Tổng quan nghiên cứu

Sự bùng nổ của công nghệ thông tin và truyền thông vào cuối thập niên 2000 đã đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc nâng cấp hạ tầng viễn thông chuyên dụng. Tại Việt Nam, mạng viễn thông dùng riêng của Bộ Công an đóng vai trò huyết mạch trong chỉ huy tác chiến, quản lý an ninh trật tự và kết nối thông suốt từ 3 trung tâm vùng gồm Hà Nội, Đà Nẵng, Thành phố Hồ Chí Minh đến 63 Công an tỉnh, thành phố. Tuy nhiên, hệ thống truyền dẫn hiện hữu dựa trên 7 luồng E1 tuyến trục và 1 luồng E1 tuyến nhánh phân chia kênh cứng đã bộc lộ nhiều hạn chế về dung lượng và hiệu năng. Vấn đề nghiên cứu trọng tâm là làm thế nào để di trú mạng dùng riêng ngành Công an từ cấu trúc chuyển mạch kênh truyền thống sang mạng thế hệ mới (NGN) mà vẫn đảm bảo an toàn, bảo mật và bảo toàn tối đa nguồn vốn đầu tư ban đầu.

Mục tiêu cụ thể của đề tài là phân tích sâu cấu trúc NGN, so sánh công nghệ truyền tải IP, ATM và làm rõ cơ chế chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS). Trên cơ sở đó, luận văn xây dựng giải pháp ứng dụng MPLS trong việc thiết lập mạng lõi tích hợp đa dịch vụ cho ngành Công an. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hạ tầng viễn thông và hệ thống cơ sở dữ liệu nghiệp vụ của Bộ Công an trong giai đoạn triển khai từ năm 2009 và định hướng các năm tiếp theo. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc tối ưu hóa 100% hiệu suất kênh truyền, loại bỏ tình trạng nghẽn mạch dữ liệu, nâng tốc độ truyền tải trên tuyến trục đạt tới 2,5 Gbps và chuẩn bị sẵn sàng hạ tầng phục vụ tích hợp thoại, dữ liệu, truyền hình hội nghị trên phạm vi toàn quốc.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên khung lý thuyết mạng thế hệ mới NGN theo các khuyến nghị tiêu chuẩn của Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU-T) thuộc nhóm SG13, tiêu biểu như ITU-T Y.110, Y.120, Y.130 và Y.140. Kiến trúc NGN phân tách rõ ràng thành 4 lớp chức năng: lớp kết nối truyền tải, lớp truyền thông, lớp điều khiển và lớp quản lý. Cấu trúc mở này cho phép phát triển dịch vụ hoàn toàn độc lập với hạ tầng mạng vật lý bên dưới.

Đồng thời, đề tài khai thác sâu lý thuyết chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS do IETF chuẩn hóa qua các tài liệu RFC. MPLS kết hợp ưu điểm định tuyến linh hoạt ở lớp 3 của giao thức IP với tốc độ chuyển mạch cực nhanh ở lớp 2 của công nghệ ATM. Cấu trúc nhãn MPLS tiêu chuẩn có độ dài 32 bit, bao gồm 20 bit nhãn (Label), 3 bit dành cho mức ưu tiên chất lượng dịch vụ (Exp/CoS), 1 bit báo hiệu đáy ngăn xếp (BS) và 8 bit định thời gian sống của gói tin (TTL). Các khái niệm cốt lõi được ứng dụng bao gồm: Lớp chuyển tiếp tương đương (FEC), Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn (LSR), Bộ định tuyến biên nhãn (LER), Đường chuyển mạch nhãn (LSP) và Giao thức phân phối nhãn (LDP). Khung lý thuyết cũng đối chiếu hai mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS trên nền IP là Dịch vụ tích hợp (IntServ) với cơ chế báo hiệu RSVP và Dịch vụ phân biệt (DiffServ) qua phân loại gói.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu được thu thập từ số liệu đo kiểm hiện trạng truyền dẫn, nhật ký lưu lượng mạng thoại, mạng dữ liệu tại 3 trung tâm vùng và hệ thống mạng máy tính của 63 Công an địa phương. Tác giả cũng tổng hợp tài liệu quy chuẩn kỹ thuật từ ITU-T, IETF, Diễn đàn Chuyển mạch Đa dịch vụ (MSF) và bài học thực tiễn trong quá trình di trú NGN của Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam (VNPT).

Về cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu, nghiên cứu thực hiện phương pháp chọn mẫu toàn thể (census sampling) trên 100% các điểm nút mạng gồm 63 Công an tỉnh, thành phố và 3 trung tâm tranzit vùng. Việc khảo sát toàn diện là bắt buộc nhằm đảm bảo tính đồng bộ và an toàn thông tin tuyệt đối của mạng an ninh quốc gia. Phương pháp phân tích được lựa chọn là phân tích định lượng hiệu năng truyền dẫn (băng thông, độ trễ, tỷ lệ mất gói) kết hợp so sánh kỹ thuật giữa chuyển mạch tế bào ATM 53 byte với chuyển mạch nhãn MPLS. Lý do chọn phương pháp này nhằm đánh giá chính xác khả năng kích hoạt MPLS trên dòng thiết bị sẵn có Cisco 7507, từ đó xây dựng lộ trình di trú tối ưu chi phí trong mốc thời gian hoàn thiện năm 2009.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nghiên cứu chỉ ra điểm nghẽn nghiêm trọng trong kiến trúc phân chia kênh cứng trên các tuyến truyền dẫn nhánh. Với 1 luồng E1 có dung lượng 2,048 Mbps kết nối về mỗi Công an địa phương, việc cố định 20 kênh 64 Kbps cho mạng thoại (chiếm 1.280 Kbps) và chỉ dành 10 kênh 64 Kbps cho mạng dữ liệu (chiếm 640 Kbps) đã gây quá tải cục bộ thường xuyên. Khi nhu cầu tra cứu dữ liệu tăng cao, băng thông 640 Kbps không đáp ứng kịp thời gian phản hồi, trong khi các kênh thoại lúc rảnh rỗi lại không thể san sẻ dung lượng cho dữ liệu.

Thứ hai, kết quả phân tích cho thấy quy mô cơ sở dữ liệu nghiệp vụ đã vượt quá năng lực xử lý của mạng IP truyền thống. Điển hình là Hệ thống nhận dạng vân tay tự động (VAFIS) lưu trữ trên 1 triệu mẫu vân tay, Cơ sở dữ liệu căn cước can phạm quản lý 1,5 triệu đối tượng, Cơ sở dữ liệu quản lý phạm nhân tại các trại giam với gần 200.000 hồ sơ và kết nối mạng riêng ảo VPN quốc tế tới 181 quốc gia thành viên Interpol để truy xuất hơn 10.000 đối tượng truy nã. Lưu lượng dữ liệu đồ họa, hình ảnh dấu vết và truyền tệp dung lượng lớn làm tăng tỷ lệ rớt gói trên các bộ định tuyến biên.

Thứ ba, nghiên cứu chứng minh công nghệ MPLS kết hợp mô hình DiffServ và giao thức RSVP-TE giúp tăng hiệu năng truyền gói lên khoảng 30% đến 40% so với định tuyến IP Best Effort thuần túy, đồng thời giảm độ trễ mạng lõi xuống dưới 10 mili giây. Giải pháp triển khai MPLS trên nền khung hoặc tích hợp ATM-LSR cho phép tận dụng lại toàn bộ hệ thống chuyển mạch và định tuyến Cisco 7507 sẵn có mà không phải thay mới phần cứng tốn kém.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự quá tải của hệ thống cũ là do công nghệ chuyển mạch kênh truyền thống thiếu tính cơ động trong phân bổ tài nguyên theo thời gian thực. Mô hình IP truyền thống xử lý định tuyến tại từng chặng dựa trên bảng định tuyến lớp 3 đồ sộ làm chậm tốc độ chuyển tiếp khi lưu lượng tăng cao. Trong khi đó, công nghệ ATM tuy đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS rất tốt với tế bào 53 byte cố định nhưng chi phí cổng 155 Mbps rất cao và kém tối ưu khi mang lưu lượng IP thuần.

So với các mô hình mạng viễn thông công cộng, việc áp dụng MPLS vào mạng dùng riêng Bộ Công an mang lại hiệu quả cân bằng tối ưu. Dữ liệu thực nghiệm chứng minh cơ chế hoán đổi nhãn 32 bit giúp đơn giản hóa bảng chuyển tiếp LFIB tại các nút lõi. Trong thực tế phân tích, dữ liệu hiệu năng có thể được biểu diễn trực quan qua biểu đồ so sánh độ trễ truyền gói tin theo mức tải mạng giữa ba phương thức IP thuần, ATM và MPLS-DiffServ. Ngoài ra, bảng tổng hợp đối chiếu các chỉ số kỹ thuật về thông lượng, cơ chế báo hiệu và chi phí đầu tư sẽ minh chứng rõ ràng tính ưu việt của phương án di trú sang mạng lõi MPLS đa dịch vụ.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu, 4 nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể được đề xuất nhằm di trú thành công mạng dùng riêng Bộ Công an sang NGN:

  1. Kích hoạt và triển khai công nghệ MPLS trên các bộ định tuyến lõi Cisco 7507 và các thiết bị chuyển mạch lớp 3 tại 3 trung tâm vùng Hà Nội, Đà Nẵng, Thành phố Hồ Chí Minh. Mục tiêu là nâng tốc độ đường trục lên 2,5 Gbps, nâng cao khả năng chuyển mạch gói và đảm bảo độ khả dụng dịch vụ đạt 99,99%. Timeline thực hiện trong giai đoạn 1 từ 12 đến 18 tháng, do Cục Công nghệ Thông tin và Cục Viễn thông Bộ Công an chủ trì.

  2. Chuyển đổi cơ chế phân chia kênh cứng E1 (2,048 Mbps) sang cơ chế phân bổ băng thông động dựa trên MPLS-VPN và DiffServ cho 63 Công an tỉnh, thành phố. Mục tiêu là tận dụng 100% dung lượng thoại rảnh rỗi để cấp phát tức thời cho luồng dữ liệu nghiệp vụ, giảm tỷ lệ nghẽn truy cập xuống dưới 0,1%. Timeline hoàn thành trong 24 tháng, do Phòng Viễn thông - Tin học Công an các địa phương phối hợp thực hiện.

  3. Thiết lập các đường hầm mạng riêng ảo MPLS-VPN độc lập kết hợp cơ chế mã hóa bảo mật chuyên dụng cho từng hệ thống cơ sở dữ liệu nghiệp vụ nhạy cảm như VAFIS (hơn 1 triệu vân tay), căn cước can phạm (1,5 triệu hồ sơ) và quản lý xuất nhập cảnh. Mục tiêu bảo đảm an toàn thông tin tuyệt đối cấp độ quốc gia, thực hiện liên tục trong lộ trình di trú, do các Tổng cục nghiệp vụ An ninh và Cảnh sát chủ trì.

  4. Xây dựng chương trình đào tạo chuyên sâu về cấu hình giao thức phân phối nhãn LDP, báo hiệu RSVP-TE và hệ thống quản trị mạng chuẩn TMN cho 100% cán bộ kỹ thuật viễn thông toàn ngành. Mục tiêu nâng cao năng lực làm chủ công nghệ NGN mới, hoàn thành định kỳ hàng năm dưới sự chỉ đạo của Tổng cục Hậu cần - Kỹ thuật Bộ Công an.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo giá trị cho 4 nhóm đối tượng chính sau:

  1. Lãnh đạo và cán bộ quy hoạch viễn thông ngành Công an, Quân đội: Cung cấp cơ sở khoa học và phương pháp luận vững chắc để xây dựng đề án hiện đại hóa mạng viễn thông dùng riêng phục vụ quốc phòng, an ninh, bảo toàn nguồn vốn đầu tư ngân sách.

  2. Kỹ sư thiết kế và vận hành mạng tại các doanh nghiệp viễn thông: Cung cấp giải pháp kỹ thuật chuyên sâu về cấu hình chuyển mạch nhãn MPLS, tích hợp mạng IP và ATM qua mô hình ATM-LSR, cùng các giải pháp tối ưu hóa QoS trên thiết bị định tuyến Cisco 7507.

  3. Học viên cao học, sinh viên chuyên ngành Công nghệ Điện tử - Viễn thông và Kỹ thuật Mạng: Sử dụng làm tài liệu học thuật giá trị về kiến trúc mạng NGN, cấu trúc nhãn 32 bit, giao thức phân phối nhãn LDP và kỹ thuật điều khiển lưu lượng RSVP-TE.

  4. Quản trị viên hệ thống công nghệ thông tin tại các cơ quan quản lý nhà nước: Tham khảo mô hình thiết lập mạng riêng ảo MPLS-VPN để kết nối an toàn, thông suốt cho các hệ thống cơ sở dữ liệu quy mô hàng triệu bản ghi phân tán tại 63 tỉnh thành.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao mạng dùng riêng Bộ Công an cần di trú sang NGN thay vì duy trì mạng truyền thống?
Mạng truyền thống phân chia kênh cứng (20 kênh thoại, 10 kênh dữ liệu trên luồng E1) gây lãng phí băng thông khi thoại rảnh rỗi và làm nghẽn mạch dữ liệu. Di trú sang NGN giúp hợp nhất đa dịch vụ trên hạ tầng gói duy nhất, tối ưu hóa 100% dung lượng truyền dẫn và dễ dàng hòa mạng với mạng viễn thông quốc gia.

Công nghệ MPLS mang lại ưu thế vượt trội gì so với định tuyến IP thông thường?
MPLS thay thế quá trình tra cứu bảng định tuyến lớp 3 phức tạp tại từng chặng bằng cơ chế hoán đổi nhãn 32 bit nhanh chóng ở lớp 2. Nhờ đó, các bộ định tuyến lõi chuyển tiếp gói tin với tốc độ cực cao, giảm độ trễ xử lý xuống dưới 10 mili giây và tối ưu hóa hiệu năng truyền tải mạng lõi.

Làm thế nào để đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS cho thoại khẩn cấp trên nền MPLS?
Hệ thống tích hợp MPLS với mô hình phân biệt dịch vụ DiffServ và giao thức báo hiệu RSVP-TE. Nhờ đánh dấu mức ưu tiên trong trường CoS của nhãn 32 bit, các luồng thoại chỉ huy được xếp vào hàng đợi ưu tiên cao nhất, cam kết băng thông và độ trễ tối thiểu ngay cả khi mạng xảy ra nghẽn cục bộ.

Việc tận dụng lại thiết bị Cisco 7507 hiện có có đảm bảo hiệu năng không?
Hoàn toàn đảm bảo hiệu năng. Thiết bị định tuyến Cisco 7507 được trang bị khả năng kích hoạt MPLS và giao thức LDP qua cấu hình phần mềm, cho phép chuyển mạch nhãn trơn tru tại 3 trung tâm vùng, giúp tiết kiệm tối đa ngân sách đầu tư thiết bị mới trong giai đoạn đầu của lộ trình di trú.

Mạng lõi MPLS bảo vệ an toàn cho các cơ sở dữ liệu nghiệp vụ bằng cách nào?
Hệ thống cô lập hoàn toàn các luồng thông tin nghiệp vụ nhạy cảm như vân tay VAFIS hay căn cước can phạm qua các đường hầm mạng riêng ảo MPLS-VPN độc lập. Kết hợp với thiết bị mã hóa chuyên dụng tại các router biên LER, dữ liệu được bảo vệ an toàn tuyệt đối trước mọi nguy cơ xâm nhập trái phép.

Kết luận

Tóm lại, nghiên cứu đã giải quyết toàn diện bài toán hiện đại hóa hạ tầng mạng viễn thông chuyên dụng ngành Công an qua các điểm chính:

  • Khẳng định tính tất yếu của việc di trú mạng dùng riêng Bộ Công an sang mạng thế hệ mới NGN nhằm đón đầu xu thế công nghệ.
  • Xác lập công nghệ MPLS là giải pháp cốt lõi kết hợp hoàn hảo tốc độ chuyển mạch lớp 2 của ATM và tính linh hoạt định tuyến lớp 3 của IP.
  • Xóa bỏ nút thắt cổ chai băng thông trên luồng E1 kết nối tới 63 Công an địa phương bằng cơ chế cấp phát tài nguyên động thông minh.
  • Đảm bảo an toàn bảo mật tuyệt đối và chất lượng dịch vụ QoS cho các hệ thống cơ sở dữ liệu nghiệp vụ quốc gia quy mô hàng triệu đối tượng.
  • Đề xuất lộ trình di trú 2 giai đoạn khả thi, tận dụng hiệu quả hạ tầng thiết bị sẵn có tại 3 trung tâm vùng.

Đóng góp chính của luận văn là xây dựng mô hình mạng lõi MPLS tích hợp đa dịch vụ hoàn chỉnh, mang lại giá trị thực tiễn cao cho lực lượng Công an nhân dân. Lộ trình triển khai tiếp theo cần tập trung nâng cấp tuyến truyền dẫn quang 2,5 Gbps và chuẩn hóa cấu hình MPLS toàn diện. Hãy chủ động nghiên cứu và áp dụng ngay các giải pháp kỹ thuật của luận văn để tối ưu hóa hạ tầng viễn thông ngay hôm nay!