Định tuyến ràng buộc và các phương pháp thực hiện trong MPLS

Chúng ta nêu ra sự tồn tại của một số thuật toán hiện tại trên cơ sở đó để xây dựng những phương pháp định tuyến mới để đảm bảo các yêu cầu mức chất lượng dịch vụ.. Mạng IP truyền thống

MỞ ĐẦU

Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ

thuật đặc biệt là công nghệ thông tin và viễn thông đã trở thành

một động lực quan trọng trong sự phát triển kinh tế thế giới

Chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS) là công nghệ đề

xuất cho mạng lõi, nên yêu cầu đối với các cơ chế định tuyến

trong MPLS cần phải đảm bảo tốc độ tính toán nhanh nhất và đạt

hiệu năng tổng thể với cho nhiều luồng lưu lượng khác nhau Hơn

nữa, cải thiện hiệu năng định tuyến luôn là một bài toán được

quan tâm hàng đầu trong mạng

Muốn làm được điều đó phải có các giao thức định tuyến

trong mạng MPLS – TE Để tiếp cận các phương pháp định tuyến

ràng buộc đang triển khai trong môi trường mạng viễn thông hiện

nay, tôi lựa chọn luận văn “ Định tuyến ràng buộc và thực hiện

định tuyến ràng buộc trong MPLS – TE”

Nội dung tìm hiểu của luận văn chia thành 3 chương:

Chương I: KỸ THUẬT LƯU LƯỢNG TRONG MPLS

Điều khiển lưu lượng (traffic engineering) là quá trình chuyển

hướng lưu lượng trên mạng xương sống để sử dụng hiệu quả băng

thông hữu dụng giữa các router Trước khi có MPLS TE, điều

khiển lưu lượng được áp dụng trên IP hoặc ATM, phụ thuộc vào giao thức được sử dụng giữa các router biên trong mạng Trên thế giới hiện nay đã khá quen thuộc với công nghệ điều khiển lưu lượng trên MPLS, song nhìn chung người ta vẫn còn sử dụng TE trên IP và ATM Vậy tại sao cần thiết phải áp dụng và triển khai

TE trên MPLS? Đó có phải là một tất yếu trong sự phát triển hiện nay?

Chương II: ĐỊNH TUYẾN RÀNG BUỘC QoS Chương

này nghiên cứu về định tuyến dựa trên QoS, các khái niệm QoS và nền tảng của nó Thứ hai, chúng ta xem xét các khái niệm định tuyến dựa trên QoS Sau đó, so sánh một số dạng thuật toán định tuyến dựa trên QoS, và tìm hiểu ưu và nhược điểm của từng loại

Chương III: THỰC HIỆN ĐỊNH TUYẾN RÀNG BUỘC

TRONG MPLS – TE Trong chương này chúng ta nghiên cứu ba

phương pháp định tuyến ràng buộc trong MPLS – TE đó là: định tuyến đảm bảo băng thông, định tuyến đa đường và định tuyến

mờ Chúng ta nêu ra sự tồn tại của một số thuật toán hiện tại trên

cơ sở đó để xây dựng những phương pháp định tuyến mới để đảm bảo các yêu cầu mức chất lượng dịch vụ Mỗi một phương pháp định tuyến có thuật toán định tuyến và cách xây dựng riêng

CHƯƠNG I: KỸ THUẬT LƯU LƯỢNG TRONG MPLS

 Động lực phát triển MPLS - TE

Kỹ thuật lưu lượng trên IP hầu hết được triển khai bằng

cách xác định giá nối thông khi nhiều đường đi cùng tồn tại giữa

hai điểm trên mạng Hơn nữa, định tuyến tĩnh cũng cho phép bẻ

hướng lưu lượng theo một đường đi định trước Hình 1.1 mô tả

một mạng IP cơ bản với hai khách hàng A và B kết nối với cùng

một nhà cung cấp dịch vụ

Mạng IP truyền thống

Mạng điều khiển lưu lượng MPLS

 Thiết đường chuyển mạch nhãn sử dụng MPLS – TE

Như đã xem xét ở trên việc tính toán đường đi sử kỹ thuật lưu lượng phải trải qua hai giai đoạn chính: tính toán đường dẫn dựa trên các yêu cầu cho trước và sau đó là chuyển gói tin đi dọc theo đường dẫn đó Tuy nhiên trước khi tìm hiểu quá trình thiết lập một đường chuyển mạch nhãn chúng ta sẽ làm rõ một khái niệm quan trọng trong MPLS – TE đó là độ ưu tiên Độ ưu tiên là thông số quan trọng nhất trong thiết lập đường dẫn chuyển mạch nhãn Thông tin quảng bá về tài nguyên sẵn có, độ ưu tiên được thực hiện bởi các IGP như OSPF, IS-IS Khi đã có được thông tin

về tài nguyên mạng, các nút mạng sẽ tính toán đường đi bằng thuật toán CSPF CSPF là một giải thuật dùng để chọn ra đường

đi tối ưu nhất với một thuộc tính ràng buộc Cuối cùng, việc báo hiệu và thiết lập đường hầm do giao thức RSVP thực hiện

 Sử dụng đường dẫn kỹ thuật lưu lượng

Cách đơn giản nhất để điều khiển một luồng thông tin đi

vào một đường dẫn mong muốn là thông qua định tuyến tĩnh Tuy

nhiên trong một mạng lớn gồm nhiều thành phần thì việc quan sát

toàn cục để đưa ra một kết luận là một điều khó khăn

Ví dụ như trong một mạng gồm các bộ định tuyến muốn

chạy định tuyến IP với nhau Vì một lý do nào đó mà hai trong số

các bộ định tuyến này phải được nối WAN với nhau, mạng WAN

này sử dụng MPLS Khi mô hình định tuyến IP hoạt động, điều

chúng ta muốn là đưa kết nối bằng MPLS này vào mô hình định

tuyến IP giữa các bộ định tuyến Có nghĩa là các LSP trong MPLS

phải có các đặc tính tương tự như kết nối thông thường

Để thực hiện được điều trên cần phải có một giao thức

giúp cho các LER trong MPLS có thể thực hiện trao đổi thông tin

định tuyến với nhau Lưu ý là thông tin định tuyến này là giữa các

bộ định tuyến ngoài mạng MPLS, các bộ định tuyến trong MPLS

thực hiện một quá trình định tuyến riêng biệt

BGP hiện nay là giao thức định tuyến duy nhất thỏa mãn

những yêu cầu trên BGP là giao thức đặc thù được sử dụng trong

MPLS – VPNs

Các bộ định tuyến sử dụng IGP (ngoài mạng MPLS) có

những đặc tính sau:

 Sử dụng LSP để tính SPF

 Quảng bá tình trạng của LSP như các đường liên kết thông thường

 Bảo vệ và khôi phục

Có nhiều phương pháp bảo vệ tương ứng với loại sự cố xảy ra trong mạng và mô hình mạng đang sử dụng Ví dụ như trong mạng SDH/SONET có mô hình mạng vòng ta có thể sử dụng các phương pháp bảo vệ như SONET/UPSR, SONET/BLSR, FDDI, RPR

Với MPLS cũng tương tự như vậy, có nhiều cách để bảo

vệ và khôi phục đường truyền dữ liệu khi có sự cố Nhưng do MPLS là mô hình mạng hybrid được thiết kế để hoạt động trên nền IP Hoạt động của MPLS gắn chặt với các giao thức định tuyến nên trong luận văn này chỉ đề cập tới vấn đề khôi phục trong MPLS dựa trên lớp mạng

- Bảo vệ toàn cục và bảo vệ cục bộ

- Tái định tuyến và chuyển mạch bảo vệ

- Mô hình MAKAM(Bảo vệ toàn cục)

- Mô hình Haskin

- Mô hình Hundessa

- Mô hình Simple Dynamic,

- Mô hình Shortest Dynamic

 Kết luận chương

Trong chương này chúng ta đã xem xét kỹ thuật lưu lượng

trong MPLS – TE Các động lực để phát triển MPLS – TE Các

quá trình để thiết lập kênh truyền dẫn trong MPLS – TE Sau đó

sử dụng đường truyền dẫn MPLS – TE để điều khiển một luồng

thông tin đi vào mạng

CHƯƠNG II: ĐỊNH TUYẾN DỰA T RÊN RÀNG BUỘC

QoS

 Giới thiệu

Internet ngày nay chỉ có thể cung cấp dịch vụ "nỗ lực tối

đa", có nghĩa là nó sẽ cố gắng hết sức mình để chuyển tiếp lưu

lượng người dùng, nhưng có thể cung cấp không đảm bảo về tỷ lệ

thất thoát gói tin, băng thông, độ trễ, sự chậm trễ jitter…Ví dụ,

các gói tin có thể bị bỏ bừa bãi trong trường hợp tắc nghẽn Trong

khi các loại dịch vụ này hoạt động tốt đối với một số ứng dụng

truyền thống (như FTP và email), đó là điều không thể chấp nhận

cho các ứng dụng mới, thời gian thực, đa phương tiện các ứng

dụng như điện thoại Internet, hội nghị truyền hình, hình ảnh theo

yêu cầu, đòi hỏi cao băng thông, độ trễ thấp, và trễ jitter thấp Nói

cách khác, các ứng dụng mới yêu cầu truyền dẫn tốt hơn dịch vụ

"nỗ lực tối đa" Vì vậy, việc nghiên cứu chất lượng của dịch vụ

QoS là rất quan trọng

QoS là “một tập hợp các yêu cầu dịch vụ để được đáp ứng

bởi các mạng trong khi vận chuyển một luồng” Ở đây luồng là

“một luồng gói tin từ nguồn tới đích (unicast hoặc multicast) với một chất lượng liên quan đến dịch vụ QoS” Nói cách khác, QoS

là một cấp độ đo lường của dịch vụ giao cho người dùng mạng, có thể được đặc trưng bởi xác suất mất gói, băng thông hiện có, trễ đầu cuối…QoS có thể cung cấp một số thỏa thuận của nhà cung cấp dịch vụ mạng (mức dịch vụ hiệp định, hoặc SLA) giữa người

sử dụng mạng và cung cấp dịch vụ

 Định tuyến dựa trên QoS

Định tuyến dựa trên QoS được định nghĩa là: “một cơ chế định tuyến, theo đó các đường dẫn cho luồng được xác định dựa trên một số kiến thức sẵn có về nguồn tài nguyên mạng cũng như yêu cầu QoS của luồng dữ liệu” hay “một giao thức định tuyến động đã mở rộng các tiêu chí lựa chọn đường để bao gồm các thông số QoS như liên kết có sẵn, băng thông và đường dẫn sử dụng đầu cuối đến đầu cuối, nút tiêu thụ tài nguyên, sự chậm trễ,

độ trễ, và jitter gây ra”

Ví dụ định tuyến dựa trên QoS

 Các vấn đề chính của định tuyến dựa trên QoS

- Số liệu và tính toán đường đi

- Kiến thức quảng bá, bảo trì

- Mở rộng quy mô của tập hợp phân cấp

- Mô hình thông tin trạng thái không chính xác

- Kiểm xoát hành chính

- Tích hợp định tuyến dựa trên QoS định tuyến nỗ

lực tối đa

 Định tuyến dựa trên QoS nội miền và liên miền

Định tuyến nội miền và định tuyến liên miền

Đối với định tuyến dựa trên QoS nội miền, nó được thiết kế

để phối hợp nhiều thuật toán khác nhau trong một miền Người

quản trị mạng có thể tự do sử dụng bất cứ định tuyến dựa trên QoS

bên trong các miền, đó là độc lập của định tuyến dựa trên QoS

được sử dụng trong các miền khác

Định tuyến liên miền dự kiến sẽ được càng đơn giản càng tốt, ổn định và khả năng mở rộng được nhiều nhất Do đó không thể định tuyến dựa trên thông tin trạng thái mạng Thay vào đó, thông tin QoS sẽ thay đổi giữa các miền khác nhau với quan hệ tĩnh

 Thuật toán định tuyến dựa trên QoS

 Yêu cầu đối với các thuật toán định tuyến dựa trên QoS

- Hiệu quả và khả năng mở rộng mạng lớn

- Không phức tạp hơn các thuật toán định tuyến hiện nay

- Phù hợp với kiến trúc Internet hiện tại

 Các dạng của thuật toán định tuyến dựa trên QoS

Về cơ bản, thuật toán định tuyến dựa trên QoS có thể chia thành ba loại định tuyến “hop – by – hop”, định tuyến dựa trên mã nguồn, định tuyến phân cấp

Cấu trúc định tuyến phân cấp

 Định tuyến dựa trên QoS và các kỹ thuật liên quan

 Định tuyến dựa trên QoS và kỹ thuật lưu lượng

 Định tuyến dựa trên QoS và điều khiển tải

 Định tuyến dựa trên QoS và dành trước tài nguyên

 Định tuyến dựa trên QoS và Diffserv

 Kết luận chương

Để cung cấp QoS đảm bảo trên Internet, định tuyến dựa

trên QoS là một thành phần quan trọng Chương này giới thiệu các

khái niệm về QoS và định tuyến dựa trên QoS, kiểm tra các thuật

toán dựa trên QoS khác nhau và quan hệ của nó với một số kỹ

thuật QoS khác

CHƯƠNG III: THỰC HIỆN ĐỊNH TUYẾN RÀNG BUỘC

TRONG MPLS – TE

 Thuật toán định tuyến với điểm giao tối thiểu MIRA

Chúng ta biết rằng để đảm bảo yêu cầu cài đặt LSP, giá trị

maxflow càng nhỏ sau khi mọi cặp nguồn-đích chọn được tuyến

đường thì khả năng của mạng đáp ứng cho yêu cầu của tương lai

càng lớn Vấn đề này có thể được mô tả bởi công thức toán học:

Đặt sdθ là maxflow của cặp nguồn-đích (s,d) được tính toán sau

khi thỏa mãn yêu cầu thiết lập LSP, bài toán đặt ra là cực đại tổng

sdθ của mọi cặp nguồn-đích Mục tiêu tối ưu là:



 ( , ) ) , (s d P b sd

Ý tưởng:

Ý tưởng của thuật toán là các đường đi sẽ không ảnh hưởng quá nhiều để thỏa mãn yêu cầu tương lai Thuật toán phát triển dựa trên khái niệm “liên kết tới hạn” “Liên kết tới hạn” được chỉ định bởi thuật toán, và là các kết nối với các thuộc tính

mà một LSP được định tuyến qua các kết nối này giá trị luồng lớn nhất của một hoặc nhiều đôi đầu vào và đầu ra giảm đi Nếu “liên kết tới hạn” có tải nặng thì mạng không có khả năng thỏa mãn cho tương lai

Các ý tưởng chính :

Liên kết tới hạn

Các đường giao tối thiểu: chúng ta có thể nghĩ đường giao

tối thiểu là đường đi tối đa của tối thiểu luồng cực đại của mọi cặp đầu vào-đầu ra

 Định tuyến ràng buộc đa đường

 Định tuyến đa đường

Được biết đến đó là vấn đề giảm đến mức tối thiểu việc sử

dụng các liên kết tới hạn có thể được giải quyết bằng công thức

luồng mạng đa luồng của định tuyến tối ưu đa đường, dẫn đến

chia đôi luồng lưu lượng thành hai đường giữa các cặp nguồn và

đích Định tuyến đa đường cung cấp băng thông tăng lên, các tài

nguyên mạng sử dụng hiệu quả hơn so với trường hợp thuật toán

định tuyến đơn đường ngắn nhất

 Định tuyến ràng buộc đa đường

Vấn đề chia luồng lưu lượng: bao gồm tìm ra các tuyến

đường mang một phần hoặc tất cả lưu lượng giữa một nút đầu vào

và một nút đầu ra để giảm thiểu tới mức tối đa sử dụng các đường

kết nối

Xây dựng LP của chia lưu lượng được trình bày như sau:



E

j j

k ij

X

) , ( :

- 

E

j j

k ji

X

) , ( :

= 0, kK, i s k,t k



E

j j

k ij

X

) , ( :

- 

E

j j

k ji

X

) , ( :

= 1, kK,is k



E

j j

k ij

X

) , ( :

- 

E

j j

k ji

X

) , ( :

= -1, kK,it k











K k

ij k ij

k X c i j E

ij X

 Vấn đề chia lưu lượng với ràng buộc số bước nhảy tối đa

Xây dựng công thức LP cho vấn đề chia đôi luồng lưu

lượng với ràng buộc số bước nhảy được mô tả như dưới đây:

Giảm đến mức tối thiểu 

Đối tượng



















E j

k kl

ij

l s i K k

l s i K k X

)

1 , , , 1

k k

k

kl ji E j j l

k ij E j j

L l t s i K k

X X















1 , , ,

) ( )

1 ( ) (

X ij kl  ,0lL k

k

L

l j i E

kl

ij k K i t X

k







 

, , 1

1 : ( , )

















 

 

0 , 1 0

) , ( ,

1

kl ij

ij L

l k K

kl ij k X

E j i c X d

k

 Phương pháp tiến cận

Bước 1: Tiền xử lý Khi một vài yêu cầu đường chuyển mạch nhãn có thể đồng thời phục vụ, chúng ta sẽ phân loại theo sự ưu tiên đã cho hoặc chính sách quản lý giống như tối đa yêu cầu lưu lượng Đối với mỗi yêu cầu lưu lượng, các nút hoặc các đường liên kết trên lý thuyết được loại trừ và bị xóa

Bước 2: Biến đổi lược đồ ràng buộc số bước nhảy

Với mạng đã cho, G=(N,E) được biến đổi tới lược đồ ràng

buộc có số bước nhảy (L k L SP(k) H), G’=(N’,E’) Ở đây N’ và

E’ được biến đổi như sau:

N 0  s k

N k j|(i,j)E,iN k1

N U k L N k

k





 0

E1(s k,i|(s k,i)E

E k (i,j)|iN k1,jN k

E U k L E k

k





 1 '

(a) G: Biểu đồ phân phối tài nguyên

(b) G’: Biểu đồ ràng buộc số bước nhảy

Tham số liên kết = Yêu cầu lưu lượng được gán(Mbps)/khả năng

liên kết(Mbps)

Hình 3.3: Ví dụ chuyển đổi cấu trúc mạng

Bước 3: Tìm kiếm đa đường M

Bước 4: Tính toán tỉ lệ chia tải

Phương pháp Tìm kiếm ràng buộc đa đường và các tỉ lệ chia tải

 Thiết lập  để sử dụng liên kết cực đại trong mạng;

 d là nhu cầu lưu lượng yêu cầu từ k s đến k t ; k

 Chuyển đổi G đến lược đồ ràng buộc L bước nhảy là k

G’;

 Tìm kiếm tập đường ngắn nhất M (hoặc rộng nhất) từ

k

s tới d , k P p i,i1,2, M;

 Thiết lập  để sự sử dụng liên kết tối đa trong P; M

If ( M )

While (d k 0và P không rỗng)

 Thiết lập p là đường có bước nhảy nhỏ nhất trong P;

 Gán d cho đường p đến khí k  nhỏ hơn  ; M

 Xóa p trong P;

 Cập nhật d và k  ; M

Endwhile

Endif

While (d k 0)

 Chia d còn lại tới các đường M theo tỉ lệ hiệu suất sử k

dụng liên kết sẵn có

Endwhile

 Định tuyến ràng buộc mờ

Chúng ta định nghĩa ba đối tượng tài nguyên có hướng cho

cân bằng tải trọng:

Đối tượng 1: Tăng tối đa băng thông đường, ví dụ tăng tối

đa băng thông trong liên kết cổ chai với băng thông dư ít nhất

trong tuyến

Đối tượng 2: Tăng tối đa băng thông trong các liên kết

khác bằng liên kết cổ chai Khi có nhiều hơn một đường với băng

thông liên kết cổ chai giống nhau, sau đó đường với băng thông

dư cao hơn trong các liên kết là đường tốt nhất

Đối tượng 3: Giảm đến mức tối thiểu số bước nhảy Đối

tượng này là cần thiết bởi vì đường này tốt hơn một chút so với hai đối tượng trên nhưng một số lượng lớn bước nhảy có khả năng tạo ra nhiều nhiễu với các yêu cầu tuyến khác trong một số kết nối

Quy tắc R1: Nếu đường tới nút yqua nút x có băng thông

sử dụng thấp trong liên kết cổ chai và đường tới nút yqua nút

x có băng thông sử dụng thấp trên các liên kết cổ chai khác và

đường từ yqua x có số bước nhảy thấp thì nút ycó thể truy cập

THUẬT TOÁN FRA(G, R, C, ingress, egress, b)

KÝ HIỆU

G  G(N,L)= Đầu vào lược đồ R= Tập băng thông dư r t

C= Tập đường kết nối có thể sử dụng c i

ingress = Nút đầu vào

y Path = Tập các nút trong tuyến từ đầu vào tới nút y

Begin:

1 Xóa tất cả các kết nối mà không thỏa mãn ràng buộc băng

thông “b” từ G

2 Chạy thuật toán Dijkstra để tính toán Hmincho mỗi nút

3 P , Path y  y, r 1

ingress

t

m iđầu vào

Loop:

4 Tìm kiếm x  Pmà r

x

m là lớn nhất x  P

5 P  PU x Nếu P bao gồm egress thì thoát khỏi vòng

lặp;

Loop:

6 y  Pcó một kết nối xy Update

3

1 )

1 ( ) , , min(

xy xy xy xy xy xy

y p l h p l h test     

If test  y m r y then Path y Path x U x

m  r y max(m r y,test y)

End If

End Loop

End Loop

7 Return Path egress

8 End FRA

Cấu trúc của thuật toán định tuyến mờ FRA

 Kết luận chương

Trong chương này chúng ta đã tìm hiểu một vài phương pháp định tuyến ràng buộc trong MPLS Chúng ta đề cập đến ba thuật toán định tuyến là: thuật toán định tuyến với điểm giao tối thiểu MIRA, thuật toán định tuyến ràng buộc đa đường và thuật toán định tuyến mờ Các thuật toán chúng ta đã đề cập đều có những phương pháp thực hiện riêng với từng tham số của mạng nhằm đảm bảo băng thông, độ trễ, jitter của mạng MPLS – TE Mỗi phương pháp có những ưu và nhược điểm riêng, tuỳ theo từng cấu trúc mạng mà áp dụng các phương pháp định tuyến phù hợp để đảm bảo định tuyến được tối ưu nhất

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Kỹ thuật định tuyến đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS trong mạng đa dịch vụ luôn là một vấn đề cần quan tâm của các nhà khai thác và cung cấp dịch vụ mạng Đã có rất nhiều nghiên cứu được tiến hành và sẽ còn tiếp tục trong tương lai Thông qua bài luận văn tốt nghiệp, học viên mong muốn cung cấp thong tin cho người đọc một cách nhìn về kỹ thuật định tuyến QoS trong mạng MPLS, qua các tìm hiểu về các thuật toán hiện đang sử dụng trong mạng MPLS và các hướng tiếp cận gần đây nhằm nâng cao hiệu năng thuật toán định tuyến