Sử dụng tính toán thông minh để tăng hiệu quả của định tuyến qos trong mpls

Thuật toán ước lượng môi trường ngẫu nhiên này sẽ hỗ trợ việc chọn đường đi tối ưu cho luồng dữ liệu qua mạng sao cho vừa đảm bảo được QoS của luồng dữ liệu vừa tiết kiệm được tài nguyên

NGUYỄN TIẾN KHÁNH

SỬ DỤNG TÍNH TOÁN THÔNG MINH ĐỂ TĂNG HIỆU QUẢ

ĐỊNH TUYẾN QoS TRONG MPLS

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2010

Cán bộ hướng dẫn khoa học :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1

2

3

4

5

6………

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Tp HCM, ngày tháng năm 2010

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Tiến Khánh Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 08/11/1983 Nơi sinh: Hà Tĩnh

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử MSHV: 01408372

- Tìm hiểu định tuyến QoS trong MPLS

- Tìm hiểu thuật toán học ước lượng ngẫu nhiên

- Xây dựng phương pháp áp dụng thuật toán học ước lượng ngẫu nhiên trong định tuyến QoS với mạng MPLS

- Viết chương trình mô phỏng, đánh giá hiệu quả phương pháp đề xuất

- So sánh kết quả mô phỏng

- Kết luận

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15 – 01 – 2010…

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:25 – 06 – 2010

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

TS NGUYỄN MINH HOÀNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký)

KHOA QL CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS Nguyễn Minh Hoàng, thầy đã trực tiếp hướng dẫn và góp ý để tôi có thể hoàn thành được luận văn này Qua làm việc với thầy tôi đã học hỏi được ở thầy nhiều điều, đặc biệt là cách thức làm việc của một người nghiên cứ khoa học

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô trường Đại Học Bách Khoa TP HCM, đặc biệt là các thầy cô trong khoa, những người trực tiếp giảng dạy và tuyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt thời gian học cao học tại trường

TÓM TẮT

Trong định tuyến QoS (Quality of Service) thuật toán định tuyến có vai trò hết sức quan trọng, thuật toán định tuyến không những phải tìm được đường đi thỏa mãn các yêu cầu về QoS cho luồng dữ liệu mà còn phải tiết kiệm được tài nguyên băng thông cho các kết nối sau này Nếu như thuật toán ưu tiên chọn đường đi ngắn nhất trước thì băng thông dự trữ cho mạng sẽ được tiết kiệm hơn Tuy nhiên trong nhiều trường hợp nếu cứ ưu tiên chọn đường ngắn nhất trước sẽ có khả năng gây nghẽn ở một vài vùng nào đó trong mạng Trong trường hợp nếu ưu tiên chọn đường đi băng thông lớn nhất trước thì tài nguyên băng thông của mạng bị sử dụng nhiều hơn, điều này ảnh hưởng đến các yêu cầu kết nối trong tương lai Các thuật toán định tuyến hiện tại đều dựa trên hai phương pháp cơ bản trên Thêm vào đó các bộ định tuyến xây dựng bảng định tuyến bằng cách trao đổi các thông tin định tuyến với nhau, trong nhiều trường hợp các thông tin này không được chính xác hoặc cập nhật không kịp thời dẫn đến các quyết định chọn đường đi sai lầm cho luồng dữ liệu MPLS (Multiprotocol Label Switching) là công nghệ rất phát triển hiện nay và được dùng chủ yếu trong mạng lõi MPLS cho phép thực hiện các kỹ thuật lưu lượng trong mạng, tuy nhiên về cơ bản việc định tuyến các kết nối QoS trong MPLS vẫn thực hiện theo các phương pháp trên nên cũng gặp phải các vấn đề như nêu ở trên Luận văn này giới thiệu một phương pháp định tuyến có sử dụng thuật toán học ước lượng ngẫu nhiên [1] để hỗ trợ việc tìm đường đi cho kết nối QoS qua mạng MPLS Thuật toán ước lượng ngẫu nhiên này cũng đã được nghiên cứu áp dụng trong mạng ATM [2] Phương pháp định tuyến QoS với sự hỗ trợ của thuật toán học ước lượng ngẫu nhiên vừa có ưu tiên chọn đường đi ngắn nhất trước, vừa có thể dự đoán được một vài trường hợp nghẽn, đồng thời có thể tránh được một số quyết định không chính xác khi mà trạng thái của mạng không được biết, cập nhật một cách rõ ràng Chính vì vậy thuật toán này sẽ cho hiệu quả cao hơn, thể hiện ở tổng số yêu cầu kết nối thực hiện được trong toàn mạng cao hơn Điều này sẽ được chứng minh ở kết quả mô phỏng trong khuôn khổ luận văn

ABSTRACT

In QoS (Quality of Service) routing, the routing algorithm plays a very important role, not only routing algorithm must find path to satisfy the QoS requirements for stream data but also save bandwidth resources for later connecting requests If the algorithm priority select the shortest path first, the network bandwidth resource will

be saving more However, in many cases, priority select the shortest path first will l cause some congestion in certain areas in the network In the case of priority select maximum available bandwidth path first, the network bandwidth resources will being used more, it affects the connection request in the future The current routing algorithms are based on two basic methods above In addition the router routing table is build by exchanging routing information with other routers, in many cases this information is inaccuracy or not updated promptly This can lead to wrong routingdecisions

MPLS (Multiprotocol Label Switching) technology is well developed nowadays and mainly used in the core network MPLS allows traffic engineering in the network, but the basic routing of QoS connections in MPLS still follow the above method and should also face the problem described above

This thesis introduces a routing algorithms that use Stochastic Estimator Learning Algorithm [1] to support finding path for QoS connection requests over MPLS networks Stochastic Estimator Learning Algorithm was also applied in ATM networks [2] QoS routing method with the aid of learning algorithms can estimate the environment, priority select the shortest path, it can predict some cases of congestion, and can avoid some inaccurate decisions when the state of the network

is not known clearly Therefore this algorithm get greater efficiency, reflected in the total number of connection requests made higher This is evidenced in the simulation results in this thesis

Mục Lục

DANH MỤC HÌNH 9

DANH MỤC BẢNG 10

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 11

Chương 1 GIỚI THIỆU 13

1.1 Giới thiệu 13

1.2 Mục tiêu luận văn 14

1.3 Bố cục của luận văn 15

Chương 2 TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ MPLS 16

2.1 Giới thiệu về công nghệ MPLS 16

2.1.1 Miền MPLS (MPLS domain) 17

2.1.2 Forwarding Equivalence Class (FEC) 18

2.1.3 Label switching path (LSP) 19

2.1.4 Mào đầu MPLS (MPLS Header) 21

2.2 MPLS Control Plane và Forwarding Plane 21

2.3 Quyết định đường đi cho dữ liệu 23

2.3.1 Tính toán đường bằng các công cụ Off-Line 23

2.3.2 Thiết lập đường MPLS 23

2.4 Giao thức báo hiệu trong MPLS 24

2.4.1 LDP 24

2.4.2 CR-LDP 25

2.4.3 RSVP-TE 25

2.4.4 BGP-4 27

2.5 Độ ưu tiên các LSP 28

2.6 Thiết lập trước khi ngắt (Make Before Break) 28

Chương 3 QoS TRONG MẠNG MPLS 32

3.1 QoS 32

3.1.1 Quản lý hàng đợi 32

3.1.2 Quản lý rớt gói 33

3.2 Chuyển tiếp gói tin đảm bảo các yêu cầu QoS 33

3.3 Định tuyến QoS trong mạng MPLS. 36

3.3.1 Định tuyến có ràng buộc (Constraint-Based Routing) 36

3.3.2 Trao đổi thông tin định tuyến 37

3.4 Chọn đường đi trong định tuyến QoS. 38

3.4.1 Least load-Shortest path routing (LSPR) 38

3.4.2 Shortest-lead Loaded path routing (SLPR) 39

3.4.3 Least Loaded-Alternate Path Routing (LALT) 40

Chương 4 THUẬT TOÁN HỌC ƯỚC LƯỢNG NGẪU NHIÊN SELA (STOCHASTIC ESTIMATOR LEARNING ALGORITHM) 42

4.1 Giới thiệu thuật toán SELA 42

4.2 Nguyên lý hoạt động của thuật toán SELA 43

4.3 Các thông số ảnh hưởng đến hiệu quả của thuật toán SELA 46

Chương 5 ÁP DỤNG SELA HỖ TRỢ ĐỊNH TUYẾN QoS TRONG MẠNG MPLS 49

5.1 Các lý do để áp dụng SELA trong việc hỗ trợ định tuyến QoS trong mạng MPLS 49 5.2 Áp dụng SELA trong việc hỗ trợ định tuyến QoS trong mạng MPLS 50

Chương 6 THỰC HIỆN MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA SELA 53

6.1 Thông số đánh giá 53

6.1.1 BRR (Bandwidth Rejection Ratio) 53

6.1.2 ENRR (Earned network revenue) 53

6.2 Chương trình mô phỏng mạng NS2 54

6.3 Mô hình mạng 54

6.4 Mô Phỏng mạng 56

6.5 Các thuật toán dùng để so sánh 61

6.6 Kết quả đánh gián hiệu quả các thuật toán. 62

6.6.1 Kết quả mô phỏng trong trường hợp tải không thay đổi 62

6.6.2 Kết quả mô phỏng trong trường hợp các yêu cầu kết nối biến đổi theo thời gian 64

6.6.3 Nhận xét 66

Chương 7 KẾT LUẬN 68

7.1 Kết luận 68

7.2 Hướng phát triển 69

PHỤ LỤC 1 72

PHỤ LỤC 2 80

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Miền MPLS 18

Hình 2.2 Minh họa chuyển mạch nhãn 20

Hình 2.3 Khung mào đầu MPLS 21

Hình 2.4 Kiến trúc router chuyển mạch nhãn LSR 22

Hình 2.5 Thiết lập đường RSVP-TE 26

Hình 2.6 Khung Record Route Object 27

Hình 2.7 Khung session attribute object 27

Hình 2.8 Ví dụ Make before Break 30

Hình 3.1 Chuyển tiếp gói tin ở ingress LSR 34

Hình 3.2 Chuyển tiếp gói tin tại LSR 35

Hình 3.3 Chuyển tiếp gói tin tại egress LSR 36

Hình 3.4 Ví dụ minh họa đường đi có ràng buộc về băng thông 37

Hình 3.5 Đường đi được chọn bằng phương pháp LSPR 39

Hình 3.6 Đường đi được chọn bằng bằng phương pháp SLPR 40

Hình 4.1 Sơ đồ khối thuật toán ước lượng 42

Hình 4.2 Sơ đồ khối thuật toán SELA 45

Hình 4.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của thuật toán SELA 47

Hình 5.1 Sơ đồi khối sử dụng SELA trong QoS routing 52

Hình 6.1 Topo mạng dùng để mô phỏng 55

Hình 6.2 Trao đổi các bản tin định tuyến 56

Hình 6.3 Các bản tin LDP trao đổi các thông tin về nhãn 57

Hình 6.4 Truyền dữ liệu 58

Hình 6.5 Gửi bản tin yêu cầu LSP 59

Hình 6.6 Gửi bản tin xác nhận 60

Hình 6.7 Dữ liệu từ node 0 được gửi đi theo các con đường được thiết lập 61

Hình 6.8 Chỉ số BRR với tốc độ yêu cầu kết nối khác nhau 63

Hình 6.9 Chỉ số ENRR với tốc độ yêu cầu kết nối khác nhau 64

Hình 6.10 Chỉ số BRR với tốc độ yêu cầu kết nối thay đổi với các chu kỳ khác nhau 65

Hình 6.11 Chỉ số ENRR với tốc độ yêu cầu kết nối thay đổi với các chu kỳ khác nhau 65

DANH MỤC BẢNG

Bảng 6.1 Các thông số mô phỏng 55

Bảng 6.2 Kết quả mô phỏng chỉ số BRR với tốc độ yêu cầu kết nối khác nhau 63

Bảng 6.3 Kết quả mô phỏng chỉ số BRR với tốc độ yêu cầu kết nối khác nhau 64

Bảng 6.4 Chỉ số BRR với tốc độ yêu cầu kết nối thay đổi với các chu kỳ khác nhau 66

Bảng 6.5 Chỉ số ENRR với tốc độ yêu cầu kết nối thay đổi với các chu kỳ khác nhau 66

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

ATM Asynchronous Transfer Mode

BGP Border Gateway Protocol

BRR Bandwidth Rejection Ratio

CBR Constraint Based Routing

CBWFQ Class Base Weighted Fair Queuing

CR-LDP Constrained Routing with LDP

CSPF Constrained Shortest Path First

Diffserv Differentiated services

ERO Explicit Route Object

FEC Forwarding Equivalence Class

FIFO First In First Out

FTN FEC – To –Next Hop Label Forwarding Entry ILM Incoming Label Map

Intserv Integrated Services

IP Internet Protocol

IS-IS Intermediate System to Intermediate System

LDP Label Distribution Protocol

LER Label Edge Routers

LLQ Low Latency Queuing

LSP Label Switch Path

LSPR Least load-Shortest Path Routing

LSR Label Switch Routers

MDDR Modified Deficit Round Robin

MPLS Multiprotocol Label Switching

MPLS TE MPLS Traffic Engineering

NAM Network Animation

NHLFE Next Hop Lbel Forwarding Entry

NS2 Network Simulation 2

OSPF Open Shortest Path First

PHBs Per –Hop Behavior

QoS Quality of Service

RIP Routing Information Protocol

RRO Record Route Object

RSVP Resource ReSerVation Protocol

RSVP –TE Resource Reservation Protocol extension for MPLS SAO Session Attribute Object

SELA Stochastic Estimator Learning Algorithm

SLPR Shortest-lead Loaded Path Routing

SPF Shortest Path First

TE Traffic Engineering

TE LSP TE Label Switch Path

WRED Weighted Random Early Detection

Chương 1 GIỚI THIỆU

1.1 Giới thiệu

Internet ngày nay đã trở thành một công cụ không thể thiếu trong cuộc sống Tùy theo nhu cầu mà mọi người sử dụng Internet với mục đích khác nhau, như để tìm kiếm thông tin, để trao đổi tài liệu, sử dụng các dịch vụ nghe nhìn trực tuyến … Với các doanh nghiệp thì internet là một công cụ kinh doanh hiệu quả để họ có thể quảng bá sản phẩm, thông tin về công ty, để điều hành công việc kinh doanh giữa các chi nhánh … Với các yêu cầu khác nhau khách hàng mong muốn có các dịch vụ với chất lượng dịch vụ (QoS) khác nhau Các nhà cung cấp dịch vụ đã và đang phát triển các dịch vụ khác nhau cho các nhóm khách hàng khác nhau

Có nhiều kỹ thuật được nghiên cứu trong lĩnh vực QoS và nhiều kỹ thuật đã được đưa vào ứng dụng thực tế Ý tưởng của các kỹ thuật này là thực hiện phân loại các luồng dữ liệu khác nhau tùy theo các yêu cầu về QoS khác nhau, rồi thực hiện xử lý chúng khác nhau Một số loại dịch vụ yêu cầu phải đảm bảo độ trễ ở mức nào đo, một số loại khác lại yêu cầu phải đảm bảo về băng thông tối thiểu … Trong mô hình DiffServ, một mô hình QoS, các luồng dữ liệu có ưu tiên cao hơn sẽ được ưu tiên chuyển tiếp trước luồng có độ ưu tiên thấp hơn Một mô hình QoS khác đó là IntServ, cho phép dành riêng tài nguyên dọc theo đường đi của dữ liệu trong mạng

Cả hai kỹ thuật này đều hữu dụng để thực hiện các kết nối QoS

Để đảm bảo QoS cho luồng dữ liệu thì cần phải tìm ra con đường đi của luồng dữ liệu qua mạng sao cho đảm bảo các thông số QoS cho luồng dữ liệu đó Các thuật toán định tuyến có ràng buộc đã được nghiên cứu và phát triển và ứng dụng thành công trong việc định đường đi cho luồng dữ liệu Thuật toán định tuyến có ý nghĩa rất lớn vì nó còn ảnh hưởng thới tài nguyên mạng đặc biệt là tài nguyên băng thông của mạng, ảnh hưởng trực tiếp đến các kết nối trong tương lai

Công nghệ MPLS với ưu điểm hỗ trợ QoS và các kỹ thuật lưu lượng (Traffic Engineering) đang được các nhà cung cấp dịch vụ dùng nhiều trong mạng lõi Kỹ thuật QoS trong MPLS cũng bao gồm hai nhiệm vụ chính đó là tìm đường đi trong mạng đảm bảo các yêu cầu QoS và đảm bảo các yêu cầu QoS trong quá trình lưu lượng được truyền qua mạng

Việc tìm đường đi trong mạng MPLS cũng sử dụng những kỹ thuật định tuyến IGP (Interior Gateway Protocol) thông thường Như vậy tại các thời điểm các nút mạng chưa cập nhật được trạng thái của mạng thì việc định tuyến có thể dẫn đến kết quả không được tốt

Thêm vào đó thì mỗi khi dành ra tài nguyên để thực hiện một yêu cầu kết nối nào

đó thì tất nhiên ít hay nhiều điều đó sẽ gây ảnh hưởng đến yêu cầu kết nối khác trong tương lai Các yêu cầu kết nối trong mạng được thực hiện tại mỗi thời điểm bất kỳ là ngẫu nhiên Rất khó nắm bắt chu kỳ cũng như tính chuất của các kết nối này

Đã có nhiều nghiên cứu với mục tiêu tạo được nhiều kết nối QoS hơn trên một hạ tầng mạng MPLS sẵn có và đã đạt được nhiều kết quả tốt Luận văn này nghiên cứu một phương pháp định tuyến với sự hỗ trợ của thuật toán học ước lượng ngẫu nhiên SELA (Stochastic Estimator Learning Algorithm) cũng để đạt được số kết nối QoS tối đa Với đặc tính là ước lượng được môi trường biến đổi ngẫu nhiên thuật toán SELA sẽ hỗ trợ thuật toán định tuyến tránh ra các quyết định định tuyến sai ảnh hưởng đến hoạt động của mạng

1.2 Mục tiêu luận văn

Luận văn này nghiên cứu một phương pháp định tuyến QoS dựa vào sự hỗ trợ của thuật toán ước lượng mội trường ngẫu nhiên Thuật toán ước lượng môi trường ngẫu nhiên này sẽ hỗ trợ việc chọn đường đi tối ưu cho luồng dữ liệu qua mạng sao cho vừa đảm bảo được QoS của luồng dữ liệu vừa tiết kiệm được tài nguyên cho những kết nối sau và do đó tổng số các kết nối thực hiện được của mạng sẽ cao hơn

Phương pháp này kết hợp được việc ưu tiên chọn đường đi ngắn nhất trước đồng thời tránh được việc định tuyến vào các vùng có khả năng nghẽn cao đặc biệt tại các thời điểm thông tin về trạng thái của mạng chưa được cập Các nghiên cứu và mô phỏng được thực hiện trên môi trường mạng MPLS

1.3 Bố cục của luận văn

Chương 2 Giới thiệu về công nghệ MPLS, các chức năng cơ bản của MPLS Các

kiến thức cơ bản về công nghệ MPLS, điểm khác nhau giữa công nghệ MPLS và IP truyền thống

Chương 3 Chương này trình bày các phương pháp đảm bảo QoS trong mạng

MPLS Giới thiệu các phương pháp định tuyến và một vài thuật toán định tuyến QoS thông dụng

Chương 4 trình bày thuật toán học ước lượng ngẫu nhiên SELA, các bước thực

hiện thuật toán, cũng như những đặc tính hoạt động của thuật toán

Chương 5 trình bày phương pháp áp dụng thuật toán học ước lượng ngẫu nhiên để

hỗ trợ việc chọn đường đi cho các yêu cầu kết nối QoS

Chương 6 là kết quả mô phỏng bằng chương trình NS-2 để so sánh hiệu năng hoạt

động của thuật toán ước lượng ngẫu nhiên với các phương pháp thông dụng khác

Chương 7 là các đánh giá và kết luận cho luận văn này

Phụ lục 1 là phần chứng minh khả năng tối ưu hóa của thuật toán ước lượng ngẫu

nhiên SELA

Phụ lục 2: đoạn mã chương trình dùng để mô phỏng so sánh kết quả

Chương 2 TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ MPLS

2.1 Giới thiệu về công nghệ MPLS

Trong mạng IP truyền thống, mỗi một router trong mạng thực hiện việc định tuyến một cách độc lập với đối với các gói tin được gủi tới Khi nhận được một gói tin tới, router thực hiện tham khảo bảng định tuyến của nó để đưa ra quyết định là sẽ chuyển gói tin này đến hướng nào tiếp theo dựa trên địa chỉ IP của gói tin này Để xây dựng bảng định tuyến cho mình, mỗi router đều chạy giao thức định tuyến IP như là BGP, OSPF hay là ISIS Khi một gói tin đi trong mạng, mỗi router thực hiện công việc tương tự để tìm ra đường đi cần chuyển tiếp của gói IP

Công nghệ IP truyền thống, việc thực hiện định tuyến không xét đến đặc tính của lưu lượng cũng như điều kiện dung lượng của lưu lượng, điều này dẫn đến có những đoạn trong mạng có thể xẩy ra hiện tượng nghẽn, trong khi đó có những đoạn khác thì lại không sử dụng hết băng thông

MPLS là công nghệ có thể nói là sự lai ghép giữa lớp 2 và lớp 3 trong mạng IP MPLS hỗ trợ các tính năng QoS, kỹ thuật lưu lượng Về cơ bản MPLS thực hiện việc gắn một nhãn có độ dài cố định vào gói tin khi gói tin này vào miền MPLS, sau

đó việc định chuyển tiếp gói tin này trong mạng được thực hiện dựa vào thông tin trên nhãn này

Trong miền MPLS, đường đi của gói tin được quyết định ngay khi gói tin vào miền MPLS Các node dọc theo đường đi trong mạng MPLS không thực hiện các quyết định định tuyến mà thực hiện chuyển tiếp gói tin dựa vào thông tin ghi trên nhãn, đồng thời thay đổi giá trị của nhãn này

Các router chuyển mạch nhãn (LSR) có cấu trúc được chia ra làm 2 phần chính làm 2 nhiệm vụ chính, đó là phần dữ liệu (data plane) và phần điều khiển (control

plane) Phần control plane liên quan đến các chức năng ở lớp mạng (lớp network) như là định tuyến và báo hiệu để thực hiện việc tìm và thiết lập đường đi cho lưu lượng qua mạng Trong khi đó phần data plane bao gồm các thành phần chuyển tiếp gói tin thực hiện các công việc chuyển mạch nhãn đơn giản Điều này cho phép thực hiện các định tuyến chỉ định cũng như phân loại các gói tin với chất lượng dịch vụ khác nhau, trong khi đó vẫn giữ được tính đơn giản của các router ở mạng lõi MPLS viết tắt của Multi Protocol Label Switching (chuyển mạch nhãn đa giao thức) chỉ ra rằng MPLS được phát triển để có thể hoạt động với nhiều giao thức khác nhau ở lớp 2 và 3, đồng thời cơ chế chuyển tiếp gói tin là chuyển mạch nhãn

2.1.1 Miền MPLS (MPLS domain)

Miền MPLS được miêu tả là một tập hợp liên tiếp các nút mạng mà trong đó các nút này thực hiện định tuyến và chuyển tiếp gói theo cơ chế MPLS [14] Miền này

về cơ bản dưới sự quản lý của một nhà quản lý

Miền MPLS về cơ bản được chia ra là MPLS lõi (MPLS core) và MPLS biên (MPLS edge) Các router trong miền MPLS được gọi là LSR (Label Switch Router) Các node trong mạng lõi MPLS thường được gọi là LSR (Label Switch Router), các node ở miền biên MPLS thường được gọi là LER (Label Edge Router) Nếu như một LER là node đầu tiên của đường đi của gói tin trong miền MPLS thì được gọi là LER đầu vào (ingress LER) còn nếu như node đó ở cuối đường đi trong miền MPLS thì được gọi là LER đầu ra (egress LER) Các thuật ngữ này được áp dụng tùy vào việc ta đang xem xét hướng của luồng dữ liệu, như vậy một node có thể vừa là LER đầu vào của luồng dữ liệu này vừa là LER đầu ra của luồng dữ liệu khác

Hình 2.1 Miền MPLS

2.1.2 Forwarding Equivalence Class (FEC)

FEC được định nghĩa trong RFC 3031 [14] là :

“ Là một nhóm các gói IP được chuyển tiếp đi theo một cách như nhau (ví dụ : cùng đường đi, cùng một cách đối xử như nhau )”

Hay nói cách khác, tất cả các gói IP được chuyển tiếp theo cùng một đường và cùng một cách xử lý (đối xử) thì thuộc về cùng một FEC Các FEC không phải nhất thiết phải tuân theo sự định tuyến đường đi ngắn nhất như trong IP truyền thống, mà điều

đó còn phụ thuộc vào các yếu tố khác như là, nguồn gốc của gói tin, các thông số về QoS …Router có cách xử lý với các FEC khác nhau tùy theo cấp độ ưu tiên của các FEC đó

Trong mạng MPLS, việc gán các gói tin vào các FEC cụ thể được thực hiện một lần duy nhất ngay khi khói tin mới vào mạng MPLS tại LER đầu vào Điều này hoàn

toàn khác với mạng IP truyền thống mà tại đó mào đầu của gói tin luôn được phân tích tại mỗi kết nối

2.1.3 Label switching path (LSP)

Khi một gói IP di chuyển trong miền MPLS, nó sẽ đi theo một con đường định trước, con đường định trước này phụ thuộc vào FEC Đường đi mà gói này đi gọi là đường chuyển mạch nhãn LSP (label switching path) LSP là đường đơn hướng do

đó trong mạng việc xây dựng hai đường LSP để truyền dẫn song hướng là thực sự cần thiết

Khi các gói tin lớp 3 bắt đầu vào LSR đầu vào, chúng được phân ra các FEC như phần trên Khi các gói tin đã được phân, chúng được gán vào LSP tương ứng với FEC đó Hay nói một cách khác FEC đóng vai trò như bộ lọc để chỉ ra gói IP nào sẽ được chuyển đi theo đường LSP nào tương ứng Một LSP có thể phục vụ cho nhiều FEC FEC được gán cho gói tin chỉ được thực hiện ở tại LSR đầu vào khi mà gói tin bắt đầu vào miền MPLS Sau khi gói tin đã được gán cho FEC, một mào đầu MPLS

sẽ được chèn vào gói tin rồi sau đó gói tin sẽ được chuyển tiếp đi đến hop tiếp theo Các LSR tiếp theo sẽ không phải phân tích các thông tin khác của gói tin mà chỉ dựa vào mào đầu MPLS để đưa ra quyết định chuyển tiếp Gói tin được chuyển tiếp đơn giản chỉ dựa vào thông tin trong mào đầu MPLS và giao diện mà gói tin đó đến (đó chính là cổng nào hay đường nào mà gói tin đó đến) Có ba công việc cơ bản thực hiện với một gói tin đó là :

• Đặt nhãn cho gói tin

• Đổi nhãn cho gói tin

• Pop nhãn cho gói tin

Chuyển mạch dựa theo nhãn được thực hiện nhanh hơn so với việc dựa theo địa chỉ IP truyền thống, đây cũng là một trong những động lực thúc đẩy nghiên cứu MPLS Tuy nhiên với công nghệ chuyển mạch IP hiện đại ngày nay với tốc độ nhanh thì điều này không còn đúng nữa [10]

Hình 2.2 Minh họa chuyển mạch nhãn Hình trên miêu tả quá trình làm thế nào các router dung nhãn để truyền gói tin trong miền MPLS Tại router đầu tiên, hay còn gọi là router đầu vào (ingress router) công việc gắn nhãn MPLS cho gói tin Để làm được việc này, cần phải quyết định là gói tin này thuộc FEC nào Cơ chế FTN (FEC – To –Next Hop Label Forwarding Entry) sẽ làm việc này Các LSR đồng thời có bảng NHLFE (Next hop label forwarding entry) dung để kiểm soát việc phân phối nhãn cho các gói tin đi tới Bảng này chứa các thông tin mà dựa vào đó router sẽ thực hiện các quyết định đối với nhãn trên gói tin (như là gán, thay gổi nhãn hay pop) đồng thời quyết định gói tin sẽ được chuyển tiếp đến cổng nào của router FTN dùng để gán các gói tin chưa gắn nhãn vào một FEC nào đó, rồi sau đó gán FEC này vào một NHLFE nào đó Do

đó sau khi đã phân chia các FEC, nhãn và các hành động với các nhãn đó được tìm thấy trong bảng NHLFE Khi nhãn được chèn vào và cổng ra được tìm thấy trong bảng NHLFE thì gói tin sẽ được chuyển tiếp đến hop tiếp theo qua cổng đó đến router tiếp theo

Router tiếp theo sẽ dựa vào nhãn trên gói tin đó để quyết định xem sẽ xử lý với gói tin này như thế nào Nó sẽ thay dổi giá trị của nhãn đồng thời sẽ chuyển gói tin đó đến cổng khác được tìm thấy trong bảng ILM (incoming label map) Bảng ILM dùng để khớp các nhãn của gói tin đi đến với NHLFE và được sử dụng để chuyển tiếp gói tin đi Tại router cuối cùng là router đầu ra egress LSR, router này sẽ truy

vấn thông tin trên bảng ILM và NHLFE để gỡ phần mào đầu MPLS và chuyển tiếp gói tin như là chuyển tiếp gói IP

2.1.4 Mào đầu MPLS (MPLS Header)

Như đã miêu tả ở trên, việc chuyển tiếp gói tin MPLS được thực hiện bằng việc sử dụng nhãn trên mào đầu MPLS Do đó mào đầu MPLS phải được chèn vào gói tin khi gói tin vào miền MPLS Với các công nghệ chuyển mạch như ATM hay là FR, mào đầu MPLS được gán vào các vùng nhãn sẵn có Với ATM thì vùng VPI/VCI được sữ dụng còn với FR thì vùng DLCI được sử dụng Còn trong trường hợp công nghệ nghệ lớp hai khôn hỗ trợ miền nhãn sẵn có thì mào đầu MPLS phải được chèn vào giữa phần mào đầu của lớp hai và lớp ba Mào đầu MPLS này là một đoạn mào đầu dài 32 bit được chia làm bốn phần chính như sau:

Hình 2.3 Khung mào đầu MPLS

• TLL : 8bit Time – to –live, trường này có chức năng giống với TLL trong gói IP

• Nhãn : Label 20 bit, đây là giá trị của nhãn MPLS được gán cho gói tin

• CoS : Class of service 3 bit, trường này có chức năng phân loại dịch vụ của gói tin

• S : stack 1 bit, để chỉ thị nhãn cuối

2.2 MPLS Control Plane và Forwarding Plane

Các router MPLS có kiến trúc được phân ra làm 2 phần chính như sau [10], đó là phần điều khiển (control plane) và phần chuyển tiếp (forwarding plane) Một LSR phải có khả năng xử lý với cả gói IP truyền thống và cả gói tin MPLS, do vậy 2

chức năng điều khiển và chuyể

MPLS

Phần điều khiển được dùng cho giao th

nhãn LDP (label distribution protocol)

Phần chuyển tiếp thì thực hiệ

MPLS Phần chuyển tiếp gói tin MPLS th

tin tin MPLS Phần chuyển tiế

liên quan đến nhãn tùy thuộc vào các ch

mỗi node Nếu như LSR đóng vai tr

(FEC to NHLFE) để thực hiện ch

MPLS

Hình 2.4 Kiế

ển tiếp trong LSR phải có khả năng xử lý với c

c dùng cho giao thức định tuyến IP và giao thức phân phlabel distribution protocol)

ện chức năng chuyển tiếp gói tin IP cũng như gói tin

p gói tin MPLS thực hiện phụ thuộc vào giá trị nhãn trên gói

ếp MPLS có thể thực hiện nhiều công việc khác nhau

c vào các chỉ dẫn trên bảng NHLFE và bảng ILM t

u như LSR đóng vai trò như LSR đầu vào thì nó phải có bảng FTN

n chức năng gán nhãn cho các gói tin mới vào mi

ến trúc router chuyển mạch nhãn LSR

i cả IP và

c phân phối

ư gói tin nhãn trên gói

c khác nhau

ng ILM tại

ng FTN

i vào miền

2.3 Quyết định đường đi cho dữ liệu

Có hai cách tiếp cận trong việc xác định đường đi cho gói tin MPLS trong miền MPLS đó là tính toán offline và tính toán đường đi có điều kiện Việc xác định đường đi thực sự rất quan trọng trong MPLS Công việc này nhằm xác định đường

đi tốt cho luồng dữ liệu đến được đến đích

2.3.1 Tính toán đường bằng các công cụ Off-Line

Các LSP và FEC có thể được xác định bằng các công cụ chạy offline Các dữ liệu đầu vào của công cụ tính toán này chính là các node LSR đầu vào và LSR đầu ra, topo vật lý của mạng và các ước lượng về lưu lượng Dựa vào các dữ liệu đầu vào này công cụ tính sẽ xác định được một số đường đi cho LSP mà có thể tối ưu được

sử dụng tài nguyên băng thông trong mạng Sau đó các router này sẽ thực hiện thiết lập các đường đi chỉ định trong miền MPLS Cách tính toán đường đi này có thể thực hiện được tối ưu việc sữ dụng tài nguyên trong mạng

2.3.2 Thiết lập đường MPLS

Có hai cách để thiết lập LSP chính như sau, đó là LSP tĩnh và báo hiệu LSP LSP tĩnh là LSP được người vận hành lập ra bằng cách cấu hình trực tiếp trên các LSR Điều này thực hiện bằng cách đến các LSR hoặc remote từ xa đến các LSR, rồi sau

đó thực hiện các cấu hình LSP Cách này giống như định tuyến tĩnh trong IP Đối với một mạng lớn và có nhiều thay đổi thì cách tiếp cận này không còn phù hợp vì tính phức tạp của nó, mức độ phức tạp trong việc định tuyến sẽ tăng theo Một cách khác linh động hơn nữa đó là dùng cách thiết lập LSP động bằng giao thức báo hiệu

Giao thức báo hiệu động được thiết kế để cho phép một router có thể yêu cầu thiết lập kết nối cũng như gán FEC cho một đường từ đầu đến cuối Router cần thiết lập LSP đơn giản chỉ cần xác định con đường tốt nhất tùy thuộc vào các ràng buộc, rồi sau đó yêu cầu các router trên đường đi thiết lập một LSP, đồng thời phân phối

nhãn cho FEC đó Công việc cấu hình đơn giản chỉ là khai báo chức năng MPLS và chức năng báo hiệu

2.4 Giao thức báo hiệu trong MPLS

Báo hiệu là một cách các router trao đổi các thông tin cần thiết có liên quan Trong mạng MPLS, loại thông tin nào được trao đổi giữa các router phụ thuộc vào việc giao thức nào đang sữ dụng Cơ bản thông tin nhãn phải được phân bố đến tất cả các router để trên cơ sở đó router có thể tạo các LSP và chuyển phát gói tin Cấu trúc MPLS có bốn cách phân phối nhãn như sau :

• LDP (Label Distribution Protocol)

• RSVP –TE (Resource Reservation Protocol extension for MPLS)

• CR-LDP (Constrained Routing with LDP)

• Distribution labels with BGP-4

2.4.1 LDP

LDP được thiết kế bởi nhóm làm việc trong IETF LDP hoạt động sát với giao thức định tuyến IGP và do đó đôi khi nó đôi khi còn được gọi là cơ chế chuyển phát “ hop-by-hop” Khi ra quyết định chọn đường đi cho dữ liệu nó luôn luôn chọn đường

đi giống như giao thức định tuyến IP truyền thống Do đó LDP không hỗ trợ TE (traffic engineering) Động lực đằng sau việc nghiên cứu LDP cho việc chọn đường

đi giống như mạng IP truyền thống đó là để tăng tốc việc chuyển tiếp gói tin ở mỗi router Trong mạng IP truyền thống thì việc tìm đường đi tiếp theo tại mỗi router được quyết định bằng cách so sánh độ dài trùng hợp tối đa địa chỉ gói IP đó trong bảng định tuyến Việc tìm kiếm so sánh như vậy đôi khi dẫn đến sự chậm trễ khi mà bảng định tuyến trở nên rất lớn với mạng rất lớn Do đó việc quyết định chuyển tiếp gói tin dựa vào nhãn của gói tin giúp tăng đáng kể tốc độ chuyển phát gói tin Tuy nhiên với công nghệ chuyển phát gói tin IP hiện đại bây giờ thì điều đó không còn ý nghĩa nữa

Do sự phát triển của công nghệ định tuyến ngày nay mà LDP hầu như rất ít được dùng ngày nay Tuy nhiên một giao thức tương tự bắt nguồn từ LDP có nhiều chức năng được dùng nhiều hơn đó là CR-LDP

2.4.2 CR-LDP

CR-LDP là phần mở rộng của LDP, hỗ trợ chức năng định tuyến LDP có ràng buộc Ràng buộc ở đây có nghĩa là chỉ những link nào thỏa mãn các yêu cầu cụ thể của luồng dữ liệu mới được chọn Một ví dụ của định tuyến ràng buộc đó là chọn đường

đi thỏa mãn băng thông nào đó Hoặc là chọn đường đi thỏa mãn các yêu cầu về bảo mật nào đó…

Các LSR sử dụng CR-LDP để trao đổi nhãn và thông tin về việc gán nhãn với FEC

Có bốn loại bản tin LDP như sau :

PATH theo đường đi mà LSP sẽ được thiết lập Tại mỗi router chuyển tiếp trên đường đi, router này phải kiểm tra liệu có khả năng thiết lập được LSP được không Nếu như yêu cầu thiết lập LSP bị từ chối thì một bản tin erro (bản tin lỗi) được gửi trở lại phía phát, đến router ingress Còn nếu như yêu cầu thiết lập LSP được chấp nhận thì bản tin PATH sẽ tiếp tục được chuyển tiếp đến router thứ hai, cho đến tận router đầu ra (egress router) Sau đó router egress sẽ phát bản tin RESV dọc theo con đường mà bản tin PATH đi Bản tin RESV từ router phía dưới (down stream) này chứa thông tin về nhãn mà router này muốn dùng để thiết lập LSP với router phía trên (up stream) liền kề Việc dành riêng tài nguyên chỉ được thực hiện thành công khi bản tin RESV truyền đi thành công về đến routẻ ingress

Để sử dụng kỹ thuật lưu lượng với RSVP thì cần phải có thêm vài object (đối tượng) mới cần phải được định nghĩa cho RSVP để có thể sử dụng được trong RSVP-TE Để có thể sử dụng được việc thiết lập định tuyến theo một đường đi chỉ định thì object ERO (Explicit Route Object) được thêm vào trong bản tin PATH, để router có thể định tuyến theo đường đi trong object ERO thay vì đi theo con đường ngắn nhất trước

Hình 2.5 Thiết lập đường RSVP-TE

Về RRO (Record Route Object), object này được thêm vào cả hai bản tin PATH và bản tin RESV Trong bản tin PATH thì RRO được sử dụng để ghi lại theo thứ tự các LSR mà bản tin đi qua theo đúng thứ tự Bản danh sách thứ tự này sau đó được gửi đi trong bản tin RESV đến các LSR phía trên đến tận LSR ingress, để các LSR này đều nhận được danh sách này

Hình 2.6 Khung Record Route Object

SAO (session attribute object) được thêm vào bản tin PATH để chỉ ra phiên (session) và để chỉ ra đặc tính cũng như độ ưu tiên của LSP

Hình 2.7 Khung session attribute object Trường ưu tiên (setup priority field) chỉ ra độ ưu tiên của LSP Trường này có 8 bit

do đó có 8 cấp độ ưu tiên là từ 0 đến 7 Trong đó độ ưu tiên 0 là độ ưu tiên lớn nhất

2.4.4 BGP-4

Giao thức định tuyến BGP có thể sử dụng để phân phối nhãn BGP là giao thức định tuyến sử dụng giữa các AS (autonomous system) để trao đổi thông tin định tuyến Phần bản tin cập nhật trong BGP-4 được sử dụng để phân phối đường đi BGP và có

thể mang thêm nhãn MPLS thích hợp để gán cho đường đi BGP Thông tin về gán nhãn cho một đường đi cụ thể được gửi kèm theo trong cùng bản tin cập nhật BGP

mà sử dụng để phân phối bảng định tuyến

2.5 Độ ưu tiên các LSP

MPLS có đưa ra độ ưu tiên của các LSP Độ ưu tiên đưa ra đây có nghĩa là một vài LSP sẽ được đánh giá là quan trọng hơn và cho phép các LSP này có thể sử dụng tài nguyên từ các LSP có độ ưu tiên thấp hơn Điều này làm cho các LSP quan trọng sẽ được thiết lập dọc theo đường đi tối ưu tiên hơn, bất kể LSP khác đang tồn tại, nếu như LSP đó có độ ưu tiên thấp hơn Khi các LSP cần phải định tuyến lại thì các LSP quan trọng hơn có cơ hội tốt hơn để chọn các con đường khác để đi hơn là với các LSP có độ ưu tiên thấp hơn hay là ít quan trọng hơn

Có 8 cấp độ ưu tiên, trong đó cao nhất là 0 và thấp nhất là 7 Một LSP có 2 đặc tính

ưu tiên đó là : độ ưu tiên thiết lập, và độ ưu tiên giữ Độ ưu tiên thiết lập kiểm soát

sự tiếp cận tài nguyên ngay khi LSP mới thiết lập Độ ưu tiên giữ kiểm soát việc tiếp cận tài nguyên cho một LSP mà đã thiết lập rồi Tại thời gian thiết lập LSP, nếu như tài nguyên thiếu, độ ưu tiên thiết lập được so sánh với độ ưu tiên giữ của LSP đang sử dụng tài nguyên để quyết định xem liệu có lấy đi tài nguyên của LSP hiện tại hay không

2.6 Thiết lập trước khi ngắt (Make Before Break)

Một trong những yêu cầu của kỹ thuật lưu lượng là khả năng định tuyến lại cho một LSP đã được thiết lập trong một số điều kiện nào đó Ví dụ như trong vài trường hợp người quản trị có thể thực hiện tái định tuyến các LSP sang những đường đi khác tối ưu hơn, khi có nhiều đường đi để lựa chọn Một trong những trường hợp quan trọng mà cần phải thực hiện định tuyến lại đối với lưu lượng đó là trường hợp link bị sự cố Thêm vào đó trong vài trường hợp cụ thể việc khôi phục lại đường đi như lúc đầu sau khi link khôi phục lại cũng cần công việc tái định tuyến lại

Việc định tuyến lại lưu lượng phải không ảnh hưởng đến mạng cũng như không gây ảnh hưởng xấu đến lưu lượng vẫn đang được truyền dẫn Điều này có nghĩa là cần thiết phải xây dựng một LSP mới để tuyền lưu lượng từ LSP cũ qua LSP mới rồi sau đó mới thực hiện bỏ LSP cũ đi Công việc này được gọi là kết nối trước khi ngắt

“ make – before –break” Có một vấn đề xẩy ra đó là LSP mới và LSP cũ có thể xẩy

ra việc tranh chấp tài nguyên Tùy theo độ dự trữ của tài nguyên mà điều này có thể ảnh hưởng đến việc thiết lập LSP mới

Để hỗ trợ cơ chết kết nối trước khi ngắt hoạt động trơn tru thì cần phải giải quyết việc tranh chấp tài nguyên tại những link mà LSP mới và LSP cũ đều qua Tài nguyên dành cho LSP cũ chưa thể giải phóng trước khi lưu lượng được chuyển qua LSP mới Như vậy tại những link dùng chung tài nguyên giữa LSP cũ và LSP mới thì tài nguyên dành riêng không được ghi nhận là hai lần bởi vì điều này có thể gây

ra việc từ chối LSP mới

Một trường hợp nữa cần dùng cơ chế kết nối trước khi ngắt đó là trường hợp người quản trị muốn mở rộng băng thông cho LSP

Ví dụ sau đây làm rõ thêm cho cơ chế kết nối trước khi ngắt Ví dụ như hình vẽ có một LSP từ 1-2-4-5-6 Gải sử ràng LSP này đã dành riêng hết tài nguyên có thể có dọc theo tuyến đường đi Nếu như LSP này được dời qua đường ngắn hơn là 1-3-5-

6, như vậy việc dành riêng tài nguyên trên link 5-6 sẽ bị từ chối bởi vì tài nguyên dành riêng đã hết Tuy nhiên trong trường hợp này việc dành riêng tài nguyên sẽ được chia sẻ ưu tiên cho đường đi ngắn hơn bởi vì link này đều được dùng bởi cùng LSP Khi thực hiện chuyển lưu lượng từ LSP cũ sang LSP mới thì LSP cũ bị ngắt, loại bỏ mà ít ngây ra gián đoạn đường truyền nhất

Hình 2.8 Ví dụ Make before Break

2.7 MPLS và Diffserv

Các nhà cung cấp dịch vụ mạng internet hiện tại cung cấp nhiều loại dịch vụ khác nhau với chất lượng khác nhau cho các khách hàng với yêu cầu khác nhau Ví dụ như các dịch vụ với yêu cầu về độ trễ, băng thông, jitter với độ ưu tiên cho khách hàng được cung cấp đảm bảo, trong khi đo các dịch vụ internet thông thường vẫn phục vụ được cho khách hàng khác Diffserv phân chia các lưu lượng của khách hàng thành các cấp độ ưu tiên khác nhau, do đó khi các gói của các lưu lượng này được đối xử khác nhau như là vào hàng đợi khác nhau, được lập lịch chuyển phát khác nhau tùy thuộc vào độ ưu tiên của các gói tin Phần TOS trong mào đầu của gói IP dùng để đánh dấu gói tin, chỉ thị cách gói tin đó được chuyển tiếp như thế nào

Diffserv và MPLS có những điểm chung [10] Cả hai đều tiếp cận theo cách các router biên sẽ làm các công việc phức tạp hơn Router biên sẽ thực hiện việc phân loại các luồng lưu lượng và quyết định luồng lưu lượng đó sẽ được đối xử như thế nào trong mạng Trong Diffserv thì trường TOS được sử dụng để đánh dấu gói tin, trường này sẽ quyết định cơ chế lập lịch và hàng đợi mà các router sẽ thực hiện đối với gói tin này Trong MPLS thì nhãn được sử dụng ngay tại egress router để quyết định đường đi cho gói tin

Điều này được mong đợi là việc kết hợp MPLS và Diffserv để đạt được QoS tốt trong toàn mạng MPLS và Diffserv được kết hợp sẽ đạt được kết quả QoS tốt cũng như tối ưu được việc sử dụng tài nguyên trong toàn mạng

Có 2 cách chính để thực sử dụng Diffserv trong MPLS đó là:

Trong E-LSP (EXP inferred PSC LSP), trường TOS trong gói tin IP được gán với 3 bit EXP trong mào đầu MPLS Bằng cách này nhãn được dùng để thực hiện quyết định chuyển tiếp còn trường EXP dùng để thực hiện việc xử lý gói này như thế nào trong hàng đợi của các router

Trong L-LSP (label only inferred PSC LSP), một LSP riêng biệt có thể được thiết lập cho luồng lưu lượng Trong trường hợp này LSR có thể quyết định được đường

đi cũng như cách xử lý gói tin từ nhãn của gói tin

Chương 3 QoS TRONG MẠNG MPLS

3.1 QoS

QoS là một khái niện bao trùm trên toàn bộ mạng, thể hiện các đặc tính hoạt động của mạng [15] Như đã thảo luận ở phần giới thiệu MPLS ở phía trên QoS có hai phần như sau :

• Tìm con đường đi qua mạng làm sao có thể phục vụ được yêu cầu của khách hang

• Đảm bảo các yêu cầu về dịch vụ đó

Thuật ngữ QoS lần đầu tiên được nhắc đến trong RFC 1006 “ ISO Transport Service on Top of the TCP: Version 3” năm 1987 Trong IP và MPLS, thuật ngữ QoS thường được dùng để miêu tả các kỹ thuật để quản lý sự mất gói, độ trễ cũng, jitter Hai cấu trúc QoS được sử dụng sau đây

• Intserv (Integrated services)

• Diffserv (Differentiated services)

IntServ thích hợp cho mạng có kích thước nhỏ, nhưng cần phải thực hiện từ điểm đầu đến điểm cuối (make end-to-end, host-to-host), theo ứng dụng và luồng dữ liệu trong mạng

DiffServ thực hiện việc phân loại dịch vụ tại biên, và thực hiện việc quản lý hàng đợi theo từng hop Điều đó có nghĩa là hầu hết các công việc đều thực hiện tại router biên

3.1.1 Quản lý hàng đợi

Có nhiều cách thực hiện quản lý hàng đợi khác nhau, nhiều kỹ thuật quản lý hàng đợi khác nhau áp dụng cho MPLS như là :

• FIFO (first in first out)

• MDDR (modified deficit round robin)

• CBWFQ (class base weighted fair queuing)

• LLQ (low latency queuing)

FIFO thông dụng và hầu như là cơ chế có sẵn trong các router, là cơ chế thực hiện

ưu tiên cho gói tin đến trước sẽ được chuyển tiếp đi trước

MDRR, CBWRQ và LLQ là các cơ chế quản lý hàng đợi hỗ trợ QoS Là các cơ chế quản lý hàng đợi sao cho đảm bảo được các giá trị như độ trễ, hay băng thông

Kỹ thuật quản lý hàng đợi là một trong hai phần quan trọng của cấu trúc Diffserv gọi là PHBs (Per –hop behavior) Cơ chế này thực hiện tại mỗi hop PHBs có hai phần cơ bản đó là quản lý hàng đợi như trên và quản lý rớt gói (dropping)

3.1.2 Quản lý rớt gói

Quản lý rớt gói là thành phần quan trọng thứ hai của cơ chế PHB Quản lý rớt gói không chỉ quan trọng trong quản lý độ dài của hàng đợi mà nó còn ảnh hưởng lớn đến dữ liệu truyền đi TCP có cơ chế truyền thông tin chậm lại tỉ lệ với số gói tin bị rớt ít hay nhiều Cơ chế quản lý rớt gói WRED (weighted random early detection) trong Diffserv được dùng phổ biến và rộng rãi trong các router

Như vậy thực hiện Diffserv trong MPLS không khác gì trong IP thông thường

3.2 Chuyển tiếp gói tin đảm bảo các yêu cầu QoS

Hình 3.1 ChuyHình trên mô tả cơ chế chuyển phát gói tin t

nơi bắt đầu của đường đi trong m

gán nhãn cho gói tin IP đồng th

ưu tiên và loại dịch vụ Phân lo

Sau khi gói tin được phân loại và đư

để chuẩn bị chuyển phát tới router ti

trên thông tin trên nhãn, gói tin nào có m

trong hàng đơi

Chuyển tiếp gói tin ở ingress LSR

n phát gói tin tại ingress router Tại router biên này là

ng đi trong mạng MPLS Do vậy ingress router có chứ

ng thời thực hiện phân loại gói tin theo đích đến, Phân loại này thực hiện gán các luồng dữ liệu vào các FEC

i và được gán nhãn, gói tin sẽ được đưa tới hàng đ

i router tiếp theo Việc xử lý gói tin ở hàng đợi sgói tin nào có mức ưu tiên cao hơn sẽ được ưu tiên hơn

i router biên này là

ức năng mức độ vào các FEC

i hàng đợi

i sẽ dựa

c ưu tiên hơn

Hình 3Hình 3.2 mô tả cơ chế chuyể

(core) của mạng MPLS Tại các LSR trong mi

vào giá trị trên mào đầu MPLS Mào đ

công việc đó đã được xử lý ở

trên mào đầu MPLS, sau đó th

như đã nói ở phần trên Tiếp đó gói tin s

Dựa vào thông tin về độ ưu tiên c

Hình 3.3 mô tả sơ đồ khối cơ ch

kết thúc của gói tin trong mạng MPLS D

tục chuyển đến hàng đợi của c

gói tin đã được gỡ bỏ Đến điể

xử lý như gói tin IP thông thườ

3.2 Chuyển tiếp gói tin tại LSR

ển tiếp nhãn ở router chuyển mạch nhãn ở vùng lõi

i các LSR trong miền MPLS, các gói tin được xử

u MPLS Mào đầu IP sẽ không được xử lý ở đây nữ

ở ingress LSR Khi gói tin đến, LSR sẽ đọc thông tin

u MPLS, sau đó thực hiện việc thay đổi giá trị nhãn dựa vào NHLFE

p đó gói tin sẽ được đưa đến hàng đợi của cổng ti

ưu tiên của gói tin mà LSR sẽ xử lý tiếp theo

i cơ chế chuyển phát gói tin tại egress LER Đây là đi

ng MPLS Dựa vào các thông tin trên nhãn LER ti

a cổng tiếp theo, tuy nhiên trước đó mào đầu MPLS trên

ểm tiếp theo, gói tin sau khi đã bị gỡ bỏ nhãn sờng

i egress LER Đây là điểm

a vào các thông tin trên nhãn LER tiếp

u MPLS trên nhãn sẽ được

Hình 3.3 Chuy

3.3 Định tuyến QoS trong m

3.3.1 Định tuyến có ràng bu

Đối với định tuyến có ràng bu

đường đi tốt nhất cho gói tin M

dữ liệu dựa trên băng thông, chi phí

sao cho thỏa mãn các yêu cầu c

Việc tính toán một đường đi th

việc liệu các ràng buộc này có th

thông tin này cần phài được phân ph

nghĩa là các thông tin về đặc tính c

các node Điều này có thể đạt đư

các giao thức định tuyến

link-không chỉ truyền các thông tin v

Chuyển tiếp gói tin tại egress LSR

n QoS trong mạng MPLS

n có ràng buộc (Constraint-Based Routing)

n có ràng buộc, thì các thông số mạng được xem xét để

t cho gói tin Mỗi LSR quyết định một đường đi xác định cho lu

chi phí, và các thông tin topo mạng LSP được t

u của luồng lưu lượng

ng đi thỏa mãn các ràng buộc đề ra cần có các thông tin v

c này có thể đạt được ở các link hay không và đồng th

c phân phối đến tất cả các node trong mạng Điều này có

c tính của các link phải được truyền đi trong mạ

t được bằng cách thêm vào phần mở rộng TE vào trong -state như ISIS hay OSPF, điều này cho phép chúng

c thông tin về trạng thái của link mà còn cả thông tin v

ng TE vào trong

u này cho phép chúng thông tin về băng

thông hiện có của link đó Bằng cách này các node biết được đặc tính hiện tại của tất cả các link trong mạng Khi đã có các thông tin này, một phiên bản đã được điều chỉnh của thuật toán đường đi ngắn nhất (SPF) gọi là thuật toán đường đi ngắn nhất

có ràng buộc (CSPF), được sử dụng ở LSR đầu vào để tính toán đường đi với các ràng buộc cho trước CSPF hoạt động giống như thuật toán SPF, ngoại trừ một điều

là nó sẽ loại trừ các link không thỏa mãn các điều kiện ràng buộc đặt ra trước

Định tuyến chỉ định (explicit routing ER), là một LSP được thiết lập để định tuyến luồng dữ liệu đi qua mạng MPLS theo một đường định sẵn nào đấy, điều này thực

sự hữu dụng trong vấn đề kỹ thuật lưu lượng trong mạng MPLS

Định tuyến ràng buộc có thể giảm bớt việc cấu hình thủ công cũng như can thiệp thủ công để thực hiện kỹ thuật lưu lượng

Một ví dụ trên hình 3.4 về định tuyến có ràng buộc để tìm đường đi cho một kênh lưu lượng yêu cầu tốc độ 30 Mbps đi từ A đến F Sau khi chạy thuật toán CSPF thì đường đi tìm được như sau AàBàCàEàDàF

Hình 3.4 Ví dụ minh họa đường đi có ràng buộc về băng thông

3.3.2 Trao đổi thông tin định tuyến

Để thực hiện được định tuyến QoS như như đã nói ở phần trên, các LSR cần phải biết các thông tin định tuyến của các LSR khác đồng thời cũng cần phải biết được trạng thái các link trong mạng Các thông tin về link cần thiết là link bị hỏng hay không, hiện tại băng thông còn lại là bao nhiêu v.v

MPLS vẫn dùng các giao thức như ISIS, OSPF để trao đổi các thông tin định tuyến cũng như thông tin về tài nguyên trên mạng Các thông tin quan trọng cần trao đổi

đó là :

• Bảng định tuyến của các LSR

• Băng thông khả dụng hiện tại của các link

• Các thuộc tính của link đó

• Trọng số quản trị của link đó

3.4 Chọn đường đi trong định tuyến QoS

Như đã nói như ở phần trên với định tuyến QoS thì các link không thỏa mãn các điều kiện về QoS sẽ bị loại và không được tính đến trong quá trình tính toán đường

đi Dijkstra là thuật toán thông dụng dùng để tính toán trong phần tính toán này Sau khi tính toán thì sẽ có nhiều đường đi khả thi có thể đáp ứng được các yêu cầu về QoS Có hai cách chọn đường đi cơ bản hay sử dụng, đó là chọn đường đi ngắn nhất trước hai là chọn đường đi băng thông lớn nhất trước

3.4.1 Least load-Shortest path routing (LSPR)

Thuật toán đường đi ngắn nhất trước là thuật toán đơn giản nhất nhằm tìm ra một đường dẫn với số bước nhảy tối thiểu từ nguồn tới đích, mặc dù thuật toán này có khả năng tìm được đường dẫn đáp ứng được yêu cầu băng thông và có ưu điểm là tính toán nhanh, nhưng LSPR gây ra hiện tượng nghẽn cổ chai tại liên kết tải lớn trong mạng.Khi có một tập hợp các đường đi khả thi đến đích thỏa mãn các yêu cầu QoS, thuật toán này sẽ chọn đường đi ngắn nhất trước LSPR có khuynh hướng sử dụng cùng một đường dẫn cho tới khi đạt tới tình trạng bão hoà trước khi chuyển

sang các đường dẫn khác có mức tải thấp hơn Nếu như có nhiều con đường ngắn như nhau thì thuật toán sẽ chọn ngẫu nhiên một con đường trong số đó

Trong hình miêu tả cách lựa chọn đường đi của thuật toán này Giả sử cần định tuyến một đường đi thỏa mãn băng thông 30Mbps từ A đến F, ta thấy rằng có hai đường đi thỏa mãn yêu cầu này Đó là đường đi AàBàCàEàDàF và đường đi AàBàCàGàEàDàF LSPR sẽ chọn đường đi thứ nhất trước, đó là đường đi AàBàCàEàDàF

Hình 3.5 Đường đi được chọn bằng phương pháp LSPR

3.4.2 Shortest-lead Loaded path routing (SLPR)

Thuật toán tìm đường rộng nhất và ngắn nhất SLPR sử dụng băng thông như là một tham số đo lượng và lựa chọn đường đi với băng thông lớn nhất trược Khi có một tập hợp các đường đi thỏa mãn các yêu cầu về QoS, thuật toán SLPR sẽ chọn ra đường đi có băng thông lớn nhất Nếu có nhiều hơn một đường đi có cùng băng thông dư tối thiểu, thuật toán sẽ chọn đường có đường đi ngắn nhất trước Nếu như

có nhiều hơn một đường như thế thì thuật toán sẽ chọn đường một cách ngẫu nhiên

Ví dụ như trên hình, cũng với yêu cầu cần định tuyến một đường đi thỏa mãn băng thông 30Mbps từ A đến F Ta thấy rằng có hai đường đi thỏa mãn yêu cầu này Đó

là đường đi AàBàCàEàDàF và đường đi AàBàCàGàEàDàF LSR sẽ chọn đường đi thứ nhất trước, đó là đường đi AàBàCàGàEàDàF

Cách định tuyến ưu tiên đường đi băng thông lớn nhất đảm bảo được dịch vụ tốt hơn, có khả năng giảm được hiện tượng nghẽn cổ chai Tuy nhiên lại chiếm dụng nhiều băng thông trong mạng hơn Ví dụ như ngay lúc đó cần truyền một luồng dữ liệu với băng thông 80Mbps từ CàG hay là từ CàE hoặc là từ GàE sẽ không thực hiện được vì băng thông của tuyến đã được dành cho liên kết trước

Hình 3.6 Đường đi được chọn bằng bằng phương pháp SLPR

3.4.3 Least Loaded-Alternate Path Routing (LALT)

Thuật toán sẽ chọn một đường đi ít tải nhất mà ngắn nhất trước Nếu như không có đường đi ngắn nhất thỏa mãn như vậy thì đường đi kế tiếp sẽ được chọn (tức là