Nghiên cứu kỹ thuật lưu lượng thích ứng trong mạng MPLS

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ATM Asynchronous Transfer Mode Chuyển giao không đồng bộ BGP Border Gateway Protocol Giao thức cổng đường biên CR Constrained Routing Định tuyến cưỡng bức CR-LDP Const

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI CAM ĐOAN 3

DANH MỤC HÌNH VẼ 4

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 6

LỜI MỞ ĐẦU 8

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MPLS 9

1.1 Tổng quan về MPLS 9

1.2 Kiến trúc mạng MPLS 9

1.2.1 Các thành phần trong mạng MPLS 10

1.2.1.1 Nhãn MPLS 10

1.2.1.2 Ngăn xếp nhãn 11

1.2.1.3 Router chuyển mạch nhãn LSR(Label Switching Router) và router biên LER (Label Edge Router) 11

1.2.1.4 Lớp chuyển tiếp tương đương FEC (Forward Equivalence Class) 12

1.2.1.5 Đường chuyển mạch nhãn LSP (Label Swtiching Path) 12

1.2.1.6 Cơ sở thông tin nhãn LIB (Label Information Base) và bảng cơ sở thông tin chuyển gói LFIB (Label Forwarding Information Based) 13

1.2.2 Định tuyến 13

1.3 Các giao thức cơ bản của MPLS 14

1.3.1 Giao thức phân phối nhãn LDP 14

1.3.2 Giao thức CR-LDP 17

1.3.3 Giao thức RSVP 19

1.4 Hoạt động của mạng MPLS 20

1.5 Tổng kết chương 1 22

Chương 2: KỸ THUẬT LƯU LƯỢNG TRONG MPLS VÀ 24

CÁC CƠ CHẾ BẢO VỆ, KHÔI PHỤC .24

2.1 Tổng quan về kỹ thuật lưu lượng 24

2.1.1 Khái niệm kỹ thuật lưu lượng 24

2.1.2 Tại sao cần điều khiển lưu lượng trong MPLS 24

2.1.3 Cơ chế điều khiển lưu lượng trong MPLS 27

2.2 Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS .31

2.2.1 Kỹ thuật điều khiển tắc nghẽn FATE 32

2.2.2 Kỹ thuật chọn đường cơ sở 33

2.2.3 Kỹ thuật chọn lọc đường dẫn dựa trên sự đảm bảo băng thông 33

2.3 Bảo vệ và khôi phục đường trong MPLS 34

2.3.1 Sự cần thiết của bảo vệ và khôi phục đường 34

2.3.2 Phân loại các cơ chế bảo vệ khôi phục 36

2.3.2.1 Sửa chữa toàn mạng và sửa chữa cục bộ 36

2.3.2.2 Tái định tuyến và chuyển mạch bảo vệ 37

2.3.3 Cơ chế bảo vệ và khôi phục đường trong điều khiển lưu lượng MPLS 37

2.3.3.1 Cơ chế Makam 37

2.3.3.2 Cơ chế Haskin 38

2.3.3.3 Cơ chế Shortest-Dynamic 39

2.3.3.4 Cơ chế Simple-Dynamic 39

2.4 Giải thuật cân bằng tải của Riikka Suisitaival 40

2.5 Tổng kết chương 2 42

Chương 3: MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 43

3.1 Mô phỏng bảo vệ và khôi phục đường theo các cơ chế Makan, Haskin, Shortest-Dynamic, Simple-Dynamic 44

3.1.1 Mô phỏng theo cơ chế Makam 44

3.1.2 Mô phỏng theo cơ chế Haskin 49

3.1.3 Mô phỏng theo cơ chế Shortest-Dynamic 54

3.1.4 Mô phỏng theo cơ chế Simple-Dynamic 59

3.2 So sánh đánh giá các mô hình bảo vệ và khôi phục đường 64

3.3 Tổng kết chương 3 .69

KẾT LUẬN 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

LỜI CAM ĐOAN

Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể các thầy cô trong Viện Điện tử Viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo ra một môi trường thuận lợi về cơ sở vật chất cũng như về chuyên môn trong quá trình tôi thực hiện đề tại Tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô trong Viện Đào tạo sau đại học đã quan tâm đến khóa học này, tạo điều kiện cho các học viên có điều kiện thuận lợi để học tập và nghiên cứu Và đặc biệt Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo TS Ngô Vũ Đức đã tận tình chỉ bảo, định hướng khoa học và hướng dẫn, sửa chữa cho nội dung của luận văn này Tôi xin cam đoan rằng nội dung của luận văn này là hoàn toàn do tôi tìm hiểu, nghiên cứu và viết ra Tất cả đều được tôi thực hiện cẩn thận và có sự định hướng và sửa chữa của giáo viên hướng dẫn

Tôi xin chịu trách nhiệm với những nội dung trong luận văn này

Tác giả

Đinh Bá Dũng

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1: Kiến trúc mạng MPLS [10] 10

Hình 2: Định dạng nhãn [4] 10

Hình 3: Ngăn xếp nhãn [4] 11

Hình 4: Lớp chuyển tiếp FEC [4] 12

Hình 5: Đường chuyển mạch nhãn LSP [4] 13

Hình 6: Bảng thông tin nhãn LIB [4] 13

Hình 7: Quá trình thiết lập LSP sử dụng giao thức LDP [10] 15

Hình 8: Các loại thông điệp LDP [10] 16

Hình 9: Định dạng các thông điệp LDP [4] 16

Hình 10: Mã hóa TLV [4] 17

Hình 11: Ví dụ thiết lập đường LSP với giao thức CR-LDP[10] 18

Hình 12: Hoạt động của MPLS 22

Hình 13: Phương pháp định tuyến 25

Hình 14: Mô hình kỹ thuật lưu lượng[10] 27

Hình 15: Tắc nghẽn gây ra bởi kĩ thuật chọn đường ngắn nhất [8] 29

Hình 16: Giải pháp cho vấn đề sử dụng kĩ thuật lưu lượng 30

Hình 17: Cấu hình bộ đệm [6] 33

Hình 18: Mô hình Makam 38

Hình 19: Mô hình Haskin 39

Hình 20: Mô hình Shortest-Dynamic 39

Hình 21: Mô hình Simple-Dynamic 40

Hình 22: Mô hình mạng thực hiện mô phỏng 43

Hình 23: Thiết lập đường làm việc và đường bảo vệ Makam 45

Hình 24: Đường đi lưu lượng trước khi xảy ra sự cố 45

Hình 25: Đường đi lưu lượng tại thời điểm xảy ra sự cố (Makam) 46

Hình 26: Đường đi lưu lượng sau thời điểm xảy ra sư cố 46

Hình 27: Đường đi lưu lượng sau khi khắc phục sự cố (Makam) 47

Hình 28: Kết quả mô phỏng theo cơ chế Makam 47

Hình 29: Băng thông nhận được theo cơ chế Makam 48

Hình 30: Thiết lập đường làm việc và đường bảo vệ (haskin) 50

Hình 31: Đường đi lưu lượng khi luồng 1 truyền (Haskin) 50

Hình 32: Đường đi lưu lượng vào thời điểm xảy ra sự cố (Haskin) 51

Hình 33: Đường đi lưu lượng sau thời điểm xảy ra sự cố (Haskin) 51

Hình 34: Đường đi lưu lượng khi sự cố được khắc phục (Haskin) 52

Hình 35: Đường đi lưu lượng khi luồng 1 ngừng truyền (Haskin) 52

Hình 36: Kết quả mô phỏng theo cơ chế Haskin 53

Hình 37: Băng thông nhận được mô phỏng theo cơ chế Haskin 53

Hình 38: Báo hiệu thiết lập đường làm việc 55

Hình 39: Đường đi lưu lượng khi luồng 1 truyền (Shortest-Dynamic) 55

Hình 40: Đường đi lưu lượng tại thời điểm xảy ra sự cố (Shortest-Dynamic) 56

Hình 41: Đường đi lưu lượng sau thời điểm sự cố (Shortest-Dynamic) 56

Hình 42: Đường đi lưu lượng khi sự cố được khắc phục (Shortest-Dynamic) 57

Hình 43: Đường đi lưu lượng khi luồng 1 ngừng truyền (Shortest-Dynamic) 57

Hình 44: Kết quả mô phỏng theo cơ chế Shortest-Dynamic 58

Hình 45: Băng thông nhận được theo mô phỏng Shortest-Dynamic 58

Hình 46: Thiết lập đường làm việc Simple-Dynamic 59

Hình 47: Đường đi lưu lượng khi luồng 1 bắt đầu truyền (Simple-Dynamic) 60

Hình 48: Đường đi lưu lượng khi xảy ra sự cố (Simple-Dynamic) 60

Hình 49: Đường đi lưu lượng sau thời điểm xảy ra dự cố (Simple-Dynamic) 61

Hình 50: Đường đi lưu lượng khi sự cố được khắc phục (Simple-Dynamic) 61

Hình 51: Kết quả mô phỏng theo cơ chế Simple-Dynamic 62

Hình 52: Băng thông thu được ở mô phỏng theo cơ chế Simple-Dynamic 63

Hình 53: Tỷ lệ mất gói của các mô hình bảo vệ, khôi phục 66

Hình 54: So sánh thời gian ngừng dịch vụ giữa các mô hình 67

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

ATM Asynchronous Transfer Mode Chuyển giao không đồng bộ

BGP Border Gateway Protocol Giao thức cổng đường biên

CR Constrained Routing Định tuyến cưỡng bức

CR-LDP Constrained Routing - LDP Định tuyến cưỡng bức - LDP

CR-LSP Constrained Routing - LSP Định tuyến cưỡng bức - LSP

CSPF Constrained Shortest Path First SPF cưỡng bức

DiffServ Differentiated Service Các dịch vụ được phân biệt

FEC Fowarding Equivalent Class Lớp chuyển tiếp tương đương

IETF Internet Engineering Task Force Nhóm tác vụ kỹ thuật Internet

IP Internet Protocol Giao thức Internet

LAN Local Area Network Mạng cục bộ

LDP Label Distribution Protocol Giao thức phân bổ nhãn

LER Label Edge Router Router biên nhãn

LIB Label Information Base Cơ sở thông tin nhãn

LSFT Label Switching Forwarding

LSP Label Switched Path Đường dẫn chuyển mạch nhãn

LSR Label Switch Router Router chuyển mạch nhãn

MPLS Multiprotocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức NHRP Next Hop Resolution Protocol Giao thức phân giải chặng kế tiếp

OSPF Open Shortest Path First Giao thức đường đi ngắn nhất đầu

RESV Resevation Bản tin dành trước

RSVP Resource Resevation Protocol Giao thức dành trước tài nguyên SPF Shortest Path First Đường đi ngắn nhất đầu tiên

TCP Transission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn

UDP User Datagram Protocol Giao thức lược đồ dữ liệu

WAN Wide Area Network Mạng diện rộng

WFQ Weighted Fair Queuing Hàng đợi công bằng tải trọng

MPLS ra đời với mục đích tăng cường sức mạnh chuyển mạch cho các router

IP, tận dụng những ưu điểm của định tuyến lớp ba và chuyển mạch lớp hai cho phép chuyển tải các gói rất nhanh trong mạng lõi và định tuyến tốt ở mạng biên (edge) bằng cách dựa vào nhãn (label) MPLS có rất nhiều ưu điểm, nó có thể tương thích được với

kĩ thuật mạng phức tạp khác như các kỹ thuật ATM, Frame Relay, Ethernet… và một

số các ưu điểm khác như tốc độ nhanh, khả năng linh hoạt, cung cấp chất lượng dịch

vụ QoS rõ ràng, hỗ trợ tốt chức năng kỹ thuật lưu lượng

Kỹ thuật lưu lượng MPLS là một trong những công nghệ chủ chốt khi triển khai một hạ tầng mạng chuyển mạch nhãn MPLS, cho phép tối ưu hóa đường truyền của lưu lượng, từ đó sử dụng hiệu quả các nguồn tài nguyên trong mạng đồng thời giảm thiểu tình trạng tắc nghẽn kéo dài hoặc sử dụng lãng phí các nguồn tài nguyên của mạng Kỹ thuật lưu lượng MPLS có kiến trúc khá phức tạp với nhiều thành phần, một trong những vấn đề quan trọng nhất khi triển khai kỹ thuật này là đảm bảo giảm thiểu ảnh hưởng của các sự cố tới việc truyền tải lưu lượng ở tốc độ cao trong miền MPLS Các phương thức bảo vệ, khôi phục trong MPLS đã được nghiên cứu và phát triển nhằm đáp ứng yêu cầu này

Luận văn tìm hiểu những kiến thức cơ bản về MPLS, kỹ thuật lưu lượng MPLS, tiếp đến tập trung nghiên cứu, mô phỏng và khảo sát hoạt động của các mô hình bảo

vệ, khôi phục đường trong MPLS theo một số tiêu chí cụ thể, nhằm đưa ra các đánh giá, nhận xét và so sánh hiệu năng hoạt động của chúng Từ đó, đưa ra một số giải pháp lựa chọn mô hình bảo vệ, khôi phục tối ưu nhất trong kỹ thuật lưu lượng MPLS

Luận văn được chia làm 3 chương:

 Chương 1: Tổng quan về công nghệ MPLS

 Chương 2: Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS và các cơ chế bảo vệ, khôi phục

 Chương 3: Mô phỏng và kết quả

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MPLS

1.1 Tổng quan về MPLS

Trong cuộc sống hiện tại, Internet đã trở thành một phương tiện không thể thiếu đối với tất cả mọi người dân Ở Việt Nam, số lượng người dùng internet đã chiếm 35% dân số (thống kê của trung tâm Internet Việt Nam – VNNIC tháng 01 năm 2012) Cùng với sự phát triển rộng về thuê bao, yêu cầu về chất lượng, bảo mật của người dùng ngày càng cao MPLS ra đời để đáp ứng những nhu cầu đó

Chuyển mạch gói IP đã thể hiện khá nhiều nhược điểm trong thời gian dài sử dụng Có thể nói đến một số điểm chính như: Tốc độ định tuyến chậm do phải xử lý định tuyến dựa trên tiêu đề gói tin và địa chỉ đích; khả năng mở rộng mạng khó khăn

do hạn chế về tài nguyên… Với khả năng chuyển tiếp linh hoạt, định tuyến nhanh và

có thể tận dụng được tài nguyên, MPLS đã bù đắp được hầu hết các nhược điểm của mạng IP

Trong mạng MPLS các gói tin IP được gãn thêm một nhãn (label) giữa tiêu đề lớp và lớp 3 Với việc tận dụng các ưu điểm của kỹ thuật chuyển mạch của lớp 2 và kỹ thuật định tuyến lớp 3, MPLS thể hiện rõ sự ưu việt hơn so với mạng IP Năng lực xử lý của các router trong mạng MPLS, tập trung nhiều vào router biên Các router trong mạng lõi MPLS hoạt động giống như các switch hoán đổi các nhãn sau khi đã thiết lập đường

đi Có thể tổng hợp các lợi ích chính của MPLS như sau:

- Giá thành vận hành thấp hơn: Do chuyển mạch MPLS dễ dàng hơn so với mạng IP, có thể nâng cấp hay tận dụng hạ tầng ATM có sẵn

- Kĩ thuật lưu lượng linh hoạt, chất lượng cao hơn do có thể phân phối lưu lượng trên nhiều LSP khác nhau Trong trường hợp có sự cố hoặc tắc nghẽn có thể tiến hành tái định tuyến theo các cơ chế bảo vệ và khôi phục để đảm bảo chất lượng mạng

- MPLS thích nghi với hầu hết các giao thức lớp 2 do đó có thể dễ dàng tạo thêm các dịch vụ mới (ví dụ: VNP-MPLS,…)

1.2 Kiến trúc mạng MPLS

MPLS là công nghệ kết hợp các ưu điểm của kỹ thuật chuyển mạch của lớp 2 và

kỹ thuật định tuyến lớp 3 Tại mỗi router biên, các gói tin được gán nhãn và sau đó được chuyển tiếp trong mạng lõi thông qua các router trong mạng Dưới đây là một mô hình mạng MPLS điển hình

 Bít S được dùng để xác định nhãn có ở vị trí cuối cùng của ngăn xếp hay không Bit này nhận giá trị 1 nếu nhãn ở vị trí cuối cùng của ngăn xếp và 0 cho tất cả các nhãn còn lại

 8 bit còn lại được sử dụng cho trường thông tin thời gian sống (TTL=Time

to live) Trường này có chức năng tương tự như trong tiêu đề IP

1.2.1.2 Ngăn xếp nhãn

Ngăn xếp nhãn là một tập hợp có thứ tự các nhãn nối vào một gói tin cho phép nó mang các thông tin tường minh về nhiều hơn một FEC mà gói tin đó có thể có hay tương đường với nhiều LSP mà gói tin có thể truyền trên đó Trường thông tin S trong mỗi nhãn được sử dụng trong trường hợp này để xác định vị trí cuối của ngăn xếp Phần đầu của ngăn xếp tiếp giáp với tiêu đề lớp mạng và phần cuối tiếp xúc với lớp liên kết dữ liệu [4]

Hình 3: Ngăn xếp nhãn [4]

1.2.1.3 Router chuyển mạch nhãn LSR(Label Switching Router) và router biên

LER (Label Edge Router)

Trong MPLS phân loại router thành 2 loại:

- Các router chuyển mạch LSR: Là các router trung gian nhận các gói tin đã gán nhãn đến, chuyển mạch gói tin và gửi gói tin trên liên kết dữ liệu chính xác Các LSR này chỉ có chức năng chuyển tiếp nhãn, thêm hoặc bỏ bớt nhãn

- Các router biên LER: Là các router nằm ở ngõ vào hoặc ngõ ra của miền MPLS Các

LER ở đầu vào sẽ nhận các gói tin IP truyền thống và gán nhãn vào các gói tin Các LER đầu ra thì làm nhiệm vụ gỡ bỏ nhãn và tiếp tục gửi nó đến đích theo mạng ngoài

1.2.1.4 Lớp chuyển tiếp tương đương FEC (Forward Equivalence Class)

Lớp chuyển tiếp tương đương (FEC) là một nhóm các gói tin được chuyển tiếp theo cùng một đường và được xử lý chuyển gói giống nhau Tất cả các gói tin thuộc về cùng một FEC có nhãn giống nhau, địa chỉ đích của các gói tin này tương ứng với tiền

tố mạng IP, hoặc các gói mà thuộc một ứng dụng riêng biệt giữa một máy tính nguồn

và một máy tính đích Tuy nhiên, không phải tất cả các gói tin có nhãn giống nhau thuộc về cùng một FEC, bởi vì giá trị EXP của chúng có thể khác nhau, xử lý chuyển gói có thể khác nhau và chúng thuộc về một FEC khác Việc quyết định các gói tin thuộc về FEC nào do các router đầu vào LER xác định điều này nhờ vào một số thông

Hình 4: Lớp chuyển tiếp FEC [4]

1.2.1.5 Đường chuyển mạch nhãn LSP (Label Swtiching Path)

Đường chuyển mạch nhãn (LSP) là một chuỗi các router chuyển mạch nhãn để chuyển mạch các gói tin đã gán nhãn qua mạng MPLS hoặc một phần của mạng MPLS Về cơ bản thì LSP là một đường dẫn qua mạng MPLS hoặc một phần của mạng

MPLS mà gói tin đi qua LSP được hình thành thông qua các giao thức phân phối nhãn như LDP, RSVP,… [4]

Hình 5: Đường chuyển mạch nhãn LSP [4]

1.2.1.6 Cơ sở thông tin nhãn LIB (Label Information Base) và bảng cơ sở thông

tin chuyển gói LFIB (Label Forwarding Information Based)

Mỗi FEC yêu cầu một nhãn riêng biệt Các router biên (LER) và router lõi (LSR) liệt kê các FEC với các nhãn tương ứng của chúng vào trong một bảng, được gọi là bảng cơ sở dữ liệu nhãn LIB LIB là bảng chuyển tiếp nhãn có chứa thông tin về nhãn đầu vào, nhãn đầu ra, giao diện đầu ra và địa chỉ bước nhảy tiếp theo Bảng này gồm những trường sau: [4]

Hình 6: Bảng thông tin nhãn LIB [4]

Bảng cơ sở thông tin chuyển gói LFIB là bảng chứa đựng thông tin các nhãn đến các mạng đích, một gói tin có nhãn khi đi vào một LSR nó sẽ sử dụng bảng tra LFIB để tìm ra hop kế tiếp, ngõ ra của gói tin này có thể là gói tin có nhãn cũng có thể là gói tin không nhãn

1.2.2 Định tuyến

Định tuyến ở đây là việc chọn đường đi được sử dụng (LSP) cho một FEC xác định Kiến trúc giao thức MPLS hiện tại cho phép hỗ trợ hai khả năng của việc chọn

đường đi: định tuyến hop-by-hop (từng chặng) và định tuyến explicit (tường minh) Định tuyến hop-by-hop là kĩ thuật thông dụng trong mạng IP Kĩ thuật này sau một thời gian sử dụng đã cho thấy sự yếu kém về tốc độ xử lý và hiệu năng thực thi ở mỗi nút mạng Với kĩ thuật định tuyến này mỗi nút độc lập được phép chọn hop kế tiếp cho mỗi FEC

Với cách thức định tuyến tường minh, trong một LSP mỗi LSR không lựa chọn hop kế tiếp, thay vào đó LER ngõ vào hay LER ngõ ra sẽ xác định các LSR trong LSP Nếu một LSR chọn tất cả LSR khác trong LSP, LSP đó được gọi là định tuyến tường minh chặt (strictly explicit routed) Ngược lại, nếu một LSR chỉ xác định một số LSR khác trong LSP, LSP đó được gọi là định tuyến tường minh lỏng (loosely explicit routed)

Thứ tự các LSR trong một LSP định tuyến tường minh có thể được chọn bằng cấu hình hay được chọn tự động bởi một nút riêng lẻ

Định tuyến tường minh được sử dụng rất hữu ích trong chính sách định tuyến cho

kỹ thuật lưu lượng Trong MPLS, một đường đi tường minh cần phải được xác định tại thời điểm các nhãn được gán, nhưng đường đi tường minh lại không được xác định cho mỗi packet IP riêng lẻ Điều này làm cho định tuyến tường minh MPLS có hiệu quả hơn so với việc sử dụng sự thay thế định tuyến nguồn IP

1.3 Các giao thức cơ bản của MPLS

Tham gia vào quá trình truyền thông tin trong mạng MPLS có một số giao thức như LDP, RSVP, CR-LDP

1.3.1 Giao thức phân phối nhãn LDP

MPLS không quyết định chuyển tiếp dữ liệu dựa vào lớp 3 Vì vậy, một lớp chuyển tiếp tương đương FEC được xác định cho một tập các gói và được mã hóa bằng một giá trị nhất định Để có thể chuyển được các gói tin đến đích, tất cả các LSR phải xác định được cách đối xử đối với gói tin đó LDP được sử dụng để hỗ trợ mục đich này [4,10]

LDP là một giao thức báo hiệu cho phép các LSR có thể trao đổi thông tin với nhau cũng như phát hiện sự có mặt của các LSR lân cận, đồng thời cũng là một giao

thức chiếm giữ tài nguyên dành cho các luồng lưu lượng Cơ chế cơ bản thiết lập LSP bằng cách sử dụng LDP như hình sau: [4,10]

Hình 7: Quá trình thiết lập LSP sử dụng giao thức LDP [10]

LDP định nghĩa 4 loại thông điệp cơ sở dùng để thiếp lập và duy trì các LSP:

 Thông điệp khám phá (Discovery messages): được dùng để thông báo và duy trì sự có mặt của LSR trong mạng LSR sẽ gửi thông điệp “Hello” qua các UDP port cho tất cả các LSR kết nối trực tiếp (với địa chỉ multicast)

 Thông điệp phiên (Session messages): được sử dụng để thiết lập, duy trì

và xóa các phiên giữa các cặp LSR

 Thông điệp quảng bá (Advertisement message): được sử dụng để tạo, thay đổi, hoặc xóa nhãn được gán vào FEC Thông điệp này cũng có thể được chuyển qua kết nối TCP LSR có thể yêu cầu nhãn từ LSR kế cận

 Thông điệp cảnh báo (Notification Messages): được gửi qua kết nối TCP

để cung cấp thông tin trạng thái dự đoán hoặc các thông tin lỗi

Hình 8: Các loại thông điệp LDP [10]

Các thông điệp LDP đều có khuôn dạng như sau:

Hình 9: Định dạng các thông điệp LDP [4]

Nếu một LSR không nhận biết được thông điệp gửi đến, bit U sẽ cho LSR biết có cảnh báo cho LSR gửi hay không Trường Message Type (15 bit) cho LSR biết 1 trong

10 loại thông điệp sau: [4,10]

 Hello: sử dụng trong quá trình phát hiện LSR lân cận

 Initialisation: sử dụng trong việc thiết lập session LDP

 KeepAlive: sử dụng để duy trì tính liên tục của session LDP khi không trao đổi các thông điệp khác

 Address: dùng để quảng bá các địa chỉ giao diện

 Address Withdraw: dùng để thu hồi các địa chỉ giao tiếp đã quảng bá trước

đó

 Label Mapping: dùng để quảng bá các nhãn ràng buộc

 Label Request: để yêu cầu một sựràng buộc nhãn cho một FEC

 Label Withdraw: dùng để hủy bỏ một ánh xạ nhãn FEC đã thiết lập trước

đó

 Label Release: sử dụng để giải phóng một ánh xạ nhãn cho FEC

 Notification: cung cấp các thông tin về thông tin lỗi hay các sự kiện khác Trường Message Length có độ dài 16 bit cho chúng ta biết tổng chiều dài thông điệp tính bằng byte 32 bit Message ID là một chỉ số duy nhất để xác định một thông điệp Các trường Mandatory Parameters và Optional Parameters sử dụng loại mã hóa TLV với định dạng như hình dưới Nếu LSR không nhận ra được TLV, bit U sẽ cho biết có cảnh báo cho LSR gửi hay không và bỏ qua toàn bộ thông điệp hay chỉ bỏ qua TLV và xử lý phần còn lại của thông điệp Nếu LSR không nhận ra được thông điệp và thông điệp phải được chuyển tiếp, bit F sẽ cho LSR biết có phải chuyển tiếp TLV hay không Trường Type có độ dài 14 bit xác định loại thông điệp và trường Length xác định chiều dài của trường Value tính theo byte.[4,10]

Hình 10: Mã hóa TLV [4]

1.3.2 Giao thức CR-LDP

Với giao thức LDP đã tìm hiểu ở trên chúng ta đã biết vai trò của LDP là xây dựng các LSP trên tuyến định tuyến xác định và dành sẵn tài nguyên trên toàn mạng CR-LDP là giao thức mở rộng từ LDP với mục đích hỗ trợ đặc biệt cho định tuyến cưỡng bức Để xây dựng LSP trên tuyến định tuyến xác đinh, CR-LDP đưa vào thêm

một thành phần gọi là ER (Explicit Route) Quá trình xây dựng LSP, được gọi là quá trình ấn định nhãn được thực hiện dưới hình thức xuôi dòng theo yêu cầu và sử dụng các bản tin LDP lable request Và trong CR-LDP các bản tin này được thêm vào thành phần ER để hỗ trợ định tuyến xác định [5]

Xét ví dụ sau để hiểu rõ hơn về cách xác định các LSP trong giao thức CR-LDP Mạng như sau:

LSR3

LSR2 LSR8

Thông điệp label mapping Thông điệp label request

Hình 11: Ví dụ thiết lập đường LSP với giao thức CR-LDP[10]

Giả sử LSR1 muốn hình thành LSP từ LSR1 đến LSR4 theo đường đi qua LSR2

và LSR3 Để thực hiện điều này LSR1 tạo ra thành phần ER với 3 nút mạng: LSR2, LSR3, LSR4 Các nút này được gọi là nút abstract Đầu tiên, LSR1 xây dựng thông điệp label request và gắn thêm thành phần ER vào Sau khi hoàn thành thông điệp này, LSR1 nhận thấy LSR2 là nút mạng đầu tiên trong thành phần ER thêm vào nên sẽ gửi thông điệp request đến LSR2 Nhận được thông điệp này LSR2 tiếp tục xác định nút tiếp theo thông qua thành phần ER LSR2 tiến hành hiệu chỉnh thông tin ER bằng cách xóa hẳn các thông tin liên quan đến nó và gửi thông điệp request đến LSR3 Lúc này

ER chỉ còn hai nút LSR3 và LSR4 Tại LSR3 tiếp tục xử lý thông điệp request tương tự như ở LSR2 Thông điệp request được gửi đến LSR4 và nó nhận ra nó là nút mạng cuối cùng trong thành phần ER Lúc này LSR sẽ tạo ra thông điệp mapping và gửi lại LSR3 Bản tin này chứa thành phần nhãn và các thành phần khác Sau khi nhận LSR3

sử dụng giá trị nhãn trong bản tin ấn định cho đường liên kết giữa nó và LSR4 dành cho lưu lượng Tiếp theo LSR3 gửi thông điệp mapping đến LSR2 và hoàn toàn tương

tự thông điệp này được gửi đến LSR1 Khi LSR1 nhận được thông điệp này thì quá trình xây dựng kết thúc Đi kèm với thông tin nhãn, giao thức CR-LDP cũng thông báo cho các LSR biết được yêu cầu tài nguyên mạng mà luồng lưu lượng cần đáp ứng Như vậy ta thấy, với LDP đường chuyển mạch nhãn được thiếp lập giống như đường chuyển tiếp IP bình thường, giao thức LDP chỉ thực hiện phân phối nhãn mà thôi Với CR-LDP, router ngõ vào được phép lựa chọn một đường đi hoàn chỉnh thay

vì chọn chặng kế tiếp Việc lựa chọn đường đi tốt nhất sẽ dựa vào vác giao thức định tuyến như OSPF hay IS-IS để chúng mang thêm các thông tin về trạng thái mạng (mức

độ sử dụng băng thông hiện tại, mức ưu tiên….) Các bước thực hiện như sau:

1 Router ngõ vào tập hợp thông tin trạng thái

2 Một luồng yêu cầu tài nguyên đặt trước

3 Router ngõ vào tính toán con đường cho luồng này

4 Router ngõ vào yêu cầu một LSP rõ ràng cho luồng và ánh xạ nhãn cho đường

đó Đây chính là chức năng của CR-LDP

5 Việc này thành công, luồng lưu lượng sẽ sử dụng con đường chuyển mạch này

1.3.3 Giao thức RSVP

Giao thức RSVP được gọi là giao thức dành trước tài nguyên Nó là giao thức báo hiệu dùng để thiết lập sự dự phòng về chất lượng dịch vụ trong mạng internet Trong RSVP các router được yêu cầu thống nhất dành riêng tài nguyên (băng thông) cho mỗi liên kết giữa một cặp điểm đầu cuối Hay nói cách khác trước khi dữ liệu được gửi đi, các router đầu vào và đầu ra phải gửi yêu cầu xác định lượng tài nguyên cần thiết và tất

cả các router nội miền dọc theo đường LSP phải thống nhất cung cấp tài nguyên cho đường truyền đó Khi lưu lượng được truyền đi trên đường truyền, các router phải đảm bảo theo dõi/kiểm tra để chắc chắn rằng lưu lượng gửi đi không vượt quá khối lượng

đã xác định và thiết lập chính sách hàng đợi để đảm bảo cho việc gửi gói tin một cách

có tuần tự, đều đặn [4]

Đối với RSVP, việc đảm bảo hoạt động hiệu quả được thực hiện bằng cách dự

phòng tài nguyên cần thiết tại mỗi nút mạng tham gia RSVP sử dụng Ipv4 hay Ipv6 làm cơ chế vận chuyển (như ICMP, IGMP) với các thủ tục unicast hay multicast Và các thủ tục này cũng yêu cầu người nhận phải xác định thông số QoS và chuyển cho RSVP Khi hoàn thành phân tích yêu cầu, RSVP sẽ gửi thông điệp đến nút tham gia trong luồng dữ liệu [4]

Như vậy có thể nói rằng, RSVP là giao thực cho phép các ứng dụng cho mạng biết yêu cầu về mức chất lượngdiịch vụ và mạng sẽ trả lời lại chấp nhận hay không chấp nhận yêu cầu đó Một tên gọi đầy đủ khác của nó là giao thức báo hiệu cung cấp thủ tục để thiết lập và điều khiển quá trình chiếm giữ tài nguyên

Có 2 thông điệp cơ bản được sử dụng trong RSVP:

- Thông điệp Path: Thông điệp này mang thông tin về đặc tả luồng lưu lượng Tspec và các thông tin như địa chỉ IP của nút gửi, nút nhận, port UDP

- Thông điệp RESV: Thông điệp này được sử dụng khi các nút mạng nhận được thông điệp Path Các nút mạng sau khi nhận được thông điệp path sẽ gửi lại thông điệp RESV Thông điệp RESV sẽ đính kèm thêm phần mô tả yêu cầu RSPEC chỉ định kiểu dịch vụ tích hợp là kiểm soát tải hay đảm bảo dịch vụ Khi nhận được thông điệp RESV, mỗi router trong mạng lõi sẽ tiến hành quá trình điều khiển chấp nhận Nếu yêu cầu không được chấp nhận do tài nguyên mạng không đủ với yêu cầu đưa ra thì router đó sẽ báo lỗi về phía đầu thu Nếu tài nguyên đủ để đáp ứng, bộ định tuyến sẽ gửi thông điệp RESV cho router đã gửi thông điệp path cho nó Quá trình này được thực hiện liên tục trong toàn bộ các router trên đường đi

Một cách tổng thể ta thấy, RSVP có thể áp dụng triển khai trong các ứng dụng cần thời giang thực như audio, video, streaming… Nó đóng vai trò rất quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng dịch vụ của mạng

1.4 Hoạt động của mạng MPLS

Mạng MPLS bao gồm một tập hợp các LSR có khả năng chuyển mạch và định tuyến các gói dựa trên một nhãn được gán vào mỗi gói Các nhãn xác định một luồng các gói giữa 2 điểm đầu cuối hoặc giữa một điểm nguồn với một nhóm các điểm đích

trong trường hợp đa hướng Đối với mỗi luồng cụ thể, một đường xác định đi qua mạng với các LSR đã được xác định Vì vậy, MPLS là công nghệ định hướng kết nối Liên quan với mỗi lớp chuyển tiếp tương đương là các đặc tính lưu lượng mà xác định các yêu cầu chất lượng dịch vụ cho luồng đó LSR không cần kiểm tra hoặc xử lý tiêu

đề IP, mà chỉ đơn giản chuyển tiếp mỗi gói dựa trên các giá trị nhãn của nó Do vậy, quá trình chuyển tiếp đơn giản và nhanh hơn so với bộ định tuyến IP

Trước khi định tuyến và phân bổ gói trong một FEC nhất định, đường chuyển mạch nhãn LSP phải được xác định các tham số chất lượng dịch vụ QoS dọc theo đường truyền phải được thiết lập Các tham số QoS xác định:

- Có bao nhiêu tài nguyên đi qua đường truyền

- Chính sách loại bỏ và chính sách hàng đợi nào thiết lập tại mỗi LSR cho các gói trong FEC này

Để thực hiện các nhiệm vụ này, hai giao thức được sử dụng để trao đổi thông tin cần thiết giữa các bộ định tuyến Một giao thức định tuyến trong phạm vi miền, như OSPF, được sử dụng để trao đổi thông tin định tuyến

Các nhãn phải được gán tới các gói cho một FEC cụ thể Vì việc sử dụng các nhãn duy nhất sẽ ảnh hưởng tới việc quản lý và hạn chế số lượng các nhãn thích hợp, các nhãn chỉ có ý nghĩa cục bộ Người điều hành mạng có thể chỉ rõ các tuyến hiện bằng phương pháp thủ công và gán các giá trị nhãn tương ứng

Một giao thức được sử dụng để xác định tuyến và thiết lập các giá trị giữa LSR lân cận Một trong hai giao thức có thể sử dụng cho mục đích này là: giao thức phân bổ nhãn (LDP) hoặc phiên bản mới của giao thức RSVP

Hình 12: Hoạt động của MPLS

Một gói đi vào miền MPLS qua bộ định tuyến biên chuyển mạch nhãn LER lối vào (Hình trên), ở đó nó được xử lý để xác định dịch vụ lớp mạng nào yêu cầu và xác định đặc điểm QoS của nó LER lối vào gán gói này tới một FEC cụ thể và vì vậy nó đi qua một LSP cụ thể, LER lối vào gán một nhãn tương ứng cho gói và chuyển tiếp gói Nếu không có LSP được thiết lập cho FEC này, LER lối vào phải kết hợp với LSR khác trong việc xác định một LSP mới

Trong miền MPLS, khi mỗi LSR nhận một gói được gán nhãn, nó:

- Xoá nhãn lối vào và gắn một nhãn lối ra tương ứng cho gói

- Chuyển tiếp gói tới LSR tiếp theo dọc theo LSP

Bộ định tuyến biên chuyển mạch nhãn lối ra (LER) tách nhãn, đọc tiêu đề gói IP

và chuyển tiếp gói tới đích cuối cùng của nó MPLS có hai chế độ hoạt động: chế độ khung và chế độ hỗ trợ hoạt động trên công nghệ mạng lõi FR và ATM

1.5 Tổng kết chương 1

Trong chương 1 đã thực hiện tìm hiểu một số nội dung tổng quan về công nghệ

chuyển mạch nhãn MPLS, bao gồm:

 Kiến trúc mạng MPLS và các thành phần trong mạng

 Các vấn đề trọng tâm trong nguyên lý hoạt động của mạng MPLS:

o Các giao thức cơ bản trong MPLS

o Các giao thức định tuyến và vai trò của chúng

Chương 1 của luận văn đã tập trung nghiên cứu lý thuyết về các khái niệm và các thành phần cơ bản cũng như kiến trúc và nguyên lý hoạt động của kỹ thuật chuyển mạch nhãn MPLS, tạo cơ sở và kiến thức nền tảng cho việc đi sâu nghiên cứu về nguyên lý hoạt động của kỹ thuật lưu lượng trong MPLS và các cơ chế bảo vệ, khôi phục đường trong ở chương sau

Chương 2: KỸ THUẬT LƯU LƯỢNG TRONG MPLS VÀ

CÁC CƠ CHẾ BẢO VỆ, KHÔI PHỤC

2.1 Tổng quan về kỹ thuật lưu lượng

2.1.1 Khái niệm kỹ thuật lưu lượng

Với chất lượng dịch vụ ngày càng tốt lên, lưu lượng để đáp ứng trong mạng cũng

tỷ lệ thuận theo đó và chúng được chuyển đi qua mạng IP Mạng IP vẫn phần nào có thể đáp ứng được khả năng co giãn và linh hoạt, nhưng nó cũng đang tồn tại một số hạn chế cần phải được cải thiện hơn nữa trong các phạm vi về khả năng sử dụng, độ tin cậy và chất lượng dịch vụ để cung cấp một dịch vụ tốt hơn Một trong các cách để thực hiện được các vấn đề tối ưu trong mạng là sử dụng kỹ thuật lưu lượng

Kỹ thuật lưu lượng được sử dụng bởi các nhà điều hành mạng để cân bằng tải lưu lượng trên các tuyến, các router và switch khác nhau trong mạng để không quá mức sử dụng hay dưới mức sử dụng Kỹ thuật lưu lượng ngắm đến việc khai thác các nguồn tài nguyên mạng một cách hiệu quả Kỹ thuật lưu lượng nên được xem xét như sự gia tăng của định tuyến cơ sở hạ tầng bằng việc cung cấp thêm thông tin để cho phép lưu lượng

có thể được chuyển theo một đường dẫn khác khi đường dẫn này đang có sự cố

Để đạt được điều này, trước hết cần phải xem xét tính tương hợp trong việc thay đổi các thông số trong mạng, như topo mạng, các lưu lượng tải, sự cố Như vậy, chức năng của kỹ thuật lưu lượng là tối ưu hóa việc điều hành mạng, làm cho các hoạt động mạng trở nên hiệu quả và chính xác Trong khi đó, cũng có một vài xu hướng khác hướng đến dịch vụ cung cấp QoS theo yêu cầu mà khách hàng đã thỏa thuận

Có thể cụ thể rằng, kỹ thuật lưu lượng đó là một quá trình nâng cao hiệu quả toàn

bộ mạng bằng cách phân bố lưu lượng đi qua mạng Kỹ thuật lưu lượng có thể cho phép mạng nhanh chóng và tự động định tuyến lại lưu lượng khi có lỗi hoặc phân bố lưu lượng không hợp lý bằng cách đo đạc ước lượng tất cả tài nguyên mạng có sẵn Kỹ thuật lưu lượng không cần chọn lựa đường dẫn ngắn nhất giữa hai thiết bị, các gói dữ liệu có thể đi qua nhiều đường dẫn khác nhau từ cùng node nguồn và node đích

2.1.2 Tại sao cần điều khiển lưu lượng trong MPLS

Trong Internet hiện nay, định tuyến giữa bên nhận và bên gửi được thực hiện bằng các giao thức IGP (Interior Gateway Protocols) phổ biến nhất trong mạng IP hiện

tại như OSPF và BGP Tuy nhiên các giao thức này không được thiết kế cho mục đích tối ưu hóa tài nguyên và yêu cầu chất lượng của lưu thông, mà chúng hoạt động dựa trên nguyên tắc tìm đường ngắn nhất (số hop trung gian ít nhất), chúng được xây dựng trên cấu hình của mạng mà không dựa trên băng thông của mạng Thêm vào đó, lớp lưu thông không được xét đến trong quá trình định tuyến Vì thế, việc định tuyến dựa trên việc tính toán đường dẫn ngắn nhất cũng không tránh được tắc nghẽn, nhiều mạng phải chỉnh lại sơ đồ để thực hiện cân bằng tải trên đường truyền và các nút mạng

B

F C

Tất nhiên chúng ta cũng có thể đo lường để ép lưu lượng vào những đường truyền dưới mức sử dụng Nhưng hầu hết đường truyền thông tin có lưu lượng khác nhau, và tải cũng luôn thay đổi theo thời gian Vì thế ta phải sử dụng kỹ thuật lưu lượng vào để giải quyết hiện tượng dưới mức hay vượt mức sử dụng tài nguyên mạng Giao thức IP không cung cấp cơ chế để giải quyết được vấn đề này

ECMP (Equal Cost Multipath) mô tả một cơ chế ở đó lưu lượng được phân chia bằng nhau đến các đường dẫn song song ngắn nhất từ một router đến 1 đích được cho trước Mục đích của ECMP là để cải tiến việc thi hành của mạng trong trường hợp luồng lưu

lượng định tuyến bị quá tải hoặc không có đủ băng thông

Tuy nhiên, giải thuật cân bằng chi phí trên các đường dẫn trong trường hợp này

sẽ không có hiệu quả khi hai luồng lưu lượng khác nhau được định tuyến dọc theo cùng một liên kết bị tắc nghẽn Hơn nữa, giải thuật cân bằng chi phí trong trường hợp này cũng không được đáp ứng tốt trong những mạng rộng

Những điểm yếu của IGP có thể được khắc phục bằng mô hình bao phủ (overlay) giống như IP over ATM và IP over Frame Relay Những mô hình này xây dựng những topo ảo từ những mạch ảo VC (Virtual Circuits) và cung cấp những dịch vụ như định tuyến dựa trên sự ép buộc tại các VC… Tuy nhiên những kỹ thuật này cũng có những vấn đề nảy sinh, kỹ thuật chuyển mạch ATM được thiết kế dựa vào yêu cầu trước mắt của khách hàng mà không xem xét đến yêu cầu trong tương lai Bên cạnh đó, cấu trúc khung của cell ATM với 5 bytes header đầu và 48 bytes payload dẫn đến hiệu quả sử dụng tài nguyên là không hiệu quả

Trong khi đó, MPLS có những ưu điểm của ATM, nhưng không bị khuyết điểm của ATM, cũng như những khuyết điểm của kỹ thuật IP MPLS là một cấu trúc định tuyến mới cung cấp những công cụ để thực hiện kỹ thuật lưu lượng trong mạng IP một cách linh hoạt hơn

Hình 14 bên dưới sẽ mô tả một mô hình framework cho kỹ thuật lưu lượng Trong mô hình này, topo và các nhu cầu lưu lượng được xuất phát từ hoạt động mạng như là các thông số đầu vào Dựa trên những thông số này ta có thể xác định được làm sao để lưu lượng lưu chuyển trong mạng được tối ưu Định tuyến tốt nhất được sử dụng như là một mục đích trong việc tối ưu những thông số định tuyến của các giao thức định tuyến hiện tại Trong việc xử lý vấn đề tối ưu, điều cần thiết là làm sao để lưu lượng được phân bố trong mạng theo những thông số đã cho

Trong framework trên hình 14 traffic-aware routing chỉ có cơ chế kỹ thuật lưu lượng được sử dụng Một cơ chế khác trong kỹ thuật lưu lượng là cho phép điều khiển tuy nhiên cơ chế cho phép điều khiển không được quan tâm trong đề tài này

Những chức năng khác của kỹ thuật lưu lượng có thể được phân loại dựa trên các mức thời gian hoạt động Những mức thời gian này phản ánh việc quản lý lưu lượng, quản

lý dung lượng (capacity) và network planning Thời gian đáp ứng của việc quản lý lưu lượng có thể tính từ vài giây đến vài phút Mục đích của việc quản lý lưu lượng là để tái hoạt động lại các liên kết bị hỏng, hay là thay đổi nhu cầu lưu lượng Quản lý dung lượng bao gồm lập kế hoạch capacity và thiết kế việc định tuyến vài ngày hay một tuần một lần Và trong khoảng vài tháng hay một năm một lần, network planning sẽ được tiến hành đảm trách việc thay thế các node trong mạng để đảm bảo mạng hoạt động tốt

Optimal Routing

Operational Networks Topology Traffic demands

Routing Model

MPLS

Traffic-aware Routing

Hình 14: Mô hình kỹ thuật lưu lượng[10]

2.1.3 Cơ chế điều khiển lưu lượng trong MPLS

Ý tưởng chính của MPLS là sử dụng một mô hình chuyển tiếp cơ bản dựa trên việc trao đổi nhãn mà có thể kết hợp với một chuỗi của các module kiểm soát khác nhau Mỗi một module kiểm soát phải chịu trách nhiệm trong việc gán và phân phối một bộ nhãn, cũng như là việc duy trì thông tin điều khiển khác có liên quan Ví dụ, bộ định tuyến MPLS có thể bao gồm:[8]

 Kiểu Unicast Routing (chọn đường truyền cho một địa chỉ duy nhất), xây dựng bảng định tuyến sử dụng quy ước của giao thức định tuyến IP, việc gán các nhãn tới các bộ định tuyến, phân phối các nhãn sử dụng giao thức phân phối nhãn (LDP),…vv

 Kiểu traffic engineering (kĩ thuật lưu lượng), cho phép các đường dẫn tường minh đặc trưng chuyển mạch nhãn được thiết lập qua một mạng cho các giả thiết điều khiển lưu lượng

 Kiểu virtual private network (mạng riêng ảo) viết tắt là VPN, xây dựng các bảng

định tuyến đặc trưng VPN sử dụng Border Gateway Protocol (BGP: giao thức cổng mạng vùng giáp ranh) và phân phối các nhãn cho đúng với các giao thức

Vì MPLS cho phép các kiểu khác nhau gán các nhãn cho các gói sử dụng các tiêu chuẩn đa dạng, nó tách các gói kế tiếp từ các chỉ số của mào đầu các gói IP

Kĩ thuật điều khiển lưu lượng đề cập đến khả năng điều khiển những luồng lưu lượng trong mạng, với mục đích giảm thiểu tắc nghẽn và tạo ra mức sử dụng hiệu quả nhất cho các phương tiện sẵn có Lưu lượng IP truyền thống định tuyến theo HOP by HOP cơ bản và theo Interior Gateway Protocol (IGP: giao thức cổng mạng nội bộ) luôn

sử dụng kỹ thuật đường dẫn ngắn nhất để truyền lưu lượng Lưu lượng đường dẫn IP

có thể không đạt tối ưu vì nó phụ thuộc vào thông tin kết nối Metric tĩnh không cùng với bất kỳ một hiểu biết nào của tài nguyên mạng sẵn có hoặc các yêu cầu của lưu lượng cần thiết để mang trên đường dẫn đó Sử dụng kỹ thuật đường dẫn ngắn nhất có thể gây ra các vấn đề sau:[8]

 Đường dẫn ngắn nhất từ các điểm nguồn khác nhau chồng lẫn lên một số kết nối, gây ra tắc nghẽn trên các kết nối đó

 Lưu lượng từ một nguồn đi tới một đích có thể vượt quá dung lượng của đường dẫn ngắn nhất, trong khi một đường dẫn dài hơn giữa hai bộ định tuyến đó chưa được tận dụng hết

Kỹ thuật điều khiển lưu lượng trong phạm vi MPLS phát sinh từ nhu cầu khai thác mạng để cung cấp một cơ sở hạ tầng mạng đáng tin cậy và đưa ra sự thực hiện nhất quán cho mạng Kỹ thuật điều khiển lưu lượng cho phép người khai thác mạng khả năng định tuyến lại luồng lưu lượng từ đường dẫn chi phí thấp nhất “least cost” được tính toán bởi các giao thức định tuyến và những đường dẫn vật lý ít bị tắc nghẽn trong mạng đó Và kết quả là có sự gia tăng rất mạnh mẽ trong nhu cầu về tài nguyên mạng và sự cạnh tranh giữa các nhà cung cấp Kỹ thuật điều khiển lưu lượng đã trở thành ứng dụng hàng đầu cho MPLS Mục đích của kỹ thuật điều lưu lượng là phải sử dụng hiệu quả tài nguyên mạng hữu hạn

2 Router A

Router H Router G

Router F

Router E Router D

Hình 15: Tắc nghẽn gây ra bởi kĩ thuật chọn đường ngắn nhất [8]

Trong hình trên có hai đường dẫn từ bộ định tuyến C tới Bộ định tuyến E được biểu thị bởi các đường dẫn 1 và 2 nếu một Bộ định tuyến chọn một trong các đường dẫn theo kỹ thuật đường dẫn ngắn nhất từ C tới E (C-D-E), thì sau đó nó sẽ mang tất cả lưu lượng của đích cho E thông qua đường dẫn Dung lượng lưu lượng cuối cùng trên đường dẫn đó có thể gây ra tắc nghẽn, trong khi một đường dẫn khác (C-F-G-H-E) không được sử dụng Để toàn mạng hoạt động hiệu quả nhất nó có thể thiết kế nhằm thay đổi một vài phần của lưu lượng từ kết nối này tới kết nối khác Trong khi ta có chi phí đường dẫn C-D-E ngang bằng với chí phí đường dẫn C-F-G-H-E như là việc tiến lại gần hơn với sự cân bằng tải trở nên khó khăn, nếu không thể có được một Topo mạng chặt chẽ Các đường dẫn của định tuyến tường minh, được thực hiện sử dụng MPLS, có thể được sử dụng dễ hiểu hơn và mềm dẻo hơn của việc đánh địa chỉ vấn đề này

Để giải quyết vấn đề điều khiển lưu lượng dựa vào một thực tế là các nhãn và các đường dẫn Label switched có thể dược thiết lập một cách đa dạng của các kiểu điều khiển khác nhau Ví dụ, kiểu điều khiển lưu lượng có thể thiết lập một đường dẫn chuyển mạch nhãn từ B tới C tới F tới G tới H tới E (đường dẫn 1) và một đường dẫn khác từ A tới C tới D tới E (đường dẫn 2) như được chỉ ra ở hình dưới

2 Router A

Router H Router G

Router F

Router E Router D

Hình 16: Giải pháp cho vấn đề sử dụng kĩ thuật lưu lượng

Nhờ việc thiết lập chính sách chọn lựa chắc chắn những gói theo những đường dẫn đó, luồng lưu lượng qua mạng mới có thể được quản lý Theo yêu cầu để làm cho

kĩ thuật lưu lượng đạt hiệu quả, IETF (Internet Engineering Task Force) đã đưa ra kỹ thuật ràng buộc chọn đường cơ sở (Constraint-based routing) và tăng kết nối trạng thái IGP Theo yêu cầu để điều khiển đường dẫn LSP đạt hiệu quả, mỗi LSP có thể được gán một hoặc nhiều hơn các thuộc tính Những thuộc tính này sẽ được xem xét trong việc tính toán đường dẫn cho LSP Các thuộc tính này và ý nghĩa của chúng được tổng kết như sau:

 Bandwidth (độ rộng băng thông): Độ rộng băng thông dự trữ tối thiểu của một đường dẫn cho LSP được thiết lập dọc theo đường dẫn đó

 Thuộc tính đường dẫn: Một thuộc tính mà quyết định là đường dẫn của LSP có thể là được chỉ định cụ thể bằng tay hoặc tính toán linh hoạt bởi định tuyến dựa trên sự ràng buộc

 Quyền ưu tiên cài đặt: Thuộc tính này sẽ quyết định là LSP nào sẽ tạo ra tài nguyên khi nhiều LSP cùng tranh giành tài nguyên đó

 Giữ quyền ưu tiên: Thuộc tính này sẽ quyết định là một tài nguyên được giữ bởi một LSP đã thiết lập thì sẽ được ưu tiên trước bởi một LSP mới hay không

 Affinity (màu): Một đặc điểm chỉ rõ về mặt hành chính của một LSP

 Khả năng thích ứng: Có hay không chuyển mạch LSP tới một đường dẫn tối ưu hơn khi đường dẫn đó là có sẵn

 Tính đàn hồi (Resilience): Thuộc tính mà quyết định việc định tuyến lại LSP có thể được thực hiện hay không khi đường dẫn hiện tại bị ảnh hưởng do lỗi

Khả năng của MPLS là cung cấp việc định tuyến rõ ràng, hoạt động qua bất kỳ một phương tiện nào và có thể tập hợp số liệu thống kê những LSP, để đề nghị nó là thích hợp cho cung cấp khả năng kỹ thuật điều khiển lưu lượng

MPLS cũng cung cấp các hoạt động rất mềm dẻo nhằm điều khiển lưu lượng của chúng với cả định tuyến rõ ràng chặt chẽ và định tuyến rõ ràng không chặt chẽ Trong trường hợp là định tuyến ER-LSP chặt chẽ, một người khai thác mạng chỉ rõ việc định tuyến chính xác đầy đủ (về các node và các giao diện) để ER-LSP sẽ đi qua Định tuyến ER-LSP không chặt chẽ cho phép một số tính năng mềm dẻo cho chọn lựa định tuyến, định tuyến lại và cho tối thiểu tiêu đề cấu hình

2.2 Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS

Giảm thiểu tối đa tắc nghẽn là vấn đề/công việc của nhà cung cấp dịch vụ mạng Trong các mạng chuyển mạch gói MPLS, tắc nghẽn sẽ dẫn đến trễ và do vậy giảm tắc nghẽn chính là đảm bảo chất lượng của các dịch vụ tốt hơn

IETF RFC 3272 phân loại các phương pháp điều khiển tắc nghẽn theo các tiêu chuẩn sau đây:

 Tỷ lệ thời gian đáp ứng: Nó có thể được đặc tính là dài khi xét các nâng cấp dung lượng của mạng được thực hiện trong tỷ lệ thời gian nhiều tuần tới nhiều tháng, trung bình (nhiều ngày, nhiều phút) khi xem xét các phương pháp đáp ứng dựa vào hệ thống đo lường giám sát phân phối lưu lượng và sử dụng các tài nguyên mạng rồi sau đó cung cấp phản hồi tới các kỹ thuật thiết kế lưu lượng ngoại tuyến hoặc trực tuyến (ví dụ thiết lập hoặc điều chỉnh một số LSPs trong các mạng MPLS để định tuyến các đường trung kế lưu lượng khỏi các tài nguyên bị tắc nghẽn), ngắn (nhiều ps, s) khi xét hàm xử lý mức gói như các hệ thống quản

lý hàng chủ động hoặc bị động (ví dụ phát hiện sớm ngẫu nhiên-RED)

 Biện pháp phòng ngừa so với phản hồi: Các chính sách quản lý tắc nghẽn phản

hồi đáp ứng lại các vấn đề tắc nghẽn bằng cách khởi đầu các hoạt động có liên quan để giảm chúng, khi mà các chính sách phòng ngừa ngăn chặn tắc nghẽn dựa trên ước tính các vấn đề tiềm năng trong tương lai (ví dụ sự phân bố lưu lượng trong mạng)

 Khía cạnh cung cấp so với khía cạnh yêu cầu: Các chính sách quản lý tắc nghẽn

về phía cung cấp làm tăng dung lượng có thể sử dụng cho yêu cầu lưu lượng để giảm tắc nghẽn (ví dụ cân bằng lưu lượng khắp toàn bộ mạng), trong khi đó các chính sách quản lý tắc nghẽn về phía yêu cầu điều khiển lưu lượng để làm giảm

bớt các vấn đề tắc nghẽn

Trong luận văn này, trên cơ sở các tiêu chuẩn này tác giả cũng xin giới thiệu mức tổng quan một số kỹ thuật điều khiển lưu lượng trong MPLS như sau:

2.2.1 Kỹ thuật điều khiển tắc nghẽn FATE

Kỹ thuật thiết kế lưu lượng nhanh (FATE) được đề xuất để điều khiển tắc nghẽn trong một mạng MLPS LER (bộ định tuyến cạnh nhãn) vào và LSR lõi phản hồi thông tin thu được từ mạng về các luồng bị mất gói đáng kể, bằng cách thực hiện gần đúng hoạt động sửa lỗi, nghĩa là, định tuyến lưu lượng khỏi LSR bị tắc nghẽn tới luồng xuống hoặc luồng lên sử dụng các LSR [6]

FATE cung cấp một cơ cấu hoạt động nhanh quan trọng Nó cho phép những LSP riêng biệt được xắp xếp lại một cách linh hoạt tới những bộ đệm QoS cung cấp một lớp dịch vụ cao hơn dọc theo một đường dẫn đã được chỉ định trong việc đối phó với tình huống tăc nghẽn trong thời gian ngắn

Theo đó cơ cấu lập lịch đang tồn tại WFQ (Weighted fair queuing-hàng đợi công bằng có gia trọng) cung cấp một số lượng bộ đệm cho những luồng lưu lượng với sự ràng buộc QoS khác nhau Lượng thời gian mà người lập lịch dành cho mỗi bộ đệm là phụ thuộc vào giới hạn xác xuất tổn thất đã được định trước cho QoS của bộ đệm đó và tận dụng sự dự phòng hiện tại của nó [6]

dự báo trước của phân phối lưu lượng tương lai Giải thuật này có hai bước thực hiện: Bước xử lý trước; Bước chọn đường trực tuyến

Giải thuật sử dụng “Mô tả lưu lượng” trong bước xử lý trước (tính toán trước đa luồng) để xác định sự định vị băng thông nhất định trên những mối liên kết của mạng Thực hiện từng bước của giải thuật chọn đường sau đó yêu cầu sử dụng một “đường dẫn ngắn nhất“ với thông tin bổ xung do bước xử lý trước đưa ra Bước đa xử lý trước cho phép giải thuật trực tuyến thực tập điều khiển thu nạp bởi việc loại bỏ yêu cầu nào

đó do những hiệu ứng khoá, chặn, kết khối trong mạng

2.2.3 Kỹ thuật chọn lọc đường dẫn dựa trên sự đảm bảo băng thông

Giới thiệu một sự đánh giá có hệ thống bốn giải thuật chọn đường mà yêu cầu tradeoffs khác nhau giữa giới hạn đếm bước nhảy đường dẫn và cân bằng tải mạng Bốn giải thuật chọn đường như sau [7,8]:

- Đường dẫn rộng nhất - ngắn nhất: Một đường dẫn với số bước nhảy ngắn tối thiểu giữa tất cả các đường dẫn khả thi Nếu có vài đường dẫn như vậy, thì đường dẫn có khả năng dự trữ bandwidth được lựa chọn

- Đường dẫn ngắn nhất - rộng nhất: Một đường dẫn với bandwidth tối đa giữa tất

cả các đường dẫn khả thi Nếu có vài đường dẫn như vậy thì đường dẫn với số bước nhảy ngắn tối thiểu được lựa chọn

- Đường dẫn khoảng cách ngắn nhất: Một đường dẫn khả thi với khoảng cách ngắn nhất

- Chọn đường thay thế: n đếm số bước nhảy ngắn của một đường dẫn, bước nhảy ngắn tối thiểu khi nào mạng nhàn rỗi Một đường dẫn thay thế động là một đường dẫn rộng nhất - ngắn nhất với không hơn n+1 bước nhảy ngắn

Những kết quả từ sự mô phỏng cho thấy rằng một giải thuật chọn đường dựa trên

sự đếm bước nhảy ngắn giới hạn được ưu tiên thực hiện tốt hơn khi mạng tải lớn, trong khi giải thuật giữ cân bằng tải mạng ưu tiên thực hiện tốt hơn khi mạng tải nhỏ

2.3 Bảo vệ và khôi phục đường trong MPLS

2.3.1 Sự cần thiết của bảo vệ và khôi phục đường

Nguyên nhân xảy ra sự cố trong mạng có thể đến từ nhiều nguyên nhân khác nhau: đường truyền dẫn bị đứt, hiệu năng của các nút mạng bị quá tải, tài nguyên mạng không đủ dẫn đến tác nghẽn,… Những nguyên nhân này dẫn đến chất lượng mạng giảm sút do tình trạng mất gói và các hậu quả khác đi kèm có thể gây ảnh hưởng tới một vùng hoặc toàn bộ mạng Sự cố mạng có thể gom nhóm thành 2 loại:

 Sự cố liên kết đường truyền

 Sự cố thiết bị

Với mạng thông thường, để khắc phục các sự cố này đều sử dụng các định tuyến IGP để thích nghi và khắc phục sự cố mạng sau khi gặp sự cố Khoảng thời gian từ lúc bắt đầu phát hiện sự cố đến khi sự cố được khắc phục hoàn toàn gọi là được gọi là quá trình hội tụ Thời gian hội tụ này càng thấp thì số lượng gói tin mất đi trong khi gặp sự

cố là càng ít Do đó, tỷ lệ mất gói là một tham số quan trọng trong việc đánh giá chất lượng, năng lực mạng Trên thực tế, các giao thức định tuyến IDP đã bộc lộ một số nhược điểm sau:

 Khi một liên kết bị đứt dẫn đến tắc nghẽn nội bộ tại một số khu vực Tuy nhiên các khu vực khác trong mạng lại không được sử dụng, do đó dẫn đến tình trạng lãng phí tài nguyên mạng

 Thời gian hội tụ khá lớn đối với Topo mạng phức tạp, trong thời gian hội

tụ mất gói xảy ra

 Nếu cấu hình giảm thời gian hội tụ xuống thấp thì có thể làm cho mạng quá nhạy cảm với các sự cố nhỏ như tình trạng liên kết bị “flapping” (tình trạng liên kết bị up/down liên tục) Khi hiện tượng này xảy ra, các thuật toán định tuyến dạng Link-State như OSPF/IS-IS, thuật toán SPF sẽ được tiến hành Do đó nếu hiện tượng flapping kéo dài thì sẽ rất ảnh hưởng đến hiệu năng của các nút, từ đó dẫn đến tình trạng mất ổn định mạng

Trong mạng MPLS, giao thức định tuyến nội miền là cần thiết Do đó sẽ rất tồi tệ nếu để hiện tượng này xảy ra Khi gặp một sự cố, nếu không có các cơ chế bảo vệ khôi phục đường thì toàn mạng sẽ thực thi những thao tác sau để tiến hành khôi phục:

1 Khi một kết nối trên đường truyền gặp sự cố, các LSP thông thường tương ứng với liên kết có sự cố sẽ bị hủy, thuật toán SPF sẽ phải thi hành lại để tính toán lại các bảng định tuyến, giao thức LDP thực hiện gắn nhãn lại cho các LSP mới

2 Các LSP ràng buộc với liên kết gặp sự cố cũng sẽ bị hủy, các router biên ngõ vào (Headend-LSR) có các LSP ràng buộc bị hủy phải thi hành lại thuật toán CSPF để tính toán đường LSP ràng buộc mới

3 CR-LDP/RSVP-TE phải thực hiện thiết lập và báo hiệu LSP ràng buộc mới

4 Headend-LSR phải thực thi phương thức ghép lưu lượng của trung kế lưu lượng lên LSP ràng buộc mới (thi hành SPF nếu sử dụng Autoroute Announce)

Các thao tác làm việc như trên sẽ dẫn đến thời gian hội tụ trong miền MPLS lớn hơn thời gian hội tụ trong mạng IP truyền thống Do đó các cơ chế bảo vệ, khôi phục trong MPLS là rất cần thiết để đảm bảo chất lượng cũng như độ tin cậy của mạng mà trong đó tham số tỷ lệ mất gói ở mức tối thiểu được ưu tiên cao nhất

Các cơ chế bảo vệ và khôi phục xuất hiện nhằm khắc phục hoặc giảm thiểu sự ảnh hưởng xấu của các sự cố lên toàn mạng MPLS Cũng nhờ các cơ chế này mà chất lượng mạng cũng như độ tin cậy của MPLS được nâng cao hơn Như ta đã biết, các gói tin khi đi vào miền MPLS sẽ được gãn nhãn và chuyển đi trong các đường dẫn LSP, khi có sự cố xảy ra tại các nút và liêt kết của một LSP thì LSP đó sẽ không thể tiếp tục

chuyển tiếp gói tin đến đích bình thương Do đó, nguyên tắc đặt ra cơ bản cho các cơ chế bảo vệ, khôi phục là phải tức thì thay đổi/chuyển hướng lưu lượng sang một LSP

có ràng buộc khác để đảm bảo chất lượng dịch vụ của mạng cũng như độ chính xác của thông tin truyền đi Một số khái niệm được nhắc đến trong phần này như sau:

- Đường làm việc: Là đường LSP truyền các gói tin (đã gán nhãn) trước khi xảy

ra sự cố mạng Các cơ chế bảo vệ sinh ra để bảo vệ cho đường này

- Đường khôi phục: Là đường LSP được tái định tuyến sau khi xảy ra sự cố mạng, được thiết lập để bảo vệ cho đường làm việc

- PSL (Path Switch LSR): Là LSR đứng trước vị trí lỗi trên đường làm việc chịu trách nhiệm chuyển mạch hoặc tái tạo lưu lượng sang đường khôi phục

- PML (Path merge LSR): Là LSR chịu trách nhiệm nhận lưu lượng trên đường khôi phục và sẽ: tái hợp nhất lưu lượng trở về đường làm việc, hoặc chuyển lưu lượng ra khỏi miền MPLS nếu bản thân nó là đích

- POR (Point of Repair): POR là một LSR chịu trách nhiệm sửa chữa một LSR,

nó có thể là một PSL hoặc PML tùy ý theo cơ chế khôi phục nào được dùng

- FIS (Fault Indication Signal): Là bản tin chỉ thị có một lỗi xảy ra trên đường làm việc đã sửa chữa xong FRS được chuyển tiếp cho tới khi nó đến được một LSR đảm nhận việc trả lại đường nguyên thủy

2.3.2 Phân loại các cơ chế bảo vệ khôi phục

2.3.2.1 Sửa chữa toàn mạng và sửa chữa cục bộ

Sửa chữa toàn mạng là cơ chế bảo vệ hoạt động khi sự cố xảy ra ở bất kì vị trí nào trên đường làm việc Trong cơ chế sửa chữa toàn mạng, router ngõ vào được thiết lập

là điểm sửa chữa (POR) Ở các mạng lớn, điểm xảy ra lỗi thường cách xa với router biên ngõ vào Khi sự cố xảy ra, nút mạng xảy ra sự cố sẽ thông báo lại cho router ngõ vào bằng một tin hiệu báo hiệu FIS Router ngõ vào nhận được tín hiệu này, sẽ tiến hành chuyển đường làm việc sang đường bảo vệ Việc khôi phục đường là end-to-end, trong đó đường làm việc và đường bảo vệ tách rời nhau (disjoint) hoàn toàn

Việc xử lý sự cố bằng sửa chữa toàn mạng thường mất khá nhiều thời gian, do tín hiệu FIS phải truyền ngược lại router ngõ vào, do đó cơ chế sửa chữa cục bộ được nghĩ ra