Các biện pháp bảo vệ và khôi phục trong mạng GMPLS

L2SC Layer-2 Switch Capable Khả năng chuyển mạch lớp 2 LDP Label Distribution Protocol Giao thức phân phối nhãn LFIB Label Forwarding Information Base Cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn LI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

VŨ THẾ DŨNG

CÁC BIỆN PHÁP BẢO VỆ VÀ KHÔI PHỤC

TRONG MẠNG GMPLS

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

Hà Nội - Năm 2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

VŨ THẾ DŨNG

CÁC BIỆN PHÁP BẢO VỆ VÀ KHÔI PHỤC

TRONG MẠNG GMPLS

Chuyên ngành: Kỹ thuật truyền thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸTHUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN:

TS TRẦN THỊ NGỌC LAN

Hà Nội - Năm 2015

MỤC LỤC

THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii

DANH MỤC CÁC BẢNG ix

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I:CÔNG NGHỆ MPLS VÀ CHUYỂN ĐỔI TỪ MPLS SANG GMPLS 2

1.1 Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS 2

1.1.1 Khái niệm 2

1.1.2 Lý do lựa chọn công nghệ MPLS 2

1.1.3 Nguyên lý hoạt động 3

1.1.4 MPLS TE 11

1.2 Mạng truyền tải 21

1.2.1 Khái niệm 21

1.2.2 Các công nghệ truyền tải 22

1.2.3 Các mô hình mạng truyền tải 25

1.3 Nguồn gốc của GMPLS 27

1.3.1 Chuyển mạch bước sóng 27

1.3.2 Khái quát về công nghệ 28

1.4 Những yêu cầu cơ bản của GMPLS 29

1.4.1 Nhãn 29

1.4.2 Các loại chuyển mạch 29

1.4.3 LSP 30

1.4.4 Băng thông 31

1.4.5 Kết nối truyền tải hai chiều 31

1.4.6 Sự tách rời mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu 31

1.4.7 Đường hầm và phân bậc 32

1.5 Kết luận chương 33

CHƯƠNG II:GIAO THỨC BÁO HIỆU, GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG GMPLS 34

2.1 Quá trình báo hiệu 34

2.2 Quá trình báo hiệu cơ bản trong GMPLS 37

2.2.1 Phiên, đường hầm và LSP 37

2.2.2 Các tuyến LSP 39

2.2.3 Nhãn và các tài nguyên 41

2.3 Sự thiết lập và duy trì LSP 42

2.3.1 Các thông điệp cơ bản 42

2.3.2 Các thông điệp và bản tin RSVP-TE 43

2.3.3 Thiết lập LSP 44

2.3.4 Duy trì LSP 45

2.3.5 Kết thúc LSP 46

2.3.6 Thay đổi LSP 46

2.4 Định tuyến trong GMPLS 48

2.4.1 Định tuyến trong các mạng IP và các mạng kỹ thuật lưu lượng 48

2.4.2 Dữ liệu kỹ thuật lưu lượng cơ bản 49

2.4.3 Thông tin định tuyến GMPLS 50

2.4.4 Các giao thức định tuyến IP 53

2.4.5 Vận hành các giao thức định tuyến trong các mạng GMPLS 54

2.4.6 Các phần mở rộng giao thức cụ thể 55

2.5 Kết luận chương 56

CHƯƠNG III:CÁC BIỆN PHÁP KHÔI PHỤC VÀ BẢO VỆ TRONG GMPLS 58

3.1 Các sự cố trong mạng truyền tải 58

3.2 Các định nghĩa về tính tồn tại của mạng lưới 59

3.3 Chu trình khôi phục dịch vụ 60

3.4 Các lớp phục hồi dịch vụ 63

3.5 Các mức và phạm vi khôi phục 63

3.6 Khôi phục chặng 67

3.6.1 Bảo vệ chặng 1 + 1 đơn hướng dành riêng 67

3.6.2 Bảo vệ chặng 1 + 1 song hướng dành riêng 68

3.6.3 Bảo vệ chặng 1:1 dành riêng có hỗ trợ lưu lượng phụ 70

3.6.4 Bảo vệ chặng M:N dùng chung 73

3.6.5 Bảo vệ chặng nâng cao 76

3.7 Khôi phục tuyến 77

3.7.1 Miền khôi phục tuyến 78

3.7.2 Khôi phục toàn tuyến 79

3.7.3 Khôi phục đoạn 93

3.7.4 Kết hợp khôi phục đoạn và khôi phục toàn tuyến 98

3.7.5 Tái định tuyến nhanh 99

3.8 Khôi phục mặt phẳng điều khiển 104

3.8.1 Các hỏng hóc mặt phẳng điều khiển 106

3.8.2 Tái đồng bộ hóa mặt phẳng điều khiển thông qua báo hiệu 108

3.8.3 Sửa chữa mặt phẳng điều khiển bằng các cơ sở dữ liệu cục bộ 109

3.8.4 Sửa chữa mặt phẳng điều khiển bằng trạng thái mặt phẳng dữ liệu 110

3.8.5 Quản lý các LSP bị chia cắt mặt phẳng điều khiển 111

3.8.6 Kết luận chương 118

KẾT LUẬN 119

TÀI LIỆU THAM KHẢO 120

THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT

ABR Area Border Router Bộ định tuyến vùng biên

ANSI American National Standards

ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền không đồng bộ

BLSR Bidirectional Line Switched Ring Vòng chuyển mạch đường dây hai

chiều CBR Constraint Based Routing Định tuyến theo các ràng buộc CLI Command-Line Interface Giao diện dòng lệnh

CSMA/CD Carrier Sense Multiple

FIS Fault Indication Signal Tín hiệu chỉ thị hỏng hóc

FRS Fault Restoration Signal Tín hiệu khôi phục lỗi

FSC Fiber-Switch Capable Khả năng chuyển mạch sợi

GMPLS Generalized Multiprotocol Label

ITU International Telecommunication Union Liên minh viễn thông quốc tế

L2SC Layer-2 Switch Capable Khả năng chuyển mạch lớp 2

LDP Label Distribution Protocol Giao thức phân phối nhãn

LFIB Label Forwarding Information Base Cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn LIB Label Information Base Cơ sở thông tin nhãn

LMP Link Management Protocol Giao thức quản lý kết nối

LSA Link-State Advertisement Quảng bá trạng thái liên kết

LSC Lambda Switch Capable Khả năng chuyển mạch bước sóng

LSR Label Switched Router Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn

MPLS Multiprotocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức

MPλS Multiprotocol Lamda Switching Chuyển mạch bước sóng đa giao

thức NMS Network Management System Hệ thống quản lý mạng

OSC Optical Supervisory Channel Kênh giám sát quang

PCX Photonic Cross-connect Thiết bị chuyển mạch đấu nối chéo

quang tử PDU Protocol Data Unit Đơn vị dữ liệu giao thức

PLR Point of Local Repair Điểm sửa chữa cục bộ

PSC Packet Switch Capable Khả năng chuyển mạch gói

PVC Permanent Virtual Circuit Mạch ảo cố định

RIB Routing Information Base Cơ sở thông tin định tuyến

RRO Recorded Route Object Đối tượng ghi lưu tuyến đường

RSVP Resource ReSerVation Protocol Giao thức đặt trước tài nguyên SDH Synchronous Digital Hierarchy Hệ thống phân cấp số đồng bộ SONET Synchronous Optical Network Mạng quang đồng bộ

SRLG Shared Risk Link Group Nhóm liên kết chia sẻ rủi ro

TDM Time-DivisionMultiplex Ghép kênh phân chia theo thời

gian

TED Traffic Engineering Database Cơ sở dữ liệu kĩ thuật lưu lượng VPN Virtual Private Network Mạng riêng ảo

WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước

sóng WRT Wait-to-Restore Timer Bộ định thời chờ để khôi phục

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Chèn nhãn 4

Hình 1.2: Nhãn MPLS 4

Hình 1.3: Ngăn xếp nhãn MPLS 4

Hình 1.4: Các thành phần của Mặt phẳng điều khiển và Mặt phẳng dữ liệu 6

Hình 1.5: Thiết lập phiên LDP 7

Hình 1.6: Các nhãn đặc biệt 8

Hình 1.7: Quá trình gán nhãn và phân phối nhãn 9

Hình 1.8: Quá trình đổi nhãn 10

Hình 1.9: Mạng IP truyền thống 12

Hình 1.10: MPLS TE 12

Hình 1.11: Bản tin RSVP PATH và RESERVATION 14

Hình 1.12: Bản tin RSVP PATH/RESERVATION và các giá trị của Object 16

Hình 1.13: OSPF TLV/Sub-TLV TE Extensions 20

Hình 1.14: Unequal Cost Load Balancing 20

Hình 1.15: MPLS TE tái định tuyến nhanh 21

Hình 1.16: Mạng truyền tải cung cấp kết nối cho các mạng người dùng độc lập 22

Hình 1.17: Cấu tạo của khung TDM 23

Hình 1.18: Mạng vòng đơn 25

Hình 1.19: Mạng vòng hai hướng và được bảo vệ 25

Hình 1.20: Mạng liên vòng 26

Hình 1.21: Mạng lưới vòng 26

Hình 1.22: Mạng kết nối điểm – điểm 26

Hình 1.23: Mạng dạng lưới 27

Hình 1.24: Phân bậc các loại chuyển mạch 32

Hình 2.1: Các cấu hình của các bộ điều khiển báo hiệu và các bộ chuyển mạch dữ liệu 34

Hình 2.2 Trao đổi thông điệp để thiết lập và tháo bỏ LSP 45

Hình 3.1: Bảo vệ chặng 67

Hình 3.2: SONET BLSR bốn sợi quang 77

Hình 3.3 Miền khôi phục tuyến 78

Hình 3.4: Bảo vệ 1 + 1 toàn tuyến 81

Hình 3.5 Bảo vệ 1:N toàn tuyến có hỗ trợ lưu lượng phụ 82

Hình 3.6 Tái định tuyến hoạch định trước 84

Hình 3.7 Tái định tuyến toàn bộ 87

Hình 3.8 Khôi phục đoạn 94

Hình 3.9 Khôi phục đoạn chồng lấn 95

Hình 3.10 Các miền khôi phục đoạn nối nhau, chồng lấn hoặc lồng nhau 96

Hình 3.11 Kết hợp khôi phục toàn tuyến và khôi phục đoạn 98

Hình 3.12 Bảo vệ FRR với các đường hầm NHOP 101

Hình 3.13 Bảo vệ FRR với các đường hầm NNHOP 102

Hình 3.14 Bảo vệ FRR với các đường hầm đổi lộ trình NHOP 102

Hình 3.15 Bảo vệ FRR với các đường hầm bỏ qua phần tử NHOP 103

Hình 3.16: LSP với một bộ điều khiển trong trạng thái hỏng hóc 112

DANH MỤC CÁC BẢNGBảng 2.1 Các thông điệp trừu tượng GMPLS và các thông điệp giao thức RSVP-TE 43 Bảng 2.2:Thông tin kỹ thuật lưu lượng mô tả khả năng của các liên kết TE 52

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay, mạng Intenet phát triển rất nhanh, rộng và trở nên phổ biến, với xu thế

đó Internet đã trở thành một phương tiện thông tin rất hiệu quả và tiện lợi phục vụ cho giáo dục, thương mại, giải trí, mạng xã hội… Khi mạng Internet ngày càng phát triển, nhu cầu về lưu lượng mạng cũng như đòi hỏi về chất lượng dịch vụ, tính bảo mật, độ tin cậy ngày càng cao Với việc bùng nổ các dịch vụ giá trị gia tăng, kéo theo sự phát triển mạnh mẽ cho hệ thống mạng, với các dịch vụ thời gian thực, băng thông rộng như: VoIP, MPEG, Video Conference hay các dịch vụ liên quan đến tính kinh tế, bảo mật, chất lượng dịch vụ cao như mạng riêng ảo (VPN - Virtual Private Network…)

Sự ra đời và phát triển của công nghệ MPLS đã được khẳng định nhằm đáp ứng cho nhu cầu đa dịch vụ, đa phương tiện của khách hàng Công nghệ GMPLS là bước phát triển tiếp theo của công nghệ MPLS sẽ đáp ứng tốt hơn về dịch vụ cũng như chất lượng đối với khách hàng Với xu thế hiện nay, việc chuyển đổi sang công nghệ GMPLS là tất yếu và cần thực hiện trên cơ sở khoa học, đảm bảo yếu tố cạnh tranh với những nhà khai thác tiềm năng GMPLS phát triển nâng cao từ MPLS sẽ là công nghệ mạng lõi hỗ trợ phương thức chuyển mạch gói, chuyển mạch kênh, chuyển mạch bước sóng và chuyển mạch quang Đối với một nhà cung cấp dịch vụ, bên cạnh thế mạnh về công nghệ, hạ tầng mạng lưới xây dựng cần đáp ứng mọi yêu cầu chất lượng dịch vụ của khách hàng, đảm bảo tính ổn định, độ tin cậy với nhiều loại dịch vụ khác nhau, tính sống còn Nhận thức được tầm quan trọng và ý nghĩa đó, dưới sự hướng dẫn của

TS Trần Thị Ngọc Lan, em đã tập trung nghiên cứu đề tài “Các biện pháp bảo vệ và khôi phục trong mạng GMPLS”, nội dung đồ án gồm các chương sau:

 Chương I: Công nghệ MPLS và chuyển đổi từ MPLS sang GMPLS

 Chương II: Giao thức báo hiệu, giao thức định tuyến trong mạng GMPLS

 Chương III: Các biện pháp bảo vệ và khôi phục trong mạng GMPLS

CHƯƠNG I:

CÔNG NGHỆ MPLS VÀ CHUYỂN ĐỔI TỪ MPLS SANG GMPLS

1.1 Chuyển mạch nhãn đa giao thứcMPLS

sẽ thấy được các ưu điểm này và tại sao các nhà cung cấp dịch vụ hiện nay đều sử dụng

công nghệ MPLS cho hệ thống mạng của mình Các ứng dụng của MPLS bao gồm:

- MPLS VPN: là cơ chế tạo các đường VPN kết nối các vị trí của khách hàng thông qua mạng của nhà cung cấp dịch vụ với chất lượng tốt mà giá thành rẻ Trước đây, các vị trí của khách hàng có thể kết nối với nhau bằng cách sử dụng kỹ thuật VPN

hoặc chuyển mạch ATM:

+ Với kỹ thuật VPN: hạn chế trong việc giải quyết các bài toán về sử dụng lại địa chỉ, cung cấp các cơ chế ra ngoài Internet, phải triển khai quá nhiều các công cụ lọc tuyến, gặp vấn đề về hiệu năng của bộ định tuyến lõi khi số lượng tuyến

phải xử lý lớn

+ Với chuyển mạch ATM: phải khai báo tĩnh trên toàn bộ tuyến, không cung cấp được cơ chế ra Internet, và giữa các chi nhánh của khách hàng khi muốn đảm bảo tính dự phòng phải triển khai cấu hình full-mesh, trong khi giá thành thuê kênh

không hề rẻ

- Traffic – Engineering: là kỹ thuật lưu lượng, bẻ đường đi của lưu lượng,

quyết định cả đường đi từ nguồn đến đích Chỉnh đường đi theo địa chỉ nguồn

+ Các kỹ thuật QoS chỉ có tác dụng khi trong mạng có nghẽn xảy ra, còn

kỹ thuật lưu lượng cho phép lựa chọn nhiều đường đi từ nguồn đến đích, đảm bảo các điều kiện ràng buộc về tài nguyên sử dụng

+ Một kỹ thuật sử dụng tương đối phổ biến trong các giao thức định tuyến

để bẻ đường đi của lưu lượng là thiết lập các chính sách dựa vào định tuyến (Policy Base Routing) Phương pháp này hữu dụng trong các hệ thống mạng vừa và nhỏ, còn

trong các hệ thống mạng lớn sẽ gặp khó khăn trong việc triển khai quá nhiều các công

cụ lọc tuyến (route map, distributed list, prefix – list) trên quá nhiều bộ định tuyến, và

tốn nhiều năng lực xử lý của bộ định tuyến

- AToM (Any Transport over MPLS): là giải pháp vận chuyển các giao thức lớp 2 trên mạng IP/MPLS backbone Hỗ trợ các giao thức lớp 2 như: ATM, Ethernet, Frame Relay, PPP, hoặc High-Level Data Link Control (HDLC)

- Chuyển mạch nhanh hơn so với chuyển mạch IP truyền thống: kích thước nhãn là 4 byte, nhỏ hơn so với kích thước của IP header 20 byte + 40 byte

- QoS trên MPLS Các cơ chế QoS triển khai QoS trong mạng IP đều có thể triển khai trong MPLS

- BGP – free core: Trước đây, các bộ định tuyếnlõi của các nhà cung cấp dịch

vụ chạy BGP, bảng định tuyến lên tới hàng trăm nghìn tuyến, nhưng trong MPLS chỉ

có các bộ định tuyến biên mới phải chạy BGP, các bộ tính tuyến lõi chỉ làm nhiệm vụ

chuyển mạch MPLS

Từ những ưu điểm trên, đặc biệt là tính chất đa giao thức đã làm nên ưu điểm vượt trội của MPLS đó là: hợp nhất hạ tầng MPLS cho phép hợp nhất nhiều mạng thông tin lớn, riêng biệt như mạng di động, mạng Internet, mạng truyền hình,…là nền

tảng cho sự ra đời của mạng thế hệ sau (NGN)

+ 3-bit experimental field: dùng để định nghĩa các lớp QoS Có thể dùng 3 bit này để ánh xạ 8 giá trị IP precedence được gán cho các gói tin khi đi qua miền MPLS

+ 1 bit chỉ thịngăn xếp nhãn: được sử dụng khi một gói tin IP được gán nhiều hơn một nhãn (label stack) Khi bit S của nhãn có giá trị 0 tức là ngăn xếp nhãn

đã được triển khai, quá trình đổi nhãn tiếp tục được thực hiện cho đến khi nhận được một nhãn có giá trị bit S bằng 1 [1]

Hình 1.3: Ngăn xếp nhãn MPLS

+ Trường Time-to-Live8-bit: chức năng tương tự như trường TTL trong

IP header, khi TTL giảm về 0 thì gói tin sẽ bị hủy

c MPLS mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu

- Kiến trúc của một bộ định tuyến bao gồm có 2 phần:

+ Mặt phẳng điều khiển: làm nhiệm vụ định tuyến, chạy các giao thức định tuyến để có được bảng định tuyến

+ Mặt phẳng dữ liệu: làm nhiệm vụ chuyển mạch, thực hiện các kết quả tính toán của mặt phẳng điều khiển Chuyển mạch trên bộ định tuyến được gọi là chuyển mạch IP Gồm 3 loại chuyển mạch:

 Process switching: mặt phẳng điều khiển thực hiện luôn nhiệm vụ chuyển mạch Bất kỳ một gói tin nào đi vào bộ định tuyến đều thực hiện tra bảng định tuyến, CPU ra quyết định chuyển mạch và gói tin được chuyển sang cổng khác Chuyển mạch kiểu process switching CPU phải xử lý nhiều và tốc độ chuyển mạch chậm

 Fast Switching: khi có nhiều gói tin đi vào bộ định tuyến, chỉ gói tin đầu tiên thực hiện tra bảng định tuyến, sau đó thông tin được lưu lại ở bộ nhớ đệm của mặt phẳng dữ liệu, các gói tin tiếp theo đi vào không phải tra bảng định tuyến mà thực hiện chuyển mạch bằng phần cứng Chuyển mạch kiểu Fast Switching nhanh hơn nhưng có một nhược điểm: thông tin lưu lại ở bộ nhớ đệm của mặt phẳng dữ liệu không được cập nhật khi bảng định tuyến có sự thay đổi

 CEF (Cisco Express Forwarding): bộ định tuyến xây dựng bảng chuyển mạch gọi là bảng FIB (Forwarding Information Base) Bảng RIB (Routing Information Base) sẽ được cập nhật liên tục xuống bảng FIB, khi đó gói tin đi vào bộ định tuyến sẽ không phải tra bảng định tuyến, mà chỉ tra bảng FIB và chuyển mạch đi ngay lập tức

- Khi thực hiện chuyển mạch nhãn: cấu trúc của Mặt phẳng điều khiển và Mặt phẳng dữ liệu có thêm 2 bảng:

+ LIB (Label Information Base): bảng cơ sở dữ liệu chứa thông tin mà các bộ định tuyến khác quảng bá

+ LFIB (LabelForwarding Information Base): bảng chuyển mạch nhãn sau khi đã tính toán các giá trị tối ưu về tuyến đường [1]

Hình 1.4: Các thành phần của Mặt phẳng điều khiển và Mặt phẳng dữ liệu

d Giao thức phân phối nhãn (LDP)

- Việc trao đổi thông tin về nhãn giữa các LSR được thực hiện qua giao thức phân phối nhãn (LDP - Label Distribution Protocol), sử dụng TCP cổng 646

- Việc trao đổi thông tin về nhãn giữa các LSR được thực hiện theo 4 bước: + Gán nhãn: thực hiện trên các bộ định tuyến

+ Thiết lập phiên LDP

+ Phân phối nhãn

+ Lưu thông tin về nhãn trong các bảng LIB, LFIB

- Có 4 loại bản tin chính được sử dụng trong LDP:

+ Discovery message: thông báo và xác nhận sự có mặt của LSR trong mạng + Session message: thiết lập, duy trì và kết thúc các phiên giữa các LSR + Advertisement message: quảng bá nhãn được gán cho các FEC

+ Notification message: thông báo lỗi

- Quá trình thiết lập các phiên LDP diễn ra như sau:

+ Bước 1: Các phiên LDP được khởi tạo khi LSR gửi định kỳ các bản tin hello (sử dụng UDP multicast theo địa chỉ: 224.0.0.2) trên cổng kích hoạt MPLS forwarding, bộ định tuyến kết nối trực tiếp với nó khi nhận được bản tin hello sẽ thiết lập phiên LDP LSR có LDP IDbộ định tuyến cao hơn trở thành active LSR Active

LSR mở một kết nối TCP với passive LSR (có LDP IDbộ định tuyếnthấp hơn) trên TCP cổng 646

+ Bước 2: Active LSR gửi bản tin Initialization tới passive LSR chứa các thông tin: thời gian giữ phiên, phương pháp phân phối nhãn, chiều dài PDU tối đa, ID bên nhận LDP

+ Bước 3: Passive LDP LSR trả lời bằng một bản tin initialization nếu các tham số được chấp nhận Nếu các tham số không được chấp nhận, passive LSR sẽ gửi bản tin error notification

+ Bước 4: Passive LDP LSR gửi bản tin keepalive tới active LDP LSR sau khi gửi bản tin Initialization

+ Bước 5: Active LSR gửi bản tin keepalive tới passive LDP LSR Phiên LDP được thiết lập [1]

Hình 1.5: Thiết lập phiên LDP

e Các nhãn đặc biệt

- Untagged: được gán khi gói tin MPLS được chuyển thành gói tin IP và chuyển tới đích (chuyển từ miền MPLS sang miền IP) Được triển khai trong MPLS VPN

- Implicit-null (POP label):

+ Nhãn này được gán khi LSR liền kề E-LSR bóc tách nhãn trên cùng của gói tin MPLS và kết quả là gói tin MPLS hoặc gói tin IP được đẩy tới bộ định tuyến tại bước nhảy tiếp theo

+ Các E-LSR sẽ quảng bá nhãn implicit-null (POP) qua LDP để báo cho các bộ định tuyến liền kề nó phải bóc tách các nhãn trên cùng của gói tin MPLS trước khi chuyển sang E-LSR

+ Giá trị của nhãn này là 3

+ Khi gói tin mà LSR nhận được là gói tin IP, nó sẽ không thực hiện tra bảng LIB nữa, vì thế giảm được một lần tìm kiếm trên E-LSR

+ Quá trình này được minh họa như hình 1.6

- Explicit-null Label:

+ Được gán để giữ các giá trị EXP trong nhãn đầu tiên (top Label) của gói tin đến

+ Nhãn đầu tiên sẽ được đổi với giá trị nhãn là 20

+ Nhãn này được sử dụng khi triển khai QoS trong MPLS.[1]

Hình 1.6: Các nhãn đặc biệt

f Gán nhãn, phân phối nhãn và chuyển nhãn

- Để hiểu rõ về quá trình gán nhãn, phân phối nhãn và chuyển nhãn ta xét ví

dụ hình 1.7, 1.8; hai E-LSR R1 và R4 kết nối với nhau thông qua hai LSR R2 và R3

- Sau khi IGP hội tụ, các phiên hàng xóm LDP được thiết lập, các LSR gán nhãn và phân phối nhãn đối với tuyến 172.16.10.0/24 như sau [1]:

Hình 1.7: Quá trình gán nhãn và phân phối nhãn

+ Sau khi IGP hội tụ, trong mặt phẳng điều khiển của các bộ định tuyếnxây dựng lên các bảng định tuyến (RIB: gồm thông tin về các tuyến đường và next hop) và bảng cơ sở dữ liệu về nhãn (LIB) Thông tin về định tuyến được cập nhật xuống bảng chuyển mạch FIB trong mặt phẳng dữ liệu Kết hợp thông tin hai bảng FIB và LIB xây dựng lên bảng chuyển mạch nhãn LFIB

+ Khi nhận được thông tin về một tuyến của khách hàng 172.16.10.0/24 LSR R1 tự sinh ra nhãn implicit-null cho tuyến đó và quảng bá cho bộ định tuyến R2

E-+ R2 cập nhật thông tin vào cơ sở dữ liệu nhãn (LIB) và tự sinh ra nhãn L2 cho tuyến 172.16.10.0/24 và quảng bá cho R3

+ R3 cập nhật thông tin vào cơ sở dữ liệu nhãn (LIB) và tự sinh ra nhãn L3 cho tuyến 172.16.10.0/24 và quảng bá cho R4

+ R4 cập nhật thông tin vào cơ sở dữ liệu nhãn (LIB) và tự sinh ra nhãn L4 cho tuyến 172.16.10.0/24

+ Kết quả tính toán từ bảng LIB sẽ luôn được cập nhật xuống bảng LFIB

- Quá trình đổi nhãn: các LSR sử dụng các bảng LFIB để đổi nhãn và chuyển gói tin đi như sau:

+ E-LSR R4 nhận được gói tin với đích đến là mạng 172.16.10.0/24, nó tra bảng LFIB-R4, gán nhãn L3 và chuyển sang next hop là R3

Hình 1.8: Quá trình đổi nhãn + R3 nhận được gói tin có nhãn L3, tra bảng LFIB-R3, thực hiện gỡ bỏ nhãn L3, gán nhãn L2 gửi sang next hop là R2

+ R2 nhận được gói tin có nhãn L2, tra bảng LFIB-R2, nhận thấy nhãn L2 đầu vào tương ứng với nhãn implicit-null đầu ra, nên R2 thực hiện gỡ bỏ nhãn L2, kết quả thu được là gói tin IP chuyển sang cho R1

- Một bộ định tuyến khi nhận được một gói tin lớp 2 (frame) nó sẽ nhận ra được kiểu payload thông qua trường protocol/type trong frame header Ví dụ: trong trường hợp Ethernet, octec thứ 13 và 14 (sau Preamable) trong gói tin Ethernet có giá trị 0x0800 sẽ chỉ ra Layer 2 frame payload là gói tin IP, còn giá nếu có giá trị 0x8847

sẽ chỉ ra Layer 2 frame payload là MPLS unicast

g Cơ chế chống loop

Cơ chế chống loop của giao thức phân phối nhãn chủ yếu dựa vào cơ chế chống loop của IGP triển khai trong miền MPLS Tuy nhiên, để tránh các gói tin bị loop vô hạn trong miền MPLS, sử dụng trường TTL (Time-To-Live) trong header của các nhãn

Chức năng của trường TTL trong header của nhãn tương tự như chức năng của trường TTL trong gói tin IP, giá trị là các số nguyên nằm trong khoảng 0-255, giá trị này sẽ giảm đi một khi gói tin đi qua mỗi LSR Khi giá trị của trường TTL giảm về 0 thì gói tin sẽ bị hủy

Khi một gói tin IP đi vào miền MPLS, giá trị của trường TTL trong header của gói tin IP được sao chép vào giá trị của trường TTL trong header của nhãn, hoặc cũng

có thể khởi tạo giá trị trường TTL trong header của nhãn là 255 tùy thuộc vào cấu hình thiết bị của người sử dụng

1.1.4 MPLS TE

a Khái niệm

TE (Traffic Engineering) là kỹ thuật lưu lượng, là quá trình xử lý điều khiển lưu lượng qua mạng đường trục để sử dụng một cách thuận tiện và có hiệu quả tài nguyên băng thông sẵn có [1]

Một hệ thống mạng thiết kế tối ưu không thể thiếu các kỹ thuật lưu lượng Những vấn đề cố hữu của các mạng thông tin như:

- Sử dụng không hiệu quả tài nguyên băng thông: không có sự phân tải, cân bằng tải Có nhiều đường đi có thể thiết lập giữa các một nguồn và một đích nhất định, nhưng có những đường sử dụng trên 80% băng thông nhưng cũng tồn tại những đường không có lưu lượng đẩy qua

- Nghẽn (congestion): quá nhiều lưu lượng tập trung trên một kết nối hoặc một nút

- Kết nối hỏng, nút hỏng

Chính vì vậy cần triển khai các kỹ thuật lưu lượng để giải quyết, hạn chế tối đa các vấn đề trên, đảm bảo tính sẵn sàng, và thông suốt của hệ thống Trước đây, trong các mạng truyền thống, kỹ thuật lưu lượng được triển khai trên các mạng IP hoặc ATM tùy theo giao thức sử dụng giữa các thiết bị mạng, nhưng vẫn còn nhiều hạn chế, MPLS TE với nhiều tùy chọn cho phép điều khiển lưu lượng trong mạng

b Các phương pháp điều khiển lưu lượng truyền thống

TE trong mạng IP thông thường được thao tác bằng tay trên các giao diện, đường đi được gán tĩnh trên suốt tuyến (static route) Như minh họa ở hình dưới đây,

có 2 đường giữa 2 bộ định tuyến của khách hàng: CE1-A và CE2-A

- Nếu tất cả các kết nối có chi phí bằng nhau, thì đường đi tốt nhất giữa 2 bộ định tuyến của khách hàng A, B là Path 1

- Nếu tất cả các kết nối đều là T3 (45Mbps) thì trong trường hợp CE1-A gửi một lưu lượng 45Mbps, CE1-B gửi một lưu lượng 10Mbps đồng thời thì sẽ có một số gói tin sẽ bị hủy tại PE1-AS1 vì đường đi tốt nhất được chọn cho 2 khách hàng này đều là Path 1, trong khi đó Path 2 lại không được sử dụng Vì vậy cần sử dụng TE trong trường hợp này Để triển khai TE sử dụng IP thì Path 1 và Path 2 phải được cân bằng tải (load balance), tức là phải triển khai các tính năng của IGP như “maximum

paths with variance” hoặc thay đổi chi phí trên Path 2 để chi phí bằng chi phí của Path

1 Tuy nhiên việc này khó thực hiện với hệ thống có số lượng bộ định tuyến lớn[1]

Hình 1.9: Mạng IP truyền thống Trong mạng ATM, thì giải pháp TE mềm dẻo hơn, các PVC có thể được cấu hình giữa các bộ định tuyến PE1-AS1 và PE2-AS1, tuy nhiên sẽ phải cấu hình full-

mesh các PVC giữa các bộ định tuyến

c Điều khiển lưu lượng trong MPLS

Hình 1.10: MPLS TE

Để tránh hiện tượng nghẽn tại các đường kết nối chính (là các đường có chi phí nhỏ nhất) và để tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên mạng tại vùng lõi, điều khiển lưu lượng trong MPLS sử dụng phương pháp thu thập thông tin về khả năng đáp ứng tại

các nút mạng, từ đó tính toán đường đi từ một nguồn đến một đích nào đó Ví dụ như Hình 1.10: Các đường hầm TE: Tunnel 1 và Tunnel 2 được cấu hình giữa PE1 – AS1

và PE2-AS1 tương ứng theo hai đường đi khác nhau: Path 1, Path 2 Hai luồng lưu lượng giữa 2 site của khách hàng A, 2 site của khách hàng B qua miền MPLS được

đẩy qua 2 đường hầm khác nhau

Các đường hầm TE được gán với các LSP (Label Switched Path) trong mạng,

từ nguồn đến đích

Các giao thức OSPF, IS-IS với phần mở rộng sử dụng cho TE để mang các thông tin về cấu hình đường hầm trên các bộ định tuyến Lý do chọn các giao thức IGP như OSPF, ISIS vì các giao thức này là các giao thức thuộc loại trạng thái liên kết, quảng bá các thông tin về liên kết trong miền IGP Phần mở rộng mang các thông tin

về tài nguyên như: băng thông sẵn sàng, băng thông tối đa…, được update cho các bộ định tuyến ở đầu các đường hầm để tính toán và thiết lập các đường hầm CBR (Constraint Based Routing) tính toán nhiều đường đi từ nguồn đến đích Tài nguyên sẵn sàng và trạng thái kết nối sử dụng CSPF (Constrained SPF) tính toán băng thông, các chính sách, mô hình mạng,… để định nghĩa các đường hầm Việc tính toán CBR chỉ được thực hiện trên bộ định tuyến ở đầu đường hầm Kết quả của việc tính toán này là một danh sách các địa chỉ IP được đánh là bước nhảy tiếp theo của các nút dọc theo các LSP Bộ định tuyến ở đầu đường hầm sẽ cung cấp các thông tin này cho các

bộ định tuyến khác dọc theo các LSP thông qua các giao thức báo hiệu

Báo hiệu trong môi trường MPLS TE sử dụng giao thức đặt trước tài nguyên (RSVP

- Resource Reservation Protocol) với phần mở rộng hỗ trợ các tính năng đường hầm TE

* RSVP

Khái niệm: RSVP (Resource Reservation Protocol) là giao thức đặt trước băng

thông dọc theo một tuyến từ một nguồn đến một đích nhất định

4 bản tin chính sử dụng trong RSVP:

- RSVP PATH: sinh ra bởi bộ định tuyến đầu đường hầm và đẩy vào trong mạng dọc theo các TE LSP sau này Tại mỗi nút mạng, bản tin Path kiểm tra tính sẵn sàng của băng thông theo yêu cầu và lưu thông tin lại Ví dụ: như hình vẽ dưới bản tin Path sinh ra bởi bộ định tuyến PE1-AS1, là bộ định tuyến ở đầu đường hầm, được đẩy đến các bộ định

tuyến P1-AS1, PE2-AS1 để kiểm tra tính sẵn sàng về tài nguyên tại mỗi nút Chức năng của bản tin RSVP PATH giống như một yêu cầu gán nhãn trong miền MPLS TE[1]

Hình 1.11: Bản tin RSVP PATH và RESERVATION

- Bản tin RSVP RESERVATION: sinh ra bởi bộ định tuyến ở cuối đường hầm

và sử dụng để xác nhận yêu cầu đặt trước được gửi trong bản tin Path Ví dụ: như trong hình vẽ, PE2-AS1 sinh ra bản tinRESERVATION để trả lời bản tinPath Bản tinRESERVATION thực hiện chức năng gán nhãn cho các LSP tương ứng với các đường hầm TE riêng biệt Việc gán nhãn được thực hiện từ bộ định tuyến cuối đường hầm cho đến bộ định tuyến đầu đường hầm

- Path RSVP error: trong trường hợp tài nguyên hiện có không đáp ứng được yêu cầu thì bộ định tuyến sẽ sinh ra bản tin RSVP error và gửi đến bộ định tuyến yêu cầu

- RSVP tear: RSVP có 2 loại bản tin là: PATH tear và RESERVATION tear Bản tin Tear sẽ xóa các trạng thái PATH và RESERVATION trên bộ định tuyến để sử dụng lại tài nguyên cho các yêu cầu khác Bản tin PATH tear thường được sinh ra trong việc thiết lập các LSP nội vùng khi các LSP nội vùngkhông được cấu hình tính năng tái định tuyến nhanh, và khi việc đứt một kết nối trong vùng xảy ra, LSR có kết nối bị đứt sẽ sinh ra bản tin RSVP PATH error và RESV tear gửi tới bộ định tuyến đầu đường hầm,bộ định tuyến đầu đường hầm sẽ sinh ra bản tin RSVP PATH tear Tuyến đường tương ứng sẽ được đánh dấu là “invalid” trong một khoảng thời gian, bộ định tuyến sẽ lập tức tính toán các tuyến tiếp theo

Nguyên lý hoạt động của RSVP trong MPLS TE:

Đối tượng Bản tin Chức năng

Sử dụng để chỉ ra nhãn tương ứng với đường hầm TE hoặc LSP, sinh ra bởi

bộ định tuyến ở cuối đường hầm

Được gửi trong bản tin PATH, sử dụng

để yêu cầu hoặc xác nhận tuyến cho đường hầm

RESERVATION

Tương tự như record option trong ICMP ping Được thêm vào trong bản tin PATH và RESERVATION để thông báo cho nút gốc về tuyến thực tế

mà đường hầm LSP TE đi qua

SESSION_ATTRIBUTE PATH Sử dụng để định nghĩa các tham số của

đường hầm TE Bảng 1.1: RSVP Object

- Trong quá trình thiết lập một đường hầm LSP TE, bản tin RSVP sẽ chứa một hoặc nhiều phần mở rộng này Bản tin PATH chứa các thông tin sau:

EXPLICIT_ROUTE

Chứa danh sách các bước nhảy tiếp theo được cấu hình bằng tay hoặc được tính toán sử dụng CSPF Bước nhảy trước (PHOP) được đặt làm địa chỉ giao diện đầu ra của

bộ định tuyến

RECORD_ROUTE Chứa địa chỉ giao diện đầu ra của bộ định tuyến nội bộ

của đường hầm LSP

Đối tượng Bản tin

SENDER_TEMPLATE

Được định nghĩa bởi bộ định tuyến ở đầu đường hầm minh họa bằng địa chỉ của một giao diện và sử dụng như LSP-ID cho đường hầm

Bảng 1.2: RSVP Objects trong Path Message

- Các bước truyền bản tin PATH và RESV được minh họa như sau: khi AS1 nhận được bản tin RESERVATION, RECORD_ROUTE nhận ra các LSP với các yêu cầu về tài nguyên được định nghĩa Các nhãn được sinh ra do các bộ định tuyến bước nhảy tiếp theo sẽ được sử dụng trong MPLS[1]

P1-Hình 1.12: Bản tin RSVP PATH/RESERVATION và các giá trị của Object

+ Bước 1: PE1-AS1 khởi tạo các giá trị cho các trường trong PATH message và gửi sang next-hobộ định tuyến P theo đường hầm LSP

+ Bước 2: khi P1-AS1 nhận được bản tin PATH, bộ định tuyến kiểm tra EXPLICIT_ROUTE để xác định bước nhảy tiếp theo của đường hầm LSP bằng cách kiểm tra L-bit Nếu L-bit được đặt, thìbộ định tuyến cục bộ không kết nối trực tiếp với bước nhảy tiếp theo của đường hầm LSP, khi đó bộ định tuyến sẽ thực hiện tính toán CSPF để tìm ra next-hop trong tuyến đường hầm Nếu L-bit không được đặt, bộ định tuyến P1-AS1 nhận ra rằng nó kết nối trực tiếp với bước nhảy tiếp theo của đường hầm LSP, và gỡ bỏ tất cả các entry trong EXPLICIT_ROUTE tương ứng với bộ định tuyến cục bộ(P1-AS1) và gửi tiếp bản tin PATH sang bước nhảy tiếp theo được định nghĩa trong EXPLICIT_ROUTE Thêm vào đó, P1-AS1 còn cập nhật thêm vào đối tượng RECORD_ROUTE địa chỉ IP của giao diện ra nội bộ (P1-AS1, S0)

+ Bước 3: Quá trình gỡ bỏ giao diện nội bộ trong EXPLICIT_ROUTE và cập nhật đối tượng RECORD_ROUTE được lặp lại tại P2-AS1

+ Bước 4: PE2-AS1 nhận được bản tin RSVP PATH, lập tức sinh ra bản tin RESERVATION và gán nhãn POP cho đường hầm LSP Đối tượng RECORD_ROUTE trong bản tin RESERVATION được gán là địa chỉ IP của giao diện đầu ra của PE2-AS1 về phía bộ định tuyếnđầu đường hầm

+ Bước 5: Khi P2-AS1 nhận được bản tin RESERVATION, RECORD_ROUTE sẽ được chèn thêm địa chỉ IP giao diện đầu ra của P2-AS1 (P2-AS1 S1) và sinh ra nhãn tương ứng trong đối tượng LABEL (giá trị 3 như trong ví dụ)

+ Bước 6: P1-AS1 nhận được bản tin RESERVATION sẽ lặp lại quá trình trên

+ Bước 7: Khi PE1-AS1 nhận được bản tin RESERVATION, RECORD_ROUTE nhận ra được các LSP với các yêu cầu về tài nguyên được định nghĩa trong đối tượng SESSION Các nhãn sinh ra bởi các bộ định tuyến bước nhảy tiếp theo tương ứng với LSP sẽ được sử dụng trong MPLS

*CBR (Constraint-Based Routing) trong MPLS TE

CBR (Constraint-Based Routing) là phương pháp tính toán nhiều đường đi từ nguồn đến đích dựa trên các điều kiện ràng buộc về tài nguyên Thuật toán sử dụng để tính toán và định nghĩa các đường hầm là CSPF (Constraint-Based Shortest Path First)

Maximum Bandwidth (MB) và Available Bandwidth (AB):

- Available Bandwidth (AB) là giá trị chính được đưa vào để tính toán các tuyến LSP và lựa chọn xem LSP nào tốt hơn AB trên giao diện được cấu hình dựa vào việc thiết lập chế độ ưu tiên (thiết lập priority) Có 8 giá trị ưu tiên có thể được cấu hình tương ứng với AB: 0-7, trong đó 0 là giá trị ưu tiên cao nhất

- Ví dụ: PE1-AS1 có một giao diện serial (T1-1.544 Mbps), 1 Giao diện Ethernet (10 Mbps) và 1 Giao diện Ethernet (100 Mbps) Băng thông thực tế trên các giao diện là

MB tương ứng với từng kết nối AB là MB trừ đi băng thông được đặt trước

- Khi một Tunnel request được chấp nhận và băng thông được trừ đi từ AB tại một mức ưu tiên nào đó, nó cũng có thể được trừ đi từ tất cả các mức ưu tiên thấp hơn

Chẳng hạn ta có yêu cầu về băng thông theo thứ tự sau:

 10 Mbps trên giao diện Ethernet tại mức priority 1

 20 Mbps trên giao diện Fast Ethernet tại mức priority 0

 1 Mbps trên giao diện serial tại mức priority 0

 2 Mbps trên giao diện Ethernet tại mức priority 3

Với thứ tự trên ta sẽ có MB và AB trên tất cả các giao diện như sau:

Giao

diện

AB

P = 0 (Mbps)

AB

P = 1 (Mbps)

AB

P = 2 (Mbps)

AB

P = 3 (Mbps)

AB

P = 4 (Mbps)

AB

P = 5 (Mbps)

AB

P = 6 (Mbps)

AB

P = 7 (Mbps)

Giới hạn cận trên và cận dưới tài nguyên băng thông có thể được cấu hình trên

các tài nguyên của bộ định tuyến

Constraint-Based SPF:

- Trong quá trình tính toán SPF thông thường, bộ định tuyếnsẽ xây dựng lên một cây với các đường đi ngắn nhất (chi phí nhỏ nhất) đến mỗi đích mà nó là gốc của cây đó Tuy nhiên, khi tham số để chọn đường không chỉ là chi phí nhỏ nhất mà còn thêm các ràng buộc chẳng hạn như: yêu cầu hỗ trợ băng thông 50 Mbps thì sử dụng CSPF để tính toán

- CSPF cũng xây dựng kiến trúc cây với nó là gốc của cây Không giống như SPF chỉ chọn một đường đi ngắn nhất để đưa vào cây, tất cả các link thỏa mãn các yêu cầu, ràng buộc về chi phí, về băng thông đều được CSPF sử dụng để tìm ra các đường

đi đến đích Vì thế có thể định nghĩa tĩnh các LSP và các LSP dự phòng trong trường hợp LSP chính bị đứt

- RSVP sử dụng các kết quả tính toán CSPF hoặc danh sách các bước nhảy tiếp theo cấu hình bởi người dùng cho báo hiệu LSP (LSP signaling) và thiết lập các TE LSP

- Thứ tự các bước tạo MPLS TE đường hầm như sau:

+ Bước 1: CSPF được tính toán tại bộ định tuyếnđầu đường hầm dựa trên các ràng buộc được định nghĩa trong các định nghĩa và yêu cầu của đường hầm

+ Bước 2: Kết quả của quá trình tính toán CSPF là LSP path với một danh sách các địa chỉ IP tương ứng với các bước nhảy tiếp theo của đường hầm TE

+ Bước 3: RSVP thực hiện yêu cầu và xác nhận việc đặt trước tài nguyên được định nghĩa bởi quá trình tính toán CSPF

+ Bước 4: Sau khi quá trình CSPF nhận được bản tin RESERVATION, LSP được thiết lập Lúc này đường hầm đã sẵn sàng cho IGP sử dụng, mặc định thì các đường hầm không được đưa vào bảng định tuyến, nhưng có thể cấu hình để đưa giao diệnđường hầm vào bảng định tuyến

- Một thao tác quan trọng khi thiết lập đường hầmTE là gán các giá trị ưu tiên cho AB AB với mức ưu tiên thấp có thể bị tranh chấp (tính năng cạnh tranh)

*OSPF Extendsion sử dụng cho TE

Trong MPLS TE, OSPF sử dụng bản tin LSA số 10 có các thuộc tính TLV, TLV tương ứng với các tài nguyên đặc biệt trong miền TE:

sub-Trong đó 3 sub-TLV quan trọng nhất là sub-TLV 6,7 và 8

+ Giá trị sub-TLV 6,7 nhận được từ cấu hình RSVP trên giao diện, chứa các thông tin về băng thông tối đa và băng thông có thể đặt trước

+ Sub-TLV 8 định nghĩa AB cho việc đặt trước với mỗi mức ưu tiên Giá

trị của sub-TLV 8 nhận được từ giao diện kích hoạt đặt trước tài nguyên[1]

Hình 1.13: OSPF TLV/Sub-TLV TE Extensions Lưu ý rằng bản tin LSA là bản tin quảng bá nội vùng OSPF, không đi qua được các ABR (Area Border Router)

*Unequal Cost Load Balancing qua nhiều đường hầm TE

Hình 1.14: Unequal Cost Load Balancing Giả sử ta có 3 đường hầm giữa PE1-AS1 và PE2-AS1 như sau:

- Tunnel 0: đi qua P1 với băng thông yêu cầu là 100 Kbps

- Tunnel 1: đi qua P2 với băng thông yêu cầu là 100 Kbps

- Tunnel 2: đi qua P3, P4 với băng thông yêu cầu là 50 Kbps

Khi đó, với 5 gói tin với cùng nguồn và đích: từ PE1-AS1 đến PE2-AS1 thì 2 gói tin qua Tunnel 0, 2 gói tin qua Tunnel 1 và 1 gói tin qua Tunnel 3

*MPLS TE tái định tuyến nhanh

Tái định tuyến nhanh (FRR) là một thủ tục sử dụng cùng với MPLS TE trong trường hợp kết nối bị đứt

Trong hoạt động của FRR, một đường hầm dự phòng được cấu hình để sử dụng khi đường hầm chính bị lỗi Và khi đường hầm chính bị lỗi, bộ định tuyếnlập tức chuyển sang đường hầm dự phòng mà không cố gắng gửi lại trên đường hầm chính

Ví dụ: như hình vẽ, Tunnel 1 là tunnel chính đi qua P1, Tunnel 100 là đường hầm dự phòng cho Tunnel 1[1]

Hình 1.15: MPLS TE tái định tuyến nhanh 1.2 Mạng truyền tải

1.2.1 Khái niệm

Liên minh viễn thông quốc tế (ITU) định nghĩa trong khuyến nghị G.805: Mạng

truyền tải là mạng trong đó các nguồn lực chức năng của mạng lưới vận chuyển thông tin người dùng giữa các khu vực[4]

Hình 1.16: Mạng truyền tải cung cấp kết nối cho các mạng người dùng độc lập

1.2.2 Các công nghệ truyền tải

a Gigabit Ethernet

Là công nghệ quen thuộc sử dụng trong mạng nội bộ (LAN) và mạng metro Trong mạng LAN, Ethernet là môi trường mạng đa truy nhập với nhiều tốc độ khác nhau: 10/100/1000 Mbps

Giao thức để xử lý xung đột trong mạng Ethernet là CSMA/CD

b Ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM)

Là kỹ thuật mà ở đó tín hiệu được chia sẻ giữa các luồng dữ liệu bằng cách phân bổ mỗi luồng một lát dữ liệu xác định của tín hiệu Hãy xem xét công nghệ gói: Nếu hai luồng dữ liệu được chuyển thành một tín hiệu đơn sau đó các gói tin từ mỗi luồng dữ liệu này được đan xen Điều đó không phải là vấn đề đối với các ứng dụng truyền file, nhưng lại là vấn đề nghiêm trọng đối với các ứng dụng nhạy cảm với thời gian như thoại, video, chia sẻ tín hiệu với một ứng dụng truyền dữ liệu lớn

TDM đưa ra một cách khác để phân chia băng thông sẵn có cho mỗi ứng dụng một cách công bằng bằng cách phân chia tín hiệu vào các khung Mỗi khung là một chuỗi các byte được truyền trên cáp, và có một số lượng biết trước các khung được truyền đi trong một giây phụ thuộc vào kích thước của khung và tốc độ của đường truyền Mỗi khung được phân chia thành một chuỗi các byte có cùng chiều dài gọi là các các hàng, một vài byte đầu tiên của mỗi hàng chứa các thông tin điều khiển gọi là tiêu đề vận chuyển và phần còn lại của mỗi hàng mang dữ liệu người dùng[4]

Hình 1.17: Cấu tạo của khung TDM Một luồng dữ liệu có thể được gán cho một hoặc nhiều hàng, vì vậy các luồng khác nhau có thể chiếm các phần băng thông khác nhau Các luồng đối xử với các byte trong một chuỗi các khung của nó như một tín hiệu liên tục trên một đường truyền dẫn riêng.Công nghệ TDM phân chia các tín hiệu vào các khung và kết hợp các khung thành tín hiệu tại đầu xa của kết nối Trên thực tế, mỗi luồng được gán với một khe thời gian trong mỗi khung và với số lượng khung truyền đi trong một giây lớn (8000), một luồng không có tác động đáng kể trong phương pháp chia sẻ băng thông này

Một thiết bị chuyển mạch TDM có khả năng chuyển lẫn các khe thời gian giữa các cáp truyền dẫn Ví dụ: có thể chuyển từ khe thứ nhất trên cáp thứ nhất sang cáp thứ

2, khe thứ 2 cáp thứ nhất sang khe thứ 3 cáp thứ 2 Các chuyển mạch TDM đơn giản bị giới hạn bởi khả năng chuyển mạch vị trí các khe thời gian trong khung được đặt trước khi khe thời gian được chuyển từ khung này sang khung khác

Có hai bộ tiêu chuẩn tương tự nhau về mạng TDM SDH là một bộ tiêu chuẩn

về đóng khung, mã hóa và quy trình xử lý được phát triển bởi ITU, còn SONET (Synchronous Optical Network) được phát triển bởi ANSI

c Ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM)

Là công nghệ đơn giản đặt nhiều tín hiệu quang trong cùng một cáp quang Mỗi tín hiệu được mã hóa sử dụng một tần số quang khác nhau và được tham chiếu bởi tần

số và hoặc bước sóng (lamda) tương đương Mỗi bước sóng tạo thành một kênh quang học khác nhau có thể sử dụng để mang dữ liệu độc lập với dữ liệu của các kênh khác

Dữ liệu có thể được mã hóa bằng nhiều cách khác nhau, nhưng giải pháp chung là mỗi bước sóng mang một tín hiệu Ethernet hoặc một tín hiệu TDM

Để có sự nhất quán giữa các bước sóng được sử dụng, ITU ban hành các danh sách các tần số được chấp nhận Mỗi danh sách được gọi là lưới, là một tập hợp các khoảng bước sóng phù hợp với các ứng dụng nhất định Ví dụ: trong CWDM, một lưới

18 bước sóng được ban hành với khoảng cách 2500 GHz (20nm) giữa mỗi bước sóng; trong DWDM có một vài lưới với khoảng cách 100, 50, 25 GHz Khoảng cách của các lưới là chức năng của công nghệ WDM đặc biệt là khả năng tạo, ghép kênh và trích xuất các tín hiệu băng hẹp) và dẫn đến khả năng áp dụng của công nghệ này

Một vấn đề quan trọng với WDM là các tín hiệu dữ liệu có thể gây nhiễu lẫn nhau do chạy trên cùng một sợi quang Nếu điều chỉnh một bước sóng bị trôi, tín hiệu

có thể gây méo cho các tín hiệu khác trên cùng sợi quang Do đó chỉ có một số kênh quang xác định trên cùng một sợi quang

Thiết bị CWDM thường được sử dụng để truyền dữ liệu trong khoảng cách ngắn, với băng thông giới hạn 2.5 Gbps cho mỗi bước sóng, chi phí sản xuất rẻ hơn

Thiết bị DWDM yêu cầu sự chính xác để chống nhiễu, tập trung vào xử lý tốc

độ truyền dữ liệu cao hơn (40 Gbps) và khoảng cách xa hơn Chi phí sản xuất cho các thiết bị này cũng đắt hơn

Các thiết bị chuyển mạch WDM có 3 chức năng quan trọng:

- Ghép các kênh bước sóng,

- Chuyển các luồng dữ liệu vào các sợi quang đầu ra tương ứng

- Phân kênh tín hiệu vào cáp quang

Có hai loại thiết bị chuyển mạch WDM:

- Thiết bị chuyển mạch quang điện tử (OEO – Opto-electronic): sử dụng các

bộ lọc và các bộ thu phát để nhận tín hiệu và chuyển đổi thành các dòng bit điện tử và các tín hiệu điện tử này có thể được chuyển mạch qua các thành phần điện tử trước khi tái tạo lại thành tín hiệu quang bởi laser

- Thiết bị chuyển mạch đấu nối chéo quang tử (PCX – Photonic connect): sử dụng công nghệ quang học để phân tách và chuyển mạch dữ liệu, khả năng nhỏ hơn và không yêu cầu có các bộ thu phát và laser

Cross-d Chuyển mạch sợi quang:

Là thiết bị trong mạng lấy toàn bộ dữ liệu từ một sợi quang đơn và sao chép

nó sang một sợi quang khác Do việc hiểu mã hóa, các kiểu đóng gói tín hiệu rất quan trọng để tái tạo các thành phần của một sợi quang nên các thiết bị chuyển mạch sợi quang thường trong suốt về mặt quang học, nó không chặn tín hiệu và chuyển đổi

nó thành điện tử trước khi tái tạo lại và chuyển mạch toàn bộ thành phần của sợi quang

1.2.3 Các mô hình mạng truyền tải

- Mạng vòng đơn:

Hình 1.18: Mạng vòng đơn

- Mạng vòng hai hướng và được bảo vệ

Hình 1.19: Mạng vòng hai hướng và được bảo vệ

- Mạng liên vòng và lưới vòng:

Hình 1.20: Mạng liên vòng

Hình 1.21: Mạng lưới vòng

- Mạng kết nối điểm điểm:

Hình 1.22: Mạng kết nối điểm – điểm

- Mạng dạng lưới:

Hình 1.23: Mạng dạng lưới 1.3 Nguồn gốc của GMPLS

Vì lợi ích của việc đưa ra giải pháp một mặt phẳng điều khiển trong các mạng truyền tải, một lựa chọn là phát triển một bộ giao thức mới từ đầu cho tất cả các loại mạng truyền tài: Một cho các mạng WDM, một cho các mạng TDM, … Lợi ích rõ ràng của cách tiếp cận như vậy là mỗi mặt phẳng điều khiển sẽ được thiết kế rất có hiệu quả cho các mạng khác nhau Ví dụ: mặt phẳng điều khiển thiết kế cho các mạng quang tử có các cơ chế để đảm nhiệm các lỗi quang học và các ràng buộc chiều dài bước sóng liên tục, trong khi một thiết kế cho các mạng TDM có thể tận dụng lợi thế của các bit mào đầu SDH cho báo hiệu

Tuy nhiên, các nhược điểm có thể nhận thấy như sau:

- Cần nhiều nỗ lực, công sức trong việc phát triển các bộ giao thức mới: giao thức báo hiệu, định tuyến, điều khiển lưu lượng và phát triển các ứng dụng

- Các dịch vụ có xu hướng kết nối qua nhiều kiểu mạng khác nhau: Một vài đoạn sử dụng các bộ định tuyến IP và các bộ chuyển mạch lớp 2, một vài đoạn khác sử dụng chuyển mạch SONET/SDH trong khi mạng lõi có thể kết nối với nhau qua các

bộ ghép kênh quang và các bộ đấu nối

1.3.1 Chuyển mạch bước sóng

Với sự gia tăng nhanh chóng của các mạng WDM vào cuối những năm 1990, các nhà sản xuất và các nhà cung cấp dịch vụ bắt đầu tìm kiếm một mặt phẳng điều khiển thông minh có thể đơn giản hóa việc dự phòng, giảm chi phí vận hành và đưa ra

các khả năng cung cấp dịch vụ mới Điều đó chỉ ra rằng hoạt động chuyển mạch cơ bản trong WDM tương tự với các thiết bị chuyển mạch nhãn đa giao thức một cách logic Đó là một chuyển mạch được yêu cầu chuyển từ một bước sóng đầu vào trên một giao diện đầu vào thành một bước sóng đầu ra trên một giao diện đầu ra có hoạt động tương tự với việc chuyển đổi nhãn trong chuyển mạch nhãn đa giao thức: chuyển đổi nhãn đầu vào trên giao diện đầu vào thành nhãn đầu ra trên giao diện đầu ra Điều

đó có ý nghĩa rõ ràng để cố gắng tái sử dụng các công nghệ báo hiệu của chuyển mạch nhãn đa giao thức Từ những nhận định ban đầu này, chuyển mạch bước sóng đa giao thức (MPλS) được hình thành

Các thông số của giao thức MPλS ban đầu được mượn nhiều từ các giao thức báo hiệu và định tuyến MPLS Các giao thức này làm việc dựa trên các giả định cơ bản mặc dù LFIB được nhúng một cách logic trong các thiết bị chuyển mạch vật lý, các hoạt động kết nối chéo trong các chuyển mạch giống như trong một LFIB Các giao thức MPλS cần được cài đặt để ánh xạ bước sóng đầu vào, giao diện đầu vào với bước sóng đầu ra và giao diện đầu ra

1.3.2 Khái quát về công nghệ

Các kỹ thuật và thủ tục của MPLS đại diện cho một công nghệ đã được chứng minh với các khái niệm chuyển mạch làm việc trên các mạng không đồng nhất và giải quyết các vấn đề kỹ thuật lưu lượng cần được xử lý cho tất cả các mạng truyền tải Vì vậy hoạt động của MPλS được mở rộng để đảm nhiệm không chỉ chuyển mạch bước sóng mà còn bao gồm cả chuyển mạch sợi quang, TDM, chuyển mạch lớp 2, các công nghệ chuyển mạch đã có như chuyển mạch gói/khung/tế bào Các khái niệm thực sự đã được khái quát hóa và được đặt tên là chuyển mạch nhãn đa giao thức tổng quát (GMPLS)

Tuy nhiên không phải hoàn toàn tất cả các khái niệm của MPLS được áp dụng Một số kỹ thuật MPLS đã tập trung vào việc thiết lập các LSP phù hợp với các bảng định tuyến IP (được cung cấp bởi các giao thức báo hiệu LDP không được ứng dụng cho các mạng truyền tải không phải dạng gói Các mạng truyền tải được quan tâm hơn với các kết nối đầu cuối hoặc các vòng kết nối Các giao thức MPLS mà GMPLS được xây dựng trên đó được thiết kế và triển khai để áp dụng các kỹ thuật lưu lượng cho các mạng MPLS Kỹ thuật lưu lượng là quá trình lựa chọn lưu lượng, tính toán trước các đường đi trong mạng để tối đa hóa lợi ích từ các nguồn tài nguyên có sẵn Trong thực

tế điều này có nghĩa là định tuyến các lưu lượng từ các điểm tắt nghẽn, các kết nối được lựa chọn cung cấp chất lượng dịch vụ mong muốn hoặc thỏa mãn các ràng buộc cho các ứng dụng hoặc chuyển dữ liệu vào các kết nối chưa được sử dụng

Nói chung, nhiều hoặc hầu hết các kỹ thuật trong kỹ thuật lưu lượng MPLS được áp dụng cho các vấn đề tổng quát trong việc kiểm soát các mạng truyền tải tùy ý 1.4 Những yêu cầu cơ bản của GMPLS

1.4.1 Nhãn

Trong MPLS, nhãn được gán với các gói dữ liệu, được sử dụng như là một chỉ

số đưa vào LFIB Nhãn trong MPLS với tài nguyên không phải là một cặp chặt chẽ Quản lý tài nguyên trong MPLS hoàn toàn mang ý nghĩa thống kê, chẳng hạn băng thông sẵn sàng trên các giao diện được chia một cách logic giữa các LSP sử dụng giao diện đó Nhãn chỉ ra một lượng tài nguyên được đặt trước một cách thống kê nhưng không chỉ được các tài nguyên vật lý Việc đặt trước chỉ là số phần trăm tài nguyên sẵn sàng, chẳng hạn như băng thông, nhưng không có tài nguyên thực sự (như bộ đệm) được chỉ ra để hỗ trợ luồng.Khi tài nguyên thực được sử dụng, nhãn trên các gói dữ liệu vẫn không nhận ra được các tài nguyên vật lý

Trong các mạng truyền tải, các tài nguyên vật lý chính xác là năng lực chuyển mạch Trong mạng WDM, các bước sóng được chuyển mạch Trong mạng TDM, các khe thời gian được chuyển mạch Vì vậy nhãn chỉ ra luồng dữ liệu có thể chuyển mạch trong GMPLS cũng chỉ ra chính xác tài nguyên vật lý Cụ thể, trong mạng chuyển bước sóng, nhãn chỉ ra một bước sóng riêng biệt, trong mạng TDM, nhãn chỉ ra một khe thời gian riêng biệt, và trong mạng chuyển mạch sợi, nhãn chỉ ra chính xác cổng hoặc sợi Đây là sự khác biệt với các môi trường chuyển mạch gói

1.4.2 Các loại chuyển mạch

Kiểu chuyển mạch của nút mạng định nghĩa đơn vị dữ liệu mà thiết bị có thể quản

lý và thực hiện chuyển mạch (phân luồng tín hiệu dữ liệu từ một giao diện đến, chuyển mạch nó và gửi nó ra ở một giao diện khác) Ví dụ: các bộ định tuyến MPLS có khả năng chuyển mạch gói (PSC – Packet Switch Capable), chúng có thể nhận dữ liệu trên một giao diện (Cổng Ethernet, cổng SONET,…), nhận ra các gói trong các luồng dữ liệu và chuyển mạch riêng từng gói Một thiết bị đấu nối chéo quang có khả năng chuyển mạch bước sóng (LSC – Lambda Switch Capable) và có thể phân tách các bước sóng riêng biệt từ