dũng lƣu lƣợng cú cựng yờu cầu về xử lý lƣu lƣợng đƣợc tạo ra. Một nhón đặc biệt sau đú đƣợc dựng để gỏn cho một FEC. Tại lối vào mạng MPLS, cỏc gúi IP đến đƣợc đƣợc kiểm tra và gỏn một “nhón” bởi router nhón ở biờn mạng (LER). Cỏc gúi đó đƣợc gỏn nhón sau đú đƣợc phỏt chuyển dọc theo một LSP và tại đõy cỏc Router chuyển mạch nhón (LSR) dựa vào trƣờng nhón trong gúi để đƣa ra quyết định chuyển mạch. LSR khụng cần kiểm tra tiờu đề IP của gúi để tỡm trạm kế tiếp. Nú đơn giản chỉ bỏ nhón hiện tại và đƣa vào một nhón mới cho trạm kế tiếp. Cơ sở thụng tin nhón tạo ra cỏc nhón mới (để chốn vào gúi) và một giao diện ra (dựa vào nhón vào trờn giao diện vào).
Bỏo hiệu để thiết lập LSP xử lý lƣu lƣợng đƣợc thực hiện nhờ sử dụng giao thức phõn phối nhón trờn mỗi nỳt MPLS. Cú một số giao thức phõn phối nhón khỏc nhau trong đú hai giao thức phổ biến nhất là RSVP- xử lý lƣu lƣợng (RSVP-TE) và CR-LDR. RSVP-TE là phiờn bản mở rộng của RSVP để phõn phối cỏc nhón và tạo khả năng xử lý lƣu lƣợng. CD-LDP đƣợc thiết kế riờng cho mục đớch này.
MPLS gồm cả cỏc mở rộng của cỏc giao thức định tuyến trạng thỏi tuyến IP hiện tại, cỏc mở rộng MPLS đối với OSPF và IS-IS cho phộp cỏc nỳt khụng chỉ trao đổi cỏc thụng tin về topo mạng mà những thụng tin về tài nguyờn và thậm chớ về chớnh sỏch cũng đƣợc trao đổi. Thuật toỏn định tuyến dựa trờn cỏc ràng buộc sử dụng cỏc thụng tin này để tớnh toỏn cỏc đƣờng tối ƣu cho cỏc LSP và cho phộp thực
hiện cỏc quyết định về quỏ trỡnh xử lý lƣu lƣợng phức tạp một cỏch tự động khi chọn tuyến qua mạng.
2.3.2.2.2 Quỏ trỡnh phỏt triển MPLS đến GMPLS
IETF đó mở rộng bộ giao thức MPLS để cú khả năng hỗ trợ cả cỏc thiết bị chuyển mạch theo thời gian, bƣớc súng và khụng gian qua G-MPLS. Điều này cho phộp mạng dựa trờn G-MPLS xỏc định và cung cấp đƣờng tối ƣu dựa trờn cỏc yờu cầu lƣu lƣợng của user (ngƣời sử dụng). Một số cấu trỳc G-MPLS đƣợc chỉ ra nhƣ ở bảng sau: Miền Chuyển mạch Loại lưu lượng Lược đồ phỏt chuyển Thiết bị điển hỡnh Thuật ngữ
Gúi, cell IP, ATM
Nhón nhƣ phần ghộp thờm vào header, kết nối kờnh ảo (VCC) IP Router, ATM switch Khả năng chuyển mạch gúi (PSC)
Thời gian TDM/SONET
Khe thời gian trong chu kỳ lặp lại Hệ thống kết nối chộo số DCS, ADM Khả năng TDM
Bƣớc súng Trong suốt Lambda DWDM
Khả năng chuyển mạch Lambda (LSC) Khụng gian vật lý