Tìm hiểu về mạng NGN và định tuyến

in. Nhưng mấy năm gần đây, cùng với sự phát triển của công nghệ IP, người ta mới nhận thấy rõ ràng là mạng viễn thông, mạng máy tính và mạng truyền hình cáp cuối cùng rồi cũng tích hợp trong một mạng IP thống nhất, đó là xu thế lớn mà người ta thường gọi là “dung hợp ba mạng”. Giao thức IP làm cho các dịch vụ lấy IP làm cơ sở đều có thể thực hiện liên kết các mạng khác nhau; con người lần đầu tiên có được giao thức thống nhất mà ba mạng lớn đều có thể chấp nhận được, đặt cơ sở vững chắc về mặt kỹ thuật cho hạ tầng cơ sở thông tin quốc gia.  Giao thức IP thực tế đã trở thành giao thức ứng dụng vạn năng và bắt đầu được sử dụng làm cơ sở cho các mạng đa dịch vụ, mặc dù hiện tại vẫn còn nhiều khuyết điểm về khả năng hỗ trợ lưu lượng thoại và cung cấp chất lượng dịch vụ đảm bảo cho số liệu. Tuy nhiên, chính tốc độ đổi mới nhanh chóng trong thế giới Internet, mà nó được tạo điều kiện bởi sự phát triển của các tiêu chuẩn mở sẽ sớm khắc phục những thiếu sót này. 2.2 TÌM HIỂU CÁC CÔNG NGHỆ TRONG NGN 2.2.1 Công nghệ truyền dẫn Trong cấu trúc mạng thế hệ mới, truyền dẫn là một thành phần của lớp kết nối (bao gồm chuyển tải và truy nhập). Công nghệ truyền dẫn của mạng thế hệ mới là SDH, WDM với khả năng hoạt động mềm dẻo, linh hoạt, thuận tiện cho khai thác và điều hành quản lý. Các tuyến truyền dẫn SDH hiện có và đang được tiếp tục triển khai rộng rãi trên mạng viễn thông là sự phát triển đúng hướng theo cấu trúc mạng mới. Cần tiếp tục phát triển các hệ thống truyền dẫn công nghệ SDH và WDM, hạn chế sử dụng công nghệ PDH. • Cáp quang: Khoa Điện Tử Viễn Thông GVHD: Nguyễn Thị Bích Hạnh SVTH: Võ Thị Lan Hương Trang 5 + Hiện nay trên 60% lưu lượng thông tin được truyền đi trên toàn thế giới được truyền trên mạng quang. + Công nghệ truyền dẫn quang SDH cho phép tạo trên đường truyền dẫn tốc độc cao (n*155 Mb/s) với khả năng bảo vệ của các mạch vòng đã được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước và ở Việt Nam. + WDM cho phép sử dụng độ rộng băng tần rất lớn của sợi quang bằng cách kết hợp một số tín hiệu ghép kênh theo thời gian với độ dài các bước sóng khác nhau và ta có thể sử dụng được các cửa sổ không gian, thời gian và độ dài bước sóng. Công nghệ WDM cho phép nâng tốc độ truyền dẫn lên 5Gb/s, 10Gb/s và 20Gb/s. • Vô tuyến: + Vi ba: Công nghệ truyền dẫn SDH cũng phát triển trong lĩnh vực vi ba, tuy nhiên do những hạn chế của môi trường truyền dẫn sóng vô tuyến nên tốc độ và chất lượng truyền dẫn không cao so với công nghệ truyền dẫn quang. + Vệ tinh: Vệ tinh quỹ đạo thấp (LEO – Low Earth Orbit), vệ tinh quỹ đạo trung bình (MEO – Medium Earth Orbit). Thị trường thông tin vệ tin trong khu vực đã có sự phát triển mạnh trong những năm gần đây và sẽ còn tiếp tục trong những năm tới. Các loại hình dịch vụ vệ tinh đã rất phát triển như: DTH tương tác, truy nhập Internet, các dịch vụ băng rộng, HDTV… Ngoài các ứng dụng phố biến đối với nhu cầu thông tin quảng bá, viễn thông nông thôn, với sự kết hợp sử dụng các ưu điểm của công nghệ CDMA, thông tin vệ tin ngày càng có xu hướng phát triển đặc biệt trong lĩnh vực thông tin di động, thông tin cá nhân,… 2.2.2 Công nghệ mạng truy nhập • Công nghệ truy nhập hữu tuyến Hiện nay trên thị trường những nhà khai thác với cơ sở hạ tầng khác nhau đưa ra những dịch vụ truy nhập dựa trên công nghệ khác nhau : • Dial up, xDSL, ISDN dựa trên cáp đồng xoắn • CM trên mạng cáp truyền hình CATV • PLC trên mạng cáp điện lực • Truy nhập quang trên CATV, PLC • Công nghệ truy nhập vô tuyến Khoa Điện Tử Viễn Thông GVHD: Nguyễn Thị Bích Hạnh SVTH: Võ Thị Lan Hương Trang 6 Với sự xuất hiện của Wimax, công nghệ truy nhập vô tuyến đã cho thấy sự hội tụ một cách rõ ràng, và mạng truy nhập vô tuyến sẽ tiến tới cung cấp dịch vụ kết nối có tốc độ cao hơn, và sẽ có sự thỏa hiệp giữa tính di động và tốc độ chất lượng dịch vụ. 2.2.3 Công nghệ chuyển mạch Chuyển mạch cũng là một thành phần trong lớp mạng chuyển tải của cấu trúc NGN nhưng có những thay đổi lớn về mặt công nghệ so với các thiết bị chuyển mạch TDM trước đây. Công nghệ chuyển mạch của mạng thế hệ mới là IP, ATM, ATM/IP hay MPLS thì hiện nay vẫn chưa xác định rõ, tuy nhiên nói chung là dựa trên công nghệ chuyển mạch gói, cho phép hoạt động với nhiều tốc độ và dịch vụ khác nhau. Công nghệ chuyển mạch quang: các kết quả nghiên cứu ở mức thử nghiệm đang hướng tới việc chế tạo các chuyển mạch quang. Trong tương lai sẽ có các chuyển mạch quang phân loại theo nguyên lý sau: chuyển mạch quang phân chia theo không gian, chuyển mạch quang phân chia theo thời gian, chuyển mạch quang phân chia theo độ dài bước sóng. Hình 2.1 : Kết nối trong mạng NGN Khoa Điện Tử Viễn Thông GVHD: Nguyễn Thị Bích Hạnh SVTH: Võ Thị Lan Hương Trang 7 2.3 KIẾN TRÚC NGN Cho đến nay, mạng thế hệ sau vẫn là xu hướng phát triển mới mẻ, chưa có một khuyến nghị chính thức nào của Liên minh Viễn thông thế giới ITU về cấu trúc của nó. Nhiều hãng viễn thông lớn đã đưa ra mô hình cấu trúc mạng thế hệ mới như Alcatel, Ericssion, Nortel, Siemens, Lucent, NEC,… Bên cạnh việc đưa ra nhiều mô hình cấu trúc mạng NGN khác nhau và kèm theo là các giải pháp mạng cũng như những sản phẩm thiết bị mới khác nhau. Các hãng đưa ra các mô hình cấu trúc tương đối rõ ràng và các giải pháp mạng khá cụ thể là Alcatel, Siemens, Ericsions. Hình 2.2 : Cấu trúc mạng NGN Kiến trúc mạng NGN sử dụng chuyển mạch gói cho cả thoại và dữ liệu. Nó phân chia các khối vững chắc của tổng đài hiện nay thành các lớp mạng riêng lẽ, các lớp này liên kết với nhau qua các giao diện mở tiêu chuẩn. Sự thông minh của xử lý cuộc gọi cơ bản trong chuyển mạch của PSTN thực chất là đã được tách ra từ phần cứng của ma trận chuyển mạch. Bây giờ, sự thông minh ấy nằm trong một thiết bị tách rời gọi là chuyển mạch mềm (softswitch) cũng được gọi là một bộ điều khiển cổng truyền thông (Media Gateway Controller) hoặc là một tác nhân cuộc gọi (Call Agent), đóng vai trò phần tử điều khiển trong kiến trúc mạng mới. Các giao diện mở hướng tới các ứng dụng mạng thông minh (IN- Intelligent Network) và các server ứng dụng Khoa Điện Tử Viễn Thông GVHD: Nguyễn Thị Bích Hạnh SVTH: Võ Thị Lan Hương Trang 8 mới tạo điều kiện dễ dàng cho việc nhanh chóng cung cấp dịch vụ và đảm bảo đưa ra thị trường trong thời gian ngắn. Tại lớp truyền thông, các cổng được đưa vào sử dụng để làm thích ứng thoại và các phương tiện khác với mạng chuyển mạch gói. Các media gateway này được sử dụng để phối ghép hoặc với thiết bị đầu cuối của khách hàng (RGW- Residental Gateway) với các mạng truy nhập (AGW- Access Gateway) hoặc với mạng PSTN (TGW- Trunk Access). Các server phương tiện đặc biệt rất nhiều chức năng khác nhau, chẳng hạn như cung cấp các âm quay số hoặc thông báo. Ngoài ra, chúng còn có các chức năng tiên tiến hơn như : trả lời bằng tiếng nói tương tác và biến đổi văn bản sang tiếng nói hoặc tiếng nói sang văn bản. Các giao diện mở của kiến trúc mới này cho phép các dịch vụ mới được giới thiệu nhanh chóng. Đồng thời chúng cũng tạo thuận tiện cho việc giới thiệu các phương thức kinh doanh mới bằng cách chia tách chuỗi giá trị truyền thống hiện tại thành nhiều dịch vụ có thể do các hãng khác nhau cung cấp. Từ mô hình cấu trúc NGN và giải pháp của các hãng khác nhau trên thị trường hiện nay, có thể đưa ra mô hình cấu trúc NGN gồm 4 lớp chức năng : Hình 2.3 : Phân lớp theo chức năng Trong các lớp trên, lớp điều khiển hiện nay đang rất phức tạp với nhiều loại giao thức, khả năng tương thích giữa các thiết bị của hãng là vấn đề đang được các nhà khai thác quan tâm. 2.3.1 Lớp truyền dẫn và truy nhập Phần truyền dẫn: Áp dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo mật độ bước sóng. DWDM ở lớp vật lý nhằm đảm bảo cung cấp chất lượng dịch vụ (QoS) Khoa Điện Tử Viễn Thông GVHD: Nguyễn Thị Bích Hạnh SVTH: Võ Thị Lan Hương Trang 9 theo yêu cầu của ứng dụng. Lớp truyền dẫn có khả năng hỗ trợ các mức QoS khác nhau cho cùng một dịch vụ và cho các dịch vụ khác nhau. Nó có khả năng lưu trữ lại các sự kiện xảy ra trên mạng (kích thước gói, tốc độ gói, độ trì hoãn, tỷ lệ mất gói và Jitter cho phép,… đối với mạng chuyển mạch gói; băng thông, độ trì hoãn đối với mạng chuyển mạch kênh TDM). Phần truy nhập: Hướng tới sử dụng công nghệ quang cho thông tin hữu tuyến và CDMA cho thông tin vô tuyến. Thống nhất sử dụng công nghệ IP. Cung cấp các kết nối giữa thuê bao đầu cuối và mạng đường trục (thuộc lớp truyền dẫn) qua cổng giao tiếp MGW thích hợp. Mạng NGN kết nối với hầu hết các thiết bị đầu cuối chuẩn và không chuẩn như các thiết bị truy xuất đa dịch vụ, điện thoại IP, máy tính PC, tổng đài nội bộ PBX, điện thoại POTS, điện thoại s ố ISDN, di động vô tuyến, di động vệ tinh, vô tuyến cố định, VoIP, … 2.3.2 Lớp truyền thông Lớp truyền thông có khả năng tương thích các kỹ thuật truy nhập khác với kỹ thuật chuyển mạch gói IP hay ATM ở mạng đường trục. Hay nói cách khác, lớp này chịu trách nhiệm chuyển đổi các loại môi trường (chẳng hạn như PSTN, FramRelay, LAN, vô tuyến,…) sang môi trường truyền dẫn gói được áp dụng trên mạng lõi và ngược lại. Nhờ đó, các nút chuyển mạch (ATM + IP) và các hệ thống truyền dẫn sẽ thực hiện chức năng chuyển mạch, định tuyến cuộc gọi giữa các thuê bao của lớp truy nhập dưới sự điều khiển của các thiết bị thuộc lớp điều khiển. Thiết bị chính trong lớp truyền thông là các cổng (Gateway) làm nhiệm vụ kết nối giữa các phần của mạng và giữa các mạng khác nhau. 2.3.3 Lớp điều khiển Lớp điều khiển có nhiệm vụ kết nối để cung cấp các dịch vụ thông suốt từ đầu cuối đến đầu cuối với bất kỳ loại giao thức và báo hiệu nào. • Định tuyến lưu lượng giữa các khối chuyển mạch. • Thiết lập yêu cầu, điều chỉnh và thay đổi các kết nối hoặc các luồng, điều khiển sắp xếp nhãn (label mapping) giữa các giao diện cổng. • Phân bổ lưu lượng và các chỉ tiêu chất lượng đối với mỗi kết nối (hay mỗi luồng) và thực hiện giám sát điều khiển để đảm bảo QoS. Khoa Điện Tử Viễn Thông GVHD: Nguyễn Thị Bích Hạnh SVTH: Võ Thị Lan Hương Trang 10 • Báo hiệu đầu cuối từ các trung kế, các cổng trong kết nối với lớp media. Thống kê và ghi lại các thông số về chi tiết cuộc gọi, đồng thời thực hiện các cảnh báo. • Thu nhận thông tin báo hiệu từ các cổng và chuyển thông tin này đến các thành phần thích hợp trong lớp điều khiển. • Quản lý và bảo dưỡng hoạt động của các tuyến kết nối thuộc phạm vi điều khiển. Thiết lập và quản lý hoạt động của các luồng yêu cầu đối với chức năng dịch vụ trong mạng. Báo hiệu với các thành phần ngang cấp. • Các chức năng quản lý, chăm sóc khách hàng cũng được tích hợp trong lớp điều khiển. Nhờ các giao diện mở nên có sự tách biệt giữa dịch vụ và truyền dẫn, điều này cho phép các dịch vụ mới được đưa vào nhanh chóng và dễ dàng. 2.3.4 Lớp ứng dụng Lớp ứng dụng cung cấp các dịch vụ có băng thông khác nhau và ở nhiều mức độ. Một số loại dịch vụ sẽ thực hiện làm chủ việc thực hiện điều khiển logic của chúng và truy nhập trực tiếp tới lớp ứng dụng, còn một số dịch vụ khác sẽ được điều khiển từ lớp điều khiển như dịch vụ thoại truyền thống. Lớp ứng dụng liên kết với lớp điều khiển thông qua các giao diện mở API. Nhờ đó mà các nhà cung cấp dịch vụ có thể phát triển các ứng dụng và triển khai nhanh chóng trên các dịch vụ mạng. Một số ví dụ về các loại ứng dụng dịch vụ được đưa ra sau đây: 9 Các dịch vụ thoại 9 Các dịch vụ thông tin và nội dung 9 VPN cho thoại và số liệu 9 Video theo yêu cầu 9 Nhóm các dịch vụ đa phương tiện 9 Thương mại điện tử 9 Các trò chơi trên mạng thời gian thực. …………. Khoa Điện Tử Viễn Thông GVHD: Nguyễn Thị Bích Hạnh SVTH: Võ Thị Lan Hương Trang 11 Hình 2.4 : Sơ đồ ứng dụng dịch vụ 2.3.5 Lớp quản lý Lớp quản lý là một lớp tác động trực tiếp lên tất cả các lớp còn lại, làm nhiệm vụ giám sát các hoạt động của mạng. Lớp quản lý là một lớp đặc biệt xuyên suốt các lớp từ lớp kết nối cho đến lớp ứng dụng. Tuy nhiên cần phân biệt các chức năng quản lý với các chức năng điều khiển. Vì căn bản NGN sẽ dựa trên các giao diện mở và cung cấp rất nhiều loại hình dịch vụ trong một mạng đơn, cho nên mạng quản lý phải làm việc trong một môi trường đa nhà đầu tư, đa nhà khai thác, đa dịch vụ. Lớp quản lý là một lớp tác động trực tiếp lên tất cả các lớp còn lại, làm nhiệm vụ giám sát các hoạt động của mạng. Lớp quản lý phải đảm bảo hoạt động được trong môi trường mở, với nhiều giao thức, dịch vụ và các nhà khai thác khác nhau. Khoa Điện Tử Viễn Thông GVHD: Nguyễn Thị Bích Hạnh SVTH: Võ Thị Lan Hương Trang 12 2.4 CÁC PHẦN TỬ TRONG MẠNG NGN Hình 2.5 : Các thành phần chính của mạng NGN 2.4.1 Cổng phương tiện (MG – Media Gateway) Media Gateway cung cấp phương tiện để truyền tải thông tin thoại, dữ liệu, fax và video giữa mạng gói IP và mạng PSTN. Trong mạng PSTN, dữ liệu thoại được mang trên kênh DS0. Để truyền dữ liệu này vào mạng gói, mẫu thoại cần được nén lại và đóng gói. Đặc biệt ở đây người ta sử dụng một bộ xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal Processors) thực hiện các chức năng : chuyển đổi AD (analog to digital), nén mã thoại/ audio, triệt tiếng dội, bỏ khoảng lặng, mã hóa, tái tạo tính hiệu thoại,… Các chức năng của một Media Gateway : - Truyền dữ liệu thoại sử dụng giao thức RTP (Real Time Protocol). - Cung cấp khe thời gian T1 hay tài nguyên xử lý tín hiệu số (DSP - Digital Signal Processing) dưới sự điều khiển của Media Gateway Controller (MGC). Đồng thời quản lý tài nguyên DSP cho dịch vụ này. - Hỗ trợ các giao thức đã có như loop-start, ground-start, E&M, CAS, QSIG và ISDN qua T1. - Quản lý tài nguyên và kết nối T1. - Cung cấp khả năng thay nóng các card T1 hay DSP. - Có phần mềm Media Gateway dự phòng. Khoa Điện Tử Viễn Thông GVHD: Nguyễn Thị Bích Hạnh SVTH: Võ Thị Lan Hương Trang 13 - Cho phép khả năng mở rộng Media Gateway về: cổng(ports), cards, các nút mà không làm thay đổi các thành phần khác. 2.4.2 Bộ điều khiển cổng phương tiện (Media Gateway Controller) MGC là đơn vị chức năng chính của Softswitch. Nó đưa ra các quy luật xử lý cuộc gọi, còn MG và SG sẽ thực hiện các quy luật đó. Nó điều khiển SG thiết lập và kết thúc cuộc gọi. Ngoài ra nó còn giao tiếp với hệ thống OSS và BSS. MGC chính là chiếc cầu nối giữa các mạng có đặc tính khác nhau, như PSTN, SS7, mạng IP. Nó chịu trách nhiệm quản lý lưu lượng thoại và dữ liệu qua các mạng khác nhau. Nó còn được gọi là Call Agent do chức năng điều khiển các bản tin. Một MGC kết hợp với MG, SG tạo thành cấu hình tối thiểu cho Softswitch. Các chức năng của Media Gateway Controller : - Quản lý cuộc gọi - Các giao thức thiết lập cuộc gọi thoại : H.323, SIP - Giao thức điều khiển truyền thông : MGCP, Megaco, H.248 - Quản lý lớp dịch vụ và chất lượng dịch vụ - Giao thức quản lý SS7 : SIGTRAN (SS7 over IP) - Xử lý báo hiệu SS7 - Quản lý các bản tin liên quan QoS như RTCP - Thực hiện định tuyến cuộc gọi - Ghi lại các thông tin chi tiết của cuộc gọi để tính cước (CDR-Call Detail Record) - Điều khiển quản lý băng thông - Đối với Media Gateway : + Xác định và cấu hình thời gian thực cho các DSP + Phân bổ kênh DS0 + Truyền dẫn thoại ( mã hóa, nén, đóng gói) - Đối với Signaling Gateway, MGC cung cấp : + Các loại SS7 + Các bộ xử lý thời gian + Cấu hình kết nối Khoa Điện Tử Viễn Thông GVHD: Nguyễn Thị Bích Hạnh SVTH: Võ Thị Lan Hương Trang 14 + Mã của nút mạng hay thông tin cấu hình - Đăng ký Gatekeeper 2.4.3 Cổng báo hiệu (SG – Signaling Gateway) Signaling Gateway tạo ra một chiếc cầu giữa mạng báo hiệu SS7 với mạng IP dưới sự điều khiển của MGC(Media Gateway Controller). SG làm cho Softswitch giống như một nút SS7 trong mạng báo hiệu SS7. Nhiệm vụ của SG là xử lý thông tin báo hiệu. Các chức năng của Signaling Gateway: - Cung cấp một kết nối vật lý đến mạng báo hiệu. - Truyền thông tin báo hiệu giữa Media Gateway Controller và Signaling Gateway thông qua mạng IP. - Cung cấp đường dẫn truyền dẫn cho thoại, dữ liệu và các dạng dữ liệu khác. (Thực hiện truyền dữ liệu là nhiệm vụ của Media Gateway). - Cung cấp các hoạt động SS7 có sự sẵn sàng cao cho các dịch vụ viễn thông. 2.4.4 Server phương tiện (MS – Media Server) Media Server là thành phần lựa chọn của Softswitch, được sử dụng để xử lý các thông tin đặc biệt. Một Media Server phải hỗ trợ phần cứng DSP với hiệu suất cao nhất. Các chức năng của một Media Server: - Chức năng voicemail cơ bản. - Hộp thư fax tích hợp hay các thông báo có thể sử dụng e-mail hay các bản tin ghi âm trước (pre-recorded message). - Khả năng nhận tiếng nói (nếu có). - Khả năng hội nghị truyền hình (video conference). - Khả năng chuyển thoại sang văn bản (speech-to-text) 2.4.5 Server ứng dụng/server đặc tính (AS/FS) Server đặc tính là một server ở mức ứng dụng chứa một loạt các dịch vụ của doanh nghiệp. Chính vì vậy nó còn được gọi là Server ứng dụng thương mại. Vì hầu hết các Server này tự quản lý các dịch vụ và truyền thông qua mạng IP nên chúng không ràng buộc nhiều với Softswith về việc phân chia hay nhóm các thành phần ứng dụng. Khoa Điện Tử Viễn Thông GVHD: Nguyễn Thị Bích Hạnh SVTH: Võ Thị Lan Hương Trang 15 Các dịch vụ cộng thêm có thể trực thuộc Call Agent, hoặc cũng có thể thực hiện một cách độc lập. Những ứng dụng này giao tiếp với Call Agent thông qua các giao thức như SIP, H.323,… Chúng thường độc lập với phần cứng nhưng lại yêu cầu truy nhập cơ sở dữ liệu đặc trưng. Chức năng của Feature Server : - Xác định tính hợp lệ và hỗ trợ các thông số dịch vụ thông thường cho hệ thống đa chuyển mạch. Một vài ví dụ về các dịch vụ đặc tính : - Hệ thống tính cước – Call Agents sử dụng các bộ CDR (Call Detail Record). Chương trình CDR có rất nhiều đặc tính, chẳng hạn khả năng ứng dụng tốc độ dựa trên loại đường truyền, thời điểm trong ngày….Dịch vụ này cho phép khách hàng truy nhập vào bản tin tính cước của họ thông qua cuộc gọi thoại hay yêu cầu trang Web. - H.323 Gatekeeper- dịch vụ này hỗ trợ định tuyến thông qua các miền khác nhau ( các mạng khác nhau). Mỗi miền có thể đang ký số điện thoại và số truy nhập trung kế với Gatekeeper thông qua giao thức H.323. Gatekeeper sẽ cung cấp dịvh vụ định tuyến cuộc gọi (và chuyển dịch sang dạng số) cho mỗi đầu cuối H.323. Gatekeeper còn có thể cung cấp điều khiển tính cước và quản lý băng thông cho Softswitch. - VPN -Dịch vụ này sẽ thiết lập mạng riêng ảo cho khách hàng với các đặc tính sau: + Băng thông xác định ( thông qua mạng thuê riêng tốc độ cao) + Đảm bảo QoS + Nhiều tính năng riêng theo chuẩn + Kế hoạch quay số riêng + Bảo mật các mã thoại được truyền dẫn. 2.5 CÁC GIAO THỨC BÁO HIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN Kiến trúc của NGN là kiến trúc phân tán vì thế mà các chức năng báo hiệu và xử lý báo hiệu, chuyển mạch, điều khiển cuộc gọi,…được thực hiện bởi các thiết bị nằm phân tán trong cấu hình mạng. Để có thể tạo ra các kết nối giữa các đầu cuối nhằm cung cấp dịch vụ, các thiết bị này phải trao đổi các thông tin báo Khoa Điện Tử Viễn Thông GVHD: Nguyễn Thị Bích Hạnh SVTH: Võ Thị Lan Hương Trang 16 hiệu và diều khiển với nhau. Cách thức trao đổi các thông tin báo hiệu và điều khiển đó được quy định trong các giao thức báo hiệu và điều khiển được sử dụng trong mạng. Trong mạng NGN có các giao thức báo hiệu và điều khiển cơ bản sau: Các giao thức này có thể phân thành 2 loại: các giao thức ngang hàng (H.323, SIP, BICC) và các giao thức chủ tớ (MGCP, MEGACO/H.248). Sự khác nhau cơ bản giữa hai cách tiếp cận này là ở chỗ “khả năng thông minh” được phân bổ như thế nào giữa các thiết bị biên của mạng và các server. Sự lựa chọn cách nào là phụ thuộc vào chi phí hệ thống, triển khai dịch vụ, độ khả thi. Một giải pháp tổng thể sử dụng ưu điểm của cả hai cách tiếp cận nên được xem xét. H323 SIP BICC SIGTRAN MGCP, MEGACO/H.248 Khoa Điện Tử Viễn Thông GVHD: Nguyễn Thị Bích Hạnh SVTH: Võ Thị Lan Hương Trang 17 CHƯƠNG III: GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN 3.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỊNH TUYẾN Định tuyến (routing hay routeing) là quá trình chọn lựa các đường đi trên một mạng để gửi dữ liệu qua đó, từ nguồn đến đích.Việc định tuyến được thực hiện cho nhiều loại mạng, trong đó có mạng điện thoại, liên mạng, Internet, mạng giao thông. Nó là một chức năng được thực hiện ở tầng mạng (Network Layer). Chức năng này cho phép router đánh giá các đường đi sẵn có tới đích. Định tuyến liên quan đến tính toán các đường dẫn phù hợp cho từng nhu cầu. Để đánh giá đường đi, định tuyến sử dụng các thông tin tôpô mạng. Các thông tin này có thể do người quản trị thiết lập hoặc được thu lượm thông qua các giao thức định tuyến. Routing chỉ ra hướng, sự di chuyển của các gói (dữ liệu) được đánh địa chỉ từ mạng nguồn của chúng, hướng đến đích cuối thông qua các node trung gian; thiết bị phần cứng chuyên dùng được gọi là router (bộ định tuyến). Tiến trình định tuyến thường chỉ hướng đi dựa vào bảng định tuyến, đó là bảng chứa những lộ trình tốt nhất đến các đích khác nhau trên mạng. => Vì vậy việc xây dựng bảng định tuyến, được tổ chức trong bộ nhớ của router, trở nên vô cùng quan trọng cho việc định tuyến hiệu quả. Một số lựa chọn định tuyến có thể là: 9 Tiêu chí tối ưu khác nhau. • Minium hop. • Khoảng cách địa lý ngắn nhất. • Khả năng sử dụng lớn nhất. 9 Giới hạn dung lượng và các hạn chế dung lượng hiện tại. 9 Các yêu cầu lưu lượng 9 Yêu cầu phân tập. 9 Các yêu cầu bằng tải Quá trình định tuyến Khi định tuyến dữ liệu từ nguồn đến đích, router thường chuyển tiếp gói từ một liên kết dữ liệu (mạng) này đến một liên kết dữ liệu khác, sử dụng hai chức năng cơ bản: Khoa Điện Tử Viễn Thông GVHD: Nguyễn Thị Bích Hạnh SVTH: Võ Thị Lan Hương Trang 18 - Xác định đường đi (path determination) - Chuyển mạch (switching) Chức năng xác định đường đi chọn ra một đường đi tối ưu đến đích theo một tiêu chí nào đó (chẳng hạn chiều dài đường đi). Để trợ giúp cho quá trình xác định đường đi, các giải thuật định tuyến khởi tạo và duy trì bảng định tuyến, bảng này chứa thông tin về các tuyến tới đích. Khi đường đi tối ưu được xác định, bước nhảy tiếp theo gắn với đường đi này cho router biết phải gửi gói đi đâu để nó có thể đến đích theo đường đi tối ưu đó. Chức năng chuyển mạch cho phép router chuyển gói từ cổng vào tới cổng ra tương ứng với đường đi tối ưu đã chọn. Trong quá trình định tuyến, phần địa chỉ mạng được sử dụng để xác định đường đi, còn phần địa chỉ trạm được router cuối cùng trên đường đi (router nối trực tiếp tới mạng đích) sử dụng để chuyển gói tới đúng trạm đích. 3.2 CÁC LỚP THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN 3.2.1 Thuật toán vector khoảng cách (Distance Vector Algorithm) Thuật toán này dùng thuật toán Bellman-Ford. Phương pháp này chỉ định một con số, gọi là chi phí (hay trọng số), cho mỗi một liên kết giữa các node trong mạng. Các node sẽ gửi thông tin từ điểm A đến điểm B qua đường đi mang lại tổng chi phí thấp nhất (là tổng các chi phí của các kết nối giữa các node được dùng). Thuật toán hoạt động với những hành động rất đơn giản. Khi một node khởi động lần đầu, nó chỉ biết các node kề trực tiếp với nó, và chi phí trực tiếp để đi đến đó (thông tin này, danh sách của các đích, tổng chi phí của từng node, và bước kế tiếp để gửi dữ liệu đến đó tạo nên bảng định tuyến, hay bảng khoảng cách). Mỗi node, trong một tiến trình, gửi đến từng “hàng xóm” tổng chi phí của nó để đi đến các đích mà nó biết. Các node “hàng xóm” phân tích thông tin này, và so sánh với những thông tin mà chúng đang “biết”; bất kỳ điều gì cải thiện được những thông tin chúng đang có sẽ được đưa vào các bảng định tuyến của những “hàng xóm” này. Đến khi kết thúc, tất cả node trên mạng sẽ tìm ra bước truyền kế tiếp tối ưu đến tất cả mọi đích, và tổng chi phí tốt nhất. Khoa Điện Tử Viễn Thông GVHD: Nguyễn Thị Bích Hạnh SVTH: Võ Thị Lan Hương Trang 19 Khi một trong các node gặp vấn đề, những node khác có sử dụng node hỏng này trong lộ trình của mình sẽ loại bỏ những lộ trình đó, và tạo nên thông tin mới của bảng định tuyến. Sau đó chúng chuyển thông tin này đến tất cả node gần kề và lặp lại quá trình trên. Cuối cùng, tất cả node trên mạng nhận được thông tin cập nhật, và sau đó sẽ tìm đường đi mới đến tất cả các đích mà chúng còn tới được. 3.2.2 Thuật toán trạng thái kết nối (Link-state Algorithm) Khi áp dụng các thuật toán trạng thái kết nối, mỗi node sử dụng dữ liệu cơ sở của nó như là một bản đồ của mạng với dạng một đồ thị. Để làm điều này, mỗi node phát đi tới tổng thể mạng những thông tin về các node khác mà nó có thể kết nối được, và từng node góp thông tin một cách độc lập vào bản đồ. Sử dụng bản đồ này, mỗi router sau đó sẽ quyết định về tuyến đường tốt nhất từ nó đến mọi node khác. Thuật toán đã làm theo cách này là Dijkstra, bằng cách xây dựng cấu trúc dữ liệu khác, dạng cây, trong đó node hiện tại là gốc, và chứa mọi noded khác trong mạng. Bắt đầu với một cây ban đầu chỉ chứa chính nó. Sau đó lần lượt từ tập các node chưa được thêm vào cây, nó sẽ thêm node có chi phí thấp nhất để đến một node đã có trên cây. Tiếp tục quá trình đến khi mọi node đều được thêm. Cây này sau đó phục vụ để xây dựng bảng định tuyến, đưa ra bước truyền kế tiếp tốt ưu, … để từ một node đến bất kỳ node khác trên mạng. 3.2.3 So sánh các thuật toán định tuyến Các giao thức định tuyến với thuật toán vector tỏ ra đơn giản và hiệu quả trong các mạng nhỏ, và đòi hỏi ít (nếu có) sự giám sát. Tuy nhiên, chúng không làm việc tốt, và có tài nguyên tập hợp ít ỏi, dẫn đến sự phát triển của các thuật toán trạng thái kết nối tuy phức tạp hơn nhưng tốt hơn để dùng trong các mạng lớn. Giao thức vector kém hơn với rắc rối về đếm đến vô tận. Ưu điểm chính của định tuyến bằng trạng thái kết nối là phản ứng nhanh nhạy hơn, và trong một khoảng thời gian có hạn, đối với sự thay đổi kết nối. Ngoài ra, những gói được gửi qua mạng trong định tuyến bằng trạng thái kết nối thì nhỏ hơn những gói dùng trong định tuyến bằng vector. Định tuyến bằng vector đòi hỏi bảng định tuyến đầy đủ phải được truyền đi, trong khi định tuyến bằng trạng thái kết nối thì chỉ có thông tin về “hàng xóm” của node được truyền Khoa Điện Tử Viễn Thông GVHD: Nguyễn Thị Bích Hạnh SVTH: Võ Thị Lan Hương Trang 20 đi. Vì vậy, các gói này dùng tài nguyên mạng ở mức không đáng kể. Khuyết điểm chính của định tuyến bằng trạng thái kết nối là nó đòi hỏi nhiều sự lưu trữ và tính toán để chạy hơn định tuyến bằng vector. 3.3 CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CƠ BẢN • Giao thức định tuyến trong o Router Information Protocol (RIP) o Open Shortest Path First (OSPF) o Intermediate System to Intermediate System (IS-IS) o Hai giao thức sau đây thuộc sở hữa của Cisco, và được hỗ trợ bởi các router Cisco hay những router của những nhà cung cấp mà Cisco đã đăng ký công nghệ: ƒ Interior Gateway Routing Protocol (IGRP) ƒ Enhanced IGRP (EIGRP) • Giao thức định tuyến ngoài o Exterior Gateway Protocol (EGP) o Border Gateway Protocol (BGP) o Constrained Shortest Path First (CSPF) 3.3.1 Giao thức định tuyến RIP 3.3.1.1 Khái niệm RIP (Router Information Protocol – Giao thức thông tin định tuyến) là một giao thức định tuyến miền trong được sử dụng bên trong hệ thống tự trị. Đây là một giao thức rất đơn giản dựa trên định tuyến vectơ khoảng cách, sử dụng giải thuật Bellman-Ford để tính toán bảng định tuyến. Khi được sử dụng trong những mạng cùng loại nhỏ, RIP là một giao thức hiệu quả và sự vận hành của nó là khá đơn giản. RIP duy trì tất cả bảng định tuyến trong một mạng được cập nhật bởi truyền những bản tin cập nhật bảng định tuyến sau mỗi 30s. Sau một thiết bị RIP nhận một cập nhật, nó so sánh thông tin hiện tại của nó với những thông tin được chứa trong thông tin cập nhật. 3.3.1.2 Thuật toán và ví dụ minh họa Mỗi router có một bảng định tuyến trong đó chứa các mục tương ứng cho mỗi mạng đích mà router biết. Mục này gồm địa chỉ IP của mạng đích, khoảng Khoa Điện Tử Viễn Thông GVHD: Nguyễn Thị Bích Hạnh SVTH: Võ Thị Lan Hương Trang 21 cách ngắn nhất để tới đích (tính theo số bước nhảy) và bước nhảy tiếp theo (router tiếp theo). Bước nhảy tiếp theo là nơi cần giửi gói dữ liệu đến để có thể tới được đích cuối cùng. Số bước nhảy là số mạng mà một gói dữ liệu phải đi qua để tới được mạng đích. Hình 3.1 : Định tuyến trong mạng sử dụng RIP Bảng của R2 Bảng của R3 Bảng của R4 Đích Node sau Hop Đích Node sau Hop Đích Node sau Hop N1 R1 2 N1 R2 3 N1 R3 4 N2 Trực tiếp 1 N2 R2 2 N2 R3 3 N3 Trực tiếp 1 N3 Trực tiếp 1 N3 R3 2 N4 R3 2 N4 Trực tiếp 1 N4 Trực tiếp 1 N5 R3 3 N5 R4 2 N5 Trực tiếp 1 N6 R3 4 N6 R4 3 N6 R5 2 Bảng định tuyến RIP được cập nhật khi router nhận được các thông báo RIP. Dưới đây chỉ ra giải thuật cập nhật định tuyến được RIP sử dụng. Nhận một thông báo RIP trả lời 1. Cộng 1 vào số bước nhảy tiếp theo cho mỗi đích được quảng cáo 2. Lặp lại các bước tiếp theo cho mỗi đích được quảng cáo: 2.1 Nếu đích không có trong bảng định tuyến Thêm thông tin được quảng cáo vào bảng định tuyến 2.2 Trái lại 2.2.1 -Nếu bước nhảy tiếp theo giống nhau -Thay thế mục trong bảng bằng mục được quảng cáo 2.2.2 Trái lại 2.2.2.1 Nếu số bước nhảy được quảng cáo<số bước nhảy trong bảng Thay thế mục trong bảng bằng mục được quảng cáo 2.2.2.2 Trái lại không làm gì cả 3. Kết thúc Khoa Điện Tử Viễn Thông GVHD: Nguyễn Thị Bích Hạnh SVTH: Võ Thị Lan Hương Trang 22 3.3.1.3 Ưu & nhược điểm RIP được thiết kế như là một giao thức IGP (Interior Gateway Protocol là giao thức định tuyến nội miền) dùng cho các hệ thống tự trị AS (AS– Autonomouns system) có kích thước nhỏ, RIP chỉ áp dụng cho những mạng nhỏ, không sử dụng cho hệ thống mạng lớn và phức tạp. Bởi vì : • RIP sử dụng giao thức định tuyến theo véctơ khoảng cách thường tốn ít tài nguyên hệ thống nhưng tốc độ đồng bộ giữa các bộ định tuyến lại chậm mà đối với 1 mạng lớn hay phức tạp thì lại gồm nhiều bộ định tuyến nên RIP không phù hợp với những hệ thống mạng lớp và phức tạp. • RIP giới hạn số hop tối đa là 15 (bất kỳ mạng đích nào mà có số hop lớn hơn 15 thì xem như mạng đó không đến được). Số lượng 15 hop sẽ không đủ khi muốn xây dựng một mạng lớn. • Bảng định tuyến được trao đổi với các bộ định tuyến khác khoảng 30giây/lần. Nếu một bộ định tuyến không thông báo trong vòng 180 giây, đường đi qua bộ định tuyến này được xem như không dùng được. Các vấn đề có thể xảy ra trong lúc tạo lại bảng định tuyến nếu bộ định tuyến này được kết nối với một mạng diện rộng chạy chậm. Hơn nữa, trao đổi các bảng làm mạng thường xuyên quá tải, gây tắc nghẽn và các trì hoãn khác. • Khi cấu trúc mạng thay đổi thì thông tin cập nhật phải được xử lý trong toàn bộ hệ thống, nên điều này sẽ thực hiện rất khó đối với mạng lớn vì sẽ rất rễ gây ra hiện tượng tắc nghẽn trong mạng. Các bộ định tuyến khi dùng RIP là chúng kết nối liên tục với các bộ định tuyến lân cận để cập nhật các bảng định tuyến của chúng, do đó tạo ra một lượng tải lớn trên mạng. • Do sử dụng thuật toán định tuyến theo véctơ khoảng cách nên có tốc độ hội tụ chậm (Trạng thái hội tụ là tất cả các bộ định tuyến trong hệ thống mạng đều có thông tin định tuyến về hệ thống mạng và chính xác) do vậy đối với mạng lớn hay phức tạp thì sẽ mất rất lâu mới hội tụ được. • Do RIP là giao thức định tuyến theo véctơ khoảng cách nên mỗi bộ định tuyến nhận được bảng định tuyến của những bộ định tuyến lân cận kết nối trực tiếp với nó do vậy bộ định tuyến sẽ không biết được chính xác cấu trúc của toàn bộ hệ thống mạng. Khoa Điện Tử Viễn Thông GVHD: Nguyễn Thị Bích Hạnh SVTH: Võ Thị Lan Hương Trang 23 • RIP sử dụng thuật toán định tuyến theo véctơ khoảng cách. Nếu có nhiều đường đến cùng một lúc tới đích thì RIP sẽ chọn đường có số hop ít nhất. Chính vì vậy dựa vào số lượng hop để chọn đường nên đôi khi còn đường mà RIP chọn không phải là đường ngắn nhất và nhanh nhất tới đích. 3.3.2 Giao thức định tuyến OSPF 3.3.2.1 Khái niệm Giao thức ưu tiên đường đi ngắn nhất (OSPF – Open Shortest Path First) là một giao thức định tuyến cổng trong khác đang được sử dụng rất rộng rãi. Phạm vi hoạt động của nó cũng là một hệ thống tự trị (AS). Các router đặc biệt được gọi là router biên AS có trách nhiệm ngăn thông tin về các hệ thống tự trị- AS khác vào trong hệ thống hiện tại. Để định tuyến hiệu quả, OSPF chia hệ thống tự trị thành nhiều vùng nhỏ. OSPF là giao thức định tuyến trạng thái liên kết, được thiết kế cho các mạng lớn hoặc các mạng liên hợp và phức tạp. Các giải thuật định tuyến trạng thái sử dụng các giải thuật Shortest Path First (SPF) cùng với một cơ sở dữ liệu phức tạp về cấu hình của mạng. Cơ sở dữ liệu về cấu hình mạng về cơ bản bao gồm tất cả dữ liệu về mạng có liên kết đến bộ định tuyến chứa cơ sở dữ liệu. 3.3.2.2 Thuật toán và ví dụ minh họa OSPF là một giao thức dựa theo trạng thái liên kết. Giống như các giao thức trạng thái liên kết khác, mỗi bộ định tuyến OSPF đều thực hiện thuật toán SPF- Shortest Path First để xử lý các thông tin chứa trong cơ sở dữ liệu trạng thái liên kết. Thuật toán tạo ra một cây đường đi ngắn nhất mô tả cụ thể các tuyến đường nên chọn dẫn tới mạng đích. Cơ sở dữ liệu về cấu hình mạng về cơ bản bao gồm tất cả dữ liệu về mạng có liên kết đến bộ định tuyến chứa cơ sở dữ liệu. Mỗi router sử dụng cây đường đi ngắn nhất để xây dựng bảng định tuyến của mình. Bảng định tuyến chỉ ra giá để tới mỗi mạng trong khu vực. Để tìm giá tới mạng bên ngoài khu vực, các router sử dụng các quảng cáo liên kết tóm tắt tới mạng, liên kết tóm tắt tới router biên AS và liên kết ngoài. Để thực hiện định tuyến hiệu quả, OSPF chia hệ thống tự trị ra thành nhiều khu vực nhỏ. Mỗi AS có thể được chia ra thành nhiều khu vực khác nhau. Khu vực là tập hợp các mạng, trạm và router nằm trong cùng một hệ thống tự trị. Tất cả các mạng trong Khoa Điện Tử Viễn Thông GVHD: Nguyễn Thị Bích Hạnh SVTH: Võ Thị Lan Hương Trang 24 một khu vực phải được kết nối với nhau. Tại biên của khu vực, các router biên khu vực tóm tắt thông tin về khu vực của mình và gửi các thông tin này tới các khu vực khác. Trong số các khu vực bên trong AS, có một khu vực đặc biệt được gọi là đường trục; tất cả các khu vực trong một AS phải được nối tới đường trục. Hay nói cách khác là đường trục được coi như là khu vực sơ cấp còn các khu vực còn lại đều được coi như là các khu vực thứ cấp. Các router bên trong khu vực đường trục được gọi là các router đường trục, các router đường trục cũng có thể là một router biên khu vực. Nếu vì một lý do nào đó mà kết nối giữa một khu vực và đường trục bị hỏng thì người quản trị mạng phải tạo một liên kết ảo (virtual link) giữa các router để cho phép đường trục tiếp tục hoạt động như một khu vực sơ cấp Hình 3.2 : Định tuyến sử dụng cây đường đi ngắn nhất Mạng Giá Router tiếp theo Thông tin khác N1 5 N2 7 C N3 10 D N4 11 B N5 15 D Giải thuật chọn đường dẫn ngắn nhất SPF là cơ sở cho hệ thống OSPF. Khi 1 bộ định tuyến sử dụng SPF được khởi động, bộ định tuyến sẽ khởi tạo cấu trúc cơ sở dữ liệu của giao thức định tuyến và sau đó đợi chỉ báo từ các giao thức tầng thấp hơn dưới dạng các hàm. Bộ định tuyến sẽ sử dụng các gói tin OSPF Hello để thu nhận các bộ định tuyến lân cận của mình. Bộ định tuyến gửi gói tin Hello Khoa Điện Tử Viễn Thông GVHD: Nguyễn Thị Bích Hạnh SVTH: Võ Thị Lan Hương Trang 25 đến các lân cận và nhận các bản tin Hello từ các bộ định tuyến lân cận. Ngoài việc sử dụng gói tin Hello để thu nhận các lân cận, bản tin Hello còn được sử dụng để xác nhận việc mình vẫn đang hoạt động đến các bộ định tuyến khác. Mỗi bộ định tuyến định kỳ gửi các gói thông báo về trạng thái liên kết (LSA) để cung cấp thông tin cho các bộ định tuyến lân cận hoặc cho các bộ định tuyến khác khi một bộ định tuyến thay đổi trạng thái. Bằng việc so sánh trạng thái liên kết của các bộ định tuyến liền kề để tồn tại trong cơ sở dữ liệu, các bộ định tuyến bị lỗi sẽ bị phát hiện ra nhanh chóng và cấu hình mạng sẽ được biến đổi thích hợp. Từ cấu trúc dữ liệu được sinh ra do việc cập nhật liên tục các gói LSA, mỗi bộ định tuyến sẽ tính toán cây đường đi ngắn nhất của mình và tự mình sẽ làm gốc của cây. Sau đó từ cây đường đi ngắn nhất sẽ sinh ra bảng định tuyến. Một khi có sự thay đổi topo mạng hoặc lưu lượng các node mạng phải khởi tạo và tính toán lại tuyến đường đi ngắn nhất, tuỳ theo giao thức được sử dụng trong mạng. 3.3.2.3 Ưu và nhược điểm - Cân bằng tải giữa các tuyến cùng giá: Việc sử dụng cùng lúc nhiều tuyến cho phép tận dụng có hiệu quả tài nguyên mạng. - Phân chia mạng một cách logic: điều này làm giảm bớt các thông tin phát ra trong những điều kiện bất lợi. Nó cũng giúp kết hợp các thông báo về định tuyến, hạn chế việc phát đi những thông tin không cần thiết về mạng. - Hỗ trợ nhận thực: OSPF hỗ trợ nhận thực cho tất cả các node phát thông tin quảng cáo định tuyến. Điều này hạn chế được nguy cơ thay đổi bảng định tuyến với mục đích xấu. - Thời gian hội tụ nhanh hơn: OSPF cho phép truyền các thông tin về thay đổi tuyến một cách tức thì. Điều đó giúp rút ngắn thời gian hội tụ cần thiết để cập nhật thông tin cấu hình mạng. - Hỗ trợ CIDR và VLSM: Điều này cho phép nhà quản trị mạng có thể phân phối nguồn địa chỉ IP một cách có hiệu quả hơn. 3.3.3 Giao thức định tuyến Qos 3.3.3.1 Khái niệm Chất lượng dịch vụ (QoS) trong phạm vi định tuyến là khái niệm thể hiện mức độ đáp ứng những thoả thuận giữa nhà cung cấp dịch vụ và người sử dụng Khoa Điện Tử Viễn Thông GVHD: Nguyễn Thị Bích Hạnh SVTH: Võ Thị Lan Hương Trang 26 về số lượng lẫn chất lượng kết nối. Yêu cầu chất lượng của một kết nối là một tập các ràng buộc về liên kết, tuyến, và cây. Trong đó, Liên kết (link) là một kết nối giữa hai nút bất kì, tuyến (path) là tập hợp một vài kênh liên kết giữa một nút nguồn và một nút đích. Cây (tree) bao gồm một vài tuyến liên kết giữa một nút nguồn và một số nút đích. Kết nối (connection) là đường truyền dẫn được thiết lập giữa một nút nguồn và một nút đích. Ràng buộc kênh qui định các giới hạn sử dụng kênh. Ràng buộc về băng thông của kết nối đơn hướng yêu cầu các kênh của tuyến phải dự trữ một lượng băng thông rỗi nhất định. Ràng buộc tuyến chỉ ra yêu cầu về chất lượng của một tuyến đơn, còn ràng buộc cây quy định yêu cầu về chất lượng cho toàn bộ các tuyến trong định tuyến đa hướng. Ràng buộc trễ của một kết nối đa hướng yêu cầu trễ lớn nhất từ nút nguồn đến bất kì nút đích nào trong cây đều phải nhỏ hơn một giới hạn nhất định. Tuyến khả dụng là tuyến có đủ các tài nguyên rỗi để thoả mãn các ràng buộc QoS của một kết nối. => Định tuyến QoS là quá trình định tuyến nhằm chọn ra các tuyến có đủ tài nguyên để đáp ứng các yêu cầu về chất lượng dịch vụ và tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên mạng. 3.3.3.2 Chức năng Chức năng cơ bản của định tuyến QoS là tìm một tuyến khả dụng để thiết lập một kết nối giữa nút nguồn và nút đích đáp ứng được các yêu cầu về QoS. Ngoài ra, hầu hết các thuật toán định tuyến QoS đều xem xét đến hiệu quả sử dụng tài nguyên được đo bằng chi phí. Chi phí cho một tuyến/ cây là tổng chi phí của tất cả các kênh trên tuyến đó. Tối ưu hoá là tìm một tuyến có chi phí thấp nhất trong số các tuyến khả dụng. Bài toán định tuyến có hai chức năng chính: - Thu thập thông tin trạng thái và đảm bảo thông tin đó luôn cập nhật - Tìm kiếm một tuyến khả dụng cho kết nối mới dựa trên thông tin thu thập được. Kết quả của thu thập thông tin trạng thái có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả của bất kỳ thuật toán định tuyến nào. . Khoa Điện Tử Viễn Thông GVHD: Nguyễn Thị Bích Hạnh SVTH: Võ Thị Lan Hương Trang 27 3.3.3.3 Bài toán định tuyến QoS Có thể chia bài toán định tuyến thành 2 lớp lớn: Định tuyến đơn hướng và định tuyến đa hướng. Mỗi lớp định tuyến lại bao gồm 3 kiểu định tuyến : Định tuyến nguồn, định tuyến phân tán và định tuyến phân cấp. - Định tuyến đơn hướng giải bài toán sau: Cho trước một nút nguồn s, một nút đích t và tập các ràng buộc C, tìm một tuyến khả dụng tốt nhất từ s tới t thoả mãn C. Với các tiêu chí QoS là: băng thông rỗi, bộ đệm rỗi; trạng thái của tuyến được xác định bởi trạng thái của đoạn nút cổ chai trên tuyến đó; có hai bài toán định tuyến cơ bản là: định tuyến tối ưu hóa kênh và định tuyến ràng buộc kênh. Với các tiêu chí QoS khác như trễ, rung pha và chi phí thì trạng thái tuyến được xác định bằng tổng trạng thái của tất cả các kênh trên tuyến đó. Có hai bài toán định tuyến dựa trên các tiêu chí chất lượng dịch vụ này là định tuyến tối ưu tuyến và định tuyến ràng buộc tuyến. - Định tuyến đa hướng giải bài toán sau: Cho trước một nút nguồn s, một tập các nút đích, các ràng buộc C và một tiêu chí tối ưu, tìm một cây đường dẫn khả dụng phủ hết từ nút nguồn s đến các nút đích thuộc tập R và thoả mãn điều kiện C. Các bài toán định tuyến của hai lớp định tuyến trên có liên quan mật thiết với nhau. Định tuyến đa hướng trong nhiều trường hợp là sự tổng quát hoá của định tuyến đơn hướng. Sự khác biệt với định tuyến đơn hướng là phải có một tiêu chí tối ưu hoá hay một ràng buộc áp dụng cho toàn bộ cây thay vì cho một tuyến đơn lẻ. Có một số bài toán định tuyến đa hướng như: Bài toán định tuyến tối ưu hoá cây, bài toán định tuyến ràng buộc cây. 3.3.3.4 Ưu và nhược điểm QoSR xác định tuyến dựa trên tài nguyên mạng hiện có và yêu cầu của luồng lưu lượng. Kết quả là chất lượng của ứng dụng được đảm bảo và cải tiến so với định tuyến BE truyền thống. Nó có các ưu điểm sau: - QoSR lựa chọn tuyến đường đi khả thi bằng cách tránh các Nút và kết nối bị nghẽn. - Nếu tải lưu lượng vượt quá giới hạn của tuyến đường đang có thì QoSR đưa ra nhiều tuyến khác để truyền lưu lượng dư đó. Khoa Điện Tử Viễn Thông GVHD: Nguyễn Thị Bích Hạnh SVTH: Võ Thị Lan Hương Trang 28 - Nếu xảy ra lỗi mạng hoặc lỗi nút thì QoSR sẽ lựa chọn một tuyến đường đi thay thế để nhanh chóng khôi phục lại việc truyền dữ liệu mà không làm giảm nhiều QoS. - Các loại lưu lượng khác nhau có yêu cầu QoS khác nhau, các tổ hợp lưu lượng có nguồn và đích giống nhau có thể đi các tuyến đường khác nhau. Tuy nhiên, các ưu điểm này của định tuyến QoS cũng phải chịu chi phí để phát triển các giao thức định tuyến mới hay mở rộng các giao thức hiện tại. Một số khó khăn chủ yếu là: + Thứ nhất, do các ràng buộc về chất lượng (trễ, rung pha, tỉ lệ mất gói, băng thông..) của các ứng dụng phân tán thường thay đổi. Nhiều ràng buộc đồng thời thường làm cho việc định tuyến trở nên phức tạp vì rất khó cùng một lúc thoả mãn được tất cả các ràng buộc. Hơn nữa, độ phức tạp của giao thức định tuyến QoS cũng phụ thuộc vào sự phân nhỏ của nó sử dụng trong các quyết định định tuyến + Thứ hai, bất kì một mạng tích hợp dịch vụ nào trong tương lai cũng sẽ truyền tải cả lưu lượng QoS và lưu lượng BE, điều đó làm cho vấn đề tối ưu hoá trở nên phức tạp hơn và rất khó có thể xác định được điều kiện để thoả mãn tốt nhất cả hai loại lưu lượng trên nếu chúng phân bố độc lập. + Thứ ba, trạng thái mạng thay đổi thường xuyên do tải không ổn định, các kết nối được tạo ra và giải phóng liên tục; kích thước mạng ngày càng lớn làm cho việc thu thập thông tin về trạng thái mạng trở nên khó khăn hơn, đặc biệt khi bao gồm cả mạng vô tuyến. Hoạt động của các thuật toán định tuyến QoS có thể bị ảnh hưởng nghiêm trọng nếu không cập nhật thông tin trạng thái mạng kịp thời. Khoa Điện Tử Viễn Thông GVHD: Nguyễn Thị Bích Hạnh SVTH: Võ Thị Lan Hương Trang 29 CHƯƠNG IV: THUẬT TOÁN VÀ MÔ PHỎNG 4.1 GIỚI THIỆU VỀ THUẬT TOÁN Bài toán – Cho mạng các node được nối bởi các liên kết 2 chiều, mỗi chiều có giá trị chi phí riêng – Chi phí của đường đi giữa 2 node trong mạng là tổng các giá trị chi phí của các liên kết đi qua – Xác định đường đi ngắn nhất (chi phí thấp nhất) giữa 2 node • Tiêu chuẩn đường ngắn nhất – Số chặng đường đi • Giá trị mỗi liên kết là 1 – Giá trị liên kết • Tỉ lệ nghịch tốc độ liên kết • Tỉ lệ thuận tải trên liên kết • Tổ hợp các đại lượng trên • Giải thuật – Forward-search (Dijkstra) – Backward-search (Bellman-Ford) 4.1.1 Thuật toán Forward-search (Dijkstra) Input Đồ thị G(V, E) trong đó V là tập đỉnh, E là tập cạnh có trọng số không âm Đỉnh nguồn S: S V Output Đường đi ngắn nhất từ đỉnh nguồn S đến tất cả các đỉnh còn lại Di : đường đi ngắn nhất từ node nguồn S đến node i tại bước chạy hiện hành của giải thuật M: tập các đỉnh đã xét tại bước chạy hiện hành của giải thuật dij: trọng số trên cạnh nối từ node i đến node j o dij= 0 nếu i trùng j o dij= Eij nếu i khác j Khoa Điện Tử Viễn Thông GVHD: Nguyễn Thị Bích Hạnh SVTH: Võ Thị Lan Hương Trang 30 4.1.2 Thuật toán Backward-search (Bellman-Ford) Input – Đồ thị G(V, E) trong đó V là tập đỉnh, E là tập cạnh có trọng số – Đỉnh nguồn S: S V Output – Đồ thị có chu trình âm  không tồn tại đường đi ngắn nhất – Đường đi ngắn nhất từ đỉnh nguồn S đến tất cả các đỉnh còn lại Ký hiệu – D(h)i: đường đi ngắn nhất từ node nguồn S đến node i có tối đa h đoạn (link). – dij: trọng số trên cạnh nối từ node i đến node j o dij= 0 nếu i trùng j o dij= Eij nếu i khác j 4.2 VÍ DỤ MINH HỌA 4.2.1 Thuật toán Dijkstra Bước 1: khởi động • M = {S} • Di= dsi (các cạnh nối trực tiếp với S) Bước 2: cập nhật đường đi ngắn nhất • Chọn đỉnh N V\M sao cho: DN = min {Di} i V\M • M = M U {N} • Dj= min {Dj, DN + dNj} j V\M – Bước 3: lặp lại bước 2 cho đến khi M=V – Kết quả Di sẽ là đường đi ngắn nhất từ node nguồn S đến node i Khoa Điện Tử Viễn Thông GVHD: Nguyễn Thị Bích Hạnh SVTH: Võ Thị Lan Hương Trang 31 4.2.2 Thuật toán Bellman-Ford – Bước 1: khởi động • D(1)N = dSN, N V\{S} (đường đi ngắn nhất từ S đến N có tối đa 1 đoạn) – Bước 2: cập nhật đường đi ngắn nhất • D(h+1)N = min {D(h)j + djN} j V\{S} – Bước 3: lặp lại bước 2 cho đến khi không có đường đi mới nào ngắn hơn được tìm thấy thì dừng – Kết quả D(h)N sẽ là đường đi ngắn nhất từ node nguồn S đến node N. Khoa Điện Tử Viễn Thông GVHD: Nguyễn Thị Bích Hạnh SVTH: Võ Thị Lan Hương Trang 32 4.2.3 Kết luận và đánh giá Bellman-Ford – Việc tính toán cho node n phải biết các thông tin về chi phí liên kết của các node kề của n và chi phí tổng cộng từ node s đến các node kề của node n – Mỗi node cần lưu trữ các chi phí và các đường đi tương ứng đến các node khác – Có thể trao đổi thông tin với các node kề trực tiếp – Có thể cập nhật thông tin về chi phí và đường đi dựa trên các thông tin trao đổi với các node kề và các thông tin về chi phí liên kết Dijkstra – Mỗi node cần biết topology toàn bộ mạng – Phải biết chi phí liên kết của tất cả các liên kết trong mạng – Phải trao đổi thông tin với tất cả các node khác trong mạng NHẬN XÉT : Phụ thuộc vào thời gian xử lý của các giải thuật Khoa Điện Tử Viễn Thông GVHD: Nguyễn Thị Bích Hạnh SVTH: Võ Thị Lan Hương Trang 33 Phụ thuộc vào lượng thông tin yêu cầu từ các node khác Phụ thuộc vào việc hiện thực Cùng hội tụ về một lời giải dưới điều kiện topology tĩnh và chi phí không thay đổi Nếu chi phí liên kết thay đổi, các giải thuật sẽ tính lại để theo kịp sự thay đổi Nếu chi phí liên kết thay đổi theo lưu thông, lưu thông lại thay đổi theo đường đi được chọn  Phản hồi  Có thể rơi vào trạng thái không ổn định Kết luận: - Thuật toán Ford-Bellman tìm đường đi ngắn nhất từ đỉnh u tới tất cả các đỉnh còn lại, có thể sử dụng tong trường hợp trọng số âm. - Thuật toán Dijkstra chỉ tìm đường đi ngắn nhất giữa hai đỉnh cụ thể (từ U đến V) KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Đề tài đã trình bày được những khái niệm cơ sở về mạng NGN, các đặc trưng cũng như cấu trúc mạng. Mạng thế hệ sau NGN đang được nghiên cứu, chuẩn hoá bởi các tổ chức viễn thông lớn trên thế giới nhằm đáp ứng nhu cầu càng tăng về tính mở, sự tương thích và linh hoạt để cung cấp đa dịch vụ, đa phương tiện với các tính năng ngày càng mở rộng. Tại Việt Nam, mạng viễn thông đang ngày càng phát triển để đáp ứng các nhu cầu mới trong nền kinh tế hội nhập thế giới và việc chuyển hoàn toàn sang công nghệ mạng NGN là việc làm bức thiết nhằm đáp ứng các nhu cầu này. Quá trình xây dựng và phát triển mạng NGN phải được tiến hành từng bước, có tính đến sự tương thích và phối hợp với nền tảng mạng hiện tại. Bên cạnh đó việc làm sao để mạng có thể hoạt động tốt và ổn định cũng là một vấn đề cần lưu tâm. Trên cơ sở phân tích đó đồ án đã tiến hành được các nội dung sau. - Tổng quan về mạng ngn - Mạng thế hệ sau - ngn - Giao thức định tuyến - Thuật toán tìm đường & mô phỏng Giải quyết được các vấn đề này sẽ có rất ý nghĩa trong việc thực hiện những bước tiếp theo của quá trình đi lên xây dựng mạng NGN từ mạng PSTN hiện tại, đồng thời cung cấp được nhiều dịch vụ mới với chất lượng và độ tin cậy lớn hơn. Tuy nhiên, vấn đề định tuyến trong mạng vô cùng rộng lớn và phức tạp trong nhữnng hệ thống lớn. Vì vậy đề tài khó tránh khỏi những thiếu sót, cụ thể là: - Chưa thể đưa ra mô hình mạng hoàn chỉnh có thể áp dụng vào thực tế của nước ta. - Ngiên cứu sâu hơn nữa các giải pháp của các hãng và ứng dụng vào thực tế - Chưa nghiên cứu hết các phương pháp định tuyến được sử dụng hiện nay. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] HV CNBC VT. Mạng Viễn Thông. Chương 2. Học viện Công nghệ Bưu Chính Viễn Thông, 2007 [2] Hoàng Trọng Minh. Chuyên đề định tuyến. Chương 1 và 2. [3] ThS. Nguyễn Mạnh Cường. Giải pháp định tuyến QoS. Tạp chí Công nghệ thông tin & Truyền thông, 2006 [4] Nguyễn Quý Hiền. Mạng viễn thông thế hệ sau. NXB Bưu Điện. [5] Đinh Đức Anh Vũ. Data Communication and Computer Networks. Chương 8, 2008 [6] http:\\www.vnpt.com.vn. [7]