Đồ án Khảo sát kỹ thuật lưu lượng IP trên mạng quang WDM

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây nền kinh tế nước ta phát triển nhanh, tiến đến hội nhập toàn cầu dẫn tới nhu cầu trao đổi thông tin tăng mạnh. Sự bùng nổ của mạng Internet đã làm một cuộc cách mạng hoá đến rất nhiều khía cạnh trong cuộc sống của chúng ta. Nó làm thay đổi hẳn các hoạt động mang tính chất truyền thống của con người. Bằng cách sử dụng Internet người ta có thể đọc một tờ báo ở một thành phố rất xa, hoặc tìm kiếm một bộ phim hành động đang chiếu ở đâu đó, nói chuyện với một người lạ ở bất kỳ nơi nào ta muốn… Chính sự đơn giản trong sử dụng, và dịch vụ cung cấp tương đối rẻ so với các loại hình thức dịch vụ khác, Internet đã phát triển một cách mạnh mẽ và nhanh chóng tại các quốc gia trên thế giới. Bên cạnh đó, các loại hình dịch vụ như: thoại, âm thanh, hình ảnh đều có thể sử dụng giao thức Internet (IP) nhờ tính phổ thông và giá thành của nó. Nên xu hướng giao thức IP trở thành tầng hội tụ cho các dịch vụ viễn thông ngày càng trở nên rõ ràng. Phía trên tầng IP, vẫn đang xuất hiện ngày càng nhiều các ứng dụng và dịch vụ dựa trên nền IP. Những ưu thế nổi trội của lưu lượng IP đang đặt ra vấn đề là các hoạt động thực tiễn kỹ thuật của hạ tầng mạng nên được tối ưu hoá cho IP. Mặt khác, quang sợi, như một công nghệ phân tán, đang cách mạng hoá ngành công nghiệp viễn thông và công nghiệp mạng nhờ dung lượng mạng cực lớn mà nó cho phép, qua đó cho phép sự phát triển của mạng Internet thế hệ sau. Sử dụng công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM dựa trên nền mạng hiện tại sẽ có thể cho phép nâng cao đáng kể băng thông mà vẫn duy trì được hiện trạng hoạt động của mạng. Nó cũng đã được chứng minh là một giải pháp hiệu quả về mặt chi phí cho các mạng đường dài. Điều đó có nghĩa việc tích hợp IP và WDM để truyền tải lưu lượng IP qua các mạng quang WDM sao cho hiệu quả đang trở thành một nhiệm vụ cấp thiết. Đồ án tốt nghiệp của em với đề tài: “Khảo sát kỹ thuật lưu lượng IP trên mạng quang WDM” sẽ xem xét về IP trên nền các mạng quang WDM đặc biệt sẽ tập trung vào kỹ thuật lưu lượng về sự kết hợp giữa IP/WDM. Đồ án gồm bốn chương: Chương 1. Tổng quan về IP/WDM. Chương này sẽ trình bày khái niệm mạng IP/WDM, các xu hướng truyền tải lưu lượng trên mạng IP/ WDM, kiến trúc mạng IP/ WDM, lí do chọn mạng IP/WDM. Chương 2. Kỹ thuật lưu lượng IP/WDM. Trình bày một số vấn đề chung, khái niệm, hai phương pháp triển khai, mô hình chức năng của kỹ thuật lưu lượng IP/WDM và kỹ thuật lưu lượng MPLS áp dụng cho IP/WDM. Chương 3. Tái cấu hình và phần mềm trong kỹ thuật lưu lượng IP/WDM. Chương này đi sâu vào: tái cấu hình mô hình ảo đường đi ngắn nhất, mô tả và thảo luận về một thuật toán cụ thể cho kỹ thuật lưu lượng IP/WDM. Chương 4. Các yêu cầu và ứng dụng trên IP/WDM. Trình bày các yêu cầu, các tiêu chí, ứng dụng của kỹ thuật lưu lượng IP/WDM, đồng thời đưa ra tình hình triển khai IP/WDM của VNPT. Trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp, em đã nhận được sự giúp đỡ của các thầy, cô giáo khoa công nghệ trường Đại học Vinh, trực tiếp là KS. Nguyễn Anh Quỳnh đã hướng dẫn, khuyến khích, chỉ bảo tận tình để em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Em xin được bày tỏ lòng biết ơn đối với công lao dìu dắt giúp đỡ của các thầy cô. Tuy đã cố gắng rất nhiều trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp nhưng vì trình độ và thời gian còn hạn chế nên đồ án tốt nghiệp này không tránh khỏi những thiếu sót, mong các thầy cô quan tâm giúp đỡ. Em xin chân thành cảm ơn! Vinh, ngày 15 tháng 5 năm 2010 Sinh viên Nguyễn Đăng Tuấn DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Truyền tải gói tin IP trên các kênh bước sóng..........................................15 Hình 1.2. Mạng IP/ATM/SONET/WDM.................................................................16 Hình 1.3. Mạng IP/SONET/WDM...........................................................................17 Hình 1.4. Mạng IP/MPLS/WDM..............................................................................17 Hình 1.5. Mô tả kiến trúc mạng IP/WDM điểm –điểm............................................19 Hình 1.6. Kiến trúc mạng IP/WDM tái định cấu hình.............................................20 Hình 1.7. Kiến trúc mạng IP/WDM chuyển mạch....................................................21 Hình 2.1. Bảo vệ đường và bảo vệ tuyến..................................................................33 Hình 2.2. Kỹ thuật lưu lượng IP/WDM (TE)............................................................34 Hình 2.3. Kỹ thuật lưu lượng chồng lấp...................................................................36 Hình 2.4. Kỹ thuật lưu lượng tích hợp......................................................................38 Hình 2.5. Mô hình khối chức năng kỹ thuật lưu lượng IP/WDM.............................40 Hình 2.6. Tái cấu hình trong mạng IP/WDM...........................................................45 Hình 2.7. Hiện tượng trên mạng khi không có cân bằng tải....................................52 Hình 2.8. OSPF-OMP...............................................................................................54 Hình 2.9. MPLS-OMP..............................................................................................55 Hình 3.1. Thiết kế và định tuyến mô hình ảo............................................................58 Hình 3.2. Tái cấu hình trong mạng WDM chuyển mạch gói....................................71 Hình 3.3. Kiến trúc phần mềm cho kỹ thuật lưu lượng chồng lấp trong mạng IP/WDM....................................................................................................................74 Hình 3.4. Kiến trúc phần mềm cho kỹ thuật lưu lượng tích hợp trong mạng IP/WDM....................................................................................................................77 Hình 4.1. Cấu trúc mạng chuyển mạch burst quang.................................................88 Hình 4.2. Mạng NGN...............................................................................................91 Hình 4.3. Giai đoạn trước năm 2004.........................................................................92 Hình 4.4. Giai đoạn từ năm 2004 đến nay................................................................93 Hình 4.5. Giai đoạn 2005-2006.................................................................................94 Hình 4.6. Giai đoạn sau năm 2010...................................................................................95 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ARP Address Resolution Protocol Giao thức phân giải địa chỉ ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền dẫn không đồng bộ CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra phát hiện lổi CSPF Constraint-based Shortest Path First Routing Định tuyến đường đi ngắn nhất trước tiên dựa trên ràng buộc DCN Data Communication Network Mạng truyền thông dữ liệu DHP Demand Hop-count Product heuristic algorithm Thuật toán dựa trên kinh nghiệm tích đếm hop nhu cầu DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh bước sóng mật độ cao ECMP Equal Cost Multiple Path Đa đường đồng chi phí FBM Fractional Brownian Motion Chuyển động phân mảnh Brownian FEC Forwarding Equivalence Class Trường tương đương chuyển tiếp FEC GMPLS Generalized Multiprotocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức tổng quát GUI Graphical User Interface Giao diện người sử dụng đồ hoạ HTDA Heuristic Topology Design Algorithm Thuật toán thiết kế mô hình dựa trên kinh nghiệm HTTP Hypertext Transfer Protocol Giao thức truyền siêu văn bản ICMP Internet Control Message Protocol Giao thức bản tin điều khiển Internet ID Identifier Bộ nhận dạng IETF Internet Engineering Task Force Nhóm kỹ sư Internet IP Internet Protocol Giao thức Internet LAN Local Area Network Mạng cục bộ LEMS Link Elimination via Matching Scheme Loại bỏ tuyến nối thông qua lược đồ ghép LMP Link Management Protocol Giao thức quản lí tuyến nối LOH Line Overhead Mào đầu tuyến LSA Link State Advertisement Quảng bá trạng thái tuyến nối LSP Label Switched Path Đường chuyển mạch nhãn MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường MIB Management Information Base Cơ sở thông tin quản lí MLDA Minimum-delay Logical Topology Design Algorithm Thuật toán thiết kế mô hình logic tối thiểu hoá trễ MPLS Multiprotocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức MSN Manhattan Street Network Mạng phố Manhattan MTU Maximum Transmission Unit Đơn vị truyền dẫn tối đa NC&M Network Control and Management Quản lí và điều khiển mạng NE Network Element Phần tử mạng NGI Next Generation Internet Internet thế hệ kế tiếp NGN Next Generation Network Mạng thế hệ sau NMS Network Management System Hệ thống quản lí mạng OADM Optical Add/Drop Multiplexer Khối xen/tách quang OAM Operation and Maintenance Hoạt động và bảo trì OAM&P Operation, Administration, Maintenance and Provisioning Hoạt động, quản trị, bảo trì và giám sát OC-3 Optical Carrier Level 3 (155,52Mb/s) Mức mang quang 3 (155,52Mb/s) OC-192 Optical Carrier Level 192 (9953,28 Mb/s) Mức mang quang 192 (9953,28 Mb/s) OHTMS LP-based One-Hop Traffic Maximisation Scheme Lược đồ tối ưu hoá lưu lượng đơn hop dựa trên LP OIF Optical Internetworking Forum Diễn đàn liên mạng Internet quang OLS Optical Label Switching Chuyển mạch nhãn quang OMP Optimized Multi Path Đa đường tối ưu OSCP Optical Switch Control Protocol Giao thức điều khiển chuyển mạch quang OSI Open Systems Interconnection Kết nối các hệ thống mở OSPF Open Shortest Path First Protocol Giao thức đường đi ngắn nhất trước tiên mở OXC Optical Cross Connect Đấu chéo quang POH Path Overhead Mào đầu đoạn PC Personal Computer Máy tính cá nhân QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RAM Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RARP Reverse Address Resolution Protocol Giao thức phân giải địa chỉ ngược RD Residual Demand heuristic algolrithm Thuật toán dựa trên kinh nghiệm nhu cầu dư thừa RDHP Residual Demand Hop-count Product heuristic algolrithm Thuật toán dựa trên kinh nghiệm tích đếm hop nhu cầu dư thừa RSVP Resource Reservation Protocol Giao thức đặt trước tài nguyên SCSI Small Computer Systems Interface Giao diện các hệ thống máy tính nhỏ SDH Synchronous Digital Hierarchy Phân cấp số đồng bộ SNMP Simple Network Management Protocol Giao thức quản lí mạng đơn giản SNR Signal-to-Noise Ratio Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu SOH Section Overhead Thông tin quản lý SONET Synchronous Optical Network Mạng quang đồng bộ SPF Shortest Path First Đường đi ngắn nhất trước tiên SRLG Shared Risk Link Group Nhóm tuyến nối nguy hiểm chia sẻ TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn TE Terminal Equipment, Traffic Engineering Thiết bị đầu cuối, kỹ thuật lưu lượng TECP Traffic Engineering to Control Protocol Kỹ thuật lưu lượng cho giao thức điều khiển TELNET Remote Telminal protocol Giao thức đầu cuối ở xa TILDA Traffic Independent Logical Topology Design Algorithm Thuật toán thiết kế mô hình logic độc lập lưu lượng TMN Telecommunications Management Network Mạng quản lí viễn thông TTL Time To Live Thời gian sống UDP User Datagram Protocol Giao thức Datagram người sử dụng UNI User to Network Interface Giao diện người sử dụng-mạng VPC Virtual Path Connection Kết nối đường ảo VPN Virtual Private Network Mạng cá nhân ảo WADM Wavelength Add/Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen/tách bước sóng WAN Wide Area Network Mạng diện rộng WAM Wavelength Amplifier Bộ khuếch đại bước sóng 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. 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. 1.2. Các xu hướng truyền tải lưu lượng trên mạng IP/WDM 1.2.1. IP/ATM/SONET/WDM IP ATM SONET/SDH WDM Hình 1.2. Mạng IP/ATM/SDH/WDM Mạng IP/ATM/SDH/WDM được minh họa ở Hình 1.2. Trong mô hình mạng này, Lớp ATM được đối xử như lớp liên kết dữ liệu của lớp IP bằng cách đưa các gói IP và các segment vào các tế bào ATM và được gán cho các kết nối ảo khác nhau thông qua SDH/ATM line-card trong router IP. Lớp SDH được đối xử như lớp liên kết dữ liệu của lớp ATM bằng cách đóng gói các tế bào ATM thành các khung SDH, có thể được truyền đi tới một chuyển mạch ATM hay trực tiếp đến bộ chuyển tiếp WDM để truyền trên lớp quang. Với giải pháp này, WDM được sử dụng như công nghệ truyền song song trên lớp vật lý. Ưu điểm của giải pháp này là sử dụng ATM có khả năng truyền nhiều loại tín hiệu khác nhau trong cùng đường truyền với yêu cầu chất lượng dịch vụ khác nhau. Một ưu điểm khác khi sử dụng ATM là tính mềm dẻo khi cung cấp dịch vụ mạng. Tuy nhiên, giải pháp này rất phức tạp, quản lý và điều khiển IP/ATM phức tạp hơn so với quản lý và điều khiển IP qua mạng thuê riêng (IP – Leased line). 1.2.2. IP/SONET/WDM IP SONET/SDH WDM Hình 1.3. Mạng IP/SONET/WDM Công nghệ SONET/SDH với những ưu điểm như: - Thứ nhất, SONET/SDH có cấu trúc tách ghép tín hiệu quang tiêu chuẩn, nhờ đó các tín hiệu có tốc độ thấp có thể ghép, tách thành tín hiệu có tốc độ cao. - Thứ hai, SONET/SDH cung cấp khung truyền dẫn chuẩn. - Thứ ba, Mạng SONET/SDH có khả năng bảo vệ, khôi phục, nhờ đó tín hiệu được truyền trong suốt tới lớp cao hơn (Như lớp IP). Trong mô hình mạng này, Lớp SDH được đối xử như lớp liên kết liên dữ liệu của lớp IP bằng cách đóng gói các gói IP thành khung SDH, truyền tới bộ chuyển tiếp WDM để truyền trên sợi quang. Như vậy, khi mạng phát triển, ATM dần bị thay thế một phần bởi IP và một phần bởi SONET, trong khi đó các bộ định tuyến IP có khả năng giao tiếp trực tiếp với các thiết bị SONET/SDH. Hiện tại SDH có thể sử dụng để bảo vệ liên kết lưu lượng IP chống lại sự đứt cáp bằng chuyển mạch tự động ASP, việc này được thực hiện tại lớp quang. IP/MPLS WDM 1.2.3. IP/MPLS/WDM và IP/WDM Hình 1.4. Mạng IP/MPLS/WDM và IP/WDM Mặc dù các mạng IP cung cấp khản năng linh hoạt và co giản nhưng cần được nâng cấp về mặt khả năng sử dụng, độ tin cậy và chất lượng dịch vụ QoS. Chuyển mạch nhãn phát triển từ các giải pháp của chuyển mạch IP nhanh với các các đặc điểm sau: - Sử dụng nhãn đơn giản, có độ dài cố định để nhận dạng đường dẫn -Tách biệt đường điều khiển và đường truyền số liệu. Trong đó, đường điều khiển được sử dụng để khởi tạo đường dẫn, các gói tin được chuyển tới các nút mạng kế tiếp theo nhãn trong bảng chuyển tiếp. - Nhãn đơn giản và duy nhất, mào đầu IP được xử lý và kiểm tra tại biên của nút mạng MPLS, sau đó các gói tin MPLS được chuyển tiếp dựa vào nhãn (Thay vì phân tích mào đầu gói tin IP). - Cung cấp khả năng điều khiển lưu lượng, nhờ đó có thể sử dụng để cân bằng tải bằng cách giám sát lưu lượng và điều khiển luồng trực tiếp hoặc theo tiến trình định trước. - MPLS cung cấp định tuyến nguồn (explicit path routing) vì vậy nó có tính hội tụ cao và có khả năng chuyển tiếp theo nhóm. Ngoài ra, MPLS còn có một số công cụ khác như tạo kênh an toàn (Tunneling), ngăn ngừa, tránh vòng lặp (loop), hợp nhất các luồng để điều khiển lưu lượng. Từ những đặc điểm trên đã cho thấy rằng MPLS đã làm giàu thêm các chức năng của IP. Việc tăng tốc độ dữ liệu và dung lượng của bộ định tuyến IP làm cho chúng có thể sử dụng trực tiếp các bước sóng như liên kết các Router. Do đó mạng IP/WDM sử dụng IP/MPLS trực tiếp trên WDM được xem là hiệu quả nhất trong các giải pháp trên. Tuy nhiên nó yêu cầu các lớp IP phải kiểm tra đường bảo vệ và khôi phục. Nó cũng cần dạng khung đơn giản để xử lý lỗi đường truyền. Một trong những khung dạng đó là Slim SONET/WDM. Dạng khung này có chức năng tương tự như SONET/WDM nhưng với kỹ thuật mới hơn khi thay thế mào đầu và tương thích kích thước khung với kích thước gói. Từ đó ta có thêm một giải pháp mới IP/MPLS/SONET/WDM. Trong mạng IP/MPLS/SONET/WDM, các gói tin IP sẽ ánh xạ trên các khung SONET/SDH sử dụng gói tin trên SONET PoS và sau đó chúng được truyền tải bởi một kiến trúc mạng SONET/SDH bao gồm các bộ xen/rớt SONET/SDH và các kết nối chéo OXC, hoặc bởi một kiến trúc WDM ánh xạ các khung SONET/SDH trên các bước sóng quang. Các gói tin IP được đóng gói thành các giao thức điểm nối điểm PPP. Giao thức PPP cung cấp các đặc trưng đóng gói đa giao thức, điều khiển lỗi và khởi tạo liên kết. Sau đó các gói tin IP được đóng gói PPP và định khung bằng cách sử dụng điều khiển liên kết dữ liệu lớp cao HDLC và được ánh xạ byte một cách đồng bộ thành gói tải trọng đồng bộ SONET SPE. Chức năng của HDLC là cung cấp cho sự phân phát các gói tin được đóng gói PPP truyền qua liên kết truyền tải đồng bộ. 1.3. Các kiến trúc mạng IP/WDM 1.3.1. Kiến trúc mạng IP/WDM điểm-điểm IP Router IP Router IP Router IP Router Các bước sóng Mux/Demux Đường sợi vật lý Các card Line Giao diện truy cập Hình 1.5. Mô tả kiến trúc mạng IP/WDM điểm-điểm Trong kiến trúc mạng điểm-điểm, kỹ thuật WDM được sử dụng trên các liên kết quang, mỗi bước sóng trên sợi quang được xem như là một liên kết vật lý giữa các Router. SONET có thể được sử dụng cho truyền tải khung trên các kênh quang WDM. Gói IP có thể được đóng gói trong khung SONET, gọi là IP/SONET.Với kiến trúc này, topo mạng coi như cố định, cấu hình mạng là tĩnh, băng tần của các liên kết sợi quang được tăng bởi kỹ thuật WDM, điều này không đủ để giải quyết sự bùng nhu cầu về lưu lượng. Nó thích hợp với các mạng có khoảng cách xa. 1.3.2. Kiến trúc mạng IP/WDM cấu hình Kiến trúc mạng IP/WDM cấu hình lại được minh họa ở Hình 1.6. Trong kiến trúc này, các giao tiếp OXC và ADM kết nối với nhau trong mạng WDM thông qua các kết nối sợi quang đa bước sóng , còn giao tiếp giữa các router được kết nối trên các liên kết bước sóng quang gọi là các lightpaths. Mỗi node trung gian của các lightpaths có các OXC để kết nối kênh bước sóng ngõ vào đến kênh bước sóng ngõ ra được chỉ định. OXC OXC OXC OADM IP Routerrrrrrrrrr OADM IP Routerrr OADM IP Router OADM IP Router OADM IP Router Đường truy cập (sợi bước sóng đơn) Sợi đa bước sóng Giao diện khách hàng Hình 1.6. Kiến trúc mạng IP/WDM tái định cấu hình Các gói tin IP trên các lightpaths được chuyển tiếp mà không có quá trình xử lý điện tử ở bộ định tuyến IP trong các nodes trung gian dẫn đến các lightpaths giảm đáng kể tải của các bộ định tuyến IP. Vì vậy, mạng IP/WDM định cấu hình có thể cung cấp dung lượng lưu lượng nhiều hơn IP/WDM điểm-điểm vì IP/WDM định cấu hình làm giảm hiện tượng cổ chai điện tử - Đó là khả năng xử lý của các bộ định tuyến IP. 1.3.3. Kiến trúc mạ