Mạng diện rộng WAN là gì?

Như ta đã biết mạng cục bộ (LAN) sử dụng để kết nối các thiết bị gần nhau với nhau. Tốc độ truyền dữ liệu trong mạng cục bộ vì thế thường khá cao. Mạng WAN, trái lại, kết nối các thiết bị xa cách nhau về mặt địa lý và do đó công nghệ mạng WAN cũng khác với công nghệ mạng LAN.

Mạng WAN sử dụng phương thức truyền dẫn, phần cứng và giao thức khác mạng LAN. Tốc độ truyền dữ liệu trong mạng WAN cũng thấp hơn nhiều khi so với mạng LAN. Chúng ta sẽ nghiên cứu tổng quan về các công nghệ của mạng WAN dưới một số góc độ.

Lịch sử của mạng WAN

Mạng WAN đã xuất hiện từ những ngày đầu của mạng điện toán. Mạng WAN dựa trên các đường dây điện thoại chuyển mạch và modem, nhưng hiện nay các tùy chọn kết nối cũng bao gồm những đường dây thuê bao, không dây, MPLS, Internet băng thông rộng và vệ tinh.

Khi công nghệ thay đổi, tốc độ truyền tải cũng vậy. Modem 2400bps của những ngày đầu đã phát triển thành kết nối 40Gbps và 100Gbps ngày nay. Những sự gia tăng tốc độ này đã cho phép nhiều thiết bị kết nối với mạng hơn, tạo điều kiện cho sự bùng nổ của máy tính, điện thoại, máy tính bảng được kết nối và các thiết bị Internet of Things nhỏ hơn.

Ngoài ra, những cải tiến về tốc độ đã cho phép các ứng dụng sử dụng lượng băng thông lớn hơn có thể truyền qua mạng WAN với tốc độ siêu cao. Điều này đã cho phép các doanh nghiệp triển khai những ứng dụng như họp trực tuyến và sao lưu dữ liệu file lớn. Không ai có thể nghĩ đến việc tiến hành một cuộc họp trực tuyến qua modem 28kbps, nhưng giờ đây nhân viên có thể ngồi ở nhà và tham gia vào các cuộc họp của công ty qua video trên toàn cầu.

Nhiều liên kết WAN được cung cấp thông qua các dịch vụ của nhà cung cấp, trong đó lưu lượng của khách hàng đi qua các cơ sở được chia sẻ bởi những khách hàng khác. Khách hàng cũng có thể mua các liên kết chuyên dụng chỉ được sử dụng cho lưu lượng truy cập của một khách hàng. Chúng thường được sử dụng cho các ứng dụng nhạy cảm với độ trễ hoặc cần ưu tiên hàng đầu, có nhu cầu băng thông cao như họp trực tuyến.

WAN và LAN khác gì nhau?

Mạng WAN thường trái ngược với mạng cục bộ hay mạng LAN. Mạng LAN là mạng thường được giới hạn trong một tòa nhà hoặc khuôn viên nhỏ. Chúng mang tính riêng tư đối với một tổ chức hoặc thậm chí một người và có thể được tạo ra bằng thiết bị tương đối rẻ tiền. Mạng WiFi tại nhà của bạn là mạng LAN.

Các công nghệ và giao thức giúp mạng LAN dễ dàng thiết lập không thể mở rộng ra ngoài một khoảng cách giới hạn nhất định hoặc xử lý được số lượng điểm cuối thực sự khổng lồ. Mục đích của mạng WAN là đáp ứng những quy mô đó bằng cách kết nối một hoặc nhiều mạng LAN. Các công nghệ và giao thức mạng mà WAN sử dụng để truyền thông tin khác với những công nghệ và giao thức mạng được sử dụng trong mạng LAN.

Nói một cách chính xác, Internet là một mạng WAN. Tuy nhiên, khi nói về mạng WAN, chúng ta thường muốn nói đến các mạng riêng hoặc bán riêng kết hợp những mạng LAN ở xa. Ví dụ, các văn phòng chi nhánh ở những thành phố khác nhau có thể chia sẻ các tài nguyên nội bộ riêng tư của công ty qua mạng WAN.

Kiến trúc mạng WAN

Mặc dù mạng LAN thường được duy trì bởi nhân viên CNTT của chính tổ chức, nhưng mạng WAN thường ít nhất có một phần phụ thuộc vào các kết nối vật lý do các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông cung cấp. Quyết định về loại kết nối hoặc giao thức giao tiếp sẽ sử dụng và cách triển khai chúng sẽ làm tiền đề cho việc tạo ra kiến ​​trúc WAN của bạn.

Tổng quan về giao tiếp trong mạng WAN

Mạng WAN sử dụng hạ tầng truyền dẫn của một nhà cung cấp dịch vụ bên thứ 3, chủ yếu là các công tyđiện thoại, để cung cấp dịch vụ kết nối khoảng cách xa. Cấu hình phổ biến nhất của một mạng WAN bao gồm các thành phần như hình dưới. Một thông điệp được khởi tạo từ phía khách hàng và được gửi đi bởi một thiết bị gọi là DTE tới nhà cung cấp dịch vụ mạng WAN. Các thiết bị DCE ở văn phòng trung tâm của nhà cung cấp dịch vụ sẽ “đẩy” gói tin tới mạng WAN, sau đó đi qua các thiết bị chuyển mạch để tới đích. Các thiết bị tương tự ở phía đầu nhận sẽ kết thúc hành trình.

Thiết bị đầu cuối dữ liệu ( DTE - Data Terminal Equipment): Thiết bị ở phía lề của liên kết mạng WAN có chức năng gửi và nhận dữ liệu. DTE được đặt tại vị trí của người thuê bao, chính là điểm kết nối giữa mạng LAN của thuê bao và mạng WAN của nhà cung cấp dịch vụ. DTE thông thường là một bộ định tuyến (router), nhưng trong một số trường hợp có thể là một máy tính hay một bộ dồn kênh (multiplexer). Các DTE ở đầu bên này sẽ thực hiện việc truyền thông với thiết bị DTE tương ứng ở đầu bên kia.

Điểm ranh giới (Damarcation Point): Điểm kết nối giữa đường dây điện thoại của công ty điện thoại với đường dây của thuê bao. Điểm ranh giới còn được gọi là interface mạng hay điểm hiện diện (point of presence). Thông thường, khách hàng sẽ chịu trách nhiệm cho tất cả các thiết bị bên trong điểm ranh giới và công ty viễn thông sẽ chịu trách nhiệm về tất cả các thiết bị ở phía bên kia.

Cáp nối chặng cuối (Local Loop): Cáp nối từ Điểm ranh giới tới Văn phòng trung tâm của công ty điện thoại. Thông thường đó là cáp đôi xoắn (UTP), nhưng cũng có thể là kết hợp cáp đôi xoắn, cáp sợi quang và các loại phương tiện truyền dẫn khác.

Văn phòng trung tâm (Central Office): Trạm tổng đài gần nhất,cũng là điểm cung cấp dịch vụ mạng WAN gần nhất với người thuê bao. Văn phòng trung tâm cung cấp điểm vàocho các cuộc gọi đi vào “đám mây mạng WAN” và cung cấp các điểm ra cho các cuộc gọi từ đám mây mạng WAN tới người sử dụng điện thoại.Ngoài ra, nó còn đóng vai trò như một điểm chuyển mạng để chuyển các gói dữ liệu tới các văn phòng trung tâm khác. Nó cũng cung cấp dòng điện một chiều ổn định cho hệ thống cáp nối chặng cuối để thiết lập mạch điện.

Thiết bị đóng mạch dữ liệu (DCE – Data Circuit-terminating Equipment)

Thiết bị truyền thông với cả DTE và đám mây mạng WAN. DCE thông thường là một bộ định tuyến của nhà cung cấp dịch vụ có chức năng chuyển tiếp dữ liệu giữa khách hàng và đám mây mạng WAN.Theo nghĩa hẹp, DTE là bất cứ thiết bị nào cung cấp tín hiệu xung cho DTE. DCE cũng có thể là một thiết bị tương tự DTE (thường là một bộ định tuyến) ngoại trừ mỗi loại thiết bị đóng một vai trò riêng.

Đám mây mạng WAN (WAN cloud): Một loạt các trung kế, tổng đài và văn phòng trung tâm tạo thành hạ tầng truyền dẫn của công ty điện thoại. Nó được thể hiện trong hình như một đám mây bởi vì có cấu trúc vật lý thay đổi thường xuyên và chỉ những người có trách nhiệm quản trị mạng mới biết dữ liệu sẽ đi tới đâu tại các tổng đài. Đối với khách hàng, điều quan trọng là dữ liệu đã được chuyển qua đường dây để tới đích.

Tổng đài chuyển mạch gói (Packet-switching exchange): Các tổng đài chuyển mạch trên mạng chuyển mạch gói của công ty viễn thông. PSE là các điểm trung gian trong đám mây mạng WAN.

Dữ liệu truyền trên mạng LAN chủ yếu được gửi từ một thiết bị số (máy tính) tới một thiết bị số khác thông qua kết nối trực tiếp. Trong khi đó, bởi vì một số mạng WAN sử dụng mạng điện thoại tương tự sẵn có, nên việc truyền số liệu có thể sử dụng một hay kết hợp những phương pháp dưới đây:

Truyền tín hiệu tương tự

Các tín hiệu tương tự thường được thể hiện dưới dạng sóng. Cường độ và tần số của tín hiệu tương tự thay đổi liên tục nên nó có thể thể hiện một cách chính xác sự chuyển động liên tục hay âm thanh hay những chuyển động đa trạng thái. Cường độ và tần số của tín hiệu tăng lên và giảm xuống tương ứng với cao độ và cường độ của âm thanh. Các tín hiệu tương tự thường dùng để biểu diễn các dữ liệu thời gian thực. Truyền thanh, điện thoại và các phương tiện truyền thông thường sử dụng tín hiệu tương tự.

Truyền tín hiệu số

Thay vì dòng thay đổi liên tục, các tín hiệu số chỉ sử dụng 2 trạng thái, 0 và 1, để biểu diễn các bit dữ liệu. Đây là phương pháp truyền tín hiệu lý tưởng cho các mạng máy tính. Các máy tính sẽ cần tới modem, thiết bị chuyển đổi tín hiệu số của máy tính thành tín hiệu tương tự để truyền dữ liệu qua đường dây điện thoại tương tự.

Lưu ý: Trước đây, mạng điện thoại PSTN là mạng tương tự hoàn toàn. Các tín hiệu tương tự từ máy điện thoại tới công ty viễn thông và sẽ tiếp tục được chuyển qua các hệ thống sử dụng tín hiệu tương tự để tới đích. Ngày nay, các hệ thống điện thoại hiện nay sử dụng kết hợp hai phương pháp. Phần lớn các mạng chuyển mạch (swithced network) kết nối mạng của các công ty viễn thông đều đã được số hoá, riêng chặng cuối nối phần lớn hộ gia đình và một số doanh nghiệp vẫn sử dụng tín hiệu tương tự. Sơ đồ dưới đây cho ta thấy hai máy tính số có thể được kết nối qua mạng WAN có cả các thành phần số và thành phần tương tự. Khi một máy tính gửi tín hiệu qua mạng WAN, modem sẽ chuyển tín hiệu số thành tín hiệu tương tự để chuyển tín hiệu tới công ty điện thoại. Modem của công ty điện thoại sẽ lại chuyển dữ liệu thành dạng số để truyền qua mạng chuyển mạch. Tín hiệu lại được chuyển ngược trở lại thành tín hiệu tương tự tại phía đầu đích của công ty viễn thông để chuyển tới modem của máy tính nhận dữ liệu. Cuối cùng, modem này sẽ chuyển tín hiệu tương tự thành dạng số cho máy tính.

Các loại hình kết nối trong mạng WAN

Khi một thông điệp di chuyển qua đám mây mạng WAN, cách thức nó di chuyển từ điểm này tới điểm khác trên đường đi của nó sẽ khác nhau phụ thuộc vào kết nối vật lý và giao thức sử dụng. Các kết nối mạng WAN thường được phân thành những dạng sau:

Kết nối dành riêng (Dedicated Connection)

Đây là kết nối mang tính thường trực, kết nối trực tiếp một thiết bị với một thiết bị khác. Kết nối dành riêng có tính ổn định và nhanh nhưng có thể rất đắt. Thuê một đường dây từ nhà cung cấp dịch vụ mạng WAN có nghĩa là bạn phải trả tiền kết nối ngay cả khi bạn không sử dụng nó. Hơn nữa, bởi vì các đường dây dành riêng thiết lập kết nối trực tiếp chỉ giữa 2 điểm, nên số đường dây cần thiết sẽ tăng theo hàm số mũ các vị trí cần kết nối. Ví dụ, nếu bạn muốn kết nối 2 vị trí, bạn cần một đường dây nhưng muốn kết nối 4 vị trí bạn sẽ cần tới 6 đường dây.

Các đặc trưng của kết nối dành riêng:

• Luôn luôn sẵn có
• Sử dụng đường dây người thuê bao thuê của nhà cung cấp dịch vụ mạng WAN
• Đắt hơn so với các giải pháp mạng WAN khác
• Sử dụng các kết nối riêng biệt giữa các điểm
  

Sử dụng kết nối dành riêng khi:

• Có lưu lượng cao dữ liệu luân chuyển qua mạng LAN
• Cần kết nối thường xuyên
• Có ít địa điểm cần kết nối với nhau

Mạng chuyển mạch (circuit- switched network)

Mạng chuyển mạch cho bạn một giải pháp thay thế đối với đường thuê riêng (kết nối dành riêng), cho phép bạn sử dụng các đường dây dùng chung. Mạng chuyển mạch làm việc hai chiều, cho phép thiết lập cả các kết nối quay số vào (dial-in) và quay số ra (dial-out).

Khi bạn sử dụng mạng chuyển mạch:

1. Máy tính gửi dữ liệu quay số vào đường dây và kết nối được thiết lập
2. Máy tính nhận dữ liệu gửi xác nhận và khoá đường dây
3. Máy tính gửi dữ liệu truyền dữ liệu qua kết nối được thiết lập
4. Sau khi hoàn tất việc truyền dữ liệu, kết nối được giải phóng cho những người sử dụng khác

Mạng chuyển mạch sử dụng các mạch ảo chuyển mạch (SVC – switched virtual circuit). Một đường truyền dữ liệu dành riêng được thiết lập khi bắt đầu quá trình truyền thông nhờ một loạt các bộ chuyển mạch điện tử. Con đường riêng này sẽ còn cho tới khi kết thúc quá trình truyền thông).

Hệ thống điện thoại công cộng là một mạng chuyển mạch. Khi bạn thực hiện một cuộc gọi, PSTN sử dụng các bộ chuyển mạch để tạo ra một kết nối vật lý, trực tiếp và dành riêng cho suốt thời gian diễn ra cuộc gọi. Khi bạn ngưng cuộc gọi, các bộ chuyển mạch giải phóng đường dây cho những người sử dụng khác. Các máy tính kết nối qua mạng làm việc theo cách thức tương tự như vậy. Khi máy tính quay số vào mạng, trước tiên con đường qua mạng được thiết lập để sau đó dữ liệu sẽ được chuyển qua con đường dành riêng tạm thời này.

Mạng chuyển mạch gói (packet-swiched)

Mạng chuyển gói không yêu cầu một đường thuê riêng hay đường dành riêng tạm thời. Thay vào đó, đường đi của thông điệp được thiết lập một cách cơ động khi dữ liệu chuyển qua mạng. Kết nối chuyển mạch gói là kết nối thường xuyên bật. Điều đó có nghĩa là bạn không cần quan tâm tới việc thiết lập kết nối hay giữ riêng đường dây. Mỗi gói tin bao gồm cả thông tin cần thiết để tới đích.

Mạng chuyển mạch gói có những đặc trưng sau đây:

• Thông điệp được chia thành những đơn vị nhỏ, gọi là gói
• Các gói được chuyển độc lập qua liên mạng (có thể theo những con đường khác nhau)
• Các gói được sắp xếp lại theo thứ tự ban đầu tại nơi nhận
• Thiết bị gửi và thiết bị nhận mặc định xem kết nối là thường trực (không cần quay số)

Mạng chuyển mạch gói sử dụng các mạch ảo thường trực (PVC- permanent virtual circuit). Mặc dù PVC giống như kết nối dành riêng, trực tiếp, con đường mỗi gói tin đi trong liên mạng có thể khác nhau.

Các dịch vụ mạng diện rộng

PSTN

Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng là mạng lâu đời nhất và có qui mô lớn nhất có thể sử dụng cho truyền thông mạng WAN. Các đặc trưng của PSTN bao gồm:

• Đây là mạng chuyển mạch, có phạm vi toàn cầu
• Giao diện với PSTN là tương tự, vì vậy các máy tính sử dụng modem để kết nối với PSTN
• Tốc độ trên PSTN thường bị giới hạn ở ngưỡng 56 Kbit/s
• Bạn có thể sử dụng PSTN khi có nhu cầu (on demand) hay thuê một mạch riêng

Hình 8: Mạng điện thoại PSTN

Đường thuê riêng (Leased Line)

Đối với một số công ty, lợi ích của một đường thuê riêng có thể cao hơn rất nhiều so với chi phí phải bỏ ra. Đường thuê riêng là đường độc lập và có tốc độ cao hơn so với đường PSTN thông thường. Tuy nhiên nó khá đắt nên thường chỉ có các công ty lớn sử dụng. Các đặc trưng khác của đường thuê riêng bao gồm:

• Cung cấp kết nối thường xuyên, chất lượng ổn định
• Bạn có thể bỏ thêm chi phí để nâng cấp đường thuê riêng

X.25

X.25 ra đời vào những năm 1970. Mục đích ban đầu của nó là kết nối các máy chủ lớn ( mainframe) với các máy trạm (terminal) ở xa. Ưu điểm của X.25 so với các giải pháp mạng WAN khác là nó có cơ chế kiểm tra lỗi tích hợp sẵn. Chọn X.25 nếu bạn phải sử dụng đường dây tương tự hay chất lượng đường dây không cao.

X.25 là chuẩn của ITU-T cho truyền thông qua mạng WAN sử dụng kỹ thuật chuyển mạch gói qua mạng điện thoại. Thuật ngữ X.25 cũng còn được sử dụng cho những giao thức thuộc Lớp vật lý và Lớp liên kết dữ liệu để tạo ra mạng X.25. Theo thiết kế ban đầu, X.25 sử dụng đường dây tương tự để tạo nên một mạng chuyển mạch gói, mặc dù mạng X.25 cũng có thể được xây dựng trên cơ sở một mạng số. Hiện nay, giao thức X.25 là một bộ các qui tắc xác định cách thức thiết lập và duy trì kết nối giữa các DTE và DCE trong một mạng dữ liệu công cộng (PDN – public data network). Nó qui địch các thiết bị DTE/DCE và PSE (Packet-swiching exchange) sẽ truyền dữ liệu như thế nào.

• Bạn cần phải trả phí thuê bao khi sử dụng mạng X.25
• Khi sử dụng mạng X.25, bạn có thể tạo kết nối tới PDN qua một đường dây dành riêng
• Mạng X.25 hoạt động ở tốc độ 64 Kbit/s (trên đường tương tự)
• Kích thước gói tin (gọi là frame) trong mạng X.25 không cố định
• Giao thức X.25 có cơ chế kiểm tra và sửa lỗi rất mạnh nên nó có thể làm việc tương đối ổn định trên hệ thống đường dây điện thoại tương tự có chất lượng thấp
• X.25 hiện đang được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới nơi các mậng số chưa phổ biến cũng như chất lượng đường dây còn thấp

Frame Relay

Frame Relay hiệu quả hơn so với X.25 và đang dần dần thay thế chuẩn này. Khi sử dụng Frame Relay, bạn trả phí thuê đường dây tới node gần nhất trên mạng Frame Relay. Bạn gửi dữ liệu qua đường dây của bạn và mạng Frame Relay sẽ định tuyến nó tới node gần nhất với nơi nhận và chuyển dữ liệu xuống đường dây của người nhận. Frame Relay nhanh hơn so với X.25

Frame Relay là một chuẩn cho truyền thông trongmạng WAN chuyển mạch gói qua các đường dây số chất lượng cao. Một mạng Frame Relay có các đặc trưng sau:

• Có nhiều điểm tương tự như khi triển khai một mạng X.25
• Có cơ chế kiểm tra lỗi nhưng không có cơ chế khắc phục lỗi
• Tốc độ truyền dữ liệu có thể lên tới 1.54 Mbit/s
• Cho phép nhiều kích thước gói tin khác nhau
• Có thể kết nối như một kết nối đường trục tới mạng LAN
• Có thể triển khai qua nhiều loại đường kết nối khác nhau (56K, T-1, T-3)
• Hoạt động tại Lớp Vật lý và Lớp Liên kết dữ liệu trong mô hình OSI.

Khi đăng ký sử dụng dịch vụ Frame Relay, bạn được cam kết về mức dịch vụ gọi là CIR (Committed Information Rate). CIR là tốc độ truyền dữ liệu tối đa được cam kết bạn nhận được trên một mạng Frame Relay. Tuy nhiên, khi lưu lượng trên mạng thấp, bạn có thể gửi dữ liệu ở tốc độ nhanh hơn CIR. Khi lưu lượng trên mạng cao, ưu tiên sẽ dành cho những khách hàng có mức CIR cao.

ISDN (Intergrated Services Digital Network)

Một trong những mục đích của ISDN là cung cấp khả năng truy nhập mạng WAN cho các hộ gia đình và doanh nghiệp sử dụng đường cáp đồng điện thoại. Vì lý do đó, các kế hoạch triển khai ISDN đầu tiên đã đề xuất thay thế các đường dây tương tự đang có bằng đường dây số. Hiện nay, việc chuyển đổi từ tương tự sang số đang diễn ra mạnh mẽ trên thế giới. ISDN cải thiện hiệu năng vận hành so với phương pháp truy nhập mạng WAN qua đường quay số và có chi phí thấp hơn so với Frame Relay.

ISDN định ra các tiêu chuẩn cho việc sử dụng đường dây điện thoại tương tự cho cả việc truyền dữ liệu số cũng như truyền dữ liệu tương tự. Các đặc điểm của ISDN là:

• Cho phép phát quảng bá nhiều kiểu dữ liệu (thoại, video, đồ hoạ...)
• Tốc độ truyền dữ liệu và tốc độ kết nối cao hơn so với kết nối quay số truyền thống

ATM

ATM (Asynchronous Transfer Mode – Chế độ truyền không đồng bộ) là hệ thống chuyển mạch gói tiên tiến, có thể truyền đồng thời dữ liệu, âm thanh và hình ảnh số hoá trên cả mạng LAN và mạng WAN.

Đây là một trong những phương pháp kết nối mạng WAN nhanh nhất hiện nay, tốc độ đạt từ 155 Mbit/s đến 622 Mbit/s. Trên thực tế, theo lý thuyết nó có thể hỗ trợ tốc độ cao hơn khả năng hiện thời của các phương tiện truyền dẫn hiện nay. Tuy nhiên, tốc độ cao có nghĩa là chi phí cũng cao hơn, ATM đắt hơn nhiều so với ISDN, X25 hoặc FrameRelay. Các đặc trưng của ATM bao gồm:

Sử dụng gói dữ liệu (cell) nhỏ, có kích thước cố định (53 byte), dễ xử lý hơn so với các gói dữ liệu có kích thước thay đổi trong X.25 và Frame Relay.

• Tốc độ truyền dữ liệu cao, theo lý thuyết có thể đạt 1,2 Gbit/s
• Chất lượng cao, độ nhiễu thấp nên gần như không cần đến việc kiểm tra lỗi
• Có thể sử dụng với nhiều phương tiện truyền dẫn vật lý khác nhau ( cáp đồng trục, cáp dây xoẵn, cáp sợi quang)
• Có thể truyền đồng thời nhiều loại dữ liệu

Phần cứng mạng WAN

Phần cứng mạng WAN bạn sử dụng phụ thuộc vào dịch vụ mạng WAN bạn muốn kết nối tới. Mỗi giao thức mạng WAN có các đặc tả và yêu cầu khác nhau đối với phần cứng và phương tiện truyền dẫn. Tuy nhiên, với sự lựa chọn của bạn, có nhiều phần cứng có thể tương thích với nhiều dịch vụ mạng WAN khác nhau.

Nhà cung cấp dịch vụ mạng WAN là người chịu trách nhiệm về mạng WAN và cung cấp Cáp nối chặng cuối (local loop) tới Điểm ranh giới (Demarc) (xem Internet thật là đơn giản số 2/2004). Cáp nối chặng cuối thường là dây cáp đồng, cùng một loại dây sử dụng cho dịch vụ điện thoại.

Thiết lập đường dây điện thoại

Nhiều hộ gia đình và doanh nghiệp hiện nay sử dụng cáp 4 dây gồm 2 cặp dây xoắn đồng: cặp thứ nhất sử dụng cho điện thoại và cặp thứ hai làm dự phòng. Điều này cho phép các doanh nghiệp mới có thể sẵn sàng kết nối mạng WAN mà không cần phải lắp đặt thêm hệ thống đường dây mới. Một đường tín hiệu tương tự sử dụng hai dây đồng và một đường tín hiệu số có thể sử dụng hai dây hay cả 4 dây đồng của Cáp nối chặng cuối tuỳ thuộc vào loại hình kết nối mạng WAN. Các công ty điện thoại cần phải sửa đổi bộ chuyển mạch đường truyền (line switching) ở Văn phòng trung tâm để có thể truyền tín hiệu số trên Cáp nối chặng cuối.

Dây dẫn đồng được phân loại theo băng thông. Băng thông, đến lượt nó, lại quyết định lượng dữ liệu bạn có thể gửi và tín hiệu truyền là tương tự hay tín hiệu số. Dưới đây chúng ta sẽ nghiên cứu về hai phương pháp phân loại băng thông trên cáp đồng.

Plain Old Telephone Service (POTS)

Hệ thống điện thoại tương tự chỉ gửi một tín hiệu tương tự trên mỗi cặp dây: mỗi tín hiệu riêng biệt này được coi là một kênh. Sử dụng POTS và modem để gửi tín hiệu tương tự cung cấp cho bạn một kênh 64Kbit/s, trong đó chỉ 56Kbit/s băng thông dành cho truyền dữ liệu. Modem và đường dây điện thoại truyền thống khá phù hợp cho mục đích sử dụng Internet để gửi thư điện tử và một số công việc thông thường khác. Tuy nhiên, nếu bạn cần gửi và nhận một khối lượng dữ liệu lớn thì sẽ mất khá nhiều thời gian.

Dịch vụ POTS có những đặc điểm sau đây:

• Các đường dây hiện thời chỉ sử dụng hai cặp dây xoắn
• Tín hiệu trên Cáp nối chặng cuối là tín hiệu tương tự.
• Cần tới modem để chuyển tín hiệu số thành tín hiệu tương tự
• Tốc độ hiệu quả của đường dây bị giới hạn ở ngưỡng 56 Kbit/s

T-Carries

Lớp vật lý của nhiều hệ thống mạng WAN ở Mỹ dựa trên công nghệ T-Carrier do công ty Bell/AT&T phát triển. Các đường dây T-1 sử dụng cả 4 dây đồng: một cặp để gửi và một cặp để nhận dữ liệu. Chúng không sử dụng đường dây vật lý bổ sung (additional wire) mà thiết lập các kênh ảo (virtual channel). Cáp sợi quang và các loại đường truyền khác sử dụng cho Cáp nối chặng cuối cho phép tốc độ truyền dữ liệu đạt cao hơn.

Công nghệ T-carries có các đặc điểm sau đây:

• Sử dụng hai cặp cáp dây xoắn đồng
• Sử dụng tín hiệu số
• Hỗ trợ nhiều kênh 64 Kbit/s trên một dây

Các đường dây T-carrier được phân loại dựa trên số kênh mà nó có thể hỗ trợ

• T1 (24 kênh, sử dụng ở Mỹ)
• E1 (31 kênh, sử dụng ở châu Âu)

Các đường T-carrier cũng được phân theo loại dữ liệu sẽ được truyền tải trên đường dây (ví dụ dữ liệu thuần tuý, âm thanh số hoá, hình ảnh số hoá...). Hơn nữa, người sử dụng có thể đăng ký một phần dịch vụ của đường T1 và sử dụng một số trong số các kênh sẵn có của nó.

Lưu ý: Các loại đường T-carrier được phân ra nhằm mục đích miêu tả băng thông, đây không phải là các giao thức mạng WAN. Ví dụ, ISDN là một dịch vụ mạng WAN sử dụng phương pháp truyền tín hiệu số qua 4 dây. Băng thông của ISDN phụ thuộc vào bao nhiêu dung lượng của đường T1 được sử dụng.

Basic Rate ISDN (BRI)

Basic Rate ISDN gồm 2 kênh 64Kbit/s (gọi là các kênh B) và một kênh 16 Kbit/s (gọi là kênh D). Vì vậy nó còn được gọi là 2B+D. Các kênh B truyền tải dữ liệu, âm thanh và hình ảnh số hoá. Kênh D là kênh dịch vụ sử dụng cho cả dữ liệu và thông tin điều khiển. ISDN BRI rất hợp lý cho các hộ gia đình và doanh nghiệp nhỏ cần tốc độ truyền dữ liệu cao hơn so với modem truyền thống.

Dưới đây là 2 trường hợp sử dụng ISDN BRI điển hình nhất:

• Một kênh B được dùng cho thoại, kênh kia được dùng cho dữ liệu
• Cả hai kênh được dùng cho truyền dữ liệu với tốc độ tổng cộng là 128 Kbit/s
  

Lưu ý: Băng thông tổng cộng của ISDN BRI là 144 Kbit/s (2 kênh B và 1 kênh D) trong khi [/i]tốc độ truyền dữ liệu tổng cộng là 128 Kbit/s (dữ liệu chỉ được gửi qua 2 kênh B)

Primary Rate ISDN(PRI)

Tại Mỹ, Primary Rate ISDN sử dụng toàn bộ đường T1, hỗ trợ 23 kênh B 64 Kbit/s và một kênh D 64 Kbit/s, vì vậy nó được gọi là 23B+D. ISDN PRI sử dụng trong các doanh nghiệp yêu cầu kết nối tốc độ cao, thường xuyên bật.

Tại châu Âu, Primary Rate thường được gọi là 30B+D bởi vì nó sử dụng toàn bộ đường E-1 để hỗ trợ 30 kênh B và 1 kênh D1.

Ngoài đường truyền, bạn cần phần cứng để kết nối tới mạng WAN và định dạng chính xác tín hiệu cho loại hình kết nối bạn sử dụng. Ví dụ, phần cứng có thể là những modem chuyển tín hiệu số sang tín hiệu tương tự. Bạn sẽ sử dụng một hoặc hai loại thiết bị phần cứng dưới đây cho các mạng số hoàn toàn.

Multiplexer (Bộ dồn kênh)

Như hình vẽ dưới đây, bộ dồn kênh hoạt động tại hai đầu của đường truyền. Tại đầu gửi tín hiệu, bộ dồn kênh là thiết bị kết hợp tín hiệu từ hai hay nhiều thiết bị khác để truyền trên một đường truyền. Tại đầu nhận, một bộ dồn kênh với chức năng giải kênh sẽ tách tín hiệu kết hợp thành tín hiệu riêng rẽ như ban đầu. Nhiều bộ định tuyến trên mạng WAN có tích hợp sẵn các bộ dồn kênh.

Bộ dồn kênh thống kê (Statistical multiplexer): Sử dụng các kênh ảo riêng biệt trên cùng một đường truyền vật lý để gửi đồng thời những tín hiệu khác nhau. (các tín hiệu được chuyển cùng một lúc trên đường truyền).

Bộ dồn kênh phân chia theo thời gian (Time-division multiplexer): Gửi các gói dữ liệu của các tín hiệu khác nhau ở những khoảng thời gian khác nhau. Thay vì chia đường truyền vật lý thành các kênh, nó cho phép các dòng dữ liệu sử dụng đường truyền ở những “khe” thời gian xác định (các tín hiệu lần lượt được sử dụng đường truyền trong những khoảng thời gian ngắn).

CSU/DSU (Chanel Service Unit/Data Service Unit)

Đây là thiết bị kết nối các mạng với đường truyền tốc độ cao như T-1. Thiết bị này định dạng các dòng dữ liệu thành các khuôn dạng khung (framing) và xác định mã đường truyền cho các đường truyền số. Một số CSU/DSU còn là các bộ dồn kênh, hoặc được tích hợp sẵn trong các bộ định tuyến. Bạn cũng có thể nghe nói về CSU/DSU là một dạng modem số nhưng điều này không hoàn toàn chính xác. Modem chuyển dữ liệu từ dạng tương tự sang dạng số và ngược lại trong khi đó CSU/DSU chỉ định dạng lại các dữ liệu từ dạng số đã có.

CSU nhận tín hiệu và truyền tín hiệu nhận được tới đường dây mạng WAN, phản xạ tín hiệu trả lời khi các công ty điện thoại cần kiểm tra thiết bị và ngăn nhiễu điện từ.

DSU tương tự như một modem giữa DTE và CSU. Nó chuyển các khung dữ liệu từ định dạng sử dụng trong mạng LAN thành định dạng sử dụng trên đường T-1 và ngược lại. Nó còn quản lý đường dây, lỗi phân chia thời gian và tái tạo tín hiệu.

Các giao thức interface

Có các loại giao thức “interface” khác nhau cho kết nối mạng WAN. “Interface”, trong ngữ cảnh này, liên quan tới định dạng của các khung tầng vật lý hoặc các phương pháp xác lập tín hiệu bit (định dạng các xung điện từ).

Các giao thức nối tiếp đồng bộ (Synchronous Serial Protocols)

Các giao thức nối tiếp đồng bộ sử dụng tín hiệu đồng hồ chính xác giữa DCE và DTE để truyền dữ liệu theo thời gian. Trong truyền thông đồng bộ, một số lượng lớn khung dữ liệu được gửi đi khi đồng hồ đồng bộ và tốc độ truyền dữ liệu được xác lập từ trước. Đây là phương pháp truyền thông sử dụng băng thông rất hiệu quả.

Các giao thức truyền tín hiệu đồng bộ bao gồm:

• V.35
• RS -232 (EAI/TIA)
• X.21
• RS-449
• RS-530

Mặc dù mỗi giao thức “interface” sử dụng một loại bộ kết nối riêng, phần lớn các bộ kết nối có thể được sử dụng cho nhiều interface khác nhau. Thông thường, loại phần cứng bạn có sẽ quyết định bộ kết nối nào được sử dụng. Trong thực tế, hãy kiểm tra số đầu cắm trong bộ kết nối để chắc chắn nó phù hợp với cổng nối tiếp của thiết bị. Những loại bộ kết nối phổ biến gồm (các số thể hiện số chân cắm trong bộ kết nối): DB60, DB25, DB15, DB9.

Các giao thức không đồng bộ (Asynchronous Protocol)

Các giao thức truyền không đồng bộ sẽ đưa thêm các bít bắt đầu (start bit) và bit kết thúc (stop bit) vào mỗi gói tin để truyền thin, thay vì bắt buộc thiết bị gửi và thiết bị nhận sử dụng thoả thuận trước về nhịp đồng hồ. Truyền tín hiệu không đồng bộ thường được sử dụng giữa 2 modem. Tuy nhiên, đây là phương pháp truyền có phụ phí vì các bit phụ thêm sẽ làm chậm tốc độ truyền dữ liệu.

Các giao thức không đồng bộ được sử dụng để thiết lập chuẩn cho truyền thông của các modem tương tự. Một modem bạn mua về có thể hỗ trợ một hoặc nhiều chuẩn truyền thông không đồng bộ khác nhau. Các giao thức truyền thông không đồng bộ bao gồm: V.92, V.45, V.35, V.34, V.32, V.32 bis, V.32 turbo, V.22.

Truyền tín hiệu không đồng bộ sử dụng đường dây điện thoại và jack cắm chuẩn. Các bộ kết nối có thể là: RJ-11 (2 dây), RJ-45 (4 dây), RJ-48.

Các phương pháp đóng gói dữ liệu trong mạng WAN

Các giao thức lớp vật lý của mạng WAN sẽ xác định phần cứng và phương pháp truyền tín hiệu bit. Các giao thức thuộc lớp liên kết dữ liệu sẽ kiểm soát những chức năng dưới đây:

• Kiểm tra và sửa lỗi
• Thiết lập liên kết
• Tổ chức các trường (field) của khung dữ liệu
• Điều khiển luồng điểm tới điểm (point-to-point flow control)

Các giao thức lớp liên kết vật lý còn xác định phương pháp đóng gói dữ liệu hoặc định dạng của khung dữ liệu. Phương pháp đóng gói dữ liệu trong mạng WAN thường được gọi là HDLC (high-level data link control - điều khiển liên kết dữ liệu mức cao). Thuật ngữ này vừa là tên chung cho các giao thức Liên kết Dữ liệu vừa là tên của một giao thức trong bộ giao thức và dịch vụ mạng WAN. Tuỳ thuộc vào dịch vụ mạng WAN và phương pháp kết nối, bạn có thể sử dụng một trong những phương pháp đóng gói dữ liệu sau đây:

• Cisco HDLC cho kết nối đồng bộ, điểm tới điểm với các bộ định tuyến Cisco khác.
• LAPB cho mạng X.25
• LAPD, sử dụng kết hợp với các giao thức khác cho các kênh B trong mạng ISDN.
• Cisco/IETF cho các mạng Frame Relay

Hình bên cho chúng ta thấy những phương pháp đóng gói dữ liệu thông thường nhất và cách thức sử dụng cho các loại kết nối mạng WAN điển hình. Như có thể thấy trong hình vẽ, PPP là phương pháp linh hoạt có thể sử dụng cho nhiều loại kết nối mạng WAN. Nói chung, sử dụng phương pháp nào sẽ phụ thuộc vào loại của dịch vụ mạng WAN, chẳng hạn Frame Relay hay ISDN, và cả phương pháp đóng gói dữ liệu của nhà cung cấp dịch vụ mạng.

Quản lý và tối ưu hóa mạng WAN

Bởi vì việc truyền dữ liệu vẫn dựa trên các quy tắc vật lý, khoảng cách giữa hai thiết bị càng lớn thì thời gian truyền dữ liệu giữa chúng càng lâu. Tương tự, khoảng cách càng lớn thì độ trễ càng lớn. Sự tắc nghẽn mạng và các gói bị “rớt” (drop) cũng có thể gây ra những vấn đề về hiệu suất.

Một số vấn đề này có thể được giải quyết bằng cách sử dụng tinh năng tối ưu hóa WAN, giúp truyền dữ liệu hiệu quả hơn. Điều này rất quan trọng vì các liên kết WAN có thể tốn kém, do đó có nhiều công nghệ đã ra đời để giảm lượng lưu lượng truy cập qua những liên kết WAN và đảm bảo rằng nó đến một cách hiệu quả. Các phương pháp tối ưu hóa này bao gồm rút gọn dữ liệu dư thừa (còn được gọi là khử trùng lặp), nén và lưu vào bộ nhớ đệm (đưa dữ liệu được sử dụng thường xuyên đến gần hơn với người dùng cuối).

Lưu lượng có thể được định hình để cung cấp cho các ứng dụng nhạy cảm về thời gian như VoIP có mức ưu tiên cao hơn so với những lưu lượng khác, ít khẩn cấp hơn như email, do đó giúp cải thiện hiệu suất tổng thể của mạng WAN. Điều này có thể được chính thức hóa thành cài đặt Quality of Service (QoS) xác định các lớp lưu lượng theo mức độ ưu tiên mà mỗi lớp nhận được so với các lớp khác, loại kết nối WAN mà mỗi loại lưu lượng sẽ di chuyển và băng thông mà mỗi loại nhận được.

Khi là một danh mục riêng biệt, SD-WAN sẽ tối ưu hóa mạng WAN.

Bảo mật mạng WAN

Lưu lượng truy cập giữa các trang WAN có thể được bảo vệ bởi mạng riêng ảo (VPN), bảo mật cho mạng vật lý bên dưới, bao gồm xác thực, mã hóa, bảo mật và chống thoái thác (non-repudiation). Nói chung, bảo mật là một phần quan trọng của bất kỳ triển khai mạng WAN nào, vì kết nối WAN thể hiện một lỗ hổng tiềm ẩn mà kẻ tấn công có thể sử dụng để truy cập vào mạng riêng.

Ví dụ, một văn phòng chi nhánh không có nhân viên phụ trách bảo mật an toàn thông tin toàn thời gian có thể rất lỏng lẻo trong các hoạt động bảo mật không gian mạng. Do đó, một tin tặc đã xâm phạm mạng tại chi nhánh có thể tiếp tục truy cập vào mạng WAN chính của công ty, bao gồm các tài sản có giá trị mà lẽ ra không thể bị xâm phạm. Ngoài các tính năng mạng, nhiều dịch vụ SD-WAN cũng cung cấp các dịch vụ bảo mật, điều này cần được lưu ý trong quá trình triển khai.

Internet liên hành tinh

Công nghệ WAN không chỉ giới hạn ở Trái đất. NASA và các cơ quan không gian khác đang làm việc để tạo ra một mạng “Internet liên hành tinh” đáng tin cậy, nhằm mục đích truyền các thông điệp thử nghiệm giữa Trạm vũ trụ quốc tế và các trạm mặt đất.

Chương trình Disruption Tolerant Networking (DTN) là bước đầu tiên trong việc cung cấp cấu trúc giống như Internet để liên lạc giữa các thiết bị dựa trên không gian, bao gồm liên lạc giữa Trái đất và Mặt trăng hoặc các hành tinh khác. Nhưng trừ bất kỳ sự đột phá đáng kể nào về vật lý, tốc độ mạng có thể sẽ vượt qua tốc độ ánh sáng.