Tổng quan nghiên cứu

Sự bùng nổ của các dịch vụ Internet băng rộng vào cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21 đã tạo ra bước ngoặt căn bản trong cấu trúc lưu lượng mạng viễn thông toàn cầu. Lưu lượng phi thoại mang đặc tính truyền dữ liệu theo cụm, bất đối xứng và chiếm tỷ trọng áp đảo hơn 60% tổng lưu lượng thông tin truyền tải trên toàn thế giới, dần thay thế hoàn toàn các cuộc gọi thoại truyền thống. Thực trạng này đặt ra thách thức lớn đối với hạ tầng mạng lõi viễn thông vốn xây dựng trên các phân cấp số cận đồng bộ và đồng bộ truyền thống. Vấn đề nghiên cứu cốt lõi của đề tài là giải quyết hiện tượng nghẽn cổ chai tại các nút mạng, loại bỏ sự chồng chéo phức tạp của các ngăn giao thức trung gian và tối ưu hóa hiệu năng truyền tải lưu lượng giao thức Internet (IP) trực tiếp qua môi trường truyền dẫn quang.

Mục tiêu cụ thể của luận văn tập trung vào việc hệ thống hóa, đánh giá toàn diện các giải pháp đóng gói và truyền tải IP trên nền ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM), nghiên cứu cơ chế điều khiển thông minh với chuyển mạch nhãn đa giao thức mở rộng (GMPLS) và mạng quang chuyển mạch tự động (ASON), từ đó xây dựng mô hình và lộ trình chuyển đổi khả thi cho mạng thế hệ mới (NGN). Phạm vi nghiên cứu bao quát các công nghệ truyền tải IP/Quang trên mạng đường trục quốc gia và các mạch vòng liên tỉnh của Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam (VNPT) trong giai đoạn 2006–2015, trọng tâm là các tuyến cáp quang huyết mạch trên Quốc lộ 1A, đường dây điện lực 500 kV, đường mòn Hồ Chí Minh và tuyến cáp quang biển trục Bắc - Nam. Kết quả nghiên cứu đóng góp cơ sở khoa học quan trọng giúp nâng cao dung lượng mạng truyền dẫn trục DWDM lên 20 Gbps với 8 bước sóng quang ban đầu, giảm thiểu từ 10% đến 15% mào đầu giao thức vô ích và chuẩn hóa kiến trúc mạng thế hệ mới tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn ứng dụng hệ thống lý thuyết phân lớp truyền thông nâng cao kết hợp giữa công nghệ định tuyến IP và kỹ thuật truyền dẫn quang bước sóng mật độ cao (DWDM). Cơ sở lý thuyết tập trung phân tích sự dịch chuyển từ cấu trúc mạng xếp chồng 4 lớp kinh điển (IP/ATM/SDH/WDM) sang các mô hình rút gọn hiệu năng cao như IP/SDH, IP/Gigabit Ethernet và trực tiếp IP trên WDM (IP over DWDM).

Nghiên cứu vận dụng 5 nhóm khái niệm và chuẩn giao thức chuyên ngành nền tảng:

  • Giao thức đóng gói dữ liệu: Chuẩn Packet over SONET/SDH (POS) theo các tiêu chuẩn RFC 1619, RFC 1661 và RFC 1662; Giao thức truy nhập tuyến LAPS theo khuyến nghị ITU-T X.85 và X.86; Thủ tục lập khung tổng quát GFP theo chuẩn ITU-T G.7041.
  • Kỹ thuật điều chỉnh băng thông linh hoạt: Kết chuỗi ảo VCAT theo chuẩn ITU-T G.707 và cơ chế thích ứng dung lượng tuyến LCAS theo khuyến nghị ITU-T G.7042.
  • Hạ tầng mạng gói thế hệ mới: Ring gói đàn hồi RPR chuẩn IEEE 802.17 dựa trên giao thức SRP, cùng chế độ truyền tải động DTM phân bổ khe thời gian 125 micro-giây.
  • Cơ chế chất lượng dịch vụ (QoS): Phân loại lưu lượng mạng theo chuẩn DiffServ/QoS-Agents, IntServ/RSVP và gắn nhãn lớp dịch vụ theo tiêu chuẩn IEEE 802.1p.
  • Mặt phẳng điều khiển mạng quang tự động: Kiến trúc ASON theo chuẩn ITU-T G.8080 kết hợp bộ giao thức điều khiển phân tán GMPLS (RFC 3471, RFC 3473), cho phép định tuyến bước sóng quang tự động và quản lý liên kết quang thông minh.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng nguồn dữ liệu thứ cấp chuẩn hóa từ các khuyến nghị kỹ thuật quốc tế của ITU-T, IETF, IEEE, kết hợp cùng số liệu đo kiểm mạng lưới thực tế từ Trung tâm Viễn thông Liên tỉnh (VTN) thuộc Tổng Công ty Bưu chính Viễn thông Việt Nam và các báo cáo thử nghiệm từ tổ chức nghiên cứu chiến lược viễn thông Châu Âu EURESCOM.

Tập mẫu nghiên cứu được xác định với quy mô 13 kiến trúc truyền tải IP trên quang tiêu biểu đã được công bố trên thế giới (bao gồm IP/ATM/SDH/WDM, IP/POS/WDM, IP/GFP/SDH/WDM, IP/GbE/WDM, IP/RPR, IP/DTM, IP-MPLS/quang và IP-GMPLS/quang). Nghiên cứu áp dụng phương pháp chọn mẫu có chủ đích (purposive sampling), tập trung vào các giải pháp có độ khả thi công nghệ cao, đã có sản phẩm thương mại hoặc phù hợp trực tiếp với định hướng mạng NGN tại Việt Nam.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích so sánh kỹ thuật - kinh tế đa tiêu chí (multi-criteria comparative analysis) là nhằm lượng hóa chính xác tỷ lệ tiêu hao mào đầu (protocol overhead), độ phức tạp của phần cứng giao tiếp, độ trễ xử lý gói tin và hiệu quả đầu tư hạ tầng. Quá trình phân tích định lượng được thực hiện xuyên suốt trên dòng dữ liệu từ giao diện STM-1 (155 Mbps), STM-16 (2,5 Gbps) đến STM-64 (10 Gbps) trong khung thời gian nghiên cứu phân kỳ theo 3 giai đoạn chiến lược từ năm 2006 đến sau năm 2015.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã chỉ ra 4 phát hiện kỹ thuật mang tính đột phá trong việc tối ưu hóa hạ tầng truyền dẫn IP/Quang:

Thứ nhất, giải pháp truyền tải gói IP trực tiếp qua khung POS (PPP/HDLC) và giao thức SDL giúp triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng "thuế tế bào" (cell tax) của công nghệ ATM. Trong khi kỹ thuật đóng gói IP qua ATM làm tổn hao từ 10% đến 15% tổng dung lượng băng thông do kích thước mào đầu cố định 5 byte trên mỗi tế bào 53 byte cùng các byte nhồi AAL5, thì giao thức POS chỉ tạo ra 7 đến 8 byte mào đầu cho toàn bộ gói dữ liệu IP có kích thước lên đến 65.535 byte, và khung SDL chỉ yêu cầu 4 byte mào đầu.

Thứ hai, việc ứng dụng công nghệ Gigabit Ethernet (GbE) với mã hóa đường truyền 8B/10B trên các mạch vòng WDM đô thị (MAN/Metro) mang lại hiệu quả vượt trội về mặt chi phí đầu tư. Các card giao diện mạng Gigabit Ethernet trên router IP có giá thành thấp hơn xấp xỉ 5 lần so với card đường truyền quang SDH STM-16 có cùng dung lượng tương đương, trong khi vẫn cung cấp khả năng mở rộng kích thước khung dữ liệu Jumbo lên đến 9.000 byte.

Thứ ba, sự kết hợp giữa ba chuẩn GFP (ITU-T G.7041), VCAT (ITU-T G.707) và LCAS (ITU-T G.7042) đã khắc phục triệt để nhược điểm phân cấp tốc độ thô cứng của mạng SDH truyền thống. Cơ chế kết chuỗi ảo VCAT và thích ứng dung lượng LCAS cho phép ghép nối linh hoạt các container ảo VC-4, tạo ra các đường truyền số liệu với bước tăng dung lượng mịn 512 kbps, giúp nâng cao hệ số sử dụng tài nguyên đường truyền từ 60% lên trên 92%.

Thứ tư, quá trình tiến hóa mặt phẳng điều khiển sang GMPLS và kiến trúc ASON cho phép thiết lập và khôi phục mạng quang tự động dạng lưới (Mesh) với thời gian bảo vệ dưới 50 mili-giây, tương đương khả năng chuyển mạch bảo vệ tự động (APS) của SDH nhưng tiết kiệm hơn 40% tài nguyên bước sóng dự phòng so với cấu hình vòng Ring khép kín.

Thảo luận kết quả

Các kết quả nghiên cứu khẳng định tính tất yếu của việc tinh giản các lớp mạng trung gian trong cấu trúc truyền thông băng rộng. Việc duy trì quá nhiều tầng giao thức (IP qua ATM, ATM qua SDH, SDH qua WDM) không chỉ gây trễ xử lý mà còn làm phân mảnh công tác quản trị mạng, khiến nhà khai thác tiêu tốn chi phí vận hành lớn.

Để minh chứng rõ nét cho luận điểm này, dữ liệu phân tích hiệu năng có thể được tổng hợp trực quan thông qua bảng so sánh đa thông số kỹ thuật giữa 6 giải pháp truyền tải chủ đạo:

Giải pháp công nghệ Tỷ lệ mào đầu giao thức (%) Tốc độ cổng giao tiếp chuẩn Cơ chế bảo vệ & Khôi phục Chi phí cổng phần cứng tương đối
IP/ATM/SDH/WDM 10% – 15% (Rất cao) STM-1 (155M) / STM-4 (622M) Tự phục hồi qua ATM / SDH APS Rất đắt (Mức chuẩn 100%)
IP/POS/SDH/WDM < 1% (Rất thấp) STM-16 (2.5G) / STM-64 (10G) SDH APS (< 50ms) Trung bình (60% – 70%)
IP/GFP/VCAT/SDH 1.5% – 3% (Thấp) Tùy biến linh hoạt qua VC-n LCAS / SDH SNCP Trung bình (55% – 65%)
IP/GbE/WDM 2% – 4% (Thấp) 1 Gbps / 10 Gbps (8B/10B) STP / Chuyển mạch Lớp 2 Rất thấp (~20% so với SDH)
IP/RPR/WDM 3% – 5% (Thấp) STM-16 / GbE Ring IPS thông minh (< 50ms) Trung bình (50% – 60%)
IP-GMPLS/ASON Tối ưu hóa toàn diện Kênh bước sóng Lambda (10G/40G) Định tuyến lại dạng Mesh (< 50ms) Tối ưu dài hạn (Toàn quang)

Đồng thời, lộ trình chuyển dịch mạng trục của VNPT có thể được mô hình hóa qua sơ đồ phân kỳ topo mạng: khởi đầu từ 4 mạch vòng Ring DWDM liên tỉnh độc lập (Hà Nội – Vinh, Vinh – Đà Nẵng, Đà Nẵng – Quy Nhơn, Quy Nhơn – TP. Hồ Chí Minh) dung lượng 20 Gbps, sau đó ghép nối liên hoàn thành topo dạng lưới (Mesh) đa liên kết có điều khiển thông minh.

So sánh với các nghiên cứu thực nghiệm của EURESCOM và mô hình triển khai của Cisco Systems (giao thức DPT/SRP), phát hiện của luận văn hoàn toàn tương thích với xu thế thế giới, đồng thời giải quyết bài toán kinh tế viễn thông tại Việt Nam: tận dụng tối đa hạ tầng cáp sợi quang và thiết bị SDH hiện có trong khi từng bước đưa công nghệ định tuyến bước sóng quang vào mạng lõi.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các phân tích định lượng và hiện trạng mạng lưới viễn thông, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị kỹ thuật và lộ trình thực thi cụ thể:

Thứ nhất, nâng cấp hạ tầng mạng lõi đường trục quốc gia bằng giải pháp IP over DWDM kết hợp giao thức POS.

  • Hành động: Thay thế các giao diện kết nối ATM cũ bằng card giao tiếp POS STM-16/STM-64 trên các thiết bị định tuyến lõi (Core Router), kết nối trực tiếp vào hệ thống Transponder của mạng DWDM 20 Gbps trục Bắc - Nam.
  • Mục tiêu: Giảm thiểu 12% tổn hao băng thông vô ích, tăng tốc độ truyền dẫn gói IP đạt mức tốc độ dây (wire-speed).
  • Thời gian thực hiện: Giai đoạn 2006–2010.
  • Chủ thể thực hiện: Tổng Công ty Bưu chính Viễn thông Việt Nam (VNPT) và Công ty Viễn thông Liên tỉnh (VTN).

Thứ hai, tối ưu hóa các tuyến truyền dẫn nội tỉnh và liên tỉnh hiện hữu bằng bộ giao thức GFP, VCAT và LCAS.

  • Hành động: Nâng cấp phần mềm điều khiển trên các thiết bị ghép kênh SDH ADM hiện có để kích hoạt chuẩn đóng gói ITU-T G.7041 và kết chuỗi ảo nhiều luồng VC-4.
  • Mục tiêu: Nâng cao hiệu suất sử dụng kênh truyền số liệu lên trên 90%, cho phép điều chỉnh băng thông linh động theo từng mức 512 kbps mà không làm gián đoạn dịch vụ.
  • Thời gian thực hiện: Giai đoạn 2007–2009.
  • Chủ thể thực hiện: Đội ngũ kỹ sư quản trị mạng truyền dẫn tại các Bưu điện tỉnh, thành phố và Trung tâm VTN.

Thứ ba, chuyển đổi cấu trúc mặt phẳng điều khiển sang GMPLS và triển khai mạng quang tự động ASON.

  • Hành động: Triển khai thí điểm các thiết bị kết nối chéo quang (OXC/DXC) tích hợp ngăn giao thức GMPLS, chuyển đổi cấu trúc bảo vệ từ dạng mạch vòng Ring sang dạng lưới Mesh tự phục hồi.
  • Mục tiêu: Rút ngắn thời gian khôi phục sự cố tuyến truyền dẫn xuống dưới 50 mili-giây, tự động hóa 100% quy trình cấp phát bước sóng quang theo nhu cầu lưu lượng.
  • Thời gian thực hiện: Giai đoạn 2010–2015.
  • Chủ thể thực hiện: Ban Quản lý Dự án Viễn thông và Trung tâm Điều hành Mạng NGN Quốc gia.

Thứ tư, mở rộng ứng dụng Gigabit Ethernet tại mạng đô thị Metro và sẵn sàng chuyển dịch sang địa chỉ IPv6.

  • Hành động: Trang bị các bộ chuyển mạch Lớp 2/Lớp 3 hỗ trợ cổng 1 GbE và 10 GbE tại mạng truy nhập quang FTTH/FTTO, cấu hình ngăn giao thức kép Dual-Stack (IPv4/IPv6) trên toàn bộ router biên.
  • Mục tiêu: Giảm chi phí đầu tư thiết bị mạng biên xuống 80%, giải quyết triệt để nguy cơ cạn kiệt không gian địa chỉ 32-bit của IPv4 bằng không gian địa chỉ 128-bit của IPv6.
  • Thời gian thực hiện: Giai đoạn sau năm 2015.
  • Chủ thể thực hiện: Các nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP) và đơn vị vận hành mạng NGN.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang giá trị ứng dụng thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

  • Kỹ sư quy hoạch và thiết kế mạng truyền dẫn viễn thông: Tiếp cận phương pháp luận khoa học trong việc lựa chọn ngăn giao thức đóng gói tối ưu (POS, GFP, GbE) và nguyên tắc xây dựng topo mạng WDM điểm - điểm, Ring, Mesh. Tài liệu phục vụ trực tiếp cho công tác lập dự án đầu tư nâng cấp mạng đường trục quốc gia và mạng truyền dẫn đô thị MAN/Metro.
  • Chuyên gia kỹ thuật vận hành tại các trung tâm điều hành mạng (NOC/SOC): Nắm vững cơ chế chuyển mạch nhãn MPLS/GMPLS, các bản tin báo hiệu định tuyến mở rộng và thuật toán khôi phục mạng thông minh ASON, hỗ trợ xử lý sự cố đứt cáp quang, điều phối lưu lượng chống nghẽn thời gian thực.
  • Giảng viên, nhà nghiên cứu và học viên cao học ngành Kỹ thuật Viễn thông: Sử dụng công trình như một tài liệu tham khảo chuẩn mực về tích hợp công nghệ IP và quang học, hệ thống hóa chi tiết 13 giải pháp truyền tải IP/Quang, đóng vai trò nền tảng để phát triển các đề tài chuyên sâu về chuyển mạch chùm quang (OBS) và chuyển mạch gói quang (OPS).
  • Giám đốc công nghệ (CTO) và nhà quản lý chiến lược tại các Telco/ISP: Có được bức tranh tổng thể về chi phí - kỹ thuật (Capex/Opex), làm căn cứ hoạch định chiến lược chuyển dịch công nghệ mạng truyền dẫn thế hệ mới NGN trong lộ trình từ 5 đến 10 năm.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao giải pháp IP over DWDM trực tiếp lại vượt trội hơn mô hình truyền thống IP/ATM/SDH/WDM?

Giải pháp IP over DWDM loại bỏ hoàn toàn các lớp trung gian ATM và SDH, giúp triệt tiêu 10% đến 15% tổn hao băng thông do thuế tế bào ATM gây ra. Nhờ đóng gói trực tiếp gói IP vào bước sóng quang qua giao thức POS hoặc SDL, hệ thống đạt tốc độ truyền dẫn dây dẫn cực đại, giảm đáng kể độ trễ truyền dữ liệu và tiết kiệm hơn 40% chi phí đầu tư thiết bị phần cứng.

2. Giao thức GFP kết hợp VCAT và LCAS mang lại lợi ích gì cho hạ tầng mạng truyền dẫn sẵn có?

Bộ ba giao thức GFP (ITU-T G.7041), VCAT (ITU-T G.707) và LCAS (ITU-T G.7042) giúp nâng cấp các thiết bị SDH cũ thành hệ thống truyền tải số liệu linh hoạt. VCAT cho phép ghép các luồng ảo thành ống dẫn dung lượng tùy biến với bước tăng mịn 512 kbps, trong khi LCAS tự động tăng/giảm dung lượng kênh truyền theo thời gian thực mà không làm gián đoạn dịch vụ, nâng hiệu suất khai thác mạng từ 60% lên trên 90%.

3. Điểm khác biệt cốt lõi giữa chuyển mạch nhãn MPLS và GMPLS trong mạng quang là gì?

MPLS truyền thống chỉ hoạt động trên các thiết bị định tuyến gói lớp 3 hoặc chuyển mạch ATM lớp 2 với không gian nhãn số học đơn giản. Trong khi đó, GMPLS mở rộng mặt phẳng điều khiển để quản lý chuyển mạch trên nhiều miền vật lý phi gói, bao gồm khe thời gian TDM (SDH), bước sóng quang riêng biệt (Lambda Switching) và từng sợi cáp quang vật lý, hỗ trợ khôi phục mạng quang tự động dạng lưới dưới 50 mili-giây.

4. Vì sao công nghệ Gigabit Ethernet trên nền quang lại là giải pháp tối ưu cho mạng đô thị Metro?

Gigabit Ethernet (IEEE 802.3z) sử dụng chuẩn mã hóa 8B/10B với tốc độ đường truyền 1,25 Gbps, sở hữu chi phí cổng giao tiếp trên router rẻ hơn khoảng 5 lần so với cổng SDH STM-16 tương đương. Khả năng hỗ trợ khung dữ liệu Jumbo 9.000 byte và tích hợp trực tiếp với mạng LAN/MAN của khách hàng giúp các nhà mạng cung cấp dịch vụ băng rộng linh hoạt với chi phí Capex thấp nhất.

5. Lộ trình ứng dụng mạng chuyển mạch quang tự động ASON tại Việt Nam được phân kỳ ra sao?

Lộ trình được phân kỳ thành 3 giai đoạn chiến lược: Giai đoạn 2006–2010 tập trung triển khai các cấu hình Ring DWDM 20 Gbps độc lập và áp dụng giao thức POS; Giai đoạn 2010–2015 thực hiện kết nối liên hoàn các mạch vòng thành topo dạng lưới Mesh và kích hoạt mặt phẳng điều khiển thông minh GMPLS/ASON; Giai đoạn sau 2015 hướng tới mạng toàn quang với chuyển mạch chùm và gói quang tự động.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích toàn diện và hệ thống hóa 13 giải pháp truyền tải lưu lượng IP trên hạ tầng mạng quang, khẳng định xu thế tất yếu của việc tinh giản các lớp giao thức trung gian hướng tới kiến trúc IP trực tiếp trên DWDM.
  • Chứng minh tính ưu việt vượt trội của các giao thức đóng gói hiện đại như POS, GFP, VCAT và LCAS trong việc triệt tiêu hiện tượng thuế tế bào ATM 15% và tối ưu hóa hiệu suất sử dụng kênh truyền dẫn quang lên trên 90%.
  • Xác lập cơ sở khoa học cho việc chuyển dịch mặt phẳng điều khiển mạng truyền dẫn sang GMPLS và kiến trúc ASON, cho phép bảo vệ và tự phục hồi mạng dạng lưới thông minh trong thời gian dưới 50 mili-giây.
  • Đóng góp luận cứ kỹ thuật - kinh tế thực tiễn để xây dựng thành công lộ trình 3 giai đoạn (2006–2010, 2010–2015 và sau 2015) chuyển đổi mạng đường trục DWDM 20 Gbps và hệ thống vòng Ring liên tỉnh của VNPT sang mạng thế hệ mới NGN.
  • Bước phát triển tiếp theo của đề tài là tiếp tục mở rộng nghiên cứu công nghệ chuyển mạch gói quang toàn phần (OPS) và chuyển mạch chùm quang (OBS) nhằm đáp ứng nhu cầu bùng nổ băng thông terabit trong tương lai. Các đơn vị viễn thông cần nhanh chóng ứng dụng khung giải pháp này để hoàn thiện quy hoạch hạ tầng số quốc gia vững chắc.