Cơ chế phục hồi trong mạng mpls

Các router trên đường dẫn chỉ căn cứ vào nội dung của nhãn để thực hiện quyết định chuyển tiếp gói mà không cần phải kiểm tra header IP.. Như vậy, FEC là một nhóm các gói IP được chuyển

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐOÀN TUẤN HÂN CƠ CHẾ PHỤC HỒI TRONG MẠNG MPLS Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2008

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 25tháng 07năm 2008

Tp HCM, ngày ………… tháng ………… năm 2008

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Đoàn Tuấn Hân Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 04/05/1976 Nơi sinh: Quảng Ngãi Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử MSHV: 01406306

I- TÊN ĐỀ TÀI: CƠ CHẾ PHỤC HỒI TRONG MẠNG MPLS

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tìm hiểu lý thuyết công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS

- Lý thuyết về kỹ thuật lưu lượng

- Cơ chế phục hồi trong mạng MPLS

- Nghiên cứu cơ chế đề xuất

- Thực nghiệm mô phỏng

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21/01/2008

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/06/2008

V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): TS Phạm Thị Cư,

LỜI CÁM ƠN

Để hoàn thành luận văn, ngoài những nỗ lực không

ngừng của bản thân, người viết đã nhận được sự giúp đỡ

lớn lao từ phía thầy cô, bạn bè và gia đình

Xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý thầy cô thuộc bộ môn Viễn thông-Khoa

Điện-Điện tử-Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM,

những người đã tận tình dạy dỗ, truyền đạt

những kiến thức quý báu Đặc biệt, tôi xin chân

thành cảm ơn TS Phạm Thị Cư, PGS.TS Phạm

Hồng Liên, đã hết lòng hướng dẫn, cung cấp tài

liệu cũng như những lời khuyên hữu ích, giúp

đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Xin cảm ơn tất cả bạn bè đã chia sẻ những kiến thức và động viên tôi hoàn thành luận văn Cảm ơn gia đình luôn là chỗ dựa tinh thần và là nguồn động lực giúp tôi vượt qua những khó khăn trên con đường tích lũy tri thức

ĐOÀN TUẤN HÂN

1.2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 2

1.3 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3

1.3.1 Mục tiêu của đề tài 3

1.3.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

1.4 BỐ CỤC CỦA ĐỀ TÀI 3

1.5 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI 4

2.1.1 Tính thông minh phân tán 5

2.1.2 MPLS và mô hình tham chiếu OSI 5

2.2 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG MPLS 6

2.5.1 Hoạt động trong mặt phẳng chuyển tiếp 18

2.5.2 Gỡ nhãn ở hop áp cuối PHP 19

2.5.3 Một ví dụ hoạt động chuyển tiếp gói 19

2.6 CÁC GIAO THỨC BÁO HIỆU TRONG MPLS 20

2.6.1 Giao thức phân phối nhãn LDP 20

2.6.2 Giao thức phân phối nhãn định tuyến bắt buộc CR-LDP 20

2.6.3 Giao thức RSVP-TE 20

2.6.4 Giao thức BGP-4 21

2.7 ƯU ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG CỦA MPLS 21

2.7.1 Đơn giản hóa chức năng chuyển tiếp 21

2.7.2 Kỹ thuật lưu lượng 21

2.7.3 Định tuyến QoS từ nguồn 22

3.3 VẤN ĐỀ NGHẼN 26 3.4 CÁC LỚP DỊCH VỤ DỰA TRÊN NHU CẦU QoS VÀ CÁC LỚP

3.6.2 Thuật toán thùng Token 32

3.7 MPLS VÀ KỸ THUẬT LƯU LƯỢNG 33

3.8 CÁC ĐẶC TÍNH VÀ CÁC THUỘC TÍNH CỦA TRUNG KẾ LƯU

LƯỢNG

33

3.8.1 Các đặc điểm của trung kế lưu lượng 33

3.8.2 Các hoạt động cơ bản trên các trung kế lưu lượng 34

3.8.3 Các thuộc tính kỹ thuật lưu lượng của trung kế lưu lượng 34

3.9 CÁC THUỘC TÍNH TÀI NGUYÊN 37

3.9.1 Số nhân phân phối cực đại 37

3.9.2 Thuộc tính lớp tài nguyên 37

3.10 ĐỊNH TUYẾN TRÊN CƠ SỞ RÀNG BUỘC 38

PHẦN 2: CƠ CHẾ PHỤC HỒI TRONG MẠNG MPLS

4.1 GIỚI THIỆU 39 4.2 CƠ CHẾ PHỤC HỒI TRONG MẠNG MPLS 39

4.2.1 Sắp xếp đường phục hồi 40

4.2.2 Tính toán đường phục hồi 44

4.3 CÁC MÔ HÌNH PHỤC HỒI TRONG MẠNG MPLS 49

4.3.2 Cây cảnh báo đảo ngược 50

4.3.3 Dự phòng đảo – Mô hình HASKIN 51

4.3.4 Mô hình SHORTEST-DYNAMIC 53

4.3.5 Mô hình SIMPLE-DYNAMIC 53

4.3.6 Tái định tuyến 54 4.3.7 Dự phòng 1-1 tái định tuyến nhanh 55

Chương 5: CƠ CHẾ BẢO VỆ NHU CẦU ĐỘ ƯU TIÊN CAO VỚI

ĐƯỜNG DỰ PHÒNG PHỤ THUỘC LỖI

5.1.3 Minh họa bài toán mô hình mạng 60

5.2 CƠ CHẾ PHỤC HỒI BẢO VỆ CÁC NHU CẦU ĐỘ ƯU TIÊN CAO

VỚI ĐƯỜNG DỰ PHÒNG PHỤ THUỘC LỖI

5.3.2 Xây dựng tập tin dữ liệu biểu diễn mô hình mạng 73

5.4 THUẬT TOÁN CSPF 74

5.4.1 Giới thiệu 74 5.4.2 Minh họa thuật toán CSPF với ràng buộc về băng thông 76

5.5 KẾT LUẬN 77

PHẦN 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

6.1 SƠ LƯỢC VỀ NETWORK SIMULATOR 78

6.2 MÔ PHỎNG CƠ CHẾ PHỤC HỒI TRONG MPLS 82

6.2.1 Mô phỏng mạng IP không hỗ trợ MPLS 83

6.2.2 Mô phỏng rơi tất cả lưu lượng khi link hỏng trong mạng MPLS 84

6.2.3 Mô phỏng khôi phục đường theo cơ chế Makam 86

6.2.4 Mô phỏng khôi phục đường theo cơ chế Haskin (Reverse Backup) 88

6.2.5 Mô phỏng khôi phục đường theo cơ chế Shortest Dynamic 90

6.2.6 Mô phỏng khôi phục đường theo cơ chế Simple Dynamic 92

6.3 MÔ PHỎNG BÀI TOÁN MÔ HÌNH TỐI ƯU HÓA MẠNG 94

6.3.1 Bài toán độ tin cậy mạng – mô phỏng 1 94

6.3.2 Bài toán độ tin cậy mạng – mô phỏng 2 96

6.4 MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN CSPF 97

7.1 KẾT LUẬN 99 7.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 100

TÀI LIỆU THAM KHẢO

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1MPLS và mô hình tham chiếu OSI……… 5

Hình 2.2 So sánh giữa chuyển tiếp IP và chuyển tiếp MPLS……… 6

Hình 2.3 Miền MPLS……… 6

Hình 2.4 Upstream và download LSR……… 7

Hình 2.5 Lớp chuyển tiếp tương đương MPLS……… 8

Hình 2.6 Stack nhãn……….8

Hình 2.7 Đường chuyển mạch nhãn LS……….10

Hình 2.8 Phân cấp LSP trong MPLS……….10

Hình 2.9 Gói IP đi qua mạng MPLS……… 11

Hình 2.10 Định dạng một entry trong stack nhãn MPLS……… 11

Hình 2.11 Shim header được chêm vào giữa các header lớp 2 và lớp 3………12

Hình 2.12 Nhãn trong cell ATM……….13

Hình 2.13 Đóng gói các gói có nhãn trên link ATM……… 14

Hình 2.14 Cấu trúc của LER và transit-LSR………15

Hình 2.15 FTN, ILM và NHLFE……….16

Hình 2.16 Quá trình chuyển một gói đến hop kế……….17

Hình 2.17 Ví dụ về NHLFE……… 17

Hình 2.18 Bên trong mặt phẳng chuyển tiếp MPLS………18

Hình 2.19 Ví dụ về hoạt động chuyển tiếp gó……… 19

Hình 2.20 Thiết lập đường đi RSVP-TE………21

Hình 3.1 Kỹ thuật lưu lượng………24

Hình 3.2 Các vấn đề nghẽn tiềm tàng………26

Hình 3.3 Nhiều luồng cho mỗi lớp lưu lượng……… 29

Hình 3.4 Hàng đợi CQ……….30

Hình 3.5 Hàng đợi PQ……….30

Hình 3.6 Thùng rò (leaky bucket)……… 31

Hình 3.7 (a) Thùng rò với nước, (b) Thùng rò với các gói……… 31

Hình 3.8 Thùng Token (Token Bucket)……….32

Hình 4.1 Minh họa đường phục hồi toàn cục……… 41

Hình 4.2 Minh họa phục hồi kết nối……… 42

Hình 4.3 Minh họa phục hồi nút……….42

Hình 4.4 Minh họa bảo vệ phân đoạn………43

Hình 4.5 Tái định tuyến………46

Hình 4.6 Mô hình MAKAM……… 49

Hình 4.7 Cây cảnh báo đảo ngược……….50

Hình 4.8 Mô hình HASKIN……… 52

Hình 4.9 Mô hình Shortest Dynamic……….53

Hình 4.10 Mô hình Simple – Dynamic……… 54

Hình 4.11 Tái định tuyến nhanh 1-1……… 55

Hình 4.12 Tái định tuyến nhanh 1-1 có chồng lấp……… 56

Hình 5.1 Mô hình mạng………59

Hình 5.2 Mạng viễn thông ví dụ……… 60

Hình 5.3 Kết quả các đường đi giữa nút 10 và 11……… 65

Hình 5.4 Giao diện GUI trong phần mềm Xpress-MP 2007……… 66

Hình 5.5 Minh họa các LSP phụ thuộc lỗi……… 70

Hình 5.6 Mô hình mạng xem xét……… 73

Hình 5.7 Sơ đồ mạng minh họa thuật toán CSPF………76

Hình 6.1 Cách nhìn đơn giản về NS……… 78

Hình 6.2 Tính hai mặt của C++ và Otcl……… 79

Hình 6.3 Kiến trúc NS……… 79

Hình 6.4 Giao diện của NAM……… 80

Hình 6.5 Giao diện đồ thị trong Xgraph……… 81

Hình 6.6 Mô hình mạng mô phỏng……… 82

Hình 6.7 Mô phỏng mạng IP không hỗ trợ MPLS – cửa sổ mô phỏng NAM………… 83

Hình 6.8 Mạng IP – kết quả băng thông theo thời gian……….83

Hình 6.9 Mạng IP – kết quả màn hình shell……….84

Hình 6.10 Mô phỏng rơi tất cả lưu lượng – cửa sổ mô phỏng NAM……… 85

Hình 6.11 Biểu đồ băng thông theo thời gian……… 85

Hình 6.12 Biểu đồ số thứ tự gói theo thời gian……… 86

Hình 6.13 Mô hình Makam – cửa sổ mô phỏng NAM………86

Hình 6.14 Mô hình Makam – biểu đồ băng thông theo thời gian……….87

Hình 6.15 Mô hình Makam – biểu đồ số thứ tự gói theo thời gian……… 87

Hình 6.16 Mô hình Makam - kết quả màn hình shell……… 87

Hình 6.17 Mô hình Haskin – cửa sổ mô phỏng NAM……….88

Hình 6.18 Mô hình Haskin – biểu đồ băng thông theo thời gian……….89

Hình 6.19 Mô hình Haskin – biểu đồ số thứ tự gói theo thời gian……… 89

Hình 6.20 Mô hình Haskin – kết quả màn hình shell……… 89

Hình 6.21 Mô hình Shortest Dynamic – cửa sổ mô phỏng NAM……… 90

Hình 6.22 Mô hình Shortest Dynamic – biểu đồ băng thông theo thời gian………… 91

Hình 6.23 Mô hình Shortest Dynamic – biểu đồ số thứ tự gói theo thời gian…………91

Hình 6.24 Mô hình Shortest Dynamic – kết quả màn hình shell……… 91

Hình 6.25 Mô hình Simple Dynamic – cửa sổ mô phỏng NAM………92

Hình 6.26 Mô hình Simple Dynamic – biểu đồ băng thông theo thời gian………93

Hình 6.27 Mô hình Simple Dynamic – biểu đồ số thứ tự gói theo thời gian………… 93

Hình 6.28 Mô hình Simple Dynamic – kết quả màn hình shel……… 93

Hình 6.29 Mô hình mạng mô phỏng độ tin cậy 1………94

Hình 6.30 Kết quả mô phỏng 1 trong giao diện phần mềm Xpress-MP 2007…………95

Hình 6.31 Mô hình mạng mô phỏng độ tin cậy 2……….96

Hình 6.32 Kết quả mô phỏng 2 trong giao diện phần mềm Xpress-MP 2007…………96

Hình 6.33 Sơ đồ mạng minh họa thuật toán CSPF……….97

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

ASIC Application-Specific Integrated Circuit

CR-LDP Constraint-based Routing Label Distribution Protocol

CR-LSP Constraint-based Routing Label Switched Path

CSPF Constrained Shortest Path First

Diffserv Differentiated Service

DLCI Data Link Connection Identifier

FDDI Fibre Distributed Data Interface

FIB Forwarding Infomation Base

FIFO First-in First-out

ISDN Intergrated Service Digital Network

IS-IS Intermediate System - to - Intermediate System

IS-IS TE IS-IS with Traffic Engineering

MPLS-TE MPLS Traffic Engineering

MPOA Multiprotocol over ATM

PBS Peak Burst Size

RSVP Resource reSerVation Protocol

VCI Virtual Circuit Identifier

ABSTRACT

In the development of MPLS network today, it is important to propose different techniques for network recovery MPLS networks have many advantages, but they also have some disavantages The thesis “MPLS based recovery mechanisms” will examine some models for recovery in the case of a failure in an MPLS network Besides, an other mechanism is proposed and research The simulation will be performed on PC with software Network Simulator version 2 The results of the thesis will be the best reference for telecommunication service providers in deploying MPLS technology

Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ MPLS, việc nghiên cứu và đưa ra những kỹ thuật cho việc phục hồi mạng đóng vai trò quan trọng Các mạng MPLS có nhiều ưu điểm nhưng ngược lại cũng có những hạn chế Đặc biệt, lỗi mạng là điều không thể tránh khỏi Đề tài “Cơ chế phục hồi trong mạng MPLS” sẽ xem xét ra một số giải pháp cho việc phục hồi mạng về trạng thái bình thường khi xảy ra lỗi Ngoài ra cũng đề xuất

và nghiên cứu một cơ chế khác Việc mô phỏng được thực hiện trên máy tính thông qua phần mềm mô phỏng NS-2 và một số gói phần mềm bổ sung Kết quả của đề tài sẽ

là một sự tham khảo tốt cho những nhà cung cấp dịch vụ viễn thông trong việc triển khai công nghệ MPLS

Chương 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Các mạng máy tính trước đây vận chuyển các luồng bit liên tục trên các đường truyền vật lý thông qua kỹ thuật gọi là chuyển mạch mạch Điều này thích hợp cho việc truyền tín hiệu thoại hoặc dữ liệu thời gian thực từ một nơi gửi đến nơi nhận Đối với loại đường truyền này, chỉ cần xảy ra lỗi trên một đuờng truyền vật lý nào đó cũng sẽ dẫn đến những hậu quả khôn lường, làm gián đoạn tất cả các truyền thông mà có sử dụng đường truyền bị lỗi Ngày nay Internet là một mạng chuyển mạch gói mà giải quyết hạn chế trên bằng cách chia nhỏ dữ liệu thành những gói tin Các gói này được định tuyến qua mạng một cách riêng lẻ, vì vậy hai gói của cùng một đường truyền thông sẽ được quản lý một cách độc lập Do đó, nếu một đường truyền bị lỗi, các gói tin có thể được tái định tuyến để tránh đuờng truyền lỗi và truyền thông không bị gián đoạn Việc quản lý luồng dữ liệu trong một mạng chuyển mạch gói sẽ khó hơn trong mạng chuyển mạch mạch bởi vì mỗi gói được quản lý độc lập nhau

Những năm gần đây có một tốc độ phát triển như vũ bão trong việc sử dụng Internet, các dịch vụ hướng kết nối thời gian thực mới, các dịch vụ hướng giao tác cũng như một số dịch vụ mới đang được nhúng vào Các dịch vụ này đang đáp ứng được nhiều nhu cầu quan trọng cho các công ty, doanh nghiệp, nhưng chúng lại đòi hỏi từ Internet nhiều kỹ thuật xử lý phức tạp hơn so với các dịch vụ trước đây

Người ta đã tiến hành nhiều nghiên cứu về chất lượng dịch vụ (QoS) nhằm đưa ra các

độ ưu tiên về lưu lượng trong một mạng Vấn đề ở đây là không phải tất cả các lưu lượng trong một mạng đều cần được xử lý giống nhau Một số lưu lượng có thể cần độ trễ ít hơn, trong khi các lưu lượng khác lại yêu cầu băng thông nhiều hơn Bằng cách phân loại lưu lượng thành những lớp phân biệt, các lớp lưu lượng này có thể được xử

lý khác nhau bởi các bộ định tuyến

Các giao thức IP ngày nay được thiết kế đủ mạnh để có thể tái thiết lập kết nối sau khi

có lỗi của bất kỳ thành phần mạng nào Tuy nhiên, nó có thể tiêu tốn nhiều thời gian

và sẽ không thể chấp nhận đối với các dịch vụ cần độ ưu tiên cao

Đề tài sẽ đánh giá một số mô hình phục hồi cổ điển trong mạng MPLS, mà nó cho phép tái định tuyến lưu lượng nhanh hơn phương pháp tái định tuyến IP hiện hành trong trường hợp có lỗi mạng Ngoài ra, cũng đề xuất nghiên cứu một cơ chế mới và

so sánh nó với các cơ chế truyền thống

1.2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

Công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS được bắt đầu nghiên cứu vào năm

Đối với Việt nam, việc triển khai MPLS được xúc tiến xây dựng trong mạng truyền tải của VNPT Với dự án VoIP, VNPT đã thiết lập mạng trục MPLS với 3 LSR lõi Các LSR biên được tiếp tục đầu tư và mở rộng tại các địa điểm có nhu cầu lớn như Hải Phòng, Quảng Ninh ở phía Bắc, Đà Nẵng, Khánh Hòa ở miền Trung, Bình Dương, Đồng Nai, Bà Rịa - Vũng Tàu ở miền Nam

Những lợi ích vượt bậc mà mạng MPLS đem lại đã được công ty AT&T đưa ra trong [1]

Jim Guichard [2] đã trình bày nền tảng kỹ thuật lưu lượng, sự ràng buộc định tuyến và hoạt động trên MPLS TE, và cấu hình kỹ thuật lưu lượng MPLS

Trước đây có nhiều tác giả đã thực hiện nghiên cứu về MPLS với các cơ chế điều khiển tắc nghẽn Chẳng hạn, tác giả Đỗ Giang Nam nghiên cứu đề tài “Điều khiển tắc nghẽn mạng MPLS cơ chế FATE và FATE+”, tác giả Đoàn Xuân Toàn thực hiện đề tài “Điều khiển tắc nghẽn trong MPLS” cũng trên cơ sở các cơ chế FATE và FATE+, còn tác giả Võ Quế Sơn cải tiến sử dụng cơ chế FATE++ với đề tài “Điều khiển tắc nghẽn trong mạng MPLS”

Đề tài tôi thực hiện sẽ giới thiệu một hướng nghiên cứu khác Đó là việc nghiên cứu các cơ chế phục hồi khi xảy ra lỗi trong một mạng MPLS và so sánh đánh giá ưu và khuyết của từng cơ chế Bên cạnh các cơ chế truyền thống, đề tài cũng đề xuất nghiên cứu một cơ chế mới, đó là cơ chế bảo vệ các nhu cầu độ ưu tiên cao với các đường dự phòng phụ thuộc lỗi

Việc thực hiện đề tài có ý nghĩa thiết thực, giúp các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông

có thêm một tham khảo hữu ích khi tiến hành triển khai mạng MPLS và các dịch vụ ứng dụng trên mạng này

1.3 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

1.3.1 Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu chính của đề tài là đưa ra và đánh giá một số giải pháp cho việc khôi phục luồng dữ liệu trong một mạng MPLS khi xảy ra lỗi Ngoài ra, cũng đề xuất nghiên cứu một cơ chế khác

1.3.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đề tài tập trung nghiên cứu xây dựng các mô hình phục hồi mạng từ trạng thái lỗi về lại trạng thái bình thường Đồng thời cũng nghiên cứu một chiến lược được đề xuất,

đó là bảo vệ các nhu cầu có độ ưu tiên cao với các đường dự phòng phụ thuộc lỗi được định tuyến đường đi ngắn nhất, thông qua việc xây dựng các ràng buộc và mô hình toán

Qua thực nghiệm mô phỏng dựa trên phần mềm NS-2 (Network Simulator version 2.0) có bổ sung gói MNS-2 (MPLS Network Simulator version 2.0) sẽ rút ra những nhận xét và đánh giá ưu khuyết của các mô hình phục hồi

1.4 BỐ CỤC CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài gồm các phần chính sau:

PHẦN 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Phần này bao gồm các chương sau:

Chương 1: Giới thiệu đề tài

Chương này trình bày tổng quan, mục đích và yêu cầu của các phần được nghiên cứu trong luận văn

Chương 2: Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS

Giới thiệu tổng quan công nghệ MPLS, các khái niệm cơ bản, kiến trúc chức năng và

cơ chế hoạt động của MPLS

Chương 3: Kỹ thuật lưu lượng

Một trong những mục đích của việc sử dụng MPLS là khả năng hỗ trợ kỹ thuật lưu lượng của nó Trong phần này mô tả sơ lược một số chức năng cơ bản của kỹ thuật lưu lượng trong một hệ thống tự trị thuộc mạng Internet hiện thời

PHẦN 2: CƠ CHẾ PHỤC HỒI TRONG MẠNG MPLS

Phần này bao gồm các chương sau:

Chương 4: Phục hồi trong mạng MPLS

Trình bày các mô hình, kỹ thuật phục hồi khác nhau được sử dụng trong mạng MPLS Đánh giá ưu, khuyết điểm của các cơ chế

Chương 5: Cơ chế phục hồi bảo vệ các nhu cầu độ ưu tiên cao với đường dự phòng phụ thuộc lỗi

Đề xuất và nghiên cứu một cơ chế mới Xây dựng các ràng buộc và hàm mục tiêu nhằm tối ưu hóa hiệu suất mạng thông qua các mô hình toán Trong đó, có giới thiệu

sơ lược về việc mô hình hóa mạng và xây dựng các biểu thức toán Tiếp theo cũng giới thiệu về thuật toán CSPF cùng những ưu điểm của nó

PHẦN 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Phần này bao gồm các chương sau:

Chương 6: Kết quả mô phỏng

Sử dụng phần mềm mô phỏng mạng NS-2 có bổ sung gói phần mềm MNS-2 để mô phỏng một số cơ chế phục hồi trong mạng MPLS Đánh giá các kết quả

Mô phỏng một số ví dụ minh họa bài toán mô hình tối ưu hóa và giải thuật CSPF

Chương 7: Kết luận và hướng phát triển

1.5 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI

Hiện nay, công nghệ MPLS đã được triển khai tại nhiều nước trên thế giới vì những ưu điểm vược bậc của nó Tuy nhiên vấn đề lỗi mạng là không thể tránh khỏi đối với bất

kỳ một loại hình mạng hay một công nghệ mạng nào

Đề tài đưa ra một số kỹ thuật phục hồi mạng từ trạng thái lỗi và mô phỏng thông qua các mô hình bằng phần mềm trên máy tính Từ đó, giúp thấy được những ưu điểm cũng như nhược điểm cần khắc phục Bên cạnh đó, với cơ chế phục hồi được đề xuất –

cơ chế phục hồi bảo vệ các nhu cầu độ ưu tiên cao với đường dự phòng phụ thuộc lỗi,

đã đưa ra một cách tiếp cận mới để tối ưu hóa mạng thông qua các ràng buộc mô hình toán học

Khi MPLS được triển khai rộng rãi ở Việt Nam, thông qua đề tài, có thể hỗ trợ cho việc chọn những mô hình đạt kết quả tối ưu trong việc phục hồi lỗi mạng Đề tài còn đưa ra hướng nghiên cứu về việc tiến hành mô phỏng dựa vào máy tính trước khi triển khai trong thực tế

Chương 2: CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC MPLS

2.1 TỔNG QUAN

MPLS là viết tắt của “Multi-Protocol Label Switching” Thuật ngữ multi-protocol để nhấn mạnh rằng công nghệ này áp dụng được cho tất cả các giao thức lớp mạng chứ không chỉ riêng có IP MPLS cũng hoạt động tốt trên bất kỳ các giao thức lớp liên kết Đây là một công nghệ lai kết hợp những đặc tính tốt nhất của định tuyến lớp 3 (Layer

3 routing) và chuyển mạch lớp 2 (Layer 2 switching)

2.1.1 Tính thông minh phân tán

Trong mạng chuyển mạch kênh, tính thông minh chủ yếu tập trung ở mạng lõi (core) Tất cả những thiết bị thông minh nhất đều đặt trong mạng lõi như các tổng đài toll, transit, MSC… Các thiết bị kém thông minh hơn thì đặt ở mạng biên (edge), ví

dụ như các tổng đài nội hạt, truy nhập…

Trong mạng gói IP, tính thông minh gần như chia đều cho các thiết bị trong mạng Tất cả các router đều phải làm hai nhiệm vụ là định tuyến và chuyển mạch Đây là

ưu điểm nhưng cũng là nhược điểm của IP

Quan điểm của MPLS là tính thông minh càng đưa ra biên thì mạng càng hoạt động tốt Lý do là những thành phần ở mạng lõi phải chịu tải rất cao Thành phần mạng lõi nên có độ thông minh thấp và năng lực chuyển tải cao MPLS phân tách hai chức năng định tuyến và chuyển mạch: Các router ở biên thực hiện định tuyến và gắn nhãn (label) cho gói Còn các router ở mạng lõi chỉ tập trung làm nhiệm vụ chuyển tiếp gói với tốc độ cao dựa vào nhãn Tính thông minh được đẩy ra ngoài biên là một trong những ưu điểm lớn nhất của MPLS

2.1.2 MPLS và mô hình tham chiếu OSI

Hình 2.1 MPLS và mô hình tham chiếu OSI

MPLS được xem như là một công nghệ lớp đệm (shim layer), nó nằm trên lớp 2

nhưng dưới lớp 3, vì vậy người ta còn gọi nó là lớp 2,5

Hình 2.2 So sánh giữa chuyển tiếp IP và chuyển tiếp MPLS

Nguyên lý của MPLS là tất cả các gói IP sẽ được gắn nhãn (label) và chuyển tiếp theo một đường dẫn LSP (Label Switched Path) Các router trên đường dẫn chỉ căn

cứ vào nội dung của nhãn để thực hiện quyết định chuyển tiếp gói mà không cần phải kiểm tra header IP

2.2 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG MPLS

2.2.1 Miền MPLS (MPLS domain)

RFC 3031 mô tả miền MPLS là “một tập hợp các nút mạng thực hiện hoạt động định tuyến và chuyển tiếp MPLS” Một miền MPLS thường được quản lý và điều khiển bởi một nhà quản trị

Hình 2.3 Miền MPLS

Miền MPLS được chia thành 2 phần: phần mạng lõi (core) và phần mạng biên (edge) Các nút thuộc miền MPLS được gọi là router chuyển mạch nhãn LSR (Label Switch Router) Các nút ở phần mạng lõi được gọi là transit-LSR hay core-LSR (thường được gọi tắt là LSR) Các nút ở biên được gọi là router biên nhãn LER (Label Edge Router)

Nếu một LER là nút đầu tiên trên đường đi của một gói xuyên qua miền MPLS thì

nó được gọi là LER ngõ vào (ingress-LER), còn nếu là nút cuối cùng thì nó được gọi

là LER ngõ ra (egress-LER) Lưu ý là các thuật ngữ này được áp dụng tùy theo chiều của luồng lưu lượng trong mạng, do vậy một LER có thể là ingress-LER vừa là egress-LER tùy theo các luồng lưu lượng đang xét

Hình 2.4 Upstream và download LSR

Thuật ngữ upstream-LSR và downstream-LSR cũng được dùng, phụ thuộc vào chiều của luồng lưu lượng Các tài liệu MPLS thường dùng ký hiệu Ru để biểu thị cho upstream-LSR và dùng ký hiệu Rd để biểu thị cho downstream-LSR

2.2.2 Lớp chuyển tiếp tương đương (FEC)

Lớp chuyển tiếp tương đương FEC (Forwarding Equivalence Class) được định nghĩa bởi RFC 3031 [5] như sau: “Là một nhóm các gói tin IP được chuyển tiếp theo cùng cách thức (nghĩa là trên cùng đường với cùng việc xử lý chuyển tiếp)” Như vậy, FEC là một nhóm các gói IP được chuyển tiếp trên cùng một đường chuyển mạch nhãn LSP, được đối xử theo cùng một cách thức và có thể ánh xạ vào một nhãn bởi một LSR cho dù chúng có thể khác nhau về thông tin header lớp mạng Hình dưới cho thấy cách xử lý này

Hình 2.5 Lớp chuyển tiếp tương đương MPLS

Trong MPLS, việc gán một gói tin đặc biệt cho một FEC đặc biệt được thực hiện chỉ một lần khi gói tin đó đi vào mạng qua LSR ngõ vào Đây là sự khác nhau chủ yếu đối với việc định tuyến IP truyền thống ở đó phần đầu gói được phân tích khi đi qua

mỗi nút mạng

2.2.3 Nhãn và Stack nhãn

RFC 3031 định nghĩa nhãn là “một bộ nhận dạng có độ dài ngắn và cố định, mang ý nghĩa cục bộ dùng để nhận biết một FEC” Nhãn được “dán” lên một gói để báo cho LSR biết gói này cần đi đâu Phần nội dung nhãn có độ dài 20 bit không cấu trúc, như vậy số giá trị nhãn có thể có là 220 (hơn một triệu giá trị) Giá trị nhãn định nghĩa chỉ mục (index) để dùng trong bảng chuyển tiếp Một gói lại có thể được “dán chồng” nhiều nhãn, các nhãn này chứa trong một nơi gọi là stack nhãn (label stack) Stack nhãn là một tập hợp gồm một hoặc nhiều entry nhãn tổ chức theo nguyên tắc LIFO Tại mỗi hop trong mạng chỉ xử lý nhãn hiện hành trên đỉnh stack Chính nhãn này sẽ được LSR sử dụng để chuyển tiếp gói

Hình 2.6 Stack nhãn

Nếu gói tin chưa có nhãn thì stack nhãn là rỗng (độ sâu của stack nhãn bằng 0) Nếu stack có chiều sâu là d thì mức 1 sẽ ở đáy stack (bit S trong entry nhãn đặt lên 1) và mức d sẽ ở đỉnh của stack Một entry nhãn có thể được đặt thêm vào (push) hoặc lấy

ra (pop) khỏi stack

2.2.4 Hoán đổi nhãn (Label Swapping)

Hoán đổi nhãn là cách dùng các thủ tục để chuyển tiếp gói Để chuyển tiếp gói có nhãn, LSR kiểm tra nhãn trên đỉnh stack và dùng ánh xạ ILM (Incoming Label Map)

để ánh xạ nhãn này tới một entry chuyển tiếp nhãn NHLFE (Next Hop Label Forwarding Entry) Sử dụng thông tin trong NHLFE, LSR xác định ra nơi để chuyển tiếp gói và thực hiện một tác vụ trên stack nhãn Rồi nó mã hóa stack nhãn mới vào gói và chuyển gói đi Chuyển tiếp gói chưa có nhãn cũng tương tự nhưng xảy ra ở ingress-LER LER phải phân tích header lớp mạng để xác định FEC rồi sử dụng ánh

xạ FTN (FEC-to-NHLFE) để ánh xạ FEC vào một NHLFE

2.2.5 Đường chuyển mạch nhãn LSP (Label Switched Path)

Đường chuyển mạch nhãn LSP là một đường nối giữa router ngỏ vào và router ngỏ

ra, được thiết lập bởi các nút MPLS để chuyển các gói đi xuyên qua mạng Đường dẫn của một LSP qua mạng được định nghĩa bởi sự chuyển đổi các giá trị nhãn ở các LSR dọc theo LSP bằng cách dùng thủ tục hoán đổi nhãn Khái niệm LSP tương tự như khái niệm mạch ảo (VC) trong ATM

Khi một gói IP đi ngang qua một mạng MPLS, nó theo sau một đường đi đã được quyết định trước tùy thuộc lớp FEC trong đó nó được chỉ định bởi LSR ngõ vào Đường đi mà gói tin tuân theo khi đi qua mạng MPLS được gọi là đường chuyển mạch nhãn LSP (Label Switched Path) Các LSP đều là đơn hướng cho nên để xây dựng đường truyền song công cần có hai LSP

Khi các gói tin lớp 3 đi vào LSR ngõ vào, chúng được phân lớp thành một FEC FEC đóng vai trò như một bộ lọc mà định nghĩa gói IP nào được chuyển tiếp trên các LSP đặc biệt Một LSP có thể tải hơn một FEC

FEC cho một gói tin chỉ được gán một lần tại LSR ngõ vào khi gói tin đi vào khu vực mạng MPLS Sau khi gói được gán cho một FEC, một phần mào đầu MPLS được chèn vào gói và gói tin này được chuyển đến địa chỉ kế tiếp Các LSR trung gian không cần phân tích thông tin mào đầu khác trong gói tin ngoại trừ phần mào đầu MPLS để quyết định chuyển tiếp gói Gói tin được chuyển tiếp một cách đơn lẻ dựa trên thông tin trong phần mào đầu MPLS

Có ba tác vụ cơ bản có thể áp dụng đối với gói tin:

- Đẩy vào ngăn xếp nhãn

- Hoán đổi nhãn trên cùng với một nhãn mới

- Lấy ra khỏi ngăn xếp nhãn

Hình 2.8 Phân cấp LSP trong MPLS

2.2.6 Chuyển gói qua miền MPLS

Sau đây là một ví dụ đơn giản minh họa quá trình truyền gói IP đi qua miền MPLS Gói tin IP khi đi từ ngoài mạng vào trong miền MPLS được router A đóng vai trò là một ingress-LER sẽ gán nhãn có giá trị là 6 cho gói IP rồi chuyển tiếp đến router B Router B dựa vào bảng hoán đổi nhãn để kiểm tra nhãn của gói tin Nó thay giá trị nhãn mới là 3 và chuyển tiếp đến router C Tại C, việc kiểm tra cũng tương tự như ở

B và sẽ hoán đổi nhãn, gán cho gói tin một nhãn mới là 9 và tiếp tục được đưa đến router D

Hình 2.9 Gói IP đi qua mạng MPLS

Router D đóng vai trò egress-LER sẽ kiểm tra trong bảng hoán đổi nhãn và gỡ bỏ nhãn 9 ra khỏi gói tin rồi định tuyến gói IP một cách bình thường đi ra khỏi miền MPLS Với kiểu làm việc này thì các LSR trung gian như router B và C sẽ không phải thực hiện kiểm tra toàn bộ header IP của gói tin mà nó chỉ việc kiểm tra các giá trị của nhãn, so sánh trong bảng và chuyển tiếp Vì vậy tốc độ xử lý trong miền MPLS sẽ nhanh hơn nhiều so với định tuyến IP truyền thống Đường đi từ router A đến router D được gọi là đường chuyển mạch nhãn LSP (Label Switched Path)

2.3 MÃ HÓA NHÃN VÀ CÁC CHẾ ĐỘ ĐÓNG GÓI NHÃN MPLS

2.3.1 Mã hóa stack nhãn

Khi nhãn được gắn lên gói, bản thân giá trị nhãn 20 bit sẽ được mã hóa cùng với một

số thông tin cộng thêm để phụ trợ trong quá trình chuyển tiếp gói để hình thành một entry nhãn Hình sau minh họa định dạng một entry nhãn trong stack nhãn

Hình 2.10 Định dạng một entry trong stack nhãn MPLS

Nhóm 32 bit ở hình trên là một entry trong stack nhãn, trong đó phần giá trị nhãn thực sự chỉ có 20 bit Tuy nhiên người ta thường gọi chung cho cả entry 32 bit nói trên là một nhãn Vì vậy khi thảo luận về nhãn cần phân biệt là đang xem xét giá trị nhãn 20 bit hay nói về entry 32 bit trong stack nhãn Phần thông tin 12 bit cộng thêm gồm các trường sau đây:

• EXP (một số tài liệu gọi là CoS - Class of Service ) – Gồm 3 bit, có thể là một hàm của trường TOS (Type of Service) hoặc Diffserv trong gói IP Đa số các nhà sản xuất sử dụng các bit này để mang chỉ thị QoS, thường là copy trực tiếp từ các bit TOS trong gói IP Khi gói MPLS vào hàng đợi, có thể sử dụng các bit EXP theo cách giống như các bit ưu tiên trong IP

• S – Gồm 1 bit, chỉ thị đáy của stack nhãn Khi một nhãn nằm ở đáy stack nhãn, thì bit S đặt lên 1; còn các nhãn khác có bit S đặt về 0 Bit S là phương tiện để xác định đáy của stack nhãn nằm ở đâu

• TTL – Gồm 8 bit, thường là copy trực tiếp từ trường TTL của header IP, được giảm đi 1 qua mỗi hop để chặn loop định tuyến giống như IP Tuy nhiên, các bit TTL cũng có thể được đặt khác với TTL trong gói IP, thường dùng khi nhà khai thác mạng muốn che giấu topology mạng MPLS

MPLS có thể hoạt động ở các chế độ: chế độ frame và chế độ cell

2.3.2 Chế độ Frame

Các kỹ thuật lớp 2 như Ethernet, Token Ring, FDDI, PPP không có trường nào phù hợp trong header của frame có thể mang nhãn Vì vậy, stack nhãn sẽ được chứa trong header chêm (shim header) Shim header được “chêm” vào giữa header lớp liên kết

và header lớp mạng, như trong hình 2.11 Đỉnh stack nằm liền sau header lớp 2 và đáy stack nằm liền trước header lớp mạng

Hình 2.11 Shim header được chêm vào giữa các header lớp 2 và lớp 3

Router gởi frame phải có cách để báo cho router nhận biết rằng frame này có chứa shim header, cách thức này khác nhau giữa các kỹ thuật lớp 2 Ethernet sử dụng cặp giá trị ethertype 0x8847 và 0x8848 để chỉ thị frame đang mang gói MPLS unicast và multicast tương ứng PPP sử dụng NCP (Network Control Program) sửa đổi gọi là MPLSCP (MPLS Control Protocol) và đánh dấu tất cả các gói có chứa shim header bằng giá trị 0x8281 trong trường PPP Protocol

2.3.3 Chế độ Cell

Chế độ Cell được dùng khi ta có một mạng gồm các ATM-LSR (là các chuyển mạch ATM có hỗ trợ MPLS), trong đó nó sử dụng các giao thức phân phối nhãn MPLS để trao đổi thông tin VPI/VCI thay cho báo hiệu ATM Nhãn được mã hóa trong trường gộp VPI/VCI, trong VPI hoặc VCI của header cell ATM (RFC 3035)

Hình 2.12 Nhãn trong cell ATM

Cell ATM gồm có 5 byte header và 48 byte payload Để chuyển tải gói tin có kích thước lớn hơn 48 byte từ lớp trên đưa xuống (ví dụ gói IP), ATM phải chia gói tin thành nhiều phần nhỏ hơn, việc này gọi là phân đoạn (fragmentation) Quá trình phân đoạn do lớp AAL (ATM Adaptation Layer) đảm trách Cụ thể, AAL5 PDU sẽ được chia thành nhiều đoạn 48 byte, mỗi đoạn 48 byte này được thêm header 5 byte để tạo

ra một cell ATM

Hình 2.13 Đóng gói các gói có nhãn trên link ATM

Khi đóng gói có nhãn MPLS trên ATM, toàn bộ stack nhãn được đặt trong AAL5 PDU Giá trị thực sự của nhãn đỉnh được đặt trong trường VPI/VCI, hoặc đặt trong trường VCI nếu 2 ATM-LSR kết nối nhau qua một đường ảo ATM (VP) Entry đỉnh stack nhãn phải chứa giá trị 0 (coi như entry “giữ chỗ”) và được bỏ qua khi nhận Lý

do các nhãn phải chứa ở cả trong AAL5 PDU và header ATM là để mở rộng độ sâu stack nhãn Khi các cell ATM đi đến cuối LSP, nó sẽ được tái hợp lại Nếu có nhiều nhãn trong stack nhãn, AAL5 PDU sẽ bị phân đoạn lần nữa và nhãn hiện hành trên đỉnh stack sẽ được đặt vào trường VPI/VCI

2.4 CẤU TRÚC CHỨC NĂNG MPLS

2.4.1 Kiến trúc một nút MPLS (LER và LSR)

Hình 2.14 minh họa mặt phẳng điều khiển và chuyển tiếp của LSR và LER Mặt phẳng điều khiển có chức năng định tuyến IP dùng để giao tiếp với các LSR, LER khác hoặc các router IP thông thường bằng các giao thức định tuyến IP Kết quả là một cơ sở thông tin định tuyến RIB (Routing Information Base) được tạo lập gồm các thông tin miêu tả các route khả thi để tìm đến các prefix địa chỉ IP LER sẽ sử dụng các thông tin này để xây dựng cơ sở thông tin chuyển tiếp FIB (Forwarding Information Base) trong mặt phẳng chuyển tiếp

Hình 2.14 Cấu trúc của LER và transit-LSR

Mặt phẳng điều khiển còn có chức năng báo hiệu MPLS dùng để giao tiếp với các LSR khác bằng một giao thức phân phối nhãn Kết quả là một cơ sở thông tin nhãn LIB (Label Information Base) gồm các thông tin liên quan đến các gán kết nhãn đã được thương lượng với các router MPLS khác Thành phần báo hiệu MPLS nhận thông tin từ chức năng định tuyến IP và LIB để xây dựng cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn LFIB (Label Forwarding Information Base) trong mặt phẳng chuyển tiếp Một LER có thể chuyển tiếp các gói IP, gắn nhãn vào gói (label push), hoặc gỡ nhãn ra khỏi gói (label pop), trong khi đó một transit-LSR chỉ có khả năng chuyển tiếp gói có nhãn, thêm hoặc bỏ bớt nhãn

2.4.2 Mặt phẳng chuyển tiếp (mặt phẳng dữ liệu)

Mặt phẳng chuyển tiếp MPLS chịu trách nhiệm chuyển tiếp dữ liệu của user Nó sử dụng LFIB để thực hiện chuyển tiếp các gói có gắn nhãn căn cứ vào giá trị của nhãn nằm trên đỉnh stack nhãn

2.4.2.1 Cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn LFIB

Trong mạng IP, quyết định chuyển tiếp gói được xác lập bằng cách thực hiện tra cứu địa chỉ đích trong bảng FIB để xác định hop kế và giao diện ra Trong mạng MPLS, mỗi LSR duy trì một bảng LFIB riêng rẽ và tách biệt với FIB Bảng LFIB

có hai loại entry là ILM (incoming label map) và FTN (FEC-to-NHLFE) NHLFE

(next hop label forwarding entry) là subentry chứa các trường như địa chỉ hop kế, các tác vụ stack nhãn, giao diện ra và thông tin header lớp 2 ILM ánh xạ một nhãn đến một hoặc nhiều NHLFE Nhãn trong gói đến sẽ dùng để chọn ra một entry ILM cụ thể nhằm xác định NHLFE Còn FTN ánh xạ mỗi FEC vào một hoặc nhiều NHLFE Nhờ các entry FTN, gói chưa có nhãn được chuyển thành gói có nhãn

Hình 2.15 FTN, ILM và NHLFE

Như vậy, khi một gói không nhãn thuộc một FEC đi vào miền MPLS, ingress-LER

sẽ sử dụng một entry LFIB loại FTN để chuyển gói không nhãn thành gói có nhãn Sau đó, tại các transit-LSR sử dụng một entry LFIB loại ILM để hoán đổi nhãn vào bằng nhãn ra Cuối cùng, tại egress-LER sử dụng một entry LFIB loại ILM để gỡ

bỏ nhãn đến và chuyển tiếp gói không nhãn đến router kế tiếp

2.4.2.2 Thuật toán chuyển tiếp nhãn

Các nút MPLS sử dụng giá trị nhãn trong các gói đến làm chỉ mục để tra bảng LFIB Khi tìm thấy entry tương ứng với nhãn đến, nút MPLS thay thế nhãn trong gói bằng nhãn ra và gởi gói đi qua giao diện ra để đến hop kế được đặc tả trong subentry NHLFE Nếu subentry có chỉ định hàng đợi ra, nút MPLS sẽ đặt gói trên hàng đợi đã chỉ định Trường hợp nút MPLS duy trì một LFIB riêng cho mỗi giao diện, nó sẽ dùng LFIB của giao diện mà gói đến để tra cứu chuyển tiếp gói

Nút MPLS có thể lấy định vị được các thông tin chuyển tiếp cần thiết trong LFIB chỉ trong một lần truy xuất bộ nhớ, tốc độ thực thi rất cao nhờ các chip ASIC

Hình 2.16 Quá trình chuyển một gói đến hop kế

2.4.2.3 NHLFE (Next Hop Label Forwarding Entry)

NHLFE là subentry của ILM hoặc FTN, nó chứa các thông tin sau:

- Hop kế (chặng tiếp theo) của gói

- Tác vụ sẽ được tiến hành trên stack nhãn của gói như sau:

- Swap: Thay nhãn ở đỉnh của stack nhãn bằng một nhãn mới được chỉ định

- Pop: Bóc một nhãn ra khỏi stack

- Push: Chồng thêm một nhãn vào trong stack nhãn

Hình 2.17 Ví dụ về NHLFE

Ngoài ra, NHLFE cũng có thể chứa những thông tin sau:

- Đóng gói lớp datalink để sử dụng khi truyền gói

- Cách thức mã hóa stack nhãn khi truyền gói

- Bất kỳ các thông tin khác cần thiết để xử lý gói một cách chính xác

2.4.3 Mặt phẳng điều khiển

Nhiệm vụ của các giao thức trong mặt phẳng điều khiển là phân phối các thông tin cần thiết cho mỗi LER và LSR để cấu hình bảng FIB và LFIB Trong hình 2.14, một giao thức định tuyến sử dụng bảng thông tin định tuyến RIB hoạt động kết hợp với một giao thức báo hiệu MPLS sử dụng bảng thông tin nhãn LIB để phân phối các nhãn Việc phân tách mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng chuyển tiếp cho phép cài đặt một giao thức điều khiển MPLS trên một ATM switch

Tại sao MPLS cần giao thức báo hiệu, trong khi các router IP cổ điển chỉ cần định tuyến IP? Một lý do quan trọng phải dùng giao thức báo hiệu MPLS kết hợp với một giao thức định tuyến xuất phát từ sự cần thiết phải thực hiện định tuyến ràng buộc của đường chuyển mạch nhãn MPLS

2.5 HOẠT ĐỘNG CHUYỂN TIẾP MPLS

2.5.1 Hoạt động trong mặt phẳng chuyển tiếp

FEC là một tập con các gói căn cứ theo một số thông tin trong header IP được dùng bởi FIB Một FEC được dùng thường dựa theo luật “longest prefix match” trên địa chỉ IP đích Ví dụ: các địa chỉ IP so trùng 16 bit đầu có dạng “a.b.*.*” (trong đó * đại diện cho giá trị hợp lệ bất kỳ) được biểu diễn là “a.b/16” cho entry FEC đầu tiên trong bảng FIB FEC còn có thể căn cứ bổ sung theo các trường khác trong header IP như ToS hay Diffserv FIB sử dụng FEC để xác định ra giao tiếp đi đến hop kế cho các gói IP, cách thực hiện giống như các router cổ điển

Hình 2.18 Bên trong mặt phẳng chuyển tiếp MPLS

Cho các ví dụ từng hoạt động LFIB ở hình 2.18 Phần ILM (incoming label map) của LFIB thao tác trên một gói có nhãn và ánh xạ một nhãn vào (incoming label) tới một tập các entry NHLFE ILM được thể hiện trong hình bởi các cột IN-IF và IN-LBL,

nhưng cũng có thể là một bảng riêng rẽ cho một giao tiếp FTN (FEC-to-NHLFE) của FIB ánh xạ một FEC tới một tập hợp gồm một hoặc nhiều NHLFE Như ví dụ trong hình, nhãn A được gắn (push) lên các gói IP thuộc FEC “d.e/16” Lưu ý là ILM hoặc FTN có thể ánh xạ tới nhiều NHLFE, chẳng hạn để dùng trong cân bằng tải

2.5.2 Gỡ nhãn ở hop áp cuối PHP (Penultimate Hop Popping)

Một tối ưu hóa quan trọng mà MPLS hỗ trợ là tránh việc tra cứu nhãn (label lookup) phải xử lý ở egress-LER trong trường hợp một gói đi trên một LSP mà yêu cầu tra cứu IP (IP lookup) tiếp ngay sau đó Ở trong hình 2.18, một gói đến có nhãn A được

gỡ nhãn (pop) và chuyển sang FIB để tra cứu tiếp trên header IP Để tránh việc xử lý phát sinh thêm này, MPLS định nghĩa một tiến trình gọi là gỡ nhãn ở hop áp cuối PHP (penultimate hop popping), trong đó router áp cuối trên LSP sẽ gỡ nhãn thay vì egress-LER phải làm việc đó Nhờ vậy cắt giảm được việc xử lý ở router cuối cùng trên LSP

2.5.3 Một ví dụ hoạt động chuyển tiếp gói

Trong ví dụ này thể hiện đường đi và các hoạt động chuyển tiếp được thực hiện ở mỗi nút cho 2 LSP là LSP-1 và LSP-2 LSP-1 bắt đầu từ LER E1, tại đó có một gói

IP đến với địa chỉ đích là “a.b.c.d” LER E1 kiểm tra bảng FIB của nó và xác định rằng gói này thuộc về FEC “a.b.c/24”, nó gắn nhãn A lên gói và xuất ra trên giao tiếp

số 2 Tiếp theo, LSR S1 thấy có gói gắn nhãn A đến trên giao tiếp số 1, LFIB của nó chỉ thị rằng gói sẽ xuất ra trên giao tiếp số 4 và nhãn sẽ được thay thế bằng nhãn D Gói có nhãn đi ra trên giao tiếp số 4 trên LSR S1 nối đến giao tiếp số 1 trên LSR S4

Hình 2.19 Ví dụ về hoạt động chuyển tiếp gói

Vì LSR S4 là hop áp cuối của LSP-1 nên thao tác được chỉ thị trong LFIB của nó là

gỡ nhãn (pop) và gởi gói đi ra trên giao tiếp số 4 Cuối cùng, ở đích là LER E4, entry FIB thao tác trên FEC “a.b.c/24” và chuyển phát gói đến hop kế trên giao tiếp ra số

3 Đối với ví dụ ở LSP-2, các entry trong FIB và LFIB cũng được thể hiện tương tự như đã trình bày đối với LSP-1

2.6 CÁC GIAO THỨC BÁO HIỆU TRONG MPLS

Báo hiệu là cách thức để các bộ định tuyến trao đổi những thông tin liên quan Đối với mạng MPLS, kiểu thông tin trao đổi giữa các bộ định tuyến phụ thuộc vào giao thức báo hiệu được sử dụng Tại mức nền, các nhãn phải được phân phối đến các bộ định tuyến để chuyển tiếp dữ liệu cho một FEC (Forward Equivalence Class) và các LSP (Label Switch Path) được tạo

Có bốn phương pháp được sử dụng cho việc phân phối nhãn:

- Giao thức phân phối nhãn LDP

- Định tuyến bắt buộc với LDP CR-LDP

- Sự mở rộng giao thức dành tài nguyên cho MPLS RSVP-TE

- Phân phối nhãn với BGP-4

2.6.1 Giao thức phân phối nhãn LDP

LDP được thiết kế với mục đích dùng cho việc phân phối nhãn tường minh trong MPLS, không hỗ trợ TE Ngày nay, nó không được dùng nhiều cho việc phân phối nhãn Tuy nhiên, nó được bổ sung và mở rộng chức năng qua giao thức CR-LDP

2.6.2 Giao thức phân phối nhãn định tuyến bắt buộc CR-LDP

Đây là giao thức mở rộng của LDP để hỗ trợ cho các LSP (Label Switch Path - đường chuyển mạch nhãn) được định tuyến dựa trên sự bắt buộc Sự bắt buộc ở đây

có nghĩa là trong một mạng và đối với mỗi tập hợp các nút mạng có tồn tại một sự bắt buộc mà phải thỏa mãn cho đường kết nối giữa hai nút được chọn cho các LSP

Hình 2.20 Thiết lập đường đi RSVP-TE

RSVP-TE bổ sung một số đối tượng mới so với RSVP, như:

- ERO (Explicit Route Object): đối tượng định tuyến tường minh

- RRO (Record Route Object): ghi nhận mỗi LSP và thứ tự mà mỗi LSR được ghé qua

- Session Attribute Object: định danh các giao tác và mô tả những đặc tính cho LSP

2.6.4 Giao thức BGP-4

Giao thức BGP (Border Gateway Protocol) cũng được sử dụng cho việc phân phối nhãn Nó là một giao thức định tuyến giữa các hệ thống tự trị khác nhau để trao đổi các thông tin định tuyến

Các thông điệp cập nhật trong BGP-4 được sử dụng để phân phối các lộ trình BGP,

có thể tải thêm các nhãn MPLS thích hợp mà được ánh tới cùng lộ trình BGP

2.7 ƯU ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG CỦA MPLS

2.7.1 Đơn giản hóa chức năng chuyển tiếp

MPLS sử dụng cơ chế chuyển tiếp căn cứ vào nhãn có độ dài cố định nên quyết định chuyển tiếp có thể xác định ngay chỉ với một lần tra cứu chỉ mục trong LFIB Cơ chế này đơn giản và nhanh hơn nhiều so với giải thuật “longest prefix match” dùng trong chuyển tiếp gói datagram thông thường

2.7.2 Kỹ thuật lưu lượng

Ưu điểm lớn nhất của MPLS là ở khả năng thực hiện kỹ thuật lưu lượng (TE: Traffic Engineering), nó đảm bảo lưu lượng được định tuyến đi qua một mạng theo một cách thức tin cậy và hiệu quả nhất Kỹ thuật lưu lượng cho phép các ISP định tuyến lưu lượng theo cách họ có thể cung cấp dịch vụ tốt nhất cho khách hàng ở khía cạnh

thông lượng và độ trễ MPLS-TE cho phép lưu lượng được phân bố hợp lý qua toàn

bộ hạ tầng mạng, tối ưu hóa hiệu suất sử dụng mạng

2.7.3 Định tuyến QoS từ nguồn

Định tuyến QoS từ nguồn là một cơ chế trong đó các LSR được xác định trước ở nút nguồn (LSR ngõ vào) dựa vào một số thông tin về độ khả dụng tài nguyên trong mạng cũng như yêu cầu QoS của luồng lưu lượng Nói cách khác, nó là một giao thức định tuyến có mở rộng chỉ tiêu chọn đường để bao gồm các tham số như băng thông khả dụng, việc sử dụng link và đường dẫn end-to-end, độ chiếm dụng tài nguyên của nút, độ trễ và biến động trễ

2.7.4 Mạng riêng ảo VPN

VPN là cho phép khách hàng thiết lập mạng riêng giống như thuê kênh riêng nhưng với chi phí thấp hơn bằng cách sử dụng hạ tầng mạng công cộng dùng chung Kiến trúc MPLS đáp ứng tất cả các yêu cầu cần thiết để hỗ trợ VPN bằng cách thiết lập các đường hầm LSP sử dụng định tuyến tường minh Do đó, MPLS sử dụng các đường hầm LSP cho phép nhà khai thác cung cấp dịch vụ VPN theo cách tích hợp trên cùng hạ tầng mà họ cung cấp dịch vụ Internet Hơn nữa, cơ chế xếp chồng nhãn cho phép cấu hình nhiều VPN lồng nhau trên hạ tầng mạng

2.7.5 Chuyển tiếp có phân cấp (Hierachical forwarding)

Thay đổi đáng kể nhất được MPLS đưa ra không phải ở kiến trúc định tuyến mà là kiến trúc chuyển tiếp Sự cải tiến trong kiến trúc chuyển tiếp có tác động đáng kể đến khả năng cung cấp chuyển tiếp phân cấp Chuyển tiếp phân cấp cho phép lồng một LSP vào trong một LSP khác (xếp chồng nhãn hay còn gọi là điều khiển gói đa cấp) Thực ra chuyển tiếp phân cấp không phải là kỹ thuật mới; ATM đã cung cấp cơ chế chuyển tiếp 2 mức với khái niệm đường ảo (VP) và kênh ảo (VC) Tuy nhiên MPLS cho phép các LSP được lồng vào nhau một cách tùy ý, cung cấp điều khiển gói đa cấp cho việc chuyển tiếp

2.8 TỔNG KẾT CHƯƠNG

Trong các giao thức lớp mạng truyền thống, khi một gói đi từ một router đến hop kế tiếp thì quyết định chuyển tiếp phải được đưa ra độc lập ở mỗi hop Việc chọn hop kế dựa trên việc phân tích header của gói và kết quả chạy giải thuật định tuyến Một router xem hai gói là thuộc cùng một luồng nếu chúng có cùng prefix địa chỉ mạng bằng cách áp dụng luật “longest prefix match” cho địa chỉ đích của từng gói Khi gói

di chuyển qua mạng, ở mỗi hop đến lượt mình sẽ lại kiểm tra gói và gán lại vào một luồng

Công nghệ chuyển mạch nhãn cho phép thay thế chuyển tiếp gói truyền thống theo kiểu hop-by-hop dựa trên địa chỉ đích bằng kỹ thuật chuyển tiếp hoán đổi nhãn Kỹ thuật này dựa vào các nhãn có độ dài cố định, cải thiện được năng lực định tuyến lớp

3, đơn giản hóa việc chuyển gói, cho phép dễ dàng mở rộng và đặc biệt là hỗ trợ kỹ thuật lưu lượng

Chương 3: KỸ THUẬT LƯU LƯỢNG 3.1 GIỚI THIỆU

Trước hết, giới thiệu qua về kỹ thuật lưu lượng và tại sao kỹ thuật lưu lượng lại được

sử dụng

Các mạng IP sẽ tự quản lý chính nó Một máy chủ sử dụng giao thức TCP (Transmission Control Protocol) để điều chỉnh tốc độ truyền của nó tùy thuộc vào lượng băng thông còn lại của đường truyền đến phía thu Nếu như cấu hình mạng thay đổi, các bộ định tuyến sẽ đáp ứng lại các thay đổi và tính toán đường đi mới đến đích Điều này giúp cho Internet TCP/IP trở thành một mạng truyền thông mạnh mẽ Tuy nhiên nó lại chưa chắc đạt được hiệu quả cao Các giao thức cổng kết nối được sử dụng ngày nay như OSPF và ISIS tính toán đường đi ngắn nhất đến đích và các bộ định tuyến chuyển tiếp lưu lượng phụ thuộc vào bảng định tuyến Điều này có nghĩa rằng lưu lượng từ các nguồn khác nhau đi qua một bộ định tuyến mà có cùng đích đến

sẽ được tập hợp và gửi qua cùng một đường đi Vì vậy, một đường truyền có thể bị nghẽn trong mạng Và các lưu lượng nhạy với độ trễ như các cuộc gọi thoại qua IP (VoIP – Voice-over-IP) có thể di chuyển trên một đường đi có độ trễ truyền sóng cao bởi vì đó là đường đi ngắn nhất trong khi lại có sẵn những lộ trình có độ trì hoãn thấp khác

Hình 3.1 Kỹ thuật lưu lượng

Hình trên mô tả đường đi ngắn nhất từ router 1 đến router 5 là đường đi (1-3-5) Tất cả các lưu lượng đi qua router 1 có đích đến là router 5 sẽ di chuyển qua đường đi ngắn nhất này nếu như giải thuật tìm đường đi ngắn nhất được sử dụng cho việc chuyển tiếp mạng này Mặc dù có một lộ trình khác (1-2-4-5) sẵn sàng được sử dụng cho việc phân phối lưu lượng thậm chí hiệu quả hơn trong mạng này

Kỹ thuật lưu lượng là quá trình kiểm soát cách thức một lưu lượng truyền qua một mạng để tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên và hiệu suất mạng [3]