Với giải pháp mạng dựa trên Giải pháp Ethernet Đô thị nổi tiếng của Cisco, hệ thống mạng đô thị của Bưu điện thành phố Hồ Chí Minh tạo thành kiến trúc mạng hội tụ tích hợp nhiều loại ứng dụng và dịch vụ tiên tiến nhất trên nền IP băng rộng như truy cập Internet băng rộng, trung tâm dữ liệu mạng, mạng riêng ảo IP VPN, VoIP, Video on demand, video conference với ưu điểm nổi trội truyền thoại, hình ảnh, dữ liệu, phân phối nội dung) trên cùng một mạng với các chất lượng dịch vụ ưu việt ở một chi phí thấp hơn nhiều về đầu tư cũng như điều hành và khai thác hệ thống so với các công nghệ mạng đô thị truyền thống trước đây.
Mạng đô thị băng rộng này có thể dễ dàng kết nối vào mạng dịch vụ khác như DSL, thoại thế hệ mới, Internet … hiện có của Bưu điện thành phố Hồ Chí Minh cũng như VNPT.
3.1.2 Tình hình triển khai MAN-E của VNPT hiện nay
Trong các đối tác tham gia đấu thầu dự án mạng MAN tại Tập đồn Bưu chính Viễn thơng Việt Nam (VNPT), Cisco và Huawei được lựa chọn là hai đối tác thiết kế và triển khai mạng MAN cho 57 tỉnh, thành phố lớn, trong đó có Nam Định.
Cơng nghệ cơ bản trong thiết kế MAN mà Huawei và Cisco sử dụng là IP/MPLS. Các thiết kế của mạng MAN phải đảm bảo các nhu cầu cung cấp tất cả các dịch vụ của mạng và mở rộng thêm theo yêu cầu của VNPT. Đối tượng khách hàng của VNPT tập trung vào hai nhóm khách hàng là khách hàng dân cư sử dụng
băng thông rộng và khách hàng doanh nghiệp. Các đối tượng khách hàng khác nhau kết nối vào mạng MAN sử dụng nền tảng truy cập khác nhau để sử dụng các dịch vụ dữ liệu, thoại, video.
Năm 2010, Tập đồn Bưu chính Viễn thơng Việt Nam (VNPT) đã kí kết hợp đồng thiết kế, cung cấp và lắp đặt hệ thống mạng MAN-Ethernet cho 10 viễn thông tỉnh, thành phố với Công ty Cổ phần Viễn thông Tin học Bưu điện (CT-IN) - đối tác được ủy quyền của nhà sản xuất thiết bị Cisco.
Hệ thống mạng mới này sẽ cho phép VNPT cung cấp những dịch vụ sử dụng giao thức IP thế hệ mới hội tụ gồm dữ liệu, thoại, di động và video, bao gồm cả công nghệ họp hội nghị của Cisco.
Cho tới nay, MAN-E đã và đang được lắp đặt và đưa vào cung cấp dịch vụ tại 59 tỉnh thành trong cả nước sử dụng các thiết bị của Huawei và Cisco. Kể từ khi triển khai MAN, các dịch vụ mới được đưa vào cung cấp như IPTV, MetroNet, FTTH, hội nghị truyền hình, lưu trữ dữ liệu…đã mang lại doanh thu lớn.
3.2 Cấu trúc mạng MAN-E của VNPT
3.2.1 Cấu trúc phân lớp chức năng
Lớp mạng truy nhập khách hàng: Đây là lớp mạng cuối cùng được quản lý bới nhà khai thác mạng. Lớp mạng này cần cung cấp chức năng bảo mật truy nhập, chức năng kiểm tra tuân thủ SLA cho một vài lớp dịch vụ. Ví dụ, nó thực hiện một số chức năng như điều khiển chấp nhận kết nối, cơ chế bảo mật, phân loại lưu lượng, hỗ trợ kiến tạo dịch vụ lớp 2.
Lớp tích hợp: Đảm bảo thực hiện chức năng thu gom lưu lượng một cách hiệu quả từ các thiết truy nhập thuộc lớp mạng truy nhập khách hàng và chuyển chúng đến các thiết bị thuộc lớp dịch vụ. Lớp tích hợp này cần thực hiện chức năng chuyển mạch nội bộ nhằm mục địch giảm thiểu lưu lượng truyền tải lên lớp dịch vụ. Lớp lõi MAN: Đảm bảo chức năng truyền tải lưu lượng một cách hiệu quả giữa các thực thể thuộc lớp dịch vụ. Thực thể thuộc lớp mạng lõi cần có áp dụng các kỹ thuật xử lý chuyển gói nhanh và tin cậy, song song với việc áp dụng các kỹ thuật điều khiển lưu lượng tinh tế, kỹ thuật quản lý tắc nghẽn linh hoạt. Mặc dù các thực thể mạng lõi không liên quan trực tiếp đến các khách hàng nhưng nó phải thực hiện được chức năng phân biệt hình thái lưu lượng của người sử dụng, tìm kiếm và áp dụng các cơ chế điều khiển truyền tải tương ứng.
Lớp dịch vụ: Thực hiện chức năng điều khiển/ kiến tạo các dịch vụ một cách mềm dẻo và tinh tế, chẳng hạn như dịch vụ phân bổ nội dung, dịch vụ bảo mật. các dịch vụ như bức tường lửa, điều khiển các dịch vụ thoại, chuyển đổi các loại hình dịch vụ lớp 2 cũng là những chức năng mà lớp này thực hiện.
Lớp quản lý mạng:Cơ cấu thực hiện được gắn với tất cả các lớp tương ứng với vai trò, chức năng của từng phân lớp. Lớp quản lý thực hiện chức năng theo dõi kiểm sốt và quản lý tình trạng hoạt động, tình trạng cung cấp dịch vụ của mạng. Ngồi ra nó cần phải thực hiện được việc tích hợp quản lý nêu như có u cầu phối hợp.
3.2.2 Cấu hình tơ-pơ mạng
Cấu trúc Ring và Mesh là hai cấu trúc tơ-pơ điển hình cho mạng truyền dẫn quang. Cấu trúc ring tiết kiệm rất nhiều tài nguyên về cáp quang so với cấu trúc Hub-and-Spoke (trong những trường hợp cụ thể số lượng có thể lên tới hàng km cáp quang). Trong trường hợp tài nguyên về mạng cáp quang hiếm hoi thì giải pháp triển khai mạng theo cấu trúc ring có thể nói là lựa chọn duy nhất. Hơn nữa, cấu trúc Ring cho phép giảm thiểu số lượng giao diện trong nút thiết bị để kết nối với các nút mạng khác, chỉ với hai giao diện kết nối sẽ cho phép nút mạng kết nối với tất cả các nút mạng khác trong toàn mạng.
Mạng MAN Ethernet thực hiện chức năng thu gom lưu lượng và đáp ứng nhu cầu truyền tải lưu lượng cho các thiết bị mạng truy nhập (IP DSLAM, MSAN) và có khả năng cung cấp kết nối truy nhập Ethernet (FE/GE) tới khách hàng.
Sử dụng các thiết bị CES tạo thành mạng chuyển tải Ethernet/IP. Kết nối giữa các thiết bị CES dạng hình sao, ring hoặc đấu nối tiếp, sử dụng các loại cổng kết nối n x 1Gbps hoặc n x 10Gbps.
Mạng MAN-E được tổ chức thành mạng lõi và mạng truy nhập và được thể hiện như hình 3.3 và hình 3.4. Trên hình 3.3 là cấu hình MAN-E quá độ, sử dụng
cho các đơn vị có các tuyến cáp quang chưa được triển khai chưa đầy đủ. Trong trường hợp các đơn vị đã triển khai lắp đặt sẵn các tuyến cáp quang thì khi xây dựng cấu hình MAN-E sẽ sử dụng cấu hình mục tiêu. Cấu hình này có ưu điểm là có ln đảm bảo độ an toàn mạng cao trong trường hợp xảy ra sự cố hỏng node hoặc đứt cáp quang trên tuyến.
Hình 3.3 Cấu hình MAN-E quá độ
Hình 3.4 Cấu hình MAN-E mục tiêu
Mạng lõi (Ring Core): Bao gồm các CES cỡ lớn lắp đặt tại các trung
tâm lớn, với số lượng hạn chế, tối đa từ 2 đến 3 điểm trong một Ring, vị trí lắp đặt các CES core tại điểm thu gom truyền dẫn và dung lượng trung chuyển qua đó cao.
Các thiết bị này được kết nối ring với nhau bằng một đôi sợi cáp quang trực tiếp, sử dụng giao diện kết nối Ethernet cổng 1Gbps hoặc 10Gbps. Để đảm bảo an tồn cho phần mạng truy nhập thì các vòng ring access hoặc các kết nối hình sao được kết nối tới 2 node lõi và để đảm bảo mạng hoạt động ổn định cao, kết nối từ mạng MAN tới mạng trục IP/MPLS - NGN sẽ thông qua 2 thiết bị lõi CES của mạng MAN để dự phòng và phân tải lưu lượng kết nối như sau: Nếu chức năng BRAS và PE tích hợp trên cùng một thiết bị thì mỗi thiết bị lõi CES đó sẽ kết nối tới BRAS/PE.Nếu chức năng BRAS và PE được tách riêng thì thiết bị lõi CES đó sẽ có 2 kết nối sử dụng giao diện Ethernet, trong đó một kết nối tới BRAS để cung cấp dịch vụ truy nhập Internet tốc độ cao, một kết nối tới PE để cung cấp các dịch vụ khác, như: thoại, multi media (VoD, IP/TV, IP conferencing).
Mạng truy nhập MAN (Ring Access): Bao gồm các CES lắp đặt tại
các trạm Viễn thông, kết nối với nhau và kết nối tới mạng lõi bằng một đôi sợi quang trực tiếp. Tùy theo điều kiện, mạng truy nhập có thể sử dụng kết nối dạng hình sao, ring và trong một ring tối đa từ 4 - 6 thiết bị CES, hoặc đấu nối tiếp nhau và đấu nối tiếp tối đa từ 4 - 6 thiết bị CES, vị trí lắp đặt các CES truy nhập thường đặt tại các điểm thuận tiện cho việc thu gom truyền dẫn kết nối đến các thiết bị truy nhập như MSAN/IP-DSLAM. 4x 1G 1G RIN G 2 /1G 26,5 km 20 km
Các thiết bị thu gom lưu lượng trong mạng MAN gọi là CES, được kết nối với nhau bằng đôi sợi quang trực tiếp. Với dung lượng yêu cầu từ 2 kết nối 10 Gbps trở lên thì các thiết bị CES này sẽ kết nối với nhau qua thiết bị truyền dẫn C/DWDM để ghép bước sóng, với dung lượng yêu cầu từ 2.5 Gbps trở lên sẽ dùng kết nối 10 Gbps giữa các thiết bị đó, nếu >2 Gbps và < 2.5 Gbps thì dùng 2 Gbps.
Các thiết bị truy nhập như MSAN, IP DSLAM dùng giao diện Ethernet (FE/GE) qua giao tiếp quang được kết nối với nhau và kết nối đến các thiết bị CES mạng truy nhập của mạng MAN-E để chuyển tải lưu lượng. Các MSAN/IP- DSLAM sẽ kết nối trực tiếp đến thiết bị CES của MAN-E hoặc hệ thống NG-SDH và sử dụng năng lực mạng MAN hoặc mạng truyền dẫn NG-SDH để chuyển tải lưu lượng giữa mạng IP/MPLS backbone với các thiết bị truy nhập MSAN/IP-DSLAM.
Hình 3.6 Kết nối các node truy nhập với MAN-E
Sử dụng thiết bị MSAN và cáp quang nhằm rút ngắn khoảng cách cáp đồng dùng cho các khu vực có nhu cầu cung cấp dịch vụ thoại, kết hợp các dịch vụ băng rộng. Trong trường hợp cung cấp dịch vụ thoại sẽ kết nối với các tổng đài HOST hiện có bằng giao diện V5.2.
3.2.3 Cấu trúc phân lớp theo chức năng các nút mạng
Theo mơ hình phân lớp mạng tổng quát của mạng MAN, mạng MAN có thể phân chia thành 2 lớp mạng: lớp mạng biên và lớp mạng lõi. Trong mỗi lớp mạng đó có thể bố trí các thiết bị mạng có chức năng khác nhau để thực thi các chức năng cần phải thực hiện của lớp mạng này tùy thuộc vào mục tiêu, qui mơ, kích cỡ của mạng MAN cần phải xây dựng. Các nút mạng thực hiện chức năng đó là:
- Nút truy nhập khách hàng: là nút mạng đầu tiên phân ranh giới tiếp
giáp giữa khách hàng và nhà cung cấp dịch vụ mang MAN và thuộc về nhà cung cấp dịch vụ. Nút mạng này được lắp đặt tại phía khách hàng hoặc được bố trí trong phạm vi mạng ngoại vi của nhà cung cấp dịch vụ. Khách hàng có thể kết nối với nút truy nhập khách hàng này thông qua các thiết bị chuyển mạch (lớp 2) hoặc các thiết bị định tuyến (lớp 3). Chức năng của nút mạng này là:
+ Cung cấp các loại hình giao diện mạng và người sử dụng (UNI) phù hợp với thiết bị kết nối của khách hàng.
+ Đảm bảo băng thông cung cấp cho khách hàng được thiết lập tương ứng với thỏa thuận cấp độ dịch vụ (SLA), loại hình dịch vụ (CoS) hoặc các đặc tính đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) đối với khách hàng.
- Nút tập trung: là nút trung chuyển giữa nút truy nhập khác hàng và nút kết nối mạng lõi (POP). Nút này đóng vai trị là nút tập hợp lưu lượng từ các nút truy nhập khách hàng để chuyển lên nút kết nối mạng lõi, dung lượng xử lý của nút này quyết định tới số lượng nút truynhập khác hàng có thể triển khai trong một khu vực nào đó đặc biệt đối với khu vực có số lượng khách hàng lớn. Đối với mạng khu vực có kích thước, dung lượng nhỏ, số lượng khách hàng ít có thể khơng cần có nút mạng này.
- Nút kết nối mạng lõi: Nút này có thực hiện tập hợp lưu lượng để
truyền tải lên mạng lõi MAN, nó thực hiện các chức năng như: + Đảm bảo kết nối một cách tin cậy với các phần tử mạng lõi + Kết nối các nút mạng Lõi MAN với nhau
+ Kết nối với các phần tử mạng lõi bằng giao thức thống nhất để truyền tải các loại hình dịch vụ
- Nút kết nối đường trục: nút này có thể là nút riêng biệt hoặc là nút kết
nối mạng lõi có thêm giao diện và giao thức kết nối phù hợp để kết nối với phần tử mạng đường trục để truyền tải các lưu lượng của các loại hình dịch vụ liên mạng.
3.2.4. Cơ sở toán học của việc quản lý băng thông trên mạng:
Hiện nay, do nhu cầu xã hội đã phát sinh nhiều ứng dụng mới hoạt động trên hạ mạng internet sẵn có. Các ứng dụng như hội nghị truyền hình, thoại IP (VoIP), địi hỏi lưu lượng phải đảm bảo chất lượng dịch vụ. Các yêu cầu này bao gồm băng thơng, tỷ lệ mất gói và độ trễ cho phép. Các thành phần của mạng như bộ định tuyến
thực hiện chức năng xử lý các luồng dữ liệu này có thể chấp nhận hoặc từ chối các luồng dữ liệu theo các điều kiện định trước. Tiến trình ra quyết định chấp nhận hay từ chối các luồng dữ liệu mới được gọi là điều khiển lưu lưọng vào. Vậy điều khiển lưu lượng vào giới hạn tải trên hệ thống hàng đợi bằng cách xác định xem liệu một yêu cầu dịch vụ mới có thể đáp ứng được khơng trong khi vẫn đảm bảo không phá vở các cam kết đảm bảo dịch vụ cho các luồng lưu lưọng đã được thiết lập. Các hệ thống hàng đợi là trung tâm trong việc cài đặt các dịch vụ mạng có điều khiển QoS.
Hình 3.8. Mơ hình quản lý băng thơng tĩnh
Quá trình thực hiện cam kết chất lượng dịch vụ đòi hỏi kết hợp các kỹ thuật điều khiển lưu lượng vào và các kỹ thuật phân phối lưu lượng ra. Điều khiển lưu lượng vào sẽ điều tiết gói dữ liệu đến giao diện mạng đầu vào. Phân phối lưu lượng ra định nghĩa quy tắc dịch vụ hàng đợi cho các giao diện mạng đầu ra bao gồm thứ tự các gói tin được thực sự chuyển đi. Mơ hình quản lý băng thông gồm như vậy được gọi là mơ hình quản lý băng thơng tĩnh.
3.2.4.1 Điều khiển lưu lượng vào
Giải thuật thùng đựng thẻ
Thùng đựng thẻ (Token bucket) là một cơ chế điều khiển lưu lượng vào dựa trên sự xuất hiện của các thẻ trong thùng (xem hình vẽ). Thùng thẻ chứa các thẻ, mỗi thẻ đại diện cho một đơn vị lưu lượng theo byte hoặc gói tin. Để truyền một gói tin, trong thùng sẽ bị rút bớt một lượng thẻ tương ứng. Người quản trị mạng chỉ định số thẻ cần thiết tương ứng với số byte cần truyền. Khi đủ thẻ trong thùng thì dữ liệu được cho phép truyền qua, ngược lại nếu khơng cịn thẻ thì dữ liệu sẽ khơng được truyền qua. Do đó, một luồng dữ liệu chỉ có thể được truyền ở tốc độ cao nhất khi đủ thẻ trong thùng.
Hình 3.9. Kỹ thuật thùng đựng thẻ
Giải thuật thùng thẻ được trình bày như sau: Mỗi thẻ được đưa vào thùng với tốc độ 1/r giây. Thùng chỉ có thể chứa tối đa b thẻ.
Một thẻ sẽ bị huỷ bỏ nếu khi thẻ đến gặp lúc thùng đầy.
Khi một gói tin n byte truyền đến, n thẻ sẽ được loại khỏi thùng, sau đó gói tin sẽ được truyền qua.
Nếu số thẻ cịn trong thùng nhỏ hơn n, gói tin sẽ khơng được truyền và được gọi là không đúng điều kiện (non-conformant), thẻ cũng sẽ không bị loại khỏi thùng.
Giải thuật cho phép tốc độ đỉnh tối đa b byte, nhưng tốc độ truyền gói tin của hệ thống bị giới hạn ở tốc độ r. Các gói tin khơng đúng điều kiện có thể được xử lý