VCAT là một công cụ mạnh và hiệu quả khi nhóm băng thơng tạo thành các ống thích hợp với yêu cầu. Tuy nhiên, yêu cầu băng thông của khách hàng đơi khi thay đổi vì vậy u cầu ống SONET/SDH phải thay đổi kích thước. Điều này gây ra việc ngừng mạng khi các kênh SONET/SDH được thêm vào hay bỏ đi. LCAS là giao thức cho phép các kênh thay đổi kích thước tại bất cứ thời gian nào mà không làm gián đoạn lưu lượng và kết nối LCAS thực hiện kiểm tra kết nối và cho phép kết nối lỗi được bỏ đi và thêm kết nối mới vào một cách tự động mà không làm gián đoạn liên lạc.
Việc kết hợp EoS, VCAT và LCAS cung cấp hiệu quả cao nhất khi triển khai dịch vụ Ethernet qua SONET. Tuy nhiên những hạn chế của EoS đã được khắc phục trong công nghệ RPR.
1.2.2. Resilient Packet Ring (RPR). 1.2.2.1. Khái niệm và mô tả hoạt động.
Công nghệ RPR (IEEE 802.17) là bản mới nhất trong họ giao thức mạng dựa trên nền tảng vòng Ring được chuẩn hóa bởi IEEE. Trước đây đã có giao thức hoạt động trong mơ hình dạng vịng của IEEE như IEEE 802.5 Token Ring và IEEE 1596 SCI. Các ưu điểm của RPR như sau:
Cung cấp khả năng phục hồi trong khoảng thời gian nhỏ hơn 50ms với băng thông không cần dành trước.
Cấu hình vịng đơi, trong đó mỗi vịng thực sự sử dụng hết băng thông để truyền dữ liệu. Khơng dùng băng thơng để dự phịng bảo vệ.
Nhiều node trên vịng có thể truyền đồng thời cùng lúc. Có thể mở rộng lên 256 node trên một vòng.
Đạt hiệu quả trong truyền đa điểm.
Các vòng Ring được tạo thành từ nhiều kết nối điểm nối điểm với nhau. Khi các kết nối giữa các trạm hoạt động trên hai chiều riêng biệt nhau, vịng Ring khi đó sẽ có khả năng hoạt động khi gặp sự cố như đứt kết nối giữa 2 điểm (nghĩa là frame dữ liệu vẫn được truyền đến đích khi vịng Ring đang bị sự cố). Mặt khác với mạng dạng vòng người quản trị sẽ dễ dàng thao tác và quản lý hơn các dạng mạng khác như mắt lưới.
Các nhà cung cấp dịch vụ mạng MAN, WAN thường sử dụng cầu hình vịng SONET/SDH. Các mạng vịng SONET có dạng vịng đơi, trong đó một vịng được sử dụng và một vòng dự phòng. Vòng dự phòng sẽ khơng được sử dụng khi vịng Ring hoạt động tốt, khi vịng thứ nhất gặp sự cố khơng hoạt động được thì vịng dự phòng sẽ được sử dụng. Sự chỉ định băng thông cố định và nhiều yêu cầu giám sát mạng làm tăng chi phí của mạng SONET. Trong khi dịch vụ GE không yêu cầu chỉ định cung cấp băng thông tĩnh. SONET cũng khơng
cung cấp các tính năng như sự cân bằng mạng và tự động phục hồi nhanh (<50ms).
Nhằm chuẩn hóa các tính năng mới đó, IEEE đã nghiên cứu đặt ra chuẩn mới, một trong những mục tiêu của chuẩn mới này là tận dụng sự đơn giản của các mạng vòng và sử dụng băng thông vịng đơi càng hiệu quả càng tốt trong việc truyền dữ liệu tốc độ cao trên các mạng MAN và WAN. Một mục đích khác nữa là sự phân phối băng thông một cách công bằng cho tất cả các trạm đang hoạt động đồng thời cung cấp sự phục hồi một cách nhanh chóng. Cuối cùng một vấn đề không thể thiếu là để việc triển khai mạng được nhanh chóng và rộng rãi thì sự tự sử dụng lại mơi trường truyền dẫn hiện tại cũng cần được quan tâm. Để làm được tất cả các vấn đề trên, IEEE 802.17 chính thức sử dụng vào tháng 3 năm 2001 với tên gọi là RPR. Vì RPR được chuẩn hóa theo dịng giao thức mạng LAN/MAN, nên nó có thể hoạt động dạng cầu nối IEEE 802 và giả lập môi trường broadcast. RPR thực hiện giao thức điều khiển truy xuất môi trường (MAC) để truy xuất vào môi trường chia sẻ.
MAC : Media Access Controll. RPR : Resillient Packet Ring.
Hình 1.12. Hoạt động của vịng Ring RPR.
RPR là giao thức lớp MAC tốc độ cao để truyền các gói trong mạng cấu hình vịng. RPR sử dụng cấu trúc vịng có hướng, mỗi vịng là một đường truyền dữ liệu cho một hướng. Các vòng được xác định là vòng 0 và vòng 1, với cấu trúc này sẽ đảm bảo ở mức cao nhất gói dữ liệu được truyền đến đích. Nếu như xảy ra sự cố như một trạm bị hỏng hay đứt cáp quang thì dữ liệu sẽ được truyền trên vịng cịn lại.
1.2.2.2. Cơ chế dự phòng bảo vệ.
Sự hồi phục hoạt động của mạng là một phần rất quan trọng của RPR. Đặc tính này yêu cầu sự bảo vệ phục hồi trong khoảng thời gian 50ms khi xảy ra sự cố hỏng node hay đứt đường truyền dẫn. Hiện có 2 cơ chế bảo vệ đó là wrapping và steering. Steering là cơ chế bảo vệ bắt buộc, còn wrapping là một lựa chọn
cho các node trên RPR. Tuy nhiên, cùng một thời điểm tất cả các node trên vòng bắt buộc phải dùng cùng một cơ chế bảo vệ.
Bảo vệ Wrap: Một vòng RPR được cấu thành từ 2 vịng có chiều
ngược nhau, mỗi đường là một vòng cáp quang đơn. Nếu như một thiết bị hay cáp quang được phát hiện bị hỏng thì lưu lượng dữ liệu gửi ra trên hướng bị hỏng được loop (wrap) vòng theo hướng ngược lại trên vịng khác. Nói cách khác, wrapping thực hiện định tuyến lại dữ liệu từ nhánh bị lỗi. Wrapping được thực hiện trên node kế bên điểm xảy ra lỗi dưới sự điều khiển của giao thức chuyển mạch bảo vệ.
Hình 1.13. Vịng RPR hoạt động bình thường
Trước khi sự cố xảy ra, vịng hoạt động bình thường. S4 gửi dữ liệu cho S2 theo đường S2→S3→S4. Nếu xảy ra sự cố như đứt cáp đoạn giữa S3 và S4 thì S3 sẽ loop vịng dữ liệu trên đường ngược lại. Khi đó dữ liệu từ S2 đi đến S4 sẽ đi theo đường từ S2→S3→S2→S1→S4.
Hình 1.14. Vịng RPR sau khi có lỗi.
Bảo vệ Steering: Với kiểu bảo vệ này, node sẽ khơng loop vịng khi phát
hiện có lỗi xảy ra. Gói tin yêu cầu bảo vệ sẽ được gửi tới các node để thơng báo có lỗi xảy ra trên vòng Ring. Khi các node nhận được gói tin này sẽ cập nhật lại cấu hình mạng. Các gói đang truyền trên vịng khi có sự cố xảy ra sẽ bị loại bỏ.
Hình 1.16. Bảo vệ Steering khi bị lỗi.
1.2.2.3. Thuật toán Fairness.
Thuật toán Fairness được xây dựng cho giao thức RPR. Các thơng tin về thuật tốn được đặt trong phần header RPR, dựa vào đó MAC sẽ biết cách xử lý đối với mỗi gói. Các lớp khác nhau và lớp con của nó có thể sử dụng để tạo bất kỳ profile dịch vụ nào tương ứng cho mỗi ứng dụng. Độ ưu tiên cao hay sự đảm bảo về băng thông không là vấn đề của Fairness. Các lưu lượng có độ ưu tiên cao ln ln chiếm băng thơng chỉ định cho nó, ln ln nhận sự ưu tiên trên vịng Ring, do đó sẽ khơng có sự trì hỗn hoặc thay đổi trì hỗn.
Sự quản lý băng thơng được thực hiện để duy trì sự công bằng cho các khung được áp đặt công bằng (FE-Fairness Eligible), với các cơ chế để đảm bảo tất cả các trạm nhận chia sẻ dung lượng vòng Ring qua các link nó sử dụng. Thuật toán Fairness đảm bảo sự phân phối động khả năng về băng thông của tuyến cho các trạm nguồn.
Thuật tốn có các đặc điểm sau:
Mạng thơng tin điều khiển vịng dữ liệu trên vòng ngược với vòng truyền dẫn dịng dữ liệu đó.
Hình 1.17. Dịng gói Fairness
Chỉ điều chỉnh lưu lượng cho lớp C và lớp B-EIR (ví dụ FE). Tính tốn tốc độ hợp lý liên quan tới trạm nguồn.
Sắp xếp tốc độ cân đối hợp lý tới sự chỉ định.
Cho phép dung lượng vịng khơng được chỉ định rõ ràng có thể xem như dung lượng có thể dùng được.
Cho phép dung lượng được chỉ định rõ ràng cho lớp con A1 hoặc lớp B- CIR nhưng không được sử dụng cũng có thể xem như dung lượng có thể dùng được.
Hỗ trợ cả hàng đợi chuyển tiếp đơn và hàng đợi chuyển tiếp đôi.
1.2.2.4. Sử dụng lại không gian băng thông (Spatial Reuse).
Sự sử dụng lại băng thông được sử dụng trong vòng Ring nhằm làm tăng thêm hiệu quả sử dụng băng thơng. Điều này có thể thực hiện được vì lưu lượng unicast chỉ được chuyển đi trên phần vịng Ring giữa trạm nguồn và trạm đích, chứ khơng đi trên tồn bộ vịng Ring như các giao thức token ring và FDDI.
Trong ví dụ dưới đây cho phép 2 trạm S1 và S4 cùng gửi dữ liệu ra vịng Ring. Với đặc tính này cho phép sử dụng cả 2 vịng Ring để truyền dẽ liệu, khơng dành trước băng thơng dự phịng
Hình 1.18 mơ tả ví dụ sử dụng lại băng thơng:
Hình 1.18. Sử dụng lại băng thông.
1.2.3. Truyền tải Ethernet( Ethernet Transport) [7].
Sự trưởng thành của Ethernet so với TDM như giao diện truy cập, nhưng Ethernet không giới hạn bởi một cơng nghệ truy cập mà Ehernet cịn được mở rộng như một công nghệ truyền tải trong MAN. Từ năm 2000 Metro Ethernet triển khai nhiều kiểu và nhìều dạng, khi Ethernet được sử dụng như công nghệ truyền tải, mạng truy cập có thể được xây dựng cả dạng Ring và Hub-and-Spoke.
1.2.3.1. Cấu hình GE dạng Hub-and-Spoke.
Trong cấu hình GE Hub-and-Spoke, chuyển mạch Ethernet được triển khai trong tòa nhà gần với POP hoặc CO. Các kết nối sử dụng cáp quang với bước sóng sử dụng WDM. Đây là phương án triển khai tương đối tốn kém bởi chi phí của cáp quang. Với mơ hình Hub-and-Spoke thì băng thơng trong mỗi tịa nhà có thể mở rộng, bởi vì mỗi tồ nhà có đủ cáp quang dự phịng. Cơ chế bảo vệ có thể đạt được
giống như link aggregation 802.3ad hoặc dual-homed. Với link aggregation, 2 sợi quang được tập trung vào một ống to hơn và được kết nối tới CO. Lưu lượng cần bằng tải giữa 2 sợi và khi một sợi bị fail thì tải sẽ tràn cả sang sợi còn lại. Điều này cũng thừa nhận rằng 2 sợi quang chạy qua 2 ống khác nhau tới CO được bảo vệ tốt hơn.
Hình 1.19 mơ tả kết nối giữa tịa nhà 1 và CO:
CO: Central Office
Hình 1.19. Mơ hình Ethernet Hub-and-Spoke.
Một phương pháp khác là dual-homed, sợi quang vào các chuyển mạch khác nhau tại CO, trên hình vẽ tịa nhà 1 và 2. Điều này tạo ra nhiều phức tạp hơn bởi vì STP phải chạy giữa tịa nhà và CO, gây ra lãng phí lưu lượng vì có thể một dual- home bị block.
1.2.3.2. GE RING.
Phần lớn triển khai sợi quang trong mạng Metro được đặt trong vòng Ring. Bởi vậy, cấu hình RING là tự nhiên để thực hiện và kết quả là tiết kiệm chi phí. Tuy nhiên nó cũng phụ thuộc vào từng hồn cảnh và tùy từng mơ hình triển khai. Triển khai RING có thể cực kỳ hiệu quả với nhà cung cấp này nhưng lại có bất tiện với nhà cung cấp khác. RING GE là một chuỗi các kết nối điểm-điểm giữa các chuyển
mạch được đặt trong tòa nhà và CO. RING GE có thể tạo ra nhiều vấn đề cho nhà khai thác bởi vì cơ chế bảo vệ và giới hạn về băng thông. Dung lượng của RING là vấn đề chính, RING GE chỉ có dung lượng là 1GB để chia sẻ cho toàn bộ toàn nhà và một phần dung lượng khơng sẵn sàng vì STP đã block một phần RING để chống loop.
GE : Gigabit Ethernet CO: Central Office
Hình 1.20. Vịng Ring Gigabit Ethernet
Với hoạt động chuyển mạch Ethernet L2 thì RING trở thành tập hợp các kết nối điểm -điểm. Nếu khi có sợi quang bị đứt thfi STM block một phần của Ring để chống lại bão broadcast bởi loop. Bão broadcast xuất hiện khi một gói khơng biết đâu là đích để tới. Thuật tốn STP sử dụng BPDU để phát hiện ra loop và block lại, STP mất khoảng 30-60s để hội tụ, RSTP hội tụ nhanh hơn. Khi sợi quang bị đứt, STP điều chỉnh lại và đường mới giữa các node khác nhau được thiết lập
Hình 1.21. Bảo vệ (Spanning Tree).
Mặc dù RING 10GE sẽ làm giảm bớt vấn đề nghẽn, giải pháp khởi tạo cho 10GE với chi phí cao. Thiết bị ban đầu với giao diện 10GE thiết kế cho mạng lõi hơn là xây dựng mạng truy cập. Với giải pháp 10GE thì chi phí cho mạng truy cập phải giảm bớt thì mới là giải pháp khả thi.
Chúng ta đã xem xét các cơng nghệ khác nhau có thể sử dụng cho kết nối vật lý của Metro. EoS, RPR và Ethernet Transport là các phương pháp có thể để triển khai dịch vụ Metro Ethernet. EoS là giải pháp có thể triển khai dịch vụ Ethernet trên nền tảng hạ tầng sẵn có. Để có được hiệu quả hơn khi VCAT cho phép ánh xạ các ống Ethernet vào Ring SONET/SDH. RPR là giải pháp hấp dẫn và được quan tâm bởi vì giải pháp này có mức độ hồi phục tốt khi có lỗi và giải quyết tương đối hiệu quá vấn đề băng thông của Ring SONET/SDH. Ethernet như một công nghệ truyền tải là cách đơn giản và hiệu quả để triển khai dịch vụ Ethernet. Tuy nhiên giải pháp này thừa hưởng nhiều thiếu sót của mạng Ethernet chuyển mạch tầng 2. Nhiều chức năng vẫn cần được đưa ra trên thiết bị Metro để truyền tải dịch vụ như kết nối
Internet và dịch vụ VPN. Ethernet luôn sử dụng trong môi trường một khách hàng đơn lẻ như một mạng doanh nghiệp. Giờ đây môi trường nhiều khách hàng được truyền tải dịch vụ trên cùng một loại thiết bị tới các khách hàng khác nhau qua mạng truyền tải chia sẻ. Vì thế vấn đề dịch vụ ảo và mở rộng dịch vụ trở thành một vấn đề nan giải. EoMPLS trở thành một giải pháp khả thi để triển khai dịch vụ Metro Ethernet. Mặt phẳng điều khiển MPLS truyền tải hầu hết các chức năng còn thiếu trong mạng chuyển mạch Ethernet như khả năng mở rộng và sự hồi phục. Chúng ta sẽ nghiên cứu công nghệ MPLS ở chương 3 của tài liệu này.
Kết luận: Trong phạm vi chương 1 này, tác giả mong muốn giới thiệu được một
cách ngắn gọn nhất, tường minh nhất các khái niệm của mạng Metro, lịch sử hình thành và phát triển của mạng Metro. Bên cạnh đó giới thiệu được một số công nghệ tiêu biểu được sử dụng nhiều trong mạng Metro cũng như các dịch vụ được khai thác và triển khai trên nền mạng Metro một cách chung nhất.
CHƢƠNG 2: CÁC MƠ HÌNH KIẾN TRÚC MẠNG TIÊU BIỂU
2.1. Mơ hình mạng của Cisco.
2.1.1. Chức năng của các thiết bị trong mạng [5,6].
Để hiểu rõ hơn mơ hình mạng MEN của Cisco chúng ta xem xét vai trò của các thiết bị trong mạng:
2.1.1.1. NPE Router (Network Provider Edge).
NPE là thiết bị nằm giữa hệ thống lớp 3 trong lõi và hệ thống truy xuất lớp 2. Router 7609 sẽ đóng vai trị này trong hệ thống mạng MEN. NPE router thực hiện các nhiệm vụ sau:
Cổng cung cấp các dịch vụ MPLS và IP. Định nghĩa các dịch vụ EoMPLS.
Lớp cung cấp dịch vụ VPN lớp 3.
Chuyển mạch nội bộ cho các dịch vụ Ethernet. Quản lý nghẽn và lưu lượng.
2.1.1.2. P Router (Provider Router).
P Router là thiết bị trng mạng lõi của nhà cung cấp dịch vụ (ISP) để thực hiện chuyển mạch nhãn MPLS. Mạng lõi của nhà cung cấp dịch vụ bao gồm nhiều P Router và NPE kết nối để cung cấp kết nối MPLS xuyên suốt. Trong hệ thống mạng MAN, các router 7609 cũng đảm nhận các chức năng P router. Chức năng chính của P router:
Cung cấp các kết nối backbone tin cậy để kết nối các NPE.
Cung cấp không gian điều khiển có khả năng mở rộng cho các dịch vụ L2 VPN và MPLS VPN.
Cho phép quản lý lưu lượng.
2.1.1.3. UPE (User Provider Edge).
UPE là thiết bị nằm giữa hệ thống mạng của nhà cung cấp dịch vụ và khách hàng. UPE thông thường là một thiết bị lớp 2 đặt ở khách hàng nhưng thuộc quyền