Báo cáo truy nhập quang [PDF]

Zitiervorschau

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VIỄN THÔNG II 

BÁO CÁO CÔNG NGHỆ TRUY NHẬP QUANG NIÊN KHÓA: 2016-2021 ĐỀ TÀI:

ỨNG DỤNG QOS VÀO CẤP PHÁT VÀ QUẢN LÝ BĂNG THÔNG TRONG MẠNG GPON Nhóm thực hiện:

NHÓM 6

Lớp:

D16CQVT02-N

Giáo viên hướng dẫn: Th.S ĐỖ VĂN VIỆT EM

TP.HCM – Tháng 8 Năm 2020

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VIỄN THÔNG II 

BÁO CÁO CÔNG NGHỆ TRUY NHẬP QUANG NIÊN KHÓA: 2016-2021 ĐỀ TÀI:

ỨNG DỤNG QOS VÀO CẤP PHÁT VÀ QUẢN LÝ BĂNG THÔNG TRONG MẠNG GPON Nhóm thực hiện:

NHÓM 6

Lớp:

D16CQVT02-N

Giáo viên hướng dẫn: Th.S ĐỖ VĂN VIỆT EM

TP.HCM – Tháng 8 Năm 2020

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU.....................................................................................................1 CHƯƠNG I: TÌM HIỂU VỀ MẠNG GPON...................................................2 1.1.

Tổng quan về mạng GPON.......................................................................................2

1.2.

Kiến trúc mạng GPON..............................................................................................4

1.3.

Thông số và ứng dụng của G-PON trong thực tế...................................................9

CHƯƠNG II: QUẢN LÝ VÀ CẤP PHÁT BĂNG THÔNG TRONG MẠNG GPON...................................................................................................13 2.1.

Cấp phát băng thông trong mạng GPON..............................................................13

2.1.1.

Cấp phát băng thông tĩnh (Static Bandwith Allocation)...............................................13

2.1.2.

Cấp phát băng thông động ( Dynamic Bandwith Allocation).......................................14

2.2.

Một số kỹ thuật quản lý lưu lượng trong mạng PON..........................................20

2.2.1.

Fair Queuing................................................................................................................20

2.2.2.

Traffic Shaping và Traffic Policing..............................................................................23

2.3.

Mục đích của việc cấp phát và quản lí băng thông..............................................28

CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG QOS VÀO QUẢN LÝ BĂNG THÔNG TRONG MẠNG GPON...................................................................................32 3.1.

Khái niệm QoS.........................................................................................................32

3.2.

Mô hình IntServ.......................................................................................................34

3.2.1.

Tổng quan về mô hình IntServ.....................................................................................34

3.2.2.

Nguyên lý hoạt động của mô hình IntServ...................................................................34

3.3.

Mô hình DiffServ.....................................................................................................38

3.3.1.

Tổng quan về mô hình DiffServ...................................................................................38

3.3.2.

Nguyên lý hoạt động của mô hình DiffServ.................................................................39

3.4.

Ứng dụng QoS vào quản lý băng thông.................................................................42

LỜI KẾT............................................................................................................45 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………………. 46

DANH MỤC HÌNH ẢNH CHƯƠNG I: TÌM HIỂU VỀ MẠNG GPON Hình 1. 1 Kiến trúc mạng GPON________________________________________________2 Hình 1. 2 Sơ đồ khối chức năng OLT_____________________________________________5 Hình 1. 3 Sơ đồ khối chức năng ONU____________________________________________7 Hình 1. 4 Cấu trúc cơ bản mạng phân phối ODN____________________________________8 Hình 1. 5 Mô hình GPON điển hình_____________________________________________10

CHƯƠNG II: QUẢN LÝ VÀ CẤP PHÁT BĂNG THÔNG TRONG GPO

Hình 2. 1 Phân bố băng thông tĩnh________________________________________13 Hình 2. 2 Mô hình cấp phát băng thông tĩnh_________________________________14 Hình 2. 3 Mô hình DBA trong GPON______________________________________15 Hình 2. 4 Tổng kết hoạt động SR-DBA____________________________________18 Hình 2. 5 Mô hình NSR-DBA____________________________________________19 Hình 2. 6 Nguyên lý hoạt động của Fair Queuing_____________________________21 Hình 2. 7 Ví dụ mô hình mạng minh họa cho Policing và Shaping_______________24 Hình 2. 8 Bảng mô tả việc sử dụng Policing và Shaping_______________________25 Hình 2. 9 Ví dụ về cơ chế hoạt động của router khi sử dụng Traffic Shaping_______26 Hình 2. 10 Tóm tắt về các kỹ thuật quản lý hàng đợi - tắc nghẽn_________________28 CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG QOS VÀO QUẢN LÝ BĂNG THÔN

Hình 3. 1 Mô tả về QoS_________________________________________________33 Hình 3. 2 Mô hình IntServ_______________________________________________34 Hình 3. 3 Ví dụ về mô hình QoS IntServ___________________________________35 Hình 3. 4 Mô hình nguyên lý hoạt động của mô hình IntServ___________________36 Hình 3. 5 Mô hình DiffServ______________________________________________39 Hình 3. 6 So sánh hai mô hình IntServe và DiffServ__________________________41 Hình 3. 7 Xét lưu lượng người dùng trên 1 ONT_____________________________43 Hình 3. 8 Chia lưu lượng thành 3 lớp______________________________________43 Hình 3. 9 Set băng thông cho mỗi user_____________________________________44 Hình 3. 10 Băng thông sau khi áp dụng QoS________________________________44

Trang

LỜI MỞ ĐẦU

Trang 1

CHƯƠNG I: TÌM HIỂU VỀ MẠNG GPON 1.1.

Tổng quan về mạng GPON

GPON (Gigabit Passive Optical Network) định nghĩa theo chuẩn IUT-T G984. GPON được mở rộng từ chuẩn BPON G.983 bằng cách tăng băng thông, nâng hiệu suất băng thông nhờ sử dụng gói lớn, có độ dài thay đổi và tiêu chuẩn hóa quản lý. Thêm nữa, chuẩn cho phép vài sự lựa chọn của tốc độ bít: cho phép băng thông luồng xuống là 2488Mbit/s và băng thông luồng lên là 1244Mbit/s. Phương thức đóng gói GPON-GEM cho phép đóng gói lưu lượng người dùng rất hiệu quả, với sự phân đoạn khung cho phép chất lượng dịch vụ QoS cao hơn phục vụ lưu lượng nhạy cảm như truyền thoại và video. GPON hỗ trợ tốc độ cao hơn, tăng cường bảo mật và chọn lớp 2 giao thức (ATM, GEM, Ethernet tuy nhiên trên thực tế ATM chưa từng được sử dụng). Điều đó cho phép GPON phân phối thêm các dịch vụ tới nhiều thuê bao. Với các ưu điểm trên GPON là hệ thống mạng truy nhập quang thụ động tiên tiến nhất hiện nay, có khả năng hỗ trợ truyền nhiều dịch vụ, với khả năng thiết lập các chế độ vận hành quản lý và bảo dưỡng tốt nhất.

Hình 1. 1 Kiến trúc mạng GPON Trang 2

 Đặc điểm của hệ thống GPON :  GPON hỗ trợ đầy đủ các dịch vụ bao gồm thoại (TDM), các dịch vụ Ethernet như Video, Data….  Phạm vi về mặt vật lý của mạng là 20km, trong khi đó phạm vi về mặt logic của mạng lên tới 60km.  Hỗ trợ cho việc lựa chọn các tốc độ bit khác nhau bao gồm : 155Mb/s, 622Mb/s, 1.25Gb/s, 2.5Gb/s cho luồng lên và 1.25 Gb/s,2.5 Gb/s dành cho luồng xuống.  Khả năng vận hành, khai thác, bảo dưỡng cao.

 Ưu điểm của GPON :  Sử dụng công nghệ băng rộng mới nhất trên thế giới mà các nhà cung cấp dịch vụ đang hướng tới nhằm đáp ứng xu thế nhiều dịch vụ trên một kết nối.  Hỗ trợ đa dịch vụ trên một đường duy nhất với băng thông đến mỗi thuê bao có thể lên đến 2.5 Gbps, đáp ứng hoàn tòan các nhu cầu phát sinh của khách hàng trong tương lai như: VoIP, Video On Demand, IPTV, truyền số liệu, MPLS….  GPON có khả năng cung cấp số lượng thuê bao lớn hơn rất nhiều so với AON ( tùy thuộc vào tỷ lệ chia của splitter quang 1:N).  Sử dụng các thiết bị Splitter không cần cấp nguồn, có giá thành thấp và có thể đặt ở bất kì đâu, không phụ thuộc vào các điều kiện môi trường, không cần phải cung cấp nguồn điện dự phòng cho các thiết bị giữa phòng máy trung tâm và phía người dùng.Do đó, chi phí đầu tư, việc bảo dưỡng, vận hành cũng đơn giản, thuận tiện hơn.  Tiết kiệm chi phí cho thuê bao do nhiều thuê bao cùng chia sẻ chung đường truyền quang (từ OLT tới splitter quang là một đường quang duy nhất). Trang

 Khuyết điểm của GPON :  Nhược điểm lớn nhất của GPON là khó khăn trong nâng cấp băng thông cho thuê bao khi thuê bao có nhu cầu (tùy theo số lượng khách hàng chia sẻ chung và tỷ lệ chia của splitter quang 1:N,băng thông của từng thuê bao được tính trước).  Tính bảo mật không cao (Do mạng GPON là mạng điểm – đa điểm nên ở hướng xuống tất cả các ONU đều có thể nhận được dữ liệu của các ONU khác.Do đó,có thể bị nghe lén nếu không mã hóa dữ liệu).  Khi thiết bị (OLT),tuyến quang ( từ OLT đến splitter quang) bị sự cố,ảnh hưởng tới nhiều khách hàng. Một OLT với tính năng PON thường không thể hoạt động cùng với nhà sản xuất khác,việc chọn thiết bị đầu cuối (ONU/ONT) rất hạn chế, độc quyền. 1.1.

Kiến trúc mạng GPON

Hình 2-1 mô tả cấu hình hệ thống G-PON bao gồm OLT, các ONU, một bộ chia quang và các sợi quang. Sợi quang được kết nối tới các nhánh OLT tại bộ chia quang ra 64 sợi khác và các sợi phân nhánh được kết nối tới ONU. - OLT (Optical Line Terminal): thiết bị kết cuối cáp quang tích cực lắp đặt tại phía nhà cung câp dịch vụ thường được đặt tại các đài trạm. - ONT (Optical Network Terminal): thiết bị kết cuối mạng cáp quang tích cực, kết nối OLT thông qua mạng phân phối quang (ODN) dùng cho trường hợp cung cấp kết nối quang tới nhà thuê bao (FTTH). - ONU (Optical Network Unit): thiết bị kết cuối mạng cáp quang tích cực, kết nối với OLT thông qua mạng phân phối quang (ODN) thường dùng cho trường hợp kết nối tới buiding hoặc tới các vỉa hè, cabin (FTTB, FTTC, FTTCab). Trang

- Bộ chia/ghép quang thụ động (Splitter): Dùng để chia/ghép thụ động tín hiệu quang từ nhà cung câp dịch vụ đến khách hàng và ngược lại giúp tận dụng hiệu quả sợi quang vật lý. Splitter thường được đặt tại các điểm phân phối quang (DP) và các điểm truy nhập quang (AP).  Khối chức năng OLT : OLT cung cấp giao diện quang giữa mạng với ODN, đồng thời cung cấp biện pháp cần thiết để truyền các dịch vụ khác nhau. OLT có thể chia thành dịch vụ chuyển mạch và dịch vụ không chuyển mạch, quản lý báo hiệu và thông tin giám sát điều khiển đến từ ONU. Từ đó cung cấp chức năng bảo dưỡng cho ONU. OLT có thể lắp đặt ở giao diện tổng đài chuyển mạch nội hạt, cũng có thể lắp đặt ở đầu xa. Về mặt vật lý nó có thể là thiết bị độc lập, cũng có thể nằm trong một thiết bị tổng thể khác. OLT gồm đơn vị trung tâm, đơn vị dịch vụ, và đơn vị chung tạo thành, như hình vẽ sau:

Hình 1. 2 Sơ đồ khối chức năng OLT

 Các chức năng của đơn vị dịch vụ: Bộ phận dịch vụ là đầu vào của các dịch vụ ít nhất phải có tốc độ sơ cấp của ISDN và có thể cung cấp ít nhất một dịch vụ hoặc đồng thời có thể đảm nhận từ hai loại dịch vụ khác nhau trở lên. Trang

 Các chức năng của đơn vị trung tâm: bao gồm 3 chức năng chính: - Chức năng nối chéo số: Cung cấp nối chéo giữa mạng với ODN trong độ rộng băng tần có thể sử dụng. -

Chức năng ghép kênh truyền dẫn: Cung cấp đường truyền cho dich vụ thu và phát trong ODN.

-

Chức năng giao diện ODN: Chức năng này căn cứ vào các loại sợi quang của ODN để cung cấp các giao diện vật lý, đồng thời thực hiện biến đổi điện/quang và quang/điện.

 Các chức năng của đơn vị chung: - Chức năng cấp điện: Chuyển đổi nguồn điện cung cấp từ bên ngoài thành trị số điện yêu cầu của nội bộ. - Chức năng OAM (Operation, Administration, Maintenance): Thông qua giao diện tương ứng, thực hiện sự vận hành, quản lý và bảo dưỡng (OAM) đối với tất cả các khối chức năng và nối với quản lý mạng lớp trên.  Khối mạng quang ONU: Khối mạng quang ONU ở giữa ODN với thuê bao. Phía mạng của ONU có giao diện quang, phía thuê bao là giao diện điện, do đó cần có chức năng biến đổi quang/điện. Đồng thời có thể thực hiện chức năng xử lý và quản lý bảo dưỡng tín hiệu điện. ONU có thể đặt ở phía khách hàng, bao gồm các đơn vị trung tâm, đơn vị dịch vụ và đơn vị chung.

Trang

Hình 1. 3 Sơ đồ khối chức năng ONU

 Các chức năng của đơn vị trung tâm: - Giao diện ODN: Cung cấp một loạt giao diện quang vật lý, nối với ODN đồng thời hoàn thành việc biến đổi quang/điện và điện/quang. - Chức năng ghép kênh truyền dẫn: Xử lý và phân phối thông tin. - Chức năng ghép kênh thuê bao và dịch vụ: Tập hợp và phân phối các thông tin từ/đến các thuê bao khác nhau.  Các chức năng của đơn vị chung: Cấp điện và OAM, tính chất chức năng bộ phận chung giống như trong OLT.  Chức năng của đơn vị dịch vụ: Cung cấp chức năng của thuê bao, bao gồm phối hợp nx64 kbps và chuyển đổi báo hiệu…  Khối mạng phân phối ODN : Mạng ODN cung cấp các kênh truyền dẫn quang vật lý giữa OLT và ONT. Bao gồm cáp sợi quang, đầu nối quang, thiết bị chia/ghép tín hiệu quang (Splitter) và các thiết bị  phụ kiện.

Trang

Hình 1. 4 Cấu trúc cơ bản mạng phân phối ODN

Như vậy, mạng ODN bao gồm các phần cơ bản sau:  Cáp quang gốc: xuất phát từ giá đấu nối quang (ODF) đặt trong nhà trạm đến điểm phân phối/rẽ nhánh quang (Distribution Point - DP).  Điểm phân phối sợi quang (DP): là điểm kết thúc của đoạn cáp gốc.Trên thực tế triển khai,điểm phân phối sợi quang thường được gọi là măng xông quang hoặc là các tủ cáp quang phối , ưu tiên dùng măng xông quang.  Cáp quang phối: xuất phát từ điểm phân phối/rẽ nhánh (DP) đến các điểm truy nhập quang gần nhà thuê bao (Access Point - AP).  Điểm truy cập mạng (AP) : là điểm kết cuối của các đoạn cáp quang phối. Trên thực tế triển khai , điểm truy cập mạng thường là các tập điểm quang  Cáp quang thuê bao: xuất phát từ điểm truy nhập AP hoặc điểm phân phối/rẽ nhánh DP đến vị trí đấu nối quang trong nhà thuê bao (ATB/Outlet - Access Teminal Box).  Thiết bị chia ghép tín hiệu quang (Splitter): đặt tại các điểm phân phối/rẽ nhánh quang (DP) và điểm truy nhập quang (AP).  Hệ thống quản lý mạng quang ( FMS Fiber Management System): được sử dụng để bảo dưỡng và xử lý sự cố .

Trang

 Điểm quản lý quang ( FMP –Fiber Management Point) : dễ dàng cho xử lý sự cố và phát hiện đứt đường.

1.2.

Thông số và ứng dụng của G-PON trong thực tế

 Thông số  Tốc độ dữ liệu: 1,244/2,488 Gbit/s hướng xuống và 0,155/0,622/1,244/ 2,488 Gbit/s hướng lên  Bước sóng: 1260 - 1360nm đường lên; 1480 - 1500nm đường xuống  Đa truy nhập hướng lên: TDMA  Cấp phát băng thông động DBA (Dynamic Bandwith Allocation)  Loại lưu lượng: dữ liệu số  Khung truyền dẫn: GEM  Dịch vụ: hỗ trợ đầy đủ các dịch vụ hiện có (Ethernet, TDM, POTS, …)  Tỷ lệ chia của bộ chia thụ động: tối đa 1:128  Giá trị tỷ lệ bit lỗi (BER) lớn nhất: 10-12  Phạm vi công suất sử dụng luồng xuống: -3 đến 2dBm (10Km ODN) hoặc 2 đến 7dBm (20Km ODN)  Phạm vi công suất sử dụng luồng lên: -1 đến 4 dBm (10 Km và 20Km ODN)  Loại cáp: Tiêu chuẩn ITU-T Rec. G.652  Suy hao tối đa giữa các ONU:15 dB  Cự ly cáp tối đa: 20 Km với lade DFB luồng lên, 10 Km với Fabry-Perot  Khả năng cung cấp dịch vụ  Khoảng cách OLT – ONU: Giới hạn cự ly của công nghệ GPON hiện tại được quy ước trong khoảng 20 km với hệ số chia tách/ghép quang lên tới 1:128 (hiện tại thường sử dụng tỷ lệ 1:32).

Trang

 Chi phí trên mỗi khách hang: Hiện tại giá thiết bị GPON còn tương đối cao. Tuy nhiên với việc xuất hiện các bộ tách/ghép quang có hệ số tách/ghép quang lớn sẽ giúp giảm chi phí trên mỗi khách hàng. Ngoài ra khi lưu lượng sử dụng lớn thì chi phí trên mỗi Mbps sẽ rẻ hơn so với công nghệ GEPON.  Khả năng hỗ trợ cấu trúc xếp chồng CATV: GPON có khả năng hỗ trợ cấu trúc mạng xếp chồng dịch vụ CATV, đáp ứng được đòi hỏi cho dịch vụ hướng xuống tốc độ cao. Các hệ thống này đều sử dụng bước sóng 1490 nm hướng xuống và 1310 nm hướng lên, bước sóng 1550 nm được dành riêng cho CATV.  Đặc điểm dịch vụ : GPON được triển khai để đáp ứng tỷ lệ dung lượng dịch vụ/chi phí khi so sánh với mạng cáp đồng/DSL và mạng HFC có dung lượng nhỏ và các mạng SDH/SONET cũng như giải pháp quang Ethernet điểm – điểm có chi phí cao. Vì vậy nó phù hợp với các hộ gia đình, doanh nghiệp vừa và nhỏ, chính phủ và các cơ quan công sở. - Các dịch vụ dành cho hộ gia đình - Dành cho doanh nghiệp vừa và nhỏ - Dành cho Chính phủ, Giáo dục và Y tế

Trang

Cơ quan chính phủTrường học

Mạng IP

CO

Mạng ATM Mạng TDM

Bệnh viện Bộ chia

OLT Khu biệt thự Hộ gia đình

Khu công nghiệp

Doanh nghiệp

Hình 1. 5 Mô hình GPON điển hình

 Các ứng dụng cơ bản  GPON được ứng dụng trong các mạng truy nhập quang FTTx để cung cấp các dịch vụ như IPTV, VoD, RF Video (chồng lấn), Internet tốc độ cao, VoIP, Voice TDM với tốc độ dữ liệu/thuê bao có thể đạt 1000 Mbps, hỗ trợ QoS đầy đủ.  Thông tin liên lạc – Các đường thoại, thông tin liên lạc, Truy cập internet, intranet tốc độ cao, Truy cập internet không dây tại những địa điểm công cộng, Đường băng thông lớn (BPLL) và làm backhaul cho mạng không dây  Bảo mật - Camera, Báo cháy, báo đột nhập, Báo động an ninh, trung tâm điều khiển 24/7 với khả năng giám sát, backup dữ liệu, SANs  Giải trí - CATV, HDTV, PPV, PDVR, IPTV – Hệ thống đường lên Video hoàn thiện cho modem DOCSIS và dịch vụ Video tương tác, truyền hình vệ tinh; tất cả các dịch vụ trên cáp quang GEPON  Nhà thông minh, Giám sát trong nhà & BMS –Nước, điện và giám sát xử lý chất thải, khám sức khỏe tại nhà, điều khiển đèn từ xa, điều khiển từ xa các thiết bị tự động trong nhà.  Khả năng cung cấp băng thông Trang

 Downlink - Tốc độ hướng xuống GPON = 2,488 Mbit/s × hiệu suất 92% = 2289 Mbit/s. - Trong ứng dụng nhiều nhóm người sử dụng (MDU: multiple-dwellingunit), với tỷ lệ chia là 1:32, GPON có thể cung cấp dịch vụ cơ bản bao gồm truy cập Internet tốc độ cao (100 Mbit/s trên mỗi thuê bao với tỷ lệ dùng chung 20:1) và Voice (tốc độ 100 Kbit/s) đến 32 ONU, mỗi ONU cung cấp cho 8 thuê bao.  Uplink - Tiêu chuẩn này ngoài việc đưa ra bộ các yêu cầu về hệ thống mạng còn đưa ra bộ các yêu cầu QoS riêng cho lớp PON vượt ra ngoài các phương thức Ethernet lớp 2 và phân loại dịch vụ (CoS) IP lớp 3 để đảm bảo việc phân phát các dịch vụ thoại, video và TDM chất lượng cao qua môi trường chia sẻ trên nền TDMA. - Tuy nhiên, các cơ chế CoS ở lớp 2 và lớp 3 chỉ có thể đạt mức tối đa là QoS ở lớp truyền tải. Nếu lớp truyền tải có độ trễ và dung sai lớn thì việc phân chia mức ưu tiên dịch vụ không còn ý nghĩa. Đối với TDMA PON, việc dung lượng cung cấp QoS hướng lên sẽ bị hạn chế khi tất cả các ONT của PON sử dụng hết băng thông hướng lên và ưu tiên của nó trong TDMA. GPON sử dụng băng thông ngoài băng để cấp phát bản đồ với khái niệm khối lưu lượng (T-CONT) cho hướng lên. Khung thời gian hướng lên và hướng xuống sử dụng khung tiêu chuẩn viễn thông 8 kHz, và các dịch vụ được đóng gói vào các khung theo nguyên bản của nó thông qua quá trình mô hình đóng gói GPON (GEM). Giống như trong SONET/SDH, GPON cung cấp khả năng chuyển mạch bảo vệ với thời gian nhỏ hơn 50 ms.

Trang

Điều cơ bản làm cho GPON có trễ thấp là có nhiều lưu lượng hướng lên TDMA từ nhiều ONU được ghép vào cùng một khung 8 KHz (125 µs). Mỗi khung hướng xuống bao gồm một bản đồ cấp phát băng thông hiệu quả được gửi quảng bá đến tất cả các ONU và có thể hỗ trợ tính năng tinh chỉnh cấp phát băng thông. Cơ chế ngoài băng này cho phép GPON DBA hỗ trợ việc điều chỉnh cấp phát băng thông nhiều lần mà không cần phải sắp xếp lại để tối ưu hóa tận dụng băng thông.  Băng thông - Công nghệ GPON hỗ trợ 2,5 Gbit/s hướng xuống, và hướng lên 155 Mbit/s - Hiệu suất băng thông đạt lớn hơn 90%.

Trang

CHƯƠNG II: QUẢN LÝ VÀ CẤP PHÁT BĂNG THÔNG TRONG MẠNG GPON. 1.1.

Cấp phát băng thông trong mạng GPON

1.2.1.

Cấp phát băng thông tĩnh (Static Bandwith Allocation).

Các thế hệ trước của mạng PON sử dụng cấp phát băng thông tĩnh. Với SBA, băngnthông và trễ là ổn định, phương pháp này không hiệu quả vì băng thông vẫn được sử dụng ngay cả khi không có lưu lượng luồng lên. Mỗi ONU được phân bổ một khoảng băng thông xác định trước. Băng thông được sử dụng nếu tất cả dịch vụ trong mạng yêu cầu băng thông cố định như VoIP hoặc TDM, hoặc khi băng thông luồng lên dự phòng thấp. Chỉ cần lưu lượng ONU truy cập luôn ở tốc độ cố định, hiệu quả sử dụng luồng lên tốt. Vấn đề xuất hiện khe thời gian của ONU-B và ONU-C nhàn rỗi như trong hình 2.1 dưới đây, khi đó không được phân bổ cho các ONU khác trong mạng, dẫn tới tổng băng thông được sử dụng của luồng lên giảm.

Hình 2. 1 Phân bố băng thông tĩnh

Chỉ cần mạng không tắc nghẽn, và tổng băng thông luồng lên được yêu cầu để hỗ trợ mọi ONU ở mọi thời điểm nhỏ hơn 1.244Gbps, kênh luồng lên có băng thông hữu dụng đủ để phục vụ tất cả ONU mà không phải xếp hàng. Nếu băng thông không được dùng có thể phân bổ cho các ONU khác, nó có thể đáp ứng dịch vụ bùng phát, cải thiện người dùng và mức dịch vụ, và giảm nguy cơ tắc nghẽn tại hàng đợi ở các ONU. Trang

Hình 2. 2 Mô hình cấp phát băng thông tĩnh

1.2.2.

Cấp phát băng thông động ( Dynamic Bandwith Allocation).

Dynamic Bandwidth Allocation(DBA) trong mạng GPON là quá trình OLT tái phân bổ băng thông truyền lên của các ONU dựa trên trạng thái hoạt động và các thỏa thuận lưu lượng. Trạng thái hoạt động có thể được thông báo tường minh qua các báo cáo trạng thái bộ đệm hoặc không tường minh bằng cách truyền các khung idle GEM khi ONU đến lượt truyền. Dựa vào các báo cáo đó OLT sẽ phân bổ băng thông và các time slot hợp lý đến các ONU.  Lợi ích của DBA  Mạng có thể hoạt động với số lượng thuê bao lớn hơn do hiệu suất sử dụng băng thông tăng.  Các thuê bao có thể hưởng các dịch vụ gia tăng, như là yêu cầu băng thông thay đổi với đỉnh băng thông vượt qua mức băng thông có thể phân bổ trong kiểu phân bổ tĩnh. Trong G-PON, thực thể nhận của phân bổ băng thông luồng lên được đặc trưng bởi một allocation ID (Alloc-ID). Bất chấp số lượng Alloc-ID đã phân bổ tới mỗi ONU, số lượng các cổng GEM được ghép trên mỗi Alloc-ID, và cả cấu trúc hàng đợi vật lý và logic được thiết lập bởi ONU, lưu lượng tổng sẽ được Trang

OLT kết hợp với mỗi AllocID như là một bộ đệm logic và sử dụng cho mục đích phân phối băng thông, nó sẽ xem xét tất cả Alloc-ID được định danh trên mỗi ONU như các là thực thể ngang hàng có cùng một cấp độ trong cấu trúc logic để phân chia băng thông:

Hình 2. 3 Mô hình DBA trong GPON

Với mỗi bộ đệm logic Alloc-ID, module chức năng DBA của OLT sẽ suy luận, tính toán từ lượng thông mà hiện tại nó có thể cung cấp cũng như thu thập các bản tin thông báo trạng thái hoặc bằng cách quan sát các phần tử trống trong lượng dữ liệu upstream. Nhờ đó, nó cung cấp đầu vào cho bộ phận lập lịch trong OLT, bộ phận này sẽ chịu trách nhiệm tính toán băng thông phân chia cho các ONU và tạo ra các Bandwidth map. Các Bandwidth map được truyền thông đến các ONU trong phần mào đầu của bản tin hướng xuống.  Các yêu cầu chức năng DBA Cập nhật băng thông động trong GPON bao gồm năm chức năng. Các chức năng này sẽ được áp dụng dựa trên các mức với các Alloc-ID riêng biệt, được

Trang

định danh cho các T-CONT và thực hiện cung cấp các thông số cho việc ấn định băng thông. Các chức năng này bao gồm:  Phát hiện trạng thái tắc nghẽn do OLT và/hoặc ONU thực hiện.  Báo cáo trạng thái tắc nghẽn tới OLT.  Cập nhật băng tần đã cấp phát bởi OLT theo các tham số được cung cấp.  OLT thực hiện cấp quyên theo băng tần đã được cập nhật và theo loại TCONT.  Quản lý đối với hoạt động DBA. DBA cung cấp các tính năng bảo đảm cho QoS dưới dạng các loại T-CONT và trong GPON, bắt buộc OLT phải hỗ trợ DBA.  Các phương pháp DBA Tùy thuộc cơ cấu phân tích tình trạng bộ đệm, DBA trong GPON sẽ bao gồm hai phương pháp DBA là: DBA báo cáo trạng thái (SR-DBA) và DBA không báo cáo trạng thái (NSR-DBA) trong mỗi T-CONT. Chức năng báo DBA là tùy chọn đối với ONU. Còn các OLT bắt buộc phải hỗ trợ cả chế độ báo cáo và không báo cáo, do vậy tất cả các ONU được cung cấp các mức độ đối với chức năng DBA. Các chế độ này được thể hiện bằng tình huống dịch vụ và khả năng ONU được cho trong bảng dưới đây:

Hoạt động của mỗi chế độ được tổng kết như sau:  SR-DBA Để báo cáo trạng thái tắc nghẽn của T-CONT, khi một T-CONT gửi dữ liệu ở đường lên từ ONU tới OLT, số lượng tế bào (với ATM) hay khối tin (với GEM) trong bộ đệm T-CONT được thiết lập trong trường DBA của báo cáo Trang

băng tần đường lên DBRu. Nếu như OLT không muốn cho phép truyền dữ liệu cho T-CONT, OLT có thể cấp thời gian riêng cho báo cáo DBRu đó. Tuy nhiên, có thể có trường hợp OLT nhận được báo cáo nhưng nó không áp dụng báo cáo đó đối với việc cập nhật băng thông. Mặt khác, nếu một T-CONT không thể báo cáo số tế bào hay gói tin được lưu trữ trong bộ đệm, nó sẽ gửi tới OLT một mã số không có giá trị trong trường DBA. Sau khi OLT nhận báo cáo trạng thái DBA, nó sẽ tính toán lại bộ nhớ băng thông thông qua thuật toán DBA và gửi bộ nhớ băng thông mới đến tất cả các ONU trên các bản tin của hướng xuống. ONU nhận bộ nhớ băng thông từ OLT và gửi các dữ liệu của mình trong các khe thời gian mà OLT đã chỉ định. Khi một ONU không có thông tin để gửi, trong khi đó vẫn nhận được sự cấp phát băng thông từ OLT thì nó sẽ gửi một cell rỗi để thông báo rằng bộ đệm của nó đang trống. Lúc đó, băng thông đã được cấp phát của OLT dành cho T-CONT đó có thể được dùng để cấp phát cho các T-CONT khác. Nếu một ONU có một hàng đợi dài trong bộ đệm của nó thì OLT sẽ cấp phát nhiều băng thông hơn dành cho T-CONT của ONU đó. Hình… tổng kết các hoạt động DBA. Trong chế độ SR, việc truyền trường tin DBA trong DBRu là bắt buộc nếu OLT yêu cầu, vì nếu thiếu trường DBA, khuôn dạng của dữ liệu đường lên là không được nhận ra.

Trang

Hình 2. 4 Tổng kết hoạt động SR-DBA

 NSR-DBA Trong chế độ NSR, OLT nhận dạng tắc nghẽn của từng T-CONT bằng cách giám sát dòng lưu lượng đến. Trong chế độ này, OLT cấp phát 1 số lượng băng thông đến mỗi ONU. Nếu ONU không có lưu lượng để gửi thì nó sẽ truyền đi một khung rỗi (chứa toàn các bit 0). Nếu như OLT quan sát thấy một ONU không gửi đi khung rỗi nào thì nó sẽ tăng giá trị băng thông cấp phát đến cho ONU đó. Còn nếu như ONU đó bắt đầu gửi đi các khung rỗi thì nó sẽ giảm bớt giá trị băng thông cấp phát đến các ONU đó sao cho cân bằng và phù hợp tổng dung lượng cấp cho đường lên. Trong chế độ này, trường DBA trong DBRu không được gửi đi do OLT không yêu cầu. Trong tình huống ngoại lệ khi OLT yêu cầu DBRu thì ONU phải gửi bản tin này đi mặc dù nội dung thông tin sẽ bị OLT bỏ qua.  So sánh hai thuật toán SR và NSR Cả hai phương pháp DBA là SR và NSR, OLT đều theo dõi trạng thái hoạt động trong hàng đợi của mỗi TTrang

CONT và ngay lập tức cập tính toán để cập nhật kích cỡ và số lượng phân bổ cho hướng lên trong khoảng thời gian grant của vòng lặp DBA. Thông tin thu được trở thành đầu vào của bộ lập lịch, do đó phân bố truyền tải một cách đúng đắn. Với phương pháp NSR ưu điểm mà ta dễ nhận ra là đó là ở chỗ các ONU không cần phải biết đến DBA. Nhờ vậy cấu trúc cũng như độ phức tạp của hệ thống sẽ được giảm nhẹ, đồng thời tránh được việc sử dụng băng tần thông luồng lên để dùng cho việc báo cáo trạng thái như phương pháp SR. So với phương pháp NSR, với SR thì ONU báo cáo trạng thái bộ đệm tới OLT. Lúc này OLT sẽ sử dụng các thông tin từ báo cáo này kết hợp với các thuật toán DBA của mình để quyết định phân bổ băng thông phù hợp cho tới từng ONU. Như thế OLT sẽ mất nhiều thời gian hơn để xử lý dữ liệu, đồng thời cũng sẽ hao tổn băng thông để dùng cho báo cáo trạng thái của bộ đệm. Ưu điểm ở đây là băng thông phân bổ cho luồng lên sẽ hợp lý và đạt tính hiệu quả cao nhất. Ta có thể tổng kết các bước hoạt động của DBA như hình bên dưới:

Hình 2. 5 Mô hình NSR-DBA

Các bước hoạt động bao gồm: - ONU lưu dữ liệu cho lưu lượng hướng lên được nhận từ người dùng vào bộ đệm.

Trang

- Khối dữ liệu chứa trong bộ đệm được báo cáo tới OLT như môt yêu cầu được quy định bởi OLT ( đối với NSR-DBA thì OLT sẽ tự giám sát lưu lượng hướng lên mà không cần phải báo cáo). - OLT chỉ định thời gian bắt đầu truyền dẫn và khoảng thời gian truyền cho phép (cửa sổ truyền dẫn) tới ONU như một sự cấp phép. - ONU chờ đợi đến khe thời gian được cấp và truyền khối dữ liệu đến OLT. Về khía cạnh quản lý, để hoạt động cơ chế DBA có một số thông số cần được cung cấp và thỏa thuận bởi các chức năng quản lý, OLT và ONU sử dụng các chức năng quản lý để thỏa thuận về chế độ hoạt động DBA, và đáp lại thích hợp với các yêu cầu của 2 bên. Tất cả các thông số DBA sẽ được cung cấp và thỏa thuận bởi giao diện điều khiển quản lý ONU của GPON (GPON OMCI). OLT nên hỗ trợ sự kết hợp cả NSR và SR DBA và có khả năng hoạt động với mạng PON có cả SR và NSR ONU. 1.3.

Một số kỹ thuật quản lý lưu lượng trong mạng PON.

1.3.1.

Fair Queuing

Fair Queuing là kỹ thuật cơ bản của quản lý lưu lượng. Mục đích: Fair Queuing giúp phân bổ băng thông công bằng nhất có thể. Nguyên tắc:

Trang

Hình 2. 6 Nguyên lý hoạt động của Fair Queuing

Các gói tin đầu vào được phân loại và nhập vào hàng đợi riêng biệt. Phân loại tách các gói đến các nhóm mà sẽ được phân bổ băng thông đầu ra công bằng. Ví dụ, khi các gói dữ liệu được phân loại dựa trên địa chỉ thiết bị đầu cuối, băng thông đầu ra là công bằng phân bổ cho từng thiết bị đầu cuối với một địa chỉ khác nhau. Trong trường hợp này, số lượng các hàng đợi và số lượng thiết bị đầu cuối phải phù hợp. Trong trường hợp của DBA để kiểm soát liên ONU, các gói tin đầu vào được phân loại theo người sử dụng và phân phối cho các hàng đợi tương ứng. Đương nhiên, số lượng các hàng đợi và số lượng người dùng phải phù hợp. Về phía lối ra của hàng đợi, lên lịch và đọc hàng đợi trong khoảng cách luân chuyển và kết quả đầu ra các gói tin từ mỗi hàng đợi để đạt được sự công bằng. Thậm chí nếu người dùng truyền một lượng lớn lưu lượng truy cập so với những người dùng khác, lưu lượng truy cập của mình là hướng vào một hàng đợi riêng biệt theo phân loại tại đầu vào. Điều này làm cho nó có thể để thiết kế thời gian chờ đợi tối đa cho đầu ra. Tóm lại, thời gian trễ tối đa trong điều kiện

Trang

tồi tệ nhất sẽ xảy ra khi các gói dữ liệu tối đa chiều dài được lưu trữ trong tất cả các hàng đợi. Trong bài tập này, nó là hoạt động của lịch nắm giữ chìa khóa để công bằng. Sau đây là tổng quan về xếp hàng đặc trưng trong công bằng (còn gọi là chia sẻ bộ vi xử lý nói chung) hoạt động của lịch: Thiết lập một trọng lượng Wi [bit] trong mỗi hàng đợi nơi'' i'' đại diện cho số hàng đợi. Thực hiện những vòng luân chuyển lịch trình đó đi xung quanh mỗi hàng đợi theo tuần tự. Mỗi hàng đợi được chọn để nhận Wi bit hầu như trong một lần lặp của việc luân chuyển vòng. Khi số tích lũy của một danh sách các bit để truyền vượt quá đầu của danh sách các gói đường dài, tức là khi một gói tin đầy đủ đã được lưu trữ trong hàng đợi, xếp hàng đổ mà gói tin và làm giảm chiều dài gói từ. Bỏ qua các vòng tròn rỗng cho hàng đợi mà chưa hoàn toàn lưu trữ một gói tin. Đây là một ví dụ đơn giản cho thấy cách lịch này hoạt động. Đầu tiên, chúng tôi giả định rằng W1 và W2 là 2 và 1, và hàng đợi đầu tiên được nhận 3000 gói bit và các gói hàng đợi 1000 bit thứ hai. Ở đây, chúng ta bỏ qua lời mở đầu và interframe khoảng trống của Ethernet để đơn giản hóa việc giải thích. Ban đầu, S1 = 2 và S2= 1. - Các vòng tròn ảo được lặp 1000 lần, kết quả là S1= 2002 và S2 = 1001. Các gói 1000 bit đầu tiên sau đó được truyền từ hàng đợi thứ hai. Điều này làm giảm S2 tới 1. - Các vòng tròn ảo được lặp hơn 500 lần, kết quả là S1 = 3002 và S2 = 501. Các gói 3000bit đầu tiên sau đó được truyền từ hàng đợi đầu tiên. Điều này làm giảm S1 tới 2. Trang

- Các vòng tròn ảo được lặp hơn 500 lần, kết quả là S1 = 1002 và S2 = 1001. Các gói 1000bit thứ hai được truyền từ hàng đợi thứ hai. Điều này làm giảm S2 trở lại 1. - Các vòng tròn ảo được lặp hơn 1000 lần, kết quả là S1= 3002 và S2 = 1001. Các gói 3000 bit thứ hai được truyền từ hàng đợi đầu tiên. Điều này làm giảm S1 trở lại 2. Trong phiên này, các gói tin 1000-bit tiếp theo được truyền từ hàng đợi thứ hai và S2 được giảm xuống 1. - Các hoạt động từ được lặp đi lặp lại cho đến khi không còn lưu lượng đầu vào. Trong đó, đầu ra là 6000 bit từ hàng đợi đầu tiên và 3000 bit từ hàng đợi thứ hai, chỉ ra rằng băng thông được phân bổ theo tỷ lệ . Như chúng ta có thể thấy rõ từ ví dụ này, chúng ta có thể phân chia băng thông khá bất kể độ dài gói tin. Nói cách khác, đảm bảo băng thông tối thiểu cho hàng đợi thứ j có thể được xác định bằng: Với Output transmission là tốc độ truyền ở đầu ra. Ngoài ra, chúng ta có thể thấy từ ví dụ rằng sự chậm trễ phát sinh trên các gói dữ liệu ngắn từ hàng đợi thứ hai cũng giảm. Bây giờ, khi chúng ta áp dụng các kỹ thuật Fair Queuing để truyền từ thượng nguồn của một hệ thống PON, hàng đợi tương ứng với ONUs cá nhân và lịch trình tương ứng với DBA tại OLT. Tuy nhiên, trong trường hợp này, sẽ có những hạn chế sau đây: Chỉ có thông tin hạn chế lây truyền từ các Modem có thể được xác định bởi các DBA. Hơn nữa, do sự tách biệt giữa ONU và OLT, thông tin đó không phải là thời gian thực và là hơi chậm. 1.3.2.

Traffic Shaping và Traffic Policing

Trang

Traffic Shaping (TS) và Traffic Policing (TP) là một phần quan trọng của chất lượng dịch vụ QoS. TS và TP dùng để đo tốc độ truyền hoặc nhận dữ liệu. TS là công cụ điều hòa lưu lượng, giúp cho các gói tin được gửi theo đúng tốc độ đã cấu hình. Nói cách khác, khi gói tin đi ra khỏi router thì tốc độ truyền tổng thể của gói tin này không vượt qua một giới hạn đã định nghĩa. Để đảm bảo tốc độ truyền của các gói tin không vượt qua giới hạn đã định nghĩa, TS làm giảm tốc độ của các gói tin này bằng cách đưa chúng vào các hàng đợi điều hòa (các hàng đợi này khác với các hàng đợi mềm trên các cổng của router). Sau đó, router mới tiếp tục gửi các gói tin trên theo đúng tốc độ đã định nghĩa.  TP là công cụ khống chế lưu lượng. TS đo tốc độ truyền của gói khi gói tin vào và ra một cổng của router. Nếu tốc độ truyền vượt quá tốc độ đã cấu hình, router sẽ loại bỏ đủ số lượng gói tin sao cho tốc độ đã cấu hình không bị vượt qua. Hoặc router cũng có thể đánh dấu các gói tin sao cho các gói tin này có thể bị loại bỏ về sau. Ví dụ, ISP cung cấp dịch vụ và cho khách hàng có thể gửi các gói tin với một tốc độ x (tốc độ cam kết giữa ISP và khách hàng). Tuy nhiên, nếu khách hàng gửi các gói tin với tốc độ 10x thì TP sẽ làm rớt các gói tin đó.  TS ngăn chặn khách hàng sử dụng vượt quá bandwidth cho đã thõa thuận (kể cả trong trường hợp ISP vẫn đủ khả năng quản lý những lưu lượng này).

Hình 2. 7 Ví dụ mô hình mạng minh họa cho Policing và Shaping Trang

Trong các biên mạng trên thì đều có một sự thõa thuận về tốc độ truyền dữ liệu giữa công ty A với dịch vụ Frame Relay và ISP. R2 sử dụng đường truyền 1.544Mbps (T1) và R1 sử dụng đường truyền 128Kbps tới mạng Frame Relay (FRS2 và FRS1). Tuy nhiên, tốc độ CIR giữa R1 và R2 có thể chỉ là 64Kbps. Điều tương tự khi R3 kết nối với ISP bằng đường fastEthernet (100Mbps). Trong khi đó, ISP chỉ cung cấp đường truyền 2Mbps theo thõa thuận. R1, R2, R3 sẽ gửi dữ liệu ra một cổng với tốc độ lần lượt là 128Kbps, 1.544Mbps, 100Mbps (đúng với tốc độ vật lý). Do đó, việc gửi các gói tin vượt quá tốc độ cho phép xảy ra. Lúc này, có thể sẽ làm tăng độ delay và packet loss. TS và TP sẽ giúp ngăn chặn các hiện tượng nêu trên. Việc sử dụng TS và TP được thể hiện cụ thể trong bảng sau:

Hình 2. 8 Bảng mô tả việc sử dụng Policing và Shaping

Mục đích của Traffic Shaping (TS) là làm giảm tốc độ truyền các gói tin. Để làm giảm tốc độ này, router sẽ làm việc luân phiên giữa 2 trạng thái. Đó là trạng thái truyền gói tin và trạng thái giữ gói tin trong hàng đợi. Ví dụ, tốc độ vật lý để truyền các gói tin là 128Kbps, nhưng tốc độ Trang

CIR (tốc độ truyền dữ liệu được cam kết bởi nhà cung cấp dịch vụ) chỉ là 64Kbps. Để quản lý việc truyền gói tin theo đúng tốc độ cho phép thì router phải thực hiện trạng thái truyền gói tin trong nữa khoảng thời gian đầu và chuyển sang trạng thái giữ gói tin trong hàng đợi ở nữa thời gian còn lại. Trạng thái truyền gói tin và trạng thái giữ gói tin trong hàng đợi diễn ra liên tiếp nhau tạo thành các chu kỳ liên tục. TS điều hòa lưu lượng dựa theo chu kỳ được gọi là Tc (tính bằng ms). Chu kỳ Tc là tổng thời gian của 2 trạng thái truyền gói tin và giữ gói tin trong hàng đợi. Ví dụ, nếu cấu hình Tc là 100ms thì router thực hiện trạng thái truyền gói tin trong 50ms và thực hiện trạng thái giữ gói tin trong hàng đợi trong 50ms còn lại. Router có thể tính toán được số bit dữ liệu có thể gửi đi trong mỗi chu kỳ Tc dựa trên tốc độ truyền dữ liệu cho phép. Lượng bit dữ liệu này được gọi là Bc. Ví dụ, với Tc là 100ms và tốc độ truyền dữ liệu cho phép là 64Kbps thì Bc là 6400 bits (0.1 giây * 64000bps). Công thức tổng quát như sau: Bc (bit) = Tc (ms) * CIR (bps) Ví dụ cụ thể về cơ chế hoạt động của router khi sử dụng Traffic Shaping được thể hiện trong hình sau đây:

Trang

Hình 2. 9 Ví dụ về cơ chế hoạt động của router khi sử dụng Traffic Shaping

Theo hình trên, chu kỳ Tc là 125ms, các gói tin được truyền trong khoảng thời gian là 62.5ms và sau đó 62.5ms các gói tin được giữ trong hàng đợi. Với tốc độ cho phép là 64Kbps (64000bps) thì Bc là 8000 bits (0.125 giây * 64000bps). Vậy trong 1 giây (1000ms) có 8 chu kỳ Tc diễn ra. Nói cách khác, trong 1 giây có 64000 bits (8000*8) được truyền đi. Trong ví dụ trên, việc gửi các gói tin được diễn ra liên tục. Nếu sau một thời gian một cổng của router không gửi gói tin hoặc gửi gói tin với tốc độ thấp hơn tốc độ CIR thì router có thể sẽ gửi với một lượng bit dữ liệu lớn hơn Bc. Lượng dữ liệu này là dữ liệu bùng nổ hay được gọi là Be. Do đó, để hiểu rõ cơ chế hoạt động của Traffic Shaping thì cần phải chú ý đến những khái niệm về CIR, Tc, Bc, Be.

1.3.3.

Một số kỹ thuật hang đợi

Hàng đợi cung cấp khả năng quản lý lại các gói tin khi tắc nghẽn xảy ra. Sử dụng đúng kỹ thuật hàng đợi là điều cần thiết cho một yêu cầu cụ thể khi thực hiện QoS. Để so sánh các kỹ thuật hàng đợi dựa vào các yếu tố sau:  Khả năng phân loại. Trang

 Số hàng đợi tối đa (có thể gọi là số class tối đa). Phải phân biệt bao nhiêu loại lưu lượng thì ta cần bấy nhiêu hàng đợi.  Lập lịch trình cho gói tin. Bảng so sánh các kỹ thuật hàng đợi được thể hiện như sau:

Hình 2. 10 Tóm tắt về các kỹ thuật quản lý hàng đợi - tắc nghẽn

1.4.

Mục đích của việc cấp phát và quản lí băng thông

Hệ thống phải đáp ứng các chức năng và hiệu năng cần thiết cho việc cung cấp dịch vụ đích và cũng phải được thiết kế với một mức chi phí tối thiểu. Điều Trang

này cần thiết bởi vì nếu hệ thống cho người dùng nói chung và số lượng người dùng vượt quá 10.000.000, sự khác biệt của một vài đô la cho mỗi người dùng sẽ sẽ trở thành một sự khác biệt của hàng chục triệu đô la đầu tư. DBA phụ thuộc phần lớn vào thông số kỹ thuật dịch vụ và thay đổi các dịch vụ, DBA không có lựa chọn nào khác để thay đổi đáng kể. Do đó, DBA phải được thiết kế với các định nghĩa rõ ràng về các mục tiêu dịch vụ. Ngày nay, nhu cầu lớn nhất cho FTTH là dịch vụ truy cập Internet. Các đặc điểm chung của các dịch vụ truy cập Internet được tóm tắt như sau:  Chuyển bản các gói dữ liệu chiều dài thay đổi của Internet Protocol (IP) giữa người sử dụng và các nhà cung cấp dịch vụ.  Giao diện người sử dụng mạng (UNI) có sự liên kết cao với IP và Ethernet (100Base-TX hoặc 1000Base-T) là phổ biến nhất trong cơ sở sử dụng.  Băng thông phải được phân phối một cách công bằng giữa các người dùng, không giống như một hệ thống mạng LAN mà phân phối băng thông trên đến trước được phục vụ trước.  Hơn nữa, gần đây, đã có nhu cầu cung cấp thêm các dịch vụ với băng thông chậm và đảm bảo (QoS), chẳng hạn như thoại qua IP (VoIP). Bây giờ chúng ta có một cái nhìn sâu sắc hơn về đặc điểm của lưu lượng truy cập Internet. Nó cũng được biết rằng lưu lượng Internet là rất bùng phát. Chúng ta có thể hiểu rõ hơn điều này khi chúng ta nghĩ về truy cập Web. Một người dùng tải dữ liệu từ một trang web, hiển thị nó trên màn hình máy tính của mình và xem nó. Thời gian mà người dùng xem màn hình không rút ngắn ngay cả khi tốc độ truy cập Internet tăng và thời gian tải dữ liệu rút ngắn. Tốc độ của các liên kết truy cập Internet cao hơn, tương ứng với tỷ lệ ít thời gian để tải dữ liệu, và bùng phát hơn là lưu lượng. Hơn nữa, ngay cả những lưu lượng từ P2P (peerto-peer) loại tập tin chia sẻ các ứng dụng, mà chiếm phần lớn lưu lượng truy cập Internet ngày nay, là bùng phát, vì dữ liệu không liên tục truyền nhưng truyền chỉ khi có yêu cầu. Trong khi đó, nội dung trực tiếp để di chuyển hình ảnh đã Trang

tăng lên gần đây; nhưng đây là những lưu lượng không đổi tỷ lệ chỉ vài Mbps mà tiếp tục trong một vài giờ và không có nhiều người dành cả ngày xem trực tiếp hình ảnh di chuyển. Cụ thể, có bao nhiêu dữ liệu được người dùng truyền trong một ngày? Chúng ta có thể tham khảo các báo cáo tháng 11 năm 2005 trên những kết quả về người sử dụng Internet mua bán Nhật Bản . Những điểm quan trọng được trích dẫn trong bài viết Nhật Bản này là:'' Khi chúng ta xác định người sử dụng nhiều như ai đó tạo ra 2,5 GB lưu lượng trong một ngày (trung bình 230 kbps), tỷ lệ người sử dụng nhiều là bốn phần trăm của toàn bộ, và tương đương với, hai phần trăm người sử dụng ADSL, mười phần trăm của người sử dụng FTTH tương ứng. Lưu lượng sử dụng bởi bốn phần trăm này người sử dụng nặng chiếm khoảng bảy mươi lăm phần trăm của toàn bộ lưu lượng (thượng nguồn)''. Lưu lượng thượng nguồn của người sử dụng nhiều định nghĩa ở đây chỉ là 230 kbpstrung bình mỗi ngày. Ngay cả khi chúng ta thu thập 32 người sử dụng nhiều, tổng lưu lượng chỉ đạt 7,4 Mbps. Bằng cách tham gia vào tính chất rất dễ bùng phát của lưu lượng trong thực tế, chúng ta tính toán thời gian truyền dữ liệu của một ngày. Khi chúng ta mặc nhận rằng các băng thông thượng nguồn của dịch vụ FTTH là từ 10 Mbps và 100 Mbps, nó sẽ là 2,5 Mbps Gbytes/10 -100 Mbps = 2000 -200 [giây]. Điều này có nghĩa là ngay cả khi một người sử dụng nhiều chỉ truyền dữ liệu khoảng vài phút đến vài chục phút mỗi ngày. Nếu các thông lượng được chia sẻ bởi 32 người bao gồm cả người sử dụng không lớn, chúng ta có thể thấy rằng có một tỷ lệ đáng kể thời gian mà trong đó một người duy nhất có thể chiếm băng thông đầy đủ thượng nguồn. Vai trò gì của DBA khi các lưu lượng truy cập cao bùng phát? DBA cải thiện trải nghiệm truy cập bằng cách rút ngắn thời gian chờ đợi của người sử dụng truyền dữ liệu thông qua việc tăng tốc độ cao nhất. Nếu tốc độ cao nhất là mười lần, thời gian truyền của một tập tin có thể được chỉ một phần mười. Một dịch vụ mà có thể truyền tải một tập tin trong một phần ba thời gian (hoặc 1/30) với ít nhất là 30 Mbps và nếu có, 100 Mbps (hoặc 1 Gbps) đang dễ dàng hơn để sử dụng hơn một mà chỉ có thể hỗ trợ 30 Mbps mọi thời gian . Mặt khác, nó có Trang

thể cho một nhà cung cấp giảm bớt chi phí bằng cách DBA mô phỏng một chuyển đổi tập hợp liên kết đắt tiền hỗ trợ QoS, ngoài việc giảm các sợi quang học đắt tiền mà một PON cần đạt được. Kể từ khi Internet đã luôn luôn kết nối có thể với chi phí thấp bởi có nhiều người dùng chia sẻ các đường dây thuê bao cơ bản đắt tiền, nó vẫn tiếp tục phát triển mạnh khi ngày càng nhiều người sử dụng được thêm vào. Việc này có nghĩa, hệ thống PON bằng cách sử dụng DBA mô tả ở đây là để cung cấp một dịch vụ.

Trang

Trang

CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG QOS VÀO QUẢN LÝ BĂNG THÔNG TRONG MẠNG GPON. 1.1.

Khái niệm QoS.

Quality of Service (QoS) là cơ chế được sử dụng để đảm bảo lưu lượng truy cập (traffic) mà bạn ưu tiên được ưu tiên hàng đầu và cung cấp băng thông cho các ứng dụng đa phương tiện khác. Quality of Service (QoS) được sử dụng để điều khiển lưu lượng truy cập trên hệ thống mạng Internet. Có thể tưởng tượng hệ thống mạng của bạn giống như một đường cao tốc nằm giữa các thiết bị của bạn và mạng Internet. Quality of Service sẽ phân chia đường cao tốc này thành các làn đường dành cho xe ô tô và xe cứu hộ khẩn cấp, chỉ cho phép các phương tiện giao thông nhất định di chuyển trong các làn đường nhất định.và một số làn đường sẽ di chuyển chậm hơn. Tất nhiên mỗi hướng trên đường cao tốc sẽ có tối đa số làn đường, vì vậy sẽ không làm tăng lượng xe chạy trong làn dành cho ô tô. Tương tự, Quality of Service sẽ không làm cho kết nối Internet của bạn nhanh hơn và cũng không mở rộng tổng băng thông mà chỉ làm cho bạn cảm thấy một số dịch vụ và ứng dụng nhất định nhanh hơn khi mạng bị tắc nghẽn. QoS thường được đánh giá qua các thông số chính sau:  Latency : độ trễ khi truyền một gói tin qua mạng.  Loss : độ mất gói.  Jitter : độ biến động trễ (sự khác nhau về thời gian đến của các gói tin thuộc cùng một luồng lưu lượng).  Throughput : thông lượng của mạng.  Availability : độ khả dụng của mạng. QoS nhằm mục đích làm cho mạng có thể đáp ứng khác nhau đối với các dịch vụ khác nhau cùng hoạt động trên mạng thông qua một hợp đồng lưu lượng cho từng dịch vụ (SLA – Service Level Agreement). QoS là kết quả của việc đo hiệu suất ảnh hưởng đến chất lượng của việc truyền dữ liệu và tính sẵn sàng

Trang

phục vụ của hệ thống truyền dữ liệu, đó là hạ tầng mạng phải được thiết kế sao cho có tính sẵn sàng phục vụ cao trước khi cài đặt QoS cho một hệ thống.

Hình 3. 1 Mô tả về QoS

Đặc biệt, các tiện ích QoS cung cấp dịch vụ mạng tốt hơn và khả đoán bằng các phương pháp sau:  Hỗ trợ băng thông một cách triệt để  Cải tiến tính năng mất gói tin  Tránh và điều khiển tắt nghẽn mạng  Lấy mẫu lưu lượng mạng  Cài đặt sự ưu tiên lưu lượng trong mạng IETF chia ra làm hai loại QoS:  Integrated Services (IntServ)  Differentiated Services (DiffServ) 1.5.

Mô hình IntServ Trang

Hình 3. 2 Mô hình IntServ

1.5.1.

Tổng quan về mô hình IntServ

Mô hình IntServ được IETF (Internet Engineering Task Force) giới thiệu vào giữa thập niên 90 và được định nghĩa trong RFC (Request For Comments) 1633. Mạng đòi hỏi phải dành tuyệt đối tài nguyên (bandwidth, độ delay…) cho một số dịch vụ cụ thể. Nghĩa là, mô hình IntServ sẽ dành riêng tài nguyên mạng cho từng luồng thông tin xuyên suốt từ nguồn đến đích. Tài nguyên này được chiếm dụng và không được tận dụng cho bất kỳ một dịch vụ nào khác. Do tài nguyên bị chiếm dụng mà không dùng nên hiện tượng lãng phí tài nguyên sẽ xảy ra. Ví dụ, dành riêng 2Mbps cho Voice thì chỉ có gói tin Voice mới có thể sử dụng nguồn tài nguyên này, mặc dù không có một cuộc gọi nào qua mạng thì tài nguyên này vẫn được dành riêng và không lưu lượng nào có thể chiếm dụng khoảng tài nguyên này. 1.5.2.

Nguyên lý hoạt động của mô hình IntServ

IntServe sử dụng giao thức RSVP (Resource Reservation Protocol) để báo hiệu. RSVP sẽ thiết lập phiên báo hiệu cho các thiết bị đầu cuối trên đường truyền có giành tài nguyên cho những luồng ứng dụng cần được đảm bảo QoS theo 1 chiều từ nguồn đến đích. Mô hình IntServ thực hiện QoS theo luồng (flow). Một luồng được xác định bởi các tham số: địa chỉ IP nguồn, IP đích, cổng nguồn, cổng đích, nhận dạng giao thức (Protocol indentifier). Trang

Hình 3. 3 Ví dụ về mô hình QoS IntServ

Theo ví dụ hình 1, một luồng dữ liệu được cấp tài nguyên (bandwidth là 30Kbps, độ delay thấp) xuyên suốt từ nguồn (Hannah) đến đích (Server 1). Khi một luồng được thiết lập thì tương ứng với 1 phiên RSVP được thiết lập. Điều này dẫn đến một hạn chế là: Đối với mạng có lưu lượng cao như mạng ISP (Internet Service Provider) hoặc các tổ chức doanh nghiệp lớn thì số lượng luồng có thể lên đến hàng trăm ngàn luồng trong một thời điểm và dẫn đến hiện tượng lãng phí tài nguyên do bandwidth được sử dụng để thiết lập kênh RSVP lên rất nhiều (RSVP không phải là luồng dữ liệu mà là luồng thông tin điều khiển, báo hiệu).  Đặc điểm của luồng lưu lượng như sau:  Kiểm soát Traffic Specification (TSpec): TSpec dùng để xác định đặc tính của luồng lưu lượng. Thông số quan trọng của TSpec là kích thước lớn nhất của gói tin. TSpec kiểm tra luồng lưu lượng, nếu không phù hợp thì loại bỏ luồng.  Điều khiển Required Specification (RSpec): RSpec dùng để xác định các yêu cầu về QoS cho một dịch vụ mạng cụ thể. Thông số quan trọng của RSpec là tốc độ dịch vụ (bandwidth mà lưu lượng cần khi đi trong mạng). Trang

RSpec kiểm tra xem tài nguyên mạng có đáp ứng được yêu cầu của ứng dụng hay không. Nếu không thể đáp ứng, mạng sẽ từ chối. Do đó ngoài Classification, Queuing và Scheduling thì router còn phải thực hiện được kiểm soát TSpec và điều khiển RSpec. Nguyên lý hoạt động của mô hình IntServ nêu trên được thể hiện trong mô hình sau đây:

Hình 3. 4 Mô hình nguyên lý hoạt động của mô hình IntServ

Dựa vào các công cụ trên (TSpec, RSpec, Classification, Queuing, Scheduling), mô hình IntServ đưa ra 2 loại dịch vụ: Guaranteed Service (đảm bảo dịch vụ) và Control Load Service (kiểm soát tải).  Guaranteed Service: Thực hiện truyền các gói tin đến đích trong một khoảng thời gian nhất định, đảm bảo gói tin không bị loại bỏ khi hàng đợi đầy. Thông số của RSpec cho phép xác định bandwidth mà lưu lượng cần khi đi trong mạng. Thông số TSpec cho phép xác định kích thước lớn nhất của gói tin. Dựa vào RSpec và TSpec có thể xác định được độ delay lớn nhất có thể chấp nhận được của dữ liệu. Nhược điểm của lớp dịch vụ Trang

này là hiệu quả sử dụng tài nguyên mạng thấp vì nó đòi hỏi mỗi luồng lưu lượng có hàng đợi riêng. Ví dụ, gói tin có kích thước 125 bytes (1000 bits), gói tin yêu cầu bandwith là 56Kbps (56000bps). Độ delay của gói tin trong trường hợp này là 17.85ms (1000bits / 56000bps = 0.01785 giây).  Control Load Service: Một luồng dữ liệu khi đi vào mạng sẽ được kiểm tra đối chiếu với những đặc tả lưu lượng TSpec. Nếu không phù hợp với các đặc tả lưu lượng TSpec thì dữ liệu sẽ được chuyển tiếp theo phương thức Best-Effort. IntServ là một mô hình có nhiều triển vọng hơn so với DiffServ. Trong IntServ, RSVP (giao thức dành trước tài nguyên) là một kỹ thuật chính để đảm bảo QoS. Tuy nhiên, chú ý rằng RSVP không phải lúc nào cũng được sử dụng với IntServ, RSVP có thể được dùng trong kỹ thuật lưu lượng của MPLS.  IntServ có hai hạn chế lớn nhất đó là:  Nó làm cho việc xử lý tải lớn trên các router trong mạng lõi  Nó không linh động trong các mạng lớn với nhiều luồng IntServ. Đó là bởi vì nó hoạt động tại mức các dòng gói tin riêng biệt, và vì thế có một mối quan hệ ánh xạ giữa số lượng các luồng IntServ và xử lý tải. Mặc dù IntServ xác định các lớp nhưng nó không kết hợp được các luồng thành các lớp trước khi chúng đi vào mạng để giảm việc xử lý tải. Tuy nhiên, IntServ có một điểm có lợi hơn so với DiffServ, đó là vì IntServ dọn dẹp sẵn con đường trước khi gởi luồng đi nên nó có thể bảo vệ QoS trong mọi trường hợp. 1.6.

Mô hình DiffServ

1.6.1.

Tổng quan về mô hình DiffServ 

Thay vì thực hiện QoS xuyên suốt và thống nhất trên cả đường truyền như mô hình IntServ, mô hình DiffServ thực hiện QoS riêng lẻ trên từng router. Mô hình DiffServ thực hiện quản lý tài nguyên hiệu quả do không dành riêng tài Trang

nguyên cho bất kỳ một dịch vụ nào. Mô hình DiffServ không thực hiện báo hiệu, bắt tay khi thiết lập luồng nên không bị mất băng thông cho phần báo hiệu nên tiết kiệm băng thông và có khả năng mở rộng lớn rất phù hợp trong mô hình hệ thống mạng lớn.

Hình 3. 5 Mô hình DiffServ

1.6.2.

Nguyên lý hoạt động của mô hình DiffServ 

Nguyên lý hoạt động của mô hình DiffServ như sau: Các gói tin được phân loại ra thành nhiều nhóm ưu tiên từ thấp đến cao tùy theo đặc điểm của từng dịch vụ, thiết bị sẽ tiến hành cung cấp tài nguyên theo từng nhóm, nhóm nào có thứ tự cao hơn thì sẽ được cung cấp quyền được sử dụng tài nguyên ưu tiên hơn, tài nguyên sẽ được các nhóm thấp hơn dùng nếu nhóm trên không sử dụng nữa. Tất cả các quá trình này sẽ được thực hiện riêng lẻ trên từng thiết bị. Cấu trúc của mô hình DiffServ bao gồm nhiều class lưu lượng cho từng dịch vụ cụ thể và mỗi class được cung cấp một lượng tài nguyên xác định. Để phân Trang

biệt các class, DiffServ sử dụng một thông tin gọi là điểm mã phân biệt dịch vụ DSCP (Differentiated Service Code Point). DSCP có tiền thân là vùng ToS (Type of Service) trong IP header. Khi router nhận gói tin với giá trị DSCP nào đó thì chính giá trị DSCP cho biết yêu cầu QoS cho gói tin đó. DSCP sẽ xác định một hành vi Perhop Behavior (PHB). Hành vi PHB dùng để kích hoạt và hỗ trợ QoS cho các gói tin được đánh dấu bằng giá trị DSCP.  Sau đây là một số giá trị PHB chuẩn:  Giá trị mặc định (Default): Tương đương với yêu cầu Best-Effort.  Expedited Forwarding (EF) PHB – Chuyển tiếp nhanh: Gói tin được gán giá trị này sẽ có độ delay nhỏ nhất và packet loss thấp nhất.  Assured Forwading (AF) PHB – Chuyển tiếp bảo đảm: Những gói tin có thể được đảm bảo chọn cho một PHB với yêu cầu bandwidth, delay, jitter, packet loss hoặc cả độ ưu tiên cho truy cập đến dịch vụ mạng.  Giải pháp QoS theo mô hình DiffServ được thực hiện nhờ các kỹ thuật sau: Classification (phân loại) và Marking (đánh dấu). Việc phân loại và đánh dấu sẽ giúp thực hiện các cơ chế QoS ở những bước sau:  Quản lý tắc nghẽn: Cơ chế quản lý tắc nghẽn được thực hiện trên các interface của thiết bị mạng. Khi gói tin đến các interface này, các gói tin sẽ được phân vào từng hàng đợi có mức độ ưu tiên khác nhau.  Tránh tắc nghẽn: Cơ chế loại bỏ gói tin khỏi hàng đợi trước khi hàng đợi đây (nếu hàng đợi đầy có thể gây ra hiện tượng tắc nghẽn).  Đặt ngưỡng: Cơ chế đặt ngưỡng trên, ngưỡng dưới cho bandwidth. Bandwidth sẽ được đảm bảo một ngưỡng dưới tối thiểu và khi lớn hơn ngưỡng trên thì gói tin có thể bị đánh rớt hay được đưa vào hàng đợi.  Nén Header: Header chiếm phần lớn trong 1 gói tin nhưng không mang thông tin thật sự, cơ chế nén header sẽ giúp tiết kiệm được băng thông (nhờ làm giảm số lượng bits truyền đi). –

Trang

 Fragmentation (phân mảnh): Các gói tin có độ dài lớn có thể gây ra delay và tắc nghẽn. Cơ chế phân mảnh sẽ phân các gói tin này thành các gói tin nhỏ hơn để tránh tắc nghẽn. So sánh hai mô hình DiffServ và IntServ:

Hình 3. 6 So sánh hai mô hình IntServe và DiffServ

DiffServ (RFC 2475) đánh dấu bit ToS, được xác định trong chuẩn IP, để cho các mức dịch vụ khác nhau có thể được gán cho các luồng tích hợp khác nhau tại các điểm trên mạng. Việc tích hợp được nhận dạng trong bit DSCP (DiffServ Control Point) nằm trong tiêu đề gói tin. Các luồng ứng dụng khác nhau được ấn định vào các luồng tích hợp khác nhau (được xem là hành vi tích hợp) bằng cách xem xét các bit này.  DiffServ có hai ưu điểm nổi bật hơn so với IntServ: Trang

- Tất cả các quá trình xử lý diễn ra trước khi luồng đi vào mạng, tức là tại biên mạng - Nó không yêu cầu là mỗi nút phải kích hoạt khả năng DiffServ. Các bit DSCP có thể truyền trong suốt từ nút đó đến nút kế tiếp.  Nhưng DiffServ có các yếu điểm như: - Nó không thể bảo đảm QoS đặc biệt là trên các liên kết điểm – điểm. Bởi vì nó không có báo hiệu nên luồng dữ liệu của nó sẽ không được ưu tiên nhận một QoS một cách đầy đủ, thậm chí nếu nó có đánh dấu ưu tiên. - Nếu một router hay một lộ trình bị nghẽn nghiêm trọng thì tất cả các gói tin sẽ bị từ chối cho dù nó có các gói tin được ưu tiên hay không. Một cách tương tự như thế, bởi vì không có báo hiệu, các ứng dụng không thể điều chỉnh các yêu cầu cho phù hợp với tình trạng mạng được. 1.7.

Ứng dụng QoS vào quản lý băng thông

Khi thực hiện QoS trong mạng có 4 bước cơ bản cần quan tâm như sau: Bước 1: Nhận diện lưu lượng và các yêu cầu của nó. Cần phải nắm rõ các loại lưu lượng đang tồn tại trong mạng và sau đó xác định các yêu cầu QoS cho các loại lưu lượng khác nhau này.

Trang

Hình 3. 7 Xét lưu lượng người dùng trên 1 ONT

Bước 2: Chia lưu lượng thành các lớp. Chẳng hạn như E-mail được phân vào lớp Best-efford, Voice được phân vào lớp Realtime...

Hình 3. 8 Chia lưu lượng thành 3 lớp Trang

Bước 3: Định nghĩa các chính sách QoS cho mỗi lớp như đảm bảo băng thông cực tiểu, giới hạn băng thông cực đại, chỉ định độ ưu tiên cho mỗi lớp, sử dụng các kĩ thuật QoS như hàng đợi, tránh tắc nghẽn, quản lý tắc nghẽn...

Hình 3. 9 Set băng thông cho mỗi user

Bước 4: Áp đặt các chính sách QoS vào các cổng

Hình 3. 10 Băng thông sau khi áp dụng QoS

LỜI KẾT Trang

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Trang

[1] Nguyễn Trọng Toàn, Báo cáo thực tập “ Cấp phát băng thông trong mạng PON ”, Hà Nội, 2014. [2] Cedric F. Lam, Passive Optical Networks Principles and Practice, 2007. [3] Ali Gliwan, Dynamic Assignment Protocols for Multi-wavelength Gigabit-

PONs, 2010.

Trang