KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH TIấN TIẾN
IPCP ATM Switch
In Out
a). Thiết bị chuyển mạch IP
IPCPATM Switch ATM Switch In Out Đ−ờng vào Đ−ờng ra b). Chuyển mạch IP ảo Hỡnh 4.3: Thiết bị chuyển mạch IP
Cú một sốđặc điểm khỏc nhau giữa hai mụ hỡnh chuyển mạch IP biểu diễn trờn hỡnh 4.3 trờn đõy. Mụ hỡnh thiết bị chuyển mạch IP (a) gồm bộ điều khiển IP và trường chuyển mạch tồn tại trong một thiết bịđơn. Mụ hỡnh chuyển mạch IP ảo bao gồm nhiều thành phần chuyển mạch được điều khiển trực tiếp hay giỏn tiếp của một bộđiều khiển IPCP. Sự khỏc nhau nữa là vị trớ của cỏc cổng vào và cổng ra. Trong cấu hỡnh của chuyển mạch IP thỡ cỏc cổng vào và cổng ra đều nằm trong cựng một đơn vị giao diện. Với bộ chuyển mạch IP ảo, thành phần vào/ra cũng cú thểđược định vị trờn cựng một đơn vị giao diện hoặc trờn mỗi giao diện riờng biệt. Điều đú dẫn tới cỏch thức sử dụng và sự phụ thuộc vào cỏc giao thức tỡm đường và bỏo hiệu ATM và IP trong mỗi mụ hỡnh là khỏc nhau.
(ii) Cơ chế hoạt động của chuyển mạch IP
Điều khiển bộ xử lý định tuyến IP được ghộp với chuyển mạch ATM và cho phộp chuyển mạch IP như một giao thức của bộ định tuyến IP thụng thường và thực hiện truyền gúi trờn nguyờn tắc từng chặng (1). Khi Luồng dữ liệu lớn xuất hiện giỏm sỏt bộ xử lý định tuyến IP sẽ
bỏo hiệu cho luồng truyền trạm kế tiếp phớa trờn để gỏn nhón của một tuyến ảo/ luồng ảo cho cỏc tế bào của luồng và sau đú sẽ cập nhật vào bảng định tuyến ở chuyển mạch ATM cú liờn quan. Gửi giao thức IFMP tới trạm phỏt (2). Tiến trỡnh này xảy ra độc lập giữa cỏc cặp chuyển mạch IP phụ thuộc vào tuyến kết nối. Nú trở thành nhiệm vụđơn giản trong kết nối ở cỏc bảng
định tuyến chuyển mạch IP. Khởi tạo một kết nối cú theo cỏc bước trờn hỡnh 4.4 dưới đõy. Nếu luồng đến được biờn dịch, nú sẽ gửi tiếp cỏc gúi của luồng trờn một Kờnh ảo rỗi với một nhận dạng kờnh ảo (3)
Luồng ra cú thể giỏm sỏt trờn cựng một luồng và yờu cầu chuyển mạch IP hiện thời sử dụng một VCI cho nú. (4)
Hỡnh 4.4: Mụ hỡnh kết nối theo chuyển mạch IP
Sau đú bộ điều khiển chuyển mạch IP chỉ dẫn chuyển mạch ATM tạo bản đồ cổng cho luồng đú. Cỏc số liệu tiếp theo sẽ được chuyển mạch trực tiếp trờn phần cứng của chuyển mạch ATM. (5) Upstream Node IP Switch Controller ATM Switch Upstream Node 2 4 a) Chế độ hoạt động mặc định IP Switch Controller ATM Switch Downstream Node 1 IP Switch Controller ATM Switch Downstream Node 5 4 IP Switch Controller ATM Switch Upstream Node Downstream Node 6 7
b) Gán nhãn theo luồng Upstream
Trong khoảng thời gian 60 giõy sau khi thiết lập luồng ảo, thỡ trạng thỏi của cỏc luồng ảo sẽ được kiểm tra. Nếu khụng cú số liệu truyền qua trong khoảng thời gian đú(time out), thỡ kờnh
ảo đú được giải phúng. Thời gian kiểm tra tuỳ thuộc vào cấu trỳc mạng và thuật toỏn điều khiển ấn định.
Một số giải phỏp và kỹ thuật dựa trờn chuyển mạch lớp 2 nhằm cải thiện cỏch thức định tuyến IP. Cuối năm 1996 nhúm làm việc cho IETF tạo ra một forum mới cú tờn là MPLS nhằm tiờu chuẩn hoỏ giải phỏp chuyển mạch và định tuyến kế hợp (chuyển mạch lớp 3 và lớp 4). Cho phộp nhiều nhà cung cấp thiết bị cựng nhau xõy dựng giải phỏp chuyển mạch IP. Cỏc giao thức này sẽđược chỉ ra trong cỏc phần sau.
Khi sử dụng phương phỏp định tuyến IP trờn nền mạng ATM dẫn tới một số vấn đề sau:
Cỏc bộđịnh tuyến tạo thành điểm nỳt tắc nghẽn và khụng thể hỗ trợ lưu lượng ổn định tại tốc độ quỏ cao (OC3), trong khi khả năng của trường chuyển mạch ATM là rất lớn.
Cỏc bảng định tuyến quỏ lớn và việc truy nhập địa chỉ mất quỏ nhiều thời gian, vấn đề
này cú thể cải thiện được nếu sử dụng bảng định tuyến đơn chiều, với sự sắp xếp nhón theo hỡnh cõy, phương phỏp tra cứu cú sự can thiệp chỉ dẫn của cỏc bảng VPI/VCI trong phần cứng.
Cỏc mạng IP thế hệ tiếp theo cần cú sự quản lý dải thụng, khả năng thực hiện và QOS mà ATM cú thểđưa ra.
Cần một cỏch thức đơn giản để hỗ trợ lưu lượng IP phi kết nối qua mạng hướng kết nối.
Bỏo hiệu và định tuyến trong ATM Forum UNI/NNI được coi là quỏ phức tạp, cần một giao thức đơn giản mà dễ chấp nhận đối với IP.
4.1.3 Cụng nghệ chuyển mạch MPLS/GMPLS
Giải phỏp cụng nghệ MPLS (Multi Protocol Label Switching) là kết quả của phỏt triển của nhiều giải phỏp chuyển mạch IP, mục tiờu cơ bản của giải phỏp này là tớch hợp định tuyến và chuyển mạch thành một tiờu chuẩn đơn nhất. Đặc biệt, MPLS là giải phỏp nhằm liờn kết định tuyến cỏc lớp mạng và cỏc cơ chế trao đổi nhón thành một giải phỏp đơn đểđạt được cỏc mục tiờu sau:
Cải thiện hiệu năng định tuyến
Cải thiện tớnh mềm dẻo của định tuyến trờn cỏc mụ hỡnh chồng lấn truyền thống. Tăng tớnh mềm dẻo trong quỏ trỡnh đưa và phỏt triển cỏc loại hỡnh dịch vụ mới.
MPLS cũng cú thể coi như một giải phỏp cụng nghệ tổ hợp, mạng MPLS cú khả năng chuyển cỏc gúi tin tại lớp 3 và tại lớp 2 sử dụng cơ chế hoỏn đổi nhón như một kỹ thuật chuyển tiếp. MPLS dựa trờn mụ hỡnh ngang cấp, vỡ vậy mỗi một thiết bị MPLS chạy một giao thức
định tuyến IP đơn, cập nhật trao đổi thụng tin định tuyến với cỏc thiết bị lõn cận, duy trỡ một khụng gian cấu hỡnh mạng và một khụng gian địa chỉ.
MPLS chia bộ định tuyến IP làm hai phần riờng biệt: chức năng chuyển gúi tin và chức năng điều khiển. Phần chức năng chuyển gúi tin giữa cỏc bộ định tuyến IP, sử dụng cơ chế
hoỏn đổi nhón như của ATM. Kỹ thuật hoỏn đổi nhón về bản chất là việc tỡm nhón của gúi tin trong một bảng cỏc nhón để xỏc định tuyến của gúi và nhón của nú. Việc này đơn giản hơn nhiều so với việc xử lý gúi tin thụng thường và do vậy cải tiến khả năng của thiết bị. Cỏc bộ định tuyến sử dụng thiết bị này gọi là bộđịnh tuyến chuyển mạch nhón LSR (Label Switching Router).
Phần chức năng điều khiển của MPLS bao gồm cỏc giao thức định tuyến lớp mạng với nhiệm vụ phõn phối thụng tin giữa cỏc LSR, và thủ tục gỏn nhón để chuyển thụng tin định tuyến thành cỏc bảng định tuyến cho việc chuyển mạch. MPLS cú thể hoạt động được với cỏc giao thức định tuyến Internet khỏc như OSPF và BGP. Do MPLS hỗ trợ việc điều khiển lưu lượng và cho phộp thiết lập tuyến cố định nờn việc đảm bảo chất lượng dịch vụ là hoàn toàn khả thi. Đõy là chức năng vượt trội của MPLS so với cỏc giao thức định tuyến khỏc. Tuy nhiờn, do MPLS là cụng nghệ chuyển mạch định hướng kết nối nờn khả năng bịảnh hưởng bởi lỗi đường truyền là cao hơn so với cỏc cụng nghệ khỏc.
Bờn cạnh độ tin cậy, cụng nghệ MPLS cũng khiến việc quản lý mạng đựơc dễ dàng hơn. Do MPLS quản lý việc chuyển tin theo cỏc luồng tin, cỏc gúi tin thuộc một lớp chuyển tiếp tương
đương FEC cú thểđược xỏc định bởi giỏ trị cuả nhón. Do vậy, trong miền MPLS cỏc thiết bị đo lưu lượng mạng cú thể dựa trờn nhón để phõn loại gúi tin. Bằng cỏch giỏm sỏt lưu lượng tại cỏc LSR, nghẽn lưu lượng sẽđược phỏt hiện và vị trớ xảy ra nghẽn cú thểđược xỏc định nhanh chúng, đõy là một trong những điều kiện đảm bảo cho mạng MPLS cú khả năng hỗ trợ QoS tốt nhất, vỡ vậy MPLS tạo ra cỏc lợi ớch cho cỏc nhà cung cấp dịch vụđể quản lý lưu lượng và hỗ
trợ cỏc dịch vụ mới. Tuy nhiờn, giỏm sỏt lưu lượng theo phương thức này khụng đưa ra toàn bộ
thụng tin về chất lượng dịch vụ (vớ dụ, như trễ xuyờn suốt).
Để giỏm sỏt tốc độ của mỗi luồng và đảm bảo cỏc luồng lưu lượng tuõn thủ tớnh chất lưu lượng đó định trước, hệ thống giỏm sỏt cú thể dựng thiết bị nắn lưu lượng. Thiết bị này cho phộp giỏm sỏt và đảm bảo lưu lượng được tuõn thủ theo tớnh chất mà khụng cần thay đổi giao thức hiện cú.
MPLS cú thểđược nhỡn nhận như một mặt bằng điều khiển trờn ATM cho phộp mở rộng phương phỏp định tuyến và điều khiển lưu lượng IP. Cú thể coi như là một phương phỏp xõy dựng cỏc VC ATM, ngoại trừ cỏc cuộc gọi MPLS là đường dẫn chuyển mạch nhón LSP (Label Switched Path). Khi chạy trờn phần cứng ATM, cả MPLS và forum ATM đều sử dụng cựng một khuụn dạng gúi tin (53 byte), cựng nhón (VPI/VCI), cựng một kỹ thuật dỏn nhón cho tế
bào chuyển mạch, cựng chức năng trờn cỏc thiết bị gờ mạng. Cả MPLS và ATM đều yờu cầu giao thức thiết lập kết nối ( vớ dụ, giao thức phõn bổ nhón LDP cho MPLS, UNI/PNNI cho ATM). Sự khỏc nhau cơ bản nằm trong một số vấn đề sau: MPLS khụng sử dụng địa chỉ ATM.
định tuyến ATM, và cỏc giao thức trong forum ATM. Thay vào đú, MPLS sử dụng địa chỉ IP,
định tuyến IP động, thờm vào đú là giao thức điều khiển phõn bổ nhón LDP để sắp xếp cỏc FEC vào trong LSP. Trong thực tế MPLS sẽ cựng tồn tại với mụi trường thuần ATM trong cấu hỡnh Ship-in-the-night (SIN), tại đú hai điều hành hoạt động theo chế độ tương hỗ, hoặc nỳt mạng MPLS cú thể trao đổi thụng tin qua cỏc chuyển mạch thuần ATM (tớch hợp). Cuối cựng, kiến trỳc MPLS cú thể hoạt động trờn bất kỳ một cụng nghệ liờn kết dữ liệu nào, khụng chỉ
ATM. Vỡ vậy, nhà cung cấp mạng cú thể cấu hỡnh và chạy MPLS trong một vựng cỏc kết nối như: giao thức điểm tới điểm PPP (Point to Point Protocol), chuyển mạch khung, ATM, LAN quảng bỏ.
Cụng nghệ chuyển mạch nhón đa giao thức tổng quỏt GMPLS (Generalized Multiprotocol Labed Switching là bước phỏt triển theo của cụng nghệ chuyển mạch nhón đa giao thức MPLS (Multiprotocol Labed Switching). GMPLS thực chất là sự mở rộng chức năng điều khiển của mạng MPLS, nú cho phộp kiến tạo mặt phẳng điểu khiển quản lý thống nhất khụng chỉở lớp mạng mà cũn thực hiện đối với cỏc lớp ứng dụng, truyền dẫn và lớp vật lý. Việc kiến tạo một mặt phẳng điều khiển thống nhất đối với cỏc lớp mạng hứa hẹn khả năng tạo ra một mạng đơn giản vềđiều hành và quản lý, cho phộp cung cấp cỏc kết nối từđầu cuối tới đầu, quản lý tài
nguyờn mạng một cỏch hoàn toàn tựđộng và cung cấp cỏc mức chất lượng dịch vụ (QoS) khỏc nhau cỏc ứng dụng trờn mạng.
Xu hướng phỏt triển mạnh mẽ việc xõy dựng cỏc hệ thống truyền tải quang trong cơ sở hạ
tầng mạng viễn thụng quốc tế núi chung, của quốc gia và cỏc nhà cung cấp dịch vụ mạng núi riờng đó phần nào đỏp ứng nhu cầu rất lớn về băng thụng truyền tải cho cỏc ứng dụng mới trờn mạng, chẳng hạn như ứng dụng mạng lưu trữ, thuờ băng thụng, cập nhật dữ liệu trực truyến trong cơ sở hạ tầng mạng truyền tải đa dịch vụ. Hiện nay người ta cho rằng để đỏp ứng được nhu cầu băng thụng cho cỏc ứng dụng dịch vụ thỡ mạng truyền tải chủ yếu sẽ là cỏc hệ thống truyền dẫn trờn sợi quang với cỏc thiết bị ghộp tỏch luồng ADM, thiết bị ghộp bước súng quang WDM, thiết bịđấu chộo luồng quang OXC... Sựđa dạng và phức tạp trong quản lý cỏc phần tử
mạng tại cỏc phõn lớp mạng khỏc nhau là nhõn tố cơ bản thuc đẩy việc nghiờn cứu cải tiến bộ
giao thức MPLS thành GMPLS khụng ngoài mục đớch thống nhất quản lý giữa cỏc thực thể
mạng khụng chỉở phương thức chuyển mạch gúi mà MPLS đó thực hiện mà cũn cả trong lĩnh vực chuyển mạch thời gian, khụng gian quản lý. GMPLS cũn mở rộng chức năng hỗ trợ giao thức IP đểđiều khiển thiết lập hoặc giải phúng cỏc đường chuyển mạch nhón LSP cho mạng hỗn hợp bao gồm cả chuyển mạch gúi, chuyển mạch kờnh, mạng quang.
Một trong những yếu tố kinh tế nổi bật của GMPLS đú là nú cú chức năng tựđộng quản lý tài nguyờn mạng và cung ứng kết nối truyền tải lưu lượng khỏch hàng từđầu cuối tới đầu. Việc cung ứng kết nối cho khỏch hàng theo kiểu truyền thống như đối với mạng truyền tải Ring SDH cú đặc điểm là mang tớnh nhõn cụng, thời gian đỏp ứng dài và chi phớ kết nối cao. Để
thiết lập được kết nối từđầu cuối đến đầu cuối theo phương thức nhõn cụng núi ở trờn người ta cần phải xỏc định cỏc vũng ring SDH nào trong mạng mà đường kết nối đú đi qua, dung lượng cũn lại của vũng Ring đú cũn đủ khả năng phục vụ khụng, nờu như chưa đủ thi cần phải tỡm
đường vu hồi qua vũng Ring nào khỏc? Sau khi xỏc định được đường kết nối người ta phải thụng bỏo cho toàn bộ cỏc nỳt mạng thuộc cỏc vũng ring để thực hiện cỏc thiết lập luồng hoặc
đấu chuyển nhõn cụng trong cỏc vũng ring, cụng việc này đũi hỏi rất nhiều nhõn cụng và tốn rất nhiều thời gian trao đổi thụng tin nghiệp vụ. Cụng nghệ GMPLS cho phộp cỏc nỳt mạng tự động cung cấp cỏc kết nối theo yờu cầu do vậy giỏ thành chi phớ cung cấp kết nối cũng như giỏ thành quản lý bảo dưỡng giảm đi rất nhiều, thời gian cung ứng kết nối cung cấp dịch vụ giảm
đi rất nhiều so với phương phỏp truyền thống. 4.2 KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH ATM
4.2.1. Mụ hỡnh phõn lớp ATM
Cụng nghệ truyền tải khụng đồng bộ ATM là kĩ thuật chuyển mạch gúi tốc độ cao được ITU-T thụng qua như là cỏc chuẩn ghộp kờnh và chuyển mạch cho mạng số tớch hợp đa dịch vụ băng rộng B-ISDN (Broadband Integrated Service Digital Network). ATM sử dụng cỏc gúi cú độ
dài cốđịnh được gọi là cỏc tế bào để mang cỏc lưu lượng thoại, dữ liệu, video và đa phương tiện. ATM được xem là cụng nghệ đầu tiờn cung cấp băng thụng theo yờu cầu và cho phộp nhiều người dựng tối ưu tài nguyờn mạng bằng cỏch chia sẻ băng thụng một cỏch hiệu quả. Hỡnh 4.4 dưới đõy chỉ ra mụ hỡnh tham chiếu của ATM với mụ hỡnhB-ISDN và so sỏnh với mụ hỡnh OSI. Mụ hỡnh tham chiếu của ATM chia thành cỏc mặt bằng và cỏc lớp.
a, Cỏc mặt bằng của mụ hỡnh tham chiếu B-ISDN. (i) Mặt bằng quản lý
Thực hiện hai chức năng chớnh: Đầu tiờn là chức năng quản lý lớp được chia thành cỏc lớp khỏc nhau nhằm thực hiện cỏc chức năng liờn quan tới nguồn thụng tin và cỏc tham số của cỏc
thực thể giao thức tại cỏc lớp; tiếp theo là quản lý mặt bằng: Liờn quan đến quản lý toàn bộ hệ
thống và phối hợp cỏc mặt bằng với nhau. Trong khi quản lý mặt bằng khụng cú cấu trỳc phõn lớp thỡ quản lý lớp lại cú cấu trỳc phõn lớp.
Hỡnh 4.5: Mụ hỡnh tham chiếu của ATM-BISDN và OSI (ii) Mặt bằng người dựng
Thực hiện truyền thụng tin của người sử dụng từ nguồn đến đớch trong phạm vi của mạng, cỏc dịch vụ cú thể là thoại, số liệu, hỡnh ảnh. Thực hiện cỏc chức năng lớp cao nhưđiều khiển luồng, điều khiển tắc nghẽn, chống lỗi. Ngoài ra mặt phẳng người dựng cũng cú cấu trỳc phõn lớp, mỗi lớp thực hiện một chức năng riờng biệt liờn quan tới việc cung cấp một loại dịch vụ
cho người dựng.
(iii) Mặt bằng điều khiển và bỏo hiệu
Thực hiện cỏc chức năng như: Điều khiển kết nối, xử lý cuộc gọi và cỏc chức năng bỏo hiệu liờn quan đến việc thiết lập, duy trỡ, giỏm sỏt và giải phúng kết nối.
b, Cỏc lớp của mụ hỡnh tham chiếu ATM với OSI (i) Lớp vật lý
Lớp vật lý được chia thành 2 lớp con, lớp con mụi trường vật lý PM (Physic Medium) và lớp