Đề tài Phân tích các giải pháp truyền tải IP trên mạng quang

i Nội dung khoá luận tốt nghiệp Từ yêu cầu của đề tài “Các giải pháp truyền tải IP trên mạng quang” thì luận văn đã nêu lên được các vấn đề liên quan. Đó là giới thiệu một cách khái quát về yêu cầu của đề tài, nói lên được tổng quan về công nghê IP. Công nghệ mà đang trở thành chuẩn phổ biến của nhiều dịch vụ mạng mới. Đã nêu lên công nghệ IP đang sử dụng hiện nay và xu hướng phát triển công nghệ IP trong tương lai. Luận văn cũng đã nêu các giải pháp truyền tải IP trên mạng quang hiện nay. Các cách thức truyền tải dựa trên các phương pháp đã làm chủ, các giải pháp mới có tính khả thi cho tương lai. Đưa ra vấn đề không thể thiếu và rất quang trọng là vấn đề vê cách thức điều khiển, báo hiệu trong truyền tải IP trên mạng quang cũng đã được đề cập. ii MỤC LỤC Lời mở đầu.................................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IP ................................................................................................ 2 1.1 Giới thiệu chung ................................................................................................................ 2 1.2 IPv4 ................................................................................................................................... 2 1.3 Ưu điểm của IPv6 so với IPv4 ............................................................................................ 4 1.4 Sử dụng IPv4 hay IPv6. ..................................................................................................... 6 1.5 IPv6 cho IP/WDM ............................................................................................................. 7 CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ IP TRÊN MẠNG QUANG .............................................................. 8 2.1 Các thế hệ mạng WDM. ..................................................................................................... 8 2.2 Nghiên cứu các giải pháp truyền tải IP trên mạng quang .................................................. 9 2.2.1 Xu hướng tích hợp WDM ........................................................................................... 9 2.2.2 Giới thiệu các giải pháp truyền tải IP trên mạng quang .......................................... 11 2.2.3 Thích ứng IP trên WDM .......................................................................................... 13 2.2.3.1 IP/ATM/SDH cho truyền dẫn WDM ................................................................... 13 2.2.3.2 IP/ATM trực tiếp trên WDM ............................................................................... 15 2.2.3.3 IP/PDH/SDH cho truyền dẫn WDM ................................................................... 16 2.2.3.4 Các giao thức hỗ trợ truyền dẫn SONET/SDH trên WDM .................................. 16 2.2.3.4.1Phương thức đóng khung HDLC (POS) .......................................................... 16 2.2.3.4.2 MAPOS (Multiple-access protocol overl SONET) ......................................... 19 2.2.3.4.3 Phương thức đóng khung LAP (Link Accsess Procedure-SDH) ..................... 20 2.2.3.4.4 Phương thức đóng khung GFP (Generic Framing Procedure-GFP) ............. 22 2.2.3.4.5 Kết chuỗi ảo (Virtual Concatenation-VCAT) ................................................. 23 2.2.3.4.6 LCAS (Link Capacity Adjustment Scheme) .................................................... 24 2.2.3.5 IP/Gigabit Ethernet cho WDM ........................................................................... 25 2.2.3.6 IP/SDL trực tiếp trên WDM ................................................................................ 27 2.2.4 Nghiên cứu các giao thức mới ................................................................................. 28 2.2.4.1 RPR/SRP (Resilient Packet Ring/Spacial Reuse Protocol) .................................. 28 2.2.4.2 DTM (Dynamic Transfer Mode) ......................................................................... 31 2.2.4.3 Sử dụng MPLS hỗ trợ chức năng định tuyến IP (IP-MPLS) ................................ 32 2.2.5 Chuyển mạch kênh quang WDM .............................................................................. 36 2.2.5.1 Kỹ thuật WDM.................................................................................................... 36 2.2.5.2 Chuyển mạch kênh quang: Định tuyến bước sóng .............................................. 36 2.2.6 Chuyển mạch gói quang. ......................................................................................... 38 2.2.6.1Các kỹ thuật chuyển mạch gói quang................................................................... 39 2.2.4.2 Định tuyến lệch .................................................................................................. 45 2.2.7 Kết luận ................................................................................................................... 45 2.3 Phương thức điều khiển trong mạng truyền tải tích hợp IP over WDM ............................ 46 2.3.1 Quá trình phát triển mặt điều khiển ......................................................................... 47 2.3.2 G-MPLS .................................................................................................................. 48 2.3.2.1 Giới thiệu ........................................................................................................... 48 2.3.2.2 Hoạt động và nền tảng của MPLS ...................................................................... 49 2.3.2.3 Quá trình phát triển MPLS đến GMPLS ............................................................. 50 iii 2.3.2.4 Bộ giao thức G-MPLS ........................................................................................ 51 2.3.2.5 Mục tiêu và các chức năng mặt điều khiển GMPLS ............................................ 53 2.3.2.6 Kiến trúc các thành phần của mặt điều khiển GMPLS ........................................ 54 2.3.2.6.1 Yêu cầu của mặt điều khiển ........................................................................... 54 2.3.2.6.2 Mạng thông tin số liệu hỗ trợ mặt điều khiển GMPLS ................................... 55 2.3.2.7 Báo hiệu trong GMPLS ...................................................................................... 57 2.3.2.7.1 Các chức năng cơ bản ................................................................................... 58 2.3.2.7.2 Hỗ trợ phục hồi ............................................................................................. 59 2.3.2.7.3 Hỗ trợ xử lý loại trừ ...................................................................................... 59 2.3.2.7.4 Phối hợp báo hiệu ......................................................................................... 60 2.3.2.8 Các lợi ích của G-MPLS..................................................................................... 61 2.3.2.9 Các vấn đề còn tồn tại của GMPLS .................................................................... 61 2.3.3 Mạng chuyển mạch quang tự động (ASON) ............................................................. 63 2.3.3.1 Khái niệm ........................................................................................................... 63 2.3.3.2 Mô hình ASON ................................................................................................... 63 2.3.3.3 Các chức năng của ASON .................................................................................. 66 2.3.3.3.1 Chức năng mạng lõi ASON ............................................................................ 66 2.3.3.3.2 Chức năng biên của ASON ............................................................................ 67 2.3.3.4 Các mô hình dịch vụ cho kiến trúc ASON ........................................................... 72 2.3.3.4.1 Mô hình dịch vụ xếp chồng ............................................................................ 72 2.3.3.4.2 Mô hình dịch vụ đồng cấp ............................................................................. 73 Kết luận .................................................................................................................................... 745 iv Chữ viết tắt AAL ATM Adaptation Layer Lớp thích ứng ATM ADM Add-Drop Multiplexer Bộ xen rẽ APS Automatic Protection Switching Chuyển mạch bảo vệ tự động ARP Address Resolution Protocol Giao thức phân chia địa chỉ ATM Asynchronous Transfer Mode Phương thức truyền tin không đồng bộ BGP Border Gateway Protocol Giao thức cổng biên CAC Call Admission Control Điều khiển nhận cuộc gọi CBR Constant Bit Rate Tốc độ bit không đổi CIDR Classless Inter-Domain Routing Định tuyến liên vùng không phân lớp CLP Cell Loss Priority Độ ưu tiên mất tế bào CoS Class of Services Lớp dịch vụ CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra độ dư thừa theo chu kỳ DPT Dynamic Packet Transport Truyền tải gói động DTM Dynamic Transfer Mode Chế độ truyền tải động DVMRP Distance Vector Multicast Routing Protocol Giao thức định tuyến vecto khoảng cách DWDM Density Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao DXC Digital Cross-Connect Kết nối chéo kênh EGP Exterior Gateway Protocol Giao thức cổng ngoài FCS Frame Check Sequence Chuỗi kiểm tra khung FDDI Fiber Distributed Data Interface Giao diện số phân bố theo cáp quang FDL Fibre Delay Line Trễ đường cáp quang FEC Forward Equivalence Class (in MPLS)Lớp phát chuyển tương ứng FEC Forward Error Correction (in error correction) Sửa lỗi trước GbE Gigabit Ethernet Ethernet tốc độ Gigabit HDLC High-level Data Link Control Điều khiển tuyến dữ liệu số mức cao v ID Identity Mã nhận dạng IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers Viện đào tạo các kỹ sư điện và điện tử IGP Interior Gateway Protocol Giao thức cổng trong IP Internet Protocol Giao thức Internet IPng IP next generation IP kế tiếp IPS Intelligent Protection Switching Chuyển mạch bảo vệ thông minh IPv4 IP version 4 Giao thức Internet phiên bản 4 IPv6 IP version 6 (=IPng) Giao thức Internet phiên bản 6 ISDN Integrated Services Digital Network Mạng số đa truy nhập ISO International Standards Organisation Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế ISP Internet Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ Internet ITU International Telecommunication Union Hiệp hội viễn thông quốc tế L2 Layer 2 Lớp 2 L3 Layer 3 Lớp 3 LAN Local Area Network Mạng cục bộ LAPS LAN Adapter Protocol Support Program Hỗ trợ giao thức đáp ứng LAN LCP Link Control Protocol Giao thức điều khiển đường LDP Label Distribution Protocol Giao thức phân phối nhãn LF Link Failure Sự cố tuyến LIB Label Information Base Cơ sở thông tin nhãn LLC Logical Link Control Điều khiển đường logic LOF Loss of Frame Mất khung LOP Loss Of Packet Mất gói LOS Loss Of Signal Mất tín hiệu LSP Lable Switched Path Đường chuyển mạch nhãn LSR Lable Switch Router Định tuyến chuyển mạch nhãn MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập vi MAPOS Multiple Access Protocol Over SONET Giao thức đa truy nhập qua SONET MBGP Multicast Border Gateway Protocol Giao thức cổng biên quảng bá MPS Multi Protocol Lambda Switching Chyển mạch Lamda đa giao thức MPLS Multi Protocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPOA Multi Protocol Over ATM Đa giao thức theo ATM NGN Next Generation Network Mạng thế hệ mới OADM Optical Add Drop Multiplexer Bộ ghép xen rẽ quang OAM Operation, Administration and Maintenance Khai thác, Quản trị và Bảo dưỡng OBS Optical burst switching Chuyển mạch cụm quang OC Optical Carrier Sóng mang quang OCH Optical Channel Kênh quang OCHP Optical Channel Protection Bảo vệ kênh quang OE Opto-electronic conversion Chuyển đổi quang-điện ODL Optical Delay Line Trễ đường quang OEO Optical- Electronical- Optical Quang-Điện-Quang OEXC Opto-Electric Cross-Connect Kết nối chéo quang-điện OL Optical Label Nhãn quang OLA Optical Line Amplifier Bộ khuếch đại đường quang OLC Optical Label Channel Kênh nhãn quang OLS Optical Label Switching Chuyển mạch nhãn quang OMS Optical Multiplex Section Ghép vùng quang OMSP Optical Multiplex Section Protection Bảo vệ ghép vùng quang ON Optical Network Mạng quang OEO Optical-Electrical-Optical Quang-Điện-Quang OOO Optical-Optical-Optical Quang-Quang-Quang OP Optical Packet Gói quang OPS Optical Packet Switching Chuyển mạch gói quang vii OS Operating System Hệ thống khai thác OSC Optical Supervisory Channel Kênh giám sát quang OSI Open System Interconnection Liên kết nối hệ thống mở OSPF Open Shortest Path First Thuật toán tìm đường ngắn nhất OTDM Optical Time Division Multiplexing Ghép quang theo thời gian OTN Optical Transport Network Mạng truyền tải quang PDH Plesiochronous Digital Hierachy Phân cấp số cận đồng bộ POL Packet Over Lightwave Chuyển mạch gói qua bước sóng POS Packet Over SONET/SDH Gói qua SONET/SDH PPP Point-to-Point Protocol Giao thức điểm điểm QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ QoSig quality of signal Chất lượng tín hiệu RSVP Resource ReSerVation Protocol Giao thức dự trữ tài nguyên SDH Synchronous Digital Hierarchy Truyền dẫn đồng bộ SDL Simple Data Link Đường dữ liệu đơn giản SDLC Synchronous Data Link Control Điều khiển tuyến dữ liệu đồng bộ SLA Service Level Agreement Sự thỏa thuận mức dịch vụ SNAP Sub Network Access Point Điểm truy nhập mạng con SONET Synchronous Optical Network Mạng quang đồng bộ STM Synchronous Transport Module Chế độ truyền tải đồng bộ SVC Switched Virtual Channels Kênh chuyển mạch ảo TCA Traffic Conditioning Agreement Sự thỏa thuận điều kiện lưu lượng TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền tải TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh theo thờigian TOS Type Of Service Kiểu dịch vụ VC Virtual Connection (in ATM) Kết nối ảo (trong ATM) VC Virtual Container (in SDH) Gói ảo (trong SDH) VCI Virtual Channel Identifier Bộ nhận dạng kênh ảo viii VP Virtual Path Đường ảo WAN Wide Area Network Mạng diện rộng WC Wavelength conversion Chuyển đổi bước sóng WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh theo bước sóng 1 Lời mở đầu Giao thức Internet (IP) đã trở thành giao thức chuẩn phổ biến cho các dịch vụ mạng mới, do đó lưu lượng IP không ngừng tăng nhanh và dần thay thế các loại giao thức khác. Hằng năm, lưu lượng số tăng hơn lưu lượng thoại gấp 2 ÷ 4 lần. Đến năm 2010, lưu lượng số đã đạt đến gấp hàng chục lần lưu lượng thoại. Kiến trúc mạng IP ngày nay được xây dựng theo ngăn mạng xếp chồng những công nghệ như ATM, SDH và WDM. Do có nhiều lớp liên quan nên đặc trưng của kiến trúc này là dư thừa tính năng; và chi phí liên quan đến vận hành khai thác cao. Hơn nữa, kiến trúc này trước đây sử dụng để cung cấp chỉ tiêu đảm bảo cho dịch vụ thoại và thuê kênh, không được thiết kế phù hợp cho mạng số liệu. Do đó nó không thật sự thích hợp đối với các ứng dụng hoạt động dựa trên công nghệ chuyển mạch gói và đặc biệt là những ứng dụng có nguồn gốc IP. Một số nhà cung cấp và tổ chức tiêu chuẩn đang đề xuất những giải pháp mới khai thác IP trên kiến trúc mạng đơn giản, ở đó lớp WDM là nơi cung cấp băng tần truyền dẫn vô cùng lớn. Những giải pháp này cố gắng giảm tối đa tính năng dư thừa, giảm mào đầu giao thức, đơn giản hoá công việc quản lý và qua đó truyền tải IP trên lớp WDM (lớp mạng quang) càng hiệu quả càng tốt. Hiện nay có nhiều kiến trúc mạng đã được nhận diện và triển khai trong thực tế. Tất cả chúng đều liên quan đến việc đơn giản hoá các ngăn giao thức nhưng trong số chúng chỉ có một số kiến trúc có nhiều đặc tính hứa hẹn như DoS (Data over SONET/SDH), Gigabit Ethernet (GbE) và Resilient Packet Ring (RPR) ngoài kiến trúc IP trên ATM/SDH/WDM. Một trong những thách thức lớn nhất ngày nay đối mặt với các nhà sản xuất chuyển mạch quang đó là phát triển các giao thức báo hiệu cho điều khiển hoạt động và hoạt động liên mạng của lớp quang mà có lẽ đây cũng là vấn đề cần chuẩn hoá cấp bách nhất hiện nay. Các tổ chức và diễn đàn quốc tế OIF (Optical Internetworking Forum), IETF và ITU đều đang nỗ lực gấp rút để thiệt lập nên các phương pháp xác định việc điều khiển và kết nối giữa mạng WDM và IP. Trong quá trình thực hiện đề tài, em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, chỉ bảo nhiệt tình của các thầy cô tại Khoa Điện Tử Viễn Thông- Trường Đại Học Công Nghệ, nhất là thầy giáo PGS.TS Nguyễn Kim Giao- người đã trực tiếp hướng dẫn em. 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IP 1.1 Giới thiệu chung Như chúng ta đã biết Internet là một mạng máy tính toàn cầu, do hàng nghìn mạng máy tính từ khắp mọi nơi nối lại tạo nên. Khác với cách tổ chức theo các cấp: nội hạt, liên tỉnh, quốc tế của một mạng viễn thông như mạng thoại chẳng hạn, mạng Internet tổ chức chỉ có một cấp, các mạng máy tính dù nhỏ, dù to khi nối vào Internet đều bình đẳng với nhau. Do cách tổ chức như vậy nên trên Internet có cấu trúc địa chỉ, cách đánh địa chỉ đặc biệt, trong khi cách đánh địa chỉ đối với mạng viễn thông lại đơn giản hơn nhiều. Đối với mạng viễn thông như mạng thoại chẳng hạn, khách hàng ở các vùng khác nhau hoàn toàn có thể có cùng số điện thoại, phân biệt với nhau bằng mã vùng, mã tỉnh hay mã quốc tế. Đối với mạng Internet , do cách tổ chức chỉ có một cấp nên mỗi một khách hàng hay một máy chủ đều có một địa chỉ internet duy nhất mà không được phép trùng với bất kỳ ai. Do vậy mà địa chỉ trên Internet thực sự là một tài nguyên. Hàng chục triệu máy chủ trên hàng trăm nghìn mạng. Để địa chỉ không được trùng nhau cần phải có cấu trúc địa chỉ đặc biệt quản lý thống nhất và một Tổ chức của Internet gọi là Trung tâm thông tin mạng Internet - Network Information Center (NIC) chủ trì phân phối, NIC chỉ phân địa chỉ mạng (Net ID) còn địa chỉ máy chủ trên mạng đó do các Tổ chức quản lý Internet của từng quốc gia một tự phân phối. (Trong thực tế để có thể định tuyến (routing ) trên mạng Internet ngoài địa chỉ IP còn cần đến tên riêng của các máy chủ (Host) - Domain Name). 1.2 IPv4 Địa chỉ IPv4 gồm 32 bit, chia thành bốn octet, mỗi octet là một byte. Địa chỉ IP được chia thành năm lớp A, B, C, D và E. Giả sử Net_ID và Host_ID lần lượt là định danh mạng và trạm. Địa chỉ IP được biễu diễn dưới dạng . Với IPv4 chúng ta có 232 (4,3 tỷ) địa chỉ. Kề từ khi chính thức đựơc đưa vào sử dụng và được định nghĩa trong kiến nghị RFC791 năm 1981 đến nay, Ipv4 đã chứng minh được khả năng dễ triển 3 khai, dễ phối hợp và hoạt động và tạo ra sự phát triển bùng nổ của các mạng máy tính. Tuy nhiên đến thời điểm hiện tại với sự phát triển công nghệ hiện nay, hầu như tất cả tất cả các thiệt bị điện tử trong tương lai sẽ tích hợp dịch vụ IP, hơn nữa sự tăng vọt ồ ạt các ứng dụng và công nghệ cũng như các thiết bị di động khác đã làm cho không gian địa chỉ Ipv4 ngày càng chật hẹp và bộc lộ nhiều điểm yếu của Ipv4: - Thiếu địa chỉ IP do sự tăng quá nhanh của các host trên mạng Internet đã dẫn đến tình trạng thiếu địa chỉ IP trầm trọng để gán cho các node. Trong những năm 1990, CIDR đựơc xây dựng dựa trên khái niệm mặt nạ địa chỉ (address mask). CIDR đã tạm khắc phục được những vấn đề nêu trên. Khía cạnh tổ chức mang tính thứ bậc của CIDR đã cải tiến khả năng mở rộng của Ipv4. Mặc dù có thêm nhiều công cụ khác ra đời như kĩ thuật subnetting (1985), kĩ thuật VLSM (1987) và CIDR (1993), các kĩ thuật trên đã không cứu với IPv4 ra khỏi một vấn đề đơn giản: không có đủ địa chỉ cho các nhu cầu tương lai. Do đó, một vài giải pháp tạm thời, chẳng hạn dùng RFC1918 trong đó dùng một phần không gian địa chỉ làm các địa chỉ dành riêng và NAT là một công cụ cho phép hàng ngàn host truy cập vào Internet chỉ một vài IP hợp lệ để tận dụng tốt hơn không gian địa chỉ của