Tổng quan nghiên cứu

Sự bùng nổ của các dịch vụ số liệu và xu hướng hội tụ mạng thế hệ mới NGN đã thúc đẩy nhu cầu truyền tải dữ liệu đa phương tiện tăng trưởng hơn 85% trong các hệ thống mạng nội bộ. Trước thực tế hạ tầng mạng truyền thống dựa trên công nghệ TDM và SDH bộc lộ nhiều điểm nghẽn về băng thông và chi phí, việc xây dựng mạng đô thị băng rộng trở thành yêu cầu cấp thiết. Mạng đô thị sử dụng công nghệ Ethernet quang cho phép mở rộng tốc độ truyền dẫn từ 1 Gbps lên tới hàng trăm Gbps trên khoảng cách hàng chục kilômét, đồng thời giải quyết triệt để nhu cầu tích hợp dịch vụ thoại, dữ liệu, truyền hình hội nghị và kênh thuê riêng.

Đề tài tập trung nghiên cứu kiến trúc mạng đô thị Ethernet và xây dựng cấu trúc mạng MAN-E hoàn chỉnh cho Viễn thông Nam Định trong giai đoạn 2011-2015. Mục tiêu cụ thể là phân tích các giải pháp công nghệ nền tảng như RPR, MPLS/GMPLS, WDM, tính toán lưu lượng và thiết kế mô hình mạng mục tiêu đáp ứng sự tăng trưởng thuê bao. Nghiên cứu mang ý nghĩa chiến lược khi giúp tối ưu hóa băng thông, cắt giảm tới 80% chi phí đầu tư cổng kết nối so với các giao diện SDH cùng dung lượng, rút ngắn thời gian khôi phục lỗi xuống dưới 50 ms và cung cấp hạ tầng vững chắc cho hơn 59 tỉnh thành trong chiến lược hiện đại hóa mạng lưới viễn thông quốc gia.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng mô hình kiến trúc mạng MAN 5 phân lớp tiêu chuẩn của Cisco, bao gồm: lớp truy nhập (Access), lớp kết tập (Aggregation), lớp biên (Edge), lớp ứng dụng dịch vụ (Service Application) và lớp lõi (Core). Mô hình này tạo nền tảng vững chắc để phân tách chức năng chuyển tiếp gói tin tốc độ cao và kiểm soát chính sách dịch vụ. Bên cạnh đó, luận văn áp dụng khung lý thuyết chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS/GMPLS theo chuẩn của IETF nhằm thiết lập các đường chuyển mạch nhãn LSP có định hướng lưu lượng và kiểm soát chất lượng dịch vụ QoS.

Năm khái niệm cốt lõi được phát triển xuyên suốt đề tài gồm:

  1. Mạng đô thị Ethernet (MAN-E): Hạ tầng mạng truyền dẫn quang nội vùng dựa trên khung gói Ethernet tốc độ cao từ 1 Gbps đến 10 Gbps.
  2. Công nghệ vòng bảo vệ đàn hồi (RPR - IEEE 802.17): Giao thức lớp liên kết dữ liệu hỗ trợ cơ chế bảo vệ kép với thời gian phục hồi cực nhanh dưới 50 ms.
  3. Ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM/DWDM): Giải pháp truyền dẫn quang ghép nhiều bước sóng trên một sợi quang, nâng dung lượng hệ thống lên hàng chục Terabits.
  4. Chuyển mạch nhãn đa giao thức mở rộng (GMPLS): Mặt phẳng điều khiển thống nhất cho cả mạng chuyển mạch gói PSC và chuyển mạch kênh quang LSC.
  5. Phân lớp dịch vụ (CoS/DiffServ): Cơ chế gán nhãn ưu tiên 3-bit theo chuẩn IEEE 802.1Q với 8 mức ưu tiên khác nhau nhằm đảm bảo độ trễ thấp và giảm thiểu biến động trễ (jitter).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thực tế từ hồ sơ quy hoạch mạng lưới của Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam VNPT và các thông số vận hành của Viễn thông Nam Định. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm toàn bộ hệ thống mạng lưới trên địa bàn 10 huyện, thành phố thuộc tỉnh Nam Định, tiến hành đo kiểm và khảo sát trực tiếp tại 12 nút mạng trung tâm, cùng hàng trăm trạm thu phát sóng di động BTS và nút truy nhập MSAN/IP-DSLAM.

Phương pháp chọn mẫu phân tầng có chủ đích được áp dụng dựa trên mật độ dân cư, phân vùng kinh tế và hiện trạng hạ tầng cáp quang của từng khu vực hành chính. Phương pháp phân tích định lượng kết hợp với mô hình toán học dự báo lưu lượng được lựa chọn vì tính chất lưu lượng IP có tính bùng nổ cao, đòi hỏi các thuật toán xếp hàng và định cỡ băng thông chính xác nhằm tránh nghẽn mạch cục bộ. Toàn bộ quá trình thu thập, tính toán tham số và thiết kế mô hình được triển khai theo lộ trình hai giai đoạn: giai đoạn 1 từ năm 2009 đến 2011 và giai đoạn 2 hoàn thiện mở rộng từ năm 2011 đến 2015.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm và đánh giá kỹ thuật đã mang lại 4 phát hiện quan trọng:

Thứ nhất, việc triển khai công nghệ Gigabit Ethernet giúp giảm chi phí card giao tiếp quang trong bộ định tuyến rẻ hơn 5 lần (tương đương tiết kiệm khoảng 80% ngân sách phần cứng) so với card truyền dẫn SDH có cùng dung lượng truyền tải.

Thứ hai, ứng dụng công nghệ RPR trên nền vòng ring cáp quang với giao thức tái sử dụng không gian SRP đã nâng tổng thông lượng hiệu dụng của tuyến STM-16 từ mức 2,5 Gbps của SDH truyền thống lên đến 5,0 Gbps, tăng gấp đôi hiệu suất khai thác mà không cần bổ sung sợi quang.

Thứ ba, cơ chế chuyển mạch bảo vệ lớp quang và lớp MPLS cho phép cô lập sự cố đứt cáp và định tuyến lại lưu lượng với thời gian chuyển mạch đạt chuẩn dưới 50 ms, triệt tiêu nguy cơ rớt cuộc gọi thoại IP và gián đoạn luồng video streaming.

Thứ tư, cấu trúc mạng MAN-E 2 lớp (Lõi và Truy nhập) đáp ứng khả năng gom tải từ hơn 95% lưu lượng mạng nội bộ của các cơ quan, doanh nghiệp, đồng thời cho phép tích hợp trực tiếp các vòng ring truy nhập gồm 4 đến 6 thiết bị chuyển mạch CES kết nối về 2 đến 3 nút CES lõi quy mô lớn.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả vượt trội của MAN-E bắt nguồn từ sự thay đổi bản chất chuyển mạch kênh sang chuyển mạch gói IP. Công nghệ SDH truyền thống phân chia dung lượng theo các khe thời gian TDM cố định, dẫn đến lãng phí tới 50% băng thông dành cho kênh bảo vệ thụ động. Ngược lại, MAN-E kết hợp kỹ thuật MPLS Traffic Engineering cho phép ghép kênh thống kê, tận dụng tối đa băng thông nhàn rỗi và chỉ kích hoạt chuyển mạch nhãn khi có sự cố.

Trong các báo cáo kỹ thuật, dữ liệu so sánh có thể được trình bày sinh động qua đồ thị phân bố lưu lượng theo thời gian thực và biểu đồ cột thể hiện độ trễ gói tin ở các mức tải khác nhau. Mô hình tô-pô mạng mục tiêu dạng vòng ring kép với 2 nút mạng lõi CES kết nối trực tiếp đến hệ thống BRAS/PE cũng được minh họa qua bảng thông số kỹ thuật chi tiết, chứng minh mạng lưới luôn duy trì độ sẵn sàng trên 99,99% ngay cả khi xảy ra sự cố đứt một tuyến cáp ngầm.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả khảo sát và tính toán, 4 nhóm giải pháp chiến lược được đề xuất cho hệ thống mạng viễn thông:

  1. Nâng cấp toàn diện dung lượng đường truyền: Viễn thông Nam Định cần nhanh chóng chuyển đổi các tuyến kết nối liên huyện từ 1 Gbps lên các giao diện 10 Gbps và tích hợp công nghệ ghép bước sóng CWDM/DWDM, hoàn thành mục tiêu nâng tổng dung lượng mạng lõi trong giai đoạn 2011-2015.

  2. Chuẩn hóa chính sách phân luồng chất lượng dịch vụ: Nhóm kỹ sư vận hành mạng cần thiết lập ma trận QoS chi tiết trên thiết bị biên CES, phân chia 8 mức ưu tiên CoS theo chuẩn IEEE 802.1p và triển khai giao thức RSVP-TE nhằm đảm bảo độ trễ truyền dẫn thoại VoIP dưới 20 ms và tỷ lệ mất gói dưới 0,01%.

  3. Mở rộng kiến trúc mạng truy nhập cáp quang FTTx: Tập đoàn VNPT và đơn vị địa phương cần đẩy mạnh thay thế mạng cáp đồng ngoại vi bằng các nút MSAN/IP-DSLAM kết nối quang trực tiếp, phấn đấu phủ kín 100% các khu công nghiệp, cơ quan hành chính và đô thị mới với băng thông tối thiểu 20 Mbps cho mỗi thuê bao.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ quản lý mạng tự động: Lãnh đạo VNPT cần tổ chức các khóa huấn luyện chuyên sâu về giao thức điều khiển GMPLS và hệ thống quản lý tập trung OSS/LMP cho ít nhất 50 kỹ sư, kỹ thuật viên viễn thông nhằm nâng cao năng lực giám sát và xử lý sự cố trong vòng 15 phút.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung nghiên cứu mang giá trị thực tiễn và học thuật cao đối với 4 nhóm đối tượng:

  1. Kỹ sư quy hoạch và thiết kế mạng viễn thông: Vận dụng trực tiếp các công thức tính toán lưu lượng, định cỡ băng thông và mô hình cấu hình thiết bị CES để lập dự án mạng đô thị cho các tỉnh thành khác.

  2. Cán bộ quản lý và vận hành kỹ thuật tại các doanh nghiệp viễn thông: Tham khảo quy trình đấu chuyển mạng từ cấu hình quá độ sang cấu hình mục tiêu, cùng các tiêu chuẩn đo kiểm nghiệm thu chất lượng dịch vụ thực tế của Huawei và Cisco.

  3. Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Toán Tin, Công nghệ Thông tin, Điện tử Viễn thông: Sử dụng tài liệu như một nghiên cứu điển hình về ứng dụng mô hình toán học trong tối ưu hóa mạng máy tính và giao thức chuyển mạch nhãn MPLS/GMPLS.

  4. Chuyên viên tư vấn giải pháp CNTT cho khối chính phủ và doanh nghiệp: Khai thác giải pháp xây dựng mạng riêng ảo Megawan, MetroNet và hệ thống truyền hình hội nghị băng rộng trên nền tảng hạ tầng hội tụ thế hệ mới.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mạng MAN-E đem lại ưu thế kinh tế nổi bật nào so với hạ tầng SDH truyền thống? Mạng MAN-E sử dụng các cổng Ethernet quang có chi phí sản xuất và lắp đặt rẻ hơn khoảng 5 lần so với các card giao tiếp SDH có cùng băng thông. Đồng thời, cơ chế ghép kênh thống kê giúp tận dụng gần như 100% dung lượng sợi quang thay vì phải giữ riêng 50% băng thông dự phòng tĩnh.

  2. Thời gian chuyển mạch bảo vệ dưới 50 ms trong mạng MAN-E đạt được bằng cách nào? Nhờ tích hợp công nghệ RPR ở lớp liên kết dữ liệu kết hợp cơ chế Fast Reroute của giao thức MPLS, hệ thống có thể tự động phát hiện đứt cáp quang hoặc hỏng cổng nút mạng chỉ trong vài mili-giây và chuyển hướng gói tin qua tuyến bảo vệ dự phòng ngay lập tức.

  3. Công nghệ MPLS giữ vai trò gì trong cấu trúc mạng đô thị băng rộng? MPLS đóng vai trò là cầu nối thông minh gán nhãn ngắn cho các gói tin IP, giúp bộ định tuyến chuyển tiếp dữ liệu ở tốc độ đường truyền mà không cần tra cứu bảng định tuyến phức tạp, đồng thời tạo ra các đường hầm bảo mật cho dịch vụ mạng riêng ảo VPN.

  4. Cấu hình mạng MAN-E tại Viễn thông Nam Định được tổ chức theo mô hình nào? Mạng lưới được chia thành 2 cấp: Mạng lõi bao gồm 2 đến 3 nút CES dung lượng cao kết nối ring quang 10 Gbps với hệ thống BRAS/PE, và Mạng truy nhập gồm các vòng ring liên kết 4 đến 6 nút CES phụ trách thu gom lưu lượng từ các trạm BTS và MSAN.

  5. Luận văn giải quyết bài toán đảm bảo chất lượng dịch vụ cho các ứng dụng nhạy cảm như thế nào? Bằng cách áp dụng giao thức phân loại dịch vụ DiffServ và gán 8 mức CoS trên trường thông tin thẻ VLAN IEEE 802.1Q, các luồng lưu lượng nhạy cảm với độ trễ như IPTV và VoIP luôn được ưu tiên đi trước trong hàng đợi chuyển mạch.

Kết luận

Nghiên cứu đã giải quyết trọn vẹn bài toán xây dựng hạ tầng mạng đô thị thế hệ mới qua 5 đóng góp cốt lõi:

  • Hệ thống hóa toàn diện các công nghệ nền tảng cấu thành mạng MAN-E bao gồm RPR, MPLS/GMPLS, WDM và Gigabit Ethernet.
  • Xây dựng phương pháp luận tính toán lưu lượng và định cỡ tài nguyên mạng chuẩn xác cho hệ thống viễn thông cấp tỉnh.
  • Thiết kế thành công cấu trúc mạng MAN-E tối ưu 2 lớp cho Viễn thông Nam Định trong giai đoạn 2011-2015.
  • Đạt được chỉ tiêu kỹ thuật phục hồi sự cố dưới 50 ms và giảm 80% chi phí cổng kết nối phần cứng.
  • Cung cấp tài liệu quy chuẩn cho công tác đo kiểm, nghiệm thu và tích hợp dịch vụ đa phương tiện NGN.

Trong giai đoạn tiếp theo đến năm 2020, hạ tầng mạng cần tiếp tục mở rộng tích hợp công nghệ chuyển mạch toàn quang và tự động hóa điều khiển mạng bằng phần mềm SDN. Các nhà quản lý và kỹ sư mạng hãy tham khảo và ứng dụng ngay mô hình này để nâng cao hiệu quả khai thác tài nguyên viễn thông tại đơn vị.