Những khó khăn và hạn chế của kỹ thuật điều khiển lưu lượng trong mạng internet

Chơng Giới Thiệu kỹ thuật điều khiển lu lợng mạng Internet Mạng Internet đà phát triển nhanh trở nên phổ biến thời gian vừa qua Hiện nay, đà trở thành phơng tiện thông tin hiệu tiện lợi phục vụ cho giáo dục, thơng mại, giải trí, thông tin cộng đồng.v.v Khi mạng Internet ngày phát triển, nhu cầu lu lợng mạng nh chất lợng dịch vụ, tính bảo mật, độ tin cậy ngày tăng Để đáp ứng đòi hỏi trên, nhà cung cấp dịch vụ Internet cần phải quan tâm ®Õn ba vÊn ®Ị kü tht sau: - KiÕn tróc mạng - Khả mở rộng mạng - Kỹ thuật điều khiển lu lợng (traffic engineering) Kiến trúc mạng đáp ứng yêu cầu chất lợng dịch vụ, độ tin cậy, nh tính bảo mật thông tin Khả mở rộng mạng giúp nhà cung cấp dịch vụ đáp ứng đòi hỏi lu lợng ngày tăng khách hàng Tuy vậy, hai khía cạnh kỹ thuật nêu không đủ để đáp ứng đòi hỏi chất lợng dịch vụ Internet trờng hợp Với điều khiển lu lợng, toán tối u hiệu suất hoạt động mạng đợc giải Nó bao gồm việc ứng dụng công nghệ nguyên tắc khoa học để đo lờng, mô hình hóa, phân tích điều khiển lu lợng mạng Internet Nó áp dụng tri thức kỹ thuật để đạt đợc mục đích hiệu suất: nh vận chuyển lu lợng nhanh tin cậy qua mạng, sử dụng hiệu nguồn tài nguyên mạng, hoạch định dung lợng mạng Vì vậy, làm tăng thêm giá trị mạng cho nhà cung cấp dịch vụ lẫn cộng đồng sử dụng Internet [1] Trong chơng này, mục xem xét khái niệm toán điều khiển lu lợng Tiếp theo, mục đề cập đến khó khăn hạn chế kỹ thuật điều khiển lu lợng mạng Internet Cuối cùng, mục giới thiệu u điểm kỹ thuật điều khiển lu lợng dùng công nghệ chuyển mạch nhÃn đa giao thức MPLS Các khái niệm Dới góc độ toán điều khiển lu lợng, mạng bao gồm hệ thống yêu cầu (chính lu lợng), hệ thống kết nối (kết nối phần tử mạng) hệ thống đáp ứng (các tiến trình giao thức mạng) Điều khiển lu lợng công cụ điều khiển điểm hoạt động tham số cho ba khía cạnh mạng để đạt đợc cân đối tính kinh tế chất lợng dịch vụ Điều khiển lu lợng bao gồm ba hoạt động hỗ trợ lẫn là: đo lờng lu lợng, mô hình hóa lu lợng, chọn lựa chế để điều khiển lu lợng [3] Phần giới thiệu mục đích trình điều khiển lu lợng 1.1 Mục đích điều khiển lu lợng Các mục tiêu mạng Internet thơng mại cung cấp chất lợng dịch vụ cao, tính hiệu suất cao, hoạt động tốt (tính survivability) tính kinh tế Các mục tiêu hiệu suất hớng tối u lu lợng tài nguyên mạng Các mục tiêu hiệu suất hớng lu lợng nhằm cải thiện chất lợng dịch vụ cung cấp cho lu lợng mạng Internet đảm bảo tính toàn vẹn thỏa thn møc dÞch vơ (SLA – Service Level Agreement) víi khách hàng Các tham số đánh giá hiệu suất hớng lu lợng tham số đánh giá chất lợng dịch vụ mạng: tổn thất gói liệu (packet loss), trễ (delay), trợt (jitter), thông lợng (throughput) Các tham số đợc xác định SLA Các mục mục tiêu hiệu suất hớng tài nguyên liên quan tới việc tối u việc sử dụng tài nguyên mạng Cấp phát tài nguyên hiệu cách tiếp cận mục tiêu hiệu suất hớng tài nguyên Một hệ thống xử lý lu lợng tốt vừa phải đảm bảo yêu cầu hiệu hớng lu lợng tức đảm bảo chất lợng dịch vụ, vừa phải đảm bảo sử dụng tài nguyên mạng có hiệu 1.2 Quy trình điều khiển lu lợng Hình vẽ 1.1 minh họa bốn bớc trình điều khiển lu lợng [1] Quy trình điều khiển lu lợng quy trình điều khiển trình cấp phát tài nguyên mạng để đáp ứng thay đổi lu lợng nên đợc lặp lặp lại Bớc trình xây dựng sách điều khiển Nói cách khác, bớc xác định mục tiêu trình điều khiển, tham số toán điều khiển nh cấu trúc giá cả, điều kiện hoạt động, tiêu chuẩn thành công, mô hình kinh tế v.v Xây dựng sách điều khiển Có Xem xét sách điều khiển Không Không Giám sát trạng thái mạng Giám sát hiệu suất, lỗi, mô hình phân tích Phân tích, mô hình hóa l u l ợng trạng thái mạng Quy hoạch dung l ợng, thiết kế mạng, ®iỊu khiĨn ho¹t ®éng m¹ng Tèi u hãa hiƯu st mạng Có Tối u hiệu suất mạng Tăng dung l ợng Điều chỉnh cấu hình Hình 1.1 Quy trình điều khiển lu lợng Bớc thứ hai trình đo lờng lu lợng giám sát tình trạng mạng Bớc (1) định cần thu thập liệu từ hệ thống giám sát hiệu suất, lỗi Bớc thứ ba phân tích, mô hình hóa lu lợng trạng thái mạng Dữ liệu thu thập đợc từ bớc (2) đợc phân tích mô hình hóa bớc Từ kết phân tích, hệ thống đa đánh giá hỗ trợ trình hoạch định dung lợng mạng, thiết kế mạng, định điều khiển hoạt động mạng Nếu cần phải tối u hiệu suất hệ thèng sÏ chun sang bíc tiÕp theo Trong bíc ci cùng, định liên quan đến chế điều khiển lu lợng nh cấu hình mạng, bổ sung dung lợng v.v đ đợc thực để tối u hiệu suất mạng 2.1 điều khiển lu lợng mạng Internet Điều khiển lu lợng mạng IP Phần đề cập đến hạn chế IP trình điều khiển lu lợng Cơ chế định tuyến mạng Internet dựa vào địa IP đích để đa định định tuyến nút mạng; nghĩa router, gói liệu đợc chuyển tiếp dựa vào địa IP gói Quá trình tính toán đờng gói tin dựa vào thuật toán tìm đờng ngắn tức tối u theo tham số đơn giản Tham số thờng liên quan cấu trúc mạng (network topology), không liên quan đến lu lợng yêu cầu tài nguyên mạng có Vì vậy, tắc nghẽn mạng thờng xảy khi: (1) Một luồng lu lợng đợc định tuyến qua liên kết giao diện router mà dung lợng không đủ đáp ứng gây nên tình trạng tắc nghẽn (2) Đờng ngắn nhiều luồng lu lợng vào liên kết giao diện router, làm tài nguyên mạng không ®đ ®Ĩ ®¸p øng Trong ®ã, c¸c ®êng khác (không phải ngắn nhất) cha đợc sử dụng hết tài nguyên [5] Ngoài ra, chế định tuyến gây tợng dịch chuyển lu lợng từ đờng đến đờng tốt tìm thấy đờng tốt Để hỗ trợ QoS điều không hẳn đà tốt nh đờng sử dụng đà đáp ứng đợc mức độ QoS mong muốn Việc dịch chuyển gây nhiều dao động định tuyến, định tuyến dựa theo tham số nêu (nh băng thông) Những dao động nh gây ảnh hởng xấu đến tham số nh delay, jitter Quá trình điều khiển tắc nghẽn mạng IP đợc thực việc thay đổi tham số định tuyến Kết mô tài liệu [3] ®a ®Õn kÕt ln: mét thay ®ỉi nhá cơc bé thể gây ảnh hởng lớn đến toàn mạng Nh vậy, việc thay đổi tham số định tuyến làm giảm tắc nghẽn phần mạng, nhng gây tắc nghẽn phần lại mạng tợng lu lợng dao động mạng Mặt khác, router, luồng đến đích đợc gom lại (route aggregation) dựa vào chế định tuyến Classless Interdomain Routing (CIDR RFC 1519) Cơ chế hoàn toàn có lợi cho việc định tuyến làm tăng khả mở rộng (scalability) trình định tuyến Nếu giữ thông tin tuyến dới dạng nguồn-đích hạn chế khả mở rộng trình định tuyến Tuy vậy, nhìn từ góc độ điều khiển lu lợng việc định tuyến nh cha tối u Quá trình cân tải lu lợng mạng cho trớc gặp khó khăn vài luồng liệu lớn so với nhiều luồng lu lợng nhỏ Việc điều chỉnh tham số định tuyến tác động đến luồng sau đà gom lại Định tuyến ®a ®êng víi träng sè t¬ng ®¬ng (ECMP – Equal-Cost Multi-Paths) tạo số luồng liệu nhỏ nhng hiệu bị hạn chế hệ số chia sẻ tải cố định Để vấn đề này, cần phải thêm số chế điều khiển luồng IP Các chế có khả gom lu lợng thành luồng với kích cỡ thích hợp định tuyến luồng lu lợng qua mạng cách rõ ràng Nh vậy, thuật toán tìm đờng ngắn thờng gây tắc nghẽn đờng đợc chọn không đủ tài nguyên đáp ứng yêu cầu lu lợng phân bổ tài nguyên mạng không hiệu (dồn nhiều luồng qua liên kết nút) Ngoài ra, việc thay đổi tham số IGP gây ảnh hởng đến hoạt động toàn mạng không hiệu (vì tiếp cận vấn đề theo phơng pháp thử-sai) Một hạn chế kỹ thuật điều khiển lu lợng dựa vào IP thiếu chế điều khiển lu lợng nên khó giải toán cân tải lu lợng toàn mạng 2.2 Mô hình IP-over-ATM Vì kỹ thuật tầng (liên kết liệu) hỗ trợ điều khiển lu lợng xác nên cách tiếp cận với vấn đề điều khiển lu lợng IP tận dụng kỹ thuật để quản lý băng thông mạng đ ờng PVC mạng ATM Hình vẽ 1.2 Mô hình IP-over-ATM (a) cấu trúc vật lý (b) cấu trúc logic Mô hình IP-over-ATM giải pháp nh ý tởng đa công nghệ ATM với khả quản lý lu lợng khái niệm kênh ảo (VCvirtual circuit) vào sở hạ tầng mạng IP để giải phần hạn chế liên quan đến kỹ thuật lu lợng IP Khái niệm kênh ảo VC tạo kết nối từ điểm tới điểm router Hình vẽ (1.2) minh họa cấu trúc mạng sử dụng mô hình IP-over-ATM Hình vẽ (1.2.a) minh họa cấu trúc kết nối vật lý mạng, hình vẽ (1.2.b) minh họa cấu trúc logic mạng Các router nằm xung quanh mạng chuyển mạch ATM, router đợc kết nối với tất router lại mạng kết nối ảo cố định (Permanent Virtual Connections) Mô hình tạo cấu trúc mạng ảo nối router với Nó xây dựng ma trận lu lợng thống kê dựa vào PVC, từ di chuyển bớt lu lợng kết nối bị tắc nghẽn sang kết nối tài nguyên cha đợc sử dụng Mặc dù mô hình hỗ trợ điều khiển lu lợng xác qua mạng nhng gặp phải số hạn chế Hạn chế mô hình IP-over-ATM cần phải xây dựng quản trị hai mạng với công nghệ khác nên tạo thêm độ phức tạp kiến trúc mạng, thiết kế mạng, chi phí Ngoài ra, có nhiều thành phần mạng tham gia vấn đề độ tin cậy cần đợc quan tâm Khả mở rộng vấn đề mô hình Nếu mạng có n router số lợng PVC mạng n2, dẫn đến yêu cầu tài nguyên mạng tăng nhanh mở rộng mạng Ngoài số vấn đề liên quan ®Õn cÊu tróc gãi tin nh chi phÝ cđa phÇn tiêu đề tế bào đáng kể, hạn chế tốc độ giao diện SAR Vì vậy, xu hớng mạng lõi (core) IP chuyển từ giải pháp xếp chồng (overlay) sang giải pháp tích hợp Phần trình bày khái quát giải pháp tích hợp sử dụng chuyển mạch nhÃn đa giao thức MPLS (MutliProtocol Label Switching) u ®iĨm cđa ®iỊu khiĨn lu lợng với MPLS Phần giới thiệu khái quát u điểm kỹ thuật điều khiển lu lỵng sư dơng MPLS MPLS cã rÊt nhiỊu u thÕ để điều khiển lu lợng mạng IP cung cấp hầu hết chức có mô hình IP-over-ATM theo cách tích hợp với chi phí thấp mô hình xếp chồng Ngoài ra, MPLS với số kỹ thuật khác tự động hóa chức điều khiển lu lợng MPLS đa hai khái niệm quan trọng kỹ thuật lu lợng trung kế lu lợng (traffic trunk) đờng chuyển mạch nhÃn (LSP-Label Switched Path) Trung kế lu lợng nhóm luồng lu lợng thuộc loại đợc đặt đờng chuyển mạch nhÃn LSP Một luồng lu lợng IP từ nguồn đến đích (có thể thông tin đơn điểm đa điểm) gắn liền với thông tin QoS thông tin vỊ kiĨu d÷ liƯu chøa gãi tin (higher level demultiplexing) Một đờng chuyển mạch nhÃn LSP mô tả đờng luồng lu lợng qua mạng MPLS MPLS có số u điểm hỗ trợ kỹ thuật điều khiển lu lợng nh sau [5]: (1) Đờng LSP xác định trớc (explicit LSP) đợc thiết lập nhà quản trị mạng tự động thiết lập theo giao thức mà không phụ thuộc vào chế chuyển tiếp gói liệu dựa vào địa IP đích (2) Các LSP đợc trì hiệu (3) Các traffic trunk đợc ánh xạ lên LSP (4) Một tập hợp thc tÝnh g¾n liỊn víi traffic trunk cho phÐp thay đổi đặc điểm hoạt động (5) Một nhóm thuộc tính gắn liền với tài nguyên ràng buộc có cấp phát tài nguyên cho traffic trunk LSP hay không (6) MPLS hỗ trợ việc gom luồng lu lợng lại tách luồng lu lợng ra, IP hỗ trợ việc gom luồng lu lợng lại với (7) MPLS dễ dàng tích hợp với chế định tuyến ràng buộc (constraint-based routing) (8) MPLS đa giải pháp với chi phí thấp giải pháp khác thực kỹ thuật điều khiển lu lợng Tóm tắt Kỹ thuật điều khiển lu lợng trình điều khiển luồng liệu qua mạng để tối u hệ số sử dụng tài nguyên nh hiệu suất mạng Giống nh toán điều khiển khác, kỹ thuật điều khiển lu lợng đợc lặp lặp lại gồm bốn giai đoạn: (1) xây dựng sách, tiêu, tham số điều khiển; (2) đo lờng, thu thập liệu lu lợng tài nguyên mạng; (3) mô hình hóa lu lợng tài nguyên mạng từ liệu thu thập đợc; (4) đa định điều khiển để đạt đợc mục đích đà xác định sách điều khiển Kỹ thuật điều khiển lu lợng dựa IP thờng gây tợng tắc nghẽn mạng thuật toán định tuyến tối u theo tham số đơn giản Bên cạnh đó, việc thay đổi tham số IGP để giảm tắc nghẽn phần mạng ảnh hởng đến toàn mạng không hiệu Một vấn kỹ thuật điều khiển lu lợng IP không giải đợc toán cân lu lợng Các công nghệ tầng hai có kỹ thuật điều khiển lu lợng hiệu Vì vậy, tiếp cận vấn đề điều khiển lu lợng mạng IP hai cách: đặt giao thức tầng chạy giao thức tầng hai mô hình xếp chồng (IP-over-ATM); tích hợp tầng tầng giải pháp kỹ thuật điều khiển lu lợng sử dụng MPLS Mô hình xếp chồng IP-over-ATM giải đợc hạn chế IP nhng gặp phải vấn đề chi phí, khả mở rộng mạng, độ tin cậy Trong đó, giải pháp sử dụng MPLS vừa giải đợc toán điều khiển lu lợng IP, vừa khắc phục đợc hạn chế mô hình IP-over-ATM Các chơng đề cập sâu đến kỹ thuật điều khiển lu lợng với MPLS Chơng Chuyển mạch nhÃn đa giao thức - MPLS Chơng giới thiệu đặc điểm MPLS nh hoạt động Trớc hết, xem xét đặc điểm chung chuyển mạch nhÃn mục 1, sau vào chi tiết công nghệ chuyển mạch nhÃn đa giao thức MPLS Mục giới thiệu khái niệm MPLS Mục đề cập đến hoạt động cđa mét m¹ng chun m¹ch MPLS Mơc nhÊn m¹nh vào đặc điểm bật MPLS độc lập mặt phẳng liệu điều khiển qua kiÕn tróc mét nót m¹ng MPLS Ci cïng, mơc tóm tắt điểm đà đề cập Chuyển mạch nhÃn 1.1 Chuyển mạch nhÃn gì? Trong mạng IP, phơng thức vận chuyển gói tin dựa vào địa IP đích Tại router, gói tin đợc kiểm tra địa đích đợc truyền đến nút dựa vào thông tin có bảng định tuyến Thay chế vận chuyển gãi tin nh IP, chun m¹ch nh·n thùc hiƯn b»ng viƯc g¾n mét sè (mét nh·n) cho gãi tin Cần lu ý nhÃn địa chỉ, tức không liên quan đến cấu trúc mạng nh địa Hơn nữa, cha liên kết nhÃn với địa thông tin đờng ®i cña nh·n sÏ cha cã ý nghÜa Nh vËy, mạng chuyển mạch nhÃn phải liên kết nhÃn với địa gói tin, nút mạng dựa vào giá trị nhÃn để vận chuyển gói tin đến đích 1.2 Tại lại sử dụng chuyển m¹ch nh·n?