Tài liệu điều khiển chống tắc nghẽn trong mạng ngn toàn ip luận văn ths. kỹ thuật điện tử viễn thông 60 52 70

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ BÙI THỊ KIM HOA ĐIỀU KHIỂN CHỐNG TẮC NGHẼN TRONG MẠNG NGN TOÀN IP LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Hà Nội – 2012 2 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ BÙI THỊ KIM HOA ĐIỀU KHIỂN CHỐNG TẮC NGHẼN TRONG MẠNG NGN TOÀN IP Ngành : Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử Mã số : 605270 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS. Đinh Thế Cường Hà Nội – 2012 4 Mục lục Lời cam đoan .................................................................................................... 1 Danh mục các chữ viết tắt ................................................................................. 7 Danh mục các bảng ........................................................................................... 9 Danh mục các hình vẽ ..................................................................................... 10 MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 12 CHƢƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ TẮC NGHẼN TRONG MẠNG NGN TOÀN IP ............................................................................................... 14 1.1. Cơ sở kỹ thuật mạng IP............................................................................. 14 1.1.1. Bộ giao thức TCP/IP ............................................................................ 14 1.1.2. Địa chỉ IP ............................................................................................. 16 1.2. Mạng thế hệ sau NGN (Next Generation Network) .................................. 17 1.2.1. Sự cần thiết phải chuyển đổi sang mạng NGN ..................................... 17 1.2.2. Khái niệm mạng NGN ......................................................................... 19 1.2.3. Đặc điểm của mạng NGN .................................................................... 20 1.2.4. Nguyên tắc tổ chức và cấu trúc của mạng NGN ................................... 22 1.2.5. Lợi ích của mạng NGN ........................................................................ 23 1.2.6. Mạng NGN toàn IP (NGN all-IP) ........................................................ 24 1.2.7. Vấn đề đảm bảo chất lƣợng dịch vụ trong mạng NGN ......................... 25 1.2.7.1. Các tham số đánh giá chất lƣợng mạng NGN ...................................... 25 1.2.7.2. Các mô hình đảm bảo chất lƣợng dịch vụ ............................................ 27 1.3. Các vấn đề về tắc nghẽn mạng .................................................................. 30 1.3.1. Tắc nghẽn là gì?................................................................................... 30 1.3.2. Nguyên nhân gây ra tắc nghẽn ............................................................. 31 1.3.3. Vấn đề tắc nghẽn trong mạng NGN toàn IP ......................................... 32 1.4. Kết luận chƣơng ....................................................................................... 34 CHƢƠNG 2 – NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN TRONG MẠNG NGN TOÀN IP ............................................................................................... 35 2.1. Điều khiển tắc nghẽn là gì? ....................................................................... 35 2.2. Nguyên lý điều khiển tắc nghẽn ................................................................ 35 2.3. Phân loại các phƣơng pháp điều khiển tắc nghẽn ...................................... 36 5 2.3.1. Phân loại theo lý thuyết điều khiển ..................................................... 36 2.3.2. Điều khiển tắc nghẽn trên cơ sở cửa sổ hay tốc độ .............................. 41 2.4. Các tiêu chí đánh giá phƣơng pháp điều khiển tắc nghẽn .......................... 41 2.4.1. Tính hiệu quả (Efficient) ...................................................................... 41 2.4.2. Tính bình đẳng (Fairness) .................................................................... 42 2.4.3. Tính hội tụ (Convergence) ................................................................... 42 2.4.4. Tính phân tán (Distributedness) ........................................................... 43 2.5. Thuật toán tăng giảm ................................................................................ 44 2.6. Phƣơng pháp phản hồi tắc nghẽn tại bộ định tuyến .................................. 46 2.6.1. Các đặc điểm của phƣơng pháp phản hồi tắc nghẽn tại bộ định tuyến .. 47 2.6.2. Các nguyên tắc thiết kế và các cơ chế liên quan ................................... 47 2.6.2.1. Định hƣớng truyền tải thông tin mạng ................................................ 48 2.6.2.2. Cơ chế để truyền tải thông tin mạng ................................................... 48 2.6.2.3. Thông tin phản hồi.............................................................................. 49 2.6.2.4. Độ phức tạp ........................................................................................ 49 2.7. Kết luận chƣơng ....................................................................................... 49 CHƢƠNG 3 - CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN TRONG MẠNG NGN TOÀN IP .................................................................................. 51 3.1. Điều khiển tắc nghẽn trong TCP .............................................................. 51 3.1.1. Các pha điều khiển tắc nghẽn ............................................................. 52 3.1.2. Cơ chế cửa sổ trƣợt ............................................................................. 53 3.1.3. TCP Tahoe (Fast Retransmit) ............................................................. 53 3.1.4. TCP Reno (Fast Recovery) ................................................................. 54 3.1.5. TCP NewReno.................................................................................... 54 3.1.6. TCP Vegas ......................................................................................... 55 3.2. RED (Random Early Detection) .............................................................. 55 3.3. ECN (Explicit Congestion Notification) ................................................. 58 3.3.1. Đặc điểm của ECN ............................................................................. 58 3.3.2. Bổ sung của ECN trong tiêu đề IP ...................................................... 59 3.3.3. Hoạt động của ECN ............................................................................ 60 3.4. EWA (Explicit Window Adaptation) ....................................................... 60 6 3.5. FEWA (Fuzzy Explicit Window Adaptation) .......................................... 62 3.6. CSFQ (Core-Stateless Fair Queueing) ..................................................... 66 3.7. FBA-TCP (Core-Stateless Fair Bandwidth Allocation for TCP) .............. 67 3.8. ETCP (Enhanced TCP) ............................................................................ 68 3.9. XCP (eXplicit Control Protocol).............................................................. 70 3.10. QS-TCP (Quick Start TCP) ..................................................................... 76 3.11. Kết luận chƣơng ...................................................................................... 77 CHƢƠNG 4 – PHÂN TÍCH CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN VÀ ỨNG DỤNG .............................................................................. 78 4.1. Phân tích một số kết quả mô phỏng .......................................................... 78 4.2. So sánh các phƣơng pháp điều khiển tắc nghẽn ........................................ 84 4.3. Khả năng ứng dụng của các phƣơng pháp điều khiển tắc nghẽn trong môi trƣờng mạng NGN toàn IP ............................................................................... 86 4.3.1. (F)EWA ............................................................................................... 88 4.3.2. ETCP ................................................................................................... 88 4.3.3. XCP ..................................................................................................... 89 4.3.4. CSFQ ................................................................................................... 90 4.3.5. FBA-TCP ............................................................................................ 90 4.3.6. QS-TCP ............................................................................................... 91 4.3.7. Tổng kết đặc trƣng của các phƣơng pháp điều khiển tắc nghẽn............ 91 4.4. Kết luận chƣơng ....................................................................................... 93 KẾT LUẬN ..................................................................................................... 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 95 7 Danh mục các chữ viết tắt Tốc độ bit sẵn sàng ABR Available Bit Rate AIAD Additive Increase Additive Decrease Tăng cộng giảm cộng AIMD Additive Increase Multiplicate Decrease Tăng cộng giảm nhân ARP Address Resolution Protocol Giao thức phân giải địa chỉ ARPA Advanced Research Projects Agency Cục các dự án nghiên cứu cấp cao ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền dị bộ CATV Community Antenna Television Truyền hình cáp CCS7 Common Channel Signaling Seven Báo hiệu kênh chung số 7 CL Controlled Load dịch vụ kiểm soát tải CSFQ Core-Stateless Fair Queueing Hàng đợi bình đẳng phi trạng thái tại bộ định tuyến lõi CWND Congestion Window Cửa sổ tắc nghẽn DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh theo bƣớc sóng mật độ cao EC Efficiency Controller Bộ điều khiển hiệu quả ECN Explicit Congestion Notification Thông báo tắc nghẽn rõ ETCP Enhanced TCP TCP tăng cƣờng EWA Explicit Window Adaptation Sự tƣơng thích cửa sổ rõ FBA-TCP Fair Bandwidth Allocation for TCP Phân bổ băng thông hợp lý cho TCP FC Fairness Controller Bộ điều khiển bình đẳng FCC Fuzzy Congestion Controller Bộ điều khiển tắc nghẽn logic mờ FEWA Fuzzy Explicit Window Adaptation Thích ứng cửa sổ rõ logic mờ FLC Fuzzy Logic Controller Bộ điều khiển logic mờ 8 GS Guaranteed Service dịch vụ đảm bảo ICMP Internet Control Message Protocol Giao thức điều khiển thông điệp Internet IETF Internet Engineering Task Force Nhóm đặc nhiệm kỹ thuật Internet IP Internet Protocol Giao thức Internet IPSec Internet Protocol Security Bảo mật giao thức Internet IPv4 Internet Protocol Version 4 Giao thức Internet phiên bản 4 IPv6 Internet Protocol Version 6 Giao thức Internet phiên bản 6 ISDN Integrated Services Digital Network Mạng số tích hợp dịch vụ ITU International Telecommunication Union Hiệp hội viễn thông quốc tế MGW Media Gateway Cổng truyền thông MIAD Multiplicate Increase Additive Decrease Tăng nhân giảm cộng MIMD Multiplicate Increase Multiplicate Decrease Tăng nhân giảm nhân MPLS Multi Protocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức MSS Maximum Segment Size Kích cỡ đoạn lớn nhất NGN Next Generation Network Mạng thế hệ sau NIS Network-Information Sharing Chia sẻ thông tin mạng OSI Open Systems Interconnection Mô hình kết nối hệ thống mở PABX Private Automatic Branch Exchange Tổng đài nhánh riêng tự động PLMN Public Land Mobile Network Mạng thông tin di động mặt đất công cộng PSDN Public Switched Data Network Mạng chuyển mạch dữ liệu công cộng 9 Danh mục các bảng Bảng 2. 1. Các nguyên lý thiết kế và đặc điểm của các phƣơng pháp phản hồi tắc nghẽn ............................................................................................................... 49 Bảng 3. 1. Bổ sung ECN trong tiêu đề IPv4 ..................................................... 58 Bảng 3. 2. Mã định dạng trong tiêu đề tắc nghẽn .............................................. 72 Bảng 4. 1. Các thông số độ trễ và băng tần mô phỏng ...................................... 79 Bảng 4. 2. So sánh các phƣơng pháp phản hồi tắc nghẽn tại bộ định tuyến....... 85 Bảng 4. 3. So sánh mức độ ứng dụng của các phƣơng pháp phản hồi tắc nghẽn tại bộ định tuyến ............................................................................................... 92 10 Danh mục các hình vẽ Hình 1. 1. Mô hình OSI và TCP/IP ................................................................... 15 Hình 1. 2. Kết nối liên mạng sử dụng giao thức IP ........................................... 16 Hình 1. 3. Sự hội tụ giữa các mạng................................................................... 20 Hình 1. 4. Cấu trúc chức năng của mạng NGN ................................................. 23 Hình 1. 5. Hệ thống mạng hội tụ ...................................................................... 25 Hình 1. 6. Các thành phần trong vùng DS ........................................................ 29 Hình 1. 7. Chức năng của các nút biên và nút lõi trong vùng DS ...................... 29 Hình 1. 8. Mối liên hệ giữa thông lƣợng, độ trễ và dung lƣợng ........................ 31 Hình 1. 9. Cấu trúc vật lý của mạng NGN ........................................................ 33 Hình 2. 1. Phân bổ tài nguyên cho nhiều dịch vụ .............................................. 36 Hình 2. 2. Nguyên lý gáo rò ............................................................................. 37 Hình 2. 3. Phân loại điều khiển tắc nghẽn ......................................................... 39 Hình 2. 4. Điều khiển chống tắc nghẽn ABR trong ATM ................................. 40 Hình 2. 5. Độ nhạy và độ mịn ........................................................................... 43 Hình 2. 6. Mô hình hệ thống gồm n ngƣời sử dụng chia sẻ một mạng .............. 44 Hình 3. 1. Minh hoạ thuật toán SS và CA ......................................................... 53 Hình 3. 2. Cơ chế cửa sổ trƣợt ......................................................................... 53 Hình 3. 3. Nguyên lý hoạt động của hàng đợi RED ......................................... 56 Hình 3. 4. Loại bỏ gói tin RED theo xác suất p ................................................ 57 Hình 3. 5. Bổ sung của ECN trong tiêu đề TCP ................................................ 60 Hình 3. 6. Hoạt động của ECN ......................................................................... 60 Hình 3. 7. Hàm liên thuộc của hàng đợi chiều dài Q của FEWA ...................... 64 Hình 3. 8. Hàm liên thuộc của tốc độ tăng trƣởng hàng đợi của FEWA............ 64 Hình 3. 9. Bề mặt điều khiển của bộ điều khiển FEWA đối với hệ số sử dụng α và của giải thuật FEWA cho cửa sổ gửi ............................................................ 65 Hình 3. 10. Miền CSFQ với các bộ định tuyến biên (E) và lõi (C).................... 66 Hình 3. 11. Kết nối TCP đơn đi qua vùng bộ định tuyến có khả năng CSFQ. ... 67 Hình 3. 12. Định dạng tiêu đề XCP .................................................................. 71 Hình 4. 1. Mô hình mạng sử dụng trong mô phỏng ......................................... 79 11 Hình 4. 2. Thông lƣợng tổng thể trong trƣờng hợp kích thƣớc bộ đệm là 5Kbytes ......................................................................................................................... 80 Hình 4. 3. Thông lƣợng tổng thể trong trƣờng hợp kích thƣớc bộ đệm là 30Kbytes .......................................................................................................... 80 Hình 4. 4. Số lƣợng gói tin bị loại bỏ................................................................ 81 Hình 4. 5. Mức độ sử dụng băng thông tại bộ định tuyến (kích thƣớc bộ đệm là 10Kbytes) ......................................................................................................... 81 Hình 4. 6. Mức độ sử dụng băng thông tại bộ định tuyến (kích thƣớc bộ đệm là 30Kbytes) ......................................................................................................... 82 Hình 4. 7. Sự thay đổi kích thƣớc cửa sổ (kích thƣớc bộ đệm là 5Kbytes) ........ 82 Hình 4. 8. Sự thay đổi kích thƣớc cửa sổ (kích thƣớc bộ đệm là 30Kbytes) ...... 83 Hình 4. 9. Sự thay đổi kích thƣớc hàng đợi tại bộ định tuyến (kích thƣớc bộ đệm là 5Kbytes) ....................................................................................................... 83 Hình 4. 10. Sự thay đổi kích thƣớc hàng đợi tại bộ định tuyến (kích thƣớc bộ đệm là 30Kbytes) 84 12 MỞ ĐẦU Khái niệm mạng thế hệ sau (hay mạng thế hệ mới/mạng thế hệ tiếp theo NGN - Next Generation Network) hiện không còn mới mẻ trên thế giới nhƣ một vài năm trƣớc đây. Phát triển và kinh doanh mạng thế hệ sau NGN đã và đang là vấn đề tất yếu và phức tạp trong ngành viễn thông vài năm gần đây. Xu hƣớng phát triển của viễn thông là tiến tới hội tụ về mạng, hội tụ về dịch vụ, ứng dụng. Không nằm ngoài xu thế đó, mạng viễn thông của Việt Nam cũng đang nằm trong một lộ trình tất yếu là chuyển dần sang mạng thế hệ sau NGN và tiến tới IP hóa (toàn IP, công nghệ IP đƣợc sử dụng để tích hợp tất cả các dịch vụ) để có thể tiến tới liên lạc đƣợc mọi lúc, mọi nơi và bằng mọi phƣơng tiện. Bên cạnh đó, nhu cầu cũng ngày càng gia tăng đối với các dịch vụ truyền thông mới, đòi hỏi khả năng đáp ứng việc cung cấp dịch vụ hoặc tăng tính cạnh tranh. Việc bảo đảm chất lƣợng dịch vụ trở thành tiêu chí sống còn, là nguyên nhân dẫn tới thành công của các nhà cung cấp dịch vụ. Một mạng toàn IP không chỉ cung cấp các dịch vụ truyền thống trên Internet nhƣ thƣ điện tử, truy nhập các trang web mà còn cung cấp dịch vụ điện thoại cố định, điện thoại di động, truyền hình và các dịch vụ phân phối dữ liệu cảm biến và tất nhiên cũng gặp phải các vấn đề thƣờng gặp của Internet nhƣ virus, truy nhập nặc danh hay tấn công DoS/DDoS. Tài nguyên của mạng có giới hạn trong khi nhu cầu truyền thông tin ngày càng tăng. Chính vì vậy, hiện tƣợng tắc nghẽn mạng là khó tránh khỏi. Việc quá tải hoặc tắc nghẽn của một dịch vụ có thể ảnh hƣởng đến các dịch vụ còn lại. Để giải quyết vấn đề này có hai cách đó là: Tăng tài nguyên của mạng (mở rộng nút mạng, tăng các tuyến truyền dẫn, tăng băng thông của mạng …) và điều khiển để chống tắc nghẽn mạng. Việc tăng tài nguyên mạng chi phí đầu tƣ lớn và không thể thƣờng xuyên đƣợc. Trong khi đó, việc điều khiển chống tắc nghẽn mạng sử dụng các giao thức, các thuật toán để điều khiển chống tắc nghẽn mạng. Việc này chi phí đầu tƣ nhỏ, không ảnh hƣởng đến phần cứng của mạng đồng thời rất mềm dẻo, linh hoạt. Tuy nhiên, vấn đề điều khiển chông tắc nghẽn mạng rất phức tạp nhất là khi mạng ngày càng phát triển rộng lớn, dịch vụ gia tăng nhanh, các dịch vụ mới ngày càng nhiều, số lƣợng ngƣời sử dụng tăng lên nhanh chóng kèm theo vấn đề lƣu lƣợng tăng vọt và biến đổi động. Vì vậy, vấn đề điều khiển chống tắc nghẽn ngày càng trở nên cấp thiết. Thực chất, vấn đề điều khiển chống tắc nghẽn đã đƣợc nghiên cứu từ khá lâu và đã có các chuẩn, các thuật toán và giao thức điều khiển chống tắc nghẽn đƣợc công bố. 13 Đề tài “Điều khiển chống tắc nghẽn trong mạng NGN toàn IP” tập trung nghiên cứu các vấn đề về mạng NGN toàn IP, các vấn đề về điều khiển tắc nghẽn và hệ thống các phƣơng pháp điều khiển chống tắc nghẽn cũng nhƣ khả năng ứng dụng của những phƣơng pháp này trong mạng NGN toàn IP. Nội dung của luận văn gồm 4 chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan về điều khiển tắc nghẽn trong mạng NGN toàn IP Chƣơng 2: Nguyên lý điều khiển tắc nghẽn trong mạng NGN toàn IP. Chƣơng 3: Các phƣơng pháp điều khiển tắc nghẽn trong mạng NGN toàn IP. Chƣơng 4: Phân tích các phƣơng pháp điều khiển tắc nghẽn và ứng dụng. Do kiến thức còn hạn hẹp nên nội dung luận văn không thể tránh khỏi thiếu sót. Em rất mong đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô và những ngƣời quan tâm đến lĩnh vực này. Em xin chân thành cảm ơn sự hƣớng dẫn tận tình của thầy giáo, PGS.TS.Đinh Thế Cƣờng và các thầy cô trong khoa Điện tử viễn thông, Trƣờng Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã giúp đỡ em hoàn thành luận văn này./. Hà Nội, ngày tháng năm 2012 Ngƣời thực hiện Bùi Thị Kim Hoa 14 CHƢƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ TẮC NGHẼN TRONG MẠNG NGN TOÀN IP 1.1. Cơ sở kỹ thuật mạng IP Ngày nay giao thức IP đƣợc sử dụng rộng rãi trên phạm vi toàn cầu cho kết nối mạng viễn thông. Sự tăng trƣởng theo cấp số nhân của thuê bao Internet đã là một thực tế không ai có thể phủ nhận. Thực tế, lƣợng dữ liệu lớn nhất trên các mạng đƣờng trục đều là từ IP. Mạng sử dụng giao thức IP loại bỏ ranh giới giữa dịch vụ số liệu và thoại. Trƣớc đây chúng ta phải xây dựng các mạng riêng lẻ dựa trên các giao thức khác nhau. Do đó, khả năng kết nối giữa các hệ thống là rất khó khăn. Giao thức IP độc lập với lớp liên kết dữ liệu. Điều này cho phép truyền gói tin IP giữa hai điểm mà giữa chúng là các liên kết lớp 2 bất kỳ. Việc truyền tin đƣợc thực hiện theo cơ chế phi kết nối. Gói tin IP chứa địa chỉ bên nhận là số duy nhất trong toàn mạng và mang đầy đủ thông tin cho việc chuyển gói tới đích. Dựa trên các bảng định tuyến, các gói tin IP đƣợc chuyển hƣớng tới đích. Phƣơng thức chuyển tin truyền thống là theo từng chặng một. IP là một giao thức chuyển mạch gói có độ tin cậy và khả năng mở rộng cao nhƣng lại không hỗ trợ chất lƣợng dịch vụ. Mạng IP đƣợc xây dựng dựa trên các tiêu chuẩn toàn cầu của IETF. Do đó, thiết bị của các nhà sản xuất khác nhau có thể dễ dàng tƣơng hoạt. Hiện nay, nếu nói tới tiêu chuẩn truyền thông phổ biến nhất thì đó chính là giao thức IP. 1.1.1. Bộ giao thức TCP/IP TCP/IP là bộ giao thức đƣợc phát triển bởi Cục các dự án nghiên cứu cấp cao (ARPA) của bộ quốc phòng Mỹ. Hiện nay, TCP/IP đƣợc sử dụng rất phổ biến trong mạng máy tính, mà điển hình là mạng Internet. TCP/IP đƣợc phát triển trƣớc mô hình OSI. Do đó, các tầng trong TCP/IP không tƣơng ứng hoàn toàn với các tầng trong mô hình OSI. Chồng giao thức TCP/IP đƣợc chia thành bốn tầng: giao diện mạng (network interface), liên mạng (internet), giao vận (transport) và ứng dụng (application). Tầng ứng dụng: Tầng ứng dụng cung cấp các dịch vụ dƣới dạng các giao thức cho ứng dụng của ngƣời dùng. Một số giao thức tiêu biểu tại tầng này gồm: FTP (File Transfer Protocol), Telnet (TErminaL NETwork), HTTP (Hyper Text Transfer Protocol), SMTP (Simple Mail Transfer Protocol), POP3 (Post Office 15 Protocol), DNS (Domain Name System); DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol), SNMP (Simple Network Managament Protocol). Mô hình OSI Mô hình TCP/IP Tầng ứng dụng Tầng trình diễn Tầng ứng dụng Tầng phiên Tầng giao vận Tầng giao vận Tầng mạng Tầng liên mạng Tầng liên kết dữ liệu Tầng vật lý Tầng giao diện mạng Hình 1. 1. Mô hình OSI và TCP/IP Tầng giao vận: Tầng giao vận chịu trách nhiệm chuyển phát toàn bộ thông báo từ tiến trình-tới-tiến trình. Tại tầng này có hai giao thức là TCP và UDP, mỗi giao thức cung cấp một loại dịch vụ giao vận: hƣớng kết nối và phi kết nối. Giao thức TCP (Transmission Control Protocol) là giao thức hƣớng kết nối, đầu cuối tới đầu cuối. Giao thức TCP là giao thức lớp truyền tải đáng tin cậy, thực hiện chức năng nhận luồng dữ liệu từ chƣơng trình ứng dụng, chia luồng dữ liệu nhận đƣợc thành các gói nhỏ có thể quản lý, sau đó gắn mào đầu vào trƣớc mỗi gói. Phần mào đầu này có chứa địa chỉ cổng nguồn và cổng đích. Ngoài ra, nó còn chứa số trình tự để chúng ta biết gói này nằm ở vị trí nào trong luồng dữ liệu. Sau khi nhận đƣợc một số lƣợng gói nhất định, phía nhận TCP sẽ gửi báo nhận lại cho phía gửi . Ƣu điểm của việc làm này là TCP có khả năng điều chỉnh việc gửi và nhận các gói tin. Giao thức UDP (User Datagram Protocol) là một giao thức truyền thông phi kết nối, đƣợc dùng thay thế cho TCP ở trên IP theo yêu cầu của ứng dụng. UDP không đảm bảo sự tin cậy, nó gửi gói tin vào tầng IP nhƣng không có sự đảm bảo rằng gói tin sẽ đến đƣợc đích của chúng. UDP có trách nhiệm truyền các thông báo từ tiến trình-tới-tiến trình, nhƣng không cung cấp các cơ chế giám sát và quản lý. UDP cũng cung cấp cơ chế gán và quản lý các số cổng để định danh duy nhất cho các ứng dụng chay trên một trạm của mạng. Do ít chức năng 16 phức tạp nên UDP có xu thế hoạt động nhanh hơn so với TCP. Nó thƣờng đƣợc dùng cho các ứng dụng không đòi hỏi độ tin cậy cao trong giao vận. Tầng liên mạng: Tầng liên mạng trong chồng giao thức TCP/IP tƣơng ứng với tầng mạng trong mô hình OSI, cho phép kết nối nhiều mạng với các công nghệ khác nhau qua mạng lõi sử dụng giao thức IP. Chức năng chính của tầng mạng là đánh địa chỉ lôgic và định tuyến gói tới đích. Giao thức đáng chú ý nhất ở tầng liên mạng chính là giao thức liên mạng (IP – Internet Protocol). Ngoài ra còn có một số giao thức khác nhƣ ICMP, ARP và RARP. Hình 1. 2. Kết nối liên mạng sử dụng giao thức IP Tầng truy nhập mạng: Tầng truy nhập mạng đôi khi còn đƣợc gọi là giao diện mạng. Nó cung cấp giao tiếp với mạng vật lý. Thông thƣờng tầng này bao gồm các driver thiết bị trong hệ thống vận hành và các card giao diện mạng tƣơng ứng trong máy tính. Chức năng của tầng này là điều khiển tất cả các thiết bị phần cứng, thực hiện giao tiếp vật lý với cáp hoặc với bất kỳ môi trƣờng nào đƣợc sử dụng cũng nhƣ là kiểm soát lỗi dữ liệu phân bố trên mạng vật lý. Tầng truy nhập mạng không định nghĩa một giao thức riêng nào cả mà hỗ trợ các giao thức chuẩn nhƣ Ethernet, Token Ring, X25, Frame Relay, ATM… 1.1.2. Địa chỉ IP Một liên mạng đƣợc tạo nên từ sự kết hợp của các mạng vật lý kết nối với nhau qua các bộ định tuyến. Khi một trạm truyền thông với một trạm khác, gói dữ liệu có thể di chuyển từ mạng vật lý này đến mạng vật lý khác qua các bộ định tuyến. Tại tầng này, một trạm cần phải đƣợc định danh duy nhất và toàn cục. Hơn nữa, để định tuyến tối ƣu và hiệu quả, mỗi bộ định tuyến cũng cần phải đƣợc định danh duy nhất và toàn cục tại tầng này. 17 Địa chỉ IP là số hiệu nhận dạng đƣợc sử dụng ở tầng liên mạng của bộ giao thức TCP/IP hay IP là một địa chỉ của một trạm khi tham gia vào mạng nhằm giúp cho các trạm có thể chuyển thông tin cho nhau một cách chính xác, tránh thất lạc. Địa chỉ IP dùng để định danh duy nhất và toàn cục một trạm hoặc một bộ định tuyến trên toàn mạng. Các địa chỉ IP là duy nhất theo nghĩa mỗi địa chỉ chỉ định danh một và chỉ một thiết bị trên liên mạng. Hai thiết bị trên liên mạng không thể có cùng một địa chỉ IP. Tuy nhiên một thiết bị có thể có nhiều địa chỉ IP nếu chúng kết nối tới nhiều mạng vật lý khác nhau. Đối với phiên bản IPv4, địa chỉ này là một số nhị phân 32 bít. Mỗi địa chỉ IP gồm 4 byte (octet), định nghĩa 2 phần: địa chỉ mạng (NetID) và địa chỉ trạm (HostID). Các thành phần này chiều dài khác nhau tùy thuộc vào lớp địa chỉ (bao gồm 5 lớp: A, B, C, D và E). Địa chỉ IP theo phiên bản IPv6 sử dụng 128 bit (16octet) để mã hoá dữ liệu, nó cho phép sử dụng nhiều địa chỉ hơn so với IPv4. Địa chỉ IP phiên bản IPv6 đang dần đƣợc đƣa vào áp dụng bởi nguồn tài nguyên IPv4 đang cạn kiệt do sự phát triển rất nhanh của công nghệ thông tin. 1.2. Mạng thế hệ sau NGN (Next Generation Network) 1.2.1. Sự cần thiết phải chuyển đổi sang mạng NGN Mạng PSTN dựa trên nền tảng công nghệ TDM và hệ thống báo hiệu số 7 (CCS7). Về cơ bản, mạng này vẫn có khả năng cung cấp tốt các dịch vụ viễn thông bình thƣờng nhƣ thoại hay Fax với chất lƣợng khá ổn định. Song nhu cầu của bản thân nhà cung cấp dịch vụ lẫn khách hàng ngày càng tăng làm bộc lộ những hạn chế không thể khắc phục đƣợc của mạng hiện tại. Ngày nay thị trƣờng viễn thông trong nƣớc và thế giới đang ở trong cuộc cạnh tranh quyết liệt do việc xóa bỏ độc quyền nhà nƣớc và mở cửa tự do cho tất cả các thành phần kinh tế. Các nhà cung cấp dịch vụ đang phải đứng trƣớc sức ép giảm giá thành đồng thời tăng chất lƣợng dịch vụ. Sự xuất hiện và phát triển bùng nổ của dịch vụ Internet dẫn đến những thay đổi đột biến về cơ sở mạng buộc các nhà cung cấp dịch vụ phải “thay đổi tƣ duy” [1]. Một số hạn chế của mạng PSTN nhƣ sau: Cứng nhắc trong việc phân bổ băng thông: Mạng PSTN dựa trên công nghệ TDM trong đó đƣờng truyền đƣợc phân chia thành các khung cố định và các khe thời gian (Timeslot). Kênh cơ sở đƣợc tính tƣơng đƣơng với một khe 18 thời gian là 64Kb/s. Điều này dẫn đến một số bất lợi, ví dụ đối với nhiều loại dịch vụ đòi hỏi băng thông thấp hơn hay đối với các dịch vụ có nhu cầu băng thông thay đổi thì TDM cũng không thể đáp ứng đƣợc. Kết nối TDM đƣợc phân bổ lƣợng băng thông cố định (Nx64Kb/s) và các khe thời gian này đƣợc chiếm cố định trong suốt thời gian diễn ra kết nối dẫn đến lãng phí băng thông. Chuyển mạch gói quản lý băng thông mềm dẻo theo nhu cầu dịch vụ nên hiệu quả sử dụng băng thông cao hơn rất nhiều. Khó khăn cho việc tổ hợp mạng: Trƣớc đây các loại dịch vụ viễn thông khác nhau nhƣ thoại, dữ liệu hay video đƣợc cung cấp trên các mạng tách biệt nhau. Nỗ lực tổ hợp tất cả các mạng này thành một mạng duy nhất đƣợc thực hiện từ những năm 80 với mô hình mạng ISDN băng hẹp. Mô hình này vẫn dựa trên nền công nghệ TDM và gặp phải một số khó khăn nhƣ tốc độ thấp, thiết bị mạng phức tạp. Ý tƣởng mạng ISDN băng rộng dựa trên nền công nghệ ATM đã đƣợc đƣa ra song có vẻ nhƣ quá đồ sộ và đắt đỏ đối với ngƣời tiêu dùng. Khó khăn trong việc cung cấp dịch vụ mới: Trong mạng PSTN toàn bộ phần “thông minh” của mạng đều tập trung ở các tổng đài. Dịch vụ mới muốn đƣợc triển khai phải bắt đầu từ tổng đài. Điều này dẫn đến sự thay đổi phần mềm và đôi khi cả phần cứng của tổng đài rất phức tạp và tốn kém. Ngoài ra, nhu cầu của khách hàng không ngừng tăng và nhiều loại dịch vụ mới không thể thực hiện trên nền mạng TDM. Đầu tư cho mạng PSTN lớn, giá thiết bị cao, chi phí vận hành mạng lớn, không linh hoạt trong việc mở rộng hệ thống, vốn đâu tư tập trung tại các trung tâm chuyển mạch: Đầu tƣ cho các thiết mạng PSTN, các tổng đài thƣờng rất đắt, chi phí nhân công cho việc vận hành bảo dƣỡng mạng rất cao. Các chức năng phần cứng và phần mềm đều tập trung tại tổng đài nên rất khó khăn khi cần thay đổi. Mạng có nhiều cấp gây phức tạp trong việc phối hợp hệ thống báo hiệu, đồng bộ và triển khai dịch vụ mới. Ngoài ra, việc thiết lập trung tâm quản lý mạng, hệ thống tính cƣớc, chăm sóc khách hàng cũng rất phức tạp. Giới hạn trong phát triển mạng: Các tổng đài chuyển mạch nội hạt đều sử dụng kỹ thuật chuyển mạch kênh, trong đó các kênh thoại đều có tốc độ 64Kb/s. Quá trình báo hiệu và điều khiển cuộc gọi liên hệ chặt chẽ với cơ cấu chuyển mạch. Ngày nay, những lợi ích về mặt kinh tế của thoại gói đang thúc đẩy sự phát triển của cả mạng truy nhập và mạng đƣờng trục từ chuyển mạch kênh sang gói. Các tổng đài chuyển mạch kênh nội hạt truyền thống đóng vai trò cầu nối của cả hai mạng gói này. Việc chuyển đổi gói sang kênh phải đƣợc thực hiện tại cả hai đầu vào và ra của chuyển mạch kênh, làm phát sinh những chi phí 19 phụ không mong muốn và tăng thêm trễ truyền dẫn cho thông tin, đặc biệt ảnh hƣởng tới những thông tin nhạy cảm với trễ đƣờng truyền nhƣ tín hiệu thoại. Nếu tồn tại một giải pháp mà trong đó các tổng đài nội hạt có thể cung cấp dịch vụ thoại và các dịch vụ tuỳ chọn khác ngay trên thiết bị chuyển mạch gói, thì sẽ không phải thực hiện các chuyển đổi không cần thiết nữa. Điều này mang lại lợi ích kép là giảm chi phí và tăng chất lƣợng dịch vụ (giảm trễ đƣờng truyền). Và đó cũng là một bƣớc quan trọng tiến gần tới cái đích cuối cùng là mạng NGN. Không đáp ứng được sự tăng trưởng nhanh của các dịch vụ dữ liệu: Sự thật là ngày nay dịch vụ Internet phát triển với tốc độ chóng mặt, lƣu lƣợng Internet tăng với cấp số nhân theo từng năm và triển vọng sẽ còn tăng mạnh vào những năm sau trong khi lƣu lƣợng thoại cố định dƣờng nhƣ có xu hƣớng bão hòa thậm chí giảm ở một số nƣớc phát triển. Các mạng cung cấp dịch vụ số liệu nói chung và Internet nói riêng nếu không cải tiến và áp dụng công nghệ mới thì rõ ràng sẽ không thể đáp ứng đƣợc những nhu cầu ngày càng tăng này. Với yêu cầu về thay đổi công nghệ mạng nhƣ trên, mạng thế hệ sau NGN đã đƣợc giới thiệu và ứng dụng ở một số quốc gia. Thực tiễn triển khai cho thấy công nghệ mạng mới này đã đáp ứng đầy đủ các yêu cầu về kĩ thuật và kinh doanh kể trên. 1.2.2. Khái niệm mạng NGN Mạng NGN là một khái niệm rộng, khó định nghĩa một cách chính xác, ngắn gọn. Mặc dù các tổ chức viễn thông quốc tế và các nhà cung cấp thiết bị viễn thông trên thế giới đều rất quan tâm và nghiên cứu về chiến lƣợc phát triển mạng NGN, nhƣng vẫn chƣa có một định nghĩa cụ thể và chính xác nào cho mạng NGN. Do đó định nghĩa mạng NGN nêu ra ở đây không thể bao hàm hết mọi chi tiết về mạng thế hệ sau, nhƣng có thể đƣợc coi là khái niệm chung nhất khi đề cập đến mạng NGN [1]. Khái niệm mạng NGN đƣợc nêu trong khuyến nghị Y.2001 của ITU-T nhƣ sau: Mạng thế hệ sau (NGN) là mạng gói có khả năng cung cấp các dịch vụ viễn thông và tạo ra nhiều ứng dụng băng thông rộng, các công nghệ truyền tải đảm bảo chất lượng dịch vụ và trong đó các chức năng dịch vụ độc lập với các công nghệ truyền tải liên quan phía dưới. Nó cho phép truy nhập không giới hạn tới mạng, các nhà cung cấp dịch vụ và/hoặc các dịch vụ theo ý muốn. Nó hỗ trợ tính di động cho các dịch vụ cung cấp tới người sử dụng sao cho đồng nhất và đảm bảo. 20 Mạng gói (packet – oriented networks) nhƣ mạng Internet, thực hiện truyền dữ liệu giữa những hệ thống đầu cuối trong những đơn vị cố định hoặc biến đổi nhƣng kích thƣớc hạn chế gọi đƣợc gọi là gói. Những nút mạng trung gian gọi là bộ định tuyến, thực hiện chuyển tiếp gói tin từ nguồn đến đích. Mỗi bộ định tuyến đƣợc trang bị một bộ đệm với kích thƣớc hạn chế, gọi là hàng đợi, thực hiện lƣu trữ tạm thời các gói tin không thể chuyển tiếp ngay lập tức. Nhƣ vậy, NGN có thể hiểu là mạng có hạ tầng thông tin duy nhất dựa trên công nghệ chuyển mạch gói, triển khai các dịch vụ một cách đa dạng và nhanh chóng, đáp ứng sự hội tụ giữa thoại và số liệu, giữa cố định và di động. Những khả năng và ƣu điểm của NGN bắt nguồn từ sự tiến bộ của công nghệ thông tin và các ƣu điểm của công nghệ chuyển mạch gói và truyền dẫn quang băng rộng. 1.2.3. Đặc điểm của mạng NGN Mạng thông tin toàn cầu ngoài cung cấp dịch vụ truyền thoại và truyền số liệu, tƣơng ứng với nó là 2 cơ sở hạ tầng mạng PSTN (thoại) và Internet (số liệu) còn một số mạng cung cấp dịch vụ khác nhƣ mạng di động mặt đất (PLMN), truyền hình cáp (CATV). Mỗi hệ thống này có mạng lƣới truyền tải và truy nhập riêng, nhƣng đều phải sử dụng chung mạng lƣới chuyển mạch và đƣờng trục cáp quang quốc gia, điều này gây ra nhiều phức tạp trong hệ thống quản lý viễn thông, giảm hiệu suất phục vụ, tăng chi phí vận hành bảo dƣỡng. Hình 1. 3. Sự hội tụ giữa các mạng Mạng thế hệ sau NGN là một giải pháp tái kiến trúc mạng, tận dụng các ƣu thế về công nghệ tiên tiến nhằm đƣa lại nhiều dịch vụ mới, mang lại nguồn 21 thu mới, góp phần giảm chi phí khai thác và đầu tƣ ban đầu cho các nhà kinh doanh. Mục tiêu của mạng NGN là nhằm nâng cao khả năng cung cấp dịch vụ của các mạng hiện nay để có thể truyền đa dịch vụ trên nền tảng chuyển mạch gói, hình thành một cơ sở hạ tầng mạng viễn thông duy nhất sử dụng chung mạng lõi cho nhiều mạng truy nhập khác nhau. Mạng NGN có bốn đặc điểm chính: Nền tảng là hệ thống mạng mở: Trƣớc hế do áp dụng cơ cấu mở mà các khối chức năng của tổng đài truyền thống đƣợc chia thành các phần tử mạng độc lập, các phần tử phân theo chức năng và phát triển một cách độc lập. Giao diện và giao thức giữa các bộ phận phải dựa trên các tiêu chuẩn tƣơng ứng. Việc phân tách làm cho mạng viễn thông vốn có dần dần đi theo hƣớng mới, những nhà kinh doanh có thể căn cứ vào nhu cầu dịch vụ để tự tổ hợp các phần tử khi tổ chức mạng lƣới. Việc tiêu chuẩn hóa giao thức giữa các phần tử có thể thực hiện nối thông các mạng có cấu hình khác nhau. Dịch vụ phải thực hiện độc lập với mạng: Trong mạng NGN có sự chia tách dịch vụ với điều khiển cuộc gọi, chia tách cuộc gọi với truyền tải. Mục tiêu chính của chia tách là làm cho dịch vụ thực sự độc lập với mạng, thực hiện một cách linh hoạt và có hiệu quả việc cung cấp dịch vụ.Thuê bao có thể tự bố trí và xác định đặc trƣng dịch vụ của mình, không quan tâm đến mạng truyền tải dịch vụ và loại hình đầu cuối. Điều đó làm cho việc cung cấp dịch vụ và ứng dụng có tính linh hoạt cao. NGN là mạng chuyển mạch gói, dựa trên một bộ giao thức thống nhất: Từ trƣớc đến nay, các mạng viễn thông, mạng máy tính hay truyền hình cáp đã tồn tại và cung cấp dịch vụ một cách riêng biệt. Nhƣng mấy năm gần đây, cùng với sự phát triển của công nghệ IP, ngƣời ta mới nhận thấy là các mạng trao đổi thông tin này cuối cùng rồi cũng tích hợp trong một mạng IP thống nhất, đó là xu thế mà ngƣời ta thƣờng gọi là “dung hợp ba mạng”. Giao thức IP làm cho các dịch vụ lấy IP làm cơ sở có thể thực hiện nối thông các mạng khác nhau; con ngƣời lần đầu tiên có đƣợc giao thức thống nhất mà ba mạng lớn đều có thể chấp nhận đƣợc; 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 đƣợc sử dụng làm cơ sở cho các mạng đa dịch vụ, mặc dù hiện tại vẫn còn ở thế bất lợi so với các chuyển mạch kênh về khả năng hỗ trợ lƣu lƣợng thoại và cung cấp chất lƣợng dịch vụ đảm bảo cho số liệu. Tốc độ đổi mới nhanh chóng trong thế giới Internet đƣợc tạo điều kiện bởi sự phát triển của các tiêu chuẩn mở sẽ sớm khắc phục những thiếu sót này.