kỹ thuật cân bằng tải trong mpls-te

Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS nhằm đạt đến kỹ thuật điều khiển lưu lượng hướng kết nối tốt nhất và kết hợp với định tuyến IP.Trong phạm vi đồ án tốt nghiệp, phần lý thuyết trước tiên em

Đồ án tốt nghiệp là một thước đo đánh giá kết quả học tập sau 5 năm học của sinh viên tại giảng đường đại học Bách Khoa, mỗi sinh viên lựa chọn cho mình một

đề tài tốt nghiệp phù hợp với hướng nghề nghiệp của mình trong tương lai Ý thức được điều này em đã cố gắng lựa chọn cho mình một đề tài phù hợp mình và đã cố gắng hết sức hoàn thành đề tài của mình

Trong tình hình rất phổ biến hiện nay nhiều sinh viên sử dụng những đồ án đã làm trước để đưa vào đồ án của mình, sử dụng các chương trình mô phỏng mã nguồn mở để đưa vào đề tài của mình mà không tuân theo đúng nguyên tắc về sở hữu trí tuệ trong khi sử dụng phần mền nguồn mở, xâm phạm quyền sở hữu trí tuệ của người khác Là một sinh viên năm cuối, em đã ý thức rõ về vấn đề và quyết tâm tuân theo đúng quy định về sở hữu trí tuệ, những thông tin em sử dụng trong đồ án nếu lấy từ bên ngoài đều có trích dẫn đầy đủ nhưng thông tin về tác giả, tuân theo đúng quy định trên thế giới hiện nay

Một lần nữa em xin cam đoan nội dung đồ án hoàn toàn không sử dụng bất cứ tài liệu đồ án, công trình khoa học nào từ trước đến nay, các đoạn mã và chương trình mô phỏng là hoàn toàn tự làm không lấy từ bất cứ công trình nào trước đây

Đà Nẵng, ngày 7 tháng 1 năm 2008Sinh viên thực hiện

Lời cam đoan 1

Mục lục 2

6

Các từ viết tắt 7

Chương 1 Tổng quan về chuyển mạch nhãn đa giao thức 1

Phần 1: Lý thuyết 2

Chương 1 Tổng quan về chuyển mạch nhãn đa giao thức 2

1.1 Giới thiệu 2

1.2 Sơ lược lịch sử MPLS và nguyên nhân của sự ra đời của MPLS 2

1.3 Đặc tính của chuyển tiếp IP 3

1.3.1 Mô hình định tuyến lớp mạng 3

1.4 MPLS 6

1.4.3 Điểm vượt trội của MPLS so với mô hình IP over ATM 7

1.5 Kiến trúc MPLS 9

1.5.1 Mặt phẳng chuyển tiếp 10

1.5.2 Mặt phẳng điều khiển 10

1.5.3 Các thành phần mặt phẳng dữ liệu và điều khiển của MPLS 12

1.6 Nhãn (Label) trong MPLS 12

1.9 Các hình thức hoạt động của MPLS 15

1.10 Thuật toán chuyển tiếp nhãn (Label Forwarding Algorithm) 16

1.11 Hoạt động chuyển tiếp của MPLS 17

1.12 LDP và các loại thông điệp của LDP 17

1.12.1 Các thông điệp của LDP 17

1.12.2 Phân phối bằng giao thức phân phối nhãn LDP 18

1.14 Kết luận 20

Chương 2 Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS 21

2.3 Sự cần thiết của kỹ thuật lưu lượng trong Internet 22

2.4 Kỹ thuật lưu lượng trước MPLS 23

2.5 Kỹ thuật lưu lượng với MPLS 26

2.6 So sánh IP-TE với MPLS-TE 27

2.7 Các thành phần kỹ thuật lưu lượng MPLS 30

2.7.1 Đường hầm LSP 30

2.7.2 Phân phối các thông tin định tuyến ràng buộc 31

2.7.3 Gán lưu lượng cho đường hầm 31

2.7.4 Định tuyến lại 32

2.7.5 Định tuyến lại nhanh 32

2.7.6 Định tuyến lại được tối ưu 33

2.8 Các dạng thông tin chính được phân phối 34

2.8.1 Băng thông có sẵn 34

2.8.2 Độ ưu tiên đường hầm .35

2.8.3 Các cờ thuộc tính 36

2.9 Thông tin được phân phối như thế nào ? 36

2.10 Kết luận 37

Chương 3: Cân bằng tải trong MPLS-TE, thuật toán LCM 38

3.1 Giới thiệu 38

3.2 Sự cần thiết của cần bằng tải trong thực tế 39

3.3 Tiếp cận phương pháp cân bằng tải động 40

3.4 Thuật toán LCM cân bằng tải 42

3.5 Bài lab kiểm tra 44

3.6 Kết luận 46

Phần 2: Thực nghiệm 47

Chương 4 Chương trình mô phỏng và bài lab kiểm tra 47

4.1 Giới thiệu 47

4.4 Các bước tiến hành mô phỏng 52

4.5 Kết quả 61

4.6 Kết luận 68

Kết thúc và hướng phát triển đề tài 69

Tài liệu tham khảo 70

Phụ lục 72

Lời nói đầu Khi đối mặt với sự phát triển và mở rộng mạng có hai vấn đề cần quan tâm:

kỹ thuật mạng (network engineering) và kỹ thuật lưu lượng (traffic engineering)

Kỹ thuật mạng là tổ chức mạng phù hợp với lưu lượng Ban đầu phải có dự đoán tốt

thời gian lắp đặt mạng có thể diễn ra lâu dài Kỹ thuật lưu lượng là thao tác trên lưu lượng để phù hợp với mạng Dù có cố gắng đến đâu thì lưu lượng mạng cũng không bao giờ đáp ứng được 100% so với dự tính Giữa thập niên 90 sự tăng truyển lưu lượng vượt quá mọi dự tính và không thể tính toán trước được Do đó có thể tại mọi nơi nhu cầu băng thông quá nhiều nhưng đồng thời có các đường liên kết khác chưa được sử dụng Kỹ thuật lưu lượng là một “nghệ thuật ” chuyển lưu lượng từ các liên kết bị đầy sang các liên kết rỗi Kỹ thuật lưu lượng có thể được bổ sung: IP metric trên giao tiếp, kiểm tra một mắc lưới ATM PVC và xác định lại đường PVC dựa trên yêu cầu về lưu lượng đi qua nó Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS nhằm đạt đến

kỹ thuật điều khiển lưu lượng hướng kết nối tốt nhất và kết hợp với định tuyến IP.Trong phạm vi đồ án tốt nghiệp, phần lý thuyết trước tiên em đề cập về những đặc điểm của công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS), từ đó đi sâu vô

kỹ thuật lưu lượng trong MPLS (MPLS-TE) Phần thực nghiệm xin giới thiệu về thuật toán cân bằng tải được dụng trong MPLS-TE

Đồ án gồm hai phần lý thuyết và thực nghiệm, trong phần lý thuyết em đã cố gắng trình bày những kiến thức từ tổng quan tới chi tiết, phần thực nghiệm xúc phát

từ cơ sở lý thuyết toán học, em đã cố gắng liên hệ với thực nghiệm để giúp cho đề tài có sức thiết phục hơn Mong được thầy cô và các bạn đóng góp ý kiến xây dựng

thresholds) trong MPLS-TE.

Phương pháp nguyên cứu xuyên suốt của đồ án là nguyên cứu lý thuyết công nghệ, thuyết lập hệ thống lab kiểm tra, đo đạt, ghi lại kết quả Sử dụng toán học để kiểm tính thuật toán bằng cách so sánh kết quả thu được của hệ thống lab thực với chương trình mô phỏng Nhận xét kết quả so sánh rút ra kết luận về tính hiệu quả của thuật toán

Đà Nẵng, ngày 9 tháng 6, năm 2007

Sinh viên thực hiện

AS : Autonomous System

ATM : Asynchronous Transfer Mode

BGP : Border Gateway Protocol

CR-LDP : Constraint-based Routing LDP

EGP : Exterior Gateway Protocol

ER : Explicited Routing

FEC : Forwarding Equivalence Class

IGP : Interior Gateway Protocol

ISIS : Intermediate System-to-Intermediate System

ISP : Internet Server Providers

LFIB : Label Forwarding Information Base

LIB : Label information base

LSP : Label Switching Path

LSR : Label Switching Router

MPLS-TE : Multiprotocol Label Switching

OSPF : Open Shortest Path First

QoS : Quality of service

RFC : Request For Comments

RVSP : Resource Reservation Protocol

TCL : Tool Command Language

TDP : Tag Distribution Protocol

TE : Traffic Engineering

VPN : Virtual private network

kỹ thuật mới – kỹ thuật chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS – nhằm khắc phục các nhược điểm trên.

1.2 Sơ lược lịch sử MPLS và nguyên nhân của sự ra đời của MPLS

Điểm thành công của Internet ở chỗ các công nghệ của Internet được triển khai và phát triển theo nhu cầu của thị trường Internet không đưa ra các tiêu chuẩn

theo kiểu Recommendation như của ITU-T mà đưa ra các RFC (Request For

Comments) với mục đích công bố các giải pháp công nghệ đã đạt được và thu thập những đóng góp thêm nhằm hoàn thiện, phát triển sản phẩm đó chứ không bắt buộc phải tuân thủ Khi mạng Internet phát triển và mở rộng, lưu lượng Internet bùng nổ Các ISP xử lý bằng cách tăng dung lượng các kết nối và nâng cấp router nhưng vẫn không tránh khỏi nghẽn mạch Lý do là các giao thức định tuyến thường hướng lưu lượng vào cùng một số các kết nối nhất định dẫn đến kết nối này bị quá tải trong khi

một số tài nguyên khác không được sử dụng Đây là tình trạng phân bố tải không đồng đều và sử dụng lãng phí tài nguyên mạng Internet.

Vào thập niên 90, các ISP phát triển mạng của họ theo mô hình chồng lớp (overlay) bằng cách đưa ra giao thức IP over ATM ATM là công nghệ connection-oriented, thiết lập các kênh ảo (Virtual Circuit), tuyến ảo (Virtual Path) tạo thành một mạng logic nằm trên mạng vật lý giúp định tuyến, phân bố tải đồng đều trên toàn mạng Tuy nhiên, IP và ATM là hai công nghệ hoàn toàn khác nhau, được thiết

kế cho những môi trường mạng khác nhau, khác nhau về giao thức, cách đánh địa chỉ, định tuyến, báo hiệu, phân bổ tài nguyên Khi các ISP càng mở rộng mạng theo hướng IP over ATM, họ càng nhận rọ nhược điểm của mô hình này, đó là sự phức tạp của mạng lưới do phải duy trì hoạt động của hai hệ thống thiết bị

Sự bùng nổ của mạng Internet dẫn tới xu hướng hội tụ các mạng viễn thông khác như mạng thoại, truyền hình dựa trên Internet, giao thức IP trở thành giao thức chủ đạo trong lĩnh vực mạng Xu hướng của các ISP là thiết kế và sử dụng các router chuyên dụng, dung lượng chuyển tải lớn, hỗ trợ các giải pháp tích hợp, chuyển mạch đa lớp cho mạng trục Internet

Nhu cầu cấp thiết trong bối cảnh này là phải ra đời một công nghệ lai có khả năng kết hợp những đặc điểm tốt của chuyển mạch kênh ATM và chuyển mạch gói IP.Công nghệ MPLS ra đời trong bối cảnh này đáp ứng được nhu cầu của thị trường đúng theo tiêu chí phát triển của Internet đã mang lại những lợi ích thiết thực, đánh dấu một bước phát triển mới của mạng Internet trước xu thế tích hợp công nghệ thông tin và viễn thông (ICT - Information Communication Technology) trong thời

thức tìm đường dẫn ngắn nhất [OSPF] hay giao thức cổng biên [BGP]), hay định tuyến tĩnh Các router xử lí tất cả các gói tin như nhau và có quyền huỷ bỏ các gói tin mà không cần bất kì thông báo nào cho cả bên gởi và bên nhận Chính vì vậy, IP chỉ cung cấp các dịch vụ đặc biệt với “hiệu quả tốt nhất” chứ không thích hợp cho các dịch vụ có yêu cầu nghiêm ngặt về QoS.

Cơ chế phi kết nối gây khó khăn trong việc điều khiển luồng và phân bổ lưu lượng mạng làm tắt nghẽn tại các nút mạng Các nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP) xử lý bằng cách tăng dung lượng các kết nối và nâng cấp router nhưng hiện tượng nghẽn mạch vẫn xảy ra Lý do là các giao thức định tuyến Internet thường hướng lưu lượng vào cùng một số các kết nối nhất định dẫn tới các kết nối này bị quá tải trong khi một số khu vực khác tài nguyên không được sử dụng Đây là tình trạng phân bố tải không đồng đều và sử dụng lãng phí tài nguyên mạng Tuy nhiên, bên cạnh hạn chế như vậy, mô hình phi kết nối cũng có những ưu điểm, đó là :

- Khả năng định tuyến gói tin một cách độc lập

- Cơ cấu định tuyến và chuyển tin đơn giản, hiệu quả, nên mô hình phi kết nối rất phù hợp với các luồng có thời gian kết nối chậm

1.3.2 Công nghệ ATM và mô hình hướng kết nối

ATM là công nghệ chuyển mạch hướng kết nối, tức là kết nối từ điểm đầu đến điểm cuối phải được thiết lập trước khi thông tin được gởi đi Việc tạo kết nối mạch ảo có thể đạt hiệu quả trong mạng nhỏ, nhưng đối với mạng lớn thì những vấn

đề có thể xảy ra Mỗi khi một router mới đưa vào mạng lõi WAN thì mạch ảo phải được thiết lập giữa router này với các router còn lại để đảm bảo việc định tuyến tối

ưu Điều này lưu khiến lượng định tuyến trong mạng tăng Thông thường việc thiết lập kết nối này được thực hiện bởi giao thức báo hiệu Giao thức này cung cấp các thông tin trạng thái liên quan đến kết nối cho các chuyển mạch nằm trên đường đã định tuyến Chức năng điều khiển chấp nhận kết nối CAC (Connection Admission Control) đảm bảo rằng các tài nguyên liên quan đến kết nối hiện tại sẽ không được đưa vào để sử dụng cho các kết nối mới Điều này buộc mạng phải duy trì trạng thái

của từng kết nối (bao gồm thông tin về sự tồn tại của kết nối và tài nguyên mà kết nối đó sử dụng) tại các n có dữ liệu đi qua Việc lựa chọn tuyến được thực hiện dựa trên các yêu cầu về QoS đối với kết nối và dựa trên khả năng của thuật toán định tuyến trong việc tính toán các tuyến có khả năng đáp ứng các yêu cầu QoS đó Do khả năng nhận dạng mạng, khả năng cô lập từng kết nối với các tài nguyên liên quan đến kết nối trong suốt thời gian tồn tại của kết nối mà môi trường hướng kết nối có thể đảm bảo chất lượng cho từng luồng thông tin Mạng sẽ giám sát từng kết nối, thực hiện định tuyến lại trong trường hợp có sự cố và việc thực hiện định tuyến lại này cũng phải thông qua báo hiệu.

Từ cơ chế truyền tin ta thấy mạng hướng kết nối thích hợp với :

- Các ứng dụng yêu cầu phải đảm bảo QoS một cách nghiêm ngặt

- Các ứng dụng có thời gian kết nối lớn

Đối với các ứng dụng có thời gian kết nối ngắn thì môi trường hướng kết nối dường như lại không thích hợp do thời gian để thiết lập kết nối cũng như tỉ lệ phần thông tin header lại quá lớn Với các loại lưu lượng như vậy thì môi trường phi kết nối với phương thức định tuyến đơn giản, tránh phải sử dụng các giao thức báo hiệu phức tạp sẽ phù hợp hơn

Như vậy ta cần tìm một phương thức chuyển mạch có thể phối hợp ưu điểm của IP (như cơ cấu định tuyến) và của ATM (như phương thức chuyển mạch) và để thực sự phù hợp với mạng đa dịch vụ cả hai công nghệ ATM và IP đều phải có những thay đổi, cụ thể là đưa thêm khả năng phi kết nối vào công nghệ ATM, và khả năng hướng kết nối vào công nghệ IP

1.3.3 Quá trình điều khiển và chuyển tiếp độc lập

Với chuyển tiếp gói IP thông thường, mọi thay đổi về thông tin điều khiển truyền gói được tất cả các thiết bị liên lạc với nhau trong cùng một vùng Sự thay đổi này đòi hỏi một thời gian hội tụ trong thuật toán chuyển tiếp Vì vậy ta mong muốn có một cơ chế có thể thay đổi cách chuyển tiếp gói, mà không ảnh hưởng đến các thiết bị trong mạng Để thực hiện được cơ chế như vậy, các thiết bị mạng (router) không dựa trên thông tin tiêu đề IP mà dựa trên một nhãn thêm vào gói tin

để quyết định quá trình chuyển tiếp Với cách thức chuyển tiếp như vậy bất kỳ sự thay đổi quyết định nào có thể thông tin đến các thiết bị bằng cách phân phối một nhãn mới, các thiết bị này chuyển tiếp lưu lượng dựa trên nhãn một sự thay đổi diễn

ra sẽ không ảnh hưởng tới các thiết bị còn lại

Công nghệ MPLS ra đời đáp ứng được nhu cầu của thị trường đúng theo tiêu chí phát triển của Internet, kết hợp những đặc điểm tốt nhất giữa định tuyến lớp thứ

3 và chuyển mạch lớp thứ 2 cho phép chuyển các gói rất nhanh trong mạng lõi và định tuyến tốt ở các mạng biên bằng cách dựa vào nhãn

1.4 MPLS

Chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS - Multiprotocol Label Switching) là một công nghệ lai kết hợp những đặc điểm tốt nhất giữa định tuyến lớp 3 (layer 3 routing) và chuyển mạch lớp 2 (layer 2 switching) cho phép chuyển tải các gói rất nhanh trong mạng lõi (core) và định tuyến tốt ở các mạng biên (edge) bằng cách dựa vào nhãn (label) MPLS (Multi-Protocol Label Switching) kết hợp đặc tính tốc

độ và hiệu suất của các mạng chuyển gói (packet-switched network) với đặc tính thông minh các mạng chuyển mạch (circuit-switched network) nhằm cung cấp giải pháp tốt nhất cho việc tích hợp voice, video and data Giống như các mạng chuyển mạch, MPLS thiết lập con đường kết nối end-to-end trước khi vận chuyển thông tin,

và các con đường này được chọn dựa vào yêu cầu của ứng dụng (vd: băng thông, ) Mặt khác, giống như các mạng gói, các ứng dụng và người dùng có thể chia sẻ chung một kết nối Các ứng dụng MPLS có thể thay đổi rất rộng, từ mạng phân phát dữ liệu "best effort" đơn giản tới các mạng nâng cao với khả năng đảm bảo phân phát dữ liệu có kèm thông tin re-routing dành cho con đường phụ (trong trường hợp liên kết mạng bị hỏng ở đâu đó trên đường chính) trong vòng 50 milli giây

1.4.1 Lợi ích của MPLS

- Làm việc với hầu hết các công nghệ liên kết dữ liệu

- Tương thích với hầu hết các giao thức định tuyến và các công nghệ khác liên quan đến Internet

- Hoạt động độc lập với các giao thức định tuyến

- Tìm đường đi linh hoạt dựa vào nhãn (label) cho trước

- Hỗ trợ việc cấu hình quản trị và bảo trì hệ thống (OAM)

- Có thể hoạt động trong một mạng phân cấp

- Có tính tương thích cao

1.4.2 Đặc điểm mạng MPLS

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

- MPLS chỉ nằm trên các router

- MPLS là một giao thức độc lập nên có thể hoạt động với các giao thức mạng khác

IP như IPX, ATM, Frame-Relay, PPP hoặc trực tiếp với tầng Data Link

- Định tuyến trong MPLS được dùng để tạo các luồng băng thông cố định tương tự như kênh ảo của ATM hay Frame Relay

- MPLS đơn giản hoá quá trình định tuyến, đồng thời tăng cường tính linh động với các tầng trung gian

1.4.3 Điểm vượt trội của MPLS so với mô hình IP over ATM

Sự tích hợp:

MPLS xác nhập tính năng của IP và ATM chứ không xếp chồng lớp IP trên ATM MPLS giúp cho cơ sở hạ tần của ATM thấy được định tuyến IP và loại bỏ các yêu cầu ánh xạ giữa các đặc tính IP và ATM MPLS không cần địa chỉ atm và kỹ thuật định tuyến (như PNNI)

Độ tin cậy cao:

Với cơ sở hạ tầng ATM, MPSL có thể kết hợp hiệu quả với nhiều giao thức định tuyến IP over ATM thiết lập một mạng lưới (mesh) dịch vụ công cộng giữ các router xung quanh một đám mây ATM Tuy nhiên có nhiều vấn đề xảy ra do các PCV link giữa các router xếp chồng trên mạng ATM Cấu trúc ATM không thể thấy

bộ định tuyến Một link ATM bị hỏng làm hỏng nhiều liên kết router-to-router gây khó khăn cho lượng cập nhật thông tin định tuyến và nhiều tiến trình xử lí kéo theo

Trực tiếp thực thi các loại dịch vụ:

Khác với MPLS, xếp lớp IP trên ATM này sinh nhiều bất lợi, đặt biệt trong việc hỗ trợ các dịch vụ IP như IP multicast và RSVP ( Resource Reservation Protocol - RSVP) MPLS hổ trợ các dịch vụ này, kết thừa thời gian và công việc theo các chuẩn và khuyến khích tạo nên ánh xạ xấp xỉ của các đặc trưng IP&ATM

Sự đo lường và quản lí VPN:

MPLS có thể tính được các dịch vụ IP VPN và rất quản lí các dịch vụ VPN quan trọng để cung cấp các mạng IP riêng trên một cơ sở hạ tầng đơn Với một đường trục MPLS đi qua một trục và đến điểm ra đúng cả nó.Kết hợp MPLS với MP-BGP (Multiprotocol Broder Gateway Protocol) tạo ra các dịch vụ VPN dựa trên nền MPLS VPN dễ quản lý hơn với sự điều hành chuyển tiếp quản lí phía VPN và các thành viên VNP, dịch vụ MPLS-base VNP còn có thể mở rộng để hổ trợ hành ngàn VPN

Giãm tải trên mạng lõi :

Các dịch vụ VPN hướng dẫn cách MPLS hỗi trợ mọi thông tin định tuyến phân cấp, hơn nữa có thể tách rời các định tuyến internet tại điểm ra vào của mạng Với MPLS, kỹ thuật lưu lượng truyền ở biên của AS được gắn nhãn để liên kết vơi điểm tương ứng Sự tách rời của định tuyến nội khỏi định tuyến internet đầy đủ cũng giứp hạn chế lỗi, ổn định và tăng tính bảo mật

Khả năng điều khiển lưu lượng :

MPLS cung cấp các khả năng điểu khiển lưu lượng để sử dụng hiệu quả tài nguyên mạng Kỹ thuật lưu lượng giúp chuyển tải từ các phần quá tải sang các phần còn rỗi của mạng dựa vào điểm đích, loại lưu lượng tải, thời gian

1.4.4 Một số khái niệm thường gặp

- FEC (Forwarding Equivalence Class) là một nhóm các gói tin ở lớp mạng được dán nhãn giống nhau và gửi đi đồng nhất theo một đường đi xác định

- LSR (Label Switching Router) là bộ định tuyến có hỗ trợ MPLS, bao gồm các giao thức điều khiển MPLS, các giao thức định tuyến lớp mạng và cách thức xử lý nhãn MPLS

- LER (Label Edge Router) là các LSR ở biên mạng MPLS trong MPLS domain, gồm có LER vào (Ingress LER) và LER ra (Egress LER)

- LSP (Label Switching Path) là đường đi xuất phát từ một LSR và kết thúc tại một LSR khác Tất cả các gói tin có cùng giá trị nhãn sẽ đi trên cùng một LSP

- MPLS domain là tập các nút mạng MPLS

1.5 Kiến trúc MPLS

Label: Nhãn được sử dụng trong tiến trình gửi gói tin sau khi đã thiết lập đường

đi MPLS tập trung vào quá trình hoán đổi nhãn (Label Swapping) Một trong những thế mạnh của kiến trúc MPLS là tự định nghiã các chồng nhãn (label stack) Công thức để dán nhãn gói tin là: Network Layer Packet + MPLS Label Stack.Label Spaces: chia làm 2 loại

Per-Platform Label Space: các interface dùng chung giá trị nhãn

Per-Interface Label Space: mỗi interface mang giá trị nhãn riêng

Một nút của MPLS có hai mặt phẳng điều khiển: mặt phẳng chuyển tiếp MPLS và mặt phẳng điều khiển MPLS Nút MPLS có thể thực hiện định tuyến ba lớp hoặc chuyển mạch lớp hai Kiến trúc cơ bản của một nút MPLS như sau:

Hình 1.1: Kiến trúc MPLS

1.5.1 Mặt phẳng chuyển tiếp

Mặt phẳng chuyển tiếp sử dụng một cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn Label Forwarding Information Base) để chuyển đổi gói Mỗi nút MPLS có hai bảng liên quan đến việc chuyển tiếp là: cơ sở thông tin nhãn và LFIB LIB chứa tất cả các nhãn được nút MPLS cục bộ đánh dấu và ánh xạ Điều này đến các nhãn được nhận

(LFIB-từ láng giềng (MPLS neighbor) của nó LFIB sử dụng một tập con các nhãn chứa trong LFIB để thực hiện chuyển tiếp gói

1.5.2 Mặt phẳng điều khiển

Mặt phẳng điều khiển MPLS chịu trách nhiệm tạo ra và lưu trữ LFIB Tất cả các nút MPLS phải chạy một giao thức định tuyến IP để trao đổi thông tin định tuyến đến các nút MPLS khác trong mạng Các giao thức định tuyến Link-State như OSPF và IS-IS là các giao thức được chọn vì chúng cung cấp cho mỗi nút MPLS thông tin của toàn mạng Trong các bộ định tuyến thông thường, bản định tuyến IP cung cấp thông tin của mạng đích và subnet prefix Các giao thức định tuyến link-state gửi thông tin định tuyến giữa một tập các router nối trực tiếp (adjacent), thông tin liên kết nhãn chỉ được phân phối giữa router nối trực tiếp với nhau bằng cách

dùng giao thức phân phối nhãn (Label Distribution Protocol), hoặc TDP (cisco’s Tag Distribution Protocol).

Các mô đun điều khiển MPLS gồm:

Định tuyến Unicast (Unicast Routing)

Định tuyến Multicast (Multicast Routing)

Kỹ thuật lưu lượng (TE)

Mạng riêng ảo (VPN), Chất lượng dịch vụ (QoS)

Điều khiển định tuyến ( MPLS/VPN)

Điều khiển lưu lượng (MPLS TE)

1.5.3 Các thành phần mặt phẳng dữ liệu và điều khiển của MPLS

Hình 1.3 Thành phần mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng

1.6 Nhãn (Label) trong MPLS

Kiểu khung (Frame mode) là thuật ngữ khi chuyển tiếp một gói với nhãn gắn trước tiêu đề lớp ba Một nhãn được mã hoá với 20 bit, nghĩa là có thể 220 giá trị khác nhau Một gói có nhiều nhãn, được gọi là ngăn xếp nhãn (label stack) Ở mỗi chặng trong mạng chỉ có một nhãn bên ngoài được xem xét Hình sau mô tả định dạng tiêu

Table-Label Forwarding Information Base LFIB

Outgoing IP PacketIncomming

IP Packet

Trong đó

- EXP=Experimental (3 bit): dành cho thực nghiệm Cisco IOS sử dụng các bít này dùng để giữ các thông báo cho QoS, khi các gói MPLS xếp chồng có thể dùng các bit EXP tương tự như các bit IP ưu tiên (IP Precedence)

- S=Bottom of stack (1 bit): là bít cuối chồng Nhãn cuối chồng bít này được thiết lập lên 1, các nhãn khác có bit này là 0

- TTL=Time to Live (8 bit): thời gian sống là bản sao của IP TTL Giá trị của nó được giảm tại mỗi chặng để tránh lặp (giống như trong IP) Thường dùng khi người điều hành mạng muốn che dấu cấu hình mạng bên dưới khi tìm đường từ mạng bên ngoài

Hình 1.5 Định dạng nhãnTrong đó:

GFC (Generic Flow Control): điều khiển luồng chung

VPI (Virtual Path Identifier): nhận dạng đường ảo

VCI (Virtual Channel Identifier): nhận dạng kênh ảo

PT (Payload Type): chỉ thị kiểu trường tin

CLP (Cell Loss Priority): chứa năng chỉ thị ưu tiên huỷ bỏ tế bào

HEC (Header error check): kiểm tra lỗi tiêu đề

1.7 LSPs (Label Switch Path)

Một kết nối end-to-end MPLS được gọi là Label Switch Path (LSP) Kết nối này có thể được thiết lập dành cho nhiều mục đích khác nhau, như để bảo đảm một vài cấp độ hiệu suất, để route theo nhiều hướng trong một mạng bị nghẽn, hay để tạo các IP tunnel cho các mạng kiểu như VPN Theo nhiều khía cạnh, LSPs không khác gì so với các con đường chuyển mạch (switched path) trong mạng ATM hay Frame Relay, ngoại trừ LSPs không phụ thuộc vào một công nghệ L2 nào

Thông tin về LSP được thâu tóm vào trong MPLS label, nhãn này được chèn vào giữa tiêu đề lớp 2 và 3 của gói tin Các nhãn cho phép thiết lập các con đường khác nhau giữa các nơi (khách hàng) khác nhau, hoặc thậm chí cho các ứng dụng khác nhau của cùng một khác hàng Các nhãn được gán và phân phối qua nghi thức riêng dành cho việc này (vd: LDP, hay TDP)

1.8 LER, LSR và hoạt động của LSR

Gói đến vùng MPLS được gắn nhãn đầu tiên bởi một router gọi là Label Edge Router (LSR) hay còn gọi là Edge Label Switch Router Các nhãn thực ra chỉ là một

cơ chế đánh chỉ số đơn giản làm cho kỹ thuật chuyển mạch nhanh hơn, đơn giản hơn cách làm truyền thống của kỹ thuật chuyển tiếp gói (packet forwarding) trên L2 (Ethernet/ATM) hoặc L3 (IP)

Tại mỗi chặng (hop) trên mạng MPLS, một router sẽ xem xét nhãn đến để tính

ra chặng chuyển tiếp tiếp theo cho gói tin Điều này loại bỏ việc tiêu tốn khá nhiều tài nguyên cho việc tra cứu địa chỉ mà vốn dĩ thường làm giảm toàn bộ thông lượng gói tin và hạn chế tính linh hoạt

Dọc trên đường đi, mỗi LSR sẽ ra quyết định chuyển tiếp dựa trên mỗi nội dung của nhãn Tại mỗi chặng, LSR sẽ lột bỏ nhãn đã có và gắn vào nhãn mới nhằm thông báo cho LSR của chặng kế cách chuyển tiếp gói tin Tất cả MPLS router trong mạng thường xuyên trao đổi nhãn và thông tin tầm với tới (reachability) để xây dựng một một sơ đồ hoàn chỉnh của mạng, mà sau đó được dùng để xác định các con đường cũng như thông tin nhãn mới đặt vào trong gói tin

Hoạt động của LSR:

- Ý tưởng chính của MPLS là sử dụng nhãn để quyết định chặn kế tiếp, nên router làm việc ít hơn và hoạt động gần giống như bộ chuyển mạch Vì các nhãn thể hiện các tuyến đường trong mạng nên ta có thể điều khiển chính xác quá trình xử lý lưu lượng bằng cách dùng các chính sách gán nhãn

+ Ở chặng router đầu tiên, router chuyển gói tin dựa vào địa chỉ đích, xác định nhãn thích hợp tùy vào FEC để gán nhãn cho gói và chuyển gói đi tiếp

+ Ở chặng kế tiếp, LSR dùng giá trị nhãn để xác định nút tiếp theo cần chuyển gói, gán nhãn mới rồi chuyển gói đi tiếp

- Đường dẫn chuyển mạch nhãn (LSP): LSP xác định đường đi gói tin MPLS, chia làm 2 loại:

+ Hop by hop signaled LSP: xác định đường đi khả thi nhất

+ Explicit route signaled LSP (ER-LSP): xác định các tuyến đường đi bắt nguồn từ nút gốc

- ER-LSP có các ưu điểm sau: khả năng định tuyến linh hoạt, xác định nhiều đường

đi đến đích, quản lý lưu lượng linh hoạt, việc tìm đường dựa trên quan hệ ràng buộc như mạng ATM

1.9 Các hình thức hoạt động của MPLS

Mạng MPLS dùng các nhãn để chuyển tiếp các gói Khi một gói đi vào mạng, nút MPLS ở lối vào đánh dấu một gói đến lớp chuyển tiếp tương đương (FEC –Forwarding Equivalence Class) cụ thể Trong mạng MPLS nhãn điều khiển mọi hoạt động chuyển tiếp Điều này có nhiều thuận lợi hơn sự chuyển tiếp thông thường:

- Sự chuyển tiếp MPLS có thể thực hiện bằng các bộ chuyển mạch, có thể tra cứu thay thế nhãn mà không ảnh hưởng đến header lớp mạng Các bộ chuyển ATM thực hiện các chức năng chuyển các tế bào dựa trên giá trị nhãn ATM-Switch cần được điều khiển bởi một thành phần điều khiển MPLS dựa vào IP (IP-base MPLS control

element) như bộ điều khiển chuyển mạch nhãn (LSC- Label Switch Controller) Đây là dạng cơ bản của sự kết hợp IP với ATM.

- Khi một gói vào mạng nó được chuyển đến lớp chuyển tiếp tương đương (FEC -Forwarding Equivalence Class) Router có thể sử dụng thông tin gói, như cổng vào (ingress) hay giao tiếp (interface) Các gói đi vào mạng được gán các nhãn khác nhau Quyết định chuyển tiếp được thực hiện dễ dàng bởi router ngõ vào Điều này không có trong sự chuyển tiếp thông thường, vì sự xác định lộ trình của router khác với thông tin lộ trình trên gói

- Mạng được quản lý lưu lượng buộc gói đi theo con đường cụ thể, một con đường chưa được sử dụng, con đường đó được chọn trước hoặc ngay khi gói đi vào mạng tốt hơn sự lựa chọn bởi các thuật toán định tuyến thông thường Trong MPLS, một nhãn có thể được dùng để đại diện cho tuyến, không cần kèm trong gói Đây là dạng

cơ bản của MPLS TE

- “Lớp dịch vụ (Class of Service)” của gói được xác định bởi nút MPLS đầu vào Một nút MPLS vào có thể huỷ tuyến hay sửa đổi lịch trình để điều khiển các gói khác nhau Các trạm sau có thể định lại ràng buộc dịch vụ bằng các thiết lập PBH (per-hop behavior) MPLS cho phép độ ưu tiên một phần hoặc hoàn toàn của lớp dich vụ từ nhãn Trường hợp này nhãn đại diện cho sự kết hợp của một FEC với độ

ưu tiên hoặc lớp dịch vụ Đây là dạng cơ bản của MPLS QoS

1.10 Thuật toán chuyển tiếp nhãn (Label Forwarding Algorithm)

Bộ chuyển mạch sử dụng một thuật toán chuyển tiếp dựa vào việc hoán đổi nhãn.Nút MPLS lấy giá trị trong nhãn của gói vừa đến làm chỉ mục đến LFIB Khi giá trị nhãn tương ứng được tìm thấy, MPLS sẽ thay thế nhãn trong gió đó bằng nhãn ra từ mục con và gửi gói qua giao tiếp ngõ ra tương ứng đến trạm kế đã được xác định Nếu nút MPLS chứa nhiều LFIB trên mỗi giao tiếp, nó sử dụng giao tiếp vật lý nơi gói đến để chọn một LFIB cụ thể phục vụ chuyển tiếp gói Các thuật toán chuyển tiếp thông thường sử dụng nhiều thuật toán như unicast, multicast và các gói unicast có thiết lập bit ToS (term of service) Tuy nhiên, MPLS chỉ dùng một thuật

toán chuyển tiếp dựa trên sự hoán đổi nhãn (label swapping) Một nút MPLS truy xuất bộ nhớ đơn để lấy thông tin như quyết đinh dành ra tài nguyên cần thiết để chuyển tiếp gói Khả năng chuyển tiếp và tra cứu tốc độ nhanh giúp chuyển tiếp nhãn trở thành công nghệ chuyển mạch có tính thực thi cao MPLS còn có thể dùng

để chuyển vận các giao thức lớp ba khác như Ipv6, IXP hoặc apple talk Các thuộc tính này giúp MPLS có thể tương thích tốt với việc chuyển đổi các mạng từ Ipv4 lên Ipv6

1.11 Hoạt động chuyển tiếp của MPLS

Thực hiện chuyển tiếp dữ liệu với MPLS gồm các bước sau:

- Gán nhãn MPLS trên LSR

- Giao thức phân phối nhãn thực hiện gán nhãn và trao đổi nhãn giữa các LSR trong miền MPLS để thiết lập các phiên làm việc Việc gán nhãn có thể gán cục bộ trên router hoặc trên giao tiếp của router

- Thiết lập LDP/TDP giữa LSR/ELSR

- Mặc định trên router sử dụng LDP

1.12 LDP và các loại thông điệp của LDP

1.12.1 Các thông điệp của LDP

Discovery: quảng cáo và chấp nhận sự có mặt của LSR trong mạng

Session: thiết lập bảo dưỡng và huỷ phiên làm việc giữa các LSR

Advertisement :quảng cáo ánh xạ nhãn tới FEC

Notification: báo hiệu lỗi

Hình 1.6 Quá trình thiết lập

Hình 1.7 Quá trình di trì

1.12.2 Phân phối bằng giao thức phân phối nhãn LDP

Trong một miền MPLS, một nhãn gán tới một địa chỉ (FIB) đích được phân phối tới các láng giềng ngược dòng sau khi thiết lập phiên Việc kết nối giữa mạng cụ thể với nhãn cục bộ và một nhãn trạm kế (nhận từ router xuôi dòng) được lưu trữ trong LFIB và LIB MPLS dùng các phương thức phân phối nhãn như sau:

- Yêu cầu xuôi dòng (Downstream on demand)

- Tự nguyện xuôi dòng (Unsolicited downstream)

Hình 1.8 Mô tả quá trình phân phối

1.13 Một số ứng dụng của MPLS

Các dịch vụ internet có thể chia làm 3 nhóm chính: voice, data, video với các yêu cầu khác nhau Như voice yêu cầu độ trễ thấp, cho phép thất thoát dữ liệu để tăng hiệu quả Video cho phép mất mát dữ liệu ở mức chấp nhận được, mang tính thời gian thực Data yêu cầu độ bảo mật, độ chính xác cao Việc triển khai công nghệ MPLS làm tăng hiệu quả khai thác các tài nguyên mạng sao cho hữu hiệu nhất

Hiện có một số ứng dụng MPLS đang được triển khai là:

MPLS VPN: nhà cung cấp dịch vụ có thể tạo VPN lớp 3 dọc theo mạng đường trục cho nhiều khác hàng,chỉ dùng một cơ sở hạ tầng công cộng sẵn có, không cần các ứng dụng mã hoá hoặc ng ười dùng đầu cuối

Chất lượng dich vụ(Quality of Service): LSP có thể là kết nối hiệu quả nhất, trong trường hợp Label Ditributrion Protocol (LDP) hay giao thức có trước đây, Tag Ditributrion Protocol (TDP) được dùng Một LSP có thể yêu cầu băng thông chỉ dành riêng cho nó Khi thực hiện cấp phát, MPLS phải đảm bảo rằng băng thông luôn sẵn sàng để dùng cho toàn bộ con đường này Nếu băng thông không sẵn sàng, thì yêu cầu kết nối bị từ chối LSP đặt trước băng thông nhờ vào nghi thức mở rộng Resource Reservation Protocol with Traffic Engineering (RVSP-TE) hoặc

Constraint- based Routing LDP (CR-LDP).

Khái niệm này tương tự với khái niệm Committed Information Rate (CIR) của FR Tuy nhiên, CIR áp dụng cho truy cập liên kết, và không đảm bảo băng thông suốt đường trục

Kỹ thuật lưu lượng (Traffic Engineering): Các nhà cung cấp dịch vụ (SP) cần một cách để quản lý việc gia tăng một số lượng lớn lưu lượng phải xử lý Lưu lượng này động và khó biết trước bởi vì các luồng thay đổi liên tục và do đó tất yếu không tương xứng với mô hình mạng hiện có Kỹ thuật lưu thông qua MPLS cho phép lưu lượng được bố trí một các hiệu quả vào các mô hình mạng hiện thời Nhờ vào việc thiết lập các con đường qua mạng để cung cấp lưu lượng, MPLS đưa ra khả năng quản lý bao quát lưu lượng mà các thuật toán tìm đường không thể Kỹ thuật lưu lượng qua MPLS cải tiến tính tin cậy của các mạng cung cấp dịch vụ theo hai cách Thứ nhất, nó cho phép các nhà cung cấp dịch vụ định tuyến lưu lượng của họ theo nhiều hướng và tránh được tình trạng "hot spots" (nóng) trong mạng Thứ hai, các con đường của MPLS đi trong một mạng có thể được thiết lập dư và chia tải Điều này cho phép các nhà cung cấp dịch đảm bảo lưu lượng quan trọng luôn có một con đường cho nó Bằng cách này nhà cung cấp kiểm soát khít khao toàn bộ lưu lượng trong mạng của họ, MPLS sẽ cho phép họ thu được nhiều lợi nhuận nhất từ tài sản (mạng) của họ

1.14 Kết luận

Qua chương một chúng ta có thể hình dung được đặc điểm, cấu trúc, nguyên

lý hoạt động của công nghệ MPLS, từ đó có thể nguyên cứu sâu hơn về kỹ thuật lưu lượng trong MPLS (MPLS-TE)

Chương 2 Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS

2.1 Giới thiệu

Chương này giới thiệu về kỹ thuật lưu lượng trong MPLS, so sánh sự khác nhau giữa kỹ thuật lưu lượng sử dụng trong mạng IP truyền thống và kỹ thuật lưu lượng trong MPLS Những thành phần đặc điểm của MPLS TE Những thành phần chính của phân phối và nguyên lý hoạt động phân phối Trong chương này để minh hoạ cho các thông số thuộc tính của các giao thức trong MPLS-TE, em đã sử dụng các câu lệnh cấu hình Router của hệ điều hành mạng phiên bảng 12.3T trở lên của Cisco System

2.2 Tổng quan về quản lý lưu lượng MPLS

Quản lý lưu lượng là quá trình điều khiển các tắt nghẽn trong mạng, xử lý, tính toán, kiểm soát lưu lượng, tối ưu hóa các tài nguyên mạng theo yêu cầu cho các mục đích khác nhau Trước khi MPLS ra đời, người ta thực hiện quản lý lưu lượng trên mạng IP và ATM IP traffic engineering điều khiển lưu lượng dựa trên đơn giá của đường truyền, không điều khiển được lưu lượng đến, mà chỉ điều khiển được lưu lượng đi ATM traffic engineering sử dụng các Permanent Virtual Circuits (PVC) để truyền cho phép quản lý lưu lượng tốt hơn Tuy nhiên cần phải xây dựng full-mesh PVC (tất cả các phần tử đều có liên kết với nhau) và phải điều chỉnh kích

cỡ, vị trí của các PVC tuỳ vào loại lưu lượng tại mỗi thời điểm, khi một kết nối bị ngắt sẽ tạo ra ngập tràn rất lớn MPLS traffic engineering kết hợp những lợi điểm của ATM TE với tính linh hoạt, mềm dẻo của mạng IP cho phép xây dựng đường chuyển mạch nhãn LSP (còn gọi là TE tunnel) để truyền lưu lượng MPLS TE tránh được vấn đề ngập tràn mà ATM gặp phải do MPLS TE sử dụng cơ chế gọi là định tuyến lại (autoroute) để xây dựng bản định tuyến thông qua các đường hầm mà không cần dựa vào full-mesh PVC của định tuyến như ATM

2.3 Sự cần thiết của kỹ thuật lưu lượng trong Internet

Việc cung cấp chất lượng dịch vụ (QoS) và khả năng kỹ thuật lưu lượng trên Internet ngày càng quan trọng, đặc biệt là hỗ trợ các dịch vụ đòi hỏi thời gian thực

Để phục vụ mục đích đó, Internet hiện nay phải được nâng cao với kỹ thuật mới, đó

là MPLS đóng vai trò chính trong mạng IP, với tính năng kỹ thuật lưu lượng và chất lượng dịch vụ (QoS) Internet có thể được xem như là một tập các AS (Autonomous System) truyền thông với nhau và chúng sử dụng giao thức EGP (Exterior Gateway Protocol) Giao thức IGP (Interior Gateway Protocol) thực thi trong các AS để cung cấp các kết nối giữa các router Các giao thức định tuyến link – state như IS – IS và OSPF là giao thức IGP EGP hiện thời được sử dụng là BGP4 Tuy nhiên, giao thức BGP thực thi trong các AS để cung cấp sự truyền thông full – mesh IBGP giữa các IBGP đồng đẳng Các IBGP này có thể không kết nối trực tiếp với nhau, do đó cần phải có một IGP như OSPF hay IS – IS để cung cấp thông tin định tuyến đích hoặc chặng kế tiếp cho IBGP Các giao thức định tuyến link– state IGP được dùng để phân phối thông tin về tất cả các liên kết trong mạng Mỗi router trong AS dùng các thông tin này để tính toán con đường ngắn nhất đến mọi đích trong mạng bằng thuật toán con đường ngắn nhất Sau đó các router xây dựng một bảng chuyển tiếp, kết hợp địa chỉ tiền tố với liên kết của chặng kế tiếp Khi một gói đến một router, bảng chuyển tiếp được sử dụng, và gói được chuyển tiếp theo con đường đã được chỉ định trong bảng dựa vào địa chỉ IP Cách này tốt trong mạng có mô hình mạng thưa thớt Ngược lại, trong mạng dày đặc, cách tiếp cận này có thể dẫn đến việc mất cân bằng tải Các liên kết không nằm trên con đường đó sẽ không được tận dụng mặc dù lưu lượng mạng đang cao Điều này dẫn đến lãng phí băng thông trên các đường trung kế mặc dù các con đường đó vẫn còn được sử dụng tốt Vấn đề này được khắc phục bằng việc tính toán lại các metric (độ mong đợi) của liên kết bằng các giao thức định tuyến và áp đặt sự cân bằng tải không cùng giá trị trên các liên kết Tuy nhiên, cách này không cung cấp một sự dư thừa động và không được xem như là đặc điểm của giao thức và khả năng của mạng khi thực hiện định tuyến

Thay đổi độ đo (metric) là ngược với kỹ thuật lưu lượng MPLS, mạng IP đã

có điểm yếu là chỉ có một cơ chế điều khiển các luồng lưu lượng là thay đổi độ mong đợi của đường truyền trong các giao thức IGP như là OSPF Tuy nhiên, cách làm như vậy sẽ làm thay đổi tất cả các gói đi qua liên kết này Các cách này không cung cấp một sự tối ưu động và không được xem là đặc điểm của lưu lượng và khả năng của mạng khi thực hiện các quyết định định tuyến

Kỹ thuật lưu lượng trong mạng MPLS, bất kỳ con đường chuyển mạch nhãn (LSP) nào cũng đều có thể được thay đổi động từ một con đường tắt nghẽn đến một con đường khác Điều này thể hiện một sự hiệu quả trong mạng IP, bởi vì người quản trị mạng có thể cho mạng hoạt động với khả năng cao nhất trong điều kiện bình thường, và trước khi tắt nghẽn xuất hiện thì một vài lưu lượng có thể dễ dàng được chuyển đi bằng con đường khác Hơn thế nữa, người quản trị mạng có thể sử dụng một thuật toán tổng quát để cung cấp một sự ánh xạ từ các luồng lưu lượng đến đường truyền vật lý mà không thể có được nếu sử dụng các cách trên

MPLS TE cho phép các nhà cung cấp dịch vụ định nghĩa một con đường chính xác, tương tự như định tuyến nguồn, xuyên qua mạng của họ và điều khiển lưu lượng đi trên con đường đó Kỹ thuật lưu lượng cũng thực thi cân bằng tải có chi phí không cân bằng dựa trên thông số thuộc tính trên các đường hầm

2.4 Kỹ thuật lưu lượng trước MPLS

Ta xẽ xét các kỹ thuật lưu lượng của IP và ATM

Kỹ thuật lưu lượng IP thì phổ biến nhưng chất lượng khá kém Cách điều khiển chủ yếu của IP là thay đổi chi phí trên một liên kết cụ thể Ngược lại, ATM để bạn thay thế các PVC trên mạng từ nguồn đến đích của sự lưu thông Nghĩa là đạt được quyền điều khiển tốt hơn trên các luồng lưu lượng Vài nhà cung cấp dịch vụ (ISP) lớn trên thế giới sử dụng ATM để quản lý lưu lượng trên mạng của họ bằng cách xây dựng mạng lưới đầy đủ các ATM PVC giữa một tập hợp các router, tái định kích thước và vị trí các ATM PVC đó một cách định kỳ dựa trên thông tin lưu lượng do các router cung cấp

Bài toán con cá

Vì các liên kết này dùng chi phí (cost = 15), theo chuyển tiếp đích thông thường, tất

cả các gói đến từ R1 và R7 được ra ở cùng giao tiếp của R2 để tới R5, vì chi phí (cost) của đường phía trên thấp hơn ở dưới Tất cả các liên kết trong hình có băng thông 150 Mbps, R1 gửi 90 Mbps và R7 gửi 100 Mbps Lúc này sinh ra vấn đề: R2

cố gắng chuyển 190 Mbps qua đường (pipe) 150 Mbps Nghĩa là R2 phải huỷ 40 Mbps cho phù hợp với đường truyền Việc chuyển tiếp hướng đích (distination base forwarding) không giải quyết được vấn đề này Chỉ có thể huỷ bỏ liên kết hoặc chuyển chi phí liên kết để con đường ngắn lẫn đường dài đều có cùng chi phí nhằm giảm nhẹ vấn đề, nhưng chỉ áp dụng được trên mạng nhỏ

Hình 2.2 Phân tải sử dụng cả 2 đườngXây dựng hai PVC từ R2 tới R6 và thiết lập cho chúng cùng chi phí Vì R2 có hai con đường đến R6 nên sẽ sử dụng cả hai con đường để mang một lượng dữ liệu hợp lý Cơ chế chia tải có thể thay đổi đa dạng nhưng thông thường cân bằng tải trên nguồn và đích của CEF (CEF’s per-source-desstination load balancing) sử dụng cả hai con đường theo cách cân bằng thô (roughty) Xây dựng hai con đường

có cùng chi phí là giải pháp mền dẻo hơn thay đổi chi phí liên kết Trong mạng ATM các thiết bị khác nối đến mạng không ảnh hưởng đến bất kỳ sự thay đổi nào của độ đo (metric) Điều này cho thấy khả năng điều khiển lưu lượng của ATM tốt hơn IP

Giải pháp bài toán con cá bằng MPLS-TE

Hình 2.3 Bài toán con cá sử dụng MPLS- TE

Có ba điểm khác biệt về kỹ thuật lưu lượng giữa ATM và MPLS:

- MPLS TE chuyển tiếp gói; ATM sử dụng tế bào

- ATM yêu cầu mạng lưới đầy đủ các tuyến lân cận (routing adjacenies); MPLS không cần

- Trong ATM, công nghệ lõi không thể thấy các router trên biên của mạng; MPLS thấy được nhờ các giao thức định tuyến IP quảng bá thông tin của nó

2.5 Kỹ thuật lưu lượng với MPLS

MPLS TE kết hợp khả năng điều khiển lưu lượng của ATM với sự mền dẻo của IP và sự khác nhau của các lớp dich vụ MPLS cho phép xây dựng các con đường chuyển nhãn (LSP-Label Switch Path) trong mạng để giảm lưu lượng chuyển tiếp MPLS TE (có thể gọi là đường hầm điều khiển lưu lượng-TE Tunnel) dùng một đường hầm TE điều khiển lưu lượng trên đường đến đích cụ thể Phương pháp này mền dẻo hơn kỹ thuật lưu lượng chuyển tiếp chỉ dựa trên địa chỉ đích MPLS TE sử dụng cơ chế gọi là định tuyến động (autoroute) để xây dựng bảng định tuyến bằng MPLS TE LSP mà không cần mạng lưới đầy đủ các tuyến láng giềng MPLS TE dự trữ băng thông khi xây dựng LSP Ở đây giới thiệu khái niệm tài nguyên tiêu thụ Khi LSP được thêm vào mạng chúng có thể tìm ra con đường có băng thông được lưu trữ sẵn MPLS bắt buộc có sự dự trữ của mặt phẳng điều khiển, nghĩa là nếu một LSR dụ trữ 10Mb và gửi đến nó 100 Mb trên LSP đó, mạng

sẽ thử phân chia 100Mb đó trừ khi lưu lượng ở nguồn đã bị kỹ thuật QoS ràng buột.Khi nghiên cứu về kỹ thuật lưu lượng ta quan tâm đến ba vấn đề chính sau:

(1) Sự phân phối thông tin: Cách các bộ định tuyến nhận diện ra mạng và các tài nguyên nào đã sẵn sàng

(2) Tính toán và thiết lập tuyến: Cách các bộ định tuyến quyết định tạo các đường hầm TE, và cách xây dựng và duy trì các đường hầm TE này một cách chính xác

(3) Chuyển tiếp lưu lượng vào một đường hầm: Sau khi đường hầm được xây dựng thì sử dụng nó như thế nào ?

2.6 So sánh IP-TE với MPLS-TE

Quá trình thiết kế một hệ thống mạng thường được phân thành 2 giai đoạn, gọi

là giai đoạn Network Engineering và Traffic Engineering (NE & TE tương ứng)

- Giai đoạn NE là giai đoạn thiết kế hệ thống mạng theo mẫu lưu lượng có sẵn (traffic patten) hoặc giai đoạn nâng cấp mạng đáp ứng mẫu lưu lượng dự đoán Ví

dụ VNPT đưa ra hồ sơ mời thầu nâng cấp mạng trục quốc gia để đáp ứng lưu lượng đến năm 2010, các nhà thầu bắt tay vào thiết kế chọn lựa thiết bị triển khai cấu hình gọi là giai đoạn NE

- Vấn đề là lưu lượng không bao giờ cố định cả Nhu cầu về lưu lượng luôn luôn biến đổi và có những yếu tố ảnh hưởng khó kiểm soát Ví dụ Vietnam tổ chức Seagame, hay sân Mỹ đình có trận chung kết World Cup chẳng hạn Bài toán đặt ra đối với các nhà khai thác dịch vụ (operator - ISP) là làm sao tối ưu hiệu suất sử dụng tài nguyên mạng, tối ưu hiệu năng của mạng đang khai thác Đây là đối tượng của TE

Vậy TE không phải là vấn đề mới Các công nghệ chuyển mạch dồn kênh thống kê (statistical mux - ATM, IP, FR & MPLS) đều có các phương pháp tiếp cận riêng để giải quyết vấn đề này

Sự khác biệt giữa TE và QoS, thì TE trong IP, nhiệm vụ chính là làm sao tạo

ra được một đường hầm khác với tuyến đường đi tốt nhất vẫn thường chọn lựa theo chủ quan (metrics- đ) của các giao thức định tuyến IGP OSPF hỗ trợ loadbalancing trên nhiều đường có chi phí giống nhau, EIGRP hỗ trợ "varian" Ngoài ra PBR cũng

là một công cụ tốt Tuy nhiên, các giải pháp này chỉ mang tính tạm thời và chắp vá, chắp vá để IP có thể "do TE" được tốt hơn Nó không "scalable" Scalable là cái mà ISP và các Operator nhắc đến đầu tiên

Muốn làm TE tốt, hiển nhiên là bạn phải có đủ thông tin về mạng (thông tin về các thiết bị, về tài nguyên), sau đó là khả năng can thiệu (intervention) tự động hoặc

bằng tay để điều chỉnh TE trong MPLS đưa ra một loạt các khái niệm mới: FEC, traffic trunk, LSP, enduced topology , mỗi khái niệm có một tập các tham số thuộc tính Tập các tham số này cho phép MPLS-TE tốt hơn với IP truyền thống nhiều.

Tóm lại: có hai khái niệm mà chúng ta cần phân biệt

- Nói về TE, đó là một khung chung tập hợp các hướng và phương pháp giải quyết theo hướng lưu lượng Trong đó MPLS-TE là một giải pháp cụ thể ban đầu dành cho mạng MPLS dựa vào những ứng dụng, tính năng mà MPLS mang lại

- Còn IP TE là phương pháp dành cho mang IP nói chung Hầu như ko còn hiệu quả

Induced Graph: Là một vấn đề rất quan trọng trong TE Một Induced Graph tương tự như khái niệm topology ảo trong mô hình xếp chồng, vậy Induced Graph

là rất quan trọng bởi vì vấn đề cơ bản trong quản lý băng thông là vấn đề làm sao ánh xạ được hiệu quả một induced graph vào trong hạ tầng cơ sở mạng hiện tại Có

2 hàm số biểu thị làm rõ khái niệm induced graph :

G = ( V, E, C) trong đó V là các nút mạng, E là các đường link giữa các nút mạng,

C là các thuộc tính của đường link đấy (dung lượng, độ trễ …) G chính là mô hình mạng cơ sở mà ta đang có

H = (U, F, D) trong đó U là một tập hợp các nút mạng (LSRs), F là tập hợp các LSPs, D là một yêu cầu hay hạn chế tương ứng với F Lấy một mối quan hệ cho dễ

hiểu: nếu có 2 nút A và B nằm trong tập U thì sẽ tồn tại một đường link L1 nào đó tồn tại trong tập F với những thuộc tính nằm trong tập D tương ứng với tập F đó

Vậy bài toán đặt ra trong TE/MPLS là gì ?

+ Làm sao để ánh xạ các packet vào trong FEC ?

+ Làm sao để ánh xạ các FECs thành Traffic Trunk ?

+ Làm sao để ánh xạ các Traffic Trunk thành tunnel ( LSP đưa xuống lớp vật lý )?Trong TE/MPLS nó sinh ra thêm các khái niệm mới chẳng qua cũng chỉ là để làm

TE tốt hơn, sâu sát hơn mà thôi

2.7 Các thành phần kỹ thuật lưu lượng MPLS

Kỹ thuật lưu lượng MPLS sử dụng giao thức RSVP để tự động thiết lập và duy trì một đường hầm LSP qua đường trục MPLS bằng cách dùng giao thức báo hiệu Các đường hầm được tính toán tại điểm đầu của đường hầm (router nguồn) dựa trên các tài nguyên sẵn có IGP định tuyến lưu lượng một cách tự động một gói qua đường trục kỹ thuật lưu lượng MPLS trên một đường hầm đơn, đường kết nối

từ ngõ vào đến ngõ ra Có hai cơ chế được dùng để phân phối nhãn qua miền MPLS, đó là giao thức phân phối nhãn định tuyến dựa trên ràng buộc (CR-LDP) và giao thức giành trước tài nguyên (RSVP-TE)

2.7.1 Đường hầm LSP

LSR ngõ vào xác định các gói được gán cho một LSP riêng biệt trên chặng IBGP kế tiếp LSR ngõ vào nhận biết được tiền tố ở xa-LSR ngõ ra, và các bộ định tuyến trong cùng AS thay đổi thông tin định tuyến sử dụng IBGP, không dùng EBGP, nó chỉ sử dụng EBGP để thực hiện truyền thông với LSR ngõ vào của AS khác Đường hầm LSP cung cấp một cơ chế cho việc điều khiển các gói đi qua mạng MPLS Đường hầm được thiết lập và định tuyến một cách chính xác và có một tập các cơ chế QoS kèm theo Bản tin tuyến đường mang thông tin về con đường định tuyến chính xác sẽ được chuyển đi và được sử dụng trong một khoảng thời gian để xác định tài nguyên cần thiết cho con đường Bản tin đáp ứng được gửi lại để đáp ứng cho bản tin path Khi sử dụng RSVP, các tham số về QoS sẽ được thực hiện Đường hầm LSP là một chiều Router nguồn được xem như là đầu, và router đích được xem là đích của đường hầm: con đường đi độc lập với con đường

quay về của một luồng IP Vì thế, đường hầm LSP hỗ trợ rất tốt cho kỹ thuật lưu lượng của các luồng lưu lượng IP.

2.7.2 Phân phối các thông tin định tuyến ràng buộc

Sự phân phối các thông tin ràng buộc phải được thực hiện để có thể tìm một con đường xuyên qua mạng Nó sử dụng các phiên TCP giữa các LSR ngang cấp và gửi các bản tin phân phối nhãn dọc theo các phiên Và nó phân phối các bản tin điều khiển Đường hầm kỹ thuật lưu lượng LSP phải được định tuyến với việc nhận biết tải lưu lượng mà chúng phải mang Các thông tin ràng buộc phải được phân phối thông qua mạng MPLS một cách chắc chắn Cơ chế làm ngập tràn được dùng bởi các giao thức định tuyến link – state như OSPF và IS – IS có thể giúp cho việc tạo một sự ràng buộc về tài nguyên và bằng chuyển tiếp để chuyển các gói đi

Các giao thức định tuyến distance vector (DV) như RIP thì không phù hợp cho công việc quảng bá này bởi vì giới hạn nhận biết về cấu hình mạng của giao thức này hạn chế chỉ ở những láng giềng xung quanh Đường dẫn xác định dùng giao thức distance vector sẽ rất phức tạp, bởi vì bảng định tuyến distance vector không

đủ thông tin để tính toán một con đường khác bằng cách dùng kỹ thuật lưu lượng

2.7.3 Gán lưu lượng cho đường hầm

Các đặc tính định tuyến được tích hợp tự động gán lưu lượng cho các đường hầm bằng cách sử dụng thuật toán con đường đầu tiên ngắn nhất (SPF) Thuật toán SPF bắt đầu từ một nút, gọi là gốc, và sau đó xây dựng một cây con đường ngắn nhất tại nút đó Tại mỗi vòng lặp của thuật toán, có một danh sách tạm chứa các nút đang được lựa chọn (ban đầu, danh sách chỉ chứa nút gốc) Tổng quát, các con đường từ danh sách tạm đến nút gốc không nhất thiết là ngắn nhất Tuy nhiên trong các danh sách tạm này có tồn tại một nút mà từ nó đến nút gốc là ngắn nhất Vì vậy, tại mỗi vòng lặp của thuật toán lấy từ danh sách tạm nút mà có khoảng cách ngắn nhất đến nút gốc Nút này sau đó được cộng vào cây SPF và loại nó ra hỏi danh sách tạm này Khi một nút được thêm vào cây SPF, các nút không có trong cây đó nhưng là láng giềng của nút đang xét sẽ được xem xét tiếp là có thể được thêm vào

hay thay đổi danh sách tạm Thuật toán lặp lại lần nữa, nếu muốn tìm con đường ngắn nhất từ nút gốc đến các nút khác, thuật toán sẽ dừng khi danh sách tạm trở nên giống, nếu muốn tìm con đường ngắn nhất từ nút gốc đến một nút đặc biệt, thuật toán sẽ dừng khi nút này được thêm vào cây SPF Lưu lượng có thể gán cho đường hầm LSP dựa trên chặng tiếp theo BGP hoặc dùng các tham số lớp dịch vụ (CoS- Class of service).

2.7.4 Định tuyến lại

Các mạng sử dụng kỹ thuật lưu lượng phải đáp ứng sự thay đổi trong mạng và duy trì sự ổn định Bất kỳ liên kết hay nút nào hỏng sẽ không phá hỏng các dịch vụ mạng có ưu tiên cao, đặc biệt các lớp dịch vụ cao Định tuyến lại nhanh là một cơ chế chỉ làm hỏng các dịch vụ nhỏ nhất và định tuyến lại được tối ưu bằng một sự thay đổi mô hình mạng Việc định tuyến lại được hỗ trợ bởi hai giao thức CR-LDP

và RSVP

2.7.5 Định tuyến lại nhanh

Tái định tuyến nhanh MPLS cung cấp một cơ chế tự động định tuyến lại lưu lượng trên một LSP nếu một nút hay liên kết trên các LSP hỏng Tái định tuyến nhanh được hoàn thành bởi việc tính toán trước và thiết lập “con đường LSP bảo vệ” trước giữa router nguồn và router đích Mỗi liên kết hoặc nút trong mạng MPLS

có thể được bảo vệ nhờ LSP bảo vệ LSP này cung cấp một con đường thứ hai cho

dữ liệu đang được gửi qua con đường LSP chính sẽ truyền qua nếu nút hoặc liên kết trên LSP chính bị hỏng Theo lý thuyết, một bộ định tuyến có thể được tái định tuyến các gói ngay khi nhận được sự kiện Sẽ không có sự mất gói hoặc các dịch vụ ngừng hoạt động trong suốt quá trình chuyển sang con đường thứ hai đó

Trong MPLS, kỹ thuật ghép nối và xếp chồng được tận dụng để kích hoạt sự phục hồi của các đường hầm LSP Định tuyến lại nhanh cung cấp sự bảo vệ liên kết cho các LSP, nếu các LSP này hỏng thì sẽ được định tuyến lại thông qua các giao thức IGP hoặc RSVP

2.7.6 Định tuyến lại được tối ưu

Định tuyến lại nhanh có thể dẫn đến kết quả không tối ưu lắm trên các con đường sử dụng kỹ thuật lưu lượng Điểm chính ở đây là tự động đáp ứng lỗi cũng tốt như tạo mới hoặc phục hồi con đường LSP Hơn nữa, khi hỏng hóc bị phát hiện,

nó cần thông báo cho phía đầu (ngõ vào) đường hầm LSP Đầu đường hầm này có thể được tính toán để được con đường tối ưu hơn Lưu lượng có thể được chuyển đi trên đường hầm LSP mới

Một tính năng của lớp 2 được gọi là bridge and roll hoặc make before break Đây là khả năng thiết lập một VC mới trong khi vẫn tồn tại VC hiện hành Vấn đề ở đây là: giả sử các con đường mới hoặc con đường đang tồn tại cho một đường hầm yêu cầu tài nguyên từ các liên kết phổ biến Tuy nhiên, một hoặc nhiều liên kết không có khả năng để nhận con đường thứ hai Đầu tiên đường hầm phải bị hủy bỏ

và sau đó thiết lập lại con đường mới Nhưng nếu các liên kết có thể nhận ra con đường thứ hai này như con đường đang tồn tại, thì con đường này được chấp nhận Dùng RSVP trong kỹ thuật lưu lượng, con đường thứ hai cho đường hầm được hình dung như một nguồn khác bằng việc mang path ID như một sự nhận diện nguồn Khi một nguồn (điểm đầu của đường hầm) muốn định tuyến lại, nó gửi một bản tin path cho một đường hầm mới Bản tin này đánh cùng tên cho đường hầm, nhưng với một path ID mới Với các liên kết không phổ biến, thì bản tin path như một yêu cầu Còn các con đường phổ biến, thì không có tài nguyên nào được cấp phát Con đường cũ bị hủy bỏ, và con đường mới này được sử dụng Phương pháp thiết lập con đường chuyển mạch thứ hai (dự phòng) có những lợi ích sau - Việc tính toán con đường được giảm nhiều Chỉ có một con đường đơn được thêm vào giữa chuyển mạch nguồn và chuyển mạch đích của con đường được bảo vệ cần được tính toán Hơn nữa, việc tính toán cả hai con đường chính và con đường thứ hai có thể được định vị tại chuyển mạch đơn để tránh nhiều vấn đề có thể xảy ra khi việc tính toán đó được phân phối giữa các bộ chuyển mạch