Nghiên cứu công nghệ MPLS trong việc di trú mạng dùng riêng Bộ Công an sang mạng thế hệ mới (NGN)

MỞ ĐẦU Sự cạnh tranh khốc liệt giữa các nhà khai thác trên phạm vi toàn cầu, sự bùng nổ của lưu lượng thông tin truyền trên các mạng viễn thông do việc sử dụng rộng rãi các dịch vụ Inter

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Ngành : Công nghệ Điện tử - Viễn thông

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Chương 1 – NHỮNG NGUYÊN TẮC DI TRÚ LÊN MẠNG NGN 3

1.3 CÁC CÔNG NGHỆ TRUYỀN TẢI CỦA MẠNG THẾ HỆ MỚI 7

2.3 ƯU ĐIỂM VÀ HẠN CHẾ CỦA MPLS 36

Chương 3 - ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MPLS TRONG VIỆC XÂY DỰNG MẠNG TÍCH HỢP ĐA DỊCH VỤ NGÀNH CÔNG AN 40

3.1 THỰC TRẠNG VÀ MỘT SỐ YÊU CẦU ĐỐI VỚI VIỆC PHÁT TRIỂN

3.1.1 Thực trạng về các hệ thống mạng viễn thông Bộ Công an 40 3.1.2 Dịch vụ thông tin trên mạng và hệ thống CSDL nghiệp vụ 43 3.1.3 Yêu cầu phát triển mạng tích hợp đa dịch vụ Ngành Công an 45 3.2 LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ CHO MẠNG LÕI CỦA MẠNG TÍCH

3.2.1 So sánh công nghệ ATM với công nghệ MPLS 49 3.2.2 Kinh nghiệm di trú lên NGN tại Việt Nam 51 3.3 GIẢI PHÁP MẠNG LÕI DỰA TRÊN MPLS CỦA MẠNG TÍCH

3.3.1 Thực hiện giai đoạn 1 di trú lên NGN 55 3.3.2 Thực hiện các giai đoạn tiếp theo di trú lên NGN 56 3.3.3 Giải quyết vấn đề đảm bảo an ninh an toàn cho mạng tích hợp

BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT

API Application Programming Interface

ATM Asynchronous Transfer Moe

B_ISDN Band_Integrate Services Digital Network

BGP Border Gaterway Protocol

BS Bie- Stack

CAC Connection Admission Control

CLP Cell Loss Priority

COS Class Of Service

Diffserv Differentiated Services

DLCI Data Link Connection Identifier

ETSI Europen Telecommunication Standards Institute

FEC Forward Equivarence Class

FR Frame Relay

Inserv Integrated Services

IP Internet Protocol

ISP Internet Service Protocol

ITU – T International Telecommunication Union-

Telecommunication Standards Section

LAN Local Area Network

LB Label Binding

LER Label Edge Router

LIB Label Information Base

LSP Label Switch Path

LSR Label Switch Router

MPLS Multiprotocal Label Switching

MPLS LDP MPLS Label Distribution Protocol

MSF Multiservice Switch Forum

NGN Next Geuration Networks

OSPF Open Shortest Path First

PC Priority Control

PSTN/ISDN Integrate Services Digital Network

QoS Quality of Service

RFC Request For Comment

RSVP Resource Resenvation Protocol

RSVP- TF Resoure Reservation Protocol Traffic Enginerning

SLN Ship In The Night

TTL Time To Live

VC Virtual Connection

VCI Virtual Circuit Identifier

VoIP Voice over IP

VPI Virtual Path Identifier

VPN Virtual Private Network

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1.Mô hình kiến trúc dịch vụ tích hợp 10

Hình 1.3 Mô hình đánh dấu luồng Cell theo phương pháp thùng rò rỉ 14 Hình 1.4 Luồng Cell được đánh dấu mức ưu tiên 15 Hình 1.5 Đánh dấu luồng Cell theo phương pháp cửa sổ trượt và nhảy 16 Hình 1.6 Mô hình điều khiển chấp nhận kết nối 17

Hình 2.3 Cấu trúc và các thành phần cơ bản của mạng MPLS 26 Hình 2.4 Mạng MPLS trong hoạt động chế độ khung 28 Hình 2.5 Các thành phần trong mạng ATM-MPLS 31

Hình 2.7 Quá trình thiết lập nhãn trong MPLS qua ATM 33

Hình 3.1 Sơ đồ kết nối mạng dữ liệu dùng riêng của Bộ - Ngành 42

Hình 3.3 Sơ dồ kết nối mạng dùng riêng của Bộ Ngành 54

MỞ ĐẦU

Sự cạnh tranh khốc liệt giữa các nhà khai thác trên phạm vi toàn cầu, sự bùng nổ của lưu lượng thông tin truyền trên các mạng viễn thông do việc sử dụng rộng rãi các dịch vụ Internet, các thuê bao đòi hỏi các dịch vụ đa phương tiện mới, sự tăng nhanh của nhu cầu về các dịch vụ thông tin di động đã đặt ra cho ngành viễn thông thế giới những thách thức mới và mở ra xu hướng tích hợp các mạng thoại truyền thống, mạng Internet và mạng thông tin di động thành một mạng hợp nhất đa dịch vụ hay còn gọi là mạng thế hệ mới NGN

Trong bối cảnh Việt Nam đang hội nhập khu vực và quốc tế, các nhà cung cấp dịch vụ Viễn thông Việt Nam cũng đã kịp thời đi trước, đón đầu và triển khai xây dựng mạng thế hệ mới NGN

Trước xu thế và thực tiễn đó, các mạng Viễn thông dùng riêng của một số

bộ ngành trong đó có Bộ Công an cần phải tính đến các giải pháp phát triển mạng dùng riêng theo hướng di trú một cách thích hợp lên NGN để tránh lãng phí trong quá trình đầu tư và nhanh chóng tiếp cận công nghệ mới Đồng thời, cho phép cung cấp được các dịch vụ mới cũng như có thể hoà mạng dễ dàng với các mạng công cộng Tuy nhiên, để có một giải pháp di trú thích hợp nhằm bảo toàn vốn đầu tư vừa tránh lãng phí trong quá trình đầu tư vừa có điều kiện tiếp cận công nghệ mới, cần phải có những cân nhắc, tính toán hợp lý tùy theo hoàn cảnh thực tế cụ thể của từng bộ, ban ngành Là một người cán bộ công tác trong lĩnh vực viễn thông, tin học của Bộ Công an, có trách nhiệm tham mưu cho Lãnh đạo cấp trên về định hướng phát triển mạng máy tính, tôi rất mong muốn nghiên cứu để tìm ra một hướng phát triển phù hợp cho mạng máy tính Bộ Công

an trong điều kiện thực tiễn hiện nay Vì vậy, sau khi xin ý kiến và được sự đồng

ý của Thầy giáo hướng dẫn, tôi đã chọn đề tài "Nghiên cứu công nghệ MPLS trong việc di trú mạng dùng riêng Bộ Công an sang mạng thế hệ mới (NGN)"

làm Luận văn tốt nghiệp với mong muốn đem những kiến thức mà tôi nghiên cứu được trong quá trình thực hiện Luận văn tốt nghiệp này để ứng dụng vào thực tế

Để đáp ứng được những mong muốn trên, Luận văn sẽ nghiên cứu một cách tổng quan về các yêu cầu và các nguyên tắc di trú lên mạng NGN, các công nghệ truyền dẫn được sử dụng cho mạng lõi Từ đó đi sâu nghiên cứu về công nghệ MPLS là công nghệ hiện đang được lựa chọn cho hầu hết các mạng lõi Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu trên, Luận văn đi vào xây dựng giải pháp

“Ứng dụng công nghệ MPLS trong việc xây dựng mạng tích hợp đa dịch vụ

ngành Công an” trong quá trình di trú lên mạng NGN của mạng Viễn thông dùng riêng cho Bộ Công an

Luận văn được chia làm 3 chương:

- Chương 1: Những nguyên tắc di trú lên mạng NGN Trong đó đưa ra những khái niệm, định nghĩa, những đặc điểm, những yêu cầu đối với NGN và cấu trúc mạng NGN

- Chương 2: Phân tích một số Công nghệ chuyển mạch gói cho mạng lõi và các vấn đề liên quan đến QoS Đặc biệt là triển khai MPLS trong mạng IP và mạng ATM Trong chương 2 này luận văn còn đề cập đến các giải pháp di trú sang NGN từ mạng hiện tại

- Chương 3: Đề xuất giải pháp ứng dụng công nghệ MPLS trong việc xây dựng mạng tích hợp đa dịch vụ Ngành Công an Trong chương này tập trung phân tích để lựa chọn các tiêu chuẩn kết nối, công nghệ chuyển mạch được sử dụng trong mạng NGN để áp dụng cho mạng Viễn thông dùng riêng trong quá trình di trú tới NGN Đây chính là mục tiêu chính của Luận văn này

Chương 1 NHỮNG NGUYÊN TẮC DI TRÚ LÊN MẠNG NGN 1.1 Những yêu cầu đối với mạng NGN

Mạng NGN được đưa ra với mong muốn sẽ cho phép giảm thiểu thời gian đưa dịch vụ mới ra thị trường, nâng cao hiệu suất sử dụng truyền dẫn, cho phép các nhà cung cấp dịch vụ tăng cường khả năng kiểm soát, bảo mật thông tin của khách hàng Ngoài ra, NGN còn phải đáp ứng được hầu hết các nhu cầu của nhiều đối tượng sử dụng như cá nhân, văn phòng, doanh nghiệp với các giao thức chuẩn và giao diện thân thiện và với tính thông minh của mình cho phép tạo tiền đề cho các bước phát triển của công nghệ và các dịch vụ mới trong tương lai

1.1.1 Sự ra đời của NGN

Khái niệm về các mạng thế hệ sau NGN bắt đầu xuất hiện vào những năm cuối thập kỷ 90 của thế kỷ 20 Cho đến nay, các nhà khai thác, cung cấp dịch vụ viễn thông, các hãng sản xuất thiết bị viễn thông trên thế giới vẫn còn có những quan điểm khác nhau về NGN

Vào tháng 1 năm 2002, tại cuộc họp của nhóm nghiên cứu 13 của ITU-T đã nhất trí được rằng NGN phải được xem như là sự cụ thể hoá các khái niệm đã được định nghĩa cho cấu trúc hạ tầng thông tin toàn cầu GII (Global Information Infrastructure) Trong khuôn khổ của đề án GII của ITU-T (được bắt đầu từ 1995), một loạt các khuyến nghị Yxx đã được đưa ra, trong đó những khuyến nghị quan trọng nhất là:

- ITU Rec Y110 “Nguyên lý và cấu trúc tổ chức của GII” (GII principles and framework architectures)

- ITU Rec Y120 “Phương pháp luận và viễn cảnh của GII” (GII scenario and methodology)

- ITU Rec Y130 “Cấu trúc truyền tin “ (Information communication architecture)

- ITU Rec Y140 “Các điểm chuẩn cho cơ cấu kết nối” (Reference points for the interconnection framework)

Tuy nhiên các khuyến nghị Yxx chỉ đưa ra các định nghĩa về các khái niệm của cấu trúc hạ tầng thông tin toàn cầu GII chứ chưa đề cập đến các vấn đề liên quan tới việc triển khai mạng Vì vậy tháng 1 năm 2002, ITU đã quyết định bắt đầu nghiên cứu chuẩn hoá NGN và tổ chức một đề án ITU-T mới, gọi là đề án NGN 2004, do nhóm nghiên cứu SG13 của ITU-T thực hiện Nhiệm vụ của NGN 2004 là tổ chức nghiên cứu về NGN trong khuôn khổ ITU-T Mục tiêu của

đề án này là chuẩn bị và đưa ra các khuyến nghị về NGN vào năm 2004 để các nhà khai thác có thể triển khai NGN từ năm 2005 trở đi

1.1.2 Định nghĩa NGN

Vào thời điểm hiện nay, khi mà đề án NGN 2004 vẫn còn đang được triển khai, các khuyến nghị của ITU-T chưa được hoàn thành, rất khó có thể tìm được một định nghĩa của NGN được tất cả các nhà khai thác, cung cấp dịch vụ viễn thông, các hãng sản xuất thiết bị viễn thông trên thế giới chấp nhận Nhóm nghiên cứu về NGN của ETSI (Europen Telecommunication Standards Institute) đã đưa ra định nghĩa sau cho NGN: “NGN là một khái niệm mô tả các mạng có sự phân chia hình thức thành các lớp, các mặt phẳng khác nhau và sử dụng các giao diện mở, cung cấp cho các nhà cung cấp dịch vụ một nền tảng có thể phát triển từng bước để tạo ra, triển khai và quản lý các dịch vụ mới”

Theo hiệp hội viễn thông quốc tế ITU thì Next Generation Networks (NGN) là một thuật ngữ mô tả kiến trúc hệ thống mạng mà nó sẽ cho phép phát triển những dịch vụ tiên tiến mới trong mạng di động và mạng cố định trong tương lai, trong khi đó mạng vẫn phải đảm bảo hỗ trợ các dịch vụ đang tồn tại ngày nay Để đạt được khả năng hoạt động liên mạng đối với các dịch vụ khác nhau, các công nghệ phải tuân theo tổ chức chuẩn toàn cầu như tổ chức ITU-T Khái niệm NGN thường được đề cập thông qua các đặc tính như:

- Sử dụng kỹ thuật truyền dẫn trên cơ sơ gói,

- Phân chia thêm các chức năng điều khiển cho nguồn tài nguyên, cuộc gọi/phiên và dịch vụ/ứng dụng,

- Tách riêng phần cung cấp dịch vụ ra khỏi phần mạng,

- Hỗ trợ nhiều loại hình dịch vụ thông tin (bao gồm dịch vụ thời gian thực/ streaming/non-real time, point-to-point, multipoint, broadcast và các ứng dụng multicast voice, data, video and multi-media applications),

- Không còn ranh giới giữa các mạng,

- Hỗ trợ các mạng di động nói chung,

- Cung cấp không giới hạn cho người sử dụng truy nhập, cung cấp các công nghệ truy nhập tốc độ cao qua Modem

1.1.3 Các yêu cầu đối với NGN

Nhìn chung xu thế mạng tương lai sẽ dựa trên nền chuyển mạch gói Nền tảng chuyển mạch gói này sẽ được sử dụng để cung cấp các dịch vụ đa phương tiện và di dộng cũng như các dịch vụ thoại theo kiểu truyền thống (PSTN/ISDN) hay kiểu mới (IP/ATM) Để thiết kế mạng NGN phục vụ cho mục đích trên, đầu

tiên cần phải xác định rõ những yêu cầu theo quan điểm dịch vụ và quan điểm mạng Nhóm nghiên cứu SG13 của ITU-T đã xác định các yêu cầu sau cho NGN:

- Để thích ứng với môi trường hoàn toàn mở và có tính cạnh tranh, cấu trúc chức năng của mạng cần cung cấp các giao diện mở tại đó các giao diện lập trình ứng dụng AIP (application programming interface) cho phép tạo ra và khai thác các loại dịch vụ khác nhau

- Để đáp ứng được sự bùng nổ về nhu cầu dịch vụ mới, NGN phải hỗ trợ cung cấp tất cả các loại hình dịch vụ (ví dụ như đa phương tiện, dữ liệu, video, thoại) Các dịch vụ này sẽ dựa trên các công nghệ chuyển tải có tính chất rất đa dạng: thời gian thực và phi thời gian thực, các tốc độ bit từ thấp đến cao, chất lượng dịch vụ (QoS) khác nhau, phương thức truyền dẫn điểm-điểm/điểm-đa điểm/quảng bá/đối thoại/hội nghị

- Việc cung cấp các dịch vụ cần được tách biệt khỏi mạng, điều này có nghĩa là các chức năng cung cấp dịch vụ sẽ được tách biệt khỏi các chức năng chuyển tải để đảm bảo rằng các dịch vụ sẽ được phát triển độc lập với hạ tầng mạng lưới

- Sự tương tác và liên thông với các mạng cũ (ví dụ như PSTN) cần được đảm bảo để các mạng này có thể phát triển dần lên thành NGN

- Tính năng di động là một đặc tính của NGN

Đối với người sử dụng và với các nhà cung cấp dịch vụ, các yêu cầu trên được cụ thể hóa như sau:

- Các yêu cầu đối với người sử dụng:

+ Dễ dàng sử dụng dịch vụ không có bất cứ giới hạn nào

+ Các thiết bị đầu cuối tích hợp cho các dịch vụ vô tuyến và hữu tuyến dễ sử dụng

+ Sử dụng cùng một hệ thống đánh số và đặt tên

+ Có các cơ cấu tính cước khác nhau tùy theo chất lượng dịch vụ

- Các yêu cầu đối với nhà cung cấp dịch vụ :

+ Giá đầu tư hợp lý với khả năng tối đa dùng chung mạng giữa các nhà cung cấp dịch vụ

+ Cung cấp giao diện mở giữa các dịch vụ và tài nguyên mạng cho các nhà cung cấp dịch vụ khác

+ Cung cấp hệ thống tính cước tích hợp giữa các nhà cung cấp dịch

vụ

+ Hỗ trợ tính di động và chuyển vùng

1.2 Các nguyên tắc di trú lên NGN

Trong quá trình di trú lên NGN, yêu cầu đặt ra đối với các giải pháp là phải quan tâm giải quyết đến 3 vấn đề sau:

- Chất lượng dịch vụ (QoS) trong mạng NGN

- An ninh an toàn dữ liệu

- Hiệu quả trong đầu tư

Hiện nay có rất nhiều khuyến cáo, nguyên tắc và các bước khi di trú lên NGN Dưới đây là những nguyên tắc cơ bản trong quá trình di trú lên NGN:

- Dịch vụ dữ liệu truyền qua mạng gói đa dịch vụ: Khả năng tích hợp đa

dạng dịch vụ dữ liệu mà ngày nay thường được chạy trên nền IP, ATM, FR và

LL, cho phép chúng được truyền thông suốt qua nhiều mạng khác nhau (mạng tích hợp) nhưng phải đảm bảo QoS

- Hợp nhất các mạng khác nhau: Các bước di trú có thể hoàn thành sự hợp

nhất giữa các mạng khác nhau tiến đến một mạng gói đa dịch vụ thống nhất

- Không làm nhiễu loạn đến các dịch vụ đang tồn tại Liên tục cải tiến hệ

thống mạng, như mở rộng khả năng, năng lực của mạng Từng bước tăng cường dịch vụ quản lý mà không làm xáo trộn đến các chức năng đang tồn tại để giữ được các khách hàng hiện tại

- Những node truy nhập đa dịch vụ (gateway) phải đảm bảo các yêu cầu:

Đơn giản hoá phần truy cập mạng và thực hiện một cách mềm dẻo để duy trì những giao diện khách hàng đang tồn tại Đồng thời trong khi đó phải hỗ trợ các công nghệ truy nhập tiên tiến

- Sử dụng lại một cách tối đa các thiết bị đang tồn tại: Để bảo vệ vốn đầu

tư việc sử dụng lại các thiết bị còn tồn tại trong mạng là một điều rất quan trọng

để giảm thiểu vốn đầu tư cũng như đảm bảo hiệu quả kinh tế

- Hệ thống quản lý mạng trên cơ sở TMN: Mạng và hệ thống quản lý mạng

nên dựa trên tiêu chuẩn TMN, với chuẩn mở, cung cấp cho khách hàng với các cấp độ dịch vụ mềm dẻo Kiến trúc mở này cũng cho phép tích hợp cơ chế quản

lý cũ, những hệ thống điều hành và hệ thống kinh doanh đang tồn tại và giá thành dịch vụ phải giảm đáng kể

- Hợp nhất điều khiển: Thiết bị hợp nhất điều khiển như là Softswitch và

các Gateway đảm nhiệm hoạt động xuyên suốt giữa các mạng khác nhau đang tồn tại để tiến tới NGN Sự tiến triển này đảm bảo duy trì dịch vụ thoại cũng như phát triển nhanh hơn và hiệu quả hơn các dịch vụ mới

- Server ứng dụng đa phương tiện: Cùng với sự bắt tay với Softswitch, sẽ

có nhiều server ứng dụng đa phương tiện để cung cấp các dịch vụ mới trên cơ sở gói, cũng như việc thực hiện trên giao diện ứng dụng trình mở (API) để cho phép thực hiện các dịch vụ mới và các ứng dụng mới

- Tích hợp các OSS đang tồn tại: Sự mềm dẻo phải đạt đến mức độ tối đa,

kiến trúc mục tiêu đã được kế hoạch để cung cấp giao diện mở cho phép làm việc trong môi trường mạng đa nhà cung cấp và dễ dàng hơn trong việc tích hợp OSS đang tồn tại

- Tích hợp tài nguyên: Cho phép tích hợp và tối ưu hoá các nguồn tài

nguyên khác nhau và các nền dịch vụ đang tồn tại Chẳng hạn như sự kết nối với nhau giữa nguồn tài nguyên thư thoại của PSTN, Email internet, dịch vụ trên nền mạng thông minh qua giao thức chuẩn (INAP, H248) với Gateway thích hợp

- Hỗ trợ trên nền mạng thông minh: Được sử dụng bởi hầu hết các nhà sản

xuất hệ thống mạng thông minh Điều này rất cần thiết để di trú từ dịch vụ mạng thông minh sang mạng NGN

Để phát triển các khả năng trên cần xây dựng các bước di trú thích hợp để tối thiểu hoá chi phí đầu tư nhưng vẫn đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS

1.3 Các công nghệ truyền tải của mạng thế hệ mới

Cấu trúc chức năng của mạng NGN về cơ bản gồm bốn lớp:

- Lớp kết nối: Truy nhập (Access) và truyền tải (Transport/ Core)

- Lớp trung gian hay lớp truyền thông (Media)

- Lớp điều khiển (Control)

- Lớp quản lý (Management)

Lớp truyền tải trong cấu trúc mạng NGN bao gồm cả chức năng truyền dẫn và chức năng chuyển mạch Trong đó, phần truyền (truyền dẫn) được xây dựng trên nền tảng vật lý là truyền dẫn quang với kỹ thuật ghép kênh quang đa bước sóng DWDM

Tại lớp 2 và lớp 3 của mạng truyền dẫn lõi (core network), kỹ thuật gói được

sử dụng cho tất cả các dịch vụ với chất lượng dịch vụ QoS tùy yêu cầu cho từng loại dịch vụ ATM hay IP/MPLS có thể được sử dụng làm nền cho truyền dẫn trên mạng lõi để đảm bảo QoS

1.3.1 Công nghệ truyền tải IP

IP là giao thức chính của kiến trúc mạng Internet Trong kiến trúc này, IP đóng vai trò lớp 3 IP định nghĩa cơ cấu đánh số, cơ cấu chuyển tin, cơ cấu định tuyến và các chức năng điều khiển ở mức thấp (ICMP)

Mạng truyền tải IP hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển mạch gói Dữ liệu được truyền tải dưới dạng các gói IP ở lớp mạng (network layer) Mỗi gói là một chuỗi bit bao gồm các bit của dữ liệu cần chuyển và các bit do giao thức mạng gắn thêm 40 byte đầu tiên (tức là 320 bit đầu tiên) của gói IP mang thông tin của các giao thức, ví dụ như địa chỉ IP của máy gửi và máy nhận, chủng loại giao thức lớp truyền tải (transport layer) đang dùng vv Phần này thường được nhắc đến dưới tên gọi phần đầu gói Cần nhấn mạnh rằng mọi xử lý liên quan đến gói IP, như xác định đường truyền, phân loại gói, đều dựa hoàn toàn vào những thông tin nằm trong phần đầu gói

Mạng IP có tính chất chuyển mạch không kết nối Trong mạng IP, không

có đường truyền nối nào được thiết lập và cố định giữa đầu gửi và đầu nhận từ đầu cuộc kết nối Thay vì thế, đầu gửi chỉ đơn giản bắt đầu đẩy các gói IP dữ liệu vào mạng Việc các gói IP đi theo đường truyền nào đến đầu gửi hoàn toàn phụ thuộc vào trạng thái lưu lượng nhất thời và sự quyết định của các bộ định tuyến trong mạng Các gói IP vì thế có thể đi theo nhiều đường khác nhau đến đầu gửi Một số gói có thể bị mất trong quá trình đi qua mạng Hơn thế nữa, các gói có thể đi đến đầu nhận theo thứ tự khác với thứ tự chúng được gửi đi ở đầu gửi

Sự chuyển mạch không kết nối với tính chất cơ bản là không có sự chiếm giữ đường truyền cố định dẫn đến việc bảo đảm chất lượng đường truyền, hay nói rộng hơn là đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng IP trở nên không đơn giản Những biện pháp QoS (Quality of Service) đã được sử dụng hiệu quả trong mạng điện thoại như điều khiển số lượng cuộc gọi đầu vào phần lớn không áp dụng được trong mạng IP Mạng Internet hiện nay cung cấp dịch vụ trên cơ sở phục vụ theo khả năng tối đa (best-effort) Tức là không có bất cứ một cam kết nào được đưa ra từ phía nhà khai thác về chất lượng của dịch vụ Thay vào đó, tuỳ thuộc vào trạng thái cụ thể của mạng, mạng chủ sẽ thực hiện những khả năng tốt nhất của mình để phục vụ lưu lượng của dịch vụ Đây chính là nguyên nhân chủ yếu thúc đẩy sự nghiên cứu mạnh mẽ về QoS trên nền mạng IP trong những năm gần đây

Hiện nay có ba kỹ thuật chính hỗ trợ QoS trong mạng IP, bao gồm:

− Dịch vụ cố gắng tối đa (Best Effort)

− Dịch vụ tích hợp - Integrated Services (IntServ)

− Dịch vụ Differentiated Services (DiffServ)

1.3.1.1 Dịch vụ cố gắng tối đa (Best Effort)

Đây là dịch vụ phố biến trên mạng Internet hay mạng IP nói chung Các gói thông tin được truyền đi theo nguyên tắc “đến trước được phục vụ trước” mà không quan tâm đến đặc tính lưu lượng của dịch vụ là gì Điều này dẫn đến rất khó hỗ trợ các dịch vụ đòi hỏi độ trễ thấp như các dịch vụ thời gian thực hay video Cho đến thời điểm này, đa phần các dịch vụ được cung cấp bởi mạng Internet vẫn sử dụng nguyên tắc Best Effort này

1.3.1.2 Dịch vụ tích hợp - Integrated Services (IntServ)

Đứng trước nhu cầu ngày càng tăng trong việc cung cấp dịch vụ thời gian thực (thoại, video) và băng thông cao (đa phương tiện), dịch vụ tích hợp IntServ

đã ra đời Đây là sự phát triển của mạng IP nhằm đồng thời cung cấp các dịch vụ truyền thống Best Effort và các dịch vụ thời gian thực

Nguyên lý căn bản của mô hình InServ là dành riêng tài nguyên mạng

(băng thông, độ trễ…) cho từng luồng thông tin xuyên suốt từ nguồn đến đích Tài nguyên này được chiếm dụng và không được tận dụng cho bất kỳ một luồng thông tin nào Nếu tài nguyên bị chiếm dụng mà không dùng thì hiện tượng lãng phí tài nguyên sẽ xảy ra

Một đặc điểm nữa của mô hình InServ là đảm bảo chất lượng dịch vụ theo luồng (flow) Một luồng được xác định bởi các tham số như: địa chỉ IP nguồn,

IP đích, cổng nguồn, cổng đích….InServ sử dụng giao thức để báo hiệu Khi một luồng được thiết lập thì tương ứng với 1 phiên RSVP được thiết lập, điều này dẫn đến một hạn chế là: đối với mạng có lưu lượng cao như mạng ISP hoặc các tổ chức doanh nghiệp lớn thì số lượng luồng có thể lên đến hàng trăm ngàn luồng trong một thời điểm và dẫn đến hiện tượng lãng phí tài nguyên do bandwidth sử dụng để thiết lập kênh RSVP lên rất nhiều (RSVP không phải là luồng thoại mà chỉ là thông tin điều khiển, báo hiệu)

Hình 2.2 Mô hình kiến trúc dịch vụ tích hợp - IntServ

Một số thành phần chính tham gia trong mô hình như:

- Giao thức thiết lập xử lý: cho phép các máy chủ và các router dự trữ động tài nguyên mạng để xử lý các yêu cầu của các luồng lưu lượng riêng RSVP, Q.2391 là một trong những giao thức đó

- Đặc tính luồng: xác định chất lượng dịch vụ QoS sẽ cung cấp cho các luồng xác định Luồng ở đây được định nghĩa như một luồng các gói từ nguồn đến đích có cùng yêu cầu về QoS Về nguyên tắc có thể đặc tính luồng như băng tần tối thiểu mà mạng bắt buộc phải cung cấp để đảm bảo QoS cho các luồng yêu cầu

- Điều khiển lưu lượng: trong các thiết bị mạng (máy chủ, router, chuyển mạch) có thành phần điều khiển và quản lý tài nguyên mạng cần thiết để

hỗ trợ QoS theo yêu cầu Các thành phần điều khiển lưu lượng này có thể được khai báo bởi giao thức báo hiệu RSVP hay nhân công Thành phần điều khiển lưu lượng bao gồm:

+ Điều khiển chấp nhận (Admission control): xác định các thiết bị mạng

có khả năng hỗ trợ QoS theo yêu cầu hay không

+ Thiết bị phân loại (Classifier): nhận dạng và chọn lựa lớp dịch vụ trên nội dung của một số trường nhất định trong mào đầu gói

+ Thiết bị phân phối (Scheduler): cung cấp các mức chất lượng dịch vụ QoS qua kênh ra của thiết bị mạng

Các mức chất lượng dịch vụ cung cấp bởi IntServ gồm:

- Dịch vụ đảm bảo GS: băng tần dành riêng, trễ có giới hạn và không bị thất

thoát gói tin trong hàng Các ứng dụng cung cấp thuộc loại này có thể kể đến: hội nghị truyền hình chất lượng cao, thanh toán tài chính thời gian thực,…

- Dịch vụ kiểm soát tải: không đảm bảo về băng tần hay trễ, nhưng khác với

best effort ở điểm không giảm chất lượng một cách đáng kể khi tải mạng tăng lên Dịch vụ này phù hợp cho các ứng dụng không nhạy cảm lắm với độ trễ hay mất gói như truyền hình multicast audio/video chất lượng trung bình

+ Số lượng các bản tin để duy trì thông tin trạng thái luồng là không khả thi trong mạng lõi vì số lượng luồng thông tin là quá lớn

1.3.1.3 Differentiated Services (DiffServ):

Việc đưa ra mô hình IntServ có vẻ như giải quyết được nhiều vấn đề liên quan đến QoS trong mạng IP Tuy nhiên trong thực tế mô hình này đã không đảm bảo được QoS xuyên suốt (end to end) Đã có nhiều cố gắng nhằm thay đổi điều này nhằm đạt một mức QoS cao hơn cho mạng IP, và một trong những cố gắng đó là sự ra đời của DiffServ Diffserv sử dụng việc đánh dấu gói và xếp hàng theo loại để hỗ trợ dịch vụ ưu tiên qua mạng IP Hiện tại IETF đã có một nhóm làm việc DiffServ để đưa ra các tiêu chuẩn RFC về DiffServ Thay vì thực hiện chất lượng dịch vụ xuyên suốt và thống nhất trên cả đường truyền như mô hình InServ, mô hình DiffServ thực hiện chất lượng dịch vụ riêng lẻ trên từng Router, với cách thực hiện như vậy mô hình DiffServ không cần phải tiến hành báo hiệu theo từng luồng nên tiết kiệm băng thông và có khả năng mở rộng lớn

Nguyên tắc cơ bản của Diffserv như sau:

− Định nghĩa một số lượng nhỏ các lớp dịch vụ hay mức ưu tiên Một lớp dịch vụ có thể liên quan đến đặc tính lưu lượng (băng tần min-max)

− Phân loại và đánh dấu các gói riêng biệt tại biên của mạng vào các lớp dịch vụ

− Các thiết bị chuyển mạch, Router trong mạng lõi sẽ phục vụ các gói theo nội dung của các bit đã được đánh dấu trong mào đầu của gói

Nhận xét:

− Chỉ đảm bảo QoS trên từng chặng thông qua việc đánh dấu mức ưu tiên

− Gánh nặng xử lý của các Router nhẹ hơn và đơn giản hơn, nhưng không đảm bảo về QoS từ đầu cuối đến đầu cuối

− Không có khả năng cung cấp băng tần và độ trễ đảm bảo như GS của IntServ hay ATM

− Thiết bị biên vẫn yêu cầu bộ Classifier chất lượng cao cho từng gói giống như trong mô hình IntServ

− Vấn đề quản lý trạng thái Classifier của một số lượng lớn các thiết bị biên là một vấn đề không nhỏ cần quan tâm

1.3.2 Công nghệ chuyển tải ATM

1.3.2.1 Tổng quan về công nghệ ATM

ATM (Asynchronous Transfer Mode) được nghiên cứu tại Trung tâm CNET của France Telecom năm 1983 và được phát triển ở nhiều Trung tâm khác ATM công cộng đầu tiên được triển khai ở Mỹ năm 1993 ATM có thể kết nối đến tất cả các loại mạng hiện hữu.và có thể thích nghi với nhiều chủng loại tốc độ

Hình 2.3 Mô hình Diffserv hỗ trợ QoS

ATM là phương thức truyền tải mang đặc tính của chuyển mạch gói, sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia không đồng bộ ATM ghép các luồng dữ liệu vào các khối có kích thước cố định và được gọi là tế bào (Cell) Tế bào ATM có kích thước cố định là 53 byte Nhờ có kích thước Cell cố định, nên các cơ chế chuyển mạch hoạt động truyền thông của mạng ATM hiệu quả cao, tốc độ cao Một số mạng ATM có thể hoạt động tới tốc độ 622 Mbps, tốc độ chung 155 Mbps

ATM là một kỹ thuật truyền tin tốc độ cao ATM nhận thông tin ở nhiều dạng khác nhau như thoại, số liệu, video và cắt ra thành nhiều phần nhỏ gọi là tế bào Các tế bào này, sau đó được truyền qua các kết nối ảo VC (virtual connection) Vì ATM có thể hỗ trợ thoại, số liệu và video với chất lượng dịch vụ trên nhiều công nghệ băng rộng khác nhau, nó được coi là công nghệ chuyển mạch hàng đầu và thu hút được nhiều sự quan tâm

ATM khác với định tuyến IP ở một số điểm Nó là công nghệ chuyển mạch hướng kết nối Kết nối từ điểm đầu đến điểm cuối phải được thiết lập trước khi thông tin được gửi đi ATM yêu cầu kết nối phải được thiết lập bằng nhân công hoặc thiết lập một cách tự động thông qua báo hiệu Một điểm khác biệt nữa là ATM không thực hiện định tuyến tại các nút trung gian [3] Tuyến kết nối xuyên suốt được xác định trước khi trao đổi dữ liệu và được giữ cố định trong thời gian kết nối Trong quá trình thiết lập kết nối, các tổng đài ATM trung gian cấp cho kết nối một nhãn Việc này thực hiện hai điều: dành cho kết nối một số tài nguyên và xây dựng bảng chuyển tế bào tại mỗi tổng đài Bảng chuyển tế bào này có tính cục bộ và chỉ chứa thông tin về các kết nối đang hoạt động đi qua tổng đài Điều này khác với thông tin về toàn mạng chứa trong bảng chuyển tin của router dùng IP

Quá trình chuyển tế bào qua tổng đài ATM cũng tương tự như việc chuyển gói tin qua router Tuy nhiên, ATM có thể chuyển mạch nhanh hơn vì nhãn gắn trên các cell có kích thước cố định (nhỏ hơn của IP), kích thước của bảng chuyển tin nhỏ hơn nhiều so với của IP router, và việc này được thực hiện trên các thiết bị phần cứng chuyên dụng Do vậy, thông lượng của tổng đài ATM thường lớn hơn thông lượng của IP router truyền thống

Mặt khác, ATM không xử lý chuyển mạch phát hành khung liên tục theo thứ tự chúng được đệm, mà chuyển mạch ATM dựa vào sự ưu tiên để truyền dẫn: khung có độ ưu tiên cao hơn sẽ được truyền dẫn trước và ngược lại Do đó ATM có thể tạo ra đồng thời nhiều hàng dịch vụ độc lập nhau với sự ưu tiên truyền dẫn khác nhau dựa trên loại dịch vụ mà vẫn cung cấp một tốc độ phân

chia khơng đổi Đây chính là thế mạnh và sự “thơng minh” của ATM Ngồi cơ chế chuyển mạch nhanh do nhãn trên Cell cĩ kích thước nhỏ và kích thước bảng định tuyến nhỏ, để đảm bảo chất lượng dịch vụ, ATM cịn đảm bảo QoS bằng việc điều khiển lưu lượng và chống tắc nghẽn trong mạng ATM

1.3.2.2 Một số biện pháp bảo đảm QoS trong ATM

− Điều khiển thơng số người sử dụng: Cĩ hai phương pháp điều khiển tham số

người sử dụng: Phương pháp thùng rị rỉ và phương pháp cửa sổ trượt

+ Phương pháp thùng rị rỉ (Leaky Bucket): Sử dụng bộ đếm cĩ giá trị tăng

lên khi cĩ tế bào mới xuất hiện và giảm theo chu kỳ Đây là một giải thuật đĩng vai trị quan trọng trong việc kiểm tra sự phù hợp của luồng cell dựa vào các thơng số trong hợp đồng lưu lượng Thuật tốn cĩ nghĩa là một cái thùng với một cái lỗ ở đáy và chất lỏng trong thùng sẽ được rỉ ra với một tốc độ nào đĩ tương ứng với tốc độ lưu thơng của của luồng cell Chiều sâu của thùng tương ứng với một thơng số lưu lượng Khi một Cell đến Gremlin sẽ kiểm tra lưu lượng của thùng cịn lại và xem lưu lượng của Cell đến cĩ làm tràn thùng khơng

Hình 2.6 Mơ hình đánh dấu luồng Cell theo phương pháp thùng rị rỉ Đối với luồng cell phù hợp, cell đầu tiên tới thấy thùng trống nên chất lỏng

từ cell này được đổ vào thùng làm nội dung của thùng tăng lên 4 đơn vị Đến cell time thứ 3, hai đơn vị được rút ra khỏi thùng và đồng thời cĩ một cell tới Gremlin xác định rằng chất lỏng từ cell này sẽ rĩt vào thùng vừa tới

Cell time

Các cell vi phạm

miệng thùng như vậy là nó phù hợp nên chất lỏng trong cell này được đưa vào thùng Bây giờ thì thời điểm tới của cell phù hợp sớm nhất sẽ là 4 cell time sau đó tức là cell time thứ 7 vì 4 đơn vị phải được rút ra khỏi thùng để cell tới không làm cho nội dung của thùng vượt quá 6 đơn vị làm tràn thùng

Đối với luồng cell không phù hợp, cell đầu tiên tới ở cell time thứ nhất, lúc này thùng rỗng nên nó rót vào thùng 4 đơn vị Qua 4 cell time kế tiếp thì thùng bị rỉ hết Ở cell time thứ 5 một cell khác tới và nạp vào thùng rỗng 4 đơn vị Ở cell time thứ 6 một cell nữa lại đến, lúc này nội dung trong thùng còn lại 3 và như vậy gremlin xác định rằng thùng sẽ tràn nếu chất lỏng từ cell tới được rót vào thùng, như vậy cell này không phù hợp và gremlin sẽ rót chất lỏng từ cell này ra ngoài Vì chất lỏng từ cell không phù hợp không được đưa vào thùng nên cell phù hợp kế tiếp có thể tới ở cell time thứ 7 Cell tới ở cell time thứ 13 sẽ rót vào thùng rỗng 4 đơn vị, cell kế tới ở cell time thứ 15 sẽ nạp đầy thùng Cuối cùng cell tới ở cell time thứ 17 sẽ làm cho thùng bị tràn do đó nó là cell không phù hợp

Hoạt động Tagging sẽ đặt các bit CLP của các Cell vi phạm 6 và 17 lên 1; còn phương thức discarding sẽ hủy bỏ hoàn toàn các cell này

Hình 2.7 Luồng Cell được đánh dấu mức ưu tiên

+ Phương pháp cửa sổ (Sliding Windows - Jumping Windows): Hai giải

thuật này đều dựa vào hoạt động của một cửa sổ với hai thông số W là kích thước cửa sổ và M là số cell cho phép trong một cửa sổ Tất cả các cell

vượt quá số lượng M cell trong một cửa sổ đều là các cell không hợp lệ Điểm khác nhau giữa hai giải thuật là trong cửa sổ trượt cửa sổ sẽ trượt theo trục thời gian, mỗi lần trượt tới một chu kỳ cell (cell time); còn trong giải thuật cửa sổ nhảy sẽ nhảy trên trục thời gian với bước nhảy bằng kích thước W của cửa sổ

Sau đây ta sẽ mô tả hoạt động của hai giải thuật này với giá trị cụ thể là W

= 10 và M = 3

Hình 2.8 Đánh dấu luồng Cell theo phương pháp cửa sổ trượt và nhảy Trong điều khiển UPC, nó được dùng để tránh tắc nghẽn Các Cell không phù hợp sẽ được UPC đánh dấu bằng cách đặt CLP=1 và có độ ưu tiên thấp hơn các Cell có CLP=0 nhưng chúng đều được đưa vào mạng Khi xảy ra tắc nghẽn các Cell có CLP=1 sẽ bị loại bỏ

− Điều khiển chấp nhận kết nối (CAC_Connection Admission Control)

Đây là chức năng phần mềm của tổng đài ATM, nĩ cĩ nhiệm vụ xác định xem yêu cầu kết nối cĩ được chấp nhận hay khơng thơng qua việc kiểm tra lưu lượng và QoS được yêu cầu

Hình 2.9 Mơ hình điều khiển chấp nhận kết nơi Khi một yêu cầu kết nối với băng thơng R được đưa tới bộ xác định tốc độ cực đại của CAC để xem xét Băng thơng trung kế là T và một phần băng thơng

A của nĩ đã được ấn định cho các kết nối đang tồn tại Nếu yêu cầu R vượt quá băng thơng cịn lại sẵn cĩ (T-A) thì yêu cầu bị từ chối và ngược lại nĩ được chấp nhận Phương pháp này rất đơn giản và tỏ ra rất hiệu quả trong việc chống tắc nghẽn, nâng cao QoS

− Điều khiển ưu tiên (PC_Priority Control)

Điều khiển ưu tiên được thực hiện để đạt được các yêu cầu về độ trễ và tỷ

lệ Cell bị Loss cho các ứng dụng cĩ hiệu suất cao Như vậy cĩ thể tạo ra dịng lưu lượng cĩ tính chất ưu tiên khác nhau bằng việc sử dụng các Bit ưu tiên để loại bỏ tế bào (CLP) Nếu bộ đệm bị tràn, các thành phần của mạng cho phép loại bỏ một cách chọn lọc các Cell cĩ độ ưu tiên thấp

Cĩ hai phương thức loại bỏ Cell:

+ Phương pháp hất ra: Cell cĩ độ ưu tiên cao sẽ thay thế Cell cĩ ưu tiên thấp hơn trong bộ đệm

+ Phương pháp chiếm từng phần bộ đệm: Một phần của bộ đệm sẽ được dự trữ cho Cell cĩ ưu tiên cao

Tĩm lại:

R>T-A User

User yêu cầu một VC:

Us er yêu cầu kết nối

CAC trả lời đồng ý hay không

Băng thông yêu cầu Băng thông đang sử dụng Băng thôngcòn lại

A T

Từ chối yêu cầu CAC LOGIC

Trong kỹ thuật ATM có nhiều phương pháp để khắc phục sự cố khi có tắc nghẽn như loại bỏ các Cell có CLP=1, hay xóa các kết nối đang tồn tại có độ ưu tiên thấp hoặc người điều hành mạng có thể ngắt một số đường kết nối nào đó và định tuyến lại cũng như việc bổ sung tài nguyên cho mạng Như vậy ATM có thể đảm bảo QoS một cách thông suốt đầu cuối đến đầu cuối, đây chính là thế mạnh của ATM

1.3.3 Đánh giá mạng trục IP và ATM

Khoảng 8 năm về trước, ATM được xem như là công nghệ ưu tiên trong tương lai cho rất nhiều mạng khác nhau Tuy nhiên sự cải tiến trong môi trường LANs tạo bởi công nghệ Ethernet về tốc độ và giá cả Do vậy, việc tạo ra ATM

ít được thu hút sử dụng trong môi trường LANs này Sự phát triển của chuyển mạch Ethernet đã cải tiến chủ yếu đến công nghệ Ethernet này Với sự đổi mới của công nghệ Gigabit và đang hướng tới công nghệ Ethernet 10 Gigabit

Ngày nay, ATM chủ yếu được sử dụng trong mạng viễn thông (thoại) trong trục Backbone và mở rộng vùng truy nhập cục bộ Các loại lưu lượng gắn liền với ATM luôn được chú ý đến chất lượng dịch vụ

Sự quan trọng của IP, với việc được sử dụng trong mạng Internet, mạng VPN và công nghệ VoIP đang một ngày một gia tăng Vấn đề là ATM không được thiết kế cho việc mang dữ liệu IP một cách tốt nhất Sự quan trọng ngày một gia tăng trong những ứng dụng dựa trên nền tảng IP, dĩ nhiên đó chính là mặt hạn chế trong giải pháp trên cơ sở ATM

Hiện nay có một số quan điểm ưu tiên hơn trong việc chọn công nghệ ATM cho mạng backbone so với IP, bởi vì mạng ATM hiện nay đang còn rất nhiều và ATM luôn đảm bảo tốt nhất về QoS, và đặc biệt là khả năng mang lưu lượng thoại Trong điều kiện hiện nay, việc lựa chọn IP hay ATM phụ thuộc vào mạng hiện tại đang tồn tại và sự cần thiết của nhà điều hành mạng

Tuy nhiên, với những mạng kinh doanh về dịch vụ dữ liệu thì thường sử dụng công nghệ IP cho lớp Core hoặc sự lai ghép giữa IP và ATM với sự hỗ trợ của Switch tích hợp MPLS

Các hướng di trú trong mạng lõi:

- Cài đặt IP Router cho mạng core, ở giai đoạn này các dịch vụ khác nhau

sẽ được cung cấp theo yêu cầu của khách hàng: Đảm bảo đầy đủ QoS nhờ cậy vào mạng ATM, và chất lượng thấp hơn, như rẻ hơn những dịch vụ này sẽ chạy trên mạng IP

- Sự tiến triển của các Node Core tới sự lai ghép giữa IP/ATM, và sự lai ghép thành công chính là sự ra đời của chuyển mạch nhãn đa giao thức

MPLS cho IP Công nghệ này sẽ thêm nhãn vào mào đầu IP để đơn giản hơn trong việc định tuyến Nó cung cấp một phương pháp tốt nhất để mang lưu lượng IP qua ATM và hỗ trợ QoS cho mạng IP Vì thế, mạng lai ghép giữa IP/ATM được cung cấp trên cơ sở MPLS

Chương 2 CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC (MPLS) 2.1 Tổng quan về công nghệ MPLS

Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp Viễn thông đã và đang tìm một phương thức chuyển mạch có thể phối hợp ưu điểm của IP (khả năng định tuyến) và của ATM (như thông lượng chuyển mạch) Mô hình IP-over-ATM của IETF coi IP như một lớp nằm trên lớp ATM và định nghĩa các mạng con IP trên nền mạng ATM Phương thức tiếp cận xếp chồng này cho phép IP và ATM hoạt động với nhau mà không cần thay đổi giao thức của chúng Tuy nhiên, cách này không tận dụng được hết khả năng của ATM Ngoài ra, cách tiếp cận này không thích hợp với mạng nhiều router và không thật hiệu quả trên một số mặt

Công nghệ MPLS (Multiprotocol label switching) là kết quả phát triển của nhiều công nghệ chuyển mạch IP (IP switching) sử dụng cơ chế hoán đổi nhãn như của ATM để tăng tốc độ truyền gói tin mà không cần thay đổi các giao thức định tuyến của IP

Từ những kết quả trên, nhóm làm việc về MPLS được thành lập năm 1997 với nhiệm vụ phát triển một công nghệ chuyển mạch nhãn IP thống nhất mà kết quả của nó là công nghệ MPLS

2.1.1 Giới thiệu về MPLS

MPLS là một công nghệ kết hợp đặc điểm tốt nhất giữa định tuyến lớp ba

và chuyển mạch lớp hai cho phép chuyển tải các gói rất nhanh trong mạng lõi (core) và định tuyến tốt ở mạng biên (edge) bằng cách dựa vào nhãn (label) MPLS là một phương pháp cải tiến việc chuyển tiếp gói trên mạng bằng các nhãn được gắn với mỗi gói IP, tế bào ATM, hoặc frame lớp hai Phương pháp chuyển mạch nhãn giúp các Router và MPLS-enable ATM switch ra quyết định theo nội dung nhãn tốt hơn việc định tuyến phức tạp theo địa chỉ IP đích MPLS kết nối tính thực thi và khả năng chuyển mạch lớp hai với định tuyến lớp 3 Cho phép các ISP cung cấp nhiều dịch vụ khác nhau mà không cần phải bỏ đi cơ sở

hạ tầng sẵn có Cấu trúc MPLS có tính mềm dẻo trong bất kỳ sự phối hợp với công nghệ lớp hai nào

MPLS hỗ trợ mọi giao thức lớp hai, triển khai hiệu quả các dịch vụ IP trên một mạng chuyển mạch IP MPLS hỗ trợ việc tạo ra các tuyến khác nhau giữa nguồn và đích trên một đường trục Internet Bằng việc tích hợp MPLS vào kiến trúc mạng, Các ISP có thể giảm chi phí, tăng lợi nhuận, cung cấp nhiều hiệu quả khác nhau và đạt được hiệu quả cạnh tranh cao

Đặc điểm mạng MPLS:

− Không có MPLS API, cũng không có thành phần giao thức phía host

Công thức để gán nhãn gói tin là:

Network Layer Packet + MPLS Label Stack

− Không gian nhãn (Label Space): có hai loại Một là, các giao tiếp dùng chung giá trị nhãn (per-platform label space) Hai là, mỗi giao tiếp mang giá trị nhãn riêng, (Per-interface Label Space)

− Bộ định tuyến chuyển nhãn (LSR – Label Switch Router): ra quyết định chặng kế tiếp dựa trên nội dung của nhãn, các LSR làm việc ít và hoạt động gần giống như Switch

− Con đường chuyển nhãn (LSP – Label Switch Path): xác định đường đi của gói tin MPLS Gồm hai loại: Hop by hop signal LSP - xác định đường đi khả thi nhất theo kiểu best effort và Explicit route signal LSP - xác định đường đi từ nút gốc

2.1.2 Quá trình chuẩn hóa MPLS

Đối với các công nghệ chuyển mạch mới, việc tiêu chuẩn hoá là một khía cạnh quan trọng quyết định khẳ năng chiếm lĩnh thị trường nhanh chóng của công nghệ đó Các tiêu chuẩn liên quan đến IP và ATM đã được xây dựng và hoàn thiện trong một thời gian tương đối dài Các tiêu chuẩn về MPLS chủ yếu được IETF phát triển (các tiêu chuẩn RFC – Request for Comment) hiện đang được hoàn thiện và đã thực hiện theo một quá trình như sau:

− Vào đầu năm 1997, hiến chương MPLS được thông qua

− Vào tháng 4 năm 1997, nhóm làm việc MPLS tiến hành cuộc họp đầu tiên

− Vào tháng 11 năm 1997, tài liệu MPLS được ban hành

− Vào tháng 7 năm 1998, tài liệu cấu trúc MPLS được ban hành

− Trong tháng 8 và tháng 9 năm 1998, 10 tài liệu Internet bổ sung được ban hành, bao gồm giao thức phân phối nhãn MPLS (MPLS Label Distribution Protocol – MPLS LDP), mã hóa đánh dấu (Mark Encoding), các ứng dụng ATM,v.v… MPLS hình thành về căn bản

− IETF hoàn thiện các tiêu chuẩn MPLS và đưa ra các tài liệu RFC trong năm 1999

− Quá trình chuẩn hoá MPLS còn do ITU-T xây dựng và phát triển

Như vậy, có thể thấy rằng MPLS đã phát triển nhanh chóng và hiệu quả Điều này cũng chứng minh những yêu cầu cấp bách trong công nghiệp cho một công nghệ mới Hầu hết các tiêu chuẩn MPLS hiện tại đã được ban hành dưới dạng RFC

− Dịch vụ mạng riêng ảo IP (VPN): VPN thiết lập cơ sở hạ tầng cho mạng intranet và extranet, đó là các mạng IP mà các công ty kinh doanh sẽ thiết lập trên cơ sở toàn bộ cấu trúc kinh doanh của họ Dịch vụ VPN là dịch vụ mạng Intranet và Extranet mà các mạng đó được cung cấp bởi nhà cung cấp dịch vụ đến nhiều tổ chức khách hàng MPLS kết hợp với giao thức cổng biên (BGP) cho phép một nhà cung cấp mạng hỗ trợ hàng nghìn VPN của khách hàng Như vậy, mạng MPLS cùng với BGP tạo ra cách thức cung cấp dịch vụ VPN trên cả ATM và các thiết bị dựa trên gói tin rất linh hoạt, dễ mở rộng quy mô và dễ quản lý Thậm

chí trên các mạng của nhà cung cấp khá nhỏ, khả năng linh hoạt và dễ quản lý của các dịch vụ MPLS+BGP VPN là ưu điểm chủ yếu

− Điều khiển lưu lượng và định tuyến IP: vấn đề quan trọng trong các mạng IP liên tục là thiếu khả năng điều khiển linh hoạt các luồng lưu lượng IP để sử dụng hiệu qủa dải thông mạng có sẵn Do vậy, thiếu hụt này liên quan đến khả năng gửi các luồng được chọn xuống các đường được chọn ví dụ như chọn các đường trung kế được bảo đảm cho các lớp dịch vụ riêng MPLS sử dụng các đường chuyển mạch nhãn (LSPs),

đó chính là một dạng của „lightweight VC‟ mà có thể được thiết lập trên

cả ATM và thiết bị dựa trên gói tin Khả năng điều khiển lưu lượng IP của MPLS sử dụng thiết lập đặc biệt các LSP để điều khiển một cách linh hoạt các luồng lưu lượng IP

2.2 Hoạt động của MPLS

2.2.1 Một số khái niệm cơ bản trong MPLS

Trước khi vào trình bày về hoạt động của mạng MPLS, có một số khái niệm cơ bản của mạng MPLS cần phải làm rõ:

a) Lớp chuyển tiếp tương dương (Forward Equivalence Class - FEC)

Lớp chuyển tiếp tương đương-FEC là một khái niệm được dùng để chỉ một lớp các gói tin được ưu tiên như nhau trong quá trình vận chuyển Tất cả các gói trong một nhóm được đối xử như nhau trên đường tới đích Khác với IP thông thường, trong MPLS, các gói tin riêng biệt được gán vào các FEC riêng ngay sau khi chúng vào mạng Các FEC dựa trên yêu cầu dịch vụ cho việc thiết lập các gói tin hay đơn giản cho một tiền địa chỉ

b) Nhãn và gán nhãn

Nhãn là một thực thể có độ dài ngắn và cố định không có cấu trúc bên trong Nhãn không trực tiếp mã hoá thông tin của mào đầu lớp mạng như địa chỉ mạng Nhãn được gắn vào một gói tin cụ thể sẽ đại diện cho một FEC (Forwarding Equivalence Classes: Nhóm chuyển tiếp tương đương) mà gói tin được ấn định Thường thì một gói tin được ấn định một FEC (hoàn toàn hoặc một phần) dựa trên địa chỉ đích lớp mạng của nó Tuy nhiên nhãn không phải là

mã hoá của địa chỉ đó

Dạng của nhãn phụ thuộc vào phương thức truyền tin mà gói tin được đóng gói Nhãn trong dạng đơn giản nhất xác định đường đi mà gói tin có thể truyền qua Nhãn được mang hay được đóng gói trong tiêu đề lớp 2 cùng với gói tin

Bộ định tuyến kiểm tra các gói tin qua nội dung nhãn để xác định các bước chuyển kế tiếp Khi gói tin được gán nhãn, các chặng đường còn lại của gói tin

thông qua mạng đường trục dựa trên chuyển mạch nhãn Giá trị nhãn chỉ có ý nghĩa cục bộ nghĩa là chúng chỉ liên quan đến các bước chuyển tiếp giữa các LSR

Nhãn được gán vào gói tin khi gói tin đó được sắp xếp bởi các FEC mới hay FEC đang tồn tại Giá trị nhãn phụ thuộc vào phương tiện mà gói tin được đóng gói Đối với mạng Frame Relay sử dụng giá trị nhận dạng kết nối lớp liên kết dữ liệu - DLCI ( Data Link Connection Identifier), ATM sử dụng trường nhận dạng đường ảo trong tế bào/ trường nhận dạng kênh ảo trong tế bào (Virtual Path Identifier/ Virtual Circuit Identifier - VPI/VCI) Sau đó gói được chuyển tiếp dựa trên giá trị của chúng

Việc gán nhãn dựa trên những tiêu chí sau:

− Định tuyến unicast đích

− Kỹ thuật lưu lượng

− Multicast

− Mạng riêng ảo (Virtual Private Networks - VPN)

− Chất lượng dịch vụ (Quality of Service - QoS)

Định dạng chung của nhãn được giải thích trong hình 1

Hình 2.1: Định dạng chung của nhãn MPLS

Trong hình 1, phần SHIM MPLS:

− Label (20 bit): chứa gía trị nhãn

− Exp bits: CoS (3 bit)- chất lượng dịch vụ

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

− TTL (8bit)- time to live: trường định thời

c) Tạo nhãn

Nhãn được tạo dựa trên các phương pháp sau:

− Topo: nhờ giao thức định tuyến thông thường (OSPF và BGP)

− Yêu cầu: điều khiển lưu lượng dựa trên yêu cầu

− Lưu lượng: nhận gói tin để phân phối và gán nhãn

d) Ngăn xếp nhãn

Đó là một tập hợp có thứ tự các nhãn gán theo gói để truyền tải thông tin về FEC mà gói nằm trong và về các LSP tương ứng gói sẽ đi qua Ngăn xếp nhãn cho phép MPLS hỗ trợ định tuyến phân cấp Mỗi mức trong ngăn xếp nhãn gắn liền với mức phân cấp nào đó Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho chế độ hoạt động đường hầm trong MPLS

e) Bảng chuyển tiếp chuyển mạch nhãn

Là bảng chuyển tiếp nhãn có chứa thông tin về nhãn vào, nhãn ra, giao diện vào, giao diện ra

f) Cơ sở dữ liệu nhãn (Label Information Base - LIB)

Cơ sở dữ liệu nhãn (Label Information Base - LIB) là bảng chứa các giá trị nhãn/ FEC được gán vào cũng như thông tin về đóng gói dữ liệu truyền tại mỗi LSR để xác định cách thức một gói tin được chuyển tiếp

g) Đường chuyển mạch nhãn (Label Switched path - LSP)

Trong MPLS, việc truyền dữ liệu thực hiện theo các đường chuyển mạch nhãn (Label Switched Path - LSP) Các đường chuyển mạch nhãn chứa một chuỗi các nhãn tại tất cả các nút dọc theo tuyến từ nguồn tới đích LSP được thiết lập trước khi truyền dữ liệu hoặc trong khi xác định luồng dữ liệu nào đó Các nhãn được phân phối bằng việc sử dụng giao thức phân phối nhãn (Label Distribution Protocol - LDP) hoặc giao thức giành trước tài nguyên (Resource Reservation Protocol - RSVP) trên các giao thức định tuyến giống như giao thức cổng biên (Border Gateway Protocol - BGP) và giao thức định tuyến mở rộng theo phương thức ưu tiên tuyến đường ngắn nhất (Open Shortest Path First - OSPF) Mỗi gói dữ liệu được đóng gói lại và mang các nhãn trong suốt thời gian

di chuyển từ nguồn tới đích Chuyển mạch dữ liệu tốc độ cao hoàn toàn có thể thực hiện dựa theo phương pháp này, vì các nhãn có độ dài cố định được chèn vào phần đầu của gói tin hoặc tế bào và có thể được sử dụng bởi phần cứng để chuyển mạch nhanh các gói giữa các liên kết

h) Cơ cấu báo hiệu

− Yêu cầu nhãn: Sử dụng cơ cấu này, một LSR yêu cầu một nhãn từ dòng

xuống lân cận nên nó có thể liên kết đến FEC xác định Cơ cấu này có thể được dùng để truyền đến các LSR tiếp theo cho đến LER lốira

− Đáp ứng nhãn: Để đáp ứng một yêu cầu nhãn, LSR luồng xuống sẽ gửi

một nhãn đến các bộ khởi động ở luồng lên sử dụng cơ cấu ánh xạ nhãn

Đáp ứng nhãn

Ví dụ nhãn 2

Đáp ứng nhãn

Ví dụ nhãn 5

Yêu cầu nhãn Cho đích C

Yêu cầu nhãn Cho đích C

LSR Lối vào LER

Bộ định tuyến B

Bộ định tuyến C

Hình 2.2: Cơ cấu báo hiệu của nhãn MPLS

2.2.2 Cấu trúc và các thành phần của mạng MPLS

Một cách tổng quát, cấu trúc mạng MPLS gồm có hai phần Lõi MPLS (MPLS Core) và Biên MPLS (MPLS Edge) như trong Hình 2.3 Cả hai phần này đều chứa thành phần quan trọng cơ bản của mạng MPLS là thiết bị định tuyến chuyển mạch nhãn LSR (Label Switch Router) Thiết bị này thực hiện chức năng chuyển tiếp gói thông tin trong phạm vi mạng MPLS bằng thủ tục phân phối nhãn

Hình 2.3: Cấu trúc và các thành phần cơ bản của mạng MPLS

Căn cứ vào vị trí và chức năng của LSR có thể phân thành các loại chính sau đây:

− LER (Lable Edge Router): là các LSR nằm ở biên của mạng MPLS

LER này tiếp nhận hay gửi đi các gói thông tin đến mạng khác (IP, Frame Relay, ) LER gán hay loại bỏ nhãn cho các gói thông tin đến hoặc đi khỏi mạng MPLS Các LSR này còn được gọi là Ingress Router (router lối vào) xử lý lưu lượng đi vào miền MPLS hay egress router (router lối ra) xử lý lưu lượng rời khỏi miền MPLS

− LSR chuyển tiếp (Triansit LSR): là các LSR nằm ở vùng lõi của mạng

MPLS và xử lý lưu lượng bên trong miền MPLS

2.2.3 Hoạt động của MPLS

Để truyền gói tin qua mạng MPLS, hệ thống thực hiện các bước sau:

− Tạo và phân phối nhãn: Trước khi bắt đầu truyền bất cứ lưu lượng nào,

router tạo quyết định ràng buộc nhãn với một FEC nhất định và xây dựng bảng của nó Trong LDP, luồng xuống router khởi phát sự phân bố nhãn và ràng buộc FEC/nhãn Ngoài ra, các đặc tính liên quan tới lưu lượng và khả năng MPLS được dàn xếp sử dụng LDP Một giao thức truyền tải tin cậy và trật tự được sử dụng để làm giao thức báo hiệu LDP sử dụng TCP

− Tạo bảng cho mỗi bộ định tuyến:

Khi nhận được ràng buộc nhãn, mỗi LSRs tạo các đầu vào trong bảng

cơ sở dữ liệu nhãn (LIB) Nội dung của bảng sẽ xác định ánh xạ giữa nhãn và FEC

Ánh xạ giữa cổng lối vào và bảng nhãn đầu vào tới cổng lối ra và bảng nhãn đầu ra Các lối vào được cập nhật bất cứ khi nào nhận ra có ràng buộc nhãn xảy ra

− Tạo đường chuyển mạch nhãn: Các LSP được tạo theo hướng ngược lại

với sự tạo thành các lối vào trong LIB

− Gán nhãn dựa trên tra cứu bảng: Router đầu tiên sử dụng bảng LIB để

tìm chặng tiếp theo và yêu cầu nhãn với một FEC nhất định Chuỗi router con sử dụng nhãn để tìm chặng tiếp theo Khi một gói tới LSR biên lối ra, nhãn sẽ bị bỏ và gói được cấp tới đích

− Truyền gói tin: Khi một gói tin đến LSR biên vào, LSR biên lối vào này

sẽ gửi một yêu cầu nhãn đến các LSR trong miền lõi Yêu cầu này sẽ được phát trên toàn mạng như hình 2.4 LDP sẽ xác định đường dẫn ảo đảm bảo QoS, CoS Mỗi một LSR sẽ nhận được một nhãn từ LSR sau

nó Tương tự, LSR biên lối vào cũng nhận được một nhãn và gán nhãn này vào rồi chuyển tiếp gói tin đến LSR tiếp theo Mỗi bộ định tuyến trung gian LSR sẽ kiểm tra nhãn trong gói tin nhận được, thay nó với nhãn lối ra và truyền gói tin đi Đến LSR biên lối ra, nhãn sẽ bị loại bỏ

và gói tin được chuyển tới đích

Có hai chế độ hoạt động đối với MPLS: chế độ hoạt động khung ( mode) và chế độ tế bào ( Cell-mode )

Frame-2.2.3.1 Chế độ hoạt động khung

Chế độ hoạt động này xuất hiện khi sử dụng MPLS trong môi trường các thiết bị định tuyến thuần điều khiển các gói tin IP điểm-điểm Các gói tin dán nhãn được chuyển tiếp trên cơ sở khung lớp 2

Cơ chế hoạt động của MPLS trong chế độ này được mô tả hình dưới đây

tin IP tại LSR biên

Bước2: Kiểm tra lớp

3 gán nhãn, nhuyển gói IP đến LSR lõi 1

Bước3:Kiểm tra nhãn chuyển đổi nhãn chuyển gói IP đến

LSR lõi 3

Bước4: Kiểm tra nhãn chuyển đổi nhãn chuyển gói IP đến LSR biên 4

Bước5:Kiểm tra nhãn xoá bỏ nhãn đi chuyển gói IP đến đích

Hình 2.4: Mạng MPLS trong hoạt động chế độ khung

− Các hoạt động trong mảng số liệu:

Quá trình chuyển tiếp một gói IP qua mạng MPLS được thực hiện qua một bước cơ bản sau đây:

+ LSR biên lối vào nhận gói IP, phân loại gói vào nhóm chuyển tiếp tương đương FEC và gán nhãn cho gói với ngăn xếp nhãn tương ứng với FEC đã xác định Trong trường hợp định tuyến một địa chỉ đích, FEC sẽ tương ứng với mạng con đích và việc phân loại gói sẽ đơn giản hơn là việc so sánh bảng định tuyến lớp 3 truyền thống

+ LSR lõi nhận gói tin có nhãn và sử dụng bảng chuyển tiếp nhãn để thay đổi nhãn lối vào của gói đến với nhãn lối ra tương ứng với cùng FEC ( trong trường hợp mạng con là mạng IP )

+ Khi LSR biên lối ra của vùng FEC này nhận được gói tin có nhãn, nó loại bỏ nhãn và thực hiện chuyển tiếp gói tin IP theo bản định tuyến lớp 3 truyền thống

− Mào đầu nhãn MPLS

Nhãn MPLS được chèn trước số liệu cần gán nhãn ở chế độ hoạt động khung Tức là nhãn MPLS được chèn vào giữa mào đầu lớp 2 và nội