Tổng quan về IP/WDM

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IP/WDM 1.1 Khái niệm mạng IP/WDM Mạng IP/WDM được thiết kế để truyền dẫn lưu lượng IP trong một mạng quang cho phép WDM để tận dụng sự phổ biến của kết nối IP và dung lượng băng thông cực lớn của WDM. Hình 1.1 dưới đây chỉ ra việc truyền dẫn các gói tin IP hoặc các tín hiệu SONET/SDH thông qua mạng WDM. Một khối điều khiển bằng phần mềm sẽ điều khiển ma trận chuyển mạch. Ở đây, IP, với vai trò là công nghệ ở lớp mạng, sẽ dựa trên tầng dữ liệu để cung cấp:  Đóng khung (ví dụ như SONET hay Ethernet)  Phát hiện lỗi (ví dụ như kiểm tra CRC)  Sửa lỗi (ví dụ như yêu cầu phát lại tự động ARQ) Một vài các chức năng tầng liên kết được thể hiện trong giao diện ví dụ như các giao diện khách xen/tách hay các giao diện truyền dẫn nhờ vật lí. M UX M UX Hình 1.1 Truyền tải gói tin IP trên các kênh bước sóng Một mục tiêu của mạng quang là cung cấp truyền dẫn trong suốt quang từ đầu cuối tới đầu cuối để tối thiểu hoá trễ mạng. Điều này đòi hỏi các giao diện toàn quang và các ma trận chuyển mạch toàn quang cho các thành phần mạng trung gian và biên giới mạng. Bộ phát đáp được sử dụng để khuyếch đại tín hiệu quang. Tồn tại các bộ phát đáp toàn quang (các laser biến đổi được) và các bộ phát đáp quang-điện-quang (O-E-O). Hình cũng chỉ ra hai loại lưu lượng là IP (ví dụ như Gigabit Ethernet) và SONET/SDH và do đó đòi hỏi các giao diện giữa Gigabit Ethernet và SONET/SDH. Trong trường hợp các kết nối đa truy nhập, một tầng con của tầng liên kết dữ liệu là giao thức truy nhập môi trường (MAC) sẽ làm trung gian truy nhập để chia sẻ kết nối sao cho tất cả các node đều có cơ hội truyền dữ liệu. Hiện đang tồn tại ba xu hướng chính để truyền dẫn IP trên nền WDM (Hình 1.2). Xu hướng thứ nhất là truyền dẫn IP trên ATM, sau đó qua SONET/SDH và cuối cùng là sợi quang WDM. Ở đây WDM được dùng như là công nghệ truyền dẫn song song với tầng vật lý. Ưu điểm chính của phương pháp này là nhờ việc sử dụng ATM, các loại lưu lượng khác nhau với các đòi hỏi QoS khác nhau có thể được mang trên cùng một sợi quang. Hình 1.2 Ba xu hướng cho IP/WDM (tầng dữ liệu) Một ưu điểm khác khi dùng ATM là khả năng sử dụng kĩ thuật lưu lượng và độ mềm dẻo trong việc giám sát mạng của ATM. Nó bổ sung cho định tuyến lưu lượng nỗ lực tối đa (best effort) của IP truyền thống. Tuy nhiên, xu hướng này bị cho là phức tạp, tăng chi phí mạng và có xu hướng tạo ra các nghẽn cổ chai tính toán ở các IP ATM IP/MPLS SONET/SDH SONET/SDH IP/MPLS WDM WDM WDM mạng tốc độ cao. Nó được giải quyết bởi sự xuất hiện của kĩ thuật MPLS trong tầng IP. Các đặc tính chính của MPLS như sau:  Sử dụng một nhãn đơn giản và có độ dài cố định để xác định dòng/tuyến.  Tách riêng dữ liệu chuyển tiếp và thông tin điều khiển. Thông tin điều khiển được dùng để thiết lập đường đi ban đầu nhưng các gói tin được vận chuyển tới node kế tiếp dựa theo nhãn trong bảng chuyển tiếp.  Với một mô hình chuyển tiếp đồng nhất và được đơn giản hoá, các mào đầu IP chỉ được xử lý và kiểm tra tại các biên giới của các mạng MPLS và sau đó các gói tin MPLS được chuyển tiếp dựa theo các “nhãn” (thay vì phải phân tích các mào đầu gói tin IP đã được đóng gói).  MPLS cung cấp đa dịch vụ. Ví dụ một mạng riêng ảo VPN thiết lập bởi MPLS có một mức độ ưu tiên cụ thể được xác định bởi trường tương đương chuyển tiếp FEC (Forwarding Equivalence Class).  Cho phép phân loại các gói tin dựa theo chính sách. Các gói tin được kết hợp trong FEC nhờ việc sử dụng một nhãn. Việc sắp xếp gói tin vào FEC được thực hiện tại biên giới mạng dựa theo trường dịch vụ hoặc địa chỉ đích trong phần mào đầu của gói tin.  Cung cấp các cơ chế cho phép kĩ thuật lưu lượng. Các cơ chế này được triển khai để cân bằng tải tuyến nhờ giám sát lưu lượng và thực hiện chỉnh các dòng một cách tích cực hoặc dự đoán trước. Trong mạng IP hiện tại, kĩ thuật lưu lượng là rất khó nếu không nói là không thể vì chuyển đổi hướng lưu lượng dùng các chỉnh sửa định tuyến không trực tiếp là không hiệu quả và nó có thể gây ra tắc nghẽn nghiêm trọng hơn ở đâu đó trong mạng. MPLS cho phép định tuyến hiện bởi nó cung cấp và tập trung chủ yếu vào chuyển tiếp dựa trên trường. Ngoài ra MPLS cũng cung cấp các công cụ cho điều khiển lưu lượng như kĩ thuật đường ngầm, kĩ thuật tránh và phòng vòng lặp, kĩ thuật ghép dòng. Xu hướng thứ hai là IP/MPLS trên nền SONET/SDH và WDM. SONET/SDH cung cấp một số đặc tính hấp dẫn sau cho xu hướng này:  SONET cung cấp một phân cấp ghép kênh tín hiệu quang tiêu chuẩn qua đó các tín hiệu tốc độ thấp được ghép thành các tín hiệu tốc độ cao.  SONET cung cấp một tiêu chuẩn khung truyền dẫn.  Mạng SONET có khả năng bảo vệ/hồi phục hoàn toàn trong suốt đối với các tầng cao hơn, ở đây là tầng IP. Các mạng SONET thường sử dụng mô hình ring. Sơ đồ bảo vệ SONET có thể là:  1+1, nghĩa là dữ liệu được truyền dẫn trên hai hướng ngược nhau và ở đích thì tín hiệu có chất lượng tốt hơn sẽ được lựa chọn.  1:1, chỉ ra rằng có một đường bảo vệ dành riêng cho đường chính  n:1, thể hiện một số đường chính (n) chia sẻ chung một đường bảo vệ. Thiết kế của SONET cũng tăng cường OAM&P để truyền các thông tin cảnh báo, điều khiển và hiệu năng giữa các hệ thống và giữa các mức mạng. Tuy nhiên, SONET mang quá nhiều thông tin mào đầu và chúng lại được mã hoá ở nhiều mức khác nhau. Mào đầu đường (POH) được mang từ đầu cuối tới đầu cuối. Mào đầu tuyến (LOH) được sử dụng cho tín hiệu giữa thiết bị kết cuối tuyến ví dụ như các bộ ghép kênh OC-n. Mào đầu đoạn (SOH) được sử dụng để thông tin giữa các thành phần mạng liền kề ví dụ như các bộ tái tạo. Với một OC-1 với tốc độ là 51,84 Mbps, phần tải của nó chỉ có khả năng truyền dẫn một DS-3 với tốc độ bit là 44,736 Mbps. Xu hướng thứ ba ứng dụng IP/MPLS trực tiếp trên WDM và là giải pháp hiệu quả nhất. Tuy nhiên, nó lại yêu cầu tầng IP có trách nhiệm bảo vệ và phục hồi tuyến. Nó cũng yêu cầu một khuôn dạng khung được đơn giản hoá để điều khiển lỗi truyền dẫn. Có một vài lựa chọn khuôn dạng khung cho IP trên nền WDM. Một vài công ty đã phát triển một chuẩn mới là Slim SONET/SDH. Nó cung cấp các chức năng tương tự như SONET/SDH nhưng với các kĩ thuật hiện đại để thay thế mào đầu và ghép kích thước khung vào kích thước gói tin. Một ví dụ khác là ứng dụng khuôn dạng khung Gigabit Ethernet. Chuẩn 10-Gigabit Ethernet mới được thiết kế là để dành riêng cho các hệ thống WDM ghép chặt. Sử dụng khuôn dạng Ethernet, các máy chủ ở bất kì hướng nào của kết nối cũng không cần sắp xếp lên một khuôn dạng giao thức khác (ví dụ như ATM) để truyền dẫn. Các mạng IP truyền thống sử dụng báo hiệu trong băng nên lưu lượng báo hiệu và điều khiển được truyền dẫn trên cùng một đường và tuyến. Một mạng quang WDM có một mạng truyền thông riêng rẽ dành cho các bản tin điều khiển. Như vậy nó sử dụng báo hiệu ngoài băng như trong hình 1.3 Lưu lượng dữ liệu Báo hiệu ngoài băng Báo hiệu trong băng Lưu lượng dữ liệu và điều khiển (a) Mạng WDM (b) Mạng IP truyền thống Hình 1.3 Lưu lượng dữ liệu và điều khiển trong mạng IP và WDM Trong mặt phẳng điều khiển, IP trên nền WDM có thể hỗ trợ nhiều kiến trúc mạng khác nhau và sự lựa chọn kiến trúc chỉ phụ thuộc vào môi trường mạng hiện có, nhà quản trị và chủ sở hữu mạng. 1.2 Lí do chọn IP/WDM IP là giao thức được thiết kế để xác định địa chỉ mạng lớp ba và từ đó định tuyến qua các mạng con với các công nghệ lớp hai khác nhau. Phía trên tầng IP tồn tại rất nhiều các dịch vụ và ứng dụng dựa trên nền tảng IP khác nhau. Trong khi đó phía dưới lớp IP thì sợi quang sử dụng công nghệ WDM là công nghệ truyền dẫn hứa hẹn nhất, cho phép dung lượng mạng vô cùng lớn để đáp ứng được sự phát triển của Internet. Công nghệ này sẽ trở nên hấp dẫn hơn nhiều khi giá thành của các hệ thống WDM giảm đi. Mặt phẳng điều khiển có nhiệm vụ truyền dẫn các bản tin điều khiển để chuyển đổi các thông tin sẵn có và có thể tiếp cận được, tính toán cũng như thiết lập đường truyền dẫn dữ liệu. Mặt phẳng dữ liệu có nhiệm vụ truyền dẫn lưu lượng ứng dụng và lưu lượng người sử dụng. Một chức năng điển hình của mặt phẳng dữ liệu là đệm và chuyển tiếp gói tin. IP không phân tách mặt phẳng dữ liệu và mặt phẳng điều khiển và do đó nó đòi hỏi các cơ chế QoS tại các bộ định tuyến để phân biệt các bản tin điều khiển và các gói tin dữ liệu. Một hệ thống điều khiển mạng WDM truyền thống sử dụng một kênh điều khiển riêng biệt, còn được gọi là mạng truyền thông dữ liệu, để truyền dẫn các bản tin điều khiển. Một hệ thống quản lý và điều khiển mạng WDM, theo TMN, được triển khai theo cấu trúc tập trung. Để cho phép mở rộng địa chỉ, các hệ thống này dùng một phân cấp quản lý. Kết hợp IP và WDM có nghĩa là, ở trong mặt phẳng dữ liệu ta có thể yêu cầu các tài nguyên mạng WDM chuyển tiếp lưu lượng IP một cách hiệu quả còn trong mặt phẳng điều khiển ta có thể xây dựng một mặt phẳng điều khiển đồng bộ. IP/WDM cũng đánh địa chỉ tất cả các mức trung gian của các mạng quang intra- và inter-WDM và các mạng IP. Các động cơ thúc đẩy IP/WDM bao gồm:  Các mạng quang WDM có thể đánh địa chỉ lưu lượng Internet đang phát triển bằng cách khai thác cơ sở hạ tầng sợi quang sẵn có. Sử dụng công nghệ WDM có thể tăng một cách đáng kể việc tận dụng băng thông sợi quang.  Hầu hết lưu lượng dữ liệu qua các mạng là IP. Gần như tất cả các ứng dụng dữ liệu đầu cuối người sử dụng đều sử dụng IP. Lưu lượng thoại truyền thống cũng có thể đóng gói nhờ các kĩ thuật VoIP.  IP/WDM thừa hưởng sự mềm dẻo và khả năng thích ứng mà các giao thức điều khiển IP cho phép.  IP/WDM có thể đạt được hoặc nhắm vào sự phân bố băng thông động theo nhu cầu (hay giám sát thời gian thực) trong các mạng quang. Bằng cách phát triển từ các mạng quang điều khiển tập trung truyền thống sang mạng tự điều khiển phân bố, mạng IP/WDM tích hợp không những giảm thiểu chi phí quản lý mạng mà còn cung cấp phân bố tài nguyên động và giám sát dịch vụ theo nhu cầu.  Với sự giúp đỡ của các giao thức IP, IP/WDM có thể hy vọng đánh địa chỉ được WDM hay các nhà khai thác hoạt động trung gian NE.  Các mạng quang WDM đòi hỏi mặt phẳng điều khiển thống nhất và có khả năng phân cấp giữa các mạng con được cung cấp bởi các nhà khai thác WDM khác nhau. Các giao thức điều khiển IP đã được triển khai rất rộng rãi và được chứng minh là có khả năng phân cấp. Sự xuất hiện của MPLS không chỉ bổ sung cho IP truyền thống kĩ thuật lưu lượng và khả năng QoS biến đổi mà còn đưa ra một mặt phẳng điều khiển trung tâm IP thống nhất giữa các mạng.  Sự khác biệt giữa các thiết bị mạng WDM đòi hỏi sự liên kết giữa các nhà khai thác trung gian. Ví dụ như các WADM không trong suốt đòi hỏi các khuôn dạng tín hiệu nhất định ví dụ như tín hiệu SONET/SDH ở các giao diện khách xen/tách của chúng. Sự liên kết hoạt động giữa WDM đòi hỏi sự xuất hiện của tầng mạng mà ở đây là IP.  IP/WDM có thể đạt được sự phục hồi động bằng cách phân mức các cơ chế điều khiển phân tán được dùng trong mạng.  Từ quan điểm dịch vụ, các mạng IP/WDM có thể lợi dụng các cơ chế, chính sách, mô hình, cơ cấu QoS được đề nghị và phát triển trong mạng IP.  Rút kinh nghiệm từ tích hợp IP và ATM, IP và WDM cần một sự tích hợp mạnh hơn nữa để tăng tính hiệu quả và khả năng mềm dẻo. Ví dụ như, IP trên nền ATM cổ điển là tĩnh và phức tạp và chuyển đổi địa chỉ IP sang ATM là bắt buộc phải chuyển đổi giữa các địa chỉ IP và các địa chỉ ATM. Tích hợp IP/WDM sẽ cho phép truyền dẫn mạng quang một cách hiệu quả, làm giảm chi phí cho lưu lượng IP và tăng cường sự tận dụng mạng quang.