Cấu trúc OTN, chuẩn G.709 và khả năng tăng cường năng lực mạng
Tác giả: Trần Đại Dũng
Đơn vị: Phòng KTNV-ĐH, Công ty Viễn thông Liên tỉnh, 30 Đường Phạm Hùng, Từ liêm, Hà nội Liên lạc: [email protected]
Tóm tắt nội dung
Cấu trúc Mạng Truyền tải Quang (OTN, Optical Transport Network) với các giao diện chuẩn G.709 đã nổi lên như một phương thức hữu hiệu giúp tăng năng lực truyền tải và năng lực quản trị mạng. Đây cũng là tiền đề cho việc hội tụ các mạng IP và DWDM, cho phép giảm bớt các lớp mạng, tiến thêm một bước nữa trong tối ưu hóa năng lực truyền tải và tăng cường năng lực quản trị. Nhờ sự tích hợp này, tính thông minh của lớp IP sẽ được kết hợp trực tiếp với những tính năng ưu việt của mạng DWDM do G.709 mang lại như khả năng giám sát và bảo vệ đường truyền tin cậy, chất lượng cao của tín hiệu. Đây sẽ là một đảm bảo chắc chắn cho lợi nhuận của các nhà vận hành mạng và cung cấp dịch vụ.
Từ viết tắt
ASTN Automatic Switched Transport Network Mạng truyền tải tự động chuyển mạch
BER Bit Error Ratio Tỉ lệ lỗi bit
DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing Kỹ thuật ghép kênh quang mật độ cao GFP Generic Framing Procedure Giao thức đóng khung tổng quát
IP Internet Protocol Giao thức Internet
MPLS Multiprotocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức OAM Operations, Administration & Maintenance Vận hành, quản trị, bảo dưỡng
OCh Optical Channel Kênh quang
ODU Optical Data Unit Khối dữ liệu kênh quang
OMS Optical Multiplex Section Phân đoạn ghép kênh quang OTS Optical Transmission Section Phân đoạn truyền dẫn quang
OPU Optical Payload Unit Khối tải trọng kênh quang
OTN Optical Transport Network Mạng Truyền tải Quang
OTU Optical Transport Unit Khối truyền tải quang
ROADM Reconfigurable OADM Thiết bị xen/rẽ quang có thể thay đổi cấu hình xGbE (1, 10, 100)Gigabit Ethernet
TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh theo thời gian
Sự thay đổi trong cấu trúc mạng viễn thông
Trước thời điểm phát triển bùng nổ của Internet, các mạng truyền tải SDH/quang truyền thống đã được sử dụng rộng rãi để cung cấp dịch vụ thoại chuyển kênh. Khả năng cung cấp đường truyền dung lượng lớn, chất lượng cao của kênh quang và khả bảo vệ đường truyền một cách tin cậy của SDH đã góp phần vào sự thành công của các mạng truyền tải SDH/quang.
Tuy nhiên, do được tối ưu hóa để đáp ứng nhu cầu của dịch vụ thoại chuyển kênh, các mạng này tỏ ra không thích hợp cho các dịch vụ chuyển gói, đặc biệt là các dịch vụ truyền số liệu băng rộng và video. Khởi thủy, SDH được phát triển để hỗ trợ các dịch vụ băng thông cấp thấp tại các tốc độ E1 và cấp cao đến tốc độ VC-3 và VC-4. Nó không được tối ưu hóa để cung cấp các “đường ống” truyền tải có tốc độ vượt quá 150 Mbit/s, ví dụ cho các dịch vụ 1, 2,5, và 10 Gbit/s. Nhược điểm của SDH càng trở nên rõ hơn khi công nghệ DWDM được đưa vào để đáp ứng băng thông cho sự phát triển bùng nổ của Internet và các dịch vụ trên nền IP: do được thiết kế cho các hệ thống quang đơn kênh nên SDH không hỗ trợ quản trị đến từng bước sóng DWDM. Hơn nữa, SDH chỉ có các cơ chế bảo vệ “ring” chứ không bảo vệ “mesh” theo đúng nghĩa của mạng.
Thật không may là khởi thủy các hệ thống DWDM lại không có được bất kỳ khả năng bảo vệ và quản lý riêng nào mà vẫn phải dựa vào SDH. Nguyên nhân sâu xa là cho tới giờ công nghệ quang toán (optical computing) vẫn chưa trở thành hiện thực để có thể tính toán và lưu trữ số liệu dưới dạng quang. Với việc đưa vào khai thác các mạng quang thế hệ mới mà các phần tử mạng là các ROADM kết nối nhau theo cấu hình “mesh” như trên Hình 1, rõ ràng là SDH tỏ ra đuối sức trong các nhiệm vụ quản trị và bảo vệ mạng.
Hình 1. Mạng quang thế hệ sau: mạng mesh ROADM
Như vậy hai câu hỏi được đặt ra là:
1. Về năng lực truyền tải: làm thế nào để cung cấp các đường ống truyền tải có dung lượng từ 1 Gbit/s trở lên?
2. Về năng lực quản trị: Làm thế nào, dù vẫn phải dựa vào điện toán, để mạng DWDM trở nên thông minh hơn, nghĩa là có các cơ chế giám sát chất lượng và bảo vệ tới từng bước sóng (kênh quang), và hơn nữa trong cả các cấu hình mạng mesh?
Phần còn lại của bài viết sẽ giới thiệu về cấu trúc Mạng Truyền tải Quang (OTN) và cùng với nó là khuyến nghị G.709 - Các giao tiếp của nút mạng trong cấu trúc OTN - do ITU-T đề xuất, một trong những giải pháp cho hai vấn đề này.
G.709 giải quyết vấn đề truyền tải và quản trị mạng
Các giao tiếp của chuẩn G.709 xếp dữ liệu cần truyền tải, tức là các dữ liệu khách (client data), vào các khung, còn được gọi là các "bộ đóng gói số” (digital wrapper), một khái niệm như khung của SDH. Trong mỗi khung, đứng trước phần tải trọng mang dữ liệu khách là các thông tin quản trị (vì “đứng trước” nên những thông tin này được gọi là các mào hoặc mào đầu), và đứng sau là một mã sửa sai FEC. Sử dụng các thông tin mào đầu, các hệ thống quản trị mạng có thể thiết lập rất nhanh một kênh quang mới trên mạng mesh, và dễ dàng thực hiện giám sát chất lượng kênh, chất lượng mạng và dịch vụ, cũng như bảo dưỡng thiết bị và hệ thống. Kết hợp với các chuẩn mạng truyền tải chuyển mạch tự động (Automatic Switched Transport Network), việc bảo vệ và phục hồi đường truyền ở lớp DWDM có thể thực hiện được theo cấu hình mesh.
Vấn đề năng lực truyền tải
Cấu trúc các khung dữ liệu của G.709 được thể hiện như trên Hình 2, với dung lượng của các khung được xây dựng trên cơ sở các tốc độ truyền dẫn bậc cao của hệ thống truyền dẫn SDH.
Hình 2. Cấu trúc khung khung G.709
Các khung dữ liệu G.709 cũng có thứ bậc tương tự như thứ bậc của SDH, từ 2,5 Gbit/s (STM-16) cho đến 40 Gbit/s (STM-256); ngoài ra còn có thêm hai loại khung hỗ trợ cho Gigabit Ethernet, và như vậy đã giải quyết được vấn đề cung cấp các đường ống truyền tải với dung lượng lớn:
• OTU0: 1 Gbit/s Ethernet, GbE, • OTU1: 2,5 Gbit/s, STM-16, • OTU2: 10 Gbit/s, STM-64, • OTU3: 40 Gbit/s, STM-256,
• OTU4: 100 Gbit/s Ethernet, 100 GbE.
Mặc dù các khung G.709 được thiết kế dựa trên thứ bậc tốc độ truyền của SDH, nhưng phần tải trọng của khung lại không phụ thuộc vào bất kỳ một giao thức tín hiệu nào. Vì vậy các tín hiệu khác nhau, ví dụ như IP/MPLS, ATM, xGbE, và cả SDH đều có thể được đóng gói vào phần tải trọng. Chính tính năng ưu việt này đã khiến cho chuẩn G.709 trở thành một lựa chọn tốt cho mạng truyền tải quang vì nó giúp truyền tải trong suốt nhiều loại dữ liệu từ thoại, số liệu cho tới video với cùng một cấu trúc khung, trong khi vẫn đảm bảo các tham số chất lượng, quản lý và giám sát đặc trưng cho từng loại tín hiệu và dịch vụ.
Vấn đề năng lực quản trị
Ngoài phần tải trọng, mỗi khung G.709 đều còn có thêm mào đầu vận hành và quản trị (OAM overhead), và mã sửa sai FEC. Phần mào đầu OAM đến lượt nó lại được chia thành ba phần mào OTU, ODU, và OPU. Ngoài ra còn có các lớp quang OCh, OMS và OTS với các mào tương ứng cung cấp dữ liệu cho kênh giám sát quang OSC. Quá trình nạp dữ liệu khách vào khung và chèn các mào tương ứng được thể hiện như trên Hình 3a). Hình 3b) thể hiện các phân khúc của mạng truyền tải quang tương ứng với các mào quản trị:
• Mào dữ liệu quang (ODU, Optical Data Unit): chứa các thông tin về ghép kênh, chuyển mạch bảo vệ, giám sát đầu-cuối đường truyền, giám sát kết nối nối tiếp, BIP giám sát chất lượng tín hiệu, tín hiệu bảo dưỡng, kênh dữ liệu nghiệp vụ,
• Mào tải trọng kênh quang (OPU, Optical Payload Unit): chứa các thông tin về ánh xạ (mapping) và kết nối (concatenation) dữ liệu khách.
a)
b)
Hình 3. Nạp dữ liệu khách vào khung và chèn các mào tương ứng a) Các phân khúc của mạng truyền tải quang b)
Cấu trúc quản trị linh hoạt của G.709 mang lại rất nhiều lợi ích. Đầu tiên nó giúp quản trị (tức là cung cấp các tính năng giám sát, quản lý và điều khiển) đến từng bước sóng của mạng DWDM, điều không thể làm với SDH. Thứ hai, do việc vận hành, quản trị và bảo dưỡng (OAM) được thực hiện đến tận đầu cuối trên cùng một khung, G.709 cho phép quản trị một mạng lưới gồm các thiết bị của nhiều nhà cung cấp. Thứ ba là mã sửa sai FEC cho phép tăng thêm khoảng cách truyền, giảm thiểu số lượng thiết bị cần thiết cho các mạng truyền dẫn đường dài.
Khi mạng truyền tải chuyển sang các tốc độ cao hơn, FEC sẽ trở nên ngày càng quan trọng. Cơ chế mã và giải mã tín hiệu này cho phép phát hiện và sửa lỗi trong quá trình truyền dữ liệu trên
mạng. Những lỗi này có thể xảy ra do suy yếu tín hiệu, do nhiễu xuyên kênh, do tán sắc (CD) hoặc tán phân cực (PMD), hoặc do các điều kiện bất thường khác. Ngoài việc sửa lỗi, FEC cũng có khả năng cảnh báo sớm sự xuống cấp của tín hiệu. Khả năng này rất quan trọng vì nó cho phép chủ động thực hiện các biện pháp đề phòng trước khi đường truyền có thể bị sập hoàn toàn.
G.709 và vấn đề hội tụ các mạng IP và DWDM
Khả năng của G.709 giải quyết tốt hai vấn đề liên quan đến năng lực truyền dẫn và quản trị mạng là tiền đề cho phép loại bỏ lớp SDH trung gian và tích hợp các giao diện G.709 vào các thiết bị định tuyến IP. Xu hướng hội tụ này đang diễn ra một cách mạnh mẽ và có thể nhìn thấy được trên các thiết bị định tuyến của ALU, Juniper, Cisco…
Việc hội tụ IP/DWDM cung cấp những lợi ích đáng kể cho các nhà vận hành mạng và cung cấp dịch vụ. Điều nhìn thấy trước tiên là có thể tiết kiệm được một cách đáng kể chi phí đầu tư (CapEx) và chi phí vận hành (OpEx) bằng cách loại bỏ được rất nhiều thiết bị chuyển tiếp SDH (SDH transponder) và các đường cáp kết nối, giảm thiểu không gian phòng máy và nguồn điện, giảm thiểu chi phí cho điều hòa nhiệt độ như trên Hình 3, và các chi phí quản lý khác.
Hình 4. Tích hợp giao diện G.709 vào thiết bị định tuyến IP sẽ loại bỏ được thiêt bị chuyển tiếp SDH
Lợi ích tiếp theo là việc tích hợp các giao diện quản lý đã được tiêu chuẩn hóa của G.709 vào các thiết bị định tuyến IP còn tạo điều kiện cho việc tích hợp các tính năng quản trị mạng IP và mạng chuyển tải quang DWDM vào cùng một hệ thống.
Như vậy, từ một hệ thống quản trị mạng IP có thể quản trị được cả thiết bị của mạng DWDM. Điều này tạo ra sự linh hoạt trong việc thiết kế các kịch bản phục hồi mạng dựa trên khả năng phối hợp thông suốt giữa các cơ chế bảo vệ của hai mạng, do đó có thể tối ưu hóa việc sử dụng băng thông của mạng. Cách tiếp cận này sẽ tạo ra cơ chế “một cửa” đơn giản hoá các thủ tục và cắt ngắn thời gian kiến tạo các dịch vụ mới, nâng cao hệ số sẵn sàng và hiệu suất sử dụng của mạng lưới, giám sát đến tận đầu-cuối hiệu năng của mạng và chất lượng dịch vụ.
Kết luận
Trên phương diện kỹ thuật, cấu trúc OTN và chuẩn G.709 cho phép:
nâng cao năng lực truyền tải bằng các khung có dung lượng truyền lớn và khả năng truyền trong suốt,
nâng cao năng lực quản trị thông qua khả năng quản lý đầu-cuối đến từng bước sóng, tăng khoảng cách truyền dẫn nhờ sử dụng FEC,
hội tụ mạng IP và DWDM giúp giảm thiểu các lớp mạng, tích hợp quản trị mạng IP và DWDM, tối ưu hóa thêm một bước năng lực truyền tải và năng lực quảng trị mạng.
Hình 5. Lợi nhuận do OTN, G.709 và sự hội tụ IP/DWDM mang lại
Trên phương diện lợi nhuận, Hình 5 mô tả khái quát mô hình tăng lợi nhuận do OTN và G.709 mang lại. Việc giảm thiểu hoặc loại bỏ được các bộ chuyển tiếp SDH trong quá trình hội tụ IP và DWDM cho phép tiết kiệm được CapEx và OpEx. Các hệ thống quản trị tích hợp cho phép quản trị mạng và dịch vụ theo cơ chế “một cửa”, nhanh hơn chính xác hơn, giảm thiểu được thời gian kiến tạo các dịch vụ mới, nâng cao chất lượng dịch vụ và nhờ đó lôi kéo thêm được khách hàng. Cả ba yếu tố này được phản ánh vào lợi nhuận cuối cùng của nhà vận hành mạng và cung cấp dịch vụ.
