GIỚI THIỆU về kỹ THUẬT điều KHIỂN lưu LƯỢNG trong mạng internet

MPLS có một số u điểm hỗ trợ kỹ thuật điều khiển lu lợng nh sau [5]:1 Đờng LSP xác định trớc explicit LSP có thể đợc thiết lập bởi nhà quản trị mạng hoặc tự động thiết lập theo các giao

- Kiến trúc mạng.

- Khả năng mở rộng mạng

- Kỹ thuật điều khiển lu lợng (traffic engineering)

Kiến trúc mạng đáp ứng các yêu cầu về chất lợng dịch vụ, độ tin cậy, cũng

nh tính bảo mật của thông tin Khả năng mở rộng mạng giúp các nhà cung cấp dịch vụ đáp ứng đòi hỏi về lu lợng ngày càng tăng của khách hàng Tuy vậy, cả hai khía cạnh kỹ thuật nêu trên đều không đủ để đáp ứng đòi hỏi về chất lợng dịch vụ Internet trong mọi trờng hợp Với điều khiển lu lợng, bài toán tối u hiệu suất hoạt động của mạng đợc giải quyết Nó bao gồm việc ứng dụng các công nghệ và nguyên tắc khoa học để đo lờng, mô hình hóa, phân tích và điều khiển lu lợng mạng Internet Nó cũng áp dụng tri thức và

kỹ thuật để đạt đợc các mục đích về hiệu suất: nh vận chuyển lu lợng nhanh nhất và tin cậy qua mạng, sử dụng hiệu quả các nguồn tài nguyên mạng,

hoạch định dung lợng mạng Vì vậy, nó làm tăng thêm giá trị của mạng cho cả nhà cung cấp dịch vụ lẫn cộng đồng sử dụng Internet [1].

Trong chơng này, mục 1 xem xét các khái niệm của bài toán điều khiển lu lợng Tiếp theo, mục 2 đề cập đến những khó khăn và hạn chế của

kỹ thuật điều khiển lu lợng trong mạng Internet Cuối cùng, mục 3 giới thiệu những u điểm của kỹ thuật điều khiển lu lợng dùng công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS

1 Các khái niệm

Dới góc độ bài toán điều khiển lu lợng, một mạng bao gồm một hệ thống yêu cầu (chính là lu lợng), một hệ thống kết nối (kết nối các phần tử mạng) và một hệ thống đáp ứng (các tiến trình và giao thức mạng) Điều khiển lu lợng là công cụ điều khiển các điểm hoạt động và các tham số cho

ba khía cạnh của mạng để đạt đợc sự cân đối giữa tính kinh tế và chất lợng dịch vụ Điều khiển lu lợng bao gồm ba hoạt động hỗ trợ lẫn nhau là: đo lờng

lu lợng, mô hình hóa lu lợng, và chọn lựa cơ chế để điều khiển lu lợng [3] Phần tiếp theo giới thiệu về mục đích và quá trình điều khiển lu lợng

1.1 Mục đích điều khiển lu lợng

Các mục tiêu chính của một mạng Internet thơng mại là cung cấp một chất lợng dịch vụ cao, tính hiệu suất cao, hoạt động tốt (tính survivability) và tính kinh tế Các mục tiêu về hiệu suất có thể hớng tối u về lu lợng hoặc tài nguyên mạng

Các mục tiêu hiệu suất hớng lu lợng là nhằm cải thiện chất lợng dịch

vụ cung cấp cho lu lợng mạng Internet và đảm bảo tính toàn vẹn của thỏa thuận mức dịch vụ (SLA – Service Level Agreement) với khách hàng Các tham số đánh giá hiệu suất hớng lu lợng chính là các tham số đánh giá chất l-ợng dịch vụ mạng: tổn thất gói dữ liệu (packet loss), trễ (delay), trợt (jitter),

và thông lợng (throughput) Các tham số này có thể đợc xác định trong SLA

Các mục mục tiêu hiệu suất hớng tài nguyên liên quan tới việc tối u việc sử dụng tài nguyên mạng Cấp phát tài nguyên hiệu quả là cách tiếp cận chính đối với các mục tiêu hiệu suất hớng tài nguyên Một hệ thống xử lý lu lợng tốt vừa phải đảm bảo các yêu cầu về hiệu năng hớng lu lợng – tức là

đảm bảo chất lợng dịch vụ, vừa phải đảm bảo sử dụng tài nguyên mạng có hiệu quả

1.2 Quy trình điều khiển lu lợng

Hình vẽ 1.1 minh họa bốn bớc của một quá trình điều khiển lu lợng [1] Quy trình điều khiển lu lợng là quy trình điều khiển quá trình cấp phát tài nguyên mạng để đáp ứng các thay đổi của lu lợng nên nó đợc lặp đi lặp lại

Bớc đầu tiên của quá trình là xây dựng chính sách điều khiển Nói cách khác, đây là bớc xác định các mục tiêu của quá trình điều khiển, và các tham số của bài toán điều khiển nh cấu trúc giá cả, các điều kiện hoạt động, tiêu chuẩn thành công, mô hình kinh tế v.v

Hình 1.1 – Quy trình điều khiển lu lợng

Bớc thứ hai của quá trình này là đo lờng lu lợng và giám sát tình trạng của mạng Bớc (1) sẽ quyết định cần thu thập dữ liệu nào từ hệ thống giám sát hiệu suất, lỗi

Bớc thứ ba là phân tích, mô hình hóa lu lợng và trạng thái mạng Dữ liệu thu thập đợc từ bớc (2) sẽ đợc phân tích và mô hình hóa trong bớc này

Từ kết quả phân tích, hệ thống đa ra các đánh giá hỗ trợ quá trình hoạch định dung lợng mạng, thiết kế mạng, và các quyết định điều khiển hoạt động của mạng Nếu cần phải tối u hiệu suất thì hệ thống sẽ chuyển sang bớc tiếp theo

Xây dựng chính sách

điều khiển

Giám sát trạng thái mạng

Phân tích, mô hình hóa lưu lượng và trạng thái mạng

Tối ưu hiệu suất mạng

Giám sát hiệu suất, lỗi,

và mô hình phân tích

Quy hoạch dung lượng, thiết kế mạng, điều khiển hoạt động mạng

Trong bớc cuối cùng, các quyết định liên quan đến cơ chế điều khiển

lu lợng nh cấu hình mạng, bổ sung dung lợng v.v sẽ đ… ợc thực hiện để tối u hiệu suất mạng

2 điều khiển lu lợng trong mạng Internet

2.1 Điều khiển lu lợng trong mạng IP

Phần này đề cập đến những hạn chế của IP trong quá trình điều khiển

lu lợng Cơ chế định tuyến trong mạng Internet hiện nay dựa vào địa chỉ IP

đích để đa ra các quyết định định tuyến tại từng nút mạng; nghĩa là tại mỗi router, gói dữ liệu đợc chuyển tiếp chỉ dựa vào địa chỉ IP của gói đó Quá trình tính toán đờng đi của gói tin dựa vào thuật toán tìm đờng đi “ngắn nhất” – tức là tối u theo một tham số đơn giản Tham số này thờng liên quan cấu trúc mạng (network topology), chứ không liên quan đến lu lợng yêu cầu và tài nguyên mạng hiện có Vì vậy, tắc nghẽn trong mạng thờng xảy ra khi:

(1) Một luồng lu lợng có thể đợc định tuyến qua một liên kết hoặc một giao diện của router mà dung lợng không đủ đáp ứng và gây nên tình trạng tắc nghẽn

(2) Đờng đi ngắn nhất của nhiều luồng lu lợng cùng đi vào một liên kết hoặc một giao diện của router, làm tài nguyên mạng không đủ để đáp ứng Trong khi đó, các đờng đi khác (không phải là “ngắn nhất”) có thể cha đ-

ợc sử dụng hết tài nguyên [5]

Ngoài ra, cơ chế định tuyến hiện nay còn gây ra hiện tợng dịch chuyển

lu lợng từ một đờng đến một đờng tốt hơn nếu tìm thấy đờng tốt hơn Để hỗ

trợ QoS thì điều này không hẳn đã tốt nếu nh đờng đang sử dụng đã đáp ứng

đợc mức độ QoS mong muốn Việc dịch chuyển này gây ra nhiều sự dao

động trong định tuyến, nhất là khi định tuyến dựa theo các tham số nêu trên (nh băng thông) Những dao động nh vậy còn gây ảnh hởng xấu đến các tham số nh delay, hoặc jitter

Quá trình điều khiển tắc nghẽn trong mạng IP đợc thực hiện bằng việc thay đổi các tham số định tuyến Kết quả mô phỏng trong tài liệu [3] còn đa

đến kết luận: một thay đổi nhỏ cục bộ có thể thể gây ra ảnh hởng lớn đến toàn bộ mạng Nh vậy, việc thay đổi tham số định tuyến có thể làm giảm tắc nghẽn ở một phần trong mạng, nhng có thể gây ra tắc nghẽn tại các phần còn lại trong mạng và hiện tợng lu lợng dao động trong mạng

Mặt khác, tại mỗi router, các luồng đi đến cùng một đích có thể đợc gom lại (route aggregation) dựa vào cơ chế định tuyến Classless Interdomain Routing (CIDR – RFC 1519) Cơ chế này hoàn toàn có lợi cho việc định tuyến vì nó làm tăng khả năng mở rộng (scalability) của quá trình định tuyến Nếu giữ thông tin của tuyến dới dạng nguồn-đích thì sẽ hạn chế khả năng mở rộng của quá trình định tuyến Tuy vậy, nếu nhìn từ góc độ điều khiển lu lợng thì việc định tuyến nh trên có thể là cha tối u Quá trình cân bằng tải lu lợng trên một mạng cho trớc sẽ gặp khó khăn đối với một vài luồng dữ liệu lớn so với nhiều luồng lu lợng nhỏ Việc điều chỉnh tham số

định tuyến chỉ có thể tác động đến các luồng sau khi đã gom lại Định tuyến

đa đờng với trọng số tơng đơng (ECMP – Equal-Cost Multi-Paths) có thể tạo ra một số luồng dữ liệu nhỏ hơn nhng hiệu quả vẫn bị hạn chế vì hệ số chia sẻ tải là cố định Để những vấn đề này, cần phải thêm một số cơ chế

điều khiển luồng IP Các cơ chế này có khả năng gom lu lợng thành các luồng với kích cỡ thích hợp và định tuyến những luồng lu lợng này qua mạng một cách rõ ràng

Nh vậy, thuật toán tìm đờng đi ngắn nhất thờng gây ra tắc nghẽn vì ờng đi đợc chọn không đủ tài nguyên đáp ứng yêu cầu về lu lợng hoặc phân

đ-bổ tài nguyên mạng không hiệu quả (dồn nhiều luồng cùng đi qua một liên kết hoặc một nút) Ngoài ra, việc thay đổi tham số IGP có thể gây ảnh hởng

đến hoạt động của toàn mạng và không hiệu quả (vì tiếp cận vấn đề theo

ph-ơng pháp thử-sai) Một hạn chế nữa trong kỹ thuật điều khiển lu lợng dựa vào IP và thiếu cơ chế điều khiển lu lợng nên khó giải quyết bài toán cân bằng tải lu lợng trên toàn mạng

2.2 Mô hình IP-over-ATM

Vì các kỹ thuật ở tầng 2 (liên kết dữ liệu) hỗ trợ điều khiển lu lợng chính xác nên cách tiếp cận với vấn đề điều khiển lu lợng trong IP là tận dụng các kỹ thuật này để quản lý băng thông mạng

Hình vẽ 1.2 – Mô hình IP-over-ATM (a) cấu trúc vật lý (b) cấu trúc logic

mạng ATM

các đường PVC

Mô hình IP-over-ATM là một giải pháp nh vậy ý tởng cơ bản là đa công nghệ ATM với khả năng quản lý lu lợng và khái niệm kênh ảo (VC-virtual circuit) vào cơ sở hạ tầng mạng IP để giải quyết phần nào những hạn chế liên quan đến kỹ thuật lu lợng trong IP Khái niệm kênh ảo VC tạo ra các kết nối từ điểm tới điểm giữa các router.

Hình vẽ (1.2) minh họa cấu trúc mạng sử dụng mô hình IP-over-ATM Hình vẽ (1.2.a) minh họa cấu trúc kết nối vật lý của mạng, còn hình vẽ (1.2.b) minh họa cấu trúc logic của mạng Các router nằm xung quanh mạng chuyển mạch ATM, và các router này đợc kết nối với tất cả router còn lại trong mạng bằng các kết nối ảo cố định (Permanent Virtual Connections)

Mô hình này tạo ra một cấu trúc mạng ảo nối các router với nhau Nó xây dựng ma trận lu lợng thống kê dựa vào các PVC, từ đó di chuyển bớt lu lợng trên kết nối bị tắc nghẽn sang các kết nối còn tài nguyên cha đợc sử dụng Mặc dù mô hình này hỗ trợ điều khiển lu lợng chính xác qua mạng nh-

ng nó gặp phải một số hạn chế

Hạn chế cơ bản của mô hình IP-over-ATM là cần phải xây dựng và quản trị hai mạng với các công nghệ rất khác nhau nên tạo thêm độ phức tạp trong kiến trúc mạng, thiết kế mạng, và chi phí Ngoài ra, khi có nhiều thành phần mạng tham gia thì vấn đề độ tin cậy cần đợc quan tâm hơn Khả năng

mở rộng cũng là một vấn đề đối với mô hình này Nếu trong mạng có n router thì số lợng PVC trong mạng bằng n2, dẫn đến yêu cầu về tài nguyên mạng tăng nhanh khi mở rộng mạng Ngoài ra còn một số vấn đề liên quan

đến cấu trúc gói tin nh chi phí của phần tiêu đề tế bào là đáng kể, hạn chế về tốc độ của giao diện SAR

Vì vậy, xu hớng của mạng lõi (core) IP là chuyển từ giải pháp xếp chồng (overlay) sang một giải pháp tích hợp Phần tiếp theo trình bày khái quát về một giải pháp tích hợp sử dụng chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS (MutliProtocol Label Switching)

3 u điểm của điều khiển lu lợng với MPLS

Phần này giới thiệu khái quát về những u điểm của kỹ thuật điều khiển

lu lợng sử dụng MPLS MPLS có rất nhiều u thế để điều khiển lu lợng mạng

IP vì nó cung cấp hầu hết các chức năng có trong mô hình IP-over-ATM theo cách tích hợp với một chi phí thấp hơn mô hình xếp chồng Ngoài ra, MPLS cùng với một số kỹ thuật khác còn có thể tự động hóa chức năng điều khiển

lu lợng

MPLS đa ra hai khái niệm quan trọng trong kỹ thuật lu lợng là trung

kế lu lợng (traffic trunk) và đờng chuyển mạch nhãn (LSP-Label Switched Path) Trung kế lu lợng là một nhóm các luồng lu lợng thuộc cùng một loại

đợc đặt trong một đờng chuyển mạch nhãn LSP Một luồng lu lợng IP đi từ nguồn đến đích (có thể là thông tin đơn điểm hoặc đa điểm) gắn liền với các thông tin về QoS và thông tin về kiểu dữ liệu chứa trong gói tin (higher level demultiplexing) Một đờng chuyển mạch nhãn LSP mô tả đờng đi của luồng

lu lợng đi qua mạng MPLS

MPLS có một số u điểm hỗ trợ kỹ thuật điều khiển lu lợng nh sau [5]:(1) Đờng LSP xác định trớc (explicit LSP) có thể đợc thiết lập bởi nhà quản trị mạng hoặc tự động thiết lập theo các giao thức mà không phụ thuộc vào cơ chế chuyển tiếp gói dữ liệu dựa vào địa chỉ IP đích

(2) Các LSP có thể đợc duy trì rất hiệu quả

(3) Các traffic trunk có thể đợc ánh xạ lên các LSP

(4) Một tập hợp các thuộc tính gắn liền với traffic trunk cho phép thay đổi

đặc điểm hoạt động của nó

(5) Một nhóm các thuộc tính gắn liền với tài nguyên là các ràng buộc có cấp phát tài nguyên đó cho traffic trunk và LSP hay không

(6) MPLS hỗ trợ cả việc gom các luồng lu lợng lại và tách các luồng lu lợng

ra, trong khi IP chỉ hỗ trợ việc gom các luồng lu lợng lại với nhau

(7) MPLS dễ dàng tích hợp với cơ chế định tuyến ràng buộc (constraint-based routing).

(8) MPLS đa ra một giải pháp với chi phí thấp hơn các giải pháp khác thực hiện kỹ thuật điều khiển lu lợng

4 Tóm tắt

Kỹ thuật điều khiển lu lợng là quá trình điều khiển các luồng dữ liệu qua mạng để tối u hệ số sử dụng tài nguyên cũng nh hiệu suất mạng Giống

nh các bài toán điều khiển khác, kỹ thuật điều khiển lu lợng đợc lặp đi lặp lại

và gồm bốn giai đoạn: (1) xây dựng chính sách, chỉ tiêu, tham số điều khiển; (2) đo lờng, thu thập các dữ liệu về lu lợng và tài nguyên mạng; (3) mô hình hóa lu lợng và tài nguyên mạng từ dữ liệu thu thập đợc; và (4) đa ra các quyết định điều khiển để đạt đợc mục đích đã xác định trong chính sách điều khiển

Kỹ thuật điều khiển lu lợng dựa trên IP thờng gây ra hiện tợng tắc nghẽn trong mạng do thuật toán định tuyến tối u theo một tham số đơn giản Bên cạnh đó, việc thay đổi tham số IGP để giảm tắc nghẽn tại một phần của mạng có thể ảnh hởng đến toàn bộ mạng và không hiệu quả Một vấn nữa là

kỹ thuật điều khiển lu lợng trên IP không giải quyết đợc bài toán cân bằng lu lợng

Các công nghệ tầng hai có các kỹ thuật điều khiển lu lợng rất hiệu quả Vì vậy, có thể tiếp cận vấn đề điều khiển lu lợng trong mạng IP bằng hai cách: đặt giao thức tầng 3 chạy trên giao thức tầng hai – mô hình xếp chồng (IP-over-ATM); hoặc tích hợp tầng 2 và tầng 3 – giải pháp kỹ thuật điều khiển lu lợng sử dụng MPLS Mô hình xếp chồng IP-over-ATM tuy giải quyết đợc những hạn chế trong IP nhng gặp phải vấn đề về chi phí, khả năng

mở rộng mạng, và độ tin cậy Trong khi đó, giải pháp sử dụng MPLS vừa giải quyết đợc bài toán điều khiển lu lợng trong IP, vừa khắc phục đợc những hạn chế của mô hình IP-over-ATM Các chơng tiếp theo sẽ đề cập sâu hơn đến

kỹ thuật điều khiển lu lợng với MPLS

Chơng 2

Chuyển mạch nhãn đa giao thức - MPLS

Chơng này giới thiệu các đặc điểm của MPLS cũng nh hoạt động của

nó Trớc hết, chúng ta xem xét các đặc điểm chung của chuyển mạch nhãn trong mục 1, sau đó đi vào chi tiết công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS Mục 2 giới thiệu những khái niệm chính của MPLS Mục 3 đề cập

đến hoạt động của một mạng chuyển mạch MPLS Mục 4 nhấn mạnh vào một đặc điểm nổi bật của MPLS là sự độc lập giữa mặt phẳng dữ liệu và điều khiển qua kiến trúc một nút mạng MPLS Cuối cùng, mục 5 tóm tắt những

điểm chính đã đề cập

1 Chuyển mạch nhãn

1.1 Chuyển mạch nhãn là gì?

Trong mạng IP, phơng thức vận chuyển các gói tin là dựa vào địa chỉ

IP đích Tại mỗi router, các gói tin đợc kiểm tra địa chỉ đích và đợc truyền

đến nút tiếp theo dựa vào thông tin có trong bảng định tuyến Thay vì cơ chế vận chuyển gói tin nh trong IP, chuyển mạch nhãn thực hiện bằng việc gắn một số (một nhãn) cho gói tin Cần lu ý rằng nhãn không phải là địa chỉ, tức

là nó không liên quan đến cấu trúc mạng nh địa chỉ Hơn nữa, khi cha liên kết một nhãn với một địa chỉ thì thông tin về đờng đi của nhãn sẽ cha có ý nghĩa Nh vậy, mạng chuyển mạch nhãn phải liên kết nhãn với địa chỉ của

gói tin, và các nút mạng sẽ dựa vào giá trị trong nhãn đó để vận chuyển gói tin đến đích.

1.2 Tại sao lại sử dụng chuyển mạch nhãn?

Phần này giới thiệu các đặc điểm chung của chuyển mạch nhãn, bao gồm: (1) tốc độ và trễ, (2) khả năng mở rộng, (3) tính đơn giản (4) tiêu tốn ít tài nguyên cho thông tin điều khiển (5) điều khiển đờng đi

Cơ chế vận chuyển gói dữ liệu trong mạng IP vốn dựa trên phần mềm

để thực hiện các thao tác phức tạp (nh luật địa chỉ phù hợp tối đa – longest prefix matching rule) với một khối lợng dữ liệu lớn, nên tốc độ rất chậm và khó có thể quản lý đợc một lợng lớn tải lu lợng mạng Internet Vì vậy, có thể gây ra hiện tợng tổn thất lu lợng, kết nối và làm giảm hiệu suất toàn mạng Trong chuyển mạch nhãn, giá trị nhãn đợc đặt trong phần tiêu đề của gói tin

đến, và đợc dùng để làm chỉ mục tìm kiếm trong bảng dữ liệu Cơ chế này có thể đợc thực hiện trong phần cứng Chính vì vậy, gói tin đợc vận chuyển trong mạng chuyển mạch nhãn sẽ nhanh hơn rất nhiều so với IP, nên thời gian trễ và đáp ứng sẽ giảm Khi thời gian trễ giảm nên hiện tợng trợt jitter cũng đợc giảm đáng kể Nh vậy, cơ chế chuyển mạch nhãn hiệu quả hơn rất nhiều, nên lu lợng qua mạng sẽ nhanh hơn, ít jitter hơn so với IP

Một đặc điểm khác của chuyển mạch nhãn là khả năng mở rộng Khả năng mở rộng trong mạng Internet chính là khả năng hỗ trợ đợc một lợng lớn

và sự phát triển của cộng đồng sử dụng mạng Internet Nếu nh router phải giữ thông tin về đờng đi của tất cả những ngời sử dụng thì khối lợng thông tin sẽ là rất lớn và khó có thể đáp ứng sự phát triển nhanh chóng của mạng Internet hiện nay Chuyển mạch nhãn đa ra giải pháp với vấn đề này bằng cách gộp một số lớn địa chỉ IP liên kết với một hoặc vài nhãn Cách tiếp cận

này làm giảm kích cỡ của bảng thông tin nhãn, và cho phép một router hỗ trợ nhiều ngời dùng hơn.

Chuyển mạch nhãn có cơ chế chuyển tiếp dữ liệu rất đơn giản: gửi gói dữ liệu đến dựa và nhãn của nó – nhãn có chiều dài cố định và ngắn Cơ chế

điều khiển có thể phức tạp nhng không làm ảnh hởng đến các luồng lu lợng của ngời sử dụng Thao tác chuyển mạch nhãn có thể đợc thực hiện trong các

bộ vi xử lý riêng biệt, trong ASIC

Các cơ chế điều khiển trong mạng chuyển mạch nhãn nói chung là không tiêu tốn quá nhiều tài nguyên mạng Mạng chuyển mạch nhãn không cần nhiều tài nguyên để kích hoạt quá trình thiết lập đờng đi cho lu lợng của ngời sử dụng

Việc định tuyến dựa vào địa chỉ đích có thể dẫn đến lu lợng đổ dồn trên một đờng và việc sử dụng tài nguyên mạng trở nên không hiệu quả Hơn nữa, trong mạng IP không có cơ chế điều khiển đờng đi hiệu quả Mạng chuyển mạch nhãn có thể điều khiển đờng đi của lu lợng tốt hơn bằng các cơ chế định tuyến ràng buộc, theo chính sách của nhà quản trị và thiết lập các đ-ờng đi buộc lu lợng của ngời dùng phải đi theo đờng đó

2 Các khái niệm trong MPLS

Chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS – MultiProtocol Label Switching) là cơ chế ánh xạ địa chỉ lớp 3 vào nhãn ở lớp 2 và chuyển tiếp (forwarding) gói dữ liệu, tích hợp với cơ chế định tuyến ở tầng mạng Vì vậy, MPLS có những đặc điểm nh khả năng mở rộng, tính linh hoạt của cơ chế

định tuyến cũng nh khả năng quản lý lu lợng, hỗ trợ QoS, và hiệu suất cao của cơ chế chuyển mạch

Cần phân biệt hai khái niệm: định tuyến (routing) và chuyển tiếp gói dữ liệu (forwarding/switching) Để vận chuyển gói tin của ngời dùng đến phía thu, router phải thực hiện hai giao thức: (1) giao thức thứ nhất vận chuyển gói tin từ nguồn đến đích, (2) giao thức thứ hai tìm một đờng đi từ nguồn đến đích Quá trình vận chuyển gói dữ liệu (forwarding/switching) sử dụng bảng định tuyến hoặc bảng thông tin nhãn để đa ra các quyết định chuyển tiếp gói tin đến nút tiếp theo nào Quá trình định tuyến (routing) thu thập các thông tin đờng đi để tạo ra sự hiểu biết về cấu trúc mạng và từ đó xây dựng nên bảng định tuyến hoặc bảng thông tin nhãn mà quá trình forwarding dựa vào đó để ra quyết định.

MPLS đợc xây dựng dựa trên các công nghệ tầng 2 nên nó không phụ thuộc vào công nghệ tầng 2 cụ thể nào Vì vậy mà MPLS đợc gọi là đa giao thức Ngoài ra, không yêu cầu một giao thức phân bổ nhãn cụ thể nào MPLS

có một số ứng dụng quan trọng nh kỹ thuật điều khiển lu lợng, hỗ trợ QoS,

và mạng riêng ảo Những phần dới đây sẽ đề cập sâu hơn về công nghệ MPLS

2.1 Các thành phần của MPLS

Thiết bị chuyển mạch nhãn: LSR và LER

Các thiết bị hỗ trợ giao thức MPLS có thể đợc chia thành hai loại là các bộ định tuyến nhãn ở biên mạng (LER – Label Edge Router) và các bộ

định tuyến chuyển mạch nhãn (LSR – Label Switching Router)

LSR là thiết bị định tuyến có tốc độ cao đặt trong lõi mạng MPLS, nó

tham gia vào quá trình thiết lập các đờng chuyển mạch nhãn (LSP) dựa vào các cơ chế báo hiệu phù hợp, và chuyển mạch lu lợng dữ liệu tốc độ cao trên các đờng đã thiết lập Xuôi theo chiều của dòng dữ liệu, LSR nằm phía trên

đợc gọi là upstream LSR, LSR nằm phía dới đợc gọi là downstream LSR

LER là thiết bị hoạt động ở ranh giới giữa mạng MPLS và mạng truy

cập LER hỗ trợ nhiều cổng nối đến các mạng khác nhau (nh ATM, Frame Relay, Ethernet) để chuyển tiếp các lu lợng vào trong mạng MPLS và phân phối lu lợng này trở lại các mạng truy cập ở đầu ra

FEC

Lớp vận chuyển tơng đơng (FEC – Forwarding Equivalence Class) chỉ một nhóm các gói có cùng yêu cầu về việc vận chuyển dữ liệu Tất cả các gói dữ liệu thuộc cùng một nhóm sẽ đợc mạng xử lý nh nhau FEC đợc dùng

để mô tả mối liên hệ giữa các gói rời rạc với một địa chỉ đích, thờng là địa chỉ đích cuối cùng (nh là host)

Phần thực hiện FEC có thể liên kết một giá trị FEC với một địa chỉ

đích và một loại lu lợng Nh vậy, FEC đợc dùng để gom các gói dữ liệu thành các loại và hỗ trợ QoS hiệu quả hơn

Nhãn

Nhãn là một mã nhận diện không có cấu trúc, có chiều dài cố định và tơng đối ngắn, đợc dùng để hỗ trợ quá trình chuyển tiếp thông tin qua mạng Các giá trị của nhãn chỉ mang ý nghĩa cục bộ, nghĩa là các giá trị này chỉ đợc duy trì giữa các LSR với nhau, các LSR có thể là trực tiếp hoặc gián tiếp

Khi một gói đi và mạng MPLS, nó đợc xếp vào một loại FEC và MPLS dùng một nhãn gán cho gói đó để phân biệt FEC Sau đó các gói dữ liệu sẽ đợc vận chuyển qua mạng dựa vào nhãn vừa đợc gán Việc liên kết nhãn (label binding) là việc ánh xạ giữa các nhãn và FEC tơng ứng với nó dựa vào một vài sự kiện hoặc chính sách quản trị

Một nhãn MPLS là một trờng 32 bit gồm các thành phần sau: giá trị của nhãn (20-bit), 3 bit dùng để hỗ trợ QoS, bit S dùng để nhãn này đã ở đáy

ngăn xếp hay cha, 8 bit TTL dùng để mã hóa số hop hoặc thời gian tồn tại của gói dữ liệu.

Hình vẽ 2.1 - Định dạng nhãn MPLS

Đờng chuyển mạch nhãn - LSP

Một nhóm các thiết bị hỗ trợ MPLS đặt liền nhau sẽ tạo thành một miền MPLS (MPLS domain) Trong một miền MPLS, một đờng chuyển mạch nhãn (LSP – Label Switched Path) đợc thiết lập cho một hoặc vài FEC Sau khi LSP đợc thiết lập, các luồng dữ liệu thuộc LSP đó sẽ đi qua các LSR nằm trên LSP LSP thiết lập cho một FEC là theo một hớng nhất định

2.2 Các thao tác nhãn

Liên kết nhãn (Label Binding)

Là thủ tục liên kết một nhãn (L) với một FEC (F) Quá trình liên kết nhãn đợc thực hiện bởi downstream LSR Giá trị của nhãn có thể là duy nhất trong một giao diện (per-interface) hoặc duy nhất trong tất cả các giao diện của LSR (per-platform) Sau đó, downstream LSR thông báo cho upstream LSR về liên kết mới đợc tạo (L, F) Quá trình gán nhãn tự động thực hiện bởi

downstream LSR đợc gọi là unsolicited-downstream; hoặc đợc thực hiện khi

có yêu cầu của một LSR - đợc gọi là downstream-on-demand

Điều khiển gán nhãn (Label Control)

MPLS hỗ trợ hai cách gán nhãn cho một FEC: độc lập và theo thứ tự

Điều khiển độc lập đợc minh họa trong hình vẽ (2.2.a), khi một LSR nhận

đ-ợc thông báo, nó sẽ tự động liên kết một nhãn với FEC này rồi thông báo liên kết này cho các LSR lân cận Điều khiển tuần tự (hình vẽ 2.2.b) thực hiện quá trình liên kết nhãn và thông báo theo trình tự từ LSR đầu vào hoặc đầu ra của một LSP

Hình vẽ 2.2 – Điều khiển nhãn (a) độc lập; (b) tuần tự

Thủ tục gán nhãn độc lập đợc thực hiện ngay sau khi có thông tin về

địa chỉ, nên có thể sẵn sàng đợc sử dụng Tuy nhiên, thủ tục này cần đợc thiết lập sao cho các LSR lân cận nhất trí sử dụng cho các FEC mà chúng sẽ dùng Nếu các quyết định liên kết nhãn cho các FEC khác nhau, vài FEC có thể không gắn với LSP nào hoặc các nhãn này đợc thiết lập không hiệu quả Khác với quá trình trên, thủ tục gán nhãn tuần tự đảm bảo rằng tất cả LSR

đều dùng cùng FEC Nhng quá trình này lại mất nhiều thời gian để thiết lập

đờng LSP hơn điều khiển độc lập

1 OSPF:

192.168/19

2 Gán 192.168/19 cho nhãn L

2a Gán 192.168/19 cho nhãn J (a)

1 Gán 192.168/19 cho nhãn M

2 Gán 192.168/19 cho nhãn N (b)

Ngăn xếp nhãn (Label Stack)

Để hỗ trợ khả năng phân cấp nhằm đáp ứng sự mở rộng của mạng, MPLS cho phép một gói tin có thể mang nhiều nhãn Các nhãn này đợc xếp liền nhau theo cấu trúc dữ liệu ngăn xếp – tức là vào trớc ra sau (FILO – First In Last Out) Bit S sẽ chỉ ra nhãn đó có phải là nhãn cuối cùng (đáy ngăn xếp) của gói tin hay không Do vậy, có ba thao tác liên quan đến nhãn là: push, pop và đổi nhãn (swap) Các thao tác xử lý nhãn chỉ quan tâm đến nhãn nằm trên cùng của ngăn xếp Ngăn xếp nhãn cho phép nhiều thành phần điều khiển tác động lên một gói tin, và các thành phần này ít hoặc không phụ thuộc vào nhau

Việc tạo ngăn xếp nhãn phải tuân theo qui tắc sau: khi một LSR đẩy một nhãn vào một gói tin đã đợc gán nhãn sẵn, thì nhãn mới phải tơng ứng với FEC mà LSR đầu ra đã gán nhãn ban đầu Nh vậy, tại LSR đầu ra (egress LSR) của LSP, phải thực hiện hai lần tra bảng: một lần cho nhãn cần pop, và một lần cho nhãn còn lại Để tăng hiệu quả hoạt động, MPLS đa ra khái niệm nút ngay sát egress LSR (Penultimate Hop) thực hiện thao tác pop nhãn ra khỏi ngăn xếp và gửi gói tin đến egress LSR Tại egress LSR, chỉ cần thực hiện một thao tác tra bảng Mục đích của việc pop tại nút áp chót là để mỗi LSR chỉ thực hiện một lần tra bảng

Các ánh xạ và bảng hỗ trợ

Các bảng và ánh xạ đợc sử dụng để hỗ trợ sự phối hợp hoạt động của nhãn đến và nhãn đi, cũng nh việc quản lý ngăn xếp nhãn

Mục vào chuyển nhãn đến nút tiếp theo (NHLFE – Next Hop Label

Forwarding Entry) đợc sử dụng để quản lý một gói tin đã đợc gán nhãn Nó bao gồm các thông tin sau:

- Nút tiếp theo (next hop) của gói tin.

- Nhãn mới (outgoing label) hoặc push/pop đối với ngăn xếp nhãn

Ngoài ra, còn có thể có các thông tin về đóng gói dữ liệu ở tầng datalink, thông tin về chính sách quản lý gói tin Có thể có nhiều NHLFE cùng tồn tại cho một FEC trong bảng forwarding

ánh xạ ILM – Incoming Label Map - ánh xạ mỗi nhãn đầu vào

thành một tập hợp các mục NHLFE Nhãn ở trên cùng của ngăn xếp đợc sử dụng làm chỉ mục của ánh xạ để tìm ra một tập hợp các mục NHLFE, dựa vào các thông tin trong mục này, LSR sẽ xử lý các nhãn của gói tin đó, rồi mới chuyển tiếp gói tin đi

ánh xạ FTN – FEC-To-NHLFE map - ánh xạ mỗi FEC ứng với một

tập hợp NHLFE Quá trình này đợc thực hiện đối với các gói tin cha đợc gán nhãn, nhng gói tin này sẽ đợc gán nhãn trớc khi chuyển đến nút tiếp theo trong mạng

Các ánh xạ này đợc minh họa trong hình vẽ 2.3 Tại biên mạng, gói tin

đợc phân tích phần tiêu đề và ánh xạ vào một FEC Tiếp đó, FEC đợc ánh xạ

để tìm ra NHLFE rồi vận chuyển gói tin vào trong mạng Tại mỗi nút trong mạng, các nhãn đợc ánh xạ thành NHLFE để xác định cách quản lý gói tin rồi đợc chuyển đến nút tiếp theo

Hình vẽ 2.3 – Các ánh xạ hỗ trợ vận chuyển gói tin (forwarding)

Trộn nhãn (Label merging)

Nhiều gói đến với các nhãn khác nhau và cùng đi ra một giao diện để

đến nút tiếp theo có thể đợc LSP gán chung một nhãn Sau khi các gói đợc gán chung một nhãn, thông tin về các gói đến từ các giao diện khác nhau với các nhãn khác nhau bị mất đi Do vậy, vấn đề cần phải phối hợp hoạt động giữa các LSR có khả năng trộn và LSR không có khả năng này

Qui tắc của hoạt động trộn nhãn là khá đơn giản (1) nếu LSR hỗ trợ khả năng trộn nhãn thì chỉ cần gửi một nhãn cho FEC; (2) nếu LSR không hỗ trợ khả năng trộn nhãn thì phải gửi một nhãn cho mỗi FEC, (3) nếu một upstream LSR không hỗ trợ khả năng trộn nhãn thì nó phải yêu cầu một nhãn cho một FEC

Chế độ sử dụng nhãn (label retention mode)

Chế độ sử dụng nhãn sẽ quyết định duy trì thông tin về nhãn hay bỏ nhãn đi khi nó nhận đợc thông tin về liên kết nhãn và FEC Nếu LSR duy trì thông tin về liên kết giữa nhãn và FEC nhận đợc từ các LSR không phải là

Gán

nh∙n

Tráo dổi nh∙n

Tách nh∙n

ánh xạ nh∙n đến ILM

miền MPLS

nút tiếp theo của nó ứng với FEC đợc gán nhãn, thì LSR hoạt động ở chế độ

sử dụng nhãn tự do (liberal label retention mode) Ngợc lại, LSR hoạt động ở chế độ tiết kiệm (conservative label retention mode), nó sẽ bỏ thông tin nhận

đợc

Phần này đã giới thiệu sơ lợc những khái niệm liên quan đến hoạt

động của MPLS Phần tiếp theo sẽ đề cập đến hoạt động của MPLS đồng thời nhấn mạnh vào hai vấn đề điều khiển hoạt động của MPLS là chọn tuyến và phân bổ nhãn

3 Hoạt động của MPLS

3.1 Hoạt động chung

MPLS thực hiện bốn bớc nh minh họa trong hình vẽ 2.4 để chuyển gói qua một miền MPLS

Bớc (1) - Báo hiệu: Với bất kỳ loại lu lợng nào vào mạng MPLS, các

router sẽ xác định một liên kết giữa một nhãn ứng với mức u tiên FEC của loại lu lợng đó Sau khi thực hiện thủ tục liên kết nhãn nh trên, mỗi router sẽ tạo các mục trong bảng cơ sở dữ liệu thông tin nhãn (LIB – Label Information Base) Tiếp đó, MPLS thiết lập một đờng chuyển mạch nhãn LSP và các tham số về QoS của đờng đó Để thực hiện bớc (1), cần phải có hai giao thức để trao đổi thông tin giữa các router là:

(a) Giao thức định tuyến bên trong một miền (nh OSPF) để trao đổi các thông tin về đờng đi

(b) Các nhãn phải đợc gán cho các gói ứng với FEC của nó Vì giá trị của nhãn chỉ mang tính cục bộ giữa hai router liền kề nhau nên cần phải có cơ chế đảm bảo, xuyên suốt các router trên cùng LSP, thống nhất về việc liên kết giá trị nhãn với FEC Nh vậy, cần có một giao thức dùng để xác định

đờng và phân phối nhãn giữa các LSR

Hình vẽ 2.4 – Hoạt động của MPLS

Bớc (2) - dán nhãn (push): Khi một gói đến LER đầu vào, LER sau

khi xác định các tham số QoS sẽ phân gói này vào một loại FEC, tơng ứng với một LSP nào đó Sau đó, LER gán cho gói này một nhãn phù hợp và chuyển tiếp gói dữ liệu vào trong mạng Nếu LSP cha có sẵn thì MPLS phải thiết lập một LSP mới nh ở bớc (1)

Bớc (3) - vận chuyển gói dữ liệu (forwarding): Sau khi đã vào trong

mạng MPLS, tại mỗi LSR, gói dữ liệu sẽ đợc xử lý nh sau:

Router

gói IP được dán nh∙n

(a) Bỏ nhãn của gói đến và gán cho gói đó một nhãn mới ở đầu ra (đổi nhãn).

(b) Chuyển tiếp gói dữ liệu đến LSR kế tiếp dọc theo LSP

Bớc (4) tách nhãn (pop)– : LER ở đầu ra sẽ cắt bỏ nhãn, phân tích IP header (hoặc xử lý nhãn tiếp theo trong stack) và vận chuyển gói dữ liệu đó

đến đích

Vài đặc điểm chính trong hoạt động của MPLS

(a) Một miền MPLS (MPLS domain) bao gồm các router hỗ trợ MPLS đặt liên tiếp nhau và liên tục

(b) FEC cho một gói đợc xác định bằng một hoặc nhiều tham số do ngời quản trị mạng chỉ định

(c) Cơ chế chuyển tiếp (forwarding) của MPLS đợc thực hiện bằng cách tra cứu trong một bảng đã định nghĩa trớc (ánh xạ giữa các giá trị nhãn và các địa chỉ của hop tiếp theo) Trong một mạng IP, mỗi router đều phải phân tích header của gói IP dài và phức tạp, sau đó đa ra quyết định định tuyến với địa chỉ IP đích Đơn giản hơn, MPLS chỉ cần đọc giá trị nhãn ngắn và độ dài cố định, sau đó chuyển tiếp gói đó theo giá trị có sẵn trong bảng LIB

(d) Một PHB (Per-Hop Behavior) có thể đợc xác định ở mỗi LSR cho một FEC nào đó PHB xác định mức u tiên khi xếp hàng của gói tơng ứng với FEC và chính sách hủy gói (khi nghẽn mạng)

(e) Các gói tin đợc gửi có thể có cùng LER vào và ra nhng có thể khác FEC Vì vậy, chúng sẽ đợc đánh nhãn khác nhau, đợc xử lý theo PHB khác nhau ở các LSR, và có thể đợc vận chuyển qua mạng theo các LSP khác nhau

Ba khái niệm cơ bản của MPLS là FEC, LSP và nhãn Phần quan trọng nhất trong MPLS chính là quan hệ hoạt động của ba thành phần này Về cơ bản, MPLS phân các lu lợng thành các loại FEC Lu lợng thuộc một FEC sẽ

đợc chuyển qua miền MPLS theo một đờng LSP Từng gói dữ liệu sẽ đợc xem nh thuộc một FEC bằng việc sử dụng các nhãn cục bộ Nh vậy, MPLS

sẽ có một số yêu cầu sau:

- Lu lợng vào mạng phải đợc thuộc FEC tơng ứng

- Cần phải có một giao thức định tuyến để xác định cấu trúc cũng nh tình trạng hoạt động hiện thời của mạng; dựa vào thông tin đó, một LSP có thể

đợc gán cho một FEC Nh vậy, giao thức định tuyến phải có khả năng thu thập và sử dụng thông tin để hỗ trợ các yêu cầu QoS của FEC

- Một LSR phải biết rõ LSP cho một FEC, phải dành một nhãn đến cho LSP

đó, và phải thông báo nhãn đó cho các LSR khác gửi gói thuộc FEC này.Yêu cầu đầu tiên có thể thực hiện bằng cấu hình mạng, các giao thức báo hiệu hoặc bằng việc phân tích gói tin đến ở LER đầu vào Hai yêu cầu còn lại

đợc đề cập ở hai mục dới đây

3.2 Chọn tuyến

Chọn tuyến ở đây muốn đề cập đến việc chọn LSP cho một FEC nào

đó MPLS hỗ trợ cả hai cách định tuyến: định tuyến từng chặng (hop-by-hop routing) và định tuyến (biết) trớc (explicit routing)

Định tuyến từng chặng tơng tự nh các router trong mạng IP hiện nay, mỗi LSR chọn nút tiếp theo cho mỗi FEC Quá trình định tuyến này hỗ trợ vài u điểm của MPLS nh: chuyển mạch nhãn nhanh, có thể dùng ngăn xếp nhãn, và xử lý khác nhau với các FEC khác nhau trên cùng một tuyến Tuy nhiên, do hạn chế về các tham số trong giao thức định tuyến nên hop-by-hop routing không hỗ trợ xử lý lu lợng tốt và các chính sách quản trị

Định tuyến biết trớc tơng tự nh định tuyến nguồn; nghĩa là, một LSR (thờng là LER) chỉ định một số hoặc tất cả các LSR trên đờng LSP với một FEC Việc chọn tuyến có thể đợc cấu hình hoặc tự động chọn ở một nút Do việc các tuyến có thể chọn trớc nên explicit routing làm đơn giản hóa công việc quản trị Ngoài ra, việc định tuyến trớc tự động sẽ hỗ trợ tốt hơn cho việc xử lý lu lợng Một thuật toán định tuyến có tính đến các yêu cầu về lu l-ợng của nhiều luồng và các tài nguyên hiện có ở các nút trong mạng đợc xem là thuật toán định tuyến có ràng buộc (contraint-based routing

algorithm) Một mạng có sử dụng thuật toán định tuyến ràng buộc biết đợc

mức độ sử dụng mạng hiện tại, dung lợng mạng còn lại, và các dịch vụ đợc cam kết

3.3 Giao thức phân phối nhãn - LDP

Chọn tuyến nhằm xác định một LSP cho một FEC Phân phối nhãn là

để thiết lập thực sự một đờng LSP MPLS hỗ trợ nhiều giao thức phân phối nhãn khác nhau Một giao thức riêng đợc thiết kế để hỗ trợ việc phân phối nhãn là LDP – Label Distribution Protocol Giao thức phân phối nhãn ánh xạ thông tin định tuyến ở tầng mạng thành thông tin về đờng chuyển mạch nhãn ở tầng liên kết dữ liệu Phần này sẽ đề cập đến hoạt động của giao thức LDP

Trong giao thức LDP, các thực thể tham gia trao đổi thông tin về ánh xạ giữa label và FEC đợc gọi là các thực thể LDP ngang hàng Các thực thể này trao đổi thông tin với nhau thông qua một phiên LDP

Các thông điệp trao đổi đợc chia làm bốn loại: Discovery, Session, Advertisement, Notification Thông điệp Discovery dùng để thông báo và duy trì sự hiện diện của LSR trong mạng Các thông điệp Session đợc dùng

để thiết lập, duy trì, chấm dứt các phiên làm việc giữa các thực thể LDP Các

thông điệp Advertisement đợc dùng để tạo, thay đổi và xóa ánh xạ giữa nhãn

và FEC Các thông điệp Notification dùng để cung cấp các thông tin giám sát

và báo lỗi

Các thông điệp Discovery cung cấp một cơ chế để các LSR thông báo

sự có mặt của nó trong mạng bằng cách gửi định kỳ thông điệp Hello, sử dụng giao thức UDP gửi đến tất cả các LSR trong mạng (dùng multicast address) Khi một LSR muốn thiết lập một phiên với LSR khác, nó sẽ sử dụng thủ tục khởi tạo qua giao thức TCP Khi thủ tục khởi tạo thành công, hai LSR là hai thực thể LDP, có thể trao đổi các thông điệp Advertisement Các hoạt động của LDP đòi hỏi độ tin cậy và thông tin đợc nhận theo đúng thứ gửi đi, nên giao thức vận chuyển TCP đợc sử dụng để gửi các thông điệp Session, Advertisement, Notification, trừ trờng hợp cơ chế thông báo discovery dựa vào UDP

Cấu trúc thông điệp LDP đợc mã hóa theo <kiểu-độ dài-giá trị> (TLV _ Type-Length-Value) Một giá trị có thể bao gồm một hoặc nhiều TLV khác

Để phân biệt các LSR cũng nh không gian nhãn (label space), LDP đa

ra khái niệm LDP identifier – gồm 6 octet Bốn octet đầu dùng để nhận diện LSR và phải là duy nhất Hai octet sau dùng để nhận diện một không gian nhãn cụ thể của LSR đó: là per-platform (nếu bằng 0), hay là per-interface

LDP hỗ trợ việc phân phối và quản lý nhãn theo chế độ điều khiển nhãn (độc lập hay tuần tự), chế độ sử dụng nhãn (tự do hoặc tiết kiệm), chế

độ liên kết nhãn (theo yêu cầu hoặc không) nh đã đề cập trong phần đầu

4 Kiến trúc nút chuyển mạch MPLS

Các phần trên đã nêu những khái niệm cũng nh hoạt động của MPLS Phần này nhấn mạnh vào một đặc điểm nổi bật của MPLS là sự độc lập của hai mặt phẳng: mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng vận chuyển lu lợng Một nút MPLS có thể thực hiện việc định tuyến ở tầng 3 hoặc chuyển mạch ở tầng 2 ngoài khả chuyển mạch các gói đã đợc dán nhãn Hai mặt phẳng này

đợc thể hiện rất rõ trong kiến trúc của LSR và đợc minh họa trong hình vẽ 2.5

Hình vẽ 2.5 – Kiến trúc nút mạng MPLS

Các giao thức

định tuyến IP

Các giao thức phân phối nhãn

Bảng thông tin chuyển tiếp nhãn

Bảng định tuyến / bảng forwarding

trao đổi thông tin định tuyến

trao đổi thông tin gán nh∙n

Các gói

IP đi ra

Các gói tin có nh∙n đi ra

Mặt phẳng forwarding của MPLS có nhiệm vụ vận chuyển các gói dữ liệu dựa vào các giá trị nằm trong nhãn Mỗi một nút MPLS có hai bảng phục vụ cho việc chuyển tiếp dữ liệu là bảng thông tin nhãn (LIB – Label Information Base), và bảng thông tin vận chuyển nhãn (LFIB – Label Forwarding Information Base) Bảng LIB chứa tất cả các nhãn đợc gán bởi nút cục bộ và các ánh xạ các nhãn này đến nhãn nhận đợc từ các nút xung quanh nó Bảng LFIB sử dụng một tập con các nhãn nằm trong bảng LIB để thực sự phục vụ quá trình chuyển tiếp gói tin qua mạng Quá trình forwarding tại mỗi nút mạng chỉ đơn thuần là quá trình tráo đổi nhãn và gửi gói tin đến nút tiếp theo dựa vào thông tin trong bảng LFIB.

Mặt phẳng điều khiển của MPLS có nhiệm vụ xây dựng và duy trì thông tin trong các bảng phục vụ quá trình forwarding Tất cả các nút MPLS phải chạy các giao thức định tuyến IP để trao đổi thông tin định tuyến với nhau Trong MPLS, bảng định tuyến cung cấp thông tin về mạng đích và các phần địa chỉ mạng (prefix) hỗ trợ việc liên kết nhãn Các giao thức định tuyến link-state (nh OSPF, IS-IS) thờng đợc chọn vì nó cung cấp cho nút MPLS một cái nhìn toàn mạng Tuy nhiên, các giao thức này lại không phù hợp với việc phân phối nhãn vì chúng gửi các bản tin định tuyến cho một nhóm các router không nằm lân cận nhau; trong khi đó, các thông tin liên kết nhãn chủ yếu là thông tin giữa các router nằm cạnh nhau Mỗi module điều khiển làm nhiệm vụ gán và phân phối một tập hợp nhãn cũng nh duy trì các thông tin điều khiển liên quan

MPLS là một công nghệ ánh xạ hiệu quả thông tin địa chỉ của tầng 3 thành thông tin nhãn ở tầng 2 Vì vậy, thành công của MPLS chính là kết hợp khả năng mở rộng và tính linh hoạt của định tuyến ở tầng 3 với khả năng quản lý lu lợng, hỗ trợ QoS và hiệu suất chuyển mạch cao ở tầng 2.

Các khái niệm chính của MPLS là nhãn, FEC, LSP và label stack Sau khi LSP đã đợc thiếp lập, lu lợng sẽ đợc chuyển lên đờng này nên khả năng

điều khiển đờng là rất rõ ràng Khái niệm ngăn xếp nhãn tăng cờng khả năng

mở rộng của mạng MPLS Hoạt động của MPLS gồm hai bớc chính là: (1) thiết lập đờng LSP qua mạng, sau đó (2) thực hiện chuyển tiếp luồng lu lợng qua mạng theo đờng LSP đã thiết lập bao gồm các thủ tục gán nhãn tại đầu vào, tráo đổi các nhãn tại mỗi nút trong mạng, và tách nhãn ở đầu ra của LSP

Một đặc điểm nổi bật của MPLS là sự tách biệt giữa mặt phẳng dữ liệu

và mặt phẳng điều khiển nh đợc đề cập trong mục 4 Mặt phẳng dữ liệu thực hiện chức năng chuyển dữ liệu đến nút tiếp theo thuật toán khá đơn giản nên hiệu suất chuyển mạch là rất cao Mặt phẳng điều khiển cho phép nhiều module điều khiển thao tác trên các nhãn của một gói dữ liệu nên sự kết hợp của các module điều khiển hõ trợ mạng MPLS cung cấp nhiều dịch vụ và

phục vụ nhiều mục đích khác nhau Chơng tiếp theo đề cập đến một công cụ

điều khiển lu lợng khác là: định tuyến ràng buộc

Chơng 3

Định tuyếN ràng buộc

Định tuyến đang đợc sử dụng trong mạng Internet hiện nay chỉ tập trung vào các kết nối vật lý, và thờng chỉ hỗ trợ một loại dịch vụ theo mô hình hiệu quả tối đa Các giao thức định tuyến Internet nh OSPF, RIP.v.v tìm ra “đờng đi ngắn nhất” – là đờng đi đã tối u theo một tham số nh chi phí quản trị hoặc số nút (hop) Các đờng đi khác, với chi phí không tối u theo các tham số đó, có thể không đợc sử dụng Nh vậy, nó dẫn đến hai vấn đề: tắc nghẽn và không giải quyết tốt bài toán cân bằng lu lợng Vấn đề tắc nghẽn nảy sinh do quá trình định tuyến chỉ quan tâm đến có đờng đi đến nút đích hay không mà lại không quan tâm đến tài nguyên mạng hiện có và yêu cầu

về tài nguyên của lu lợng đến Vấn đề cân bằng lu lợng không đợc giải quyết vì thuật toán định tuyến chỉ tối u theo một tham số đơn giản Cơ chế định tuyến hỗ trợ ràng buộc đợc sinh ra nhằm giải quyết các hạn chế của cơ chế

định tuyến hiện nay đồng thời tìm các đờng đi thỏa mãn yêu cầu về QoS của luồng dữ liệu

Trong chơng này, chúng ta cùng tìm hiểu những vấn đề của bài toán

định tuyến theo điều kiện ràng buộc và tập trung vào định tuyến hỗ trợ QoS Mục (1) sẽ giới thiệu những khái niệm và các khó khăn đối với định tuyến

ràng buộc Mục (2, 3, 4) sẽ đề cập đến cách tiếp cận với bài toán định tuyến dựa vào mô hình đồ thị, thông tin trạng thái mạng và các thuật toán định tuyến Mục (5) đề cập đến vấn đề thực hiện định tuyến QoS.

Định tuyến hỗ trợ QoS (QoS-based Routing) là cơ chế định tuyến xác

định các đờng đi cho các luồng dựa vào hiểu biết về tài nguyên hiện có trên mạng cũng nh yêu cầu về QoS của các luồng dữ liệu

Định tuyến theo chính sách (Policy-based Routing) không dựa vào thông tin về cấu trúc mạng và các tham số đo, mà dựa vào các chính sách quản trị (chi phí, cấu trúc giá.v.v )

Định tuyến theo điều kiện ràng buộc (Constraint-based Routing) tính toán các tuyến theo nhiều điều kiện ràng buộc khác nhau, bao gồm cả định tuyến theo chính sách và định tuyến hỗ trợ QoS – nh trong hình vẽ 3.1

Định tuyến

hỗ trợ QoS Định tuyến theo chính sách

Định tuyến ràng buộc

Hình vẽ 3.1 – Định tuyến ràng buộc

1.2 Mục đích của định tuyến hỗ trợ QoS

Định tuyến trong mạng Internet hiện nay chỉ nhằm giải quyết vấn đề chỉ đờng cho các gói dữ liệu đến đích – tức là nó cho biết một gói tin với

địa chỉ IP đích xác định trớc có thể đợc chuyển đến đích hay không (reachability)

Nh đã đề cập ở trên, các cơ chế định tuyến trong mạng Internet hiện nay đợc tối u theo một tham số tuyến tính đơn giản Và nó chỉ sử dụng đờng

đi ngắn nhất để chuyển lu lợng theo hớng đó mà không quan tâm đến đờng

đó có tắc nghẽn hay không Vì vậy mà cơ chế định tuyến hiện nay có thể gây

ra hiện tợng tắc nghẽn trong khi các liên kết khác vẫn cha đợc sử dụng hết hiệu suất

Cơ chế định tuyến hỗ trợ QoS đợc sinh ra nhằm giải quyết các hạn chế của cơ chế định tuyến hiện nay Bên cạnh mục tiêu đáp ứng các yêu cầu về QoS của luồng lu lợng, định tuyến hỗ trợ QoS còn cần phải nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên trong mạng Nh vậy, các mục tiêu chính của nó là:(1) Đáp ứng đòi hỏi về QoS của các luồng dữ liệu Định tuyến hỗ trợ QoS cần phải tìm ra một đờng đi từ nguồn đến đích thỏa mãn yêu cầu của luồng dữ liệu về băng thông, trễ Việc tìm đờng thờng là động theo yêu cầu chứ không phải đợc cấu hình tĩnh Khi mà có vài đờng có thể sử dụng thì việc chọn đờng có thể dựa vào các ràng buộc về chính sách nh: đờng đi có số nút nhỏ nhất hoặc chi phí thấp nhất

(2) Tối u hệ số sử dụng tài nguyên mạng Định tuyến hỗ trợ QoS cần phải lái

lu lợng theo cách hiệu quả nhất để có thể tối đa hóa tổng thông lợng qua

mạng Vì đờng dài sẽ tốn nhiều tài nguyên mạng, nên đờng ngắn nhất trong các đờng có thể đáp ứng sẽ đợc chọn.

(3) Hiệu suất mạng không bị giảm đáng kể khi có một số sự cố xuất hiện nh tắc nghẽn Khi mạng trong tình trạng tải nặng, định tuyến hỗ trợ QoS phải

đa ra một hiệu suất tốt hơn so với các cơ chế định tuyến cũ Nghĩa là ngay cả khi tải nặng thì thông lợng toàn bộ mạng cũng không đợc giảm nhiều hơn so với định tuyến best effort.[1]

Với các mục tiêu trên, lợi ích mà định tuyến hỗ trợ QoS đem lại sẽ là tạo ra một mô hình dịch vụ kênh ảo trong mạng Internet (nh phân bổ các gói tin theo trình tự gửi), tăng sự hài lòng của khách hàng và việc sử dụng hiệu quả tài nguyên mạng của nhà cung cấp dịch vụ

1.3 Các vấn đề của định tuyến hỗ trợ QoS

Đối với một cơ chế định tuyến, có hai nhiệm vụ quan trọng là (1) duy trì và trao đổi thông tin về trạng thái mạng, và (2) tính toán đờng đi theo các tham số đã chọn Ngoài thông tin về kết nối mạng nh trong giao thức định tuyến hiện nay, giao thức định tuyến QoS còn phải duy trì thêm các thông tin

về trạng thái mạng (nh băng thông hiện có tại các liên kết, trễ, v.v ) Các thông tin này thờng xuyên thay đổi nhanh làm tần suất cập nhật thông tin thay đổi theo, và dẫn đến chi phí (tính toán, truyền thông) tăng lên nhiều Để tìm ra đờng đi thỏa mãn các tham số cho trớc, thuật toán định tuyến sẽ trở nên phức tạp hơn vì cần phải tính toán theo nhiều ràng buộc khác nhau Vì vậy, để giảm độ phức tạp của thuật toán định tuyến, tham số đợc chọn cần phải biểu diễn các thuộc tính cơ bản của mạng, và không quá phức tạp để có thể thực hiện biện pháp lọc tuần tự các tham số

Trong môi trờng Internet, định tuyến hỗ trợ QoS có một số khó khăn sau Thứ nhất, các ứng dụng có các yêu cầu QoS về băng thông, jitter, trễ.v.v rất đa dạng; nh điện thoại IP, video streaming, v.v Quá nhiều ràng buộc sẽ làm cho vấn đề định tuyến trở thành không khả thi Thứ hai, một mạng tích hợp phải hỗ trợ cả lu lợng best effort và QoS, nên vấn đề tối u hóa hiệu suất trở nên rất phức tạp Rất khó có thể xác định điểm hoạt động tốt nhất cho cả hai loại lu lợng nếu quá trình phân bố chúng là độc lập với nhau Mặc dù lu lợng QoS không bị ảnh hởng nhờ vào quá trình chiếm giữ tài nguyên, nhng lu lợng best effort sẽ bị tổn thất nếu đánh giá phân bố lu lợng tổng thể sai Khó khăn cuối cùng là trạng thái của mạng thay đổi rất nhanh

do sự thay đổi của tải, kết nối, liên kết Sự phát triển của mạng dẫn đến khó khăn hơn trong quá trình thu thập thông tin về trạng thái của mạng trong một môi trờng động Nếu thông tin về trạng thái mạng không chính xác và đầy đủ thì hiệu suất của thuật toán định tuyến sẽ giảm

2 Mô hình đồ thị

Để giải quyết bài toán định tuyến, một mạng đợc mô hình hóa dới dạng đồ thị <V, E> Tập hợp các nút V đại diện cho các nút mạng nh chuyển mạch, router, và host Tập hợp các cạnh E của đồ thị biểu diễn các liên kết thông tin trong mạng Các cạnh đợc gọi là vô hớng nếu thông tin qua liên kết giữa hai cặp nút là đối xứng Một liên kết đối xứng có chung các thuộc tính (nh băng thông, trễ truyền dẫn, v.v ) và chung lu lợng theo cả hai chiều Đối với hầu hết các mạng trong thực tế, các liên kết thông tin là bất đối xứng, nên các liên kết thờng đợc biểu diễn bằng hai cạnh có hớng theo hai chiều ngợc nhau

Mỗi liên kết đợc đánh giá bằng các tham số liên quan đến QoS Các tham số này thờng là: băng thông, số nút, trễ, jitter và chi phí Thuật toán

định tuyến sẽ tối u một hoặc nhiều trong các tham số này Mỗi nút cũng có trạng thái của nó Trạng thái của nút có thể đợc đánh giá độc lập, nhng thờng

đợc kết hợp với trạng thái của liên kết Hình vẽ 3.2 minh họa trạng thái của mạng (thông tin về trạng thái nút đã đợc kết hợp vào trạng thái của liên kết), tham số trong ví dụ này gồm có băng thông còn d, trễ của liên kết và chi phí của liên kết Băng thông còn d đợc đánh giá bằng hiệu của băng thông lớn

nhất có thể dành trớc và tổng băng thông đã bị chiếm Trễ của liên kết đợc tính bằng tổng trễ truyền dẫn và trễ xếp hàng tại mỗi nút Chi phí của liên kết

đợc tính bằng tổng tài nguyên tiêu thụ tại nút và liên kết

Hình vẽ 3.2 – Thông tin về trạng thái mạng

Các tham số ràng buộc có thể chia thành 3 loại sau: tuyến tính, phi tuyến, và cực trị Gọi d là tham số đánh giá liên kết (i, j) từ i đến j Với i, j, k, , l, m là các nút trên đờng đi, một đờng đi P = (i, j, k, , l, m) sẽ đ… ợc đánh giá:

- tuyến tính nếu d(P) = d(i, j) + d(j, k) + + d(l, m)…

Ví dụ nh trễ, jitter, chi phí, và số nút

- phi tuyến nếu d(P) = d(i, j) * d(j, k) * * d(l, m)…

S

t

l k

Trạng thái liên kết = (băng thông, trễ, chi phí)

(1, 6, 1)

(1, 6, 1) (2, 2, 1)

(2, 1, 1)

(2, 1, 2)

(1.5, 2, 6.3) (1, 2, 2.5)

(5, 2, 3)

Ví dụ nh: độ tin cậy (=1 – xác suất mất gói tin)

- cực trị nếu d(P) = min [d(i, j); d(j, k); ; d(l, m)]…

Ví dụ nh băng thông

Việc lựa chọn các tham số nhằm đánh giá trạng thái mạng cần phải phù hợp Các tham số này cần phải đại diện cho các thuộc tính cơ bản của mạng và cần quan tâm Hơn nữa, việc tính toán đờng đi theo các theo một tham số, hoặc một nhóm các tham số không đợc quá phức tạp Nếu việc tính toán quá phức tạp thì vấn đề thực hiện trong thực tế sẽ không khả thi Việc lựa chọn các tham số có thể tiếp cận theo cách “lọc tuần tự” Cách tiếp cận này kết hợp các tham số theo một thứ tự nhất định và phản ánh đợc mức độ quan trọng khác nhau của từng tham số Nh vậy việc lựa chọn các tham số không chỉ quan tâm tới những tham số cần thiết mà còn phải tính đến độ phức tạp trong tính toán [9]

3 Thông tin trạng thái

Cơ chế định tuyến cần phải thu thập các thông tin về trạng thái mạng

để cung cấp dữ liệu đầu vào cho thuật toán định tuyến Thông tin trạng thái

có thể là thông tin về trạng thái cục bộ tại mỗi nút, toàn mạng, hoặc một phần trong mạng

Mỗi một nút duy trì việc cập nhật thông tin trạng thái cục bộ của nó Các thông tin này bao gồm trễ xếp hàng và truyền dẫn, băng thông còn lại,

và các tài nguyên khác hiện có

Kết hợp thông tin cục bộ tại tất cả các nút trong mạng sẽ tạo ra thông tin trạng thái về toàn bộ mạng Các nút trao đổi thông tin cục bộ với nhau để mỗi nút có đợc hình ảnh về toàn bộ mạng Quá trình trao đổi thông tin giữa các nút có thể đợc thực hiện định kỳ hoặc khi có thay đổi bằng giao thức

link-state hoặc distance vector Trong giao thức link-state, mỗi nút trong mạng gửi thông tin tình trạng cục bộ của nó cho tất cả các nút trong mạng (hình vẽ 3.2) Còn trong giao thức vector khoảng cách, các nút gửi tất cả các thông tin mà nó có cho những nút lân cận nối trực tiếp với nó Thông tin về trạng thái toàn mạng tại mỗi nút luôn luôn xấp xỉ trạng thái mạng hiện thời

do luôn có trễ trong quá trình trao đổi thông tin giữa các nút Khi qui mô mạng tăng lên thì độ sai lệnh của thông tin về trạng thái toàn mạng càng lớn

Trạng thái mạng đợc gộp (Aggregated global state): khi mạng lớn thì việc mỗi nút duy trì thông tin về toàn bộ trạng thái mạng sẽ hạn chế khả năng mở rộng của mạng vì làm tăng chi phí tính toán và duy trì thông tin tại mỗi nút mạng Vì vậy, ngời ta đa ra khái niệm phân cấp mạng và phân vùng Các nút mạng trong cùng một vùng cần nắm đầy đủ thông tin về các nút mạng trong vùng đó & đợc nhóm thành một nút logic Các nút logic đợc nối với nhau bằng các liên kết logic và tạo thành một nút logic ở cấp cao hơn Một nút vật lý trong một nhóm đợc chọn để hoạt động đại diện cho nút logic chứa thông tin trạng thái mức cao hơn Nh vậy, mỗi nút vật lý duy trì hình

ảnh về mạng sau khi đã loại bỏ các thông tin không cần thiết Cụ thể hơn, hình ảnh này đợc tạo ra bắt đầu từ cấp cao nhất, và đợc thay thế dần dần bằng các nút ở mức logic thấp hơn Hình vẽ 3.3 minh họa thông tin trạng thái sau khi đã đợc gộp nhìn từ nút A.a.1 Thuật toán link-state đợc mở rộng để

hỗ trợ việc thu thập thông tin về trạng thái mạng Khi trạng thái mạng đợc gộp lại thì độ sai lệnh với trạng thái thực tế càng tăng

Trong hai cơ chế phân phối thông tin trạng thái nêu trên, giao thức link-state phù hợp với nhiệm vụ này hơn giao thức vector khoảng cách vì nó cung cấp cho mỗi nút thông tin cụ thể về toàn bộ trạng thái mạng Giải pháp

mở rộng giao thức link-state hiện có (nh OSPF, IS-IS) là dễ dàng hơn xây dựng một giao thức mới vì định tuyến hỗ trợ QoS có cùng chung chức năng

cơ bản với giao thức định tuyến best-effort Đờng đi cần tìm phụ thuộc chủ yếu vào cách thu thập nh thế nào và lu trữ thông tin trạng thái ở đâu.

Hình vẽ 3.3 – Thông tin trạng thái về một phần mạng nhìn từ nút A.a.1

4 Các thuật toán định tuyến

Nhiệm vụ thu thập và duy trì thông tin về tình trạng mạng đã đợc đề cập ở mục trên Thuật toán định tuyến sẽ dựa vào các thông tin này để tìm ra

đờng đi tối u cho các gói dữ liệu Giống nh bài toán định tuyến best-effort, dựa vào thông tin tình trạng đợc lu trữ nh thế nào và cách tìm đờng ra sao, có

ba cách tiếp cận với bài toán tìm đờng là: (1) định tuyến nguồn (tập trung), (2) định tuyến phân tán và (3) định tuyến phân cấp Phần này giới thiệu các nguyên tắc của ba thuật toán định tuyến trên và đánh giá những điểm mạnh

và yếu của chúng

4.1 Định tuyến tập trung

A.a.1 A.a.2 A.a.4 A.a.3

Trong định tuyến tập trung (source routing), mỗi nút duy trì thông tin

về toàn bộ trạng thái mạng, bao gồm cấu trúc vật lý của mạng và thông tin trạng thái của từng liên kết Giao thức link-state sẽ cập nhật trạng thái toàn mạng tại mỗi nút (nh OSPF, IS-IS) Dựa vào thông tin này, toàn bộ đờng đi

sẽ đợc tính toán tại một nút Do vậy, nó tránh đợc các vấn đề của tính toán phân tán, nh lặp đến vô cùng, đờng đi lặp vòng – loop Có nhiều thuật toán

đơn giản, dễ thực hiện sẽ thực hiện việc tính toán để tìm đờng đi tối u

Tuy vậy, định tuyến tập trung gặp phải một số vấn đề sau Thứ nhất,

để hỗ trợ QoS, trạng thái toàn mạng tại mỗi nút phải đợc cập nhập đủ tần suất cần thiết để đáp ứng các thay đổi liên tục của các tham số mạng nh băng thông và trễ Yêu cầu này sẽ dẫn đến chi phí truyền tin khá cao đối với các mạng lớn Thứ hai, giao thức link-state chỉ có thể cung cấp thông tin gần

đúng với trạng thái mạng và mức độ sai lệch càng lớn nếu thông tin cha đợc cập nhật Vì vậy, thuật toán định tuyến QoS có thể không tìm ra đờng đi cho

lu lợng yêu cầu do thông tin trạng thái không chính xác Thứ ba, vì quá trình tính toán chỉ tập trung tại nút nguồn nên chi phí là khá cao khi có một lợng lớn các yêu cầu và nhiều ràng buộc Nh vậy, vấn đề của cơ chế định tuyến tập trung chính là khả năng mở rộng kém Định tuyến tập trung khó có thể đ-

ợc thực hiện với mạng có qui mô lớn

4.2 Định tuyến phân tán

Trong định tuyến phân tán, đờng đi đợc tính toán tại các nút trung gian giữa nguồn và đích Vì vậy, thời gian đáp ứng yêu cầu định tuyến là ngắn hơn và có thể mở rộng đợc Định tuyến phân tán có thể tìm ra nhiều đờng đi

đồng thời cho cùng một nút và làm tăng xác suất thành công của bài toán

định tuyến Hầu hết các thuật toán định tuyến cũng yêu cầu mỗi nút duy trì trạng thái toàn mạng (thờng dới dạng các vector khoảng cách, mỗi bảng chứa