Mạng đường trục 100G

Với sự phát triển của các dịch vụ đa phương tiện dựa trên IP đặc biệt là các dịch vụ video, lưu lượng mạng đang tiếp tục gia tăng một cách nhanh. Điều này dẫn tới kết quả tất yếu là làm xuất hiện các mạng truyền tải cực lớn như 40G hay 100G. Các công nghệ này đã nổi lên như một công nghệ chính có khả năng hỗ trợ sự gia tăng của băng thông mạng. Sau một thời gian dài quảng cáo, các công nghệ 40G cuối cùng đã được triển khai. Theo báo cáo của hãng Ovum thì tốc đột ăng trưởng gộp hàng năm của mạng 40G WDM sẽ vượt 70% trong giai đoạn 2008-2014. 

 

Chúng ta đã từng được chứng kiến khoảng thời gian hơn 7 năm kể từ khi bắt đầu ra mắt sản phẩm 40G đầu tiên cho tới khi chúng được triển khai thương mại rộng khắp thế giới. Có 3 nguyên nhân dẫn tới thời gian đưa sản phẩm ra thị trường dài như vậy: Thứ nhất, sự nổ tung của “bong bóng” Internet đã làm chậm quá trình triển khai các công nghệ mới. Thứ 2, công nghệ 40G phức tạp hơn nhiều so với công nghệ 10G và không dễ để “hòa hợp” hai công nghệ này. Cuối cùng, sự thiếu hụt của các tiêu chuẩn công nghiệp, đặc biệt là cho 40G và các module đã dẫn đến việc có quá nhiều công nghệ 40G trong khi lại thiếu nguồn tài chính cho các công nghệ này.

 

Chúng ta đã có bài học với 40G và do đó không thể để lặp lại những lỗi như trên khi triển khai các tiêu chuẩn 100G. Các tiêu chuẩn này đã được thực hiện bởi 3 tổ chức tiêu chuẩn chính là IEEE, ITU và OIF trong nửa đầu năm 2010 và đây là tiền đề cho triển khai rộng khắp các ứng dụng 100G. Thêm vào đó, 100G có thể kế thừa các đặc tính của công nghệ 40G và một số nhà khai thác thậm chí không ngần ngại bỏ qua 40G để đi thẳng lên xây dựng các mạng 100G để nhanh chóng đưa các tiêu chuẩn và công nghệ 100G vào thực tiễn.

 

Tuy nhiên, xem xét kỹ hơn sự chín muồi của 100G về mặt tiêu chuẩn, công nghệ và hiệu quả chi phí cho thấy tư tưởng lạc quan cần phải được kiểm soát chặt chẽ. Các tiêu chuẩn công nghệ cho 100GE (100G Ethernet) đã được hoàn thiện vào giữa năm 2010 tuy nhiên các tiêu chuẩn cho các module 100G quang và 100G DWDM (WDM mật độ cao) vẫn chưa hoàn thiện và cần thêm thời gian. Bên cạnh đó về mặt công nghệ, toàn bộ ngành công nghiệp 100G là hoàn toàn mới và do đó sau khi các tiêu chuẩn được phê duyệt thì ngành công nghiệp bao gồm sản xuất chip, sản xuất hệ thống, các thành phần khác cho công nghệ này vẫn cần một khoảng thời gian để ổn định và trưởng thành.

 

Chúng ta cần rất cẩn thận để không lặp lại các lỗi đã mắc phải khi triển khai 40G dẫn tới một chuỗi các giá trị 40G còn đang dang giở như hiện nay. Thêm vào đó, xét một cách lâu dài thì 100G là khá đắt. Các nhân tố này đang kết hợp tạo ảnh hưởng tới kế hoạch thương mại hóa 100G.
Mặc dù thời điểm đưa các công nghệ 100G ra thị trường được cho là sẽ ngắn hơn nhiều so với 40G song một quá trình xử lý dài của phát triển thị trường và công nghệ vẫn là cần thiết trước khi chính thức tung ta thị trường. Điều đó có nghĩa là 100G sẽ cùng tồn tại với 40G trong một khoảng thời gian. Xét một cách tổng quan các nhân tố thì thời điểm năm 2012 sẽ là thích hợp cho thương mại hóa 100G.

 

 

Về mặt công nghệ, truyền tải 100G chủ yếu là vấn đề điều chế mã 100G, công nghệ mã sửa lỗi trước FEC (forward error correction) và các công nghệ truyền tải đường. Công nghệ điều chế mã tiên tiến là cần thiết cho việc thực hiện truyền tải WDM dung lượng cao và truyền đường dài. Một số hãng trên lớn trên thế giới đã nghiên cứu các vấn đề này, ví dụ như Huawei đã phát triển các công nghệ điều chế mã tiên tiến như sDQPSK, oPDM-DQPSK, và ePDM-QPSK.

 

Công nghệ sDQPSK sử dụng công nghệ kiểm soát phân cực để giảm tác động phi tuyến trong hệ thống DWDM tốc độ cao, cho phép hệ thống truyền tín hiệu trên khoảng cách 1,200km. Bằng việc thực thi phần cứng kết hợp với các thuật toán tiên tiến, công nghệ oPDM-DQPSK tạo điều kiện theo dõi một cách nhanh chóng phân cực quang và giúp truyền tải tới 80 bước sóng tín hiệu tại 100G. Các đặc tính cách tân của công nghệ ePDM-QPSK có thể kể đến như bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự – số tốc độ cao (ADC), bộ xử lý số tốc độ cao (DSP).

 

Dựa trên các thuật toán tiên tiến, DSP có thể theo dõi sự phân cực, khôi phục đồng hồ, pha và thông tin dữ liệu, thực hiện bù tán sắc và bù tán sắc phân cực (PMD). Công nghệ  ePDM-QPSK có thể truyền tải lên tới 80 bước sóng của tín hiệu tại 100G trên khoảng cách 1500km.

 

Công nghệ FEC là một đặc tính quan trọng khác cho truyền tải đường dài. Để loại trừ ảnh hưởng của nhiễu làm suy giảm các tín hiệu quang, một hệ thống 100G yêu cầu FEC cao hơn các hệ thống truyền tải hiện nay. Huawei đã phát triển độc lập một thuật toán FEC tiên tiến để loại trừ các suy hao tín hiệu và từ đó đảm bảo cho chất lượng tín hiệu khi truyền tải đường dài.

 

Để kiểm chứng tính khả thi của các công nghệ truyền tải 100G, Huawei đã tiến hành một loạt các thí nghiệm truyền tải tín hiệu cho 100G với các nhà khai thác chính.

 

Tháng 12/2009, Huawei kiểm thử thành công truyền tải tín hiệu tại Tây Ban Nha với việc loại trừ được trễ điện tử thông qua công nghệ 100G trên khoảng cách 1000km. Sự thực thi lai ghép giữa các cơ chế truyền tải 10, 40, 100G đã chứng tỏ hệ thống có khả năng hỗ trợ dung lượng cực lớn lên tới 8Tbps trên một sợi cáp đơn sau khi được nâng cấp từ 10G lên 40/100G.

 

Tháng 4/2010, kiểm thử của hãng tại Anh đã xác nhận khả năng truyền tải lai ghép 10, 40, 100G thông qua việc truyền tải thành công dịch vụ HDTV/IPTV theo thời gian thực.

 

Mới đây Huawei đã hoàn thành mạng truyền tải 10, 40 và 100G tại Đức. Đáng chú ý là với các công nghệ 100G tiên tiến, hãng đã kiểm thử thành công truyền tải quang vượt hơn mức 2000km – mức giới hạn của truyền tải đường dài trong các mạng thực tế.

 

Các kiếm thử này không chỉ là minh chứng đầy đủ cho sức mạnh của công nghệ truyền tải 100G của Huawei mà còn đưa hãng trở thành nhà khai thác thương mại được đánh giá là có kinh nghiệm trong việc triển khai và vận hành công nghệ 100G. Hãng sẽ tiếp tục các thử nghiệm cần thiết với các nhà khai thác hàng đầu thế giới để đảm bảo tính ổn định, tin cậy và tiên tiến của công nghệ 100G.

 

Sự gia tăng liên tục và nhanh chóng của lưu lượng IP đang đẩy mức băng thông giữa các bộ định tuyến backbone lên mức 100Gbps thậm chí cao hơn. Thêm vào đó, các cổng 10G làm suy giảm hiệu suất đường 10G và hiệu quả của router thông thường. Trong tương lai, phần lớn được kỳ vọng là sẽ thay thế các cổng này bằng các cổng 100G. 

 

Dung lượng chuyển mạch của bộ định tuyến cũng là một vấn đề cấp bách. Các thống kê đã chỉ ra rằng dung lượng bộ định tuyến đã tăng 2,2 lần trong 18 tháng, cao hơn đáng kể so với định luật Moore, trong khi lưu lượng mạng chỉ tăng gấp 2 lần trong 12 tháng. Rõ ràng năng lực bộ định tuyến đang đi nhanh hơn lưu lượng mạng, đòi hỏi các bộ định tuyến nhóm để phục vụ như một giải pháp từng phần. Trong khi các bộ định tuyến nhóm giúp giảm bớt vấn đề dung lượng, vấn đề chi phí và tiêu thụ nguồn vẫn là một thác lớn đối với mạng backhaul và do đó một giải pháp dài hạn trở thành nhu cầu cấp thiết.

 

 

Với sự đa dạng hóa của các ứng dụng mạng và sự lớn mạnh của các các thực thể mạng của các ISP lớn, lưu lượng mạng đang tăng ngày càng được san phẳng. Các ví dụ điển hình là các trung tâm dữ liệu Internet và các ứng dụng điểm – điểm (P2P).

 

 

Sự gia tăng các node mạng và kiến trúc mạng phẳng đang làm phức tạp thêm mạng tại cả lớp truyền tải và các bộ định tuyến và làm cho chúng trở nên khó hơn trong việc quản lý và bảo dưỡng.

 

 

Các thách thức phải đối mặt của mạng đường trục có thể được giải quyết một phần thông qua việc triển khai công nghệ giao tiếp 100G, các bộ định tuyến nhóm, mạng truyền tải 100G và mạng WDM. Tuy nhiên, các công nghệ này không đáp ứng đầy đủ cho một con đường phát triển của một mạng 100G.

 

Đặc biệt, các vấn đề với dung lượng bộ định tuyến, hiệu năng mạng trên lớp truyền tải và IP và cuộc gọi phức tạp cho phối hợp giữa lớp IP và truyền tải. Hiện nay, ngành công nghiệp đã đề xuất các lựa chọn khác nhau, trong đó có 3 lựa chọn nổi bật như sau:
OTN/cOTN

 

Giải pháp này sử dụng công nghệ phân kênh OTN (cOTN) tại lớp định tuyến và các công nghệ giao tiếp của OTN và VLAN/MPLS tại lớp mạng truyền tải. Các công nghệ này kết hợp để cung cấp một mạng truyền tải IP tối ưu nhất.

 

Như một phần của giải pháp, lớp định tuyến tiếp tục sử dụng các công nghệ triển khai hiện tại hoặc triển khai công nghệ cOTN để nâng cao hơn nữa hiệu năng mạng. Lớp mạng truyền tải kết hợp các công nghệ OTN và ROADM để cái thiện khả năng chuyển mạch giữa các băng thông cố định G, 2.5G, 10G, 40G, 100G hoặc các băng thông thay đổi. Hai lớp tạo thành một mạng biên thống nhất và hiệu quả thông qua việc phối hợp quản lý luồng lưu lượng, quy hoạch phân cấp và bảo vệ phối hợp.

Giải pháp này sử dụng giao diện WDM và công nghệ ROADM tại lới mạng truyền tải. Tuy nhiên, các node ROADM không thể điều chỉnh các bước sóng con và vì vậy không thể truyền tải dữ liệu trên đa băng tần trong một mạng backbone. Hơn thế nữa các giao tiếp WDM không được chuẩn hóa, nghĩa là các ứng dụng chủ đạo là không thể. Các tín hiệu 40G và 100G tốc độ cao nhạy cảm hơn với suy giảm vật lý so với các tín hiệu tốc độ thấp hiện nay. Trong tương lai, các mạng lớn sẽ vẫn yêu cầu các bộ chuyển tiếp và chuyển đổi bước sóng cũng như sử dụng các bộ đính tuyến cho cả hai hoạt động là khá tốn kém.

Giải pháp này giới thiệu chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS) như một thay thế đơn giản cho chuyển mạch IP thông qua bộ định tuyến. Hồ sơ truyền tải MPLS (MPLS-TP) cải thiện khả năng OAM và sử dụng ROADM tại lớp quang. Cơ chế MPLS giúp cải thiện sử dụng mạng nhưng có thể làm giảm QoS, cân bằng QoS và chi phí nguồn khó khăn hơn. Hơn nữa, việc tiêu chuẩn hóa MPLS-TP đang tiến hành tương đối chậm và do đó làm hạn chế sự phát triển của giải pháp.

IP và OTN kết hợp với nhau sẽ thống trị mạng đường trục backbone trong kỷ nguyển của 100G. Cụ thể, OTN/cCOTN sẽ tương tác hỗ trợ chế độ của các lớp IP và OTN. Huawei là một trong những tập đoàn lớn đã đầu tư nghiên cứu khá kỹ các khía cạnh của kiến trúc mạng cũng như các công nghệ lõi 100G. Tất nhiên, việc lựa chọn công nghệ và nhà cung cấp nào còn tùy thuộc hoàn cảnh cụ thể của từng nhà mạng.