Cuối cựng một giải phỏp cho mạng truyền số liệu thành phố đó ra đời, đú là cụng nghệ RING chuyển mạch gúi hồi phục nhanh (RPR), RPR đó kế thừa hai đặc trưng quan trọng của mạng SONET đú là:
- Cú thể kết nối theo cấu hỡnh RING và
- Cú thể khụi phục đường truyền nhanh khi cỏp quang bị đứt.
Ngoài ra, RPR cú thể cung cấp đường truyền số liệu hiệu quả, đơn giản và giỏ thành thấp nh dịch vụ Ethernet. Đồng thời RPR đó giải quyết được vấn đề về sự đồng đều băng thụng giữa cỏc người sử dụng (Fairness) và điều khiển sự tắc nghẽn lưu lượng trong mạng mà cho đến nay cỏc cụng nghệ hiện tại vẫn chưa giải quyết đựơc.
II. NHỮNG HẠN CHẾ CỦA SONET VÀ ETHERNET TRONG MẠNGMAN: MAN:
1. SONET:
Hầu hết mạng cỏp quang Thành phố đều được kết nối theo cấu hỡnh RING, cấu hỡnh RING phự hợp cho mạng TDM trờn cơ sở SONET, đú là cấu hỡnh chớnh đang sử dụng hiện nay của mạng Thành phố. Tuy nhiờn cũng cú những bất lợi nhón tiền khi sử dụng SONET để truyền tải lưu lượng số liệu, vỡ SONET được thiết kế theo cấu hỡnh Điểm- Điểm, chuyển mạch kờnh và hầu hết cỏc hạn chế của SONET đều bắt đầu từ đõy. Dưới đõy là cỏc hạn chế của SONET:
+ Số lượng mạch là cố định:
SONET thiết lập cỏc mạch điểm- điểm giữa cỏc Node trong vũng RING. Mỗi mạch được ấn định một băng thụng cố định do vậy rất lóng phớ trong trường hợp mạch này khụng sử dụng.
Hỡnh 5.2: Mụ tả cấu trỳc kết nối SONET RING
Việc ấn định cố định băng thụng sẽ hạn chế khả năng truyền tải dữ liệu giữa cỏc node, trong trường hợp lưu lượng tăng đột biến giữa 2 node thỡ cú thể xảy ra nghẽn mạch. Đõy là nhược điểm đối với loại lưu lượng dữ liệu, chỳng cú bản chất là bựng nổ lưu lượng.
+ Lóng phớ băng thụng trong cấu hỡnh Mesh:
Trong cấu hỡnh này, người thiết kế phải khai bỏo cỏc kết nối giữa cỏc Node bất kỳ trong mạng với nhau, điều này khụng những gặp khú khăn trong quỏ trỡnh thực hiện mà cũn khụng hiệu quả trong việc sử dụng băng thụng. Khi lưu lượng dữ liệu ở trong mạng nội bộ thành phố tăng lờn, một mạng hỡnh lưới đầy đủ mà dễ triển khai, bảo dưỡng và nõng cấp trở thành một yờu cầu quan trọng.
+ Chuyển lưu lượng đến nhiều điểm:
Trong mạng RING SONET, để thực hiện việc chuyển tải lưu lượng đến nhiều điểm, thỡ tại node nguồn phải ấn định cỏc kết nối riờng biệt đến từng node đớch, đồng thời phải sao gởi từng gúi dữ liệu đến từng node đớch, kết quả là sẽ cú
Kết nối cáp quang
rất nhiều gúi dữ liệu (giống nhau) được truyền tải trong mạng gõy lóng phớ băng thụng.
+ Lóng phớ băng thụng phục vụ cho việc bảo vệ mạng:
Thụng thường mạng SONET phải giành 50% băng thụng của mạng RING để duy trỡ cho việc bảo vệ đường truyền, nh vậy là quỏ lóng phớ. Việc bảo vệ là cần thiết, SONET khụng thực hiện được việc cho phộp nhà cung cấp lựa chọn bao nhiờu băng tần giành cho bảo vệ.
Hỡnh 5.3: Mạng RING SONET theo cấu hỡnh Mesh
2. Ethernet:
Khụng giống nh SONET, Ethernet khụng cú ưu điểm của mạng RING trong việc thực hiện bảo vệ nhanh đường truyền. Ethernet thường được ứng dụng trong cấu trỳc hỡnh cõy trải dài (spanning tree) để nhằm loại bỏ tất cả cỏc mạch vũng từ mạng chuyển mạch. Mặc dự trong giao thức spanning tree chúng ta cú thể thực hiện việc tạo ra đường dự phũng, nú cú thể khụi phục đường truyền khi cú sự cố cỏp quang, lỳc đú sự khụi phục đường truyền sẽ phải lan truyền qua từng node. Sự
Kết nối cáp quang
tập hợp liờn kết (802.1ad) cú thể cung cấp một giải phỏp khụi phục nhanh mức liờn kết nhưng tương đối chậm từ 500ms đến 50ms và khụng thớch hợp cho việc bảo vệ mức đường truyền.
Ethernet cũng khụng thực hiện tốt việc phõn bổ băng thụng cụng bằng tổng thể.
Hỡnh 5.4: Mạng Ethernet qua Ring Topology-Sơ đồ logic
III. MẠNG RING CHUYỂN MẠCH GểI PHỤC HỒI NHANH
Như đó phõn tớch ở trờn, cả SONET và Ethernet đều khụng phải là lựa chọn lý tưởng trong việc điều khiển lưu lượng số liệu trong mạng RING. SONET cú nhiều ưu điểm khi kết nối theo mạng RING, nhưng khụng điều khiển lưu lượng một cỏch hiệu quả, bỏ phớ băng thụng trong mạng RING. Ethernet phự hợp cho lưu lượng dữ liệu nhưng lại khú kết nối theo mạng RING, do vậy khụng cú những ưu điểm của mạng RING.
Cụng nghệ RPR là một kiến trỳc mạng nổi bật và cụng nghệ được thiết kế để đạt cỏc yờu cầu của mạng thành phố chuyển mạch gúi. Khụng giống nh những cấu trỳc mạng hiện tại dựa trờn cụng nghệ chuyển mạch Ethernet hay Sonet ADM, RPR đó giải quyết được cỏc vấn đề tắc nghẽn một cỏch triệt để.
802.1ad
802.1ad
GigE GigE GigE
Internet
Trong vài năm qua, cỏc mạng RING cỏp quang đó phỏt triển tại cỏc thành phố, do vậy buộc cỏc nhà khai thỏc phải cú nhiều phương ỏn, cụng nghệ để khai thỏc một cỏch triệt để dung lượng cỏc tuyến cỏp quang trờn. Vấn đề quản lý tài nguyờn dựng chung trong mạng RING một cỏch hiệu quả (trong trường hợp mạng RING cỏp quang, tài nguyờn đũi hỏi phải được dựng chung cho hàng nghỡn thuờ bao trong mạng thành phố) được giải quyết hiệu quả nhất tại lớp MAC của ngăn xếp giao thức. RPR (IEEE 802.17) sẽ là một giao thức MAC mới được thiết kế cho cỏc mạng RING cỏp quang Thành phố.
Với việc tạo ra giao thức MAC cho mạng ring, RPR đó đưa ra giải phỏp cơ bản để giải quyết vấn đề tắc nghẽn của mạng Thành phố. Cỏc giải phỏp khỏc cố gắng tạo sự thay đổi lớn với cỏc sản phẩm hiện cú nhưng khụng đưa ra vấn đề cơ bản và do đú khụng hiệu quả. Cả SONET và chuyển mạch Ethernet đều khụng đưa ra sự cần thiết đối với lớp MAC được thiết kế cho mụi trường mạng Thành phố. SONET sử dụng kỹ thuật lớp 1 (kết nối điểm- điểm) để quản lý dung lượng trờn mạng RING. Chuyển mạch Ethernet dựa trờn cầu Ethernet hay định tuyến IP để quản lý băng thụng. Do đú mạng hoặc sử dụng khụng đỳng mức trong trường hợp của SONET hoặc khụng định rừ trong trường hợp của chuyển mạch Ethernet.
IV. CÁC ĐẶC TÍNH CỦA RPR
RPR cú nhiều đặc tớnh đặc biệt tạo nờn một nền tảng lý tưởng để phõn phỏt cỏc dịch vụ dữ liệu trong cỏc mạng thành phố.
1. Kiến trỳc tỏch ghộp cỏc gúi dữ liệu:
Chúng ta hóy so sỏnh cấu trỳc tỏch ghộp gúi trong RPR với cấu trỳc tỏch ghộp gúi trong Ethernet.
Mạng Thành phố xõy dựng với cỏc bộ chuyển mạch Ethernet bao gồm cỏc node được kết nối theo cấu hỡnh điểm-điểm. Lưu lượng mạng phải lần lượt đi qua cỏc trung gian khi truyền từ node nguồn đến node đớch. Mỗi node trung gian phải xử lý lưu lượng mà nú cho đi qua với tốc độ đường truyền. Cỏc kỹ thuật xử lý gúi
tại mỗi node cú thể xử lý được ở cỏc tốc độ thấp từ 1-2.5 Gb/s. Nhưng nếu tốc độ dũng dữ liệu mà bằng hoặc lớn hơn 10 Gb/s thỡ mạng sẽ bị tắc nghẽn.
Hỡnh 5.5: Cấu trỳc kết nối mạng Ethernet điểm- điểm
Đối với hệ thống RPR, tại mỗi node sẽ dễ dàng cho truyền qua cỏc lưu lượng trung chuyển mà khụng phải xếp hàng nh đối với cấu hỡnh Ethernet. Thực thể MAC trong mỗi node thực hiện chức năng sau:
Ghộp: Ghộp lưu lượng vào mạng từ node đú. Tỏch: Tỏch lưu lượng ra khỏi mạng từ node đú.
Trung chuyển: Chuyển tiếp cỏc lưu lượng qua node đú.
Đường truyền chuyển tiếp trở thành 1 phần của phương tiện truyền dẫn hiệu quả và làm cho vũng RING RPR hoạt động nh một phương tiện chuyển tiếp dựng chung giữa cỏc node. Vỡ tại mỗi node khụng phải xử lý lưu lượng chuyển tiếp, do vậy kiến trỳc tỏch ghộp gúi cú thể dễ dàng mở rộng tới cỏc tốc độ dũng số liệu cao hơn.
Hỡnh 5.6: Cấu trỳc tỏch ghộp gúi RPR
Ưu điểm cơ bản của Ring gúi là tại mỗi node cú thể giả thiết rằng một gúi đó được gửi đi trờn ring thỡ cuối cựng gúi đú sẽ đến được node đớch mà khụng chỳ ý đến đường truyền nào trong mạng ring đó thực hiện. Do cỏc node biết rằng tất cả cỏc node trong vũng RING đều cú 3 nhiệm vụ là: Tỏch, ghộp, chuyển tiếp cỏc gúi, điều này đó làm giảm số lượng cụng việc mà mỗi node phải kết nối với cỏc node khỏc, đặc biệt khi so sỏnh với mạng Mesh, ở đú mỗi node trong mạng Mesh phải quyết định cổng nào sẽ được sử dụng để gửi cỏc gúi đi.
Hỡnh 5.7: Ring gói 2 hướng
2.Điều khiển gúi trong giao thức SRP
Quỏ trỡnh xử lý gúi tại một node
Cú hai địa chỉ SRP MAC ở mỗi giao tiếp SRP. Mỗi địa chỉ SRP MAC được nối đến một đụi cỏp quang. Cỏc node trờn ring SRP được kết nối giống nh hệ thống vũng ring FDDI ( Fiber Distributed Data Interface) mặt A trờn một router sẽ kết nối với mặt B của một rauter khỏc.
Khi cần một gúi được truyền đến một node, gúi này sẽ dược kiểm tra địa chỉ đớch cần đến, nếu gúi cần truyền đến node thỡ nú truyền lờn lớp trờn để xử lý, nếu gúi khụng phải chuyển đến node này thỡ nú sẽ được đưa vào bộ phận chuyển tiếp ( transit buffer) để tiếp tục truyền đi đến node khỏc.
Quỏ trỡnh tỏi sử dụng trong khụng gian
Mỗi đặc điểm nổi bật của cụng nghệ DPT là việc sử dụng băng thụng và một cỏch hiệu quả. Với khả năng tỏi sử dụng khụng gian của giao thức SRP, băng thụng của vũng ring DPT tăng lờn đỏng kể. Cỏc kỹ thuật vũng ring trước đõy nh
FDDI hoặc Token Ring, nơi phỏt sẽ hủy bỏ cỏc gúi dữ liệu khi cỏc gúi này đi toàn bộ vựng ring. Ngược lại, trong giao thức SRP, đớch đến sẽ thực hiện việc hủy bỏ cỏc gúi ra khỏi vũng ring, và vỡ vậy, toàn bộ băng thụng trờn phần cũn lại của vũng ring được dành cho cỏc gúi khỏc. Hơn nữa, cỏc node cú thể truyền cỏc gúi lờn vũng ring đồng thời, điều này làm cho băng thụng của vũng ring được tận dụng tối đa.
Quỏ trỡnh điều khiển gúi ở phớa thu
Tại mỗi node phớa thu cú thể thực hiện cỏc cụng việc sau:
- Hủy bỏ cỏc gúi: node hủy bỏ cỏc gúi ra khỏi vũng ring, việc này được thực hiện khi cỏc giỏ trị TTL hay RI khụng hợp lệ.
- Nhận và hủy bỏ : gúi được đưa lờn lớp trờn để xử lý và hủy bỏ khỏi vũng ring.
- Nhận và gửi đi: nếu gúi alf multicast, node sẽ đưa lờn lớp trờn và đưa vào bộ đệm chuyển tiếp để truyền sang node khỏc.
- Truyền qua: gúi được đưa đến bộ đệm chuyền tiếp để truyền sang node kế tiếp khỏc nếu nú khụng phải đến node đú.
- Chuyển vũng: cỏc gúi được truyền theo hướng nhược lại trờn vũng ring kia.
Điều khiển gúi phớa phỏt: Phớa phỏt thực hiện cỏc cụng việc sau
- Kiểm tra độ ưu tiờn của gúi và đặt vào hàng thớch hợp
- Chọn gúi kế tiếp được truyền đi từ bộ đệm chuyển tiếp hay bộ đệm phỏt.
- Điều khiển dũng lưu lượng sử dụng thuật toỏn SRP-fa
Quỏ trỡnh nhận dạng cấu hỡnh: Nhận dạng cấu hỡnh đúng một vai trũ quan trọng
ring gửi đi theo chu kỳ cỏc gúi nhận dạng cấu hỡnh ở vũng ring ngoài, cỏc node nhận được gúi này sẽ ghi nhận thụng tin về trạng thỏi của vũng ring, sau đú gúi này được chuyển đến node kế tiếp. Khi gúi này trở về nơi xuất phỏt, nú sẽ được nhận lại và hủy bỏ khỏi vũng ring.
3. Giao thức SRP (Spatial Reuse Protocol)
Trờn vũng ring DPT, mỗi node thực thi một thuật toỏn SRP-fa ở lớp MAC. Hoạt động của giao thức SRP và thuật toỏn SRP-fa như sau
Cỏc hoạt động ở phớa thu: cỏc gúi đi vào một node được sao chộp vào bộ đệm thu nếu địa chỉ đớch của gúi này phự hợp với node. Nếu địa chỉ đớch là phự hợp và gúi là unicast, gúi đú sẽ được loại khỏi vũng ring và được chuyển lờn xử lý ở lớp cao hơn. Gúi sẽ được đưa vào transit buffer để gửi đến node kế tiếp nếu:
- Địa chỉ đớch của gúi khụng phự hợp với địa chỉ của node.
- Gúi là multicast và địa chỉ nguồn của gúi khụng phự hợp với địa chỉ của node.
- Gói qua được quỏ trỡnh kiểm tra TTL (Time To Live) và CRC (Cyclic Redundancy Check).
Hoạt động ở phớa phỏt: một gúi truyền đi từ một node thỡ được lấy từ bộ đệm chuyển tiếp hoặc là dữ liệu từ node đú thụng qua bộ đờm phỏt. Để xỏc định gúi kế tiếp nào được truyền đi, chương trỡnh phải thực hiện việc lựa chọn giữa cỏc gúi tin chuyển tiếp cú độ ưu tiờn thấp và độ ưu tiờn cao và cỏc gúi phỏt cú độ ưu tiờn thấp và độ ưu tiờn cao theo nguyờn lý như sau:
- Truyền cỏc gúi tin cú độ ưu tiờn cao trước cỏc gúi cú độ ưu tiờn thấp. - Trỏnh việc hủy cỏc gúi tin đang lưu thụng trờn vũng ring.
Việc xỏc định cỏc gúi được truyền đi được thực hiện theo thứ tự phõn cấp độ ưu tiờn nh sau:
- Cỏc gúi tin phỏt cú độ ưu tiờn cao từ host. - Cỏc gúi tin phỏt cú độ ưu tiờn thấp từ hots. - Cỏc gúi tin chuyển tiếp cú độ ưu tiờn thấp.
Tuy nhiờn, quỏ trỡnh phõn cấp độ ưu tiờn trờn sẽ bị thay đổi khi xảy ra hiện tượng quỏ ngưỡng trờn hàng cú độ ưu tiờn thấp để đảm bảo rằng:
- Bộ đệm chuyển tiếp khụng bị tràn trong lỳc đang truyền cỏc gúi được phỏt từ node đú.
- Dũng lưu lượng chuyển tiếp cú độ ưu tiờn thấp khụng phải chờ quỏ lõu trong khi truyền cỏc gúi cú độ ưu tiờn thấp từ node đú.
4. Sự linh hoạt của lớp vật lý
Hiện nay tiờu chuẩn RPR được phỏt triển dựa trờn giao thức MAC mới, giao thức này thiết kế cho cỏc cụng nghệ mạng RING. Vỡ vậy cỏc cụng nghệ RING gúi sẽ tương thớch với cỏc tiờu chuẩn lớp vật lý của Ethernet SONET và DWDM.
5. Khả năng hồi phục nhanh
Cỏc RING gúi cú ưu điểm là khả năng hồi phục tự nhiờn. Trong trường hợp là Ethernet, ưu điểm này được thể hiện ở giao thức hỡnh cõy trải dài, tuy nhiờn cơ chế phục hồi tương đối chậm. Trong RPR, khả năng khụi phục đường truyền đạt tới thời gian <50ms. Giao thức ring gúi cú thể khởi tạo một “ quay vũng” tại cỏc node xung quang điểm cắt hoặc gửi lại gúi.
Hỡnh 5.8: Khụi phục mạng khi cú sự cố đứt cỏp quang
6. Phõn bổ cụng bằng băng thụng
RING gúi cú ưu điểm vốn cú đối với thực hiện cỏc thuật toỏn điều chỉnh cõn bằng băng thụng. Băng thụng ring là tài nguyờn dựng chung và do vậy mọi người sử dụng trong mạng RING đều cú quyền nh nhau về băng thụng của vũng RING, nghĩa là băng thụng của vũng RING là tài nguyờn sử dụng chung cho tất cả cỏc thuờ bao.
Chớnh sỏch băng thụng cú thể cho phộp tận dụng tối đa băng thụng mạng RING giữa hai node (trong trường hợp khụng cú nghẽn xảy ra), khụng biểu hiện sự cứng nhắc của hệ thống chuyển mạch kờnh cố định trong SONET và hiệu quả hơn Ethernet điểm-điểm.
` SONET cũng cung cấp cỏc mạch điểm-điểm và thực hiện việc ấn định băng thụng cố định cho mỗi kết nối, đú là sự thiếu mềm dẻo của SONET, việc thờm và bớt băng thụng phải khai bỏo lại cấu hỡnh của cỏc mạch mới và việc duy trỡ cỏc mạch đú sẽ làm lóng phớ băng thụng.
Packet Ring Data Packet
Đứt cáp quang
Đối với mạng mà lưu lượng luụn thay đổi (rất điển hỡnh trong mạng chuyển mạch gúi), chỉ cú một cỏch duy nhất để tối húa ưu mạng mà khụng phải loại bỏ bớt