Giới thiệu tổng quan về công nghệ SDH thế hệ sau

Mạng SDH thế hệ sau được phát triển dựa trên nền mạng SDH hiện thời cho phép phân phát dữ liệu ở tốc độ cao và băng thông rộng đối với Ethernet, kết nối quang FICON (Fibre Connection), kết nối doanh nghiệp ESCON (Enterprise Connection) …

Bảng 1: So sánh các thuộc tính của dịch vụ dữ liệu và SDH

Các tốc độ chuẩn của đường Ethernet là: 10/100/1000 Mbit/s và trong các mạng MAN sử dụng tốc độ 10 Gbit/s. Bởi vì Ethernet dựa trên nguyên lý “nỗ lực tối đa” (best effort) – nghĩa là việc truyền dữ liệu là không được bảo đảm 100% nên Ethernet không thể cung cấp hoàn toàn chất lượng dịch vụ QoS, bảo mật, dự phòng và khả năng khôi phục đối với yêu cầu của lưu lượng thoại và dữ liệu.

Hình 1: Sơ đồ truyền dẫn lưu lượng Ethernet qua mạng SDH

Để truyền một tín hiệu Ethernet 10 Gbit/s trực tiếp đến một ADM của mạng SDH, thiết bị đầu cuối đường dây Ethernet cần phải có một bộ đệm để nhận tín hiệu đến và chuyển đổi sang thành một tín hiệu được hỗ trợ bởi SDH. Kênh quang FC (Fibre Channel) được thiết kế để loại bỏ nhiều rào cản về chất lượng đang có trong mạng LAN và cung cấp công nghệ GE và truyền đi một khoảng cách xa đến 10 km. Tuy nhiên khi dữ liệu của FC rời khỏi SAN và kết nối với SDH, xảy ra hiện tượng bị lỗi và mất gói. Mặc dù TCP khắc phục được những vấn đề này nhưng trễ, giảm băng thông gây ra suy giảm chất lượng của việc truyền dữ liệu.

Bảng 2: So sánh giữa GE và FC

SDH thế hệ sau mở rộng tiện ích của mạng SDH hiện thời bằng cải tiến ở lớp 1 và bao gồm các công nghệ như là: Ghép nối ảo VCAT (Virtual Concatenation), Thủ tục tạo khung chung GFP (Generic Framing Procedure) và Sơ đồ điều chỉnh dung lượng liên kết LCAS (Link Capacity Adjustment Scheme).

Hình 2: Mô hình tổng quát SDH thế hệ sau

Các phần tử của SDH thế hệ sau

Ghép nối ảo VCAT

Phương pháp ghép nối truyền thống được định nghĩa trong G.707 là thuật ngữ “kề nhau” (contiguous). Nghĩa là các container kế cận được kết hợp lại và truyền qua mạng SDH như là một container tổng. Hạn chế của ghép nối kề nhau là tất cả các nút mạng là thành phần của đường truyền phải có khả năng nhận ra và xử lý container được ghép nối và thiếu tính mềm dẻo của việc sử dụng băng thông làm cho truyền dữ liệu không có hiệu quả.

VCAT sắp xếp (mapping) các container độc lập vào trong một liên kết ghép nối ảo. Bất kỳ các số container có thể nhóm lại được với nhau để cung cấp độ linh hoạt của băng thông tốt hơn so với cách ghép nối truyền thống. Hơn nữa VCAT còn cho phép các nhà khai thác mạng điều chỉnh được dung lượng truyền theo dịch vụ của khách hàng yêu cầu để đạt được hiệu quả sử dụng tốt hơn. Bởi vì các nút mạng trung gian xử lý mỗi container trong tuyến bằng một chuẩn - container ở dạng ghép nối, do vậy chỉ cần các thiết bị tại điểm gốc và kết cuối của đường dẫn nhận ra và xử lý các các cấu trúc tín hiệu VCAT. Điều này có nghĩa là mỗi tuyến có thể thực hiện đường dẫn riêng của nó qua mạng do đó sẽ dẫn đến sự khác nhau về pha giữa các container đến tại thiết bị kết cuối của đường dẫn nên yêu cầu thiết bị có bộ đệm cho trễ.

Ngày nay các tải trọng truyền dẫn đối với SDH là STM-0/1/4/16 và STM-64. Ví dụ dịch vụ 1 Gbit/s hiện thời được truyền dẫn qua kênh STM-16. Trong trường hợp này, hiệu quả của dung lượng đường truyền là 42%. Nhóm VC-4-7v là một nhóm ghép nối ảo VCATG (VCAT Group), trong đó VC-4 là đã được định nghĩa trong SDH và 7v là số phần tử trong nhóm, sẽ tăng lên hiệu quả sử dụng băng thông là 85%.

Bảng 3: So sánh hiệu quả sử dụng các dịch vụ khi có và không dùng VCAT

Thông tin yêu cầu cho VCAT được truyền đi trong POH của các container độc lập:

• Đường dẫn bậc cao: H4
• Đường dẫn bậc thấp: K4

Các tham số yêu cầu đối với VCAT là bộ chỉ thị đa khung MFI (Multi-Frame Indicator) và số thứ tự SQ (Sequence Number). Bởi vì các phần tử của VCATG có thể đi qua mạng với nhiều đường dẫn khác nhau, chúng không đến cổng đích cùng một lúc nên gây ra độ trễ giữa các container. Để loại bỏ trễ khác nhau này và đảm bảo việc tích hợp các container trong nhóm, số thứ tự  SQ được gán với mỗi phần tử. MFI có thể phát hiện các độ trễ khác nhau giữa các phần tử của VCATG.

Sử dụng VCAT cung cấp nhiều ưu điểm: hiệu quả, có khả năng mở rộng, tương thích và duy trì dịch vụ.

Hiệu quả – Các kênh VCAT được định tuyến độc lập thông qua mạng SDH và sau đó được nhóm lại tại nút đích, do vậy loại trừ được việc tắc nghẽn và sử dụng hiệu quả băng thông. 

Có khả năng mở rộng – Phương pháp ghép nối liền kề truyền thống theo các bước cố định, trong khi VCAT cho phép băng thông thay đổi phù hợp với sự tăng giảm nhỏ của nhu cầu. Dựa trên tốc độ dữ liệu mong muốn, các kênh VCAT có thể thay đổi để phù hợp với băng thông sử dụng và tránh được sự lãng phí băng thông.

Tính tương thích – Chỉ có các nút nguồn và đích cần nhận ra VCAT, các nút còn lại của mạng SDH trong mạng không cần biết về các nhóm ghép nối ảo này. Do đó VCAT được truyền thẳng trong mạng SDH và làm việc trên các mạng có sẵn.

Duy trì dịch vụ – Trong các nhóm VCAT, mỗi kênh có thể được định tuyến khác nhau trên mạng, nếu một kênh có sự cố, các kênh khác vẫn làm việc bình thường. Do đó nếu một liên kết bị sự cố thì chỉ có một kênh nhánh trong nhóm VCAT bị mất nhưng liên kết dữ liệu vẫn tiếp tục cung cấp dịch vụ với băng thông bị giảm xuống.

Thủ tục tạo khung chung GFP

Thủ tục tạo khung chung (GFP) là một cơ chế tạo khung các tín hiệu client và sắp xếp các tín hiệu ở dạng khung này vào trong một luồng số của mạng truyền dẫn SDH. GFP là một giao thức thích ứng cung cấp một cơ chế sắp xếp các kiểu luồng bit khác nhau một cách linh hoạt vào trong kênh SDH. Cơ chế thích ứng dựa trên việc tạo khung và cho phép đưa phân đoạn của kênh vật lý vào trong các khung có kích thước cố định hoặc thay đổi được. Các tín hiệu của client có thể là theo kiểu gói (như là IP/PPP hoặc Ethernet) hoặc theo kiểu các khối đã mã hoá (như là FC).

Kỹ thuật đóng gói như GFP phải được sử dụng để tương thích với dữ liệu không đồng bộ, thay đổi nhanh và kích thước các khung thay đổi trước khi lưu lượng dữ liệu như IP/PPP, Ethernet MAC, FC, ESCON và FICON được truyền đi qua các mạng SDH. GFP làm thích ứng một luồng dữ liệu trên nền một khung đến luồng dữ liệu định hướng byte bằng cách sắp xếp các dịch vụ khác nhau vào một khung mục đích chung sau đó khung này được sắp xếp vào trong các khung SDH đã biết. Cấu trúc khung này có ưu điểm hơn ở việc phát hiện và sửa lỗi và cung cấp hiệu quả sử dụng băng thông lớn hơn so với các thủ tục đóng gói truyền thống.

Hình 3: Cấu trúc khung GFP

Bốn thành phần trong khung GFP là: mào đầu (core header), mào đầu tải tin (payload header), thông tin của tải tin (payload information) và trường tuỳ chọn phát hiện lỗi (FCS).

• Core header định nghĩa chiều dài khung và phát hiện lỗi CRC.
• Payload header định nghĩa kiểu thông tin được truyền, các khung quản lý hoặc các khung khách hàng cũng như nội dung tải tin.
• Client payload information định nghĩa tải tin thực tế được chuyển đi.
• Tuỳ chọn FCS phát hiện lỗi.

Hiện nay có hai kiểu tương thích client được định nghĩa đối với GFP:

• GFP được đóng khung (framed) GFP-F- một khung dữ liệu được được thu và sắp xếp vào trong một khung GFP mà không có overhead kết hợp.
• GFP trong suốt (transparent) GFP-T – các mã khối tín hiệu dữ liệu được sắp xếp vào trong các khung tuần hoàn có chiều dài được xác định trước và được phát tức thời mà không đợi toàn bộ khung dữ liệu.

Tuỳ vào dịch vụ được truyền đi thì sẽ sử dụng theo kiểu GFP nào, tuy nhiên ngày nay Ehernet là tín hiệu được định nghĩa trong GFP-F. GFP-T xắp xếp bất kỳ dữ liệu nào bao gồm Ethernet, FC và ESCON. Các dịch vụ được sắp xếp qua GFP-F dùng số lượng overhead ít nhất để đảm bảo hiệu quả sử dụng băng thông tốt nhất, trong khi đó độ ưu tiên của các dịch vụ này được xắp xếp qua GFP-T là nhanh, truyền tải hiệu quả dữ liệu.

Hơn nữa GFP là một cơ chế thích ứng, còn có các phương pháp khác: Giao thức truy cập liên kết LAPS (the Link Access Protocol) và điều khiển liên kết dữ liệu mức cao HDLC (High-level Data Link Control) là hai cơ chế tạo khung có ưu thế hơn. Tuy  nhiên GFP hỗ trợ đa dịch vụ và có tính mềm dẻo vì vậy nó có thể dùng trong việc tổ hợp với đầu cuối mạng truyền dẫn quang.

Bảng 4: So sánh GFP-F và GFP-T 

Sơ đồ điều chỉnh dung lượng liên kết LCAS

Gần đây người ta đưa ra sơ đồ điều chỉnh dung lượng liên kết LCAS (Link Capacity Adjustment Scheme) dùng giữa hai phần tử mạng được kết nối đến giao diện khách hàng đến mạng SDH truyền thống. LCAS là một phần mở rộng của VCAT như được định nghĩa trong chuẩn G.704/Y.1305 của ITU, LCAS cho phép thay đổi động các kênh trong số các kênh của SDH trong một nhóm VCAT. Mỗi byte H4/K4 truyền đi một gói điều khiển bao gồm thông tin liên quan đến VCAT và các tham số của giao thức LCAS.

Bằng việc xác định thành phần nào của một VCATG được kích hoạt và chúng được sử dụng như thế nào, LCAS cho phép thiết bị phía xuất phát thay đổi linh hoạt số các container trong một nhóm được ghép nối để đáp ứng với sự thay đổi thời gian thực trong yêu cầu sử dụng băng thông. Sự tăng giảm băng thông truyền có thể đạt được mà không ảnh hưởng đến dịch vụ. Các bản tin báo hiệu của LCAS được trao đổi giữa các nút đầu cuối thông qua overhead của  SDH để thay đổi số các luồng nhánh hoặc các các phần tử của một nhóm VCAT. Số các phần tử của một nhóm VCAT có thể được tăng lên và giảm xuống mà không bị mất khung. Khi một sự cố được phát hiện ở một kênh thành phần, thông lượng sẽ thấp hơn mà không xảy ra việc mất hoàn toàn lưu lượng. Điều này đạt được bằng cách đảm bảo rằng các kênh bị sự cố của một nhóm VCAT bị loại bỏ trong khi các kênh của nhóm VCAT còn lại tiếp tục mang lưu lượng. Do vậy các kênh được phát hiện và loại bỏ tự động từ nhóm VCAT.

Các tham số sau trong gói điều khiển có liên quan đối với giao thức LCAS:

• Lệnh điều khiển CTRL (Control) đồng bộ nguồn và đích và các thông tin truyền tải lưu ý đến trạng thái của các thành phần độc lập trong một VCATG.
• Nhận dạng nguồn GID (Source Identifier) báo cho đầu thu VCATG nào có phần tử thực tế nào thuộc về nó.
• Nhận biết sự sắp xếp lại RS-Ack (Resequence Acknowledgement) thông báo cho phía nguồn biết đầu thu đã nhận sự thay đổi đã bắt đầu.
• Trạng thái phần tử MST (Member Status) chuyển đi trạng thái của liên kết từ thiết bị nhận đến nguồn đối với mỗi thành phần độc lập của VCATG (OK=0, FAIL=1).
• Bảo vệ lỗi CRC phát hiện lỗi và bỏ các gói điều khiển bị lỗi đối với mỗi thành phần của VCATG.

Hình 4:Khuôn dạng trường điều khiển LCAS/VCAT

Một số hạn chế của SDH thế hệ sau

Hạn chế của VCAT

Về mặt lý thuyết, có hai hạn chế: thứ nhất là có sự giới hạn số tối đa của các kênh thành phần trong một nhóm VCAT được xác định  bởi SQ nằm trong byte H4 của POH của SDH. Đối với đường dẫn bậc cao (VC-3, VC-4) SQ có 8 bit xác định được tối đa là 256 phần tử của một nhóm VCAT, đối với đường dẫn bậc thấp (VC-12) SQ có 6 bit xác định được tối đa 64 phần tử trong một nhóm VCAT. Vấn đề thứ hai là giới hạn của độ trễ do đường dẫn khác nhau cực đại do MFI xác định cũng nằm trong byte đa khung H4 của POH cho cả hai đường dẫn bậc cao và đường dẫn bậc thấp cho phép trễ khác nhau tối đa của các phần tử của một nhóm VCAT là 256ms.

Hạn chế về mặt thực tế: Do khó khăn kỹ thuật của việc tích hợp nhiều bộ đệm trên một vi mạch VCAT, trễ đường dẫn khác nhau cung cấp bởi vi mạch này là rất nhỏ, điển hình khoảng ±25ms hoặc nhỏ hơn . Do đó các nhà cung cấp thiết bị phải dùng bộ nhớ ngoài và để tốc độ truyền của bộ nhớ ngoài đủ nhanh chỉ có thể sử dụng SRAM. So sánh với với DRAM và SDRAM, SRAM có dung lượng ít hơn và đắt hơn, do đó giá thành thiết bị do đó sẽ cao.

Hạn chế của GFP

Trong khung GFP, có tuỳ chọn header mở rộng là trường 1byte gọi là nhận dạng kênh CID (Channel Indentifier), nút mạng phía thu có thể dùng CID để nhận dạng giao diện Ethernet đích, do vậy có thể nhiều giao diện Ethernet tại nút phía nguồn chia sẻ cùng một kênh VCAT.

Ghép kênh GFP có hạn chế: Lưu lượng từ các giao diện tại nút nguồn mà chia sẻ cùng một kênh VCAT phải đến chung một nút phía thu. Nghĩa là chỉ khi nhiều khách hàng cùng một nơi và lưu lượng của họ đến cùng một đích thì việc sử dụng GFP mới có hiệu quả.

Kết luận

SDH là một lựa chọn cho lớp vật lý tốt nhất đối việc truyền lưu lượng dữ liệu, bao gồm cả Ethernet, với  những ưu điểm như: độ tin cậy, khả năng phục hồi, băng thông mềm dẻo và khá đơn giản trong quản lý. Với sự phát triển nhanh chóng của Ethernet, và việc áp dụng các chuyển mạch gói trong các mạng thế hệ sau đã thúc đẩy việc cải tiến SDH tối ưu hoá cho việc truyền dữ liệu trong khi vẫn giữ nguyên những ưu điểm của việc truyền lưu lượng TDM qua mạng SDH. Một trong những ưu điểm lớn nhất của SDH thế hệ sau là nó cho phép các nhà khai thác mạng đưa ra một công nghệ mới vào trong các mạng SDH truyền thống bằng cách chỉ thay thế các phần tử mạng biên. Với khả năng này, cả hai dịch vụ TDM và dữ liệu gói được xử lý hiệu quả trên cùng một bước sóng. Bằng cách kết hợp VCAT, GFP và LCAS, các nhà cung cấp dịch vụ  có một cách hiệu quả hơn để tối ưu mạng truyền dẫn SDH đối với các dịch vụ Ethernet.

Theo tapchibcvt.gov.vn