Nghiên cứu tích hợp công nghệ MPLS trên mạng Mobile Backhaul

THUẬT NGỮ VIẾT TẮTATM Asynchronous Transfer Mode Công nghệ ATM AToM Any Transport over MPLS Ứng dụng MPLS lớp 2 BGP Boder Gateway Protocol Giao thức định tuyến cổng biên BSC Base Station

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian tìm hiểu và thực hiện đề tài “Nghiên cứu tích hợp công nghệ MPLS trên mạng Mobile Backhaul” em đã nhận rất nhiều được sự giúp đỡ cũng như những kinh nghiệm quý báu cả trong công việc lẫn trong cuộc sống

Đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới Thầy Trần Hoàng Diệu, người đã tận tình chỉ bảo em trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện đề tài Thầy đã dạy cho em không chỉ kiến thức mà còn rất nhiều kinh nghiệm sống quý báu Trong quá trình nghiên cứu em đã gặp phải nhiều khó khăn nhưng Thầy luôn là động viên, giúp đỡ để em hoàn thành được đề tài

Em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông nói chung, các Thầy cô trong Khoa Viễn thông I nói riêng đã tạo điều kiện thuận lợi cho em thực hiện đề tài này

Lời cuối cùng em xin cảm ơn tất cả bạn bè, anh chị em gần xa đã luôn ở bên cổ

vũ động viên trong suốt quá trình em thực hiện để tài Đặc biệt con xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bố mẹ, người đã sinh ra, chỉ bảo, nuôi lớn để con được như ngày hôm nay

Tuy em đã cố gắng để thực hiện đề tài nhưng do thời gian và trình độ có hạn nên sẽ vẫn còn nhiều thiếu sót và hạn chế Kính mong nhận được sự góp ý của Thầy cô

và các bạn

Em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

2

DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC BẢNG BIỂU

4

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

ATM Asynchronous Transfer Mode Công nghệ ATM

AToM Any Transport over MPLS Ứng dụng MPLS lớp 2

BGP Boder Gateway Protocol Giao thức định tuyến cổng biên

BSC Base Station Controller Giao thức định tuyến cổng biên

BTS Base Transceiver Station Điều khiển trạm gốc

CESoPSN Circuit Emulation Services over Packet Công nghệ CESoPSN

CR-LDP Constraint-based Routing Label

Distribution Protocol Giao thức phân phối nhãn dựa định tuyến ràng buộc

CSPF Constrained Shortest Path First Thuật toán tìm đường ngắn nhất dựa trên ràng

buộc

DLCI Data link Connection Identifier Nhận dạng lớp liên kết dữ liệu

FEC Forwarding Equivalence Class Lớp chuyển tiếp tương đương

FIB Forwarding Information Base Cơ sở thông tin chuyển tiếp

FP Forwarding Plane Mặt phẳng chuyển tiếp

GSM Global System for Mobile

Communications

Mạng thông tin di động 2G

HDLC High-Level Data Link Control Điều khiên liên kết dữ liệu ở lớp cao

ILM Incoming Label Map Ánh xạ nhãn đến NHLFE

LDP Label Distribute Protocol Giao thức phân phối nhãn

LER Label Edge Router Bộ đinh tuyến MPLS tại biên

LFIB Label Fowarding Information Base Cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn

LIB Label Information Base Cơ sở thông tin nhãn

LSP Label Switching Path Đường chuyển mạch nhãn

LSR Label Switching Router Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn

LTE Long Term Evolution Công nghệ mạng 4G

MAC Media Access Control hay Medium

Access Control

Điều khiển truy nhập môi trường truyền dẫn

MPLS Multi-Protocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức

NHLFE Next-hop Label Forwarding Entry Mục nhập chuyển tiếp nhãn

NLPID Network Layer Protocol Identifier Nhận dạng giao thức lớp mạng

OSI Open Systems Interconnection

Reference Model Mô hình tham chiếu OSI

OSPF Open Shortest Path First Giao thức định tuyến nội miền

PHB Per-hop Behavior Xử lý dịch vụ tại mội nút

PPP Point-to-Point Protocol Giao thức liên kết dữ liệu điểm điểm

QoS Quality of Service

RIB Routing Information Base Cơ sở thông tin định tuyến

RNC Radio Network Controller Khối điều khiển vô tuyến

RSVP Resource Reservation Protocol Giao thức định trước tài nguyên

SAToP Structure-Agnostic TDM over Packet Công nghệ SAToP

SONET/SDH SONET-Synchronous Digital Hierarchy Hệ thống truyền dẫn đồng bộ trên miền quang

TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền vận

TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời gian

TE Traffic Engineering Kĩ thuật lưu lượng

UDP User Datagram Protocol Giao thức truyền dữ liệu không tin cậy

UMTS Universal Mobile Telecommunications

VCI Virtual Chanel Indentify Nhận dạng kênh ảo

VPI Virtual Path Indentify Nhận dạng đường ảo

LỜI MỞ ĐẦU

Sự phát triển của công nghệ đã mở ra nhiều loại hình dịch vụ và ứng dụng di động mới Các dịch vụ ứng dụng này đòi hỏi nhiều hơn nhu cầu về tài nguyên băng thông Mạng Mobile Backhaul với truyền dẫn TDM hay IP/ATM không còn khả năng đáp ứng được khối dung lượng dữ liệu ngày càng gia tăng này Yêu cầu cấp thiết được đặt ra với các nhà mạng là phải nâng cấp phân đoạn Mobile Backhaul hiện có trên cơ

sở hiệu quả, tiết kiệm nhưng vẫn duy trì được hạ tầng mạng hiện tại, đồng thời các giải pháp được đề ra phải phù hợp với xu thế của thời đại là hội tụ mạng trên nền toàn IP

để có thể tạo lên một cơ sở cho các hướng phát triển tiếp theo của các mạng thông tin

di động Công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS phát triển dựa trên sự kết của công nghệ IP và công nghệ ATM, tận dụng được những ưu điểm của hai công nghệ này là giải pháp tối ưu cho việc nâng cấp mạng Mobile Backhaul của các nhà mạng Trong phạm vi của luận văn em xin trình bày về về đặc điểm của MPLS cùng với những ứng dụng của nó trong việc tối ưu mạng Mobile Backhaul

Luận văn gồm có 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về công nghệ MPLS Chương này trình bày về những

đặc điểm cơ bản của công nghệ MPLS

Chương 2: Nghiên cứu các giải pháp công nghệ ứng dụng trong mạng Mobile Backhaul Chương này trình bày một số công nghệ và một số giải pháp đã

được sử dụng để tối ưu mạng Mobile Backhaul

Chương 3: Nghiên cứu giải pháp ứng dụng công nghệ IP/MPLS trong mạng Mobile Backhaul Chương này trình bày về các ứng dụng, kĩ thuật trong MPLS áp

dụng để tối ưu mạng Mobile Backhaul

6

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ MPLS

Chương này giới thiệu tổng quan cùng với các đặc điểm cơ bản và một số cơ chế giao thức trong công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS-Multi-Protocol Label Switching

1.1 Tổng quan về công nghệ MPLS

1.1.1 Giới thiệu chung

Khi mạng Internet phát triển và mở rộng, lưu lượng Internet bùng nổ Các ISP xử

lý bằng cách tăng dung lượng các kết nối và nâng cấp các router nhưng vẫn không tránh khỏi tình trạng nghẽn mạch Lý do là các giao thức định tuyến thường hướng lưu lượng vào cùng một số các kết nối nhất định dẫn đến kết nối này bị quá tải trong khi một số các nốt khác lại không được sử dụng Đây là tình trạng phân bố tải không đồng đều và sử dụng lãng phí tài nguyên mạng Internet Vào thập niên 90, các ISP phát triển mạng của họ theo mô hình chồng lớp (Overlay) dựa trên giao thức IP over ATM

IP là công nghệ nguyên thủy trên mạng Internet, sử dụng địa chỉ đích cho bài toán định tuyến và quá trình chuyển tin được thực hiện tại mặt phẳng chuyển tiếp thông qua bảng chuyển tiếp Các thông tin chuyển tiếp được xác định thông qua thông tin trong bảng định tuyến Ưu điểm của công nghệ này là có tính mềm dẻo cao hỗ trợ được nhiều loại ứng dụng nhưng có tốc độ chậm, không đảm bảo chất lượng cho các ứng dụng cần thời gian thực và yêu cầu trễ thấp

ATM là công nghệ hướng kết nối sử dụng tiêu đề cho bài toán định tuyến và truyền tin, sử dụng các nhãn VPI/VCI để kết nối giữa một tuyến đầu vào tới một tuyến đầu ra cảu một nút mạng ATM hỗ trợ nhiều loại dữ liệu, có đặc tính phân lớp dịch vụ, tốc độ nhanh đảm bảo QoS, nhưng hệ thống báo hiệu phức tạp và không có tính mềm dẻo

Khi các ISP mở rộng mạng theo hướng IP over ATM họ càng nhận thấy rõ nhược điểm của mô hình này Các bộ định tuyến tạo thành điểm nút tắc nghẽn và không hỗ trợ lưu lượng ổn định tại tốc độ quá cao, các bảng định tuyến quá lớn cà việc truy nhập địa chỉ mất quá nhiều thời gian , trong khi hả năng của trường chuyển mạch ATM là rất lớn

Sự bùng nổ mạng Internet dẫn tới xu hướng hội tụ các mạng viễn thông như mạng thoại, truyền hình… dựa trên Internet, tốc độ truyền tin nhanh, nhưng phải mềm

dẻo trong quá trình định tuyến và chuyển tiếp gói tin Công nghệ MPLS (Multi - Protocol Label Switching) ra đời kết hợp được những ưu điểm của hai công nghệ IP và

Hình 1.1: MPLS trong mô hình OSI

“Đa giao thức” nghĩa là MPLS có thể hỗ trợ nhiều giao thức lớp mạng, không chỉ riêng IP Ngoài ra các nhà cung cấp mạng có thể cấu hình và chạy MPLS trên các công nghệ lớp 2 khác nhau như Fram Relay … không chỉ riêng ATM Về mặt lý thuyết điều này là đúng, nhưng trong thực tế MPLS thường tập trung vào việc vận chuyển các dịch

vụ IP trên nền ATM

MPLS là giải pháp nhằm liên kết định tuyến lớp mạng và cơ chế hoán đổi nhãn thành một giải pháp đơn nhất để đạt được các mục tiêu sau:

• Cải thiện hiệu năng định tuyến

• Cải thiện tính mềm dẻo của định tuyến trên các mô hình xếp chồng truyền thống

• Tăng tính mềm dẻo trong quá trình đưa vào và phát triển các loại hình dịch vụ mới

Mạng MPLS có khả năng chuyển các gói tin lớp 3 bằng việc xử lý từng gói và chuyển tiếp gói tin tại lớp 2 sử dụng cơ chế hoán đổi nhãn MPLS dựa trên mô hình ngang cấp, vì vậy mỗi một thiết bị MPLS chạy một giao thức định tuyến IP, trao đổi thông tin định tuyến với các thiết bị lân cận, và chỉ duy trì một không gian cấu hình mạng và một không gian địa chỉ

MPLS chia bộ định tuyến làm hai phần riêng biệt: chức năng chuyển gói tin và chức năng điều khiển Phần chức năng chuyển gói tin với nhiệm vụ gửi gói tin giữa các bộ định tuyến IP, sử dụng cơ chế hoán đổi nhãn tương tự như của ATM Trong MPLS nhãn là một thực thể có độ dài cố định và không phụ thuộc vào lớp mạng Kỹ thuật hoán đổi nhãn về bản chất là việc tìm chặng kế tiếp của gói tin trong một bảng chuyển tiếp nhãn, sau đó thay thế giá trị nhãn của gói rồi chuyển ra cổng ra của bộ định tuyến Việc này đơn giản hơn nhiều so với việc xử lý gói tin thông thường và do

vậy cải tiến khả năng của thiết bị Các bộ định tuyến sử dụng thiết bị này gọi là bộ

định tuyến chuyển mạch nhãn LSR (Label switching Router) Phần chức năng điều

khiển của MPLS bao gồm các giao thức định tuyến lớp mạng với nhiệm vụ phân phối thông tin định tuyến giữa các LSR, và thủ tục gán nhãn để chuyển thông tin định tuyến thành bảng định tuyến chuyển mạch nhãn MPLS có thể hoạt động được với các giao

thức định tuyến Internet như OSPF (Open Shortest Path First) và BGP (Boder Gateway Protocol) hay PNNI của ATM Do MPLS hỗ trợ điều khiển lưu lượng và cho

phép thiết lập tuyến cố định nên việc đảm bảo dịch vụ của các tuyến là hoàn toàn khả

thi Ngoài ra, MPLS còn có cơ chế định tuyến lại nhanh (Fast Routing).

Bên cạnh độ tin cậy, công nghệ MPLS cũng hỗ trợ việc quản lý mạng được dễ dàng hơn Do MPLS quản lý việc chuyển tin theo các luồng thông tin, các gói tin

thuộc một FEC (Forwarding Equivalence Class) có thể được xác định bởi giá trị của

nhãn Do vậy, trong miền MPLS, các thiết bị đo lưu lượng mạng có thể dựa trên nhãn

để phân loại các gói tin Bằng cách giám sát lưu lượng tại các bộ định tuyến chuyển mạch nhãn LSR, nghẽn lưu lượng nhanh chóng được phát hiện và vị trí xảy ra nghẽn lưu lượng có thể xác định Tuy nhiên, giám sát lưu lượng theo phương thức này không đưa ra được toàn bộ thông tin về chất lượng dịch vụ (ví dụ như trễ xuyên suốt của miền MPLS) Việc đo trễ có thể được thực hiện bởi giao thức lớp hai Để giám sát tốc

độ của mỗi luồng và đảm bảo các luồng lưu lượng tuân thủ tính chất lưu lượng đã được định trước, hệ thống giám sát có thể dùng một thiết bị định dạng lưu lượng Thiết

bị này sẽ cho phép giám sát và đảm bảo tuân thủ đặc tính lưu lượng mà không cần thay đổi các giao thức hiện có

Khi một gói tin vào mạng MPLS, các bộ định tuyến chuyển mạch nhãn không thực hiện chuyển tiếp theo từng gói mà thực hiện phân loại gói tin vào trong các lớp tương đương chuyển tiếp FEC, sau đó các nhãn được ánh xạ vào trong các FEC Một giao thức phân bổ nhãn LDP được xác định và chức năng của nó là để ấn định và phân

bổ các ràng buộc nhãn cho các bộ định tuyến chuyển mạch nhãn LSR Khi LDP hoàn thành nhiệm vụ của nó, một đường dẫn chuyển mạch nhãn LSP được xây dựng từ lối vào tới lối ra Khi các gói vào mạng, LSR lối vào kiểm tra nhiều trường trong tiêu đề gói để xác định xem gói thuộc về FEC nào Nếu đã có một ràng buộc nhãn/FEC thì LSR lối vào gắn nhãn cho gói tin và định hướng nó tới giao diện đầu ra tương ứng Sau đó gói được hoán đổi nhãn qua mạng cho đến khi nó đến LSR lối ra, lúc đó nhãn

bị loại bỏ và gói được xử lý tại lớp 3 Hiệu năng đạt được ở đây là nhờ việc đưa quá trình xử lý lớp 3 tới biên của mạng và chỉ thực hiện một lần tại đó thay cho việc xử lý tại từng node trung gian như của IP Tại các node trung gian việc xử lý chỉ là tìm sự phù hợp giữa nhãn trong gói và thực thể tương ứng trong bảng kết nối LSR và sau đó hoán đổi nhãn - quá trình này thực hiện bằng phần cứng

Mặc dù hiệu năng và hiệu quả là hai kết quả quan trọng, song chúng không phải

là các lợi ích duy nhất mà MPLS cung cấp Trong mắt của những nhà cung cấp các mạng lớn, thì khả năng để thực hiện kỹ thuật lưu lượng tiên tiến mà không phải trả giá

về hiệu năng của MPLS được quan tâm đặc biệt

MPLS thực hiện các chức năng sau:

• Xác định cơ cấu quản lý các tính năng khác nhau của các luồng lưu lượng, như các luồng giữa các máy, phần cứng khác nhau hoặc thậm chí các luồng giữa những ứng dụng khác nhau

• Duy trì sự độc lập của các giao thức lớp 2 và 3

• Cung cấp phương pháp ánh xạ địa chỉ IP với các nhãn đơn giản, có độ dài cố định được sử dụng bởi các công nghệ chuyển tiếp gói và chuyển mạch gói khác nhau

• Giao diện với các giao thức định tuyến hiện có như giao thức đặt trước tài

nguyên RSVP (Resource Reservation Protocol) và giao thức mở đường ngắn nhất đầu tiên (OSPF)

• Hỗ trợ IP, ATM và giao thức lớp 2 Frame – Relay

Trong MPLS việc truyền dữ liệu xảy ra trên các đường chuyển mạch nhãn LSP

(Label Switch Path) tạo ra từ đầu vào đến đầu ra của mạng MPLS dùng để chuyển tiếp

gói của FEC nào đó sử dụng cơ chế chuyển đổi nhãn LSP được thiết lập trước khi truyền dữ liệu Các nhãn được phân bổ bằng việc sử dụng giao thức phân bổ nhãn LDP

(Label Ditribution Protocol), RSVP hay các giao thức định tuyến như giao thức định

tuyến cổng biên (BGP) và giao thức định tuyến nội miền OSPF Mỗi gói tin sẽ mang các nhãn trong suốt hành trình của chúng từ nguồn tới đích Bởi vì các nhãn có độ dài

cố định được chèn ở đầu gói hoặc tế bào nên có thể chuyển mạch gói nhanh giữa các tuyến liên kết bằng phần cứng

1.1.2 Thành phần cơ bản của mạng MPLS

Trong mạng chuyển mạch kênh các thiết bị thông minh thường đặt ở trong mạng lõi như MSC, SGSN, trong mạng IP thì các thiết bị thông minh bao gồm tất cả thiết bị trong mạng lõi và thiết bị ở biên Nhưng trong mạng MPLS thì lại có quan điểm hoàn toàn khác, đó là những thiết bị thông minh sẽ được đẩy ra ngoài biên thực hiện việc định tuyến, gán nhãn, gỡ nhãn, các thiết bị kém thông minh lại đẩy vào phía trong mạng lõi chủ yếu làm nhiệm vụ hoán đổi nhãn và chuyển tiếp gói tin Miền MPLS được chia thành 2 phần: Phần mạng lõi (Core) và phần mạng biên (Edge)

LSR (Label Switching Router): Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn LSR là

thành phần quan trọng nhất của mạng MPLS, nó là bộ phận định tuyến, chuyển mạch tốc độ cao LSR tham gia vào việc thiết lập đường chuyển mạch nhãn LSP sử dụng các giao thức báo hiệu nhãn thích hợp và chuyển các gói dữ liệu trong phạm vi mạng MPLS dựa trên các đường đã thiết lập bằng thủ tục phân phối nhãn Các LSR trong MPLS-Core chủ yếu thực hiện công việc chuyển mạch gói tin Các LSR ở biên hay còn gọi LER sẽ thông minh hơn để thực hiện thêm nhiều chức năng

• LSR ngõ vào (ingress LSR) xử lý lưu lượng đi vào miền MPLS

• LSR chuyển tiếp (Triansit-LSR) xử lý lưu lượng bên trong miền MPLS;

• LSR ngõ ra (Egress LSR) xử lý lưu lượng ra khỏi miền MPLS

• LSR biên (Edge LSR) thường được sử dụng như là tên chung cho cả LSR lối vào và lối ra.

Hình 1.2: Miền MPLS LER-Label Edge Router: Là thiết bị hoạt động tại biên của mạng truy nhập và

mạng MPLS hay là những LSR-edge LER hỗ trợ nhiều cổng kết nối từ những mạng khác (như Frame Relay, ATM và Ethernet) LER có vai trò rất quan trọng trong việc gán và tách nhãn khi lưu lượng đi vào hoặc đi ra trong mạng MPLS đồng thời là tham

gia vào việc thiết lập đường chuyển mạch nhãn LSP (Label Switching Path) Các LER này có thể là bộ định tuyến lối vào (ingress Router) hoặc bộ định tuyến lối ra (Egress Router).

FEC-Forwarding Equivalence Class (Lớp chuyển tiếp tương đương): FEC là

dòng lưu lượng các gói tin được xử lý chuyển tiếp giống nhau và được chuyển tiếp trên những tuyến đường giống nhau Tất cả các gói tin thuộc cùng một FEC sẽ có chung một nhãn kể cả khi địa chỉ đích trên mào đầu của chúng có địa chỉ IP khác nhau Các LSR ngõ vào sẽ thực hiện việc phân loại và ấn định gói tin vào một FEC để sử dụng một nhãn Mặc định LSR trong lõi sẽ không thực hiện việc phân loại này nữa mà chỉ hoán đổi nhãn để chuyển tiếp gói tin dựa trên nhãn Các dạng của FEC:

• MPLS unicast FEC: Tương ứng với mạng đích trong RIB

• MPLS multicast FEC: tương ứng với địa chỉ đích multicast

• MPLS VPN FEC: tương ứng với bảng định tuyến VPN

• MPLS QoS FEC: Tương ứng với sự kết hợp của địa chỉ mạng đích với giá trị Exp trong nhãn

LSP-Label Switching Path (Đường chuyển mạch nhãn): Là tuyến tạo ra từ

đầu vào đến đầu ra của mạng MPLS dùng để chuyển tiếp gói của một FEC nào đó sử

dụng cơ chế hoán đối nhãn Các đường chuyển mạch nhãn chứa một chuỗi các nhãn tại tất cả các nút dọc theo tuyến từ nguồn tới đích LSP được thiết lập trước khi truyền

dữ liệu hoặc trong khi xác định luồng dữ liệu nào đó Các nhãn được phân phối bằng

việc sử dụng giao thức phân phối nhãn (Label Distribution Protocol-LDP) hoặc giao thức dành trước tài nguyên (Resource Reservation Protocol - RSVP) trên các giao thức định tuyến như giao thức cổng biên (Border Gateway Protocol - BGP) và giao thức định tuyến nội miền OSPF (Open Shortest Path First OSPF) Mỗi gói dữ liệu được

đóng gói lại và mang các nhãn trong suốt thời gian di chuyển từ nguồn tới đích Chuyển mạch dữ liệu tốc độ cao hoàn toàn có thể thực hiện dựa theo phương pháp này,

vì các nhãn có độ dài cố định được chèn vào phần đầu của gói tin hoặc tế bào và có thể

sử dụng bởi phần cứng để chuyển mạch nhanh các gói dữ liệu giữa các liên kết

1.1.3 Kiến trúc chức năng của một nút MPLS

Cấu trúc một nút trong mạng MPLS cụ thể là LSR, LER bao gồm có 2 phần

chính: mặt phẳng điều khiển CP có các bảng RIB (Routing Information Base), LIB (Labels Informattion Base) và mặt phẳng chuyển tiếp có các bảng FIB (Fowarding Information Base) và LFIB (Label Forwarding Information Base).

Hình 1.3: Kiến trúc một nút LSR 1.1.3.1 Mặt phẳng điều khiển (CP – Control Plane)

Là một phần kiến trúc của router chịu trách nhiệm cho việc thu thập và quảng bá các thông tin để sử dụng cho việc chuyển tiếp lưu lượng Trong mặt phẳng điều khiển, router sẽ sử dụng các giao thức định tuyến như OSPF, IS-IS để xây dựng lên bản cơ sở định tuyến RIB và sử dụng các giao thức trao đổi nhãn xây dựng lên bảng cơ sở thông tin nhãn LIB Các thông tin trong bảng RIB, LIB sẽ được router cung cấp cho mặt

phẳng chuyển tiếp FD xây dựng lên bảng cơ sở thông tin chuyển tiếp FIB và bảng cơ

sở thông tin chuyển tiếp nhãn LFIB

Bảng RIB – Routing Information Base: cho biết được giao thức định tuyến

hoạt động và thông tin về tuyến đường đến mạng đích sử dụng định tuyến IP truyền thống Các thông tin trong bảng RIB sẽ kết hợp với cơ chế báo hiệu trong mạng MPLS bằng một giao thức phân phối nhãn để xây dựng lên LIB Cấu trúc trong bảng RIB cơ bản bao gồm: PROTOCOL, PREFIX, NEXT-HOP

Bảng 1.1.: Bảng RIB cơ bản Bảng LIB – Label Information Base: Trong mạng MPLS cơ chế báo hiệu sẽ

chịu trách nhiệm cho việc thiết lập quan hệ ràng buộc giữa hai LSR lân cận nhau bằng việc sử dụng các giao thức trao đổi nhãn Giao thức trao đổi nhãn kết hợp với các thông tin trong bảng RIB để gán nhãn cho mạng đích và đưa vào bảng LIB Cấu trúc trong bảng LIB cơ bản gồm có: PREFIX, LSR/LOCAL, LABEL Dựa vào bảng LIB ta

có thể thấy được nhãn nào được gán tại router và quảng bá cho router khác hay nhãn nào nhận được từ một router quảng bá lân cận

Bảng 1.2: Bảng LIB cơ bản 1.1.3.2 Mặt phẳng chuyển tiếp (FP – Fowarding Plane)

Là một phần kiến trúc của router LSR chịu trách nhiệm cho việc quyết định cho

việc chuyển tiếp gói tin Gồm có 2 bảng là FIB (Fowarding Information Base) và LFIB (Label Forwarding Information Base).Việc chèn nhãn, hoán đổi nhãn hay gỡ

nhãn sẽ thực hiện trong bảng này

Bảng FIB - Fowarding Information Base: Trong mạng MPLS cisco đưa ra kĩ

thuật chuyển mạch CEF – Cisco Express Forwarding nhằm tăng tối đa tốc độ chuyển mạch qua nút Bảng FIB sẽ được xây dựng dựa trên những thông tin từ bảng RIB Nếu gói tin đến không có nhãn thì FIB sẽ chuyển tiếp gói tin đi như gói tin bình thường dựa trên IP next-hop Nếu gói tin đên có nhãn thì FIB sẽ chuyển tiếp gói tin theo nhãn của hop tiếp theo Bảng FIB gồm có: PREFIX, NEXT-HOP, LABEL

Bảng 1.3: Bảng FIB cơ bản Bảng LFIB – Label Forwarding Information Base: Bảng LFIB được xây dựng

dựa trên những thông tin có được từ bảng LIB Cũng sử dụng kĩ thuật CEF, bảng LFIB

sẽ lưu trữ các nhãn dùng để chuyển tiếp các gói tin chứ không lưu trữ toàn bộ những ràng buộc nhãn như bảng FIB “Incoming Label” được hiểu như nhãn phát sinh tại LSR này và được quảng bá cho LSR kế cận “Outgoing Label” là nhãn nhận được từ một LSR quảng bá về Nếu gói tin đến có nhãn thì LFIB sẽ hoán đổi nhãn “Incoming Label” thành “Outgoing Label” và chuyển gói tin gán nhãn đi Khi gói tin đến là một gói IP bình thường thì nó sẽ căn cứ vào bảng LIB sẽ thực hiện việc chèn nhãn Việc gỡ nhãn ra khỏi gói tin cũng được thực hiện ở bảng này Bảng này gồm có: INLABEL, OUTLABEL, NEXT-HOP

Bảng 1.4: Bảng LFIB cơ bản 1.1.3.3 Thuật toán chuyển tiếp nhãn

Hình 1.4: Thuật toán chuyển tiếp gói tin Các mục nhập ILM – Incoming Label Map: Ánh xạ một nhãn đến NHLFE

(Next-hop Label Forwarding Entry)

FTN (FEC to NHLFE): Ánh xạ một FEC vào NHLFE để thực hiện thực hiện

công việc gán nhãn vao gói tin Nhờ mục nhập FTN mà gói tin đến sẽ được gán nhãn

NHLFE (Next-hop Label Forwarding Entry): là một mục nhập chứa các tác vụ

với nhãn như chèn nhãn, gỡ nhãn hay thay thế, địa chỉ chặng kế tiếp, giao diện ra và thông tin layer 2

Khi một gói tin đến một nút MPLS nó sẽ thực hiện việc kiểm tra nhãn đối với gói tin Nếu gói tin có nhãn thì mục nhập ILM sẽ ánh xạ gói tin vào NHLFE để thực hiện tác vụ hoán đổi nhãn thành nhãn mới và chuyến tiếp gói tin đi với nhãn mới này hay

có thể thực hiện gỡ bỏ nhãn thành gói tin IP Nếu gói tin đến là một gói tin IP bình thường thì mục nhập FTN sẽ thực hiện phân lớp dịch vụ và ánh xạ vào NHLFE để thực hiện việc gán nhãn cho gói tin và chuyển tiếp đi

1.1.3.4 Hoạt động chuyển tiếp gói tin qua một nút MPLS

Khi một gói tin IP đi đến một nút LSR qua giao diện trên nó, router sẽ thực hiện kiểm tra nhãn

• Trường hợp 1: Nếu không có nhãn thì router sẽ tiến hành phân tích mào đầu gói tin để biết địa chỉ đích và tra trong bảng FIB Nếu trong bảng FIB không có nhãn ứng với mạng đích này thì nó sẽ chuyển tiếp gói IP ra giao diện đầu ra Nếu có nhãn ứng với mạng đích thì nó tiến hành gán nhãn đó cho gói tin rồi chuyển tiếp đến hop kế cận trong LSP Trường hợp này thường tương ứng với những LER

• Trường hợp 2: Nếu gói tin đến đã có nhãn thì router sẽ tra trong bảng LFIB để thấy được nhãn mới dung để hoán đổi cho nhãn vào và rồi chuyển tiếp qua giao diện đầu ra Trường hợp này thường thấy trên những LSR-Transit

• Trường hợp 3: Khi gói tin gán nhãn đến được LSR-Egress, router này sẽ tiến hành

gỡ nhãn ra khỏi gói tin rồi tra bảng FIB để tìm thông tin tuyến đường của gói tin này Việc làm này khiến mạng MPLS không tối ưu vì cùng lúc LSR phải kiểm tra hai bảng là FIB và LFIB Để khắc phục sử dụng kĩ thuật PHP để gỡ nhãn ở hop kế cận với LSR-Egress nhằm tránh tình trạng tìm kiếm kép trên LSR-Egress

Thường thì một gói được ấn định một FEC dựa trên địa chỉ đích lớp mạng của

nó Tuy nhiên nhãn không phải là mã hoá địa chỉ đó Nhãn trong mạng đơn giản nhất xác định đường đi mà gói có thể truyền qua Nhãn được mang hay được đóng gói

Các thực thể tiếp theo trong mạng sẽ dựa trên nội dung của nhãn để vận chuyển tiếp gói tin Bộ đinh tuyến ngõ ra sẽ thực hiện việc tháo nhãn ra khỏi gói tin.

Dạng của nhãn phụ thuộc vào phuơng thức truyền tin mà gói tin được đóng gói đối với dạng Frame Relay sử dụng giá trị nhận dạng để kết nối các liên kết dữ liệu

DLCI (Data Link Connection Identifier), ATM sử dụng trường nhận dạng đường ảo và đường nhận dạng kênh ảo trong tế bào (Virtual Path Identifier/Virtual Circuit Identifier – VPI/VCI), sau đó gói được chuyển tiếp dựa trên giá trị của chúng.

Hình 1.5: Định dạng chung của nhãn MPLS

• LABEL (20bit): chứa giá trị nhãn

• EXP.bits: CoS(3 bit)- chất lượng dịch vụ

• S (1 bit) – bie-stack: xác định nhãn cuối cùng trong ngăn xếp

• TTL (8 bit) – time to live :trường định thời

1.1.4.2 Ngăn xếp nhãn

Là một tập có thứ tự các nhãn gán theo gói để chyển tải thông tin về nhiều FEC

và về các LSP tương ứng mà gói đi qua Ngăn xếp nhãn cho phép MPLS hỗ trợ định tuyến phân cấp (một nhãn cho EGP và một nhãn cho IGP) và tổ chức đa LSP trong một trung kế LSP Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho chế độ hoạt động đường hầm trong MPLS Một gói có thể được “dán chồng” nhiều nhãn, các nhãn này được chứa trong stack

Ngăn xếp nhãn thì được tổ chức theo nguyên tắc LIFO Tại mỗi hop trong mạng

sử lý nhãn sử lý nhãn hiện hành trên đỉnh stack Chính nhãn này được LSR sử dụng để chuyển tiếp gói

Nếu gói tin chưa có nhãn thì stack rỗng (độ sâu của stack bằng 0) Nếu stack có chiều sâu là d thì mức 1sẽ là đáy của stack (bít s trong entry nhãn đặt lên 1)và mức d

sẽ là ở đỉnh stack.một entry nhãn có thể được đặt thêm vào (push) hoặc lấy ra (pop ) khỏi stack

Hình 1.6: Ngăn xếp nhãn 1.1.4.3 Các chế độ đóng gói nhãn MPLS

Nhãn MPLS trong chế độ khung

Trong chế độ này các ngăn xếp nhãn MPLS sẽ được chứa trong phần đệm (SHIM LAYER) nằm giữa header lớp liên kết dữ liệu và lớp mạng Cụ thể phần đỉnh stack nằm ngay sau header lớp liên kết dữ liệu và phần đáy stack nằm trước header lớp mạng Như vậy xảy ra một vấn đề đó là làm sao mà LSR tiếp theo có biết được là gói tin này có nhãn khi phần này bị che bởi phần layer lớp 2 (lớp liên kết dữ liệu) Trong

header layer 2 của gói tin có trường nhận dạng giao thức mạng (NLPID- Network Layer Protocol Indentifier), router sẽ sử dụng trường này để giải quyết vấn đề trên,

phương thức này khác nhau với từng kĩ thuật lớp 2 Ethernet sử dụng cặp giá trị 0x8847 và 0x8848 để chỉ khung đang mang gói có nhãn tương ứng với mạng unicast

và multicast Trong khung PPP sử dụng giao thức điều khiển MPLS (MPLSCP) và đánh dấu tất cả các gói tin có nhãn bằng giá trị 0x8281

Hình 1.7: Nhãn trong khung Nhãn trong chế độ tế bào

Chế độ tế bào (Cell) được dùng khi ta có một mạng gồm các ATM-LSR (ATM có

hỗ trợ MPLS), trong đó nó sử dụng các giao thức phân phối nhãn MPLS để trao đổi

thông tin VPI/VCI (Virtual Path Indentifier/Virtual Channel Indentifier) thay cho báo

hiểu phức tạp của ATM Nhãn được mã hóa trong trường gộp VPI/VCI thay cho báo hiệu ATM

Hình 1.8: Nhãn trong ATM cell Header

Tế bào ATM gồm có 5 byte header và 48 byte tải trọng Để tuyền tải gói tin có kích thước lơn hơn 48 byte từ lớp trên đi xuống, ATM phải chia gói tin thành nhiều

phần nhỏ hơn, việc này gọi là phân đoạn (Fragmentation) Quá trình này do lớp AAL (ATM Adaptation Layer) thực hiện Cụ thể, AAL5 PDU sẽ chia thành nhiều đoạn 48

byte, mỗi đoạn này sẽ được them 5 byte header để tạo ra một cell ATM

Hình 1.9: Đóng gói có nhãn trên liên kết ATM

Khi đóng gói có nhãn MPLS trên ATM, toàn bộ chồng nhãn được đặt trong AAL5 PDU Giá trị thực sự của nhãn này được đặt trong trường VPI/VCI Mục nhập đỉnh chồng nhãn chứa giá trị 0 coi như mục nhập giữ chỗ và được bỏ khi nhận một nhãn Lý do các nhãn phải chứa ở cả trong AAL5 PDU và header ATM là để mở rộng chồng nhãn Khi các cell ATM đi đến cuối LSP, nó sễ được tái hợp lại

1.1.4.4 Hoán đổi nhãn (Label Swapping)

Hoán đổi nhãn là cách dùng các thủ tục để chuyển tiếp gói Để chuyển tiếp gói có

nhãn, LSR kiểm tra trên đỉnh stack và dùng ánh xạ ILM (Incoming Label Map) để ánh

xạ tới một entry chuyển tiếp nhãn NHLFE (Next Hop Label Forwarding Entry) Sử

dụng thông tin trong NHLFE, LSR xác định ra nơi để chuyển tiếp gói tin và thực hiện một tác vụ trên ngăn xếp nhãn là gán stack nhãn mới vào gói và chuyển gói đi.

Chuyển tiếp gói chưa có nhãn cũng tương tự nhưng xảy ra ở ingress – LER LER

phải phân tích header lớp mạng để xác định FEC rồi sử dụng ánh xạ FTN NHLFE) để ánh xạ FEC vào một NHLFE.

(FEC-to-Hình 1.10: Hoán đổi nhãn 1.1.4.5 Gỡ nhãn ở hop áp chót (PHP - Penultimate-Hop-Popping)

Khi một gói tin gán nhãn đên LSR-egress sẽ xảy ra trường hợp tra cứu đôi đó là việc tra cứu trong bảng LFIB để thực hiện việc gỡ nhãn trước khi ra ngoài mạng MPLS Khi gỡ nhãn ta sẽ được gói tin IP và ánh xạ lên bảng FIB, như vậy LSR-egress

sẽ phải tra cứu tiếp bảng FIB để phân tích mào đầu gói tin IP Một mạng MPLS tối ưu

là phải tránh được việc xử lý đôi cho LSR-egress, do đó cơ chế PHP sẽ được áp dụng

Hình 1.11: Gỡ nhãn ở hop áp chót 1.1.4.6 Ấn định và phân phối nhãn

Quá trình phân phối nhãn có thể hiểu như quá trình báo hiệu trong mạng MPLS MPLS sẽ sử dụng các giao thức như LDP, RSVP để phân phối nhãn

Sau khi bảng định tuyến trên các LSR đã hình thành Khi đó tại mỗi LSR sẽ hình

ấn định một nhãn cho từng mạng trong đó và quảng bá nó cho các LSR lân cận thông qua các giao thức phân phối nhãn Như vậy việc ấn định nhãn và phân phối nhãn sẽ thực hiện độc lập trên từng router Khi quá trình này kết thúc ta sẽ được một đường LSP từ LSR-Ingress và LSR-Egress

Ví dụ về sự phân phối nhãn cho mạng đích X sử dụng giao thức LDP được thể hiện trong hình 1.12 và hình 1.13 Mục đích là chúng ta sẽ thiết lập một đường chuyển mạch nhãn LDP một FEC đơn giản là mạng X từ LER-A đến LER-E

Hình 1.12: Tạo bảng RIB và LIB

Hình 1.13: Tạo bảng FIB và LFIB

 Bước 1: Giao thức định tuyến nội miền OSPF sẽ được thực hiện trong mạng lõi MPLS LER-E học được mạng X thông qua một giao thức định tuyến nào đó, các router A, B, C, D đều học được mạng X Các router lần lượt xây dựng RIB chứa thông tin về mạng X như hình 1.12

 Bước 2: Khi MPLS được khởi động các LSR lần lượt sẽ phát sinh ra một nhãn gán cho mạng X một cách độc lập và quảng bá cho các LSR kế cận để xây dựng lên bảng LIB

 Bước 3: Cơ chế CEF được sử dụng để tạo 2 bảng FIB và bảng LFIB bằng việc kết hợp 2 bảng RIB và LIB Các LSR trong lõi có thể không cần bảng FIB bởi vì những router này chỉ đơn thuần thực hiện việc chuyển mạch dựa trên việc hoán đổi nhãn

 Bước 4: Một tuyến LSP đến FEC X được thiết lập từ LER-A đến LER-E như hình 1.13

MPLS sử dụng các giao thức báo hiệu hay giao thức phân phối nhãn kết hợp với các giao thức định tuyến để tạo lên tuyến đường LSP từ ngõ vào đến ngõ ra Trong LSP chỉ xảy ra việc chuyển tiếp dựa trên việc phân tích các nội dung của nhãn

1.1.5 Các giao thức trong mạng MPLS

Giao thức phân phối nhãn là một tập các thủ tục mà nhờ nó một LSR có thể thông báo cho một LSR khác biết về mối gán kết nhãn-FEC mà nó đã tiến hành

1.1.5.1 Giao thức LDP - Lable Distribution Prtocol

LDP được chuẩn hoá trong RFC 3036, nó được thiết kế để thiết lập và duy trì các

LSP định tuyến không ràng buộc (unconstraint routing) Vùng hoạt động của LSP có

thể là giữa các LSR láng giềng (neighbor) trực tiếp hoặc gián tiếp

Hình 1.14: Vùng hoạt động của LDP a) Hoạt động của LDP

LDP có 4 chức năng chính là phát hiện LSR láng giềng (Neighbor discovery), thiết lập và duy trì phiên kết nối, quảng bá nhãn (label advertisement) và thông báo

(Notification) Với các chức năng trên, có bốn lớp thông điệp LDP sau đây:

• Discovery: Để trao đổi định kỳ bản tin Hello nhằm loan báo và kiểm tra một

LSR kết nối gián tiếp hoặc trực tiếp Bản tin Hello sẽ được gửi ra định kì 5s một lần và thời gian duy trì là 15s

• Session: Để thiết lập, thương lượng các thông số cho việc khởi tạo, duy trì và

chấm dứt các phiên ngang hàng LDP Nhóm này bao gồm các bản tin Initialization, KeepAlive

• Advertisement: Để tạo ra, thay đổi hoặc xoá các ánh xạ FEC tới nhãn Nhóm

này bao gồm bản tin Label Mapping, Label Withdrawal, Label Release, Label Request, Label Request Abort

• Notification: Để truyền đạt thông tin trạng thái, lỗi hoặc cảnh báo

Các thông điệp Discovery được trao đổi trên UDP Các kiểu thông điệp còn lại sẽ trao đổi trên TCP Trường hợp hai LSR có kết nối lớp 2 trực tiếp thì thủ tục phát hiện neighbor trực tiếp như sau:

• Một LSR định kỳ gửi đi bản tin Hello tới các cổng UDP 646 với địa chỉ multicast 224.0.0.2

• Tất cả các LSR tiếp nhận bản tin Hello này trên cổng UDP Đến một thời điểm nào đó LSR sẽ biết được tất cả các LSR khác mà nó có thể kết nối trực tiếp

• Khi LSR nhận biết được địa chỉ của LSR khác bằng cơ chế này thì nó sẽ thiếp lập kết nối TCP đến LSR đó Khi đó phiên LDP được thiếp lập giữa 2 LSR.Phiên LDP là phiên song hướng nên mỗi LSR ở hai đầu kết nối đều có thể yêu cầu và gửi liên kết nhãn

Hình 1.15: Trao đổi thông điệp LDP giữa hai nút liền kề

Trong trường hợp hai LSR không có kết nối trực tiếp thì LSR định kỳ gửi bản tin Hello đến cổng UDP đã biết tại địa chỉ IP xác định được khai báo khi lập cấu hình Đầu nhận bản tin này có thể trả lời lại bằng bản tin Hello khác và việc thiết lập các phiên LDP được thực hiện như trên

b) Các bản tin LDP

Phần header của LDP-PDU

Hình 1.16: LDP Header

• Trường Version: để chỉ phiên bản của LDP chiếm 2 Byte

• Trường PDU length: qui định tổng chiều dài LDP-PDU không tinh phần version và PDU Length Tối đa là 4096 Byte tương đương chiếm 2 Byte

• Trường LDP Indentifier: Trường này gồm 6 Byte, 4 byte dùng để nhận dạng LSR hay router ID của LSR, 2 Byte còn lại để nhận dạng không gian nhãn là Per Interface Label Space hay Per Flatform Label Space.

• Message Type: Nhận dạng loại bản tin

• Message Length: Tổng độ dài của trường Message ID và trường chứa các thông

Bảng 1.5: Các loại bản tin LDP

Chức năng của các loại bản tin LDP:

• Notification message: Được sử dụng để thông báo cho một đồng đẳng LDP về

trạng thái của mạng là đang hoạt động bình thường hay là đang bị lỗi Khi LSP nhận được một bản tin thông báo là lỗi thì nó sẽ đóng phiên kết nối TCP lại và xóa bỏ các trạng thái lien quan đến phiên truyền này

• Hello: Được trao đổi khi bắt đầu quá trình hoạt động LDP.

• Initialization: Được gửi khi bắt đầu một phiên LDP giữa 2 LSR để trao đổi các tham số, các tuỳ chọn cho phiên Các tham số này bao gồm:

 Chế độ phân bổ nhãn

 Các giá trị định thời

 Phạm vi các nhãn sử dụng trong kênh giữa 2 LSR đó

Cả 2 LSR đều có thể gửi các bản tin Initialization và LSR nhận sẽ trả lời bằng KeepAlive nếu các tham số được chấp nhận Nếu có một tham số nào đó không được chấp nhận thì LSR trả lời thông báo có lỗi và phiên kết thúc

• KeepAlive: Bản tin này dùng để trao đổi giữa các thực thể đồng cấp để giám sát

tính ổn định và liên tục của việc hỗ trợ của một kết nối TCP trong một phiên LDP Các bản tin này được gửi định kì để đảm bảo cho mỗi thành phần LDP biết rằng LDP khác đang hoạt động tốt Nếu không xuất hiện bản tin KeepAlive

này trong một khoảng thời gian nào đó thì LSR sẽ cho rằng kết nối bị hỏng và đóng phiên kết nối.

• Address: Bản tin này được gửi bởi một LSR tới LSR đồng cấp đang trao đổi

LDP để thông báo các địa chỉ fiao diện của nó Một LSR khác nhận bản tin mang địa chỉ này để duy trì cơ sở dữ liệu để ánh xạ trường nhận dạng và các địa chỉ chặng kế tiếp theo giữa các LDP đồng cấp

• Address Withdraw: Bản tin này dùng để xóa bỏ địa chỉ đã thông báo trước đó.

• Label Mapping: Là các bản tin ánh xạ nhãn được sử dụng để quảng bá liên kết giữa FEC và nhãn giữa các thực thể đồng cập Bản tin này được sử dụng khi có

sự thay đổi trong bảng định tuyến Nếu một LSR phân phối một ánh xạ đối với một FEC tới nhiều thực thể đồng cấp LDP, vấn đề cục bộ được đặt ra là liệu nó ánh xạ nhãn đơn tới FEC này và phân phối sự ánh xạ này tới tất cả các thực thể LDP đồng cấp của nó hay nó sử dụng các ánh xạ khác nhau cho từng LDP khác nhau

• Label Withdrawal: Thực hiện quá trình ngược lại với bản tin Label Mapping

Nó được sử dụng để xoá bỏ gắn kết đã thực hiện trong Label Mapping Bản tin này được sủ dụng trong trường hợp:

 Khi có sự thay đổi trong bản tin định tuyến (thay đổi prefix địa chỉ), lúc đó LSR không còn nhận ra FEC này nữa

 Thay đổi trong cấu hình LSR làm tạm dừng việc chuyển nhãn cho các gói trong FEC đó

• Label Request: bản tin yêu cầu nhãn được LSR sử dụng để yêu cầu một LDP

đồng cấp cung cấp một sự kết hợp nhãn (Binding) cho một FEC

• Label Release: Được sử dụng bởi LSR khi nhận được chuyển đổi nhãn mà nó

không cần thiêt nữa Điều đó thường xảy ra khi LSR giải phóng nhận thấy nút tiếp theo cho FEC không phải là LSR quảng bá liên kết nhãn/FEC đó

• Label Request Abort: Nếu bản tin Label Request cần phải huỷ bỏ trước khi

được chấp nhận (do nút kế tiếp trong FEC yêu cầu đã thay đổi), thì LSR yêu cầu sẽ loại bỏ yêu cầu bản tin trước đó bằng bản tin Label Request Abort

1.1.5.2 Giao thức CR-LDP (Constraint-Base Routing-LDP)

Giao thức CR-LDP (constraint-based routing-LDP) là giao thức phân phối nhãn dựa trên ràng buộc được sử dụng để điều khiển cưỡng bức LDP Giao thức này là phần

mở rộng của LDP cho quá trình định tuyến cưõng bức của LSP Cũng giống như LDP,

nó sử dụng các phiên TCP giữa các LSR đồng cấp để gửi các bản tin phân phối nhãn

Để hiểu rõ hơn về định tuyến cưỡng bức dựa trên ràng buộc, ta xét việc định tuyến đối với một mạng IP truyền thống Một mạng có thể đựơc xem là một tập hợp các hệ thống tự trị AS, trong đó việc định tuyến ở mỗi AS tuân theo giao thức định tuyến nội miền (intradomain) Việc định tuyến giữa các AS tuân theo giao thức định tuyến liên miền (interdomain) Các giao thức định tuyến nội miền có thể là RIP, OSPF còn giao thức định tuyến liên miền đang được sử dụng là BGP Trong phạm vi một hệ thống tự trị, cơ chế xác định tuyến đường tuân theo thuật toán tối ưu của từng giao

thức Trong giao thức định tuyến RIP thì có sự tối ưu về nút mạng trên đường mà gói tin được chuyển từ nguồn tới đích Có nhiều đường đi từ nguồn tới đích nhưng mỗi đường đi lại có số nút, độ dài ngắn, băng thông khả dụng khác nhau, cụ thể đối với RIP thì tuyến đường tối ưu sẽ được tìm ra là có số nút ít nhất Còn trong trường hợp OSPF sẽ sử dụng thuật toán Dijkstra để lựa chọn đường ngắn nhất trong số các đường

có thể nối tới đích, với định nghĩa độ dài của đường là tổng độ dài các kênh trên đường đó

Đối với định tuyến cưỡng bức, ta có thể xem một mạng như là một tập hợp các nút mạng và một tập hợp kết nối giữa các nút mạng đó Mỗi kênh sẽ có các đặc điểm riêng Để kết nối giữa hai nút bất kỳ thì phải thoả mãn một số yêu cầu (các ràng buộc),

và coi các ràng buộc này như là đặc điểm của các kênh Chỉ có nút đầu tiên trong cặp đóng góp vai trò khởi tạo đường kết nối mới biết đặc điểm này.nhiện vụ của định tuyến cưỡng bức là tính toán xác định đường kết nối từ nút này tới nút kia sao cho thoả mãn mốt số điều kiện ràng buộc có thể là một hoặc nhiều trong các tiêu chí ví dụ :số nút ít nhất, đường đi ngắn nhất, băng thông rộng nhất… tuy nhiên, việc tối ưu hoá các tiêu chí khác nhau không thể được đáp ứng một cách đồng thời Một thuật toán tối ưu theo một tiêu chí chứ không thể một lúc đáp ứng nhiều tiêu chí, vì 2 yêu cầu có thể xung đột nhau, chẳng hạn đường đi ngắn nhất và số nút ít nhất chưa hẳn đã có băng tần lớn nhất vì đường đi ngắn nhất và số nút ít nhất sẽ là lựa chọn số một cho nhiều kết nối các kênh như vậy, nên băng tần khả dụng cho các liên kết như trên có độ rộng sẽ không thể bằng băng tần kênh có ít kết nối đi qua Do vậy, thuật toán định tuyến ràng buộc cũng không thể đáp ứng tối ưu tất cả các tiêu chí Nó thực hiện tối ưu theo một tiêu chí nào đó đồng thời thoả mãn một số điều kiện ràng buộc được đặt ra Khi xác định được một đường kết nối thì định tuyến cưỡng bức sẽ thực hiện thiết lập, duy trì và chuyển trạng thái kết nối dọc theo các kênh phù hợp nhất trên đường

Ngoài các điều kiện ràng buộc được đặt ra đối với kênh, còn có các điều kiện được đặt ra đối với việc quản trị Chẳng hạn nhà quản trị muốn ngăn không cho một loại lưu lượng nào đó đi qua một số kênh nhất định trong mạng được xác định bởi một

số đặc điểm nào đó Do đó, thuật toán định tuyến mà nhà quản trị phải thực hiện là tìm

ra các kênh xác định mà nó cho qua lưu lượng trên, đồng thời thoả mãn một số điều kiện ràng buộc khác nữa

Định tuyến cưỡng bức còn có thể kết hợp cả hai đều kiện ràng buộc là quản lý đặc điểm kênh một cách đồng thời chứ không phải chỉ từng điều kiện riêng rẽ Ví dụ tuyến cưỡng bức phải tìm ra một đường vừa phải có độ rộng băng tần nhất định, vừa loại trừ một số kênh có đặc điểm nhất định

Điểm khác biệt giữa định tuyến IP truyền thống và định tuyến cưỡng bức là: thuật toán định tuyến IP truyền thống chỉ tìm ra một đường tối ưu ứng với duy nhất một tiêu chí được đặt ra, trong khi thuật toán định tuyến cưỡng bức vừa tìm ra một tuyến tối ưu theo một tiêu chí nào đó đồng thời thoả mãn một số điều kiện ràng buộc nhất định Chính vì điều này mà thuật toán định tuyến cưỡng bức trong mạng MPLS

có thể đáp ứng yêu cầu dịch vụ và cung cấp các kết nối tin cậy cho người dùng theo

yêu cầu trong khi trong khi mạng sử dụng các thuật toán tìm đường khác không thể có được, kể cả giao thức định tuyến IP.

Để làm được điều này có rất nhiều giải pháp Trong đó giải pháp chính là thuật toán định tuyến cưỡng bức yêu cầu đường đi phải được tính toán và xác định từ phía nguồn Các nguồn khác nhau có các ràng buộc khác nhau

Đối với một đường trên cùng một đích các điều kiện ràng buộc ứng với bộ định tuyến của một nguồn cụ thể chỉ đựơc biết đến bởi bộ định tuyến đó mà thôi, không một bộ định tuyến nào khác trên mạng được biết về điều kiện này, ngược lại trong bộ định tuyến IP thì đường đi được tính toán và xác định bởi tất cả các bộ định tuyến phân tán trong mạng

Một lý do khác là khả năng định tuyến tường minh (Explicit Routing) vì các nguồn khác nhau có hể tính toán xác định các đường khác nhau tới cùng một đích Vì vậy chỉ dựa vào thông tin về đích là không đủ để xác định đường truyền các gói tin.Một lý do nữa là đối với phương pháp định tuyến cưỡng bức thì việc tính toán và xác định đường phải tính đến các thông tin về đặc điểm tương ứng của từng kênh trong mạng Đối với phương pháp IP đơn giản không hỗ trợ khả năng này Ví dụ các giao thức định tuyến truyền thống dựa vào trạng thái kênh (như OSPF, IS-IS) chỉ truyền duy nhất thông tin bận rỗi của từng kênh và độ dài của từng kênh, các giao thức định tuyến vector khoảng cách (như RIP) thì chỉ truyền đi các thông tin địa chỉ nút tiếp theo

và khoảng cách

1.1.5.3 Giao thức RSVP (Resource Reservation Protocol)

Giao thức RSVP ban đầu được xây dựng để hỗ trợ kiến trúc IntServ trong các mạng IP truyền thống RSVP được mở rộng để hỗ trợ việc phân bổ nhãn cho các CR-LSP trong mạng MPLS

RSVP thiết lập đường đi sử dụng các bản tin PATH và RESV, nó là một giao thức mềm tức là trạng thái của các nút trung gian phải được duy trì bằng việc làm tươi theo chu kỳ Trong RSVP, một đường đi là một tuyến mà luồng IP, hay còn gọi là phiên PSVP đi qua Phiên RSVP được nhận diện bằng địa chỉ IP đích và giá trị cổng tần giao cận của dữ liệu được dành trước Để thiết lập một đương đi từ trạm nguồn tới trạm đích, trạm nguồn sẽ sử dụng bản tin PATH để thiết lập trạng thái đường đi qua các nút trung gian dựa vào định tuyến hop-by-hop tại các nút này Sau đó phía đích sẽ gửi lại bản tin RESV,với các tham số về lưu lượng và QoS, đi theo chiều ngược lại với chiều gửi để chiếm giữ tài nguyên tại mỗi nút trên đường đi đó Mỗi nút trên đường đi nhận được bản tin RESV sẽ kiểm tra tài nguyên hiện có và so sánh với tài nguyên yêu cầu Nếu tài nguyên hiện có không đủ để đáp ứng yêu cầu thì nút sẽ gửi thì nút này sẽ gửi bản tin báo lỗi đến cả hai phía gửi và nhận để giải phóng trạng thái đường đi và tài nguyên chiếm giữ Nếu tất cả các nút trung gian trên đường đi có đủ tài nguyên hỗ trợ thì đường đi sẽ được thiết lập Vì giao thức RSVP dựa trên giao thức IP không tin cây

để gửi bản tin báo hiệu nên không đảm bảo được quá trình chiếm giữ tài nguyên diễn

ra từ đầu đến cuối Do vây khi host gửi nhận được bản tin RESV, nó sẽ gửi thêm một

Hình 1.18: Giao thức RSVP

RSVP được mở rộng để hỗ trợ thiết lập và duy trì đường CR-LDP và phân phối nhãn MPLS Các đặc tính của RSVP-TE là sự mở rộng phần lõi cỉa RSVP để thiết lập các tuyến đường hiện dựa trên định tuyến ràng buộc LSP trong mạng MPLS sử dụng RSVP làm giao thức báo hiệu Dự trữ tài nguyên là một thành phần rất quan trọng của

xử lý lưu lượng Đây là một trong số các lý do nhóm làm việc MPLS chọn RSVP hơn

là xây dựng mới hoàn toàn một giao thức báo hiệu khác để hỗ trợ các yêu cầu xử lý RSVP mở rộng thành các giao thức báo hiệu để hỗ trợ việc tạo LSP có thể được định tuyến tránh tắc nghẽn RSVP đơn giản hóa việc vận hành mạng bằng quá trình xử lý lưu lượng một cách tự động RSVP-TE sử dụng các bộ định tuyến chuyển mạch để thiết lập, duy trì các đường ống LSP và để phục vụ tài nguyên cho các LSP đó

Báo hiệu RSVP-TE thay thế thiết bị gửi và thiết bị nhận là các bộ định tuyến thay

vì là các máy chủ Hoạt động của nó giống như các điểm lối vào lối ra của trung kế lưu lượng RSVP-TE cài đặt các trạng thái ứng dụng với tập hợp luồng có chung một đường và chia sẻ chung tài nguyên mạng thay cho một luồng riêng lẻ từ máy chủ tới máy chủ Bằng cách tập hợp rất nhiều luồng lưu lượng vào mỗi đường hầm LSP, RSVP-TE giảm khối lượng các trạng thái RSVP cài đặt trạng thái phân phối liên quan tới chuyển tiếp gói, bao gồm cả quá trình phân phối các nhãn MPLS

RSVP-TE yêu cầu thiết bị có khả năng mang một đối tượng “mờ” ( Opaque Object), nghĩa là các đối tượng này không bị xử lý bởi các thiết bị khác khi truyền

trong mạng RSVP mang các đối tượng trong các bản tin của nó như là các đoạn mờ của thông tin Những đoạn mờ này mang tới các module điều khiển thích hợp trong bộ định tuyến Phương thức thiết lập báo hiệu dựa trên cơ sở này khuyến khích sự phát triển của đối tượng RSVP mới Các đối tượng này có thể được dùng để tạo ra và duy trì các trạng thái được phân phối cho các thông tin khác ngoài vấn đề dự trữ tài nguyên đơn thuần Tập hợp các mở rộng có thể nhanh chóng và dễ dàng được phát triển qua việc cải thiện RSVP nhằm hỗ trợ các yêu cầu xử lý lưu lượng mang tính tức thời trong vấn đề định tuyến chính xác và giảm độ phức tạp

1.2 Kết luận

MPLS là một giải pháp hàng đầu để giải quyết nhiều vấn đề trong mạng như: tốc

độ, khả năng mở rộng, quản lý chất lượng dịch vụ và điều phối lưu lượng MPLS là một công nghệ kết hợp tốt nhất giữa định tuyến lớp 3 và chuyển mạch lớp 2 cho phép

chuyển tải các gói rất nhanh trong mạng lõi và định tuyến tốt ở mạng biên bằng cách dựa vào nhãn MPLS đơn giản hóa quá trình định tuyến, tăng tính linh động với các tầng trung gian, hỗ trợ tốt mô hình chất lượng dịch vụ.

Hiện nay công nghệ MPLS đang được các nhà cung cấp dịch vụ ở Việt Nam triển khai trong mạng truyền tải để cải thiện tốc độ chuyển mạch, thông lượng đường truyền

và tiết kiệm bộ nhớ CPU cho những router lõi đáp ứng nhu cầu sự dụng ngày càng cao của khách hàng

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VÀ CÁC GIẢI PHÁP

TRONG MẠNG MOBILE BACKHAUL

Chương này trình bày khái niệm về mạng Mobile Backhaul cùng với ưu nhược điểm của một số công nghệ, giải pháp triển khai đã được áp dụng để tối ưu mạng Mobile Backhaul

2.1 Tổng quan mạng Mobile BackHaul

2.1.1 Khái niệm mạng Mobile Backhaul

Mạng thông tin di động được chia thành 3 phân đoạn chính: phân đoạn thứ nhất chỉ sự kết nối từ các thiết bị di động đến tạm gốc thông qua giao diện vô tuyến Um trong mạng GSM hay IuB trong mạng 3G Phân đoạn thứ 2 là những kết nối từ các trạm gốc đên thực thể điều khiển vô tuyến, đối với mạng 2G là kết nối từ BTS-Base Transceiver Station với BSC-Base Station Controller thông qua giao diện Abis, đối với mạng 3G là kết nối từ NodeB đến thực thể điều khiển mạng vô tuyến RNC-Radio Network Controller thông qua giao diện Iub Phân đoạn thứ 3 là phần mạng lõi chứa các thực thể cấp cao để định tuyến chuyển mạch lưu lượng ra mạng ngoài hay cung cấp sự xác thực tính phí với người dùng

Mạng Mobile Backhaul chính là phân đoạn kết nối từ trạm gốc đến thực thể quản

lý mạng di động BSC/RNC Khi nhìn từ phía “thông tin di động” ta sẽ thấy phân đoạn này là một kết nối trong suốt giống như dùng một đoạn dây để kết nối 2 thực thể này với nhau

2.1.2 Một số công nghệ trong mạng MobileBackhaul

Công nghệ TDM: Là công nghệ ghép kênh phân chia theo thời gian thường

được dùng trong mạng chuyển mạch kênh phục vụ cho việc truyền dữ liệu thoại qua trong mạng 2G Trong công nghệ này, dữ liệu thoại dưới dạng các bit sẽ được sẽ được sắp xếp đều lên các khe thời gian cố định là 16/25ms Mỗi khe thời gian chứa 156.25 bit Dung lượng mà hệ thống TDM đạt được là khoảng 5Gps nhưng đây cũng là giới hạn của nó Công nghệ WDM ra đời đã khắc phục được mặt hạn chế của công nghệ TDM

Công nghệ PDH: Là công nghệ truyền dẫn cận đồng bộ có các luồng E1/T1, tốc

độ cơ bản của E1 là 2,444Mbit/s, T1 là 1.544Mbit/s Ưu điểm của công nghệ này là có cấu trúc đơn giản, giá rẻ Nhược điểm là tốc độ quá chậm, tốc độ tối đa là 140Mbit/s, khả năng giám sát và quản lý mạng kém Những mặt hạn chế của công nghệ này được cải thiện trên công nghệ SDH

SONET/SDH: Là công nghệ ghép kênh đồng bộ, có khả năng đồng bộ về tốc độ

truyền, dung lượng kênh giữa các hệ thống với nhau, công nghệ này được xây dựng dựa trên ghép kênh TDM và cấu trúc phân cấp ghép kênh STM-N với tốc độ bit cơ bản STM-1 là 155,52 Mbit Đặc tính của công nghệ này là cung cấp các kênh truyền dẫn

có băng thông cố định và có độ tin cậy cao, hỗ trợ quản lý hệ thống và có cơ chế phục

hồi và bảo vệ Hơn nữa hiện nay kết hợp với các khung SONET cho phép truyền dữ liệu qua tốc độ ánh sang.

WDM: WDM là công nghệ truyền tải trên sợi quang đã xây dựng và phát triển từ

những năm 90 của thế kỷ trước WDM cho phép truyền tải các luồng thông tin số tốc

độ rất cao (theo lý thuyết dung lượng truyển tải tổng cộng có thể đến hàng chục ngàn Gigabit/s) Nguyên lý cơ bản của công nghệ này là thực hiện truyền đồng thời các tín hiệu quang thuộc nhiều bước sóng khác nhau trên một sợi quang Băng tần truyền tải thích hợp của trên sợi quang được phân chia thành những bước sóng chuẩn với khoảng cách thích hợp giữa các bước sóng (đã được chuẩn hóa bởi tiêu chuẩn G.692 của ITUT), mỗi bước sóng có thể truyền tải một luồng thông tin có tốc độ lớn (chẳng hạn luồng thông tin số tốc độ 10Gbit/s) Do đó, công nghệ WDM cho phép xây dựng những hệ thống truyền tải thông tin quang có dung lượng gấp nhiều lần so với hệ thống thông tin quang đơn bước sóng Ưu điểm của WDM là Cung cấp các hệ thống truyền tải quang có dung lượng lớn, đáp ứng được các yêu cầu bùng nổ lưu lượng của các loại hình dịch vụ và nâng cao năng lực truyền dẫn các sợi quang, tận dụng khả năng truyền tải của hệ thống cáp quang đã được xây dựng Nhược điểm của công nghệ này nằm ở chỗ chí đầu tư thiết bị tương đối cao

Công nghệ Ethernet: Là giao thức đã được xây dựng và chuẩn hóa để thực hiện

các chức năng mạng lớp liên kết dữ liệu và lớp vật lý Công nghệ này hỗ trợ việc kết nối các thiết bị ở khoảng cách gần, thường sử dụng nhiều trong mạng LAN, hỗ trợ cung cấp rất tốt các dịch vụ kết nối điểm điểm với cấu trúc to-po mạng phổ biến theo kiểu Hub and Spoke Ngày nay với những tiến bộ về công nghệ tạo lên sự phát triển các phiên bản mới của ethernet như Fast Ethernet có tốc độ 100Mps hay Giga Ethernet

có tốc độ 1Gbs đã cho phép được sử dụng rộng rãi kết nối thiết bị ở khoảng cách xa, thường thấy nhiều trong mạng đô thị Ưu điểm của công nghệ này là có khả năng hỗ trợ rất tốt cho ứng dụng truyền tải dữ liệu ở tốc độ cao và có đặc tính lưu lượng mạng tính đột biến và tính “bùng nổ” Cho phép truyền tải lưu lượng với hiệu xuất băng thông và thông lượng truyền tải lớn với cơ chế truy nhập CSMA/CD Mạng xây dựng trên cơ sở công nghệ Ethernet có khả năng mở rộng và nâng cấp dễ dàng và quản lý đơn giản Nhược điểm của công nghệ này là khó áp dụng cho mô hình cấu trúc mạng

Ring bởi thuật toán định tuyến phân đoạn hình cây (SPT-Spanning Tree) sẽ chặn một

vài phân đoạn trong vòng Ring

Công nghệ IP: là công nghệ nguyên thủy trong mạng chuyển mạch gói và phổ

biến trên toàn cầu IP là giao thức liên mạng phi kết nối Việc chuyển gói tin thực hiện theo cơ chế phi kết nối IP định nghĩa cơ cấu đánh số, cơ cấu chuyển tin, cơ cấu định tuyến và các chức năng điều khiển ở mức thấp (ICMP) Gói tin IP gồm địa chỉ của bên nhận địa chỉ là số duy nhất trong toàn mạng và mang đầy đủ thông tin cần cho việc chuyển gói tới đích , IP là một giao thức chuyển mạch gói có độ tin cậy, và khả năng

mở rộng cao Nhưng với sự bùng nổ Internet với nhiều loại hình ứng dụng và dịch vụ thì mạng IP lại gặp khó khăn

Công nghệ ATM: là công nghệ chuyển mạch dưới dạng tế bào, mỗi tế bào có độ

dài 53 byte Dữ liệu được chuyển tiếp qua các chặng dựa vào nội dung trên các nhãn VCI/VPI trên mào đầu cell ATM nên tốc độ truyền là rất cao đáp ứng được với những dịch vụ thời gian thực và trễ nhỏ, những ứng dụng có dung lượng lớn, nhưng hệ thống báo hiệu của mạng này vô cùng phức tạp và giá thành thiết bị cao

Công nghệ mạch vòng gói phục hồi Ring RPR: Giao thức này được áp dụng

nhằm mục đích tối ưu hoá việc quản lý băng thông và hiệu quả cho việc triển khai các dịch vụ truyền dữ liệu trên vòng ring Công nghệ RPR được sử dụng để truyền tải các gói số liệu trên mạng vòng ở tốc độ hàng Gigabit/s RPR là giao thức lớp MAC vận hành ở lớp 2 của mô hình OSI, nó không nhận biết lớp 1 nên độc lập với truyền dẫn nên có thể làm việc với WDM, SDH hay truyền dẫn dựa trên Ethernet ngoài ra, RPR

đi từ thiết bị đa lớp đến dịch vụ mạng thông minh lớp 3 như MPLS, MPLS kết hợp thiết bị rìa mạng IP lớp 3 với thiết bị lớp 2 như ATM, Frame relay Sự kết hợp độ tin cậy và khả năng phục hồi của RPR với ưu điểm quản lý lưu lượng và khả năng mở rộng của MPLS VPN và MPLS TE được xem là giải pháp xây dựng mạng Mobile Backhaul dựa trên mạng MAN

2.1.3 Một số giải pháp công nghệ trong mạng Mobile BackHaul

Mạng thông tin di động ngày càng phát triển mạnh từ 2G – 2,5G – 3G và sau này

là mạng 4G LTE song song với đó là việc phát triển nhanh chóng của các dịch vụ dữ liệu tốc độ cao như VoiIP, truy cập Internet, video, yêu cầu cấp thiết đặt ra với các nhà khai thác thông tin di động là phải có giải pháp để đáp ứng được các nhu cầu trên đồng thời phải bào trì và tối ưu chất lượng dịch vụ thoại trên cơ sở tiết kiệm băng thông Như thế mạng Backhaul thông tin di động sẽ phải được mở rộng và tối ưu để có thể truyền tải một lượng lớn dữ liệu từ trạm gốc đến thực thể quản lý vô tuyến Tuy nhiên

dữ liệu 2,5G, 3G và sau này là 4G lại chạy dựa trên công nghệ IP trong khi các mạng GSM lại dựa trên công nghệ IP dẫn đến việc phải triển khai mạng Backhaul cho 2G phải tách biệt với mạng Backhaul của mạng 2,5G, 3G, 4G Dĩ nhiên khi triển khai theo kiểu này là kém hiệu quả và tốn nhiều kinh phí đầu tư Vậy nên giải pháp được đặt ra là làm sao phải tích hợp các phần tử của mạng Backhaul 2G và Backhaul của 2,5G, 3G, 4G Sau đây là một số giải pháp được đặt ra để tối ưu mạng Backhaul

Giải pháp 1: Sử dụng các đường E1 kết nối trực tiếp cho các giao diện Iub

Đây được coi là cách làm đơn giản nhất nhưng cũng là giải pháp rất tốn kém Trong giải pháp này dữ liệu 2G sẽ được truyền trực tiếp từ BTS đến BTS được tách riêng hoàn toàn với các dữ liệu 3G, từ node B đến RNC Sau này khi lưu lượng dữ liệu tăng cao thì ta có thể thay thế các đường E1 của PDH sang sử dụng đường quang với công nghệ SONET/SDH Ưu điểm của giải pháp này là dễ dàng triển khai không ảnh hưởng đến mạng GSM, lưu lượng của 2G trên E1 sẽ được ghép lại trước khi đến BSC Nhưng khi triển khai theo giải pháp này thì có rất nhiều nhược điểm Nhược điểm thấy

rõ nhất là tốn kém kinh phí đầu tư Nhược điểm thứ 2 là lãng phí tài nguyên Giả sử tại một thời điểm việc sử dụng thoại trên mạng GSM tại khu vực A cao nhưng dữ liệu 3G lại được sử dụng rất ít nên đường E1 giữa NodeB đến RNC thừa rất nhiều tài nguyên