1. Giới thiệu

Trong những năm gần đây, lưu lượng qua mạng Internet tăng trưởng đột biến, những nhà cung cấp dịch vụ ICT, đặc biệt là các công ty sở hữu và khai thác cơ sở hạ tầng mạng, phải liên tục nâng cấp mạng để đáp ứng nhu cầu về băng thông và dịch vụ. Tuy vậy, hầu như tất cả các dự án giải quyết về lưu lượng mạng đều chậm hơn so với thực tế [1]. Trong tình huống này đã có một sự đột phá về công nghệ nhằm giải quyết vấn đề dung lượng và chất lượng mạng cho xã hội thông tin, đó chính là công nghệ chuyển mạch dựa trên bước sóng (D)WDM, và với sự tiến bộ nhanh chóng, công nghệ DWDM xứng đáng là giải pháp hợp lý cho vấn đề này hiện nay và cả trong tương lai. Đó là kỳ vọng đáp ứng cho sự tăng trưởng hàm mũ của lưu lượng qua mạng (như Internet) và sự cam kết khắt khe ngày càng cao về chất lượng dịch vụ. Khái niệm IP over DWDM mô tả công nghệ cho phép chuyển gói tin IP thô trên lớp DWDM, mở ra một số định hướng mới cho mạng tốc độ siêu cao Terabit, đồng thời cũng là nền móng vững chắc tiến đến kỷ nguyên mạng thuần quang (all-optical network).

Bài viết trình bày ngắn gọn và phân tích một trong những yếu tố then chốt nhất trong mạng quang IP/DWDM là khả năng phục hồi khi xảy sự cố mất đường truyền (như đứt cáp quang hoặc node mạng bị lỗi).

2. IP over DWDM

Hiện công nghệ mạng đang diễn ra xu hướng chuyển dần từ IP/ATM/SDH/DWDM sang IP/Ethernet trên nền DWDM. Hình 1 mô tả cấu trúc theo mô hình lớp của xu hướng này, kể cả đề cập đến lớp Ethernet trên nền DWDM.

Hình 1. Xu hướng chuyển sang cấu trúc đa lớp mạng IP

Công nghệ IP over DWDM cho phép hiện thực một số tính năng của giao thức IP như định tuyến (routing), tập hợp (aggregation) lưu lượng với khả năng đáp ứng của DWDM. Khái niệm cơ bản của IP trên nền DWDM chính là truyền những gói tin IP thô (raw IP packet) trên lớp quang (optical layer) hỗ trợ DWDM.

2.1 Lớp quang

Lớp quang đã được giới thiệu trong mạng quang, lớp này được gọi là lớp chủ (server layer), cung cấp kênh quang (light path) cho các lớp trạm. Hệ thống DWDM  cho phép tốc độ và định dạng (format) gói tin độc lập với nhau và có thể chấp nhận bất kỳ tập hợp của các tốc độ gói khác nhau (đồng bộ, bất đồng bộ, OC-3, OC-12…) trên cùng sợi quang tại cùng thời điểm. Như vậy, lớp quang hỗ trợ tích hợp các kỹ thuật khác nhau vào trong một hạ tầng vật lý, ưu điểm quan trọng của mạng quang này chính là khả năng chuyên chở - chuyển tải-các loại hàng hóa - gói tin- khác nhau trên cùng xa lộ - lớp vật lý quang. Lớp quang bao gồm 2 lớp con, lớp chuyển tải (tranport layer) và lớp dịch vụ (service layer)

Hai lớp con này thực hiện các tính năng của lớp 4 của SDH/SONET. Chúng làm việc với nhau với các tính năng riêng biệt không trùng lắp. Kỹ thuật  hay giao thức chuyển mạch đa giao thức theo nhãn MPLS điều phối chức năng thiết kế lưu lượng giữa lớp IP và lớp chuyển tải quang.

2.2. Chuyển mạch đa giao thức theo nhãn (MPLS)

Giao thức MPLS là giao thức chuyển mạch dùng tập hợp các nhãn được cài đặt để chuyển tiếp các gói tin. Các bộ chuyển mạch đựơc thiết kế và làm việc trên cơ sở duy nhất là dò tìm các nhãn và thay thế chúng. Những nhãn hiển thị trong gói tin sẽ quyết định đường tiếp của gói tin và không dùng bất kỳ thông tin nào khác trong suốt quá trình chuyển mạch. Chi tiết về MPLS có thể tìm được trong nhiều tài liệu, cơ bản nhất là trong [7], [9].

2.3. Chuyển mạch đa giao thức theo bước sóng (MPλS)

Giao thức IP over DWDM tích hội các tính năng của bộ chuyển mạch ATM, bộ ghép kênh SDH/SONET và bộ định tuyến IP vào trong một lớp và mở rộng thành khái niệm “Chuyển mạch đa giao thức theo bước sóng lambda - λ”. MPλS phát triển từ MPLS và  hoạt động ngay trên lớp quang. Mạng các lớp kênh quang hỗ trợ kết nối đầu cuối đến đầu cuối thông qua các điểm truy cập. Một kênh quang liên kết hòan tất một “chuỗi” các bước sóng mang các gói tin IP trong khi truyền tải. Chuỗi này cũng giống như bộ nhãn trong giao thức MPLS. MPλS chính là lớp trung gian giữa lớp IP và DWDM [1],[9].

3. Khả năng hồi phục của mạng IP/DWDM

Phần này sẽ hệ thống và đưa ra một số cách tiếp cận để nghiên cứu, đánh giá khả năng hồi phục của mạng IP/DWDM. Hình 2 trình bày ví dụ cơ bản về năng lực bảo vệ của mạng IP/DWDM, bộ ghép kênh DWDM đích có khả năng chọn bước sóng đang hoạt động để chuyển tiếp đến bộ định tuyến IP đích.

Hình 2. Khả năng bảo vệ bằng cách chọn bước sóng hoạt động của mạng IP/DWDM

3.1 Khái niệm khả năng hồi phục của mạng

Khả năng hồi phục mạng (Network resillience capability) rất quan trọng khi giải vấn đề cung cấp dịch vụ với các yêu cầu cao về chất lượng dịch vụ cam kết. Khả năng hồi phục mạng được định nghĩa như là năng lực mạng lưới đảm bảo hồi phục các hư hỏng vật lý của mạng (hư hỏng các thành phần thiết bị mạng, hoặc xảy ra đứt cáp) [2], [3] và [4]. Khả năng này giúp mạng tái định tuyến các kết nối vòng tránh phần mạng bị lỗi sang phần mạng dự phòng hoặc thay thế, tránh được các mất mát gây tổn hại đến hàng Gb/s, thậm chí Tb/s.

3.2 Một số cách đặt vấn đề tiếp cận nghiên cứu vấn đề năng lực hồi phục mạng

Cách tiếp cận phổ biến nhất là theo hướng nghiên cứu, phân tích năng lực phục hồi mạng theo 02 thành phần, mạng lõi (core) và mạng truy cập (access) [2]. Ưu điểm của cách tiếp cận này là phổ biến, phù hợp với các thế hệ mạng, có nhiều cơ sở để thực hiện. Tuy vậy, với các đặc điểm thiết kế, tổ chức và hoạt động của mạng IP, khá nhiều cách tiếp cận khác rất đáng chú ý và sẽ được trình bày tiếp theo sau.

3.2.1. Cách tiếp cận theo kiểu phân lớp mạng

Khả năng hồi phục của mạng IP/DWDM được xem như là khả năng phục hồi phân lớp (layered resilience), do khả năng này được xem xét triển khai trên  cả 02 lớp IP/DWDM và lớp mạng quang [3], [8]. Lớp IP hỗ trợ giải pháp hồi phục nhờ các bộ định tuyến IP lưu trữ, tái định tuyến và cập nhật bảng địa chỉ IP theo tình trạng mạng lưới. Khái niệm về cơ chế hồi phục của lớp quang sẽ khác biệt với lớp IP, với động lực chính là thời gian phản ứng và phục hồi mạng sẽ ngắn hơn của lớp IP/MPLS. Ngoài phương pháp phân tích khả năng hồi phục theo lớp, một số cách khác để tiếp cận và đánh giá khả năng này của mạng IP/DWDM sẽ được trình bày.

Hình 3. Khả năng hồi phục phân lớp của IP/DWDM

3.2.2 Cách tiếp cận thứ hai để phân tích khả năng hồi phục của mạng là phân nó thành kỹ thuật hồi phục tuyến và hồi phục link (path based or link based resilience technique). Kỹ thuật hồi phục tuyến sẽ xử lý lỗi mạng ở các node kết cuối tuyến (path endnodes) (các node mà tuyến nguồn và tuyến đích qua nó), trong khi phục hồi link lại xử lý lỗi mạng tại các node của link. Cách tiếp cận này giúp tính toán khả năng hồi phục theo vùng (coverage) mạng, toàn tuyến hoặc theo từng link.

Hình 4. Hồi phục mạng theo tuyến và theo link

3.2.3 Cách khác đó là phân thành kỹ thuật hồi phục cấu hình sẵn, cố định (pre-configured resilience) và kỹ thuật hồi phục động (dynamic resilience). Điểm khác nhau của hai cách tiếp cận này là quy trình và thời điểm chọn tuyến và năng lực mạng để phục hồi khi tuyến kết nối hiện hữu (ban đầu) bị lỗi. Thời gian hồi phục của mạng theo đó cũng sẽ khác biệt.

 Hình 5.  Thời điểm tính toán năng lực phục hồi mạng

3.2.4 Một cách quan trọng là đánh giá khả năng hồi phục thông qua cơ chế bảo vệ và cơ chế khôi phục (restoration) của mạng lưới [3].

- Cơ chế bảo vệ dựa trên khả năng tính toán và thiết kế trước (offline calculation) độ dự phòng cho mạng, đó chính các tuyến dự phòng cho từng kết nối lưu lượng. Thiết kế này được thực hiện khi xây dựng hoặc mở rộng mạng để sẵn sàng bảo vệ mạng trước khi có các sự cố xảy ra. Năng lực bảo vệ mạng có thể chính là các đường cáp hoặc thiết bị dự phòng, khi có sự cố xảy ra, lưu lượng sẽ được chuyển sang tuyến (hoặc thiết bị) dự phòng mà không cần bất kỳ sự xử lý hoặc ra quyết định nào. Cơ chế bảo vệ do khâu thiết kế quyết định và không liên quan đến việc quản lý và kiểm sóat vận hành mạng lưới.

- Cơ chế khôi phục, khác với cơ chế bảo vệ, dựa hoàn toàn trên khả năng quản lý và vận hành mạng lưới. Cơ chế này giúp tính toán và chọn lựa tuyến thay thế khi xảy ra sự cố kết nối. Với sự tính toán bảo vệ ban đầu, cơ chế khối phục giúp chọn lựa tối ưu, giảm thiểu rủi ro mất kết nối do không chọn được tuyến và nâng cao hiệu quả dự phòng bảo vệ tính toán từ khâu thiết kế mạng.

3.2.5 Về định lượng, nếu tạm gác qua các thông số tối ưu của khía cạnh kinh tế, về kỹ thuật, vấn đề hồi phục mạng chủ yếu xem xét dựa trên các thông số thời gian:

- Thời gian phát hiện lỗi (Failure dectection time, FDT): thời gian cần thiết để thu thập được thông tin lỗi đối với vị trí xảy ra lỗi

- Thời gian khôi phục (Recovery completion time, RCT): thời gian cần thiết để lưu lượng bị ảnh hưởng bởi lỗi được tái định tuyến vào phần tài nguyên (thiết bị/ tuyến) dự phòng.

RCT thường được phân tích từ ba khoảng thành phần: thời gian tính toán tuyến T_cal, thời gian chọn tài nguyên dự phòng T_sel và thời gian chuyển lưu lượng qua  tài nguyên mới T_sw.

- Độ dự phòng mạng (capacity redundancy, C_r): là độ bảo an, kết quả của một hàm số phụ thuộc chủ yếu vào: hệ số bảo vệ 1:x của tuyến hoặc link (ví dụ 1: N hoặc 1:1), FDT và RCT.

4. Kết luận

Bài viết trình bày một số trong nhiều phương pháp tiếp cận phân tích khả năng hồi phục mạng cho lớp IP/MPLS và cho lớp quang DWDM. Đây là vấn đề hóc búa nhưng quan trọng, đòi hỏi phải được tiếp tục trao đổi, nghiên cứu, tính toán mô phỏng (simulation), kể cả trải nghiệm thực tế để  đưa ra các đánh giá hỗ trợ các nhà cung cấp dịch vụ, xây dựng mạng và quản lý khai thác hạ tầng xem xét, triển khai ứng dụng.  

ThS. Nguyễn Giang Đô-ICT

Tài liệu tham khảo

[1] R. Ahmad, Routing and Wavelength Assigment Algorithms in IP over DWDM Networks, NUST-IT, Rawalpindi, 2002 IEEE.

[2] Paul Veitch, Resilience for IP- over- DWDM backbone networks, Electronics & Communication Engineering Journal, February 2002.

[3] B. Mukherjee, WDM Optical Communication Networks: Progress and Challenges, Invited paper,  IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol.18, No.10, October 2000.

[4] Cisco Whitepaper, Converge IP and DWDM in core network,.

http://www.cisco.com/en/US/prod/collateral/routers/ps5763/prod_white_paper0900aecd80395e03.pdf

[5] Tim Pennell, WW SP Technical Operations, IP over DWDM, Cisco 2008

http://www.terena.org/activities/ngn-ws/ws2/pennell-ipodwdm.pdf ;

[6] J. Bojic, J.JO’Reilly, Metro DWDM- Application of  DWDM in Metropolitan Transport Network, Department of EEE, University of  College London

http://www.ee.ucl.ac.uk/~mc98001/

[7] RFC 3031, Multi-Protocol Label Switching Architecture, http://www.ietf.org./rfc/rfc3031.txt

[8] Domagoj Pehar, Marko Lackovíc, Resilience mechanisms in optical transmission networks, MIPRO 2006.

http://www.mipro.hr/nag_radovi/

[9]Srinivasan Seetharaman, IP over DWDM, Ohio State University;

 http://cis.ohio-state.edu/~jain/cis788-99/ip_dwdm/index.html;

[10] Muralikrishna Gandluru, Optical DWDM, Ohio State University;

 http://cis.ohio-state.edu/~jain/cis788-99/dwdm/index.html;