QoS trong MPLS

QoS trong MPLS

PHẦN A

GIỚI THIỆU

Trong thời gian thực hiện đề tài, sinh viên đã gặp nhiều khó khăn về mặtkiến thức và phương pháp tiếp cận đề tài Nhưng với sự nhiệt tình, sự tận tâm của

thầy TS.LÊ QUANG TUẤN người thực hiện đề tài đã lần lượt giải quyết được các

vấn đề đặt ra Người thực hiện đề tài đã được Thầy giúp tìm hiểu và nắm bắt đượccác vấn đề cơ bản mà đề tài cần thực hiện Thầy đã theo dõi quá trình thực hiện đềtài của sinh viên và có những lời nhận xét và bổ sung vô cùng quý báu để sinh viênhoàn thành tốt nhất đề tài của mình Sinh viên thực hiện đề tài xin gửi đến Thầy lờibiết ơn chân thành và sâu sắc

Ngoài ra, người thực hiện đề tài cũng xin chân thành cảm ơn quý thầy côtrong khoa điện tử , thầy cô trong bộ môn viễn thông của trường đại học sư phạm

kỹ thuật TP.Hồ Chí Minh , gia đình và bạn bè đã luôn hỗ trợ và tạo điều kiện tốtnhất cho sinh viên hoàn thành đề tài này

Người thực hiện đề tài Đào văn Hiển

MỤC LỤC

Trang

Trang bìa lót

Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp

Lịch trình thực hiện đồ án tốt nghiệp

Lời cảm ơn

Mục lục

Liệt kê bảng vii

Liệt kê hình viii

Liệt kê từ viết tắt xii

Tóm tắt xiv

Chương 1: Liệt kê bảng iv

Liệt kê hình v

Liệt kê từ viết tắt viii

3.1 Mạng NGN-IMS [8] 3

3.2 Chuyển mạch nhãn MPLS [1],[2],[9] 22

3.3 Công nghệ MPLS/VPN [4], [9] 31

Chương 4: ĐỊNH TUYẾN VÀ DỊCH VỤ TRONG MẠNG MPLS/VPN 43

4.1 Các giao thức định tuyến [5],[10] 43

4.2 Dịch vụ trong mạng [4],[6],[9] 64

Chương 5: MÔ PHỎNG VỀ VẤN ĐỀ QOS TRONG MẠNG MPLS/VPN .107

5.1 Mục tiêu của bài mô phỏng 107

5.2 Các thành phần trong bài mô phỏng 108

5.3 Cài đặt thông số trong bài mô phỏng 109

5.4 Kết quả mô phỏng và nhận xét 112

4.1 Kết luận 121

A 1 Cấu hình cho các router trong mạng [2],[4],[9] 124

Chương 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 4.1 Kết luận……… 119

4.2 Hướng phát triển……… …… 119

PHỤ LỤC Phụ lục A Phụ lục A.1 Cấu hình cho các router trong mạng……… ……120

Phụ lục A.2 Giới thiệu các phần mềm……… ……… 157

Phụ lục B Tài liệu tham khảo ……… 164

Bảng 1.1:Các phần tử của Softswitch có chức năng tương tự IMS 16

Bảng 1.2:Sự khác nhau giữa Softswitch và IMS [11] 17

Bảng 4.1:TE Class định nghĩa hai lớp CT và hai mức ưu tiên 104

Bảng 5.1:Băng thông ràng buộc RDM cho 8 lớp CT 105

Chương 2:

Hình 1.1:Topo mạng thế hệ sau 5

Hình 1.1:Cấu trúc mạng thế hệ sau ( góc độ mạng) 6

Hình 1.2:Cấu trúc mạng và dịch vụ NGN (góc độ dịch vụ) 6

Hình 1.3:Cấu trúc luận lý của NGN 7

Hình 1.1:Cấu trúc mạng chuyển mạch đa dịch vụ 11

Hình 1.1:Hệ thống chuyển mạch mềm [11] 13

Hình 1.1:Kiến trúc phân lớp của IMS [11] 14

Hình 1.1:Kiến trúc chức năng của IMS trong TISPAN [7] 15

Hình 1.1:So sánh kiến trúc Softswitch và IMS [11] 16

Hình 1.1:Tách các chức năng của SBC theo mô hình lõi IMS của ETSI [11] 19

Hình 1.1:Giải pháp IMS của Alcatel [11] 20

Hình 1.2:Giải pháp IMS của Huawei [11] 21

Hình 1.1:Thiết bị lớp 2 không biết thông tin định tuyến lớp 3 [9] 22

Hình 1.1:Tham chiếu MPLS trong mô hình OSI và TCP/IP [9] 24

Hình 1.1:Kiến trúc một node của MPLS [9] 24

Hình 1.1:Các loại router chuyển mạch nhãn [9] 25

Hình 1.1:Nhãn MPLS [9] 26

Hình 1.2:Ánh xạ từ trường DSCP vào trường EXP [9] 26

Hình 1.3:Label Stack [9] 27

Hình 1.1:Quá trình thiết lập phiên MPLS [9] 28

Hình 1.1:Quá trình phân phối nhãn và xây dựng bản LFIB [9] 29

Hình 1.1:Quá trình hoán đổi nhãn và chuyển tiếp gói tin [9] 29

Hình 1.1:Kết nối từ B đến C được thay thế bằng từ B đến E [9] 30

Hình 1.1:Mô hình mạng riêng ảo (VPN) [4] 31

Hình 1.1:Mô hình Overlay VPN [4] 33

Hình 1.2:Triển khai Overlay VPN ở lớp 2 33

Hình 1.3:IP tunneling 33

Hình 1.4:PPP-over-IP tunnels 34

Hình 1.5:Mô hình Hub and Spoke 34

Hình 1.1:Mô hình Peer-to-Peer VPN 35

Hình 1.2:Lọc gói ở share PE router 36

Hình 2.1:Gắn 64 bit RD vào IPv4 để tạo thành VPNv4 39

Hình 2.2:Gỡ RD khi gói tin ra khỏi mạng 39

Hình 3.1:Cách thức hoạt động của RT 40

Hình 3.2:Các luồng dữ liệu sau khi áp dụng RD và RT [9] 41

Hình 4.1:Mô hình định tuyến trong MPLS/VPN [9] 41

Hình 5.1:Quá trình chuyển tiếp gói tin trong MPLS/VPN [9] 42

Hình 1.1:Quá trình hoán đổi bảng định tuyến [10] 46

Hình 1.2:Sự thay đổi của bảng định tuyến [10] 47

Hình 1.3:Cập nhật thông tin định tuyến [10] 47

Hình 1.1:Tính toán đường đi dựa vào bảng định tuyến [10] 49

Hình 1.2:Sử dụng thuật toán tìm đường [10] 49

Hình 1.1:Mạng chưa hội tụ [9] 64

Hình 2.1:mạng hội tụ [9] 65

Hình 3.1:Cách tính băng thông lớn nhất trong mạng [9] 65

Hình 3.2:Cách tính độ trễ trong mạng [9] 66

Hình 1.1:Một bản SLA đơn giản 68

Hình 1.2:Các bước thực hiện QoS [9] 69

Hình 2.1:Các yêu cầu của ứng dụng Voice [9] 70

Hình 2.2:Các yêu cầu của ứng dụng Video [9] 70

Hình 2.3:Các yêu cầu của Data [9] 71

Hình 3.1:Phân lớp các loại dữ liệu [9] 72

Hình 5.1:So sánh các phương pháp triển khai QoS [9] 73

Hình 1.1:Các bản tin của giao thức RSVP [9] 75

Hình 1.2:Quá trình điều khiển chấp nhận trong RSVP[9] 75

Hình 1.3:DSCP và IP Precedence [9] 77

Hình 1.4:Ánh xạ giữa DSCP và PHB [9] 78

Hình 1.5:Các lớp AF [9] 78

Hình 1.6:Lựa chọn lớp[9] 79

Hình 1.1:Quá trình phân lớp tại ngõ vào của router [9] 80

Hình 1.2:Quá trình đánh dấu [9] 81

Hình 1.3:Tốc độ bất đối xứng giữa WAN và LAN 81

Hình 1.4:Tắc nghẽn do kết tụ băng thông 82

Hình 1.6: First In First Out [9] 83

Hình 1.7:Thuật toán PQ [9] 83

Hình 1.8:Thuật toán Round Robin [9] 84

Hình 1.9:Thuật toán WRR [9] 85

Hình 1.10:Ví dụ về nhược điểm của kỹ thuật CQ [9] 85

Hình 1.11:Kiến trúc của một kỹ thuật hàng đợi 86

Hình 1.12:Kỹ thuật FIFO [9] 87

Hình 1.13:Kỹ thuật WFQ [9] 87

Hình 1.14:Ánh xạ từ IPP đến weight 88

Hình 1.15:Kỹ thuật CBWFQ [9] 89

Hình 1.16:Kỹ thuật LLQ [9] 89

Hình 1.17:Tail Drop [9] 90

Hình 1.18:Ví dụ về Policing [9] 90

Hình 1.19:Ví dụ về Shaping [9] 91

Hình 1.20:Gói tin được nén trước khi đưa vào hàng đợi [9] 92

Hình 1.21:So sánh về hiệu quả của việc nén dùng phần cứng và phần mềm [9] 92

Hình 1.22:Chia nhỏ gói tin Data và đan xen gói tin Voice [9] 93

Hình 1.1:Chức năng của các router khi triển khai QoS [4] 94

Hình 1.1:Một ví dụ về ánh xạ từ DSCP sang EXP [9] 95

Hình 1.2:Ánh xạ theo EXP [6] 95

Hình 1.3:Mô hình ba lớp dịch vụ [9] 98

Hình 1.4:Mô hình bốn lớp dịch vụ [9] 98

Hình 1.5:Mô hình năm lớp dịch vụ [9] 99

Hình 1.1:R1 dùng link-state [9] 100

Hình 1.2:R1 dùng distance vector [9] 101

Hình 1.3:Ví dụ về sử dụng thuật toán CSPF 102

Hình 1.4:MPLS TE luôn có các đường dự phòng cho mạng [9] 103

Hình 1.5:Mô hình MAM [6] 105

Hình 1.6:Mô hình RDM [9] 106

Chương 3:

AF Assured Forwading

ATM Asynchronous Transfer Mode

BGP Border Gateway Protocol

CAC Call Admission Control

CBWFQ Class-Based Weighted Fair Queuing

CEF Cisco Express Forwarding

CRC Cyclic Redundancy Check

CSPF Constraint-based Shortest Path First

DiffServ Differentiated Services

DSCP Differentiated Service Code Point

DS-TE DiffServ-Traffic Engineering MPLS

E-EXP EXP-inferred PSC LSP

EIGRP Enhanced Interior Gateway Routing Protocol

FEC Forwarding Equavilency Class

FIB Forwarding Information Base

FIFO First In First Out

FTP File Transfer Protocol

GRE Generic Routing Encapsulation

IGP Interior Gateway Protocol

IntServ Integrated Services

IS-IS Intermediate System to Intermediate System ISDN Integrated Services Digital Network

L2FP Layer 2 Forwarding Protocol

L2TP Layer 2 Tunneling Protocol

LDP Label Distribution Protocol

L-EXP Label-only inferred PSC LSP

LFIB Lable Forwarding Information Base

LIB Lable Information Base

LSP Lable Swichted Path

LSR Lable Switching Router

MPLS Multiprotocol Label Switching

NBAR Network-Based Application Recognition OAM Operations And Maintenance

OSI Open Systems Interconnection

OSPF Open Shortest Path First

PPP Point-to-Point Protocol

PSTN Public Switched Telephone Network QoS Quality of Service

RIB Routing Information Base

RIP Routing Information Protocol

RSVP Resource Reservation Protocol

RTP Real-time Transport Protocol

RTSP Real Time Streaming Protocol SLA Service Level Agreement

SPF Shortest Path First

TCP Transmission Control Protocol

UDP User Datagram Protocol

VCI Virtual Channel Identifier

VPI Virtual Path Identifier

VPN Virtual Private Network

VRF Virtual Routing and Forwarding

WFQ Weighted Fair Queuing

WRED Weighted Random Early Dection

TÓM TẮT

Để thực hiện đề tài đúng theo nội dung và phương pháp cũng như về mặt thời gian trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài Nội dung đề tài gồm 3 chương :

Chương 1: Tổng quan về mạng NGN-IMS

Trình bày về kiến trúc , hoạt động của mạng NGN , so sánh giữa chuyển mạch mềm ( Softswitch ) và phân hệ đa phương tiện IMS, trình bày về công nghệ chuyện mạch MPLS trong mạng NGN

Chương 2: Định tuyến và dịch vụ trong mạng MPLS/VPN

Trình bày các giao thức định tuyến : BGP ,EIGRP ,OSPF Chất lượng dịch

vụ QoS trong mạng MPLS/VPN các mô hình triển khai của VPN

Chương 3: Mô phỏng vấn đề QoS trong mạng MPLS/VPN

Giải pháp QoS và Vấn đề lưu lượng trong mạng MPLS/VPN

Người thực hiện đề tài

Đào văn Hiển

PHẦN B

NỘI DUNG

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG NGN

3.1 Mạng NGN-IMS [8]

3.1.1 Sự ra đời và phát triển

NGN-(Next Generation Network- NGN) được định nghĩa là “mạng thế hệ

sau ) bắt đầu được nhắc tới từ năm 1998 NGN là bước tiếp theo trong lĩnh vựctruyền thông truyền thống trên thế giới được hỗ trợ bởi 3 mạng lưới: mạng thoạiPSTN, mạng không dây và mạng số liệu (Internet) NGN hội tụ cả 3 mạng trên vàomột kết cấu thống nhất để hình thành một mạng chung, thông minh, hiệu quả chophép truy xuất toàn cầu, tích hợp nhiều công nghệ mới, ứng dụng mới và mở đườngcho các cơ hội kinh doanh phát triển Chương 1 giới thiệu về Mạng thế hệ sau(NGN), trình bày sơ lược về mạng viễn thông hiện tại, đặc điểm và hạn chế Sau đó,

mô tả kiến trúc mạng NGN bao gồm lớp truyền dẫn và truy cập, lớp truyền thông,lớp điều khiển, lớp ứng dụng và lớp quản lý

Khái niệm về mạng viễn thông hiện tại

Mạng viễn thông là phương tiện truyền thông tin từ đầu phát tới đầu thu.Mạng có nhiệm vụ cung cấp các dịch vụ cho khách hàng

Mạng viễn thông bao gồm các thành phần chính: thiết bị chuyển mạch, thiết

bị truyền dẫn, môi trường truyền và thiết bị đầu cuối

 Thiết bị chuyển mạch gồm tổng đài nội hạt và tổng đài quá giang Cácthuê bao được nối vào tổng đài nội hạt và tổng đài nội hạt nối vào tổng đàiquá giang Nhờ các thiết bị chuyển mạch mà đường truyền được dùngchung và mạng có thể được sử dụng một cách kinh tế

 Thiết bị truyền dẫn dùng để nối thiết bị đầu cuối với tổng đài, hay giữa cáctổng đài để thực hiện việc truyền các tín hiệu điện Thiết bị truyền dẫnchia làm 2 loại: thiết bị truyền dẫn phía thuê bao và thiết bị truyền dẫn cápquang Thiết bị truyền dẫn phía thuê bao dùng môi trường thường là cápkim loại Tuy nhiên có một số trường hợp môi trường truyền là cáp quanghoặc vô tuyến

nhà kinh doanh có thể căn cứ vào nhu cầu dịch vụ để tự tổ hợp các phần tử khi tổchức mạng lưới Việc tiêu chuẩn hoá giao thức giữa các phần tử có thể nối thôngcác mạng có cấu hình khác nhau.

 NGN là do dịch vụ thúc đẩy, nhưng dịch vụ phải thực hiện độc lập với

mạng lưới.

Với đặc điểm:

- Chia tách dịch vụ với điều khiển cuộc gọi

- Chia tách cuộc gọi với truyền tải

Mục tiêu chính của chia tách là làm cho dịch vụ thực sự độc lập với mạng,

thực hiện một cách linh hoạt và có hiệu quả việc cung cấp dịch vụ Thuê bao có thể

tự bố trí và xác định đặc trưng dịch vụ của mình, không quan tâm đến mạng truyềntải dịch vụ và loại hình đầu cuối

 NGN là mạng chuyển mạch gói, dựa trên một giao thức thống nhất.

Mạng thông tin hiện nay, dù là mạng viễn thông, mạng máy tính hay mạngtruyền hình cáp đều không thể lấy một trong các mạng đó làm nền tảng để xây dựng

cơ sở hạ tầng thông tin Nhưng gần đây, cùng với sự phát triển của công nghệ IP,người ta nhận thấy rõ ràng là mạng viễn thông, mạng máy tính và mạng truyền hìnhcáp cuối cùng cũng tích hợp trong một mạng IP thống nhất, đó là xu thế lớn màngười ta thường gọi là “dung hợp ba mạng”

 Là mạng có dung lượng, tính thích ứng ngày càng tăng và có đủ dung

lượng để đáp ứng nhu cầu.

Giao thức IP thực tế đã trở thành giao thức ứng dụng vạn năng và bắt đầuđược sử dụng làm cơ sở cho các mạng đa dịch vụ, mặc dù hiện tại vẫn còn bất lợi sovới chuyển mạch kênh về khả năng hổ trợ lưu lượng thoại và cung cấp chất lượngdịch vụ đảm bảo cho số liệu Tuy nhiên, tốc độ đổi mới nhanh chóng trong thế giớiInternet cùng với sự phát triển của các tiêu chuẩn mở sẽ sớm khắc phục những thiếusót này

- Lớp kết nối (Acess +Transport/Core)

- Lớp kết nối trung gian hay lớp truyền thông (Media)

- Lớp điều khiển (Control)

- Lớp quản lý (Management)

Trong đó, lớp điều khiển rất phức tạp với nhiều loại giao thức, khả năngtương thích giữa các thiết bị của hãng là vấn đề đang được các nhà khai thác quantâm

Lớp truy cập và truyền dẫn

Hình 1.3: Cấu trúc luận lý của NGN

Kiến trúc mạng NGN sử dụng chuyển mạch gói cho cả thoại và dữ liệu Nóphân chia các khối vững chắc của tổng đài hiện nay thành các lớp mạng riêng rẽ,các lớp này liên kết với nhau qua các giao diện mở tiêu chuẩn

Hệ thống chuyển mạch NGN được phân thành bốn lớp riêng biệt thay vì tíchhợp thành một hệ thống như công nghệ chuyển mạch kênh hiện nay: lớp ứng dụng,lớp điều khiển, lớp truyền thông, lớp truy cập và truyền tải Các giao diện mở có sựtách biệt giữa dịch vụ và truyền dẫn cho phép các dịch vụ mới được đưa vào nhanhchóng, dễ dàng; những nhà khai thác có thể chọn lựa các nhà cung cấp thiết bị tốtnhất cho từng lớp trong mô hình mạng NGN

tất cả các dịch vụ với chất lượng dịch vụ QoS tuỳ theo yêu cầu cho từng loại dịch

vụ ATM hay IP/MPLS có thể được sử dụng làm nền cho truyền dẫn trên mạng lõi

để đảm bảo QoS

Mạng lõi có thể thuộc mạng LAN hay mạng đường trục

Các router sử dụng ở biên mạng lõi khi lưu lượng lớn, ngược lại, khi lưu lượngthấp, switch-router có thể đảm nhận luôn chức năng của những router này

Lớp truyền dẫn có khả năng hỗ trợ các mức QoS khác nhau cho cùng một dịch

vụ và cho các dịch vụ khác nhau Nó có khả năng lưu trữ lại các sự kiện xảy ra trênmạng (kích thước gói, tốc độ gói, độ trì hoãn, tỷ lệ mất gói và Jitter cho phép,… đốivới mạng chuyển mạch gói; băng thông, độ trì hoãn đối với mạng chuyển mạchkênh TDM) Lớp ứng dụng sẽ đưa ra các yêu cầu về năng lực truyền tải và nó sẽthực hiện các yêu cầu đó

Phần truy cập

- Lớp vật lý:

Hữu tuyến: Cáp đồng, xDSL hiện đang sử dụng Tuy nhiên trong tương laitruyền dẫn quang DWDM, PON (Passive Optical Network) sẽ dần dần chiếm ưu thế

và thị trường xDSL, modem cáp dần dần thu hẹp lại

Vô tuyến: thông tin di động – công nghệ GSM hoặc CDMA, truy cập vôtuyến cố định, vệ tinh

- Lớp 2 và lớp 3: Công nghệ IP sẽ làm nền cho mạng truy cập.

- Thành phần:

Phần truy cập gồm các thiết bị truy cập đóng vai trò giao diện để kết nối cácthiết bị đầu cuối vào mạng qua hệ thống mạng ngoại vi cáp đồng, cáp quang hoặc

vô tuyến

Các thiết bị truy cập tích hợp (IAD).

Thuê bao có thể sử dụng mọi kỹ thuật truy cập (tương tự, số, TDM, ATM,IP,…) để truy cập vào mạng dịch vụ NGN

Nhờ đó, các nút chuyển mạch (ATM+IP) và các hệ thống truyền dẫn sẽ thựchiện chức năng chuyển mạch, định tuyến cuộc gọi giữa các thuê bao của lớp truycập dưới sự điều khiển của các thiết bị thuộc lớp điều khiển

3.1.3.4 Lớp điều khiển.

- Thành phần

Lớp điều khiển bao gồm các hệ thống điều khiển mà thành phần chính làSoftswitch còn gọi là Media Gateway Controller hay Call Agent được kết nối vớicác thành phần khác để kết nối cuộc gọi hay quản lý địa chỉ IP như: SGW(Signaling Gateway), MS (Media Server), FS (Feature Server), AS (ApplicationServer)

chức theo kiểu module và có thể bao gồm một số bộ điều khiển độc lập Ví dụ cócác bộ điều khiển riêng cho các dịch vụ: thoại/báo hiệu số 7, ATM/SVC, IP/MPLS,

…

- Chức năng:

Lớp điều khiển có nhiệm vụ kết nối để cung cấp các dịch vụ thông suốt từđầu cuối đến đầu cuối với bất kỳ loại giao thức và báo hiệu nào

Cụ thể, lớp điều khiển thực hiện:

Định tuyến lưu lượng giữa các khối chuyển mạch

Thiết lập yêu cầu, điều chỉnh và thay đổi các kết nối hoặc các luồng, điềukhiển sắp xếp nhãn (label mapping) giữa các giao diện cổng

Phân bổ lưu lượng và các chỉ tiêu chất lượng đối với mỗi kết nối (hay mỗiluồng) và thực hiện giám sát điều khiển để đảm bảo QoS

Báo hiệu đầu cuối từ các trung kế, các cổng trong kết nối với lớp media.Thống kê và ghi lại các thông số về chi tiết cuộc gọi, đồng thời thực hiện các cảnhbáo

Thu nhận thông tin báo hiệu từ các cổng và chuyển thông tin này đến cácthành phần thích hợp trong lớp điều khiển

Hình 1.1: Cấu trúc mạng chuyển mạch đa dịch vụ

Các chức năng quản lý, chăm sóc khách hàng cũng được tích hợp trong lớpđiều khiển Nhờ các giao diện mở nên có sự tách biệt giữa dịch vụ và truyền dẫn,điều này cho phép các dịch vụ mới được đưa vào nhanh chóng và dễ dàng

3.1.3.5 Lớp ứng dụng

- Thành phần:

Lớp ứng dụng gồm các nút thực thi dịch vụ SEN (Service Excution Node),thực chất do các server dịch vụ cung cấp các ứng dụng cho khách hàng thông qualớp truyền tải

- Chức năng:

mức độ Một số loại dịch vụ sẽ làm chủ việc thực hiện điều khiển logic của chúng

và truy cập trực tiếp tới lớp ứng dụng, còn một số dịch vụ khác sẽ được điều khiển

từ lớp điều khiển như dịch vụ thoại truyền thống Lớp ứng dụng liên kết với lớpđiều khiển thông qua các giao diện mở API Nhờ đó mà các nhà cung cấp dịch vụ

có thể phát triển các ứng dụng và triển khai nhanh chóng trên các dịch vụ mạng

3.1.4 Các giao thức báo hiệu và điều khiển trong mạng NGN

Kiến trúc của mạng NGN là kiến trúc phân tán vì thế mà các chức năng báohiệu và xử lý báo hiệu, chuyển mạch, điều khiển cuộc gọi,…được thực hiện bởi cácthiết bị nằm phân tán trong cấu hình mạng Để có thể tạo ra các kết nối giữa cácđầu cuối nhằm cung cấp dịch vụ, các thiết bị này phải trao đổi các thông tin báohiệu và điều khiển được với nhau Cách thức trao đổi các thông tin báo hiệu và điềukhiển đó được quy định trong các giao thức báo hiệu và điều khiển được sử dụngtrong mạng Về cơ bản, trong mạng NGN có các giao thức báo hiệu và điều khiểnsau:

độ khả thi

3.1.5 Softswitch [7], [11]

Với sự phát triển mở rộng của mạng VoIP, Softswitch vẫn là hệ thống thu hút

sự quan tâm của các nhà khai thác cũng như cung cấp thiết bị Softswitch là phần tửchính trong mạng VoIP và các sản phẩm Softswitch của các nhà cung cấp thiết bịcũng khá đa dạng Đa số các hệ thống Softswitch ban đầu chỉ có ba phần tử chính làGateway báo hiệu (SG), cổng phương tiện (MG - Media Gateway) và Bộ điều khiển

cổng phương tiện (MGC - Media Gateway Controller) (Hình 1) MG chuyển lưulượng thoại từ TDM sang dạng gói tin IP MG nối giữa PSTN nội hạt và mạng IPbackbone hoặc làm giao diện giữa đường dây truy nhập TDM và mạng VoIP SG

phiên dịch các bản tin báo hiệu của các giao thức báo hiệu PSTN sang SIP (Session Initiation Protocol) hoặc H.323 của mạng IP MGC căn cứ vào các bản tin này để

điều khiển cuộc gọi: thiết lập/giải phóng cuộc gọi, đưa ra thông báo, chuyển tiếpcuộc gọi,…

Hình 1.1: Hệ thống chuyển mạch mềm [11]

Nhiều hệ thống Softswitch được bổ sung thêm các SBC (Session BorderController) Các SBC nối giữa mạng của các doanh nghiệp và nhà cung cấp dịch vụhoặc đặt tại các node cung cấp dịch vụ SBC có các cơ chế bảo vệ, xử lý cả luồngbáo hiệu và media để bảo vệ MGC và các phần tử mạng khác khỏi sự xâm nhập tráiphép

Vì tính phân tán của mạng IP, các nhà cung cấp thiết bị đã có những thay đổitrên cơ sở kiến trúc Softswitch ban đầu: chuyển từ dạng tích hợp sang mô hình cácphần tử chức năng như trong NGN Một hệ thống Softswitch đầy đủ có các thànhphần sau: điều khiển cuộc gọi (Call Control/Call Agent), Media Gateway (MG),Gateway báo hiệu (SG), SIP server, SIP client, cơ sở dữ liệu thuê bao, máy chủ ứngdụng, Media server, điều khiển Media Gateway (MGC) và tính cước

Mỗi nhà cung cấp thiết bị có sự thay đổi khác nhau nhưng nhìn chung là tạo ra

sự tách biệt giữa Call Control, Media Gateway, Gateway báo hiệu và tách riêng cácphần tử trong Softswitch lõi Do việc chia tách các thành phần chức năngSoftswitch nên sự phân biệt giữa chuyển mạch class 4 và 5 trở nên không cần thiết

và các Softswitch có các gói chức năng khác nhau là có thể thay thế cho cả chuyểnmạch class 4/5 Các Softswitch này được gọi là “supper – class” hoặc “classless”Softswitch

3.1.6 Phân hệ đa phương tiện IMS [7] ,[11]

3.1.6.1 Giới thiệu về IMS

Tiêu chuẩn IMS (IP Multimedia Subsystem) định nghĩa một kiến trúcchung để cung cấp thoại qua giao thức Internet (VoIP) và các dịch vụ đa phương

(Third Generation Partnership Project) và hiện nay đang được chấp nhận bởicác tổ chức tiêu chuẩn khác bao gồm cả ETSI và TISPAN Tiêu chuẩn này hỗtrợ nhiều loại truy cập bao gồm GSM, WCDMA, CDMA2000, truy cập hữu tuyếnbăng thông rộng và WLAN.

Đối với người dùng, dịch vụ dựa trên IMS cho phép liên lạc người với người

và người với nội dung thông tin theo một loạt các phương thức - bao gồm cả giọngnói, văn bản, hình ảnh và video, hoặc sự kết hợp của các phương thức trên mộtcách cá nhân hóa cao và kiểm soát tốt

Đối với các nhà khai thác, IMS tiến thêm một bước nữa về khái niệmkiến trúc nhiều lớp bằng cách định nghĩa một kiến trúc nằm ngang, nơi mà dịch

vụ được triển khai và các chức năng phổ biến có thể được tái sử dụng chonhiều ứng dụng Kiến trúc nằm ngang trong IMS còn xác định khả năng tươngtác và chuyển vùng, và cung cấp điều khiển truyền tải, tính cước và bảo mật Hơnthế nữa, nó cũng được tích hợp với các mạng thoại và dữ liệu hiện tại, trong khi ápdụng nhiều thành tựu quan trọng của ngành CNTT Điều này làm cho IMS trởthành một khả năng then chốt cho sự hội tụ di động cố định

Với những lý do trên, IMS sẽ trở thành giải pháp ưu tiên cho các nhà khaithác cố định và di động kinh doanh đa phương tiện

3.1.6.2 Kiến trúc IMS

Một cách đơn giản kiến trúc của một hệ thống IMS được chiathành bốn lớp bao gồm lớp dịch vụ, lớp điều khiển, lớp truyền tải và lớpquản lý

Hình 1.1: Kiến trúc phân lớp của IMS [11]

 Lớp ứng dụng: bao gồm các máy chủ ứng dụng và nội dung để thựchiện các dịch vụ giá trị gia tăng cho người sử dụng Tiêu chuẩn IMS

định nghĩa ra các thực thể khởi tạo dịch vụ chung Service enablers(chẳng hạn như quản lý danh sách nhóm và sự hiện diện) đượcthực hiện như các dịch vụ trong một máy chủ ứng dụng SIP.

 Lớp điều khiển: bao gồm các máy chủ điều khiển mạng để quản lýcuộc gọi hoặc thiết lập phiên, sửa đổi và giải phóng Chức năngquan trọng nhất trong số này là CSCF (Call Session ControlFunction), còn được biết đến như một máy chủ SIP Lớp này cũng cómột bộ đầy đủ các chức năng hỗ trợ, chẳng hạn như dự liệu, tính cướcvàkhai thác và quản lý (O & M) Kết nối với những nhà khaithác khác hay các loại mạng khác được quản lý bởi các cổng biêngiới

 Lớp kết nối: bao gồm các bộ định tuyến và chuyển mạch, cả chomạng xương sống và mạng truy cập

 Lớp quản lý: bao gồm các máy chủ và các phần mềm quản lý cungcấp các công cụ giúp việc vận hành, khai thác và bảo dưỡng hệ thốngmột cách thuận tiện và tự động hóa cao

3.1.6.3 Các thành phần của IMS [7],[11]

Cấu trúc chức năng của IMS được mô tả dưới hình sau:

Hình 1.1: Kiến trúc chức năng của IMS trong TISPAN [7]

Các phần tử cơ sở dữ liệu

HSS (Home Subscriber Server) Máy chủ cở sở dữ liệu thuê bao

SLF (Subscription Locator Function) Chức năng định vị và mô tả thuê bao

Các phần tử điều khiển IMS

CSCF (Call Session Control Function) thiết lập, giám sát, hỗ trợ và giảiphóng cácphiên cuộc gọi và quản lý tương tác của thuê bao CSCF có thể hoạtđộng ở một số chế độ sau:

 S-CSCF (Serving CSCF) nhận thực thuê bao và điều khiển kết nối

 I-CSCF (Interrogating CSCF) là điểm tương tác với các nhà điều hànhmạng cho tất cả các kết nối IMS

Các phần tử điều khiển kết nối liên mạng (Interworking)

 MGCF (Media Gateway Control Function) Chức năng điều khiểnphân phối tài nguyên của media gateway

 BGCF (Breakout Gateway Control Function) Điều khiển kết nối vớimạng PSTN

 SGW (Signaling Gateway) Cổng giao tiếp báo hiệu

Các phần tử dịch vụ IMS

 AS (Application Server) Máy chủ ứng dụng

 External Service and Service Máy chủ dịch vụ của các nhà cung cấp thứ 3

Các phần tử tài nguyên

 Media Resources Function (MRF) Chức năng tài nguyên media

 Media Interworking Elements Các phần tử cộng tác kết nối media

 MGW (Media Gateway) Cổng kết nối media

3.1.7 So sánh Softswitch và IMS [11]

Xét về cấu trúc, Softswitch và IMS có nhiều điểm chung Đó là sự tách biệtđiều khiển và truyển tải (Hình 1.9) Các chức năng như báo hiệu, gateway, điềukhiển cuộc gọi,… cũng tương tự nhau (Bảng 1.1)

Hình 1.1: So sánh kiến trúc Softswitch và IMS [11]

Bảng 1.1: Các phần tử của Softswitch có chức năng tương tự IMS

Phần tử của Softswitch Phần tử IMS

Gateway/MGCF

Chức năng và cơ sở dữ liệu định tuyến BGCF

Dữ liệu thuê bao HSS – phần tử mới

Tuy nhiên, hai hệ thống này cũng có những điểm khác biệt Tất cả Softswitchđều kết hợp định tuyến cuộc gọi và điều khiển gateway còn IMS tách riêng các chứcnăng này Ngoài ra, cấu trúc IMS cũng có sự độc lập giữa điều khiển và cung cấpdịch vụ Với khả năng tính cước linh hoạt (online, offline) của IMS nhà cung cấpdịch vụ dễ dàng đưa ra các hình thức thu phí khác nhau, phù hợp với từng loại hìnhdịch vụ Bảng 1.2 minh họa những sự khác biệt chủ yếu giữa Softswitch và IMS

Bảng 1.2: Sự khác nhau giữa Softswitch và IMS [11]

Tính chuẩn hóa Không có tổ chức nào đưa

ra tiêu chuẩn cụ thể, phụthuộc vào giải pháp của cáchãng thiết bị

3GPP chuẩn hóa (Release 5,Release 6, Release 7, Release 8)

Mục đích Chuyển mạch bằng phần

mềm, thay thế tổng đài điện

tử số, tách chức năng điềukhiển và chuyển mạch, sửdụng công nghệ chuyểnmạch gói

Cung cấp các dịch vụ Internetmọi lúc, mọi nơi cho khách hàng

sử dụng di động trên nền mạngchuyển mạch gói

Kiến trúc mạng - Kiến trúc mạng dựa trên

sự phân tán chức năng diềukhiển cuộc gọi và chứcnăng chuyển mạch, mọihoạt động điều khiển tậptrung ở Call server (MGC)

- Gồm có bốn mặt bằngphần mềm: mặt bằng truyềntải; mặt bằng điều khiểncuộc gọi và báo hiệu; mặtbằng dịch vụ và ứng dụng;

mặt bằng quản lý

- Sử dụng các giao diện lậptrình mở - API

- Kiến trúc phân tán theo môhình server, chức năng điềukhiển không tập trung tại mộtserver nên Call server (CSCF)chỉ là một trong số các serverđiều khiển

Khả năng cung

cấp dịch vụ

Dễ dàng cung cấp các dịch

vụ PSTN truyền thống vàcác dịch vụ mạng thôngminh (IN), không hỗ trợtriển khai dịch vụ di động

Là nền tảng để cung cấp các dịchmultimedia cho khách hàng diđộng, không sử dụng mạng thôngminh (IN), khó triển khai dịch vụPSTN truyền thống Có chế độtính cước online

Khả năng tích hợp

với thiết bị của

nhà cung cấp khác

Có khả năng tương thích,tuy hơi khó khăn

Khá dễ dàng vì các thiết bị đềuphải tuân theo chuẩn

Bảo mật Có khả năng bảo mật tốt

đối với các dịch vụ VoIP

Có nhiều cơ chế bảo mật khácnhau, đảm bảo an toàn thông tin

cá nhân của người dùng, độ antoàn cao

Lưu lượng Vẫn còn hạn chế Băng thông rộng, đáp ứng nhu

cầu người dùng tốt hơn

tốn kém, nhưng sau đó sẽ khôngtốn nhiều chi phí cho việc quản

lý, nâng cấp, bảo dưỡng thiết bị

3.1.8 Chuyển đổi từ softswitch lên IMS [11]

Theo các tài liệu được đưa ra trong Diễn đàn phát triển khu vực châu Á-TháiBình Dương tháng 9/2008, dù tại thị trường phát triển hay những thị trường đangphát triển thì lượng kết nối thoại truyền thống và doanh thu từ các dịch vụ này cũng

có xu hướng giảm dần, trong khi đó, doanh thu từ kết nối di động và các dịch vụVoIP tiếp tục tăng lên Rõ ràng là nhu cầu của khách hàng đã có sự thay đổi và nhàcung cấp dịch vụ thì luôn mong muốn tăng doanh thu và tiết kiệm chi phí đầu tư,vận hành, khai thác Chính vì thế mà các nhà cung cấp dịch vụ đều nghiên cứu đểđưa ra kế hoạch hợp lý, chuyển đổi từ mạng chuyển mạch kênh truyền thống sangNGN

Với những lợi ích IMS mang lại nhiều nhà khai thác đã có kế hoạch chuyển đổi hệthống mạng của mình trong những năm tới Nắm bắt được xu hướng này, các đốitác cũng lần lượt đưa ra giải pháp chuyển đổi từ Softswitch sang IMS Đối vớinhững nhà khai thác vẫn sử dụng mạng chuyển mạch kênh TDM thì Softswitchđược xem như một bước trung gian để chuyển đổi sang IMS

Trong hệ thống Softswitch hiện nay, có khá nhiều phần tử thực hiện chức năngtương tự các chức năng IMS nên về lý thuyết, có thể chuyển đổi từ Softswitch sangIMS mà vẫn tiếp tục sử dụng các phần tử chức năng hiện có Tùy theo mục đích của

nhà khai thác di động hay cố định, họ sẽ có các chức năng IMS khác nhau (về dunglượng và phương thức đóng gói), nhà cung cấp Softswitch có thể thực hiện bằngcách bổ sung thiết bị mới hoặc cài đặt phần mềm Các nhà cung cấp thiết bịSoftswitch đều đưa ra lộ trình rõ ràng cho quá trình này

Trong đa số các trường hợp, các Gateway được chuyển thành MGW và MGCF.Ggateway báo hiệu chuyển thành SGW trong IMS Một số chức năng định tuyếncuộc gọi thực hiện trong BGCF Cơ sử dữ liệu của thuê bao tập trung trong UPSF.Các chức năng Call Agent sẽ do S-CSCF và I-CSCF thực hiện hoặc được địnhnghĩa trong các phần tử mới Chức năng chuyển mạch class 4/5 được đưa vào cácserver ứng dụng Các SBC cung cấp cơ chế bảo vệ báo hiệu và chức năng Gatewaygiữa các mạng VoIP được đưa vào P-CSCF

Hình 1.1: Tách các chức năng của SBC theo mô hình lõi IMS của ETSI [11]

3.1.9 Một số giải pháp chuyển đổi lên IMS của nhà cung cấp [11]

Trong những năm gần đây, nhiều vendor đã cung cấp thiết bị thực hiện cácchức năng IMS Tuy nhiên, do IMS chỉ được chuẩn hóa về mặt chức năng nên việctích hợp các chức năng trong một thiết bị hoàn toàn phụ thuộc vào các vendor Mỗivendor trong đó có các vendor lớn như Alcatel, Nortel, Huawei,… cũng chọn chomình một giải pháp riêng

Giải pháp IMS của Alcatel

Hình 1.1: Giải pháp IMS của Alcatel [11]

Alcatel đã đưa ra giải pháp chuyển đổi cho toàn bộ hệ thống mạng theo mô hìnhmạng NGN của TISPAN với các giao thức đã được chuẩn hóa như: SIP, H323,SS7, Diameter, Softswitch thực hiện chức năng của tổng đài class 5/4 và MGCFtrong kiến trúc IMS, có dung lượng tối đa là 2 triệu thuê bao và khả năng xử lý

4500 CAPS (Call Attempts per Second) Các chức năng điều khiển: S-CSCF, CSCF, AGCF, BGCF, iFS được tích hợp trong cùng một thiết bị A5020 CSC.A5430 SRB thực hiện chức năng NASS và RACS P-CSCF được kết hợp với SBChoặc chức năng quyết định chính sách - PDF (Policy Decision Function) Các chứcnăng khác được tách thành các thiết bị riêng: A1430 HSS, A8688 MRF, A5350 iAS(server ứng dụng IMS),…

I-Với giải pháp này, nhà cung cấp dịch vụ có thể cung cấp các dịch vụ di động,

cố định hoặc Internet trên một hạ tầng mạng IP duy nhất như: dịch vụ tin nhắn tứcthời, push-to-X, hiển thị và quản lý danh bạ,…

Giải pháp IMS của Huawei

Hình 1.2: Giải pháp IMS của Huawei [11]

Huawei đưa ra giải pháp chuyển đổi từ Softswitch có khả năng cung cấp nhiều dịch

vụ như: dịch vụ quản lý nhóm, nhắn tin đa phương tiện, VCC, c thiết bị chínhgồm có: CSC 3300 – Call Session Control Function cung cấp đầy đủ các chức năngliên quan đến nhận thực người dùng, quản lý phiên, quản lý roaming; là phần tửchính trong giải pháp về hệ thống mạng IMS và mạng kết hợp cố định, di động củaHuawei Ngoài các chức năng cơ bản như: P-CSCF, S-CSCF, I-CSCF của mộtCSCF, nó còn có thêm chức năng BGCF lựa chọn đường truyền từ IMS tới mạngchuyển mạch kênh và nhận diện chức năng thanh toán trực tiếp (OCG) HSS 9820

là server lưu trữ các thông tin người dùng, được tích hợp cả chức năng HSS và SLFcủa mạng IMS với số lượng thuê bao có thể tới 10 triệu MRS 6200 gồm 2 thànhphần MRC 6200 và MRP 6200 kết hợp với nhau để nhận biết cơ chế phân biệt điềukhiển tài nguyên phương tiện từ sóng mang như: audio conference, videoconference, voice mailbox, video mailbox, nhạc chuông đa âm, hình màu, PoC.AIM 6300 có chức năng quản lý vị trí, cấu hình mạng truy nhập và lưu trữ thông tinngười dùng của mạng cố định, phân bố các tham số mạng và vị trí hiện tại của thiết

bị người dùng Nó bao gồm cả chức năng NACF và CLF trong NASS AGC 3000được nâng cấp từ Softswitch theo hai hướng tùy thuộc vào cấu hình hiện tại củamạng NGN, việc nâng cấp được thực hiện bằng thao tác nâng cấp phần mềm AGC

3000 có thể đóng vai trò như một AGCF hoặc MGCF SoftX3000 tiếp tục được sửdụng để thực hiện chuc năng I-BCF

Kết luận

Có thể nói IMS đã kết hợp được những xu hướng kỹ thuật hiện đại nhất, có thểtruy nhập mạng mọi lúc, mọi nơi, với mọi thiết bị đầu cuối IMS còn tạo nền tảngchung để phát triển các dịch vụ đa phương tiện khác nhau và hỗ trợ các ứng dụng

 Thông tin định tuyến ở lớp 3 (Network layer) được phân phối bởi các giaothức định tuyến (như RIP, OSPF, EIGRP…) Việc định tuyến này chủ yếudựa trên những thuật toán tìm đường giữa địa chỉ nguồn và địa chỉ đích mà ítquan tâm đến các vấn đề khác như Traffic Engineering, Load Balancing,QoS…

 Quá trình tìm kiếm thông tin định tuyến được thực hiện trên từng node(router) và mỗi node này có thể chứa số lượng câu route rất lớn (hơn 100000nếu kết nối mạng Internet) trong bảng Routing table Điều này khiến choviệc xử lý, tìm đường tốn rất nhiều tài nguyên của thiết bị Mặt khác, khôngphải lúc nào các đường đi trong bảng định tuyến cũng được sử dụng

 Các thiết bị ở lớp Data Link không biết được thông tin định tuyến ở lớpNetwork Điều này gây cản trở cho việc phối hợp giữa lợi thế chuyển mạchtốc độ cao của các công nghệ ở lớp 2 (như ATM, Frame Relay) với tính linhhoạt của việc định tuyến trong lớp 3

Hình 1.1: Thiết bị lớp 2 không biết thông tin định tuyến lớp 3 [9]

Hình 1.13 cho ta thấy: do không biết được thông tin định tuyến của lớp 3 mà chỉthực hiện việc chuyển tiếp một cách thụ động, nên switch ở phía bên trái không đưagói tin cho router kế cận mà lại vòng xuống next-hop của router nguồn nằm ở bêndưới rồi sau đó gói tin mới được chuyển tới đích Với các công nghệ chuyển mạch ởlớp 2 như ATM, Frame Relay thì chúng lại mắc phải những nhược điểm như: chiphí đầu tư hệ thống cao, các đường chuyển mạch ảo phải cấu hình bằng tay…

3.2.1.2 Công nghệ MPLS

Hiện nay, có rất nhiều loại công nghệ phục vụ cho việc chuyển mạch gói như

IP ở lớp 3, Frame Relay, ATM ở lớp 2…Tuy nhiên, như đã phân tích ở trên, bêncạnh những ưu điểm của mình thì những công nghệ này cũng vẫn tồn tại nhiềukhuyết điểm Vì vậy, cần thiết phải có một giải pháp để khắc phục được nhữngkhuyết điểm đó và phối hợp được tối đa ưu điểm của các loại công nghệ Mặt khác,một điều quan trọng khi triển khai các công nghệ mới là làm sao phải tận dụng đượcnền tảng cơ sở vật chất

đã được xây dựng sẵn từ những công nghệ cũ Kỹ thuật chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS ra đời để đáp ứng được những nhu cầu kể trên MPLS là một cơ chế chuyển mạch mới dựa trên việc chuyển tiếp các gói tin (Packet) dựa vào các nhãn (Label)

Ý tưởng đầu tiên về MPLS được đưa ra bởi hãng Ipsilon trong một cuộc triểnlãm về công nghệ thông tin tại Texas, Hoa Kỳ Một thời gian sau, các hãng lớn khácnhư Cisco, IBM, Toshiba … công bố các sản phẩm của họ sử dụng một công nghệ chuyển mạch được đặt dưới nhiều tên khác nhau nhưng có chung bản chất làchuyển mạch nhãn Năm 1998, Cisco đưa ra một kỹ thuật chuyển mạch nhãn vớitên gọi Tag Switching được triển khai trên hệ điều hành Cisco IOS 11.1 (17) CT.Sau đó kỹ thuật này đã được IETF chuẩn hóa thành MPLS trong bản ghi chúMPLS-RFC 2547 vào năm 1999 Bảng dưới đây cho thấy một số thay đổi khi chuẩnhóa Tag Switching thành MPLS của IETF:

MPLS thường được triển khai trong mạng core của nhà cung cấp dịch vụ vìnơi đây tập trung phần lớn lưu lượng của mạng đổ dồn vào, cần xử lý định tuyếnnhanh và chuyển mạch ở một tốc độ cao

Do có sự kết hợp một cách mềm dẻo giữa việc định tuyến ở lớp 3 và chuyển mạch ở lớp 2 mà MPLS còn được gọi là công nghệ lai Tham chiếu trong mô hìnhOSI thì MPLS nằm trên lớp 2 nhưng lại nằm dưới lớp 3 nên đôi khi người ta gọi nó

là lớp 2,5

3.2.2 Các khái niệm trong MPLS

Miền MPLS (MPLS domain) là một tập hợp các nút được liên kết với nhau Mỗi nút có khả năng thực hiện việc định tuyến và các kỹ thuật chuyển mạch nhãn.Dưới đây trình bày khái niệm của các thành phần cấu thành một miền MPLS

3.2.2.1 Kiến trúc một nút MPLS

Một nút MPLS là một thiết bị có khả năng thực hiện các kỹ thuật trongMPLS Nó có thể là các router (router ở biên hoặc router trong mạng core của nhàcung cấp dịch vụ) hoặc các Switch ATM, Switch Frame Relay Mỗi nút được cấuthành từ hai thành phần chính là: mặt phằng điều khiển (Control plane) và mặtphẳng chuyển tiếp dữ liệu (Data plane hay Forwarding plane)

Hình 1.1: Kiến trúc một node của MPLS [9]

 Mặt phẳng điều khiển (Control Plane): có nhiệm vụ quản lý việc trao đổi thôngtin định tuyến và nhãn giữa các thiết bị kế cận nhau Nó chứa các loại cơ sở dữliệu sau:

• Bảng thông tin định tuyến RIB (Routing Information Base): sử dụng choviệc quản lý thông tin định tuyến ở lớp 3 Bảng này được tạo ra bởi các giaothức routing như RIP, IGRP, EIGRP, OSPF, IS-IS, BGP… RIB chứa dữ liệucủa việc tìm đường bao gồm địa chỉ IP đích và chặng chuyển đến kế tiếp(next hop)…

• Các giao thức trao đổi nhãn (Label Exchange Protocol): được sử dụng để tạo

và duy trì các nhãn cho việc chuyển mạch, đồng thời trao đổi những nhãnnày với các thiết bị kế cận Các giao thức để trao đổi nhãn có như MPLSLabel Distribution Protocol (LDP), hoặc cũ hơn là Cisco Tag DistributionProtocol (TDP) và BGP (sử dụng trong MPLS VPN)

Từ thông tin định tuyến và thông tin nhãn mà mặt phẳng điều khiển xây dựng nên 2bảng sau:

• Bảng FIB (Forwarding Information Base): sẽ ánh xạ từ một gói tin IP khôngnhãn thành gói tin MPLS có nhãn ở ngõ vào của router biên Ngõ ra của góitin này là gói tin IP có nhãn hoặc gói tin IP không nhãn ở router biên, bảngnày được hình thành từ bảng RIB, từ giao thức phân phối nhãn và từ bảng traLFIB.

• Bảng LFIB (Lable Forwarding Information Base): là bảng chứa đựng thông tin các nhãn đến các mạng đích Khi đi vào một router, một gói tin có nhãn

sẽ sử dụng bảng tra LFIB để tìm ra router kế tiếp và hoán đổi nhãn để tiếptục thực hiện việc chuyển tiếp gói tin

 Mặt phẳng dữ liệu (Data Plane): Nhiệm vụ của mặt phẳng dữ liệu hay còn gọi làmặt phẳng chuyển tiếp là thực hiện việc chuyển tiếp gói tin tại các interface thíchhợp dựa vào bảng FIB và LFIB

3.2.2.2 Router chuyển mạch nhãn

Router chuyển mạch nhãn (LSR) là một thiết bị MPLS cơ bản (một nútMPLS), dùng cho hầu hết các ứng dụng của chuyển mạch nhãn đa giao thức Dựavào hoạt động xử lý và vị trí trong mô hình MPLS mà các router này được phânthành 3 loại:

Hình 1.1: Các loại router chuyển mạch nhãn [9]

 Ingress LSR: là router ở đầu vào biên mạng MPLS Nó nhận 1 gói không cónhãn thì sẽ gán (Pop) nhãn hoặc stack và truyền đi

 Intermediate LSR: là router trung gian trong mạng MPLS Nó nhận 1 gói cónhãn, xử lý hoán đổi (Swap) nhãn và chuyển đến nơi chính xác

 Exgress LSR: là một router ở đầu ra biên mạng MPLS Nó nhận 1 gói cónhãn, gỡ (Push) nhãn và truyền đi

Đối với các Intermediate LSR, tất cả các interface đều được kích hoạt chứcnăng MPLS, trong khi đó tại các LSR biên (Ingress LSR và Egress LSR) cómột vài interface được kích hoạt chức năng MPLS và một và interface thì không(nếu các interface đó giao tiếp với miền không có MPLS)

Hình 1.1: Nhãn MPLS [9]

Hình trên thể hiện các thành phần trong một nhãn MPLS Khi gói tin đi vào miền MPLS nó được gắn nhãn, hoán đổi nhãn để phục vụ cho việc chuyển mạch và

sẽ được gỡ nhãn ra khi đi khỏi miền này Nhãn MPLS xác định đích đến và loạidịch

vụ cho một gói tin Các nhãn này có thể được chèn vào bất kỳ một hình thức đónggói lớp 2 nào Nó được đặt ở giữa header của lớp 2 và lớp 3, vì vậy còn gọi là shimheader MPLS sử dụng một trường 32 bit để làm nhãn và chứa các thông tin sau:

 LABEL: số hiệu nhãn, bao gồm 20 bit ( 0 -> 19) Trong đó các giá trị từ 0đến 15 được dự trữ

 EXP (Experiment): nó dùng để mapping với trường CoS (Class ofService), IP precedence hoặc DSCP (Differentiated Service Code Point)trong gói tin tới để thực hiện QoS, có 3 bit (20 -> 22)

Hình 1.2: Ánh xạ từ trường DSCP vào trường EXP [9]

 S (Stack Indicator): Do nhu cầu sử dụng mà MPLS có thể có cùng lúc nhiềunhãn (TE Label, LDP Label, VPN Label…) Bit Stack biểu thị vị trí củanhãn có phải nằm dưới cùng trong chồng nhãn hay không Nhãn nằm ở dướicùng có S=1, ngược lại S=0 Trường này có 1 bit (23)

Hình 1.3: Label Stack [9]

 TTL (Time To live): Thời gian tồn tại của gói tin Trong quá trình vậnchuyển gói tin, cứ mỗi lần đi qua 1 node (Router) thì TTL sẽ giảm đi 1 vàgói tin sẽ bị drop nếu TTL bằng 0 Giá trị TTL của nhãn sẽ được copy từTTL của IP Packet mỗi khi đi vào mạng MPLS và sau đó TTL của IP Packet

sẽ copy ngược trở lại khi đi ra ngoài mạng MPLS Tuy nhiên ta cũng có thểcấu hình cho giá trị TTL này có thể hoạt động riêng biệt, nhưng khôngkhuyến khích trường hợp này

3.2.2.4 Lớp chuyển tiếp tương đương (FEC)

Là một nhóm các gói tin ở lớp mạng có chung các yêu cầu về truyền tải hoặcdịch vụ (thoại, data, video, VPN ) hoặc cùng yêu cầu về QoS

Việc chuyển tiếp gói tin trong MPLS gồm 2 yếu tố:

 Gán một gói cụ thể vào một FEC cụ thể Việc gán này chỉ được thực hiệnmột lần khi các gói vào trong mạng

 Xác định next-hop cho mỗi FEC

Do sử dụng FEC nên việc chuyển tiếp trong MPLS là kết nối có định hướng

3.2.2.5 Đường chuyển mạch nhãn ( LSP)

LSP là một chuỗi các LSR thực hiện việc chuyển tiếp các gói tin đã được gánnhãn của một FEC cụ thể Khái niệm về LSP tương tự như khái niệm về kênh ảo (Virtual Channel) trong mạng ATM, Frame Relay

LSP được tạo ra từ việc chọn đường đi ngắn nhất của các giao thức địnhtuyến nội (IGP) Nó có tính chất đơn hướng (Unidirectional) nghĩa là gói tin sẽ cóLSP khác nhau ở chiều đi và về Thông thường các LSP này đi qua những LSRgiống nhau và là đảo chiều của nhau do tính đối xứng của các giao thức định tuyến.Tuy nhiên, các LSP đi và về cũng có thể có đường đi qua các LSR khác nhau khi ta

áp dụng kỹ thuật MPLS TE (điều này sẽ được trình bày ở các chương IV)

3.2.2.6 Các kiểu hoạt động của MPLS

Có 2 kiểu hoạt động của MPLS là frame mode và cell mode

động này, các nhãn được tạo ra, phân phối đến bảng chuyển tiếp của cácrouter, và gán cho gói tin IP khi nó đi vào miền MPLS Trong quá trìnhchuyển tiếp gói tin IP, các nhãn sẽ được hoán đổi dựa vào sự quyết định củamặt phẳng điều khiển

 Cell Mode : được sử dụng trong các mạng chuyển mạch ATM Cơ chếchuyển mạch nhãn giống với kiểu Frame Mode nhưng là đối xử với các cellATM và nhãn là trường VPI/VCI của cell ATM

3.2.3 Phương thức hoạt động của MPLS

 Các router MPLS sẽ trả lời lại các gói Hello Messages đã nhận được bằngcách thiết lập một phiên (session) làm việc với router đã gửi những gói HelloMessage Việc thiết lập phiên được thực hiện trên giao thức TCP cổng 646bởi những LSR có địa chỉ IP lớn hơn

Sau khi thiết lập, để duy trì phiên làm việc, các LSRs sẽ trao đổi thông tinvới nhau qua initialization message và keepalive message

Hình 1.1: Quá trình thiết lập phiên MPLS [9]

3.2.3.2 Quá trình phân phối nhãn.

Những giao thức định tuyến như OSPF, IS-IS, EIGRP… phân phối thông tin định tuyến đến các router trong miền MPLS Từ đó những Router này xây dựngbảng RIB cho mình và qua đó tìm đường ngắn nhất để chuyển các gói tin đi trênmạng Sau khi bảng Routing Table hoàn thành, các router sẽ gán nhãn cho các địachỉ đích trong bảng định tuyến

Giao thức LDP quảng bá nhãn (Label) của LSR ra ngoài, đồng thời thêm các

nhãn nhận được từ những LSR khác vào trong bảng LIB của mình Các bảng FIB

và

LFIB sẽ lần lượt tham chiếu thông tin từ LIB và RIB để phục vụ cho việc chuyểntiếp gói tin

Hình 1.1: Quá trình phân phối nhãn và xây dựng bản LFIB [9]

3.2.3.3 Quá trình hoán đổi nhãn

Khi một router A phân phối nhãn của địa chỉ đích X trong bảng định tuyến rabên ngoài thì các next-hop nhận được sẽ hiểu rằng: nếu muốn nhờ router A chuyển tiếp gói tin đến X thì hãy gán nhãn vừa nhận được đó và gói tin

Do đó, khi nhận được gói tin, một LSR sẽ dựa vào địa chỉ đích của gói tin đó

để tìm trong bảng LFIB xem cần phải hoán đổi nhãn (swap) như thế nào để hop của nó tiếp tục chuyển tiếp gói tin tới nơi theo yêu cầu

next-Khi một gói tin ra khỏi miền MPLS, các Exgress LSR sẽ gỡ nhãn của gói tin

ra và ngược lại, khi gói tin đi vào miền MPLS, nó sẽ được Ingress LSR gán nhãnvào

Hình 1.1: Quá trình hoán đổi nhãn và chuyển tiếp gói tin [9]

 Chống loop: LDP có thể phát hiện loop dựa vào những kỹ thuật của các giaothức định tuyến nội IGP Tuy nhiên khi có một loop phát sinh (có thể do cấuhình sai static route) thì nhãn của MPLS cũng hỗ trợ trường TTL để chốngLoop Cơ chế hoạt động của TTL trong MPLS Label cũng tương tự như TTLtrong IP Packet

 Hội tụ mạng MPLS: khi link kết nối giữa LSR với next hop của nó trongbảng LFIB bị failure, quá trình hội tụ lại mạng trong MPLS domain xảy rarất nhanh Điều này có được là do bảng LIB đã ghi lại tất cả nhãn của cácLSR kế cận (ngay cả khi những nhãn này không được dùng trong việcchuyển tiếp) và vì vậy mà LFIB có thể ngay lập tức sẽ thay thế link bị failbằng một link mới

Hình 1.1: Kết nối từ B đến C được thay thế bằng từ B đến E [9]

3.2.4 Ưu điểm của MPLS

Từ ý tưởng ra đời, cho đến cơ chế hoạt động như đã tìm hiểu ở trên củaMPLS, ta có thể rút ra một số ưu điểm của nó như:

 Làm việc với hầu hết các công nghệ liên kết dữ liệu như IP, ATM,Frame Relay….Điều này giúp ta có thể chuyển đổi uyển chuyển gói tin bằngnhiều công nghệ khác nhau và tận dụng được cơ sở hạ tầng đã sẵn có

 Do mỗi nhãn MPLS chỉ có 20 bit thay vì một địa chỉ IPv4 là 32 bit (hoặcIPv6 là 128 bit) và chỉ thường dùng trong phạm vi mạng core nên việc tìmđường đi dựa vào nhãn của MPLS linh hoạt và giúp làm giảm quá trình xử lýđịnh tuyến trong các core router

 Hỗ trợ đa ứng dụng như: Unicast IP routing, MPLS TE, MPLS QoS, MPLSVPN

 Hỗ trợ việc cấu hình quản trị và bảo trì hệ thống (OAM)

 Có thể hoạt động trong một mạng phân cấp