Công nghệ mpls và ứng dụng trong mạng ủa vnpt

công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức Trang 6 Thuật ngữ và viết tắt Viết tắt Chú giải tiếng Anh Chú giải tiêng Việt AAL ATM Adaptation Layer Lớp thích ứng ATM AF ATM Forum Diễn đàn A

Mô hình kết nối hệ thống mở

Vào giữa những năm 70, ngành công nghiệp máy tính chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ và nhu cầu kết nối thông tin qua mạng gia tăng nhanh chóng Để đáp ứng yêu cầu trao đổi thông tin giữa các hệ thống máy tính, mô hình kết nối hệ thống mở OSI đã ra đời, tạo ra các tiêu chuẩn hóa cho các đấu nối khác nhau.

Mô hình OSI (Open System Interconnection) nhằm đảm bảo rằng các xử lý ứng dụng không làm ảnh hưởng đến trạng thái nguyên thủy của dịch vụ và cho phép các ứng dụng giao tiếp trực tiếp với các hệ thống máy tính khác trên cùng lớp, miễn là các hệ thống tuân thủ tiêu chuẩn của mô hình Với cấu trúc phân lớp gồm 7 lớp, mô hình OSI được chia thành hai vùng chính: lớp thấp cung cấp dịch vụ đầu cuối tới đầu cuối liên quan đến truyền số liệu, trong khi lớp cao cung cấp dịch vụ ứng dụng phục vụ cho việc truyền thông tin hướng tới người sử dụng.

Các lớp Chức năng Ví dụ ứ ng dụng

Lớp vật lý Giao tiếp cơ, điện tới phơng tiện truyền thông

Card giao tiÕp mạng Sử dụng bít

Lớp liên kết số liệu

Truyền dẫn, khung và điều khiển lỗi

PPP, HDLC, ATM, FR, MPLS

Sử dụng khung, gói, tế bào

Lớp mạng Truyền số liệu qua mạng Các giao thức:

IP,IPX Sử dụng tiêu đề

Lớp truyền tải Độ tin cậy và ghép các số liệu truyền qua mạng Các giao thức:

TCP, UDP Sử dụng các segments

Lớp phiên Quản lý các dịch vụ và điều khiển luồng số liệu Các giao thức:

SIP, RTCP Sử dụng các cuộc gọi thủ tục từ xa

Lớp trình diễn Thêm các cấu trúc vào đơn vị số liệu để trao đổi

Giao thức : Biến đổi, nén, giải nÐn

Sử dụng kỹ thuật thay đổi số liệu nén, và giải nén

Lớp ứng dụng Quản lý truyền thông giữa các ứng dụng

Sử dụng các bản tin

Bảng 1.1: Mô hình phân lớp OSI

Mô hình OSI có thể chia thành ba môi trờng điều hành:

Môi trường mạng bao gồm các giao thức, quy trình trao đổi thông tin và tiêu chuẩn liên quan đến các loại mạng truyền thông dữ liệu khác nhau.

Môi trường OSI cho phép tích hợp các giao thức ứng dụng và tiêu chuẩn, giúp các hệ thống kết cuối có thể trao đổi thông tin với nhau theo cách mở.

Môi trường hệ thống thực được xây dựng dựa trên mô hình OSI, liên quan đến các đặc tính dịch vụ và phần mềm của nhà sản xuất Mục tiêu của nó là thực hiện nhiệm vụ xử lý thông tin phân tán trong thực tế.

Các kỹ thuật chuyển mạch cơ bản nhìn từ khía cạnh dịch vụ

Khi xem xét các kỹ thuật chuyển mạch trong hệ thống viễn thông, chúng ta có thể phân loại dịch vụ thành hai loại chính: dịch vụ thoại và dịch vụ phi thoại, trong đó dịch vụ phi thoại chủ yếu là dịch vụ số liệu Số hoá và gói hoá thoại là hai khái niệm khác nhau; trong mạng chuyển mạch điện thoại công cộng PSTN hiện nay, tín hiệu thoại đã được số hoá và sử dụng kỹ thuật chuyển mạch kênh Dữ liệu thoại chỉ được coi là đã gói hoá khi được chuyển tải trên mạng chuyển mạch gói Việc chuyển đổi từ chuyển mạch kênh sang chuyển mạch gói trong mạng thoại là một thách thức lớn Chúng ta sẽ xem xét các vấn đề kỹ thuật cơ bản trong hệ thống chuyển mạch.

Kỹ thuật chuyển mạch kênh và kỹ thuật chuyển mạch gói

Mạng điện thoại công cộng (PSTN) được xây dựng trên nền tảng mạng chuyển mạch kênh, nhằm cung cấp các dịch vụ thoại truyền thống Ngược lại, các mạng dữ liệu như LAN và Internet sử dụng công nghệ chuyển mạch gói, rất phù hợp cho việc trao đổi dữ liệu Sự khác biệt giữa dịch vụ thoại và dịch vụ dữ liệu được thể hiện rõ trong Bảng 1.2, với đặc điểm dịch vụ thoại dựa trên chuyển mạch kênh và dịch vụ dữ liệu dựa trên chuyển mạch gói.

Băng thông Cố định và thấp (dới

Thay đổi (có thể lên tới Gb/s)

Nhạy cảm với lỗi Đàm thoại lại nếu có lỗi Không cho phép lỗi

Phát lại thông tin Không thể thực hiện đợc Thực hiện dễ dàng Độ trễ Thấp và ổn định Lớn hơn và có thể thay đổi

Kiểu kết nối Hớng kết nối Có thể là phi kết nối

Bảng 2.2: Một số so sánh dịch vụ thoại và dữ liệu

Các dịch vụ thoại trong mạng PSTN hiện nay sử dụng kỹ thuật điều chế PCM với băng thông 64kb/s, nhưng việc cung cấp băng thông lớn hơn không cải thiện chất lượng cuộc gọi Ngược lại, dịch vụ dữ liệu lại phụ thuộc nhiều vào băng thông, với một số ứng dụng yêu cầu tới 1Gb/s hoặc cao hơn, được gọi là bùng nổ băng thông Trong khi dịch vụ thoại cần băng thông không đổi, dịch vụ dữ liệu có thể thay đổi nhu cầu băng thông rất lớn Độ trễ là yếu tố quan trọng để đánh giá chất lượng mạng điện thoại, với các cuộc gọi thoại yêu cầu thời gian trễ thấp và ổn định Mặc dù nhiều mạng dữ liệu cũng cần độ trễ thấp, nhưng không yêu cầu sự ổn định như trong truyền tệp, nơi thứ tự gói tin không quan trọng Mạng PSTN được thiết kế để đảm bảo độ trễ thấp và ổn định thông qua định tuyến theo hướng kết nối, trong khi một số mạng dữ liệu có thể xây dựng theo mô hình phi kết nối khi yêu cầu về độ trễ không quá nghiêm ngặt.

Việc xây dựng mạng riêng biệt để cung cấp dịch vụ thoại và dữ liệu dễ dàng hơn so với mạng tích hợp Mô hình mạng tích hợp sử dụng cùng cơ sở hạ tầng cho dịch vụ thoại và dữ liệu, trong đó công nghệ ATM là một lựa chọn khả thi So với việc phát triển kiến trúc mới hoàn toàn, nâng cấp tổng đài PSTN để hỗ trợ chuyển mạch gói hoặc phát triển mạng dữ liệu cho dịch vụ thoại có vẻ hiệu quả hơn Tuy nhiên, giải pháp này gặp khó khăn do các hệ thống chuyển mạch truyền thống thường bị giới hạn bởi công nghệ áp dụng.

Công nghệ chuyển mạch LAN/WAN

Sự phát triển của xử lý phân tán

Các thế hệ máy tính đầu tiên không chỉ lớn về kích thước mà còn hạn chế về khả năng xử lý Ngày nay, máy tính có năng lực xử lý vượt trội, từ máy tính lớn đến máy tính cá nhân Máy tính lớn sử dụng bộ vi xử lý tập trung và xử lý ứng dụng theo nguyên tắc chia sẻ tài nguyên, với thiết bị đầu cuối đơn giản và tiết kiệm chi phí cho người sử dụng Tuy nhiên, thiết bị đầu cuối lại phụ thuộc nhiều vào máy tính lớn trong hệ thống Khi máy tính cá nhân trở nên phổ biến với chi phí thấp, người dùng mong muốn kết nối giữa các máy tính, từ đó thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp mạng LAN/WAN và xử lý phân tán.

Các thiết bị mạng LAN

Cấu hình mạng là cách bố trí logic của mạng, không nhất thiết phản ánh các kết nối vật lý thực tế Trong mạng LAN, có ba cấu hình chính: hình sao, bus và mạch vòng (đơn, kép), mỗi loại có ưu nhược điểm riêng Các thành phần cơ bản để chuyển tiếp gói tin trong mạng LAN bao gồm bộ lặp, cầu, bộ định tuyến và các thiết bị phụ trợ như Card giao tiếp mạng (NIC), khối truy cập phương tiện (MAU) và bộ tập trung Bộ lặp là thiết bị lớp 1 trong mô hình OSI, không biên dịch dữ liệu và không kiểm tra địa chỉ trong tiêu đề giao thức, chỉ tiếp nhận và tái sinh tín hiệu Cầu nối, thuộc lớp 2, kết nối hai phân đoạn mạng nhưng không kiểm tra địa chỉ lớp 3, do đó không được sử dụng trong mạng WAN Bộ định tuyến, thiết bị lớp 3, kết nối nhiều mạng với nhau.

3 Các bộ định tuyến hỗ trợ rất nhiều giao thức liên quan tới các công nghệ mạng khác nhau, chúng hoàn toàn tơng thích với môi trờng mạng WAN.

Ethernet

Ethernet, được phát triển bởi Xerox và DEC, là giải pháp kết nối các đầu cuối với các chuẩn hiện nay như IEEE 802.2 và IEEE 802.3 CSMA/CD Hoạt động ở lớp liên kết dữ liệu, Ethernet không hoàn toàn tương thích với các yêu cầu trong mạng LAN theo mô hình OSI Do đó, các giao thức mạng LAN đã chia lớp liên kết dữ liệu thành hai lớp con: Điều khiển liên kết logic (LLC) và điều khiển truy cập phương tiện (MAC).

Lớp MAC, lớp gần nhất với lớp vật lý, có nhiệm vụ ghép dữ liệu thành khung Ethernet từ lớp trên (LLC) và truyền tải dữ liệu qua đường truyền vật lý Khi một nút nhận dữ liệu, lớp MAC sẽ đọc địa chỉ từ tiêu đề giao thức để xác định xem dữ liệu có thuộc về nó hay không Nếu đúng, lớp MAC sẽ loại bỏ tiêu đề và chuyển gói dữ liệu tới lớp LLC tiếp theo.

MAC thực hiện phát hiện và sửa lỗi mức 2 thông qua việc thêm tiêu đề thứ tự vào khung truyền (FCS), đồng thời sử dụng thuật toán kiểm tra dữ liệu nhận từ LLC để phát hiện lỗi qua giá trị tính toán Phương thức yêu cầu truyền lại khác nhau tùy theo từng giao thức Một khung có thể bị loại bỏ nếu chiều dài vượt quá tiêu chuẩn cho phép Địa chỉ trong lớp MAC bao gồm hai loại: địa chỉ máy nguồn và địa chỉ máy đích gửi khung ethernet, mỗi địa chỉ gồm 6 byte và được mã hóa trong NIC, độc lập với các giao thức địa chỉ lớp cao hơn như TCP/IP.

Chuẩn IEEE 802.3 cung cấp ba loại dịch vụ: dịch vụ phi kết nối không phản hồi, dịch vụ kết nối có hướng, và dịch vụ phi kết nối phản hồi Khác với chuẩn Ethernet 2.0, chỉ cung cấp dịch vụ phi kết nối không phản hồi và kết hợp LLC và MAC thành một lớp đơn, IEEE 802.3 mang lại độ tin cậy cao hơn với nhiều tùy chọn dịch vụ hơn.

LLC sử dụng dịch vụ kết nối không phản hồi để truyền tải thông tin nhận dạng giữa các nút thông qua bản tin cơ sở, trong đó thông tin được truyền trong khung dữ liệu mà không có đánh số thứ tự Ngoài ra, cơ chế kiểm tra vòng (loopback) cũng được xem là một phần của dịch vụ kết nối không phản hồi.

Dịch vụ kết nối thiết lập một phiên liên lạc logic giữa các nút mà không cần kết nối vật lý Khi nút đích nhận dữ liệu, phía phát tin sẽ nhận phản hồi để xác nhận thành công của phiên Số thứ tự được sử dụng để ngăn ngừa lỗi trong quá trình truyền dữ liệu và yêu cầu phát lại khi cần thiết Cơ chế điều khiển luồng giúp dừng dữ liệu khi máy thu không sẵn sàng hoặc khi kích thước khung vượt quá tiêu chuẩn, đồng thời cho phép cắt kết nối qua khung không đánh số để giải phóng kết nối logic.

Dịch vụ phi kết nối phản hồi cho phép máy thu nhận thông tin từ máy gửi theo từng khung truyền Nếu không nhận được phản hồi, máy gửi sẽ coi gói tin bị mất và tiến hành truyền lại, điều này có thể làm tăng lưu lượng trên mạng Tuy nhiên, đối với một số dịch vụ như Email, phương thức này vẫn tỏ ra khá hiệu quả.

Token Ring

Token Ring, được IBM đề xuất lần đầu vào năm 1969, hỗ trợ tốc độ truyền 16 Mb/s (chuẩn IEEE 802.5) trong khi Ethernet chỉ đạt 10 Mb/s Sự khác biệt chính giữa Token Ring và Ethernet nằm ở cấu hình, với Token Ring sử dụng cấu hình vòng và Ethernet sử dụng cấu hình bus Để tránh xung đột dữ liệu, Token Ring sử dụng khung nhỏ gọi là token; một nút chỉ có thể truyền dữ liệu khi nắm giữ token và sau đó giải phóng token cho các nút khác Tuy nhiên, điều này dẫn đến trễ trong mạng Token Ring vì khung dữ liệu phải đi qua tất cả các nút Token Ring cũng bao gồm hai lớp con: MAC và LLC, và có sự khác biệt rõ ràng giữa các lớp này so với Ethernet do các giao thức mạng LAN phụ thuộc vào cấu hình Một số cơ chế ưu tiên được áp dụng để xác định nút nhận token, và nếu có lỗi trong quá trình truyền, nút đích sẽ không sao chép khung dữ liệu và yêu cầu truyền lại Các bộ định thời được sử dụng để ngăn chặn tình trạng một nút chiếm giữ token liên tục, trong khi việc điều khiển Token Ring thường thông qua một trạm giám sát, hoạt động tự động và đồng thuận giữa các nút trong vòng.

FDDI

FDDI, được phát triển bởi IEEE và công nhận là một chuẩn của ANSI qua ủy ban X3T9.5 từ năm 1992, tương tự như token ring vì sử dụng token để xác định mạng rỗi và ngăn chặn tranh chấp Tuy nhiên, FDDI khác ở cách xử lý token, sử dụng token định thời cho phép nút chiếm kênh truyền trong khoảng thời gian nhất định trước khi chuyển quyền điều khiển cho nút khác Hệ thống mạng của FDDI sử dụng cấu hình vòng kép, cho phép dữ liệu truyền theo hai hướng; nếu một liên kết vòng bị gãy, dữ liệu sẽ tự động chuyển theo đường ngược lại, tạo thành một mạch vòng đơn.

Trong FDDI, token được giải phóng ngay sau khi dữ liệu được truyền, cho phép nhiều nút truyền đồng thời trên mạng nếu nhận được token FDDI áp dụng quản lý mạch vòng phân tán, trong đó mỗi nút liên lạc với nút kế bên và liên tục trao đổi thông tin trạng thái Điều này cho phép bất kỳ nút nào có thể khởi tạo lại vòng, cách ly lỗi và phục hồi các sự cố trong mạch vòng.

Chuẩn FDDI tương ứng với lớp 1 trong mô hình OSI, với lớp PMD (Physical Media Dependent) là lớp thấp nhất, xác định thiết bị phần cứng và giao tiếp phần mềm cho việc truyền dữ liệu qua cáp quang Lớp vật lý (PHY) nằm trên PMD, cung cấp các phương pháp mã hóa và giải mã dữ liệu trước khi truyền, đồng thời chịu trách nhiệm về việc truyền và nhận dữ liệu, điều chỉnh tốc độ và đồng bộ hóa Lớp MAC xác định loại khung gửi, định nghĩa khuôn dạng và kích thước khung Khi mạng không hoạt động, các bản tin quản lý được truyền để duy trì tính toàn vẹn của mạng, bao gồm thông tin trạng thái giữa các nút và cách ly lỗi FDDI là lựa chọn lý tưởng cho mạng đa dịch vụ băng rộng, tạo ra đường trục chất lượng cao cho các mạng lớn và hình thành mạng diện rộng dựa trên công nghệ cáp quang.

KÕt nèi LAN qua WAN

Mạng LAN hoạt động trong phạm vi nhỏ, trong khi mạng WAN mở rộng ra diện rộng Việc phân định rõ ràng giữa LAN và WAN, đặc biệt về mặt địa lý, là một thách thức Khi một mạng kết nối với mạng LAN khác và sử dụng giao thức dựa trên địa chỉ mạng thay vì địa chỉ máy, nó có thể được xem là mạng WAN Mạng WAN kết nối các mạng LAN thông qua các bộ định tuyến lớp 3, mà không dựa vào địa chỉ máy trong tiêu đề giao thức LAN, mà chỉ dựa vào địa chỉ mạng.

Giao thức X.25 và X.75 là những giao thức đầu tiên cho phép truyền gói tin trên mạng kết nối định hướng Tuy nhiên, công nghệ Frame Relay (FR) đã được phát triển để thay thế, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội về hiệu quả sử dụng thông tin điều khiển Là một giao thức lớp 2, FR đóng gói dữ liệu cùng với tiêu đề giao thức của các mạng khác thành một khung và gửi đến đích trong mạng.

FR không cung cấp phương pháp phát hiện và sửa lỗi trên lớp 3; thay vào đó, mạng FR sử dụng một kỹ thuật điều khiển luồng đơn giản nhằm ngăn ngừa tắc nghẽn thông qua các thủ tục cơ bản.

Sự gia tăng nhanh chóng của lưu lượng internet trong những năm gần đây đã tạo ra áp lực lớn lên hạ tầng mạng, đặc biệt là các bộ định tuyến Các nhà cung

Bộ định tuyến IP là thiết bị lớp 3 trong mô hình OSI, đảm nhiệm hai chức năng chính: định tuyến và chuyển tiếp gói tin Quá trình định tuyến thu thập thông tin về cấu trúc mạng và tạo bảng định tuyến, từ đó thực hiện chuyển tiếp các gói tin từ cổng đầu vào đến cổng đầu ra Một bộ định tuyến điển hình bao gồm bốn khối chức năng cơ bản: phần mềm định tuyến, khối xử lý gói, ma trận chuyển mạch và card đường truyền.

Thế hệ thứ nhất của bộ định tuyến tơng đối đơn giản nếu chúng ta nhìn nhận từ phơng diện cấu trúc (xem trên hình 1.1)

Hình 1.1: Kiến trúc bộ định tuyến thế hệ đầu tiên

Hiệu năng của bộ định tuyến thế hệ đầu tiên chủ yếu phụ thuộc vào tốc độ bus và khả năng xử lý của bộ xử lý trung tâm Kiến trúc này không đáp ứng được nhu cầu lưu lượng ngày càng tăng của các giao diện mạng với tốc độ lên tới nhiều gigabit.

Bộ định tuyến thế hệ thứ hai, như được mô tả trong hình 1.2, được trang bị các bộ xử lý ASIC và bộ nhớ trong card đường truyền nhằm tối ưu hóa hoạt động chuyển gói Những cải tiến này giúp giảm tải lưu lượng trên bus dùng chung, cho phép thực hiện tìm kiếm thông tin trong tiêu đề gói tin và lưu đệm gói tin cho đến khi bus sẵn sàng, từ đó nâng cao hiệu suất xử lý gói tin ngay tại các giao diện.

Hình 1.2: Kiến trúc bộ định tuyến thế hệ thứ hai

Trong kiến trúc mạng, bộ định tuyến đóng vai trò quan trọng khi giữ một bảng định tuyến trung tâm, trong khi các bộ xử lý vệ tinh hoạt động tại các giao diện mạng Khi một tuyến nối không có sẵn trong bảng lưu đệm, giao diện sẽ yêu cầu thông tin từ bảng biên dịch tại trung tâm Tuy nhiên, điều này có thể dẫn đến tắc nghẽn ở các bộ xử lý trung tâm do quá nhiều yêu cầu cần xử lý, đặc biệt là khi thời gian xử lý trở nên chậm hơn nếu dữ liệu đã được cache tại card đường dây.

Một hạn chế chính của kiến trúc bộ định tuyến là sự phụ thuộc lớn vào khả năng xử lý của CPU và năng lực của BUS Tuy nhiên, hiệu năng hệ thống có thể được cải thiện bằng cách tăng cường tính năng cho các giao diện và sử dụng bộ nhớ lớn hơn với các bảng định tuyến có kích thước tăng lên Một giải pháp để giảm tốc độ truyền là sử dụng các khối chuyển gói song song, giúp tận dụng băng thông của BUS chung Bộ định tuyến thế hệ 2 nhanh chóng bộc lộ điểm yếu do không đáp ứng yêu cầu thông lượng của mạng lõi và khó thiết kế ở tốc độ cao Để khắc phục tắc nghẽn, bộ định tuyến thế hệ 3 được thiết kế thay thế BUS chung bằng trường chuyển mạch, nhằm giải quyết ba vấn đề chính: năng lực xử lý, kích thước bộ nhớ và băng thông Kiến trúc mới dựa trên ma trận chuyển mạch với các giao diện hợp lý giúp cải thiện hiệu năng Một bước tiến quan trọng là tăng cường xử lý cho từng giao diện mạng, giảm khối lượng xử lý và tài nguyên bộ nhớ Các bộ xử lý đa năng và mạch tích hợp đặc biệt có thể giải quyết vấn đề này, nhưng khả năng xử lý tổng thể còn phụ thuộc vào việc tìm và chọn tuyến cũng như kiến trúc được lựa chọn Cuối cùng, chúng ta sẽ xem xét sơ đồ chức năng của bộ định tuyến thế hệ 3 từ góc độ tổng quan.

Giao diện ma trận chuyển mạch

Giao tiếp đa phơng tiện

Phân hệ xử lý khu vực

Xử lý đầu vào Xử lý ®Çu ra

Bộ định tuyến thế hệ 3 đã trải qua sự thay đổi đáng kể trong kiến trúc và thuật toán xử lý, bao gồm các thuật toán tìm kiếm địa chỉ theo tiền tố dài nhất, các kiểu hàng đợi, bài toán lập lịch và phương pháp tích hợp bộ định tuyến Tuy nhiên, các vấn đề này vượt quá phạm vi của cuốn đồ án này.

1.5 Mạng thế hệ kế tiếp và các giao thức ứng dụng

NGN, hay Mạng thế hệ tiếp theo, đang trở thành một thuật ngữ phổ biến trong ngành viễn thông, thường được dùng để chỉ sự chuyển mình trong cơ sở hạ tầng cung cấp dịch vụ Thuật ngữ này phản ánh sự thay đổi quan trọng trong lĩnh vực viễn thông và công nghệ thông tin (IT) Mặc dù có thể bị hiểu nhầm, NGN không chỉ đơn thuần là sự phát triển của các mạng PSTN, ISDN hay GSM thế hệ thứ hai.

Một trong những đặc điểm nổi bật của Mạng thế hệ mới (NGN) là khả năng tách biệt các dịch vụ khỏi mạng lưới, cho phép phát triển và triển khai chúng một cách độc lập Trong cấu trúc của NGN, có sự phân chia rõ ràng giữa chức năng dịch vụ và chức năng truyền tải Giao diện mở giữa hai phía của NGN hỗ trợ cung cấp cả dịch vụ hiện có lẫn dịch vụ mới mà không bị ràng buộc bởi mạng lưới hay kiểu truy cập sử dụng.

Mạng thế hệ kế tiếp và các giao thức ứng dụng

Động lực phát triển

Động lực hình thành và phát triển mạng thế hệ sau NGN xuất phát từ sự gia tăng đột biến các dịch vụ, cùng với những tiến bộ trong khoa học công nghệ điện tử - tin học Dự báo cho thấy dịch vụ phi thoại, đặc biệt là các dịch vụ trên nền giao thức IP, sẽ chiếm ưu thế trong những thập niên tới Những thành tựu trong lĩnh vực điện tử tin học như mã hóa tốc độ thấp, tích hợp máy tính truyền thông CTI và kỹ thuật xử lý phân tán đã mang đến tính năng và phương pháp mới cho công nghệ mạng Công nghệ mạng được phân chia thành ba lĩnh vực chính: công nghệ truyền dẫn, công nghệ chuyển mạch và công nghệ truy cập.

Trong lĩnh vực công nghệ truyền dẫn, kỹ thuật quang đã phát triển mạnh mẽ, hiện chiếm trên 60% lưu lượng thông tin toàn cầu Công nghệ truyền dẫn quang SDH cho phép tạo ra các đường truyền tốc độ cao (Gb/s) với khả năng bảo vệ mạch vòng, được áp dụng tại nhiều quốc gia, bao gồm cả Việt Nam Kỹ thuật ghép bước sóng quang WDM tận dụng băng thông lớn của sợi quang bằng cách kết hợp nhiều tín hiệu ghép kênh, nâng tốc độ truyền dẫn lên đến 20Gb/s Bên cạnh đó, công nghệ truyền dẫn vô tuyến cũng đang phát triển mạnh mẽ, kết hợp với SDH trong lĩnh vực Viba và CDMA trong thông tin di động, vệ tinh.

Công nghệ mạng truy nhập đã có những bước tiến đáng kể trong những năm gần đây, nhờ vào nhu cầu ngày càng tăng từ khách hàng đối với các dịch vụ tiên tiến Sự chuyển mình này đã dẫn đến việc hình thành các công nghệ mạng mới như mạng truy nhập quang, mạng truy nhập vô tuyến và truy nhập cáp đồng tốc độ cao Xu hướng hiện nay là phát triển truy nhập băng rộng và tích hợp các dịch vụ băng hẹp vào cùng một đường truy nhập, mặc dù trong quá trình này, các dịch vụ có thể được truy cập một cách riêng biệt.

Cấu trúc cơ bản của mạng NGN

Hoạt động chuẩn hoá công nghệ NGN tập trung vào các công nghệ truy cập hiện tại, đồng thời đưa ra nguyên tắc liên kết mạng nhằm đảm bảo tính tương đồng

Các vấn đề về giao thức và cấu trúc chung cần được nghiên cứu để xác định cơ chế liên kết hoạt động mạng giữa các mạng truy nhập dựa trên cấu trúc mạng NGN khác nhau, đặc biệt khi các đầu cuối thực hiện cuộc gọi giữa các kiểu mạng truy nhập khác nhau Cấu trúc NGN hỗ trợ cung cấp cả dịch vụ mới và dịch vụ hiện có, không phụ thuộc vào kiến trúc mạng hay kiểu truy nhập Một mô hình cấu trúc cơ bản bao gồm các phần tử chính như Gateway Media, cung cấp Media từ mạng truy nhập tới mạng gói NGN, hoàn thành các giao thức điều khiển mang và chứa các thiết bị thao tác media như bộ dịch mã hoá, bộ khử tiếng vọng, và bộ gửi tone Ngoài ra, Call server đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp các chức năng điều khiển cuộc gọi, quá trình báo hiệu và quản lý Media gateway.

Server ứng dụng trong mạng NGN phát triển trên nền tảng Web, cung cấp giao diện chuẩn và API mở để điều khiển dịch vụ Nó đóng vai trò như một nền tảng IT, mở rộng các chức năng của hệ thống IN SCF để hỗ trợ các mô hình hoạt động mạng mới Môi trường kiến tạo ứng dụng giúp xây dựng chu trình sống của dịch vụ, bao gồm phân tích yêu cầu, thiết kế, kiểm tra khả thi, triển khai, cung cấp hoạt động và xoá bỏ ứng dụng.

Hình 1.4 Cấu trúc cơ bản của mạng NGN

Cấu trúc này mang đến các ứng dụng nâng cao với tính năng tương tác Media và chức năng nhắn tin Media server cung cấp khả năng tương tác giữa các bên gọi và ứng dụng qua thiết bị thoại, cho phép trả lời cuộc gọi, thông báo, và đọc thư điện tử thông qua tổng hợp giọng nói Nó cũng hỗ trợ đầu ra cho các ứng dụng từ lệnh DTMF hoặc lệnh bằng giọng nói nhờ vào công nghệ nhận diện giọng nói Đồng thời, Messaging server đảm nhận việc lưu trữ, điều khiển các bản tin đến và đi, cũng như truyền tải thông tin giữa các Messaging server khác nhau.

Giao thức trong mạng NGN

Các giao thức chính trong mạng NGN được xác định qua các mặt phẳng khác nhau Giao thức giữa mặt phẳng dịch vụ/ứng dụng và mặt phẳng báo hiệu/điều khiển bao gồm các API mở như IN/INAP, SIP, Camel, Jain, và Parlay Giao thức giữa mặt phẳng báo hiệu/điều khiển và mặt phẳng truyền tải sử dụng các giao thức như Megaco, SIP-T, MGCP, RANAP, MAP, và ISUP Ngoài ra, trong từng mặt phẳng cũng tồn tại các giao thức giữa các phần tử, ví dụ như giữa SCP với giao thức INAP trong mặt phẳng dịch vụ/ứng dụng và giữa các CallAgent với giao thức BICC, SIP-T.

Môi trờng kiến tạo ứng dụng

Hình 1.5 : Mô hình giao thức mạng NGN a.BICC

Là giao thức đợc SG11 của ITU T phát hành dựa trên cơ sở ISUP trong SS7 với - đặc điểm là rất dễ dàng liên kết hoạt động với ISUP

BICC là giao thức đợc định nghĩa cho việc áp dụng trên việc truyền dẫn gói

CS1 được áp dụng cho truyền dẫn ATM với AAL1 và AAL2, trong khi CS2 hỗ trợ cả truyền dẫn IP và ATM CS3 cải thiện khả năng liên kết hoạt động với các giao thức khác, bao gồm SIP, hiện đang trong quá trình phát triển.

MiÒn truyÒn dÉnIP: ®êng trụcIP, các bộ định tuyến các cơ chế QOS BG(RSVP,MPLS…)

Liên kết hoạt động miÒn:

SG, liên kết hoạt động GW

Miền truy nhập không phải IP

Truy nhËp h÷u tuyÕn(AG, Proxy truy nhËp)

Truy nhập di động (RAN,AG)

Mạng VoIP §Çu cuèi không IP Điện thoại IP(H323,SIP,MGC P )§Çu cuèi IP

Cung cÊp dịch vụ và thuê bao, quản lý mạng, hỗ trợ hoạt động và tÝnh cíc

Mặt phẳng dịch vụ/ứng dụng

Mặt phẳng báo hiệu và điều khiển

Các API mở(IN,INAP,Paralay,Jain,CAMEL,SIP)

Báohiệu(MEGACO,MGCP,RANAP,ISUP, MAP)

SS7,TDM/ATM BICC,SIP-T

BICC cung cấp giải pháp cho các dịch vụ mạng băng hẹp như PSTN và ISDN thông qua mạng nền tảng gói, đảm bảo không làm ảnh hưởng đến các giao diện mạng hiện có và các dịch vụ mạng cuối.

Giao thức BICC cho phép mạng không cần nhận biết dữ liệu truyền dẫn thực tế, xác định thông tin kết nối và tải cho từng trường hợp cuộc gọi Chức năng điều khiển mang của BICC phụ thuộc vào công nghệ mang được sử dụng ở lớp dưới, như Megaco.

Giao thức Megaco/H248 là chuẩn quốc tế dựa trên mô hình chủ/tớ, được phát triển bởi ITU và IETF để điều khiển gateway trong mạng phân tán Mặc dù đơn giản, Megaco/H248 rất hiệu quả và linh hoạt trong việc mở rộng, cho phép phân chia các chức năng gateway dưới lớp điều khiển cuộc gọi như SIP và H.323 Giao thức này hỗ trợ phát triển đa dạng các dịch vụ với yêu cầu chất lượng và giá cả khác nhau, đồng thời tương thích với các mạng hiện có.

SIP (Session Initiation Protocol) là giao thức điều khiển cuộc gọi ngang hàng, được phát triển như một chuẩn mở của IETF và cạnh tranh với H.323 Khác với H.323, SIP dựa trên nền tảng Web (HTTP) với thiết kế mô-đun, đơn giản và dễ mở rộng cho các ứng dụng thoại Nó định vị người dùng thông qua địa chỉ tương tự như email, cho phép thương lượng các tham số phiên giữa hai bên, và mang lại lợi ích cho người dùng bằng cách xác định kiểu bên bị gọi muốn tiến hành truyền thông.

SIP đang có sự tăng trưởng nhanh chóng trong toàn hệ thống, cho thấy tính linh hoạt của nó trong việc tương tác với các chuẩn khác nhau và các gateway phân tán Giao thức SIP là lựa chọn lý tưởng cho việc thiết lập giao diện ngang, đặc biệt với sự hỗ trợ của SIP-T.

Giao thức SIP được sử dụng để liên kết hoạt động báo hiệu qua mạng gói với PSTN, trong đó SIP-T là một ứng dụng của SIP nhằm đáp ứng các yêu cầu kết nối PSTN-IP SIP-T có khả năng hỗ trợ thông tin ISUP, định tuyến các bản tin SIP dựa trên bản tin ISUP, và truyền dẫn các bản tin báo hiệu ISUP trung gian.

SIP đảm bảo các chức năng quan trọng như chứa đựng ISUP trong bản tin SIP, khả năng chuyển đổi thông tin từ ISUP sang SIP, và sử dụng phương pháp INFO cho các chức năng SIP T báo hiệu các cuộc gọi trung gian.

H.323 là chuẩn mở do ITU T phát triển cho việc điều khiển cuộc gọi ngang hàng, dựa trên H.320 và ISDN Q.93 Chuẩn này có cấu trúc chặt chẽ và phức tạp, phù hợp với các đặc tính thoại truyền thống H.323 cũng tương thích với các gateway đơn lẻ và giao diện ngang hàng tới các gateway tách rời thông qua Megaco/H248 Hiện nay, H.323 được sử dụng phổ biến để liên kết hoạt động giữa các lớp hệ thống, đặc biệt trong môi trường thương mại, với nhiều điện thoại và máy PC cài phần mềm thoại H.323 đang được áp dụng.

MGCP (Giao thức điều khiển gateway media) đã khởi đầu như một đề nghị cho giao thức Megaco/H.248 và dựa trên kiểu chủ/tớ Mặc dù MGCP đã được phát triển và triển khai trong một số mạng, nhưng nó không đáp ứng đầy đủ xu hướng công nghiệp hiện tại và không thực sự là một chuẩn mở MGCP có những hạn chế trong việc hỗ trợ các mạng PSTN, kém linh hoạt và khó mở rộng hơn so với Megaco/H.248, do đó ít được sử dụng hơn Các giao thức như ISUP và INAP, phát triển bởi ITU-T, rất phổ biến trong việc điều khiển cuộc gọi giữa các tổng đài số ISUP là giao thức báo hiệu số 7, cung cấp chức năng báo hiệu cho các dịch vụ cơ bản và dịch vụ bổ sung trong các ứng dụng thoại và phi thoại của mạng số đa dịch vụ.

ISUP sử dụng dịch vụ từ phần chuyển giao tin báo MTP và đôi khi từ phần điều khiển đấu nối báo hiệu SCCP Nó hỗ trợ ISDN, cho phép trao đổi báo hiệu kênh, cung cấp các lớp dịch vụ, và kết nối giữa ISDN với các mạng không phải ISDN.

Giao thức INAP bao gồm ba phần chức năng chính: xác định nguyên tắc giữa SACF và MACF, thiết lập các quy trình hoạt động truyền dẫn giữa các thực thể, và xác định các hoạt động diễn ra tại mỗi thực thể.

Một số đánh giá về giải pháp phát triển NGN

Các hãng cung cấp thiết bị mạng giới thiệu nhiều mô hình cấu trúc NGN đa dạng, kèm theo các giải pháp mạng tiên tiến Tài liệu kỹ thuật cho thấy các hãng đã phát triển mô hình cấu trúc rõ ràng và các giải pháp phát triển mạng NGN cụ thể, như Siemens với Superpass và Alcatel với các sản phẩm tương tự.

Trong đó phần lớn các mô hình cấu trúc tơng ứng với mô hình của diễn đàn chuyển mạch đa dịch vụ MSF đa ra nh sau:

Hệ thống chuyển mạch NGN được phân chia thành bốn lớp tách biệt: lớp ứng dụng/dịch vụ, lớp điều khiển, lớp chuyển tải dịch vụ và lớp truy nhập Mô hình phân lớp này tạo ra sự khác biệt so với hệ thống chuyển mạch kênh hiện tại Đặc biệt, lớp quản lý hoạt động xuyên suốt các lớp truy nhập, truyền tải và điều khiển, đảm bảo tính linh hoạt và hiệu quả trong việc cung cấp dịch vụ.

Hình 1.6: Mô hình phân lớp hệ thống chuyển mạch NGN

Lớp ứng dụng và dịch vụ

Lớp ứng dụng và dịch vụ cung cấp các ứng dụng mạng thông minh IN, dịch vụ trả tiền trước và giá trị gia tăng Internet cho khách hàng thông qua lớp điều khiển Một số dịch vụ tự chủ điều khiển logic của mình, trong khi các dịch vụ khác được điều khiển thông qua liên kết với lớp điều khiển qua các giao diện mở Nhờ vào giao diện mở này, mạng có khả năng phát triển ứng dụng và triển khai dịch vụ nhanh chóng.

Lớp điều khiển chịu trách nhiệm kết nối cuộc gọi giữa các thuê bao thông qua việc quản lý thiết bị chuyển mạch và thiết bị truy nhập Các chức năng chính của lớp này bao gồm định tuyến và định tuyến lại lưu lượng giữa các khối chuyển mạch, thiết lập yêu cầu kết nối, điều chỉnh các luồng dữ liệu, và kiểm soát việc sắp xếp nhãn giữa các giao diện cổng.

Lớp ứng dụng dịch vụ

Líp chuyÓn tải Líp truy nhËp

Chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh đảm bảo phân bổ lưu lượng và các chỉ tiêu chất lượng cho mỗi kết nối hoặc luồng, đồng thời thực hiện quản lý giám sát để duy trì các tiêu chuẩn chất lượng Lớp điều khiển quản lý các chức năng của lớp ứng dụng, thu nhận và chuyển thông tin báo hiệu từ cổng đến các thành phần khác trong mạng điều khiển Ngoài ra, nó còn điều phối kết nối và các thông số của lớp ứng dụng với hệ thống chuyển mạch đầu xa, quản lý và bảo dưỡng hoạt động của các tuyến kết nối trong phạm vi điều khiển Cuối cùng, lớp điều khiển cũng tích hợp các chức năng hỗ trợ nhắn tin cước và chăm sóc khách hàng.

Bao gồm các nút chuyển mạch ATM+IP và hệ thống truyền dẫn, chức năng chính là chuyển mạch và định tuyến cuộc gọi giữa các thuê bao ở lớp truy cập Tất cả hoạt động này được điều khiển bởi thiết bị điều khiển cuộc gọi thuộc lớp điều khiển.

Các thiết bị truy nhập cung cấp cổng kết nối cho thiết bị đầu cuối thuê bao thông qua mạng ngoại vi, bao gồm cáp đồng, cáp quang và công nghệ vô tuyến Chúng hỗ trợ nhiều loại cổng truy nhập cho các thuê bao như POTS, VOIP, IP, FR, X.25, ATM, xDSL và di động.

Trong cấu trúc mạng mới được đề xuất, các chức năng truyền tải, bao gồm chuyển mạch và truyền dẫn, tạo thành lớp lõi Theo mô hình này, thiết bị truyền dẫn và chuyển mạch chỉ được coi là công cụ thực hiện chức năng truyền tải lưu lượng.

Cấu trúc mạng đa phương tiện và đa dịch vụ yêu cầu các thủ tục kết nối được thực hiện một cách liên tục từ đầu cuối này đến đầu cuối khác Điều này chịu ảnh hưởng mạnh mẽ từ các hoạt động điều hành trong lớp điều khiển và lớp quản lý.

Tổng kết chơng

Tiêu đề IPv4

Tiêu đề IP được thêm vào sau khi nhận thông tin từ lớp chuyển vận hoặc lớp ứng dụng, sau đó được chuyển xuống tầng liên kết dữ liệu để truyền tải qua phương tiện cụ thể Cấu trúc tiêu đề IPv4 được mô tả chi tiết trong hình 2.2.

Version IHL TOS Total length

Source IP address Destination IP address

Các trờng chức năng của tiêu đề gói tin IP gồm có:

Phiên bản giao thức hiện hành là IPv4, được sử dụng để đảm bảo sự đồng nhất trong định dạng datagram giữa máy gửi, máy nhận và các bộ định tuyến.

IHL (Identified Header Length) refers to the field that specifies the length of the header in a packet, which typically measures 20 octets.

Trường kiểu phục vụ (TOS) là một thành phần quan trọng trong mạng máy tính, bao gồm 8 bit chia thành 2 phần: trường ưu tiên và kiểu phục vụ Trường ưu tiên, với 3 bit, gán mức ưu tiên cho các gói tin, cho phép kiểm soát chúng qua mạng Các bit còn lại xác định kiểu lưu lượng gói tin, liên quan đến các đặc tính như trễ, độ thông qua và độ tin cậy Vào cuối những năm 1990, IETF đã tái định nghĩa ý nghĩa của các bit trong TOS để phản ánh một loạt dịch vụ khác nhau, với 6 bit đầu tiên thiết lập 64 điểm mã (codepoint) cho các dịch vụ cơ sở Tuy nhiên, việc sử dụng trường TOS phụ thuộc vào kiến trúc mạng, vì Internet không đảm bảo chất lượng phục vụ (QoS), do đó nó chỉ là tiêu chí yêu cầu chứ không phải là yêu cầu bắt buộc cho các bộ định tuyến Việc áp dụng trường TOS để cải thiện chất lượng dịch vụ sẽ được thảo luận trong các phần tiếp theo của luận văn.

Chiều dài tổng gói tin (TL) được hiển thị dưới dạng 16 bit, giúp xác định chiều dài toàn bộ gói IP Gói IP có chiều dài tối đa cho phép là 65535 octets.

Trường nhận dạng dài 16 bit được máy chủ sử dụng để phát hiện và nhóm các đoạn bị chia nhỏ của gói tin Các bộ định tuyến chia nhỏ gói tin khi kích thước gói tin lớn hơn MTU (Maximum Transmission Unit) của môi trường truyền MTU được định nghĩa là kích cỡ gói IP lớn nhất có thể được mang trong một khung liên kết dữ liệu Việc hợp lại các đoạn tin diễn ra tại máy chủ đích, trong khi sự chia cắt gói tin tạo thêm công việc cho các bộ định tuyến và máy chủ đầu cuối Kỹ thuật Path MTU Discovery cho phép máy chủ gửi tin tìm ra MTU lớn nhất có thể theo con đường từ nguồn đến đích mà không cần chia cắt gói tin.

Trường cờ trong quá trình điều khiển phân đoạn chứa 3 bít, trong đó bít đầu tiên xác định việc cho phép hoặc không cho phép phân đoạn gói tin Hai bít giá trị thấp còn lại được sử dụng để điều khiển quá trình phân đoạn Sự kết hợp giữa trường nhận dạng và trường phân đoạn giúp xác định gói tin nhận được sau khi hoàn tất quá trình phân đoạn.

Fragment Offset là trường phân đoạn chứa thông tin về số lần chia nhỏ một gói tin Kích thước của gói tin phụ thuộc vào mạng cơ sở truyền tin, đảm bảo rằng độ dài gói tin không vượt quá MTU của môi trường truyền.

TTL (Thời gian sống): TTL là một giá trị quan trọng giúp ngăn chặn các gói tin lặp vòng trong mạng, hoạt động như một bộ đếm ngược để tránh hiện tượng trễ gói tin kéo dài Nó cũng xác định phạm vi điều khiển của gói tin, cho biết gói có thể đi được bao xa trong mạng Khi giá trị TTL của gói tin giảm xuống 0, bộ định tuyến sẽ hủy gói tin đó và gửi thông báo lỗi về trạm phát gói tin.

Giao thức này được sử dụng để xác nhận giao thức lớp kế tiếp ở mức cao hơn đang sử dụng dịch vụ IP, và được biểu thị dưới dạng số thập phân.

H-Check sum: Trờng kiểm tra tổng dài 16 bit, đợc tính toán trong tất cả các trờng của tiêu đề IPv4 (TOS, HL, TTL ) Mỗi khi gói qua bộ định tuyến, các trờng lựa chọn có thể bị thay đổi và trờng TTL sẽ bị thay đổi giá trị Cho nên một gói tin khi qua các bộ định tuyến thì trờng kiểm tra tổng cần phải đợc tính toán và cập nhật lại để đảm bảo độ tin cậy của thông tin định tuyến

Địa chỉ nguồn và địa chỉ đích là thông tin quan trọng mà các bộ định tuyến và gateway sử dụng để định tuyến các đơn vị dữ liệu Những địa chỉ này luôn đồng hành cùng với gói tin từ nguồn đến đích.

Options và Padding: Có độ dài thay đổi, dùng để thêm thông tin chọn và chèn đầy đảm bảo số liệu bắt đầu trong phạm vi 32 bit

Mỗi trạm trong mạng internet được xác định bởi một địa chỉ IP duy nhất, đóng vai trò quan trọng trong việc định tuyến các gói tin qua mạng Địa chỉ IP được phân chia thành các lớp A, B, C, D, tùy thuộc vào tổ chức và kích thước của các mạng con trong liên mạng.

Lớp A: cho phép định danh tới 126 mạng, với tối đa 16 triệu host trên mỗi mạng Lớp này đợc dùng cho các mạng có số trạm cực lớn

Lớp B cho phép định danh lên đến 16,384 mạng với tối đa 65,534 host cho mỗi mạng, trong khi Lớp C cho phép khoảng 2 triệu mạng với tối đa 254 host trên mỗi mạng, thích hợp cho các mạng có số lượng trạm ít.

Lớp D được sử dụng để gửi IP datagram tới nhóm host trong liên mạng Phân mạng là công nghệ chia địa chỉ mạng IP thành nhiều mạng con, giúp mở rộng mô hình địa chỉ Điều này cho phép một địa chỉ IP lớp đơn được phân bổ cho nhiều vị trí mà không cần địa chỉ lớp mạng riêng Phân chia này được thực hiện bằng cách tách phần máy chủ của địa chỉ IP cho từng mạng con, với ranh giới giữa phần mạng và phần máy chủ được xác định bởi mặt nạ che mạng con Cần có một vùng nhận dạng phân mạng subnetID để xác định các mạng con, nằm trong vùng nhận dạng máy chủ hostID Vấn đề mạng con giúp đơn giản hóa các bảng định tuyến trong bộ định tuyến khi tìm kiếm địa chỉ.

Định tuyến trong Internet với các địa chỉ IP

Trong mạng IP, có hai cơ chế phát chuyển tin chính: phát chuyển trực tiếp và không trực tiếp Phát chuyển trực tiếp cho phép truyền gói tin mà không cần bộ định tuyến, trong khi phát chuyển không trực tiếp yêu cầu sự tham gia của các bộ định tuyến, dẫn đến quá trình định tuyến Quyết định định tuyến có thể dựa trên trạng thái của các nút, liên kết hoặc khoảng cách tới đích Có một số kiểu thông tin định tuyến như định tuyến nguồn, thường dùng trong mạng cục bộ nhưng không hiệu quả trong Internet, nơi các quyết định định tuyến dựa trên địa chỉ đích Định tuyến lặp vòng xảy ra trong mạng hỗn hợp và có thể được khắc phục bằng các giải pháp như đường cắt ngang và cập nhật tức thời bảng định tuyến Định tuyến IP theo bảng sử dụng thông tin trong bảng định tuyến để tìm đường đến đích, trong khi định tuyến tới nút kế tiếp giúp giảm kích thước bảng định tuyến bằng cách chỉ lưu địa chỉ cho bước kế tiếp Cuối cùng, định tuyến mặc định giúp giảm bảng định tuyến bằng cách hợp nhất nhiều thông tin vào một trường hợp ngầm định.

Khả năng mở rộng của các giao thức định tuyến cho phép tích hợp nhiều bộ định tuyến và mạng mà vẫn giữ được hiệu suất tối ưu Điều này giúp giảm thiểu lưu lượng điều khiển tại các bộ định tuyến, tức là giảm số lần cập nhật dữ liệu định tuyến và tối ưu hóa quá trình tính toán các bảng định tuyến mới.

Một số giao thức cơ bản trong công nghệ IP

Giao thức phân giải địa chỉ ARP

Sau khi host gửi dữ liệu, địa chỉ IP cần được chuyển đổi thành địa chỉ LAN vật lý tương ứng vì đường truyền vật lý không thể nhận biết địa chỉ IP Quá trình chuyển đổi này được thực hiện nhờ giao thức ARP (Address Resolution Protocol) Việc chọn một mô hình số hóa hiệu quả cho vấn đề giải địa chỉ có nghĩa là chọn một hàm f ánh xạ theo công thức nhất định.

PA = f (IA) ; ( địa chỉ vật lý PA, địa chỉ internet IA)

Nếu địa chỉ vật lý không bị ràng buộc bởi các điều kiện khác, hàm f sẽ được tính nhanh chóng và rõ ràng Tuy nhiên, thực tế cho thấy các mạng kết nối thường rất phức tạp do sử dụng nhiều công nghệ phần cứng khác nhau Ví dụ, khi sử dụng IP trên mạng kết nối định hướng nhãn ATM, người dùng không thể chọn địa chỉ vật lý từ các luồng dữ liệu mà ATM cung cấp Do đó, các bảng ánh xạ địa chỉ nên được lưu trữ tại máy chủ của các mạng riêng.

Phân giải địa chỉ thường gặp khó khăn do địa chỉ Ethernet có độ dài 48 bit, và khi thay đổi địa chỉ này sẽ mất đi Mặc dù ánh xạ trực tiếp là nhanh và hiệu quả, nhưng không thể mã hóa từ 48 bit sang 32 bit Một giải pháp đơn giản là gửi gói tin đặc biệt để xác định máy trả lời, sau đó lưu thông tin vào bộ nhớ để các bộ định tuyến kiểm tra khi cần chuyển dữ liệu Tuy nhiên, nếu máy trả lời gặp sự cố, các máy khác vẫn gửi gói tin, dẫn đến lỗi Giải pháp là áp dụng kỹ thuật trạng thái mềm để đếm thời gian, thường khoảng 20 phút, sau đó xóa và cập nhật lại bộ đệm Ngoài ra, giao thức phân giải địa chỉ ARP cũng đóng vai trò quan trọng; khi nhận gói ARP chứa thông tin về địa chỉ đích, phần mềm ARP sẽ cung cấp địa chỉ phần cứng của máy gửi Nếu địa chỉ IP không trùng khớp, thông tin này sẽ bị bỏ qua ARP thường được nhúng trong các khung truyền, hỗ trợ cho nhiều địa chỉ vật lý và giao thức khác nhau.

Giao thức phân giải địa chỉ ngược (RARP) yêu cầu một máy chủ RARP để hoạt động, nơi máy chủ này sẽ trả lời bằng cách điền vào địa chỉ đích và chuyển đổi bản tin thành bản tin trả lời Có thể có nhiều máy chủ RARP, nhưng máy sẽ chỉ nhận lời đáp đầu tiên Việc quảng bá thông tin RARP trên mạng cần được hạn chế để tránh gây tắc nghẽn hệ thống Thông tin định tuyến cần thiết để dẫn các gói tin đến đích cuối cùng được chứa trong tiêu đề của gói tin.

Giao thức bản tin điều khiển Internet ICMP

Để các bộ định tuyến trong internet có thể thông báo lỗi và cung cấp thông tin về các tình huống không mong đợi, các nhà thiết kế hệ thống đã tích hợp một cơ chế thông báo đặc biệt cho các giao thức TCP/IP Cơ chế này được thể hiện qua giao thức ICMP (Internet Control Message Protocol), một phần không thể thiếu của giao thức IP Tương tự như các loại bản tin khác, ICMP được truyền qua internet trong phần dữ liệu của gói tin.

IP Tuy nhiên, đích đến cuối cùng của bản tin này là phần mềm IP và đợc xử lý để xác định nguyên nhân lỗi

Giao thức bản tin điều khiển internet (ICMP) là một cơ chế thông báo lỗi, cho phép các bộ định tuyến thông báo lỗi về nguồn phát khi gặp sự cố Chỉ có địa chỉ nguồn phát là ổn định, trong khi các bộ định tuyến trung gian có thể thay đổi do bảng định tuyến được cập nhật liên tục ICMP cung cấp thông tin liên lạc nâng cao giữa các bộ định tuyến và máy tính, là phần không thể thiếu của giao thức IP Một bản tin ICMP nằm trong phần dữ liệu của gói tin IP, bao gồm ba trường dữ liệu cố định trong phần đầu: kiểu bản tin ICMP, mã và tổng kiểm tra.

Giao thức điều khiển truyền tải TCP

Mô hình APRA cung cấp dịch vụ phát chuyển không tin cậy, dẫn đến việc các gói dữ liệu có thể bị mất hoặc hỏng do lỗi đường truyền, hỏng phần cứng mạng, hoặc quá tải giao dịch Các hệ thống mạng phát chuyển tự động thường gặp tình trạng truyền tải không đúng thứ tự, độ trễ lớn và trùng lặp gói tin, cùng với các ràng buộc khác trên mạng Để khắc phục những vấn đề này, giao thức TCP đã ra đời, nhằm cung cấp dịch vụ phát chuyển dòng tin đáng tin cậy và hỗ trợ các chương trình ứng dụng vượt ra ngoài chi tiết mạng.

Sự giao tiếp giữa các chương trình ứng dụng và phát chuyển tin cậy được đặc trưng bởi năm khía cạnh chính Đầu tiên, định hướng luồng (stream) là yếu tố quan trọng khi hai chương trình ứng dụng truyền tải khối lượng lớn dữ liệu Dữ liệu này được xem như một dòng bít, được chia thành các octet 8 bit Dịch vụ phát chuyển dòng đảm bảo việc truyền tải chính xác chuỗi các octet này.

Truyền có vùng đệm cho phép các chương trình ứng dụng sử dụng nhiều kích thước gói tin khác nhau để giao dịch, với phần mềm giao thức tự do phân chia dòng dữ liệu thành các gói tin độc lập Các gói tin này thường phụ thuộc vào trạng thái của mạng hiện tại Nếu gói tin của chương trình ứng dụng không lấp đầy gói tin cơ sở truyền, dịch vụ phát chuyển theo dòng sẽ hỗ trợ cơ chế đẩy, buộc dữ liệu của các chương trình ứng dụng phải được truyền đi.

Dịch vụ chuyển dòng TCP/IP không xác định các dòng dữ liệu có cấu trúc, yêu cầu các chương trình ứng dụng sử dụng dịch vụ này phải hiểu nội dung dòng và thống nhất về định dạng trước khi khởi động kết nối.

Kết nối hai chiều, hay còn gọi là full duplex, cho phép truyền dữ liệu đồng thời từ cả hai phía thông qua dịch vụ dòng TCP/IP Trong kiểu kết nối này, các dòng dữ liệu di chuyển ngược chiều nhau mà không tương tác hay va chạm Dịch vụ dòng cũng cho phép chấm dứt một hướng truyền trong khi vẫn duy trì hướng còn lại Một lợi ích quan trọng của kết nối hai chiều là phần mềm giao thức cơ sở có khả năng gửi thông tin điều khiển cho các gói tin đang chuyển trên hướng ngược lại, giúp quản lý lưu lượng truyền hiệu quả.

Giao thức TCP xác định cách thức trao đổi dữ liệu và lời đáp giữa hai máy tính để đảm bảo truyền dữ liệu đáng tin cậy và chính xác Nó quy định các thủ tục để duy trì thứ tự dữ liệu, phân biệt giữa các đích máy cụ thể, và phục hồi lỗi như mất mát hay trùng lặp dữ liệu Ngoài ra, giao thức này cũng hướng dẫn cách khởi động và hoàn tất quá trình truyền dữ liệu, mặc dù không cung cấp chi tiết về cách các ứng dụng cụ thể giao tiếp với TCP.

TCP sử dụng giá trị cổng để xác định đích cuối cùng trong một máy, với mỗi cổng được gán một giá trị số nguyên nhỏ, tạo thành định danh của giao dịch Thay vì tương ứng với một giá trị đơn, TCP được xây dựng trên các kết nối trừu tượng, xác định các đối tượng là các liên kết mạch ảo, thể hiện cho các cặp điểm cuối Từ góc độ lập trình, kết nối trừu tượng cho phép tạo ra chương trình cung cấp dịch vụ song song cho nhiều kết nối đồng thời mà không cần một cổng cục bộ duy nhất cho mỗi kết nối.

Giao thức TCP là một giao thức kết nối định hướng, yêu cầu sự đồng ý của hai điểm cuối để thiết lập kết nối Các hệ điều hành của hai bên cần mở kết nối chủ động và thụ động TCP sử dụng kỹ thuật cửa sổ trượt để cải thiện hiệu quả truyền dữ liệu và điều khiển tốc độ dòng dữ liệu Cơ chế cửa sổ trượt hoạt động dựa trên octet, không phải segment hay gói dữ liệu, với các octet được đánh số tuần tự Tại nơi gửi, ba con trỏ được duy trì để quản lý kết nối: con trỏ đầu tiên đánh dấu biên trái, con trỏ thứ hai đánh dấu biên phải của cửa sổ, và con trỏ thứ ba đánh dấu các octet đã gửi và chưa gửi Kích thước và tốc độ trượt của cửa sổ quyết định lưu lượng truyền dữ liệu giữa hai máy tính.

Một trong những khía cạnh quan trọng và phức tạp của TCP là cách xử lý việc hết hạn và truyền lại gói tin Giống như các giao thức tin cậy khác, TCP mong đợi máy đích gửi lại xác nhận khi nhận thành công dữ liệu Mỗi khi gửi một segment, TCP khởi động bộ đếm thời gian và chờ nhận xác nhận; nếu hết thời gian mà không nhận được, TCP giả định gói tin đã bị mất và thực hiện truyền lại Do độ trễ mạng khó dự đoán, TCP thường xuyên kiểm tra và điều chỉnh bộ đếm thời gian TCP ghi nhận thời gian gửi và nhận để tính toán mẫu thời gian đi trọn một vòng, từ đó cập nhật thời gian trung bình cho kết nối Tuy nhiên, giá trị xác nhận đôi khi không rõ ràng, do đó TCP sử dụng thuật toán Karn để tránh nhầm lẫn trong xác nhận Nếu độ trễ tăng lên, TCP tính thời gian hết hạn thấp hơn thực tế, dẫn đến việc truyền lại gói tin mà không cập nhật thời gian đi trọn một vòng, gây ra chu trình lặp lại Thuật toán Karn yêu cầu việc kết hợp thời gian hết hạn theo một chiến lược đếm thời gian có nhược bộ.

Khi thời gian hết hạn của gói tin TCP bị trễ vượt quá thời gian quy định, TCP sẽ coi như mạng đang gặp tình trạng nghẽn mạch Để xử lý vấn đề này, TCP áp dụng chính sách hàng đợi kết hợp với mô hình hủy bỏ sớm ngẫu nhiên (RED) Bộ định tuyến sử dụng hai giá trị chặn, Tmin và Tmax, để quản lý hàng đợi: nếu hàng đợi chứa ít hơn Tmin gói, gói tin mới sẽ được thêm vào; nếu hàng đợi vượt quá Tmax, các gói tin mới sẽ bị hủy bỏ Trong trường hợp hàng đợi không đầy nhưng vượt quá Tmax, bộ định tuyến có thể hủy bỏ gói tin một cách ngẫu nhiên theo xác suất P Quan trọng là lựa chọn giá trị Tmin, Tmax và hàm xác suất P, trong đó P được tính cho mỗi gói tin dựa trên kích thước hàng đợi hiện tại so với các giá trị chặn RED sử dụng kích thước hàng đợi trung bình có trọng số để cập nhật giá trị này mỗi khi có gói tin mới gửi đến.

Avg=( 1-λ)* Old_avg + * kích thớc hàng đợi hiện tại λ

Avg : Giá trị trung bình; Old_avg : Giá trị trung bình cũ

Với λ nằm trong khoảng từ 0 đến 1, khi λ có giá trị nhỏ, giá trị trung bình sẽ ít bị biến động và không bị ảnh hưởng nhiều bởi các đợt gửi số liệu ngắn hạn.

Giao thức lợc đồ dữ liệu ngời dùng UDP

Trong bộ giao thức TCP/IP, giao thức UDP đóng vai trò quan trọng trong việc gửi gói tin giữa các chương trình ứng dụng UDP cung cấp cổng để phân biệt các ứng dụng trên cùng một máy, với mỗi gói tin gửi đi bao gồm giá trị cổng nguồn và cổng đích Điều này giúp phần mềm UDP tại đích chuyển gói tin đến đúng nơi nhận và cho phép gửi lại xác nhận tin.

Giao thức UDP cung cấp dịch vụ phát chuyển không định hướng và không đảm bảo độ tin cậy như TCP Nó không sử dụng cơ chế xác nhận để đảm bảo gói tin đến đích, không thực hiện sắp xếp các bản tin và cũng không cung cấp thông tin phản hồi về mức độ truyền thông tin giữa hai máy Do đó, các ứng dụng sử dụng UDP hoàn toàn chịu trách nhiệm về việc xử lý độ tin cậy trong quá trình truyền tải dữ liệu.

Giao thức thông tin định tuyến miền trong RIP

Trong định tuyến mạng, một nhóm mạng và bộ định tuyến được quản lý bởi một hệ tự quản (AS - Autonomous System) Các bộ định tuyến trong hệ tự quản có thể chọn cơ chế riêng để phát hiện và kiểm tra tính nhất quán của tuyến đường Giao thức thông tin định tuyến phổ biến là RIP, với các phương pháp định tuyến được chia thành định tuyến tĩnh và động Để duy trì tính chính xác của thông tin trong mạng, các bộ định tuyến thường trao đổi dữ liệu về khả năng định tuyến RIP, một trong những giao thức định tuyến sớm nhất, sử dụng khả năng quảng bá phần cứng để thực hiện việc trao đổi thông tin định tuyến.

Giao thức định tuyến thông tin RIP sử dụng thuật toán vector khoảng cách để xác định tuyến đường, phân chia các thiết bị thành hai loại: máy chủ động và bị động Bộ định tuyến chủ động sẽ thông báo các tuyến đường của nó cho các máy tính bị động, giúp cập nhật thông tin định tuyến dựa trên bảng định tuyến Định kỳ 30 giây, bộ định tuyến ở chế độ chủ động sẽ phát đi các bản tin cập nhật định tuyến Mỗi bản cập nhật sẽ bao gồm một tập hợp các cặp, với mỗi cặp chứa địa chỉ mạng IP và khoảng cách tới mạng đó, trong đó khoảng cách được tính dựa trên số lượng trạm giữa bộ định tuyến và mạng đích Đây chỉ là một trong những tham số trong quá trình chọn đường tối ưu.

RIP thiết lập một số quy tắc nhằm tối ưu hiệu năng và độ tin cậy của mạng Khi có nhiều tuyến đường có cùng chi phí, RIP sẽ ưu tiên chọn tuyến đường đã biết trước, điều này tạo ra nhược điểm trong việc chia tải Nếu xảy ra lỗi trên tuyến đường, các bộ định tuyến sẽ được cập nhật thông tin và bắt đầu đồng hồ đếm thời gian cho tuyến đó Sau 180 phút không nhận được thông báo lại, tuyến đường sẽ bị coi là không còn giá trị.

RIP phải xử lý ba loại lỗi do thuật toán gây ra: vòng lặp, tính bất ổn và đếm vô hạn Một vấn đề quan trọng đối với RIP và các giao thức định tuyến sử dụng vectơ khoảng cách là bảng định tuyến không nhất quán Để hạn chế các lỗi này, có thể đặt giá trị nhỏ cho khoảng cách tối đa nhằm ngăn ngừa vòng lặp và tính bất ổn, cũng như áp dụng kỹ thuật đường cắt ngang để tránh nhân bản tuyến đường ngược Tuy nhiên, kỹ thuật này không hoàn toàn hiệu quả trong một số mô hình mạng Một giải pháp khác là sử dụng biến giữ chậm, cho phép bộ định tuyến bỏ qua thông tin mạng trong khoảng thời gian cố định sau khi nhận bản tin lỗi Dù vậy, nhược điểm của phương pháp này là vòng lặp định tuyến có thể tồn tại trong suốt thời gian giữ chậm Cuối cùng, kỹ thuật ngăn ngừa lỗi được đề xuất, trong đó bộ định tuyến giữ lại tuyến đường trong một khoảng thời gian nhất định và giảm giá trị trong các lần quảng bá Tuy nhiên, để đạt hiệu quả, kỹ thuật này thường kết hợp với kỹ thuật cập nhật tức thì Các kỹ thuật nêu trên có thể gây ra vấn đề quảng bá thông tin, làm tăng băng thông và lưu lượng trao đổi thông tin định tuyến khi số lượng bộ định tuyến gia tăng.

Các bản tin RIP được phân thành hai loại chính: bản tin thông tin định tuyến và bản tin yêu cầu thông tin.

Địa chỉ IP 0.0.0.0 trong giao thức RIP được sử dụng như tuyến đường mặc định, cho phép định tuyến các giá trị khoảng cách cho mọi tuyến đường, bao gồm cả tuyến đường mặc định Điều này cho phép hai bộ định tuyến thông báo tuyến đường mặc định với các giá trị khoảng cách khác nhau, tạo ra một con đường chính và một con đường dự phòng RIP 2 cung cấp nhiều chức năng hơn so với RIP 1, cho phép nhân bản thông tin phụ của tuyến đường, như mã số của hệ tự quản Các bản tin RIP không chứa độ dài tường minh và cũng không có biến đếm các mục, mà thay vào đó, sử dụng cơ chế phát chuyển cơ sở để thông báo độ dài của bản tin Khi kết hợp với TCP/IP, các bản tin RIP dựa vào UDP và sử dụng cổng 520 để truyền thông.

Giao thức tìm đờng ngắn nhất OSPF

IETF thiết kế giao thức OSPF dựa trên kỹ thuật trạng thái liên kết với các mục tiêu chính như định tuyến theo kiểu dịch vụ, cho phép người quản lý cài đặt nhiều tuyến đường đến một đích với các ưu tiên khác nhau OSPF cung cấp cơ chế cân bằng lưu lượng, cho phép bộ định tuyến chia tải gói tin khi có nhiều tuyến đường với cùng một giá trị bộ đo lường Giao thức này hỗ trợ phân chia mạng thành các khu vực riêng biệt, giúp tăng tính mềm dẻo và quản lý dễ dàng hơn OSPF đảm bảo rằng tất cả các trao đổi giữa các bộ định tuyến có thể được xác minh và cho phép các khu vực lựa chọn mô hình riêng biệt Ngoài ra, OSPF hỗ trợ định tuyến không phân lớp và cho phép các mạng đa truy xuất có cổng chỉ định để gửi bản tin trạng thái liên kết Để tối ưu hóa độ ổn định, OSPF cho phép mô tả cấu hình mạng ảo tách biệt với mạng vật lý, đồng thời cho phép bộ định tuyến trao đổi thông tin định tuyến học được từ bên ngoài và nội bộ mạng.

Giao thức cổng biên giới BGP

Giao thức cổng biên giới (BGP) có những đặc điểm nổi bật, không chỉ đơn thuần là một giao thức vector khoảng cách hay trạng thái liên kết BGP được sử dụng để giao tiếp giữa các hệ tự quản AS, phối hợp hoạt động giữa nhiều bộ định tuyến và nhân bản thông tin về tính liên kết Nó cung cấp thông tin về mô hình trạm kế tiếp theo vector khoảng cách, hỗ trợ các chính sách tùy chọn cho quản trị mạng, và sử dụng TCP để đảm bảo truyền tải thông tin đáng tin cậy BGP cho phép truyền tải thông tin về con đường từ nguồn đến đích, hỗ trợ địa chỉ không phân lớp và định tuyến liên vùng CIDR, đồng thời tích luỹ thông tin về tuyến đường để bảo vệ băng thông qua việc gửi một lần cho nhiều đích đến Cuối cùng, BGP cũng cho phép cơ chế xác minh bản tin và kiểm chứng tên của nơi gửi tin.

Giao thức cổng biên giới (BGP) có một số giới hạn cơ bản, bao gồm việc không cung cấp thông tin về khoảng cách hoặc so sánh giá của các tuyến đường, mặc dù có nhiều tuyến đường đến đích BGP không hỗ trợ cơ chế chia tải và không thể chia sẻ giao dịch đều trên các bộ định tuyến trong các hệ tự quản Để đạt được sự định tuyến hợp lý, tất cả các hệ tự quản trong môi trường mạng internet cần thống nhất về mô hình thông báo tính kết nối, tuy nhiên BGP không đảm bảo sự thống nhất toàn cục.

Mô hình chất lợng dịch vụ IP

Dịch vụ tích hợp (IntServ)

Trước nhu cầu ngày càng cao về dịch vụ thời gian thực như thoại và video, cũng như băng thông lớn cho các dịch vụ đa phương tiện, IntServ đã được phát triển Đây là bước tiến quan trọng trong mạng IP nhằm cung cấp đồng thời các dịch vụ truyền thống và dịch vụ thời gian thực một cách tối ưu.

Hình 2.3 : Mô hình dịch vụ tích hợp Động lực thúc đẩy mô hình này chủ yếu do những lý do cơ bản sau đây: ứng dụng

Giao thức định tuyến và quản lý cơ sở dữ liệu đang đối mặt với thách thức khi các ứng dụng ngày càng đa dạng và yêu cầu cao về chất lượng dịch vụ Với sự gia tăng của các ứng dụng đa phương tiện, mạng IP cần hỗ trợ tích hợp nhiều loại dịch vụ khác nhau, từ thoại đến video Việc tối ưu hóa hiệu suất sử dụng mạng và tài nguyên là cần thiết, đảm bảo tài nguyên được dự trữ cho lưu lượng có độ ưu tiên cao hơn Mô hình dịch vụ IntServ cho phép nhà cung cấp mạng cung cấp dịch vụ tốt nhất, tạo ra sự khác biệt so với các đối thủ cạnh tranh.

Trong mô hình này có một số thành phần tham gia nh sau:

Giao thức thiết lập như RSVP và Q.2931 cho phép các máy chủ và router dự trữ động tài nguyên trong mạng, nhằm xử lý hiệu quả các yêu cầu từ các luồng lưu lượng riêng Đặc tính luồng xác định chất lượng dịch vụ (QoS) sẽ được cung cấp cho từng luồng riêng biệt, đảm bảo hiệu suất tối ưu cho các ứng dụng.

Luồng được định nghĩa là một chuỗi các gói từ nguồn đến đích có yêu cầu QoS tương đồng Đặc tính luồng phản ánh băng thông tối thiểu mà mạng cần cung cấp để đảm bảo QoS Điều khiển lưu lượng trong các thiết bị mạng như máy chủ, router và switch bao gồm các thành phần quản lý tài nguyên mạng để hỗ trợ QoS Các thành phần này có thể được khai báo qua giao thức báo hiệu như RSVP Các chức năng điều khiển lưu lượng bao gồm: điều khiển chấp nhận, xác định khả năng hỗ trợ QoS của thiết bị mạng; thiết bị phân loại, nhận diện và chọn lớp dịch vụ dựa trên nội dung gói; và thiết bị lập lịch, cung cấp các mức chất lượng dịch vụ QoS trên kênh ra của thiết bị mạng.

Các mức chất lượng dịch vụ của IntServ bao gồm: dịch vụ bảo đảm GS với băng tần dành riêng, giới hạn trễ và không thất thoát gói tin, phù hợp cho các ứng dụng như hội nghị truyền hình chất lượng cao và thanh toán tài chính thời gian thực Tiếp theo là dịch vụ kiểm soát tải CL, không đảm bảo băng tần hay trễ nhưng nỗ lực tối đa để duy trì chất lượng khi tải mạng tăng, thích hợp cho ứng dụng không nhạy cảm với độ trễ như truyền multicast audio/video chất lượng trung bình Cuối cùng là dịch vụ nỗ lực tối đa.

Dịch vụ DiffServ

Mô hình IntServ đã giải quyết nhiều vấn đề liên quan đến QoS trong mạng IP, nhưng không đảm bảo QoS xuyên suốt Để cải thiện điều này, DiffServ đã ra đời, sử dụng việc đánh dấu gói và xếp hàng theo loại để hỗ trợ dịch vụ ưu tiên IETF hiện có nhóm làm việc DiffServ để phát triển các tiêu chuẩn RFC Nguyên tắc cơ bản của DiffServ bao gồm: định nghĩa một số lớp dịch vụ với đặc tính lưu lượng, phân loại và đánh dấu gói tại biên mạng, và các thiết bị chuyển mạch, router trong mạng lõi phục vụ gói theo bít đã được đánh dấu.

Hình 2.4 : Mô hình DiffServ tại biên và lõi của mạng

DiffServ mang lại nhiều lợi thế vượt trội so với IntServ, bao gồm việc không cần báo hiệu cho từng luồng dữ liệu, cho phép áp dụng dịch vụ ưu tiên cho nhiều luồng riêng biệt trong cùng một lớp dịch vụ Điều này giúp nhà cung cấp dịch vụ dễ dàng cung cấp một số lượng nhỏ các mức dịch vụ khác nhau cho khách hàng có nhu cầu Hơn nữa, DiffServ không yêu cầu thay đổi tại các máy chủ hay ứng dụng để hỗ trợ dịch vụ, tạo sự linh hoạt và tiện lợi hơn cho việc triển khai.

Thiết bị biên đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ dịch vụ VPN, tuy nhiên, DiffServ vẫn cần khắc phục một số vấn đề nhất định để nâng cao hiệu quả hoạt động.

Phân loại đa by te ChÝnh sách Đánh dấu gãi

Hàng đợi, quản lý lập lịch

Hàng đợi, quản lý Lập lịch Router lâi

Router biên không đáp ứng được yêu cầu về băng tần và độ trễ của IntServ hay ATM; thiết bị biên cần có bộ Classifier chất lượng cao cho từng gói giống như trong mô hình IntServ Quản lý trạng thái classifier cho một số lượng lớn thiết bị biên là vấn đề quan trọng cần được chú ý Chính sách khuyến khích khách hàng dựa trên giá cước dịch vụ cũng ảnh hưởng đến giá trị của DiffServ.

Mô hình DiffServ được mô tả trong hình 2.4 và bao gồm các thành phần chính như sau: DS-Byte, là byte xác định DiffServ trong trường TOS của IPv4 và loại lưu lượng IPv6, cho biết gói tin thuộc dịch vụ nào; các thiết bị biên (router biên) nằm ở lối vào và lối ra của mạng DiffServ; các thiết bị bên trong mạng DiffServ; và quản lý cưỡng bức, bao gồm các công cụ và nhà quản trị mạng giám sát, đo kiểm để đảm bảo SLA giữa mạng và người dùng.

Tổng kết chơng

Định nghĩa và thuật ngữ

Chuyển mạch IP là thiết bị hoặc hệ thống có khả năng gửi các gói tin IP ở lớp 3, đồng thời tích hợp thành phần chuyển mạch để xử lý các gói tin ở lớp này.

2 Thiết bị chuyển mạch IP có cơ chế nhận biết loại gói tin nào sẽ đợc chuyển đi ở lớp 3 và gói nào sẽ đợc chuyển mạch ở lớp 2, sau đó gửi một vài hoặc tất cả các gói tin đi trên đờng đợc chuyển mạch lớp 2 Hầu hết các chuyển mạch IP sử dụng cơ cấu chuyển mạch ATM Hình vẽ sau đây chỉ rõ hai mô hình chuyển mạch IP a) Thiết bị chuyển mạch IP b) Chuyển mạch IP ảo

Hình 3.1: Thiết bị chuyển mạch IP Điểm điều khiển IP IPCP (IP Control Point) thực hiện các giao thức định tuyến

Các giao thức định tuyến như RIP, OSPF và BGP được sử dụng để cung cấp đường định tuyến lớp 3, cho phép giao tiếp trực tiếp hoặc gián tiếp với các thành phần của chuyển mạch ATM để gửi gói tin IP Các thành phần chuyển mạch ATM trong môi trường IP duy trì bảng kết nối các cổng vào/ra và nhãn VPI/VCI Có sự khác biệt giữa hai mô hình chuyển mạch IP: mô hình thiết bị chuyển mạch IP tích hợp bộ điều khiển và trường chuyển mạch trong một thiết bị duy nhất, trong khi mô hình chuyển mạch IP ảo bao gồm nhiều thành phần được điều khiển bởi một bộ điều khiển IPCP Vị trí của các cổng vào và ra cũng khác nhau; trong mô hình chuyển mạch IP, chúng nằm trong cùng một đơn vị giao diện, trong khi ở mô hình IP ảo, các cổng có thể nằm trên cùng một đơn vị hoặc trên các giao diện riêng biệt, dẫn đến sự khác biệt trong cách sử dụng và phụ thuộc vào các giao thức tìm đường và báo hiệu ATM và IP.

Đờng vào và đờng ra của chuyển mạch IP

Hệ thống chuyển mạch IP thực hiện định tuyến lớp 3 để tăng tốc độ dịch vụ chuyển mạch lớp 2 Phương pháp này cho phép nhóm các ứng dụng hoặc người dùng cuối qua mạng LAN, phân mạng, hoặc địa chỉ đích cụ thể Để nhận các dịch vụ chuyển mạch IP, cần có đường vào (Ingress) và đường ra (Egress) từ hệ thống chuyển mạch IP.

Các thiết bị vào/ra của hệ thống chuyển mạch IP được đặt ở gờ hệ thống, có khả năng chứa mã vận hành trong trạm làm việc Chúng thực hiện các chức năng quan trọng như cung cấp định tuyến IP ngầm định, chuyển đổi môi trường (từ Ethernet sang ATM) cho các gói tin vào/ra Ngoài ra, chúng tham gia vào các thủ tục điều khiển để thiết lập và duy trì đường dẫn chuyển mạch lớp 2 giữa các cổng vào/ra Tại lối vào, các gói tin được phân loại và chuyển tiếp dựa trên các trường số liệu trong tiêu đề gói tin, xác định xem gói có đủ tiêu chuẩn để chuyển mạch hay không Nếu đủ tiêu chuẩn, gói tin sẽ được gán nhãn và truyền theo kết nối ảo của chuyển mạch lớp 2 Tại lối ra, các gói nhận được sẽ được chuyển mạch lớp 2 và thực hiện các thủ tục định hướng IP để truyền đến bộ định tuyến tiếp theo.

Hệ thống chuyển mạch IP quyết định rằng một số gói tin có thể được truyền qua đường chuyển mạch lớp 2, đã được thiết lập giữa hai thiết bị mạng Các gói tin đến cổng vào được phân loại theo địa chỉ đích, địa chỉ nguồn và mạng đích để định tuyến theo lớp 3 hoặc chuyển mạch lớp 2 Nếu gói tin được phân loại cho chuyển mạch lớp 2, chúng sẽ được hướng tới đích qua một đường dẫn cụ thể Các gói tin còn lại sẽ được chuyển đi ở lớp 3, sử dụng các thủ tục định tuyến IP thông thường.

Đờng tắt (Short - cut)

Trong môi trường định tuyến IP, các gói tin di chuyển qua các bộ định tuyến đến đích, với mỗi bước nhảy cần thực hiện các chức năng như kiểm tra giao thức truyền, độ dài tiêu đề và suy giảm TTL, dẫn đến hiện tượng trễ Để giảm thời gian chờ đợi, có thể bỏ qua một số bước trong quá trình định tuyến bằng cách sử dụng đường chuyển mạch lớp 2 Đường tắt là một kết nối ảo giữa nguồn và đích, bỏ qua các bước định tuyến lớp 3 trung gian, có thể được thiết lập giữa hai máy chủ hoặc bộ định tuyến Các đặc tính của đường tắt bao gồm việc bỏ qua chức năng định tuyến tầng 3, xây dựng dựa trên lưu lượng dữ liệu hoặc phương pháp điều khiển, và khả năng truyền tải dữ liệu đến đích ngay cả khi đường tắt bị mất.

3 o Dữ liệu có thể kế tiếp nhau truyền trên cùng một đờng vật lý nh là đờng định tuyến hoặc nó có thể qua cấu trúc topo chuyển mạch IP tầng 2 riêng biệt (chuyển mạch IP ảo) o Một đờng tắt từ cổng vào đến một cổng ra có thể đợc tạo ra trong một đờng từ đầu cuối- đến - đầu cuối hoặc có thể xây dựng bằng một loạt các đờng tắt qua các nút trung gian Đờng tắt vào/ra có thể đợc thiết lập tại đờng vào hoặc đờng ra khỏi mạng hoặc tại bất kỳ nơi nào đó trong mạng o Đờng tắt có thể là điểm-đến-điểm, điểm-đến đa điểm hoặc đa điểm-đến- - ®iÓm.

Hoạt động của chuyển mạch IP

Trên hình 3.2 sau đây chỉ ra các hoạt động điều hành cơ bản của chuyển mạch

IP do Ipsilon đề xuất

Hình 3.2: Mô hình kết nối của chuyển mạch IP

Bộ điều khiển xử lý định tuyến IP kết hợp với chuyển mạch ATM cho phép chuyển mạch IP nhờ vào giao thức của bộ định tuyến thông thường và thực hiện truyền gói theo nguyên tắc từng chặng Khi có luồng dữ liệu lớn, bộ xử lý định tuyến IP sẽ thông báo cho trạm kế tiếp để gán nhãn VPI/VCI cho các tế bào và cập nhật bảng định tuyến tại chuyển mạch ATM Thiết bị chuyển mạch IP gửi giao thức IFMP tới trạm phát, và quá trình này diễn ra độc lập giữa các cặp chuyển mạch IP tùy thuộc vào tuyến kết nối Nếu luồng dữ liệu được biên dịch, nó sẽ gửi gói trên một kênh ảo rỗi với nhận dạng kênh ảo Luồng ra có thể được giám sát trên cùng một luồng và yêu cầu chuyển mạch IP sử dụng một VCI Cuối cùng, bộ điều khiển chuyển mạch IP chỉ dẫn chuyển mạch ATM tạo bản đồ cổng cho luồng đó, và các số liệu tiếp theo sẽ được chuyển mạch trực tiếp trên phần cứng của chuyển mạch ATM.

Trong vòng 60 giây sau khi thiết lập luồng ảo, trạng thái của luồng sẽ được kiểm tra Nếu không có dữ liệu truyền qua trong thời gian này, kênh ảo sẽ bị giải phóng Thời gian kiểm tra phụ thuộc vào cấu trúc mạng và thuật toán điều khiển đã được xác định.

6 7 a) Chế độ hoạt động mặc định b) Gán nhãn theo luồng Upstream c) Gán nhãn theo luồng Downstream d) Kết nối qua chuyển mạch

Một số giải pháp và kỹ thuật dựa trên chuyển mạch lớp 2 đã được phát triển nhằm cải thiện quy trình định tuyến IP Vào cuối năm 1996, IETF đã thành lập một diễn đàn mới mang tên MPLS để tiêu chuẩn hóa giải pháp chuyển mạch, kết hợp giữa chuyển mạch lớp 3 và lớp 4 Điều này cho phép nhiều nhà cung cấp thiết bị hợp tác xây dựng giải pháp chuyển mạch IP hiệu quả Các giao thức liên quan sẽ được trình bày trong các phần tiếp theo của đồ án.

Sử dụng phương pháp định tuyến IP trên mạng ATM gặp phải một số vấn đề như: các bộ định tuyến tạo ra điểm tắc nghẽn và không thể duy trì lưu lượng ổn định ở tốc độ cao (OC3), trong khi khả năng của trường chuyển mạch ATM rất lớn Bảng định tuyến quá lớn và thời gian truy cập địa chỉ kéo dài, có thể cải thiện bằng cách sử dụng bảng định tuyến đơn chiều với sắp xếp nhãn theo hình cây và can thiệp từ bảng VPI/VCI trong phần cứng Các mạng IP thế hệ tiếp theo cần quản lý băng thông và khả năng thực hiện QoS mà ATM cung cấp Cần có phương thức đơn giản để hỗ trợ lưu lượng IP phi kết nối qua mạng hướng kết nối Cuối cùng, báo hiệu và định tuyến trong ATM Forum UNI/NNI được xem là quá phức tạp, cần một giao thức đơn giản và dễ chấp nhận cho IP.

Các mô hình chuyển mạch IP

Mô hình chồng lấn (Overlay Model)

Mô hình overlay cho chuyển mạch ATM bao gồm tầng IP hoạt động trên đỉnh của tầng chuyển mạch ATM riêng biệt Điều này có nghĩa là hệ thống bao gồm các thiết bị IP với địa chỉ IP đang sử dụng các giao thức định tuyến IP, cùng với các thiết bị ATM như IP hosts, IP Routers và ATM Switch với địa chỉ ATM đang thực hiện các giao thức định tuyến và báo hiệu ATM.

Mô hình này là phương pháp đơn giản nhất để vận hành đồng thời IP và ATM, với yêu cầu duy trì hai không gian địa chỉ và hỗ trợ hai giao thức định tuyến riêng biệt Đặc điểm nổi bật của mô hình bao gồm việc sử dụng lập địa chỉ phân lập (SA) và vận hành các giao thức định tuyến độc lập, như OSPF cho IP và PNNI cho ATM Điều này cho phép các bộ định tuyến IP nhận biết topo mạng mà không cần biết đến các chuyển mạch ATM Mô hình yêu cầu phân giải địa chỉ IP và ATM thông qua giao diện UNI/PNNI, cho phép thiết lập đường tắt hoặc đường dẫn thông thường Sự tồn tại của cả hai thiết bị ATM và IP thể hiện lập địa chỉ phân lập, với khả năng thiết lập đường tắt giữa lối vào và lối ra dựa trên địa chỉ ATM Các gói dữ liệu đi qua đường tắt không cần phải đi qua các thiết bị và liên kết khác, vì giao thức định tuyến ATM chọn đường dựa trên trạng thái của topo chuyển mạch ATM thay vì cấu hình IP.

Mô hình ngang bằng (Peer Model)

Mô hình ngang bằng cho chuyển mạch IP xác định rõ ràng các thành phần của bộ chuyển mạch IP, giúp duy trì không gian địa chỉ IP duy nhất và hỗ trợ các giao thức định tuyến hiệu quả.

Chế độ ngang bằng trong IP thể hiện sự tồn tại của các giao thức điều khiển riêng, được sử dụng để định hướng lưu lượng IP đến các đường tắt Một ví dụ điển hình là mô hình ngang hàng, trong đó mạng của các bộ chuyển mạch IP hoạt động với các giao thức IFMP và GSMP (Ipsilon).

Mô hình ngang bằng có những đặc tính nổi bật như duy trì một không gian địa chỉ IP duy nhất và sử dụng giao thức định tuyến IP đồng nhất Các bộ chuyển mạch IP áp dụng các giao thức định tuyến đặc biệt để chỉ dẫn lưu lượng IP đến các đường tắt Hệ thống này hỗ trợ cả các đường tắt và các đường định tuyến ngầm định, đồng thời xác lập địa chỉ IP tới kênh ảo VC cho các giao thức không phải của ATM Đường định tuyến và đường tắt cùng hoạt động trên một liên kết sau khi hoàn tất quá trình tìm đường ngắn nhất đến đích.

Trong mô hình chồng lấn, các bộ định tuyến cần kết nối ngang hàng để trao đổi thông tin định tuyến cập nhật một cách chính xác Điều này giúp biểu thị thông tin một cách rõ ràng Ngoài ra, các bộ định tuyến liên kết với mạng ATM rộng cũng mong muốn thiết lập các kết nối ảo (VC) trực tiếp nhằm nâng cao hiệu suất hoạt động.

Tích hợp IP trên ATM

Diễn đàn ATM và IETF đã phát triển một loạt tiêu chuẩn nhằm tích hợp IP trên nền ATM, bao gồm các nhóm làm việc như: Nhóm IP trên nền ATM (IPATM) định nghĩa tiêu chuẩn đóng gói gói tin IP trong PDU tương thích ATM và sử dụng ATMARP để ánh xạ địa chỉ IP tới địa chỉ ATM, hỗ trợ multicast Nhóm định tuyến qua miền không gian lớn (RLOC) xây dựng giao thức NHRP cho phép thiết lập mạch ảo qua mạng ATM Nhóm mô phỏng LAN (LANE) thiết lập các thủ tục để mạng ATM hoạt động như các mạng LAN đa truy nhập Nhóm đa giao thức qua ATM (MPOA) mở rộng các tiêu chuẩn để hỗ trợ giao thức lớp đa mạng Nhóm dịch vụ tích hợp qua các lớp liên kết đặc biệt (ISSLL) định nghĩa quy trình ánh xạ mô hình tài nguyên IP trên ATM theo từng lớp liên kết Mục tiêu của MPOA là hỗ trợ truyền lưu lượng unicast giữa các phân mạng mà không cần bộ định tuyến trên đường truyền, cho phép đấu nối các kênh ảo VCC dựa trên thông tin lớp 3 MPOA kết hợp cầu nối và định tuyến trong môi trường mạng đa cấu hình, cung cấp điều hành cho các giao thức lớp 3 trên nền ATM và chỉ ra con đường tối ưu qua mạng lõi ATM.

MPOA hỗ trợ định tuyến ảo bằng cách tách biệt chức năng tính toán tuyến liên mạng và chuyển tiếp gói tin, giúp mở rộng khả năng quản lý mạng Điều này cho phép tăng số lượng thiết bị có thể cấu hình cho việc thực hiện tính toán tuyến MPOA bao gồm 5 hoạt động chính.

1 Cấu hình Hoạt động này nhận thông tin cấu hình từ máy chủ cấu hình LANE, chúng chứa thông tin thời gian, yêu cầu kích thớc gói tin,v v

2 Phát hiện tuyến Các phần tử trong MPOA thu thập và xử lý thông tin từ các phần tử khác trong mạng thông qua trao đổi các bản tin để tìm tuyến, các bản tin này chứa kiểu thiết bị MPOA và địa chỉ ATM của nó

3 Phân giải đích Hoạt động này sử dụng giao thức phân giải bớc kế tiếp để tìm ra node ATM thích hợp có chứa địa chỉ IP đích Node ATM này đợc biết nh là đờng tắt tới đích

4 Quản lý đấu nối Hoạt động này điều khiển các mạch ảo ATM

5 Truyền dữ liệu Hoạt động này đảm nhiệm chức năng chuyển tiếp lu lợng gói tin IP trên các đờng tắt

MPOA hoàn toàn tương thích với LANE và NHRP, và sẽ có ví dụ về hoạt động của giao thức phân giải địa chỉ trong phần tiếp theo.

Việc ánh xạ địa chỉ IP vào ATM là một quá trình phức tạp, với nhiều nhóm làm việc đề xuất các phần tử phục vụ như ATMARP và NHRP để xử lý ánh xạ địa chỉ Các giao thức cần thiết để tương tác với những phần tử này cũng rất quan trọng Một vấn đề thực tiễn là các phần tử phục vụ cần được trang bị dự phòng và hoạt động đồng bộ với các phần tử chính Sự phức tạp này xuất phát từ việc các giao thức IP và ATM được phát triển độc lập, dẫn đến việc tích hợp chúng vượt ra ngoài phạm vi của ATM Forum và IETF Điều này đã thúc đẩy sự ra đời của các mô hình mới nhằm giải quyết vấn đề này, và chúng ta sẽ đi sâu vào vấn đề này trong phần tiếp theo của đồ án.

Các kiểu điều khiển chuyển mạch IP

Mô hình chuyển mạch IP điều khiển luồng

Mô hình điều khiển luồng hoạt động trên luồng IP thực tế được định nghĩa là các gói liên tiếp có cùng địa chỉ nguồn, địa chỉ đích và số thứ tự cổng Hình vẽ 3.3 minh họa mô hình chuyển mạch IP điều khiển luồng hoạt động một cách hiệu quả.

Các gói đầu tiên của luồng IP được định tuyến từng bước qua các thực thể định tuyến IP (R1, R2, Rn) trong mạng ATM Các thực thể định tuyến ATM được kết nối với nhau thông qua các kết nối ATM.

Hình 3.3: Mô hình chuyển mạch IP điều khiển luồng

Dựa trên các đặc tính của luồng IP như kiểu lưu lượng, số cổng, địa chỉ nguồn/đích và tốc độ, thực thể định tuyến IP sẽ ngay lập tức xử lý địa chỉ chuyển tiếp mới Quá trình này bao gồm việc tạo lập một đấu nối ATM mới và định hướng luồng IP qua hướng tắt Việc gán nhãn VPI/VCI mới cho các tế bào thuộc luồng IP được thực hiện thông qua các bảng chuyển nhãn VPI/VCI đã được cập nhật trong chuyển mạch ATM.

Khi luồng IP được chuyển tiếp đến địa chỉ mới qua hướng tắt, tất cả các tế bào trong luồng IP đều trở thành tế bào chuyển mạch Quá trình xử lý định tuyến qua bộ định tuyến trong mạng ATM tách biệt với đường chuyển mạch, giúp giảm độ trễ và nâng cao hiệu suất.

Các đặc tính của Model chuyển mạch IP điều khiển luồng :

Các hướng tắt được thiết lập động tùy thuộc vào đặc tính của luồng IP đến, với mạng hỗ trợ chuyển mạch điều khiển luồng IP có hai tuyến đường: tuyến đường mặc định qua từng bước định tuyến IP và hướng tắt thiết lập động qua phần cứng chuyển mạch ATM Điều này khác với cách định tuyến truyền thống chỉ có hướng mặc định trên các bộ định tuyến Nếu đường tắt bị hỏng, luồng IP có thể định tuyến lại qua tuyến mặc định Chuyển mạch IP điều khiển luồng là lựa chọn phù hợp cho các khu vực ATM nhỏ và mạng Intranet, vì tất cả đầu cuối sử dụng sẽ chạy các ứng dụng khác nhau với đặc tính luồng và yêu cầu mạng lưới khác nhau, đồng thời điều khiển luồng được hỗ trợ tốt bởi tài nguyên chuyển mạch ATM (không gian nhãn VPI/VCI) để cung cấp nhãn cho các luồng riêng biệt Tuy nhiên, không phải tất cả các luồng IP đều yêu cầu hướng tắt, ví dụ như các giao thức ứng dụng như ICMP và SNMP.

Giao thức Giải quyết Điểm Kế tiếp (NHRP) là một giải pháp cho chuyển mạch IP điều khiển luồng, được phát triển bởi Nhóm tạo tuyến qua không gian lớn ROLC nhằm giải quyết vấn đề giữa các bộ định tuyến của các mạng con logic NHRP giúp xác định điểm gần nhất tới đích và đạt được địa chỉ ATM bằng cách tương tác giữa các máy chủ NHRP Mặc dù NHRP không phải là một giao thức định tuyến, nhưng nó sử dụng định tuyến IP tiêu chuẩn để truyền tải các bản tin NHRP qua mạng lưới NHRP bao gồm hai thành phần chính.

Hình 3.4: Giao thức giải bớc kế tiếp

Trạm con bước kế tiếp NHC (Next Hop Client) và trạm chủ bước kế tiếp NHS (Next Hop Server) đóng vai trò quan trọng trong việc định tuyến và duy trì các địa chỉ NHS hoạt động song song với NHC để đảm bảo hiệu suất và tính ổn định của hệ thống mạng.

IP ẩn kết hợp với ATM, trong đó bộ định tuyến hay NHC được gọi là trạm chủ định tuyến NHC tìm kiếm trạm chủ định tuyến để xác định địa chỉ ATM của địa chỉ IP đích Trạm chủ định tuyến sẽ phản hồi với các địa chỉ ATM liên quan hoặc chuyển tiếp yêu cầu đến trạm chủ định tuyến khác thông qua tuyến đường mặc định đã được thiết lập.

Chuyển mạch IP dựa trên NHRP làm việc theo cách sau:

NHC nguồn (#1) sẽ xác định trước một số gói IP đầu tiên thông qua kết nối ATM tới Trạm chủ định tuyến Trạm chủ định tuyến sẽ tiếp nhận và xác định các gói IP tới trạm đích (NHC).

#2) qua tuyến đờng định sẵn

Dựa trên kỹ thuật tác động nhanh để điều khiển luồng, NHC nguồn (#1) sẽ thực hiện tra vấn đến trạm chủ định tuyến nhằm tìm kiếm các địa chỉ ATM liên quan đến địa chỉ IP đích (B.2) Các tra vấn yêu cầu giải NHRP bao gồm địa chỉ IP nguồn, địa chỉ IP đích và địa chỉ ATM nguồn NHC nguồn sẽ phát hiện địa chỉ đích có địa chỉ ATM của trạm chủ B.2 Nếu bảng truy cập cho địa chỉ IP đã có trong bộ nhớ Cache của trạm chủ định tuyến, quá trình sẽ diễn ra nhanh chóng và hiệu quả.

Khi có yêu cầu chuyển mạch, B2_BBBB sẽ trả lời cho NHC (#1) Nếu không, NHRP sẽ định hướng theo tuyến mặc định tới trạm chủ định tuyến tiếp theo hoặc tới trạm chủ có địa chỉ IP đích trong cache Trạm chủ định tuyến cuối cùng sẽ trả về địa chỉ ATM đích (BBBB) qua các tuyến mặc định về NHC nguồn (#1) Địa chỉ đích có thể là địa chỉ ATM của trạm chủ IP thực tế hoặc các thiết bị gờ (Edge) gần nhất NHC nguồn (#1) có thể khởi tạo ATM SVC trực tiếp tới địa chỉ đích (BBBB) của trạm chủ đích (NHC #2), với ATM SVC là tuyến tắt bỏ qua tất cả các bước trung gian trong mạng ATM, được thiết lập bởi các định tuyến và báo hiệu ATM UNI/PNNI tiêu chuẩn.

Chuyển mạch IP theo phương thức NHRP dựa trên mô hình điều khiển luồng, cho phép các gói IP khởi tạo đi qua tuyến đường mặc định qua Trạm chủ định tuyến Các gói này có thể được chuyển hướng qua mạng chuyển mạch ATM thông qua các kết nối độc lập Mạng cung cấp hai phương thức cho NHRP: tuyến mặc định và tuyến tắt qua phần cứng chuyển mạch ATM Trong trường hợp tuyến tắt không khả thi, tất cả các gói IP sẽ được chuyển theo tuyến mặc định cho đến khi tuyến tắt được thiết lập lại.

Mô hình chuyển mạch IP điều khiển topo

Chuyển mạch IP trong mạng dựa trên topo mạng IP sử dụng các giao thức định tuyến IP, được thực hiện qua thiết bị định tuyến chuyển mạch tích hợp ISR (Integrated Switch Router) Các nhãn VPI/VCI mới được tạo ra và phân bổ tới các ISR khác trong vùng định tuyến, liên kết với các tiền tố IP đích Tất cả lưu lượng đã được trù định cho mạng sẽ được chuyển mạch theo các giá trị của VPI/VCI.

Hoạt động của mạng chuyển mạch IP điều khiển kiểu topo chỉ ra trên hình 3.5 sau:

Hình 3.5: Chuyển mạch IP điều khiển topo

Giải pháp chuyển mạch IP theo topo được thiết kế cho các mạng lớn, cho phép xây dựng đường chuyển mạch dựa trên tiền tố IP, mở ra khả năng ghép nguyên chuyển mạch hiệu quả hơn so với điều khiển luồng Trong khi giải pháp chuyển mạch theo topo chuyển mạch toàn bộ dòng lưu lượng, giải pháp điều khiển luồng chỉ tập trung vào phần sau của dòng dữ liệu Chi phí thực hiện của giải pháp topo thấp hơn, vì các đường chuyển mạch chỉ được xây dựng lại sau khi có thay đổi trong cấu hình mạng Sự phối hợp mở rộng điều khiển theo topo là rất quan trọng, tương ứng với số lượng bộ định tuyến và kích cỡ mạng Chuyển mạch IP kiểu topo tạo ra các đường tắt cho dù lưu lượng không chảy qua, dẫn đến việc sử dụng tài nguyên chuyển mạch cho cả lưu lượng điều khiển và dữ liệu Tuy nhiên, việc cung cấp chất lượng dịch vụ cho các dòng lưu lượng trên đường tắt kiểu điều khiển topo gặp khó khăn do khả năng hợp nhất các dòng IP Cuối cùng, trong mạng hội tụ, việc cập nhật bảng định tuyến không chính xác có thể gây ra vòng lặp ngắn, và các bộ định tuyến chỉ có thể hạn chế vòng lặp này thông qua trường TTL của gói tin.

Khái niệm và cấu trúc cơ bản của chuyển mạch nhãn

Chuyển mạch nhãn là gì?

Tại sao chúng ta sử dụng chuyển mạch nhãn

Mục tiêu chính của chuyển mạch nhãn là nâng cao hiệu suất chuyển tiếp gói tin trên các bộ định tuyến lõi thông qua việc áp dụng các chức năng gán và phân phối nhãn cho các dịch vụ định tuyến lớp mạng khác nhau Bên cạnh đó, các lược đồ phân phối nhãn được thiết kế hoàn toàn độc lập với quá trình chuyển mạch, giúp tối ưu hóa hiệu quả và linh hoạt trong quản lý lưu lượng mạng.

Hiện nay, công nghệ mạng, đặc biệt là chuyển mạch nhãn, đang thu hút sự chú ý bởi một số lý do quan trọng như tốc độ và độ trễ, khả năng mở rộng hệ thống, tính đơn giản trong triển khai, hiệu quả sử dụng tài nguyên mạng, và khả năng điều khiển định tuyến linh hoạt.

Tốc độ và độ trễ

Chuyển tiếp gói tin truyền thống gặp khó khăn trong việc xử lý tải lượng lớn trên internet và intranet, chủ yếu do quá trình định tuyến chậm chạp Mặc dù đã có cải tiến trong tìm kiếm bảng định tuyến, nhưng tải lượng trên bộ định tuyến vẫn vượt quá khả năng xử lý, dẫn đến mất mát dữ liệu và giảm hiệu suất mạng IP Chuyển mạch nhãn mang đến một giải pháp hiệu quả, gán nhãn cho gói tin đầu vào và sử dụng nhãn để truy cập vào bảng chuyển tiếp, chỉ cần một lần truy cập thay vì hàng ngàn tìm kiếm như trong định tuyến truyền thống Nhờ đó, hiệu suất hoạt động được cải thiện, giúp giảm độ trễ và nâng cao thời gian phản hồi trong việc chuyển giao thông tin giữa người sử dụng.

Mạng máy tính luôn gặp phải hiện tượng trễ khi các gói tin di chuyển qua nhiều nút và chặng khác nhau, dẫn đến sự tích trữ và biến động trễ giữa các đầu cuối Tại mỗi nút mạng, địa chỉ đích trong gói tin được xác minh và so sánh với bảng định tuyến để tìm đường ra Độ trễ và biến động trễ phụ thuộc vào khả năng xử lý của bộ định tuyến và lưu lượng của luồng tin, ảnh hưởng trực tiếp đến trải nghiệm của người dùng Giải pháp cho vấn đề này là sử dụng cơ chế chuyển mạch nhãn với khả năng chuyển tiếp gói tin nhanh.

Tốc độ là yếu tố quan trọng trong chuyển mạch nhãn, giúp tăng cường hiệu suất xử lý lưu lượng người dùng trên internet Tuy nhiên, chuyển mạch nhãn không chỉ mang lại dịch vụ tốc độ cao mà còn cung cấp tính linh hoạt với nhiều tính năng khác để đáp ứng nhu cầu của người dùng Thay vì yêu cầu bộ định tuyến xử lý hàng loạt địa chỉ IP đang gia tăng, chuyển mạch nhãn cho phép gán các địa chỉ này với một hoặc vài nhãn, từ đó giảm kích thước bảng địa chỉ và cho phép bộ định tuyến hỗ trợ nhiều người sử dụng hơn.

Chuyển mạch nhãn đơn giản hóa quy trình chuyển tiếp gói tin bằng cách dựa vào "nhãn" của gói Mặc dù cần các kỹ thuật điều khiển để liên kết nhãn với luồng lưu lượng người dùng, những kỹ thuật này thường phức tạp nhưng không ảnh hưởng đến hiệu suất Khi nhãn đã được gán cho luồng lưu lượng, quá trình chuyển mạch nhãn có thể được thực hiện qua phần mềm, mạch tích hợp đặc biệt (ASIC) hoặc bộ xử lý chuyên dụng.

Các kỹ thuật điều khiển nhãn trong mạng chuyển mạch nhằm tối ưu hóa tài nguyên và đơn giản hóa việc thiết lập tuyến đường cho lưu lượng người dùng Định tuyến trong mạng Internet sử dụng địa chỉ IP, trong khi mạng LAN sử dụng địa chỉ MAC Quá trình định tuyến dựa vào nhiều thông tin từ tiêu đề gói tin IP, trong đó có trường kiểu dịch vụ.

Định tuyến theo địa chỉ đích là phương pháp chuyển tiếp gói tin phổ biến trong mạng IP, được trình bày chi tiết trong phần 2.1.5 của đồ án này Tuy nhiên, phương pháp này không phải lúc nào cũng hiệu quả do các vấn đề như lặp vòng trên mạng và sự khác biệt về kiến trúc mạng Thêm vào đó, các nhà cung cấp thiết bị như bộ định tuyến và cầu thường triển khai phương pháp định tuyến theo địa chỉ đích theo cách riêng, với một số thiết bị cho phép chia sẻ lưu lượng, trong khi những thiết bị khác sử dụng các trường chức năng như TOS và chỉ số cổng.

Chuyển mạch nhãn cho phép bộ định tuyến lựa chọn tuyến đầu ra một cách rõ ràng theo nhãn, cung cấp phương thức truyền tải lưu lượng qua các nút và liên kết phù hợp với yêu cầu QoS Giải pháp này giúp định hướng lưu lượng mà không cần nhận toàn bộ thông tin từ giao thức định tuyến IP động Định tuyến dựa trên IP thường liên quan đến các giao thức chuyển mạch nhãn như FR, ATM hoặc MPLS, sử dụng các trường chức năng trong tiêu đề gói tin IP như TOS, chỉ số cổng, và kích thước gói tin Các trường này cho phép mạng phân lớp dịch vụ thành các kiểu lưu lượng và thường được thực hiện tại các nút đầu vào mạng Bộ định tuyến lớp lõi sử dụng các bit đã xử lý tại thiết bị gờ để quyết định cách xử lý luồng lưu lượng đến, áp dụng các kiểu hàng đợi và phương pháp xếp hàng khác nhau Định tuyến dựa trên IP cũng cho phép quản lý mạng thực hiện phương pháp định tuyến ràng buộc, giúp bộ định tuyến áp dụng các chính sách dựa trên IP.

- Đặt các giá trị u tiên vào trong tiêu đề gói tin IP.

- ThiÕt lËp bíc kÕ tiÕp cho gãi tin

- Thiết lập giao diện ra cho gói tin

- Thiết lập bớc kế tiếp cho gói tin khi không tồn tại hớng trong bảng định tuyÕn

Chuyển mạch nhãn là một kỹ thuật điều khiển giao thức chuyển mạch IP theo kiểu topo, khác với các phương pháp chuyển mạch khác Địa chỉ mạng đích được xác định qua quá trình cập nhật bảng định tuyến, từ đó tạo ra đường dẫn chuyển mạch hướng tới đích Phương pháp này khái quát hóa cơ cấu chuyển tiếp và trao đổi nhãn, không chỉ phù hợp với các mạng lớn như ATM, chuyển mạch khung, PPP, mà còn thích hợp với bất kỳ phương pháp đóng gói nào.

Nhiều tài liệu chỉ ra rằng giao thức IP không thể định tuyến dựa trên chính sách và điều kiện ràng buộc do sự đa dạng của các mạng và nhà cung cấp dịch vụ trên Internet Không có một thỏa thuận cụ thể nào về việc sử dụng các bit ưu tiên, điều này ảnh hưởng đến hiệu quả của chuyển mạch nhãn Chuyển mạch nhãn chỉ thực sự hiệu quả khi có sự đồng thuận giữa các nhà điều hành mạng về cách sử dụng nhãn.

Các thành phần của mạng chuyển mạch nhãn

Một đặc điểm quan trọng của chuyển mạch nhãn là việc tách biệt các chức năng điều khiển lớp mạng khỏi hoạt động chuyển tiếp Sự tách biệt này đã được cân nhắc kỹ lưỡng trong quá trình thiết kế.

Nó cho phép các nhà cung cấp mạng kết hợp nhiều dịch vụ hiện tại và tương lai với cơ chế chuyển tiếp đơn giản, hỗ trợ các dịch vụ đặc biệt như định tuyến dựa vào đích và định tuyến đa hướng Chức năng định tuyến được kết hợp với việc thiết lập nhãn, tạo ra các đường dẫn chuyển mạch cho dịch vụ đầu cuối đến đầu cuối Mặc dù các dịch vụ có thể thay đổi, cơ chế chuyển tiếp cơ bản vẫn không thay đổi, giúp dễ dàng tích hợp các chức năng điều khiển lớp mạng mới mà không cần nâng cấp thiết bị trên đường dẫn chuyển tiếp Ví dụ, phiên bản IPv6 đã mở rộng không gian địa chỉ thành 128 bit mà không làm thay đổi đường dẫn chuyển tiếp hiện có Bài viết sẽ xem xét các thành phần này cùng với các khái niệm cơ bản trong mạng chuyển mạch nhãn.

Thành phần điều khiển chịu trách nhiệm tạo ra và quản lý các nhãn tại thiết bị LSR, bao gồm việc cấp phát và gán nhãn cho các đích cụ thể như địa chỉ máy chủ mạng, địa chỉ mạng, địa chỉ nhóm đa phương tiện hoặc thông tin lớp mạng Việc phân phối các nhãn được thực hiện bởi TDP hoặc thông qua các giao thức đã tồn tại trước đó.

Bao gồm kiến trúc, giao thức và thủ tục để gán thông tin lớp mạng vào nhãn, đồng thời chuyển tiếp gói tin thông qua cơ cấu trao đổi nhãn.

Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn (LSR)

Thiết bị chuyển tiếp hỗ trợ các giao thức định tuyến Unicast và Multicast tiêu chuẩn, cho phép chuyển tiếp gói tin ở lớp 3 Chúng có cơ cấu chuyển tiếp và trao đổi nhãn được điều khiển bởi cả phần cứng và phần mềm Các thiết bị LSR có khả năng phân phối nhãn liên kết giữa các LSR lân cận hoặc trong chính các thiết bị LSR LSR có thể là router truyền thống, chuyển mạch ATM, hoặc thiết bị tích hợp cả hai chức năng này.

Bộ định tuyến biên chuyển mạch nhãn (LER)

Một LER được đặt tại cổng vào hoặc cổng ra của mạng LSR, có khả năng cấp phát nhãn cho cổng đầu vào hoặc đầu ra và thực hiện chuyển tiếp tại lớp.

Chức năng của LER trong giao thức định tuyến Multicast và Unicast là gán nhãn cho các gói đầu vào chưa được gán nhãn và loại bỏ nhãn cho các gói đã được gán nhãn tại cổng ra.

Giao thức phân bổ nhãn

LSR áp dụng giao thức LDP như một phương thức điều khiển cơ sở để phân phối và gán nhãn Bản tin LDP chỉ được điều chỉnh khi có sự thay đổi giữa các node ngang hàng hoặc node liền kề trong mạng chuyển mạch nhãn.

Chuyển mạch nhãn là một kỹ thuật thú vị trong đóng gói IP, cho phép một gói mang nhiều nhãn Kỹ thuật này hoạt động bằng cách thêm một nhãn mới (mức 2) lên trên nhãn đã có (mức 1) Khi gói được chuyển tiếp qua mạng, nó dựa vào nhãn mức 2, và sau khi ra khỏi mạng, nhãn mức 2 sẽ bị loại bỏ, chuyển tiếp tiếp tục dựa vào nhãn mức 1.

Lớp chuyển tiếp tơng đơng(FEC)

FEC (Forwarding Equivalence Class) là một tập hợp các gói tin có đặc điểm chung, cho phép chúng được chuyển tiếp đồng nhất qua mạng Để thực hiện chuyển mạch nhãn, FEC có thể được cấu hình để thiết lập nhãn dọc theo đường dẫn của bộ định tuyến Ví dụ, tất cả các gói có cùng địa chỉ prefix có thể được xem là một FEC đơn hướng, từ đó xác định biên giới đến nhãn đơn hướng trong quá trình gán nhãn Đường dẫn chuyển mạch nhãn (LSP) được hình thành từ đầu vào đến đầu ra thông qua việc cấp phát một FEC và thiết lập các nhãn qua nhiều thiết bị LSR.

Chuyển mạch nhãn có thể cho phép các nhãn đợc phân phối sử dụng các giao thức điều khiển đang tồn tại nh RSVP và PIM gọi là Piggyback.

Thành phần chuyển tiếp gói tin

Thuật toán trong thành phần chuyển tiếp của bộ định tuyến chuyển mạch nhãn (LSR) quyết định việc chuyển tiếp dựa trên hai nguồn thông tin chính: bảng chuyển tiếp và nhãn trong gói tin.

Bảng chuyển tiếp trong bộ định tuyến chuyển mạch nhãn bao gồm nhiều mục (entry), mỗi mục chứa một nhãn đầu vào và nhiều mục từ phụ Các mục từ phụ này bao gồm nhãn đầu ra, giao diện ra và địa chỉ bước kế tiếp Trong một mục từ, các nhãn đầu ra có thể giống nhau hoặc khác nhau, đặc biệt trong trường hợp đấu nối multicast, khi cùng một nhãn đầu vào cần được chuyển ra nhiều giao diện khác nhau.

Hình 3.6: entry trong bảng chuyển tiếp

LSR có khả năng duy trì hai loại bảng chuyển tiếp: bảng chuyển tiếp đơn cho toàn bộ bộ định tuyến và bảng chuyển tiếp gắn liền với các giao diện Trong

Nhãn được sử dụng trong gói tin để chuyển qua chuyển mạch nhãn có thể được thực hiện theo nhiều phương pháp khác nhau, tùy thuộc vào công nghệ lớp liên kết như ATM và chuyển mạch khung.

Nhãn vào Subentry1 Subentry2 Nhãn vào Nhãn ra Nhãn ra Giao diện ra Giao diện ra Địa chỉ kế tiếp Địa chỉ kế tiếp

FR có khả năng mang các nhãn nhấn mạnh trong phần đầu của lớp liên kết Đặc biệt, trong trường hợp của ATM, nhãn có thể được chứa trong cả trường VPI và VCI của tiêu đề ATM.

FR, nhãn có thể mang trong trờng DLCI của mào đầu khung FR

Hình 3.7:Mang nhãn trong tiêu đề “Shim“

Phương pháp mang nhãn nhãn là một phần của tiêu đề lớp liên kết, cho phép chuyển mạch nhãn chỉ thực hiện trên một số công nghệ lớp hai, không phải toàn bộ công nghệ lớp mạng Để hỗ trợ chuyển mạch nhãn khi tiêu đề lớp liên kết không trực tiếp mang nhãn, một nhãn nhỏ gọi là “shim” được chèn vào giữa tiêu đề lớp mạng và lớp liên kết dữ liệu Điều này cho phép sử dụng với bất kỳ công nghệ mạng lớp liên kết nào như Ethernet, FDDI, token ring, và các liên kết PPP, giúp chuyển mạch nhãn hoạt động trên nhiều công nghệ mạng khác nhau.

Thuật toán chuyển tiếp chuyển mạch nhãn

Here is the rewritten paragraph:Thuật toán chuyển tiếp nhãn được thực hiện trong thành phần chuyển tiếp của chuyển mạch nhãn dựa trên quá trình tráo đổi nhãn "swapping" Khi một LSR nhận được một gói, bộ định tuyến tách nhãn từ gói tin và sử dụng nó như một chỉ số để truy nhập tới bảng chuyển tiếp Tại đây, mục từ đánh số bởi nhãn được tìm thấy và thay thế nhãn vào bằng nhãn ra, sau đó gửi gói tin tới giao diện ra theo hướng của bước kế tiếp được đặt trong mục từ phụ này Trong trường hợp đa bảng chuyển tiếp gắn kết với các giao diện của bộ định tuyến, các thủ tục vẫn tương tự, chỉ thay đổi nhỏ tại bước đầu tiên, ngay khi bộ định tuyến nhận được gói tin.

Nhãn không chỉ mang ý nghĩa chuyển tiếp mà còn có thể thể hiện việc dành trước tài nguyên Cụ thể, nhãn chuyển tiếp liên quan đến việc xác định một entry duy nhất trong bảng chuyển tiếp được duy trì bởi bộ định tuyến.

Tiêu đề lớp liên kết

Dữ liệu lớp mạng entry chứa thông tin về đích đến của gói tin, với nhãn có thể tùy chọn cho việc xử lý tài nguyên Nhãn này xác định các thông tin liên quan đến tài nguyên mà gói tin cần, đặc biệt là hàng đợi tiếp nhận Trong trường hợp nhãn nằm trong tiêu đề của ATM hoặc FR, nó mang cả hai ý nghĩa là chuyển tiếp và dành trước tài nguyên Ngược lại, nhãn trong tiêu đề shim chỉ mang ý nghĩa chuyển tiếp, trong khi thông tin về tài nguyên có thể được mã hóa một phần trong tiêu đề Một lựa chọn khác là sử dụng cả thành phần nhãn và không phải nhãn của shim để mã hóa thông tin, từ đó nhãn sẽ bao gồm cả ý nghĩa chuyển tiếp và dành trước tài nguyên.

Thuật toán chuyển tiếp trong chuyển mạch nhãn được thiết kế đơn giản, sử dụng thành phần chuyển tiếp nhãn để thực hiện trên phần cứng Điều này giúp nâng cao hiệu suất chuyển tiếp mà không cần đến phần cứng phức tạp và tốn kém.

Một đặc tính quan trọng của thuật toán chuyển tiếp sử dụng chuyển mạch nhãn là LSR có khả năng thu thập tất cả thông tin cần thiết để chuyển tiếp gói tin và quyết định tài nguyên mà gói tin có thể sử dụng trong một lần truy cập bộ nhớ Điều này được thực hiện thông qua việc mỗi entry trong bảng chuyển tiếp chứa đầy đủ thông tin cần thiết và nhãn trong gói tin cung cấp chỉ số tới entry đó Khả năng thu nhận cả hai thông tin trong một lần truy cập bộ nhớ giúp chuyển mạch nhãn trở thành công nghệ có hiệu suất truyền tải cao.

Việc sử dụng chuyển tiếp trao đổi nhãn tổ hợp cho phép nhiều thiết bị khác nhau sử dụng bộ định tuyến chuyển mạch nhãn LSR, mang lại sự linh hoạt trong công nghệ lớp liên kết Ví dụ, việc mang nhãn trong tiêu đề của ATM giúp cho việc chuyển mạch ATM hoạt động như một LSR mà không cần thay đổi phần cứng, trong khi các vấn đề khác được xử lý qua phần mềm điều khiển Tương tự, tiêu đề shim cho phép hầu hết các bộ định tuyến xử lý bằng phần mềm, biến chúng thành bộ định tuyến chuyển mạch nhãn LSR.

Thuật toán chuyển tiếp đơn

Trong kiến trúc của bộ định tuyến thông thường, các chức năng như định tuyến unicast, định tuyến multicast và unicast với kiểu dịch vụ được thực hiện bởi thành phần điều khiển Điều này yêu cầu nhiều thuật toán trong phần chuyển tiếp để đảm bảo hiệu suất tối ưu.

Bộ định tuyến thông thường thực hiện chuyển tiếp gói tin unicast thông qua quá trình tìm kiếm địa chỉ đích có tiền tố dài dựa trên địa chỉ lớp mạng Đối với chuyển tiếp multicast, các địa chỉ nguồn và giao diện ra cũng được thêm vào để xử lý gói tin Tuy nhiên, thời gian tìm kiếm địa chỉ IP tăng nhanh khi số lượng địa chỉ và kích thước bảng định tuyến gia tăng Để giải quyết vấn đề này, cần áp dụng các thuật toán hợp lý nhằm tối ưu hóa quá trình tìm kiếm địa chỉ có tiền tố dài nhất, giảm thiểu số lần tính toán và tối ưu hóa tìm kiếm trên cây nhị phân thông qua các hàm trọng số.

Hình 3.9: Kiến trúc chuyển mạch nhãn

Thành phần điều khiển

Các thành phần chuyển tiếp gói và điều khiển không chỉ áp dụng cho kiến trúc định tuyến thông thường mà còn cho chuyển mạch nhãn Trong phần này, chúng ta sẽ khám phá những khái niệm cơ bản liên quan đến thành phần điều khiển của chuyển mạch nhãn.

Thành phần điều khiển của chuyển mạch nhãn có nhiệm vụ:

(a) Phân bổ thông tin định tuyến giữa các LSR.

(b)Thực hiện các thủ tục chuyển đổi các thông tin định tuyến vào bảng chuyển tiếp nằm tại thành phần chuyển tiếp

Thành phần điều khiển chuyển mạch nhãn trong hệ thống định tuyến cung cấp thông tin định tuyến rõ ràng giữa các LSR, từ đó giúp bộ định tuyến thiết lập các thủ tục tạo bảng chuyển tiếp Thực tế, thành phần này sử dụng các giao thức định tuyến phổ biến như OSPF, BGP, và PIM Cấu trúc định tuyến chuyển mạch nhãn có thể được xem là một phần nhỏ thuộc về bộ định tuyến thông thường.

Thành phần điều khiển của bộ định tuyến thông thường không hoàn toàn hiệu quả trong việc hỗ trợ chuyển mạch nhãn, do kiến trúc định tuyến không phù hợp để tạo ra các bảng chuyển tiếp dựa trên thành phần chuyển tiếp nhãn Để hỗ trợ đầy đủ, LSR cần thực hiện một số thủ tục quan trọng: đầu tiên, tạo ra liên kết ràng buộc giữa nhãn và lớp chuyển tiếp tương ứng (FEC); thứ hai, thông báo cho các LSR khác về liên kết ràng buộc này; và cuối cùng, sử dụng cả hai bước trên để xây dựng và duy trì bảng chuyển tiếp.

Cấu trúc chung của thành phần điều khiển chuyển mạch nhãn chỉ ra trên hình 3.10 díi ®©y:

Hình 3.10: Thành phần điều khiển chuyển mạch nhãn

Các giao thức lớp mạng cung cấp thông tin cho các LSR về cách sắp xếp các FEC và địa chỉ bước kế tiếp Thủ tục tạo liên kết nhãn và phân bổ thông tin đến các LSR liên quan đến thông tin liên kết nhãn và FEC Hình 3.11 dưới đây mô tả hai kiểu liên kết nhãn nhằm tạo ra bảng chuyển tiếp chuyển mạch nhãn.

Hình 3.11: Cấu trúc bảng chuyển tiếp chuyển mạch nhãn

Thủ tục phân bổ thông tin về nhãn liên kết nhãn đã tạo

Thủ tục tạo liên kết giữa nhãn và FEC

Các giao thức định tuyến lớp mạng

Duy trì bảng chuyển tiếp

Sắp xếp FEC vào nhãn

Sắp xếp FEC vào bớc kế tiếp

Thủ tục phân bổ thông tin về nhãn liên kết nhãn đã tạo

Thủ tục tạo liên kết giữa nhãn và FEC

Các giao thức định tuyến lớp mạng

Duy trì bảng chuyển tiếp

Liên kết nhãn downstream thực hiện việc gán nhãn cho luồng FEC mà gói tin đang sử dụng, được tạo ra bởi LSR khi gán nhãn vào gói tin Thông tin liên kết nhãn di chuyển ngược lại với hướng của các gói tin.

Liên kết nhãn upstream thực hiện việc gán nhãn cho luồng FEC mà gói tin đang nằm trên đó, được tạo ra đồng thời với việc LSR gán nhãn vào gói tin Thông tin liên kết nhãn được truyền tải cùng chiều với hướng di chuyển của các gói tin.

Hình 3.12:Liên kết nhãn downstream và upstream

Hình 3.12 minh họa mối liên kết giữa nhãn downstream và upstream Trong trường hợp downstream, liên kết được tạo ra ở phía cuối kết nối, trong khi đó, đối với upstream, liên kết được hình thành tại cuối kết nối upstream.

Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn LSR duy trì một số nhãn "tự do" trong ngăn xếp nhãn, được sử dụng cho liên kết nhãn trực tiếp khi LSR khởi tạo Số lượng nhãn này phản ánh khả năng liên kết nhãn đồng thời của LSR Khi tạo ra liên kết nhãn mới, các nhãn sẽ được lấy ra từ ngăn xếp và khi hủy bỏ liên kết, chúng sẽ được trả lại để sử dụng trong tương lai.

Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn có hai dạng bảng chuyển tiếp: chuyển tiếp đơn và đa bảng chuyển tiếp Tùy thuộc vào kiểu bảng chuyển tiếp, bộ định tuyến này sẽ có một hoặc nhiều ngăn xếp chứa nhãn.

Tạo và huỷ bỏ liên kết nhãn

Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn (LSR) thực hiện việc tạo và huỷ bỏ liên kết nhãn dựa trên lớp chuyển tiếp tương ứng FEC, chịu ảnh hưởng từ gói tin chuyển tiếp và thông tin điều khiển như cập nhật định tuyến OSPF hoặc bản tin RSPV Quá trình này được chia thành hai loại: "data driven" khi bị tác động bởi gói tin chuyển tiếp và "control-driven" khi bị ảnh hưởng bởi thông tin điều khiển LSR hỗ trợ nhiều phương pháp tiếp cận khác nhau trong việc quản lý liên kết nhãn.

Thông tin liên kết nhãn Y

Thông tin liên kết nhãn X

Việc lựa chọn phương pháp thiết lập liên kết nhãn trong mạng LSR có thể được thực hiện theo hai cách: tiếp cận theo hướng dữ liệu, liên kết nhãn với luồng tin ngay khi gói tin đầu tiên đến, hoặc chờ một vài gói tin để thực hiện liên kết nhãn nếu các gói tin đến theo luồng Sự lựa chọn này không chỉ ảnh hưởng đến hiệu năng mà còn tác động đến độ mềm dẻo của LSR Do đó, chúng ta cần xem xét các điều kiện và yêu cầu của mạng để hiểu rõ hơn về các tiêu chí lựa chọn phương pháp phù hợp.

Chuyển mạch nhãn mang lại khả năng cải thiện hiệu năng hệ thống, và để phân tích hiệu năng này, cần xác định điều kiện hoạt động lý tưởng Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn có thể chuyển tiếp dữ liệu với tốc độ tùy thuộc vào thành phần chuyển tiếp của nó, không phụ thuộc vào phương pháp điều khiển Tốc độ này thường được quyết định bởi phần cứng chuyển mạch của bộ định tuyến; ví dụ, bộ định tuyến chạy trên nền ATM có hiệu năng chuyển gói cao nhất khi kiến trúc chuyển mạch ATM không bị tắc nghẽn Trong điều kiện lý tưởng, bất kỳ phương pháp điều khiển chuyển mạch nhãn nào cũng cần đạt được thông lượng theo yêu cầu.

Để đạt được điều kiện lý tưởng trong phương pháp điều khiển hướng dữ liệu, chúng ta cần tìm hiểu cách tiếp cận từ môi trường thực tế Tuy nhiên, điều này gặp nhiều khó khăn, đặc biệt khi các nhãn liên kết với các luồng dữ liệu có thời gian sống khác nhau Trong trường hợp này, điều kiện lý tưởng sẽ là luồng gói tin đến có thời gian sống vô hạn, dẫn đến việc giảm chi phí thiết lập đường chuyển mạch nhãn (LSP) xuống mức có thể bỏ qua Do đó, điều kiện lý tưởng này thường khác biệt so với thực tế mạng hiện tại.

3.5 Các giao thức định tuyến trong chuyển mạch IP

Trong bài viết này, chúng tôi đã trình bày một số giải pháp cơ bản trong chuyển mạch IP, kết hợp chức năng điều khiển với phương pháp định tuyến IP và hiệu năng cao của ATM Việc tích hợp giữa mặt bằng điều khiển và mặt bằng người sử dụng ATM trong thiết bị Router/Switch là cần thiết, dẫn đến yêu cầu về các giao thức điều khiển đặc biệt để tổ chức cấu trúc IP, bao gồm địa chỉ nguồn và địa chỉ đích của dòng dữ liệu Phương pháp định tuyến trong chuyển mạch IP là yếu tố quan trọng để nâng cao hiệu suất mạng, đặc biệt là trong các miền lớn, và một số giao thức định tuyến chủ yếu sẽ được giới thiệu trong phần tiếp theo.

Giao thức định tuyến OSPF và OSPF mở rộng

OSPF (Open Shortest Path First) là giao thức định tuyến trạng thái liên kết, được sử dụng bởi các bộ định tuyến để xây dựng và duy trì cơ sở dữ liệu topo mạng trong hệ thống tự trị (AS) Giao thức này cho phép định tuyến theo kiểu dịch vụ, với khả năng cài đặt nhiều tuyến đường đến một đích cụ thể, sử dụng địa chỉ đích và vùng kiểu dịch vụ trong phần đầu IP để chọn tuyến đường OSPF cũng hỗ trợ cân bằng lưu lượng, cho phép bộ định tuyến chia tải khi có nhiều tuyến đường với cùng một giá trị bộ đo lường Để quản lý hiệu quả, OSPF phân chia mạng thành các khu vực riêng biệt, tăng cường tính mềm dẻo của mạng Tất cả các trao đổi giữa các bộ định tuyến đều có thể được xác minh, và OSPF hỗ trợ định tuyến không phân lớp, cũng như cho phép các mạng đa truy xuất có cổng chỉ định để gửi thông tin trạng thái liên kết OSPF cũng cho phép người quản lý mô tả cấu hình mạng ảo tách biệt với mạng vật lý, đồng thời cho phép trao đổi thông tin định tuyến từ bên ngoài Đặc biệt, OSPF có khả năng mở rộng, cho phép tạo ra thông tin lớp IP và lớp liên kết qua mạng ATM, làm cho OSPF trở thành phương tiện hiệu quả để sắp xếp địa chỉ IP/ATM và xây dựng SVC giữa các bộ định tuyến.

Định tuyến cỡng bức

Định tuyến cng bức là một khái niệm quan trọng trong mạng IP, đặc biệt trong bối cảnh mạng Internet Để hiểu rõ về định tuyến cng bức, trước tiên cần xem xét cơ chế định tuyến truyền thống, trong đó mạng được mô hình hóa như một tập hợp các hệ thống độc lập.

Trong mỗi Hệ thống Tự trị (AS), việc định tuyến tuân theo giao thức định tuyến nội vùng như RIP, OSPF và IS-IS Trong khi đó, giữa các AS, giao thức định tuyến liên vùng được sử dụng chủ yếu là BGPv4.

Định tuyến cỡng bức là quá trình xác định đường kết nối giữa các nút mạng trong một mạng được biểu diễn dưới dạng sơ đồ (V, E), trong đó V là tập hợp các nút và E là các kênh kết nối Mỗi kênh có đặc điểm riêng và các điều kiện cỡng bức mà đường kết nối phải tuân thủ Nút đầu tiên trong cặp kết nối chịu trách nhiệm khởi tạo và biết các đặc điểm này Nhiệm vụ của định tuyến cỡng bức là tính toán đường kết nối từ nút này đến nút kia mà không vi phạm các điều kiện cỡng bức và đảm bảo tối ưu theo tiêu chí nhất định Sau khi xác định đường kết nối, định tuyến cỡng bức sẽ thiết lập, duy trì và truyền trạng thái kết nối dọc theo các kênh Điểm khác biệt chính giữa định tuyến IP truyền thống và định tuyến cỡng bức là trong khi thuật toán IP truyền thống chỉ tìm ra đường tối ưu theo một tiêu chí, thì thuật toán cỡng bức phải đảm bảo không vi phạm các điều kiện cỡng bức đồng thời tìm ra phương án tối ưu.

Trên đây đã đề cập đến việc tìm đờng không vi phạm các điều kiện cỡng bức, tiếp theo sẽ tìm hiểu thế nào là điều kiện cỡng bức

Điều kiện cỡng bức là yếu tố quan trọng giúp xác định một đờng với các tham số hoạt động nhất định, chẳng hạn như tìm kiếm đờng có độ rộng băng tần khả dụng nhỏ nhất Khi áp dụng điều kiện này vào thuật toán định tuyến, dữ liệu đầu vào tối thiểu cần có độ rộng băng tần khả dụng của tất cả các kênh dọc theo đờng Đặc điểm cần chú ý ở đây là độ rộng băng tần khả dụng của kênh Cần lưu ý rằng các đờng trong mạng có thể có điều kiện cỡng bức về độ rộng băng tần khác nhau, dẫn đến việc một cặp nút có thể yêu cầu giá trị độ rộng băng tần khả dụng nhỏ nhất khác nhau cho từng đờng.

Một trong những điều kiện cỡng bức trong quản trị mạng là việc kiểm soát lưu lượng qua các kênh nhất định dựa trên các đặc điểm cụ thể Nhà quản trị có thể áp dụng thuật toán định tuyến để ngăn chặn một loại lưu lượng đi qua các kênh không mong muốn hoặc chỉ cho phép lưu lượng đi qua những kênh nhất định Định tuyến có thể kết hợp cả hai điều kiện cỡng bức, tức là vừa quản lý lưu lượng, vừa dựa trên tính năng của kênh Ví dụ, điều kiện cỡng bức có thể yêu cầu tìm ra một đường đi với băng thông nhất định, đồng thời loại trừ các kênh không phù hợp.

Phương pháp định tuyến IP đơn giản không thể hỗ trợ các điều kiện cưỡng bức, vì các điều kiện này cần phải được tính toán từ phía nguồn Mỗi nguồn có thể có những điều kiện cưỡng bức khác nhau cho cùng một đích, và chỉ bộ định tuyến của nguồn đó mới nắm rõ các điều kiện này Trong khi đó, định tuyến IP đơn giản dựa vào việc tính toán tuyến đường từ tất cả các định tuyến phân tán trong toàn mạng, do đó không thể đáp ứng yêu cầu của các điều kiện cưỡng bức.

Một nguyên nhân khiến phương pháp định tuyến IP đơn giản không thể hỗ trợ điều kiện cưỡng bức là do mô hình chuyển tiếp đường được xác định bởi nguồn không được hỗ trợ trong phương pháp này Phương pháp định tuyến cưỡng bức yêu cầu khả năng định tuyến tường minh, hoặc định tuyến nguồn, vì các nguồn khác nhau có thể tính toán và xác định các đường khác nhau đến cùng một đích Do đó, chỉ có thông tin về đích là không đủ để xác định đường truyền cho các gói tin.

Đối với phương pháp định tuyến cưỡng bức, việc xác định đường đi cần tính đến đặc điểm tương ứng của từng kênh trong mạng, đòi hỏi phải có cách truyền thông tin này Phương pháp định tuyến IP đơn giản không hỗ trợ yêu cầu này, trong khi các giao thức như OSPF và IS-IS chỉ truyền thông tin về trạng thái và độ dài kênh, còn giao thức RIP chỉ cung cấp địa chỉ nút tiếp theo và khoảng cách Mặc dù định tuyến cưỡng bức không được hỗ trợ bởi định tuyến IP đơn giản, nhưng có thể nâng cấp để bổ sung chức năng tương ứng Việc nâng cấp này cho phép xây dựng hệ thống định tuyến kết hợp, trong đó một số lưu lượng có thể sử dụng phương pháp định tuyến đơn giản, trong khi các lưu lượng khác lại áp dụng định tuyến cưỡng bức.

Hệ thống định tuyến kết hợp giữa AS định tuyến IP đơn giản và định tuyến cưỡng bức cần cung cấp đa dạng thông tin cho các ứng dụng định tuyến.

Để hỗ trợ định tuyến cường bức trong hệ thống định tuyến IP đơn giản, cần bổ sung một số chức năng quan trọng Đặc điểm chính của định tuyến cường bức là khả năng tính toán và xác định đường tại nguồn, trong đó việc tính toán không chỉ dựa vào các tiêu chí tối ưu mà còn phải tuân thủ các điều kiện cường bức không được vi phạm Điều này đòi hỏi phía nguồn phải có đầy đủ thông tin cần thiết để thực hiện việc tính toán và xác định đường một cách chính xác.

Các thông tin cần thiết để xác định đường đi trong mạng có thể được lấy từ cơ sở dữ liệu của nguồn và các nguồn khác trong mạng Những thông tin này bao gồm điều kiện cường bức của các nguồn và cấu trúc mạng, cũng như đặc điểm của các kênh tương ứng Tất cả các nút trong mạng đều có thể là nguồn khởi phát lưu lượng định tuyến, do đó, mỗi nút cần có thông tin này khi cần thiết Để đảm bảo tính hiệu quả, cần phải phân phối thông tin về cấu trúc mạng và đặc điểm các kênh tới tất cả các nút Cuối cùng, hệ thống cần hỗ trợ định tuyến hiện tại để tính toán xác định đường đi một cách chính xác.

Khi xác định một tuyến cho nhóm lưu lượng, cần dự phòng tài nguyên tuyến để điều chỉnh các đặc điểm của các kênh trong mạng Nếu độ băng tần khả dụng là điều kiện bắt buộc, việc truyền lưu lượng yêu cầu dự phòng băng tần sẽ ảnh hưởng đến giá trị băng tần khả dụng của các kênh dọc theo tuyến Do đó, tài nguyên mạng cần được dự phòng và các thông số kênh phải có khả năng thay đổi khi truyền lưu lượng tương ứng.

Tổng kết chơng

Trong chương 3, chúng tôi xem xét các vấn đề mấu chốt của công nghệ chuyển mạch IP, bao gồm các mô hình cơ bản và sự kết hợp giữa hai môi trường IP và ATM Bài viết trình bày các giải pháp phát triển công nghệ chuyển mạch IP, phác thảo các xu hướng công nghệ từ nhóm phát triển ITU T và IETF với các kiểu mô hình ứng dụng khác nhau Ngoài ra, chúng tôi cũng đề cập đến khía cạnh định tuyến trong mạng chuyển mạch IP, giới thiệu các phương pháp định tuyến cơ bản và các giải pháp phối hợp giữa định tuyến IP và ATM, như định tuyến OSPF mở rộng, định tuyến PNNI mở rộng và định tuyến cưỡng bức trong MPLS, sẽ được xem xét cụ thể hơn trong phần sau của đồ án.

Giới thiệu chung

Trong chương này, chúng ta sẽ khám phá sâu hơn về các kỹ thuật mà công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS) sử dụng, cũng như các dịch vụ mà MPLS có khả năng cung cấp và hỗ trợ Ngoài ra, chúng ta sẽ xem xét lại một số yêu cầu tiêu chuẩn hoá MPLS được đề xuất bởi nhóm làm việc MPLS vào năm 2001, nhằm hiểu rõ hơn về các tiêu chí quan trọng đối với công nghệ này.

MPLS phải làm việc với hầu hết các công nghệ liên kết dữ liệu

MPLS phải thích ứng với các giao thức lớp mạng và các công nghệ IP liên quan MPLS cần hoạt động độc lập với giao thức định tuyến

MPLS phải hỗ trợ mọi khả năng chuyển tiếp của nhãn bất kỳ

MPLS phải hỗ trợ chức năng vận hành quản lý và bảo dỡng

MPLS cần xác định và ngăn chặn chuyển tiếp vòng

MPLS phải hoạt động tốt trong mạng phân cấp

MPLS phải có tính kế thừa

Trong các tiêu chuẩn gần đây, MPLS đã được bổ sung nhiều hỗ trợ mới, không chỉ cho chuyển mạch trao đổi khe thời gian TDM mà còn cho chuyển mạch không gian và bước sóng quang, được định nghĩa trong các tiêu chuẩn GMPLS Dựa trên các yêu cầu này, nhóm làm việc MPLS đã đề ra các mục tiêu chính mà MPLS cần thực thi.

Các giao thức được tiêu chuẩn hóa nhằm duy trì và phân phối nhãn hỗ trợ định tuyến dựa theo đích, cũng như chuyển tiếp gói tin bằng phương pháp trao đổi nhãn, bao gồm cả unicast và multicast.

Chỉ rõ các giao thức tiêu chuẩn hỗ trợ định tuyến phân cấp

Chỉ rõ các giao thức duy trì và phân phối nhãn để hỗ trợ các đờng dẫn đảm bảo chất lợng dịch vụ, hỗ trợ cho kỹ thuật lu lợng

Here is the rewritten paragraph:Để mang lại thông tin nhãn trên các công nghệ lớp 2, các thủ tục đã được tiêu chuẩn hoá Đặc biệt, một phương pháp tiêu chuẩn được chỉ ra để hoạt động cùng với môi trường ATM tại cả mặt bằng điều khiển và mặt bằng người sử dụng, đảm bảo sự tương thích và hiệu quả trong quá trình trao đổi thông tin.

Hỗ trợ các công nghệ QOS ( nh giao thức RSVP), kỹ thuật lu lợng TE, mạng riêng ảo VPN trên nền ATM và quang cho mạng thế hệ kế tiếp

Chỉ ra các tiêu chuẩn cho phép các Host sử dụng MPLS

MPLS được xem là một công nghệ quan trọng trong việc truyền tải dữ liệu tại mạng lõi, đặc biệt trên các đường trục của mạng WAN/MAN, với khả năng phân phối gói tin một cách hiệu quả Một quan điểm khác cho rằng MPLS thuộc công nghệ lớp 2.5, cho thấy nó không phải là một lớp mới mà là một phần ảo trong cơ chế điều khiển giữa lớp mạng và lớp liên kết dữ liệu MPLS không phải là giao thức lớp mạng mới vì thiếu khả năng tự định tuyến và sơ đồ địa chỉ như ở lớp 3 Trong môi trường IP, MPLS kết hợp các phương pháp đánh địa chỉ và giao thức định tuyến hiện có với những điều chỉnh cần thiết.

Líp cao (4-7) Lớp mạng Líp 2.5 MPLS Lớp liên kết dữ liệu Líp vËt lý

MPLS không chỉ đơn thuần thuộc lớp 2 mà còn được thiết kế để tương thích với nhiều công nghệ mạng liên kết dữ liệu khác nhau Để hiểu rõ hơn về cách tiếp cận này, chúng ta cần xem xét vị trí của nhãn trong gói tin Dạng nhãn phụ thuộc vào phương tiện truyền mà gói tin được đóng gói; ví dụ, các gói ATM sử dụng giá trị VPI/VCI, trong khi FR sử dụng DLCI Đối với các phương tiện gốc không có cấu trúc nhãn, một đoạn đệm 4 byte sẽ được chèn thêm để sử dụng cho nhãn.

Trong các khung PPP hoặc Ethernet, giá trị nhận dạng giao thức P-Id (hoặc Ethertype) được chèn vào tiêu đề khung tương ứng để xác định loại khung, cho biết đó là MPLS unicast hay multicast.

Các hớng tiếp cận trên sẽ đợc sáng tỏ qua các đặc điểm chi tiết về công nghệ MPLS sẽ đợc trình bày dới đây

MPLS Đệm Tiêu đề lớp

Các thành phần cơ bản của MPLS

Các thuật ngữ

Trong phần này, chúng ta sẽ liệt kê một số thuật ngữ quan trọng liên quan đến công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS), những thuật ngữ này sẽ được áp dụng trong cuốn đồ án này.

Kết hợp nhãn: Là thủ tục thay thế các nhãn đầu vào thành một luồng FEC với một nhãn đầu ra

Bước chuyển mạch nhãn là quá trình chuyển tiếp gói tin giữa hai node MPLS thông qua nhãn Đường dẫn chuyển mạch nhãn là tuyến đường mà gói tin đi qua một hoặc nhiều LSR, cho phép chuyển tiếp trên lớp tương đương FEC.

Ngăn xếp nhãn (Label stack) là một tập hợp có thứ tự các nhãn gắn theo gói, giúp truyền tải thông tin về nhiều FEC mà gói chứa và các LSP tương ứng mà gói sẽ đi qua Ngăn xếp nhãn cho phép MPLS hỗ trợ định tuyến phân cấp, với một nhãn dành cho EGP và một nhãn dành cho IGP, đồng thời tổ chức đa LSP trong một trung kế LSP.

Ngăn xếp nhãn (Hình 4.3) là một phần quan trọng trong mạng MPLS Bộ định tuyến chuyển nhãn (Label Switch Router - LSR) là thiết bị chủ chốt, sử dụng quy trình phân phối nhãn để chuyển tiếp các gói tin Có một số loại LSR cơ bản bao gồm LSR biên, ATM-LSR và ATM-LSR biên.

Lớp chuyển tiếp tương đương FEC (Forwarding Equivalence Classes) là khái niệm chỉ một nhóm gói được xử lý giống nhau qua mạng MPLS, bất chấp sự khác biệt trong tiêu đề lớp mạng FEC bao gồm ba thành phần chính: tiền tố địa chỉ, nhận dạng bộ định tuyến và đặc tính luồng Nhóm gói tin IP có thể được chuyển qua cùng một đường LSP với tiêu đề nhãn giống nhau.

Bảng chuyển mạch chuyển tiếp nhãn (LSFT) chứa thông tin quan trọng về nhãn đầu vào, nhãn đầu ra, giao diện đầu ra và địa chỉ nút tiếp theo, giúp minh hoạ lớp chuyển tiếp tương đương.

Cơ sở dữ liệu nhãn LIB (Label Information Base) là bảng kết nối trong LSR, chứa giá trị nhãn/FEC được gán vào cổng ra, đồng thời cung cấp thông tin về đóng gói phương tiện truyền.

Gói tin dán nhãn là gói tin có nhãn được mã hóa bên trong, có thể nằm trong tiêu đề dành riêng cho mục đích dán nhãn hoặc trong tiêu đề lớp mạng và lớp liên kết dữ liệu Công nghệ mã hóa phải tương thích với cả thực thể mã hóa và giải mã nhãn Trong mạng MPLS, việc kết hợp nhãn L với FEC cụ thể do LSR phía trước thực hiện, sau đó thông báo cho LSR phía sau, dẫn đến việc các nhãn được ấn định và phân phối theo hướng từ LSR phía trước tới LSR phía sau.

Kiểu của node MPLS 77 3B

Căn cứ vào vị trí và chức năng, LSR được phân thành hai loại chính: LSR biên, nằm ở biên mạng MPLS, có nhiệm vụ tiếp nhận và gửi các gói thông tin từ hoặc đến mạng khác như IP và Frame Relay LSR biên thực hiện việc gán hoặc loại bỏ nhãn cho các gói thông tin khi vào hoặc ra khỏi mạng MPLS, và có thể đóng vai trò là bộ định tuyến lối vào hoặc lối ra.

Hình 4.5: Các kiểu node MPLS

ATM-LSR là các tổng đài ATM có khả năng thực hiện chức năng định tuyến gói IP và gán nhãn trong mảng điều khiển, đồng thời chuyển tiếp dữ liệu qua cơ chế chuyển mạch tế bào ATM Điều này cho phép các tổng đài chuyển mạch ATM truyền thống nâng cấp phần mềm để tích hợp chức năng LSR Bảng 4.1 trình bày các loại LSR cùng với chức năng của chúng.

Loại LSR Chức năng thực hiện

LSR Chuyển tiếp gói có nhãn

LSR nhận gói IP, kiểm tra lại lớp 3 và thêm nhãn trước khi gửi gói vào mạng LSR Sau đó, nó nhận gói tin có nhãn, loại bỏ nhãn, kiểm tra lại lớp 3 và chuyển tiếp gói IP đến nút tiếp theo.

ATM-LSR sử dụng giao thức MPLS trong mảng điều khiển để thiết lập kênh ảo ATM, giúp chuyển tiếp tế bào đến nút ATM LSR tiếp theo Việc này đảm bảo quá trình truyền tải dữ liệu hiệu quả và ổn định.

Nhận gói có nhãn hoặc không nhãn và phân phối vào các tế bào ATM, sau đó gửi các tế bào đến nút ATM LSR tiếp theo Tiếp theo, nhận các tế bào ATM từ ATM-LSR lân cận, tái tạo gói từ các tế bào ATM và chuyển tiếp gói có nhãn hoặc không nhãn.

Bảng 4.1 : Các loại LSR trong mạng MPLS

Các giao thức cơ bản

Phát hiện và chống vòng lặp 80 5B

Hiện tượng vòng lặp có thể xảy ra trong bất kỳ loại mạng nào và hầu hết các giao thức định tuyến đều có thể gặp phải tình trạng này, đặc biệt khi mạng gặp sự cố hoặc khi một tuyến liên kết bị hỏng Để ngăn chặn hiện tượng vòng lặp, có hai phương pháp cơ bản: thứ nhất, ngăn ngừa vòng lặp bằng cách hạn chế thông tin trên tuyến vòng lặp trước khi gói tin được chuyển; thứ hai, giảm bớt hậu quả của vòng lặp bằng cách từng bước hạn chế ảnh hưởng bất lợi mà nó gây ra.

Hầu hết các giao thức định tuyến thuần IP không thể chống lại hiện tượng vòng lặp thời gian ngắn, trong khi IP forwarding sử dụng tiếp cận thứ hai để giảm thiểu tác động của vòng lặp Trường thời gian sống TTL trong gói tin sẽ giảm dần cho đến khi bằng “0”, lúc đó gói tin sẽ bị hủy MPLS có thể thực hiện chính xác các giải pháp của giao thức IP nhờ vào trường chức năng TTL trong gói tin, nhưng nếu không có trường này, giải pháp sẽ được thực hiện tại LSR, với TSR sử dụng tài nguyên để theo dõi lưu lượng và ngăn chặn sự gia tăng đột biến lưu lượng do định tuyến lặp TSR có khả năng tính toán các bước nhảy khi liên kết nhãn được phân phối theo yêu cầu Nếu trong quá trình tính toán, giá trị của nút bằng 0, điều đó có nghĩa là yêu cầu liên kết bị lỗi Giải pháp được đưa ra thể hiện trong kiến trúc mạng MPLS, sử dụng chỉ định vùng đệm như một cách hạn chế ảnh hưởng của mạch vòng Các chuyển mạch ATM có thể giới hạn không gian bộ đệm sử dụng bởi một kênh ảo VC, điều này giúp giảm thiểu thiệt hại do vòng lặp trong môi trường MPLS Mục tiêu hạn chế vòng lặp là cho phép định tuyến tái hội tụ, đảm bảo rằng các bộ định tuyến không bị quá tải với các gói tin chuyển tiếp vòng Trong ATM-LSR, nếu các gói tin đang lặp vòng chiếm không gian bộ nhớ đệm, các chuyển mạch vẫn có thể chuyển tiếp các gói tin cập nhật định tuyến để đảm bảo các tuyến được hội tụ Ngay cả khi mạch vòng không phải là tạm thời, ATM-LSR vẫn có khả năng xử lý gói tin điều khiển và chuyển tiếp các gói tin không lặp vòng nếu tài nguyên chuyển mạch bị tiêu tốn cho vòng lặp có giới hạn.

Kỹ thuật phát hiện mạch vòng trong MPLS là một phần của kiến trúc ARIS, dựa trên ý tưởng vecto đường dẫn Tính năng này là tùy chọn trong MPLS và yêu cầu các LSR phải được cấu hình Vecto đường dẫn bao gồm danh sách các LSP với các bản tin Label REQUEST và Label MAPPING Khi xảy ra hiện tượng mạch vòng, các LSR sẽ nhận thấy các bản tin đi vòng hoặc bản tin yêu cầu chứa đúng địa chỉ của nó, từ đó mạch vòng sẽ được phát hiện và hủy bỏ.

Cuối cùng, MPLS đã phát triển một phương pháp ngăn ngừa vòng lặp dựa trên khái niệm "colored threads" (các mạch màu), một khái niệm hoàn toàn mới trong chuyển mạch nhãn Phương pháp này có thể hoạt động với bất kỳ LSR nào, mặc dù gắn liền với LSR ATM Nó yêu cầu một cơ chế điều khiển LSP và mô hình hóa các tiến trình xử lý thiết lập LSP như một phần mở rộng của các mạch màu từ bộ định tuyến đầu vào đến đầu ra Nếu mạch gặp vòng lặp, các bộ định tuyến sẽ nhận diện một màu đã chọn trước đó và sẽ ngừng xử lý thiết lập LSP cho đến khi vòng lặp được khắc phục.

Giao thức phân phối nhãn LDP 81 6B

Giao thức phân phối nhãn (LDP) được nhóm nghiên cứu MPLS của IETF xây dựng và công bố dưới tên RFC 3036 Phiên bản mới nhất, phát hành vào năm 2001, đã đưa ra các định nghĩa và nguyên tắc hoạt động cơ bản của giao thức này.

Phân phối nhãn là hoạt động cốt lõi của MPLS, cho phép các nhãn hoạt động trên các giao thức khác nhau Trong trường hợp định tuyến multicast, PIM được sử dụng để phân phối nhãn, trong khi đối với unicast, MPLS áp dụng giao thức Label Distribution Protocol (LDP) và Border Gateway Protocol (BGP) Giao thức LDP đóng vai trò quan trọng trong quá trình gán nhãn cho các gói thông tin, cho phép các Label Switching Routers (LSR) trao đổi và điều phối việc gán nhãn/FEC thông qua các thủ tục trao đổi bản tin Hình 4.8 minh họa vị trí và mối liên kết chức năng của LDP với các bộ giao thức khác, đồng thời LDP có những đặc trưng cơ bản cần lưu ý.

LDP cung cấp các kỹ thuật phát hiện LSR để cho phép LSR tìm kiếm và thiết lập truyền thông

LDP định nghĩa 4 loại bản tin:

- Bản tin tìm kiếm đợc sử dụng để thông báo và duy trì sự hiện hiện của một LSR trong mạng

- Bản tin liên kết khởi tạo, giữ và đóng phiên làm việc giữa các LSR.

- Bản tin quảng cáo đợc sử dụng để tạo, thay đổi và xoá bỏ các ánh xạ dòng/nhãn giữa các LSR cùng cấp

- Bản tin thông báo sử dụng để cung cấp các thông tin giám sát và báo hiệu thông tin lỗi

LDP chạy trên giao thức TCP để đảm bảo độ tin cậy của các bản tin(trừ bản tin phát hiện)

LDP được thiết kế với khả năng mở rộng dễ dàng, sử dụng kiểu bản tin đặc biệt nhằm thu thập các đối tượng mã hóa TVL, bao gồm kiểu, độ dài và giá trị.

Thành phần giao thức MPLS Thành phần giao thức non-MPLS

Mgr Quản lý LDP Dscy Bản tin phát hiện Sess Bản tin quản lý phiên Advt Phát hành LDP Notf Bản tin xác nhận

Hình 4.8 Giao thức LDP với các giao thức khác

Một kết nối TCP được thiết lập giữa các LSR đồng cấp để đảm bảo rằng các bản tin LDP được truyền đúng thứ tự và trung thực Các bản tin LDP có thể xuất phát từ bất kỳ LSR nào để điều khiển đường chuyển mạch nhãn LSP độc lập hoặc từ LSR biên lối ra để điều khiển LSP theo lệnh Việc trao đổi các bản tin LDP có thể được khởi phát bởi luồng số liệu đặc biệt, bản tin lập dự trữ RSVP hoặc cập nhật thông tin định tuyến Khi một cặp LSR đã trao đổi bản tin LDP cho một FEC nhất định, một đường chuyển mạch LSP sẽ được thiết lập sau khi mỗi LSR ghép nhãn đầu vào với nhãn đầu ra tương ứng trong LIB của nó.

Phát hiện LSR lân cận

Thủ tục phát hiện LSR lân cận của LDP trên UDP được thực hiện như sau: Một LSR sẽ định kỳ gửi bản tin HELLO tới các cổng UDP đã biết trên tất cả các bộ định tuyến trong mạng con của nhóm multicast Tất cả các LSR nhận bản tin HELLO này qua cổng UDP, giúp LSR nhận biết tất cả các LSR khác mà nó kết nối trực tiếp Khi LSR xác định được địa chỉ của LSR khác, nó sẽ thiết lập kết nối TCP đến LSR đó Kết quả là phiên LDP được thiết lập giữa hai LSR, tạo ra một phiên hai chiều, cho phép mỗi LSR ở hai đầu kết nối có thể yêu cầu và gửi liên kết nhãn.

Trong trường hợp các LSR không kết nối trực tiếp trong một mạng con, một cơ chế bổ sung được sử dụng là LSR định kỳ gửi bản tin HELLO đến cổng UDP đã biết tại địa chỉ IP xác định Đầu nhận bản tin này có thể phản hồi bằng cách gửi lại bản tin HELLO theo chiều ngược lại đến LSR gửi, từ đó thiết lập các phiên LDP được thực hiện.

Trong trường hợp này, thường áp dụng khi giữa hai LSR (Label Switch Router) có một đường LSP (Label Switched Path) để điều khiển lưu lượng Điều này yêu cầu việc gửi các gói tin có nhãn qua đường LSP đó.

Hình 4.9 Thủ tục phát hiện LSR lân cận

Bản tin LDP được truyền qua giao thức TCP, nhưng việc lựa chọn TCP cho truyền tải LDP cần được xem xét kỹ lưỡng Độ tin cậy trong truyền tải là rất quan trọng, vì nếu việc liên kết nhãn không được đảm bảo, lưu lượng sẽ không thể chuyển mạch theo nhãn Ngoài ra, thứ tự các bản tin cũng cần được duy trì chính xác Câu hỏi đặt ra là liệu việc sử dụng TCP cho LDP có đủ đảm bảo hay không, và có nên tích hợp chức năng truyền tải trong LDP hay không? Việc xây dựng các chức năng đảm bảo độ tin cậy trong LDP không nhất thiết phải sao chép toàn bộ chức năng của TCP, mà chỉ cần tập trung vào những chức năng thiết yếu, như kiểm soát tránh tắc nghẽn có thể không cần thiết Tuy nhiên, việc phát triển thêm các chức năng đảm bảo độ tin cậy trong LDP cần xem xét các vấn đề như bộ định thời cho các bản tin ghi nhận và không ghi nhận, trong khi sử dụng TCP chỉ cần một bộ định thời cho toàn bộ phiên LDP.

Thiết kế giao thức truyền tải tin cậy là một thách thức lớn Mặc dù đã có nhiều nỗ lực cải thiện TCP để nâng cao độ tin cậy, nhưng vấn đề vẫn chưa được giải quyết triệt để Hiện nay, TCP vẫn được sử dụng phổ biến cho việc truyền tải LDP.

Trong giao thức phân phối nhãn LDP, có bảy kiểu bản tin cơ bản, bao gồm: bản tin khởi tạo (Initialization), bản tin giữ đường (KeepAlive), bản tin gán nhãn (Label Mapping), bản tin giải phóng (Release), bản tin thu hồi nhãn (Label Withdraw), bản tin yêu cầu (Request), và bản tin huỷ bỏ yêu cầu (Request Abort).

Bản tin Initialization được gửi khi khởi đầu phiên LDP giữa hai LSR nhằm trao đổi các tham số và tùy chọn cho phiên Các tham số này rất quan trọng để đảm bảo sự kết nối và hiệu quả trong quá trình truyền tải dữ liệu.

- Chế độ phân bổ nhãn

- Các giá trị bộ định thời

- Phạm vi các nhãn sử dụng trong kênh giữa 2 LSR đó

Cả 2 LSR đều có thể gửi các bản tin Initialization và LSR nhận sẽ trả lời bằng KeepAlive nếu các tham số đợc chấp nhận Nếu có một tham số nào đó không đợc chấp nhận thì LSR trả lời thông báo có lỗi và phiên kết thúc

Bản tin KeepAlive được gửi định kỳ để đảm bảo rằng các thành phần LDP vẫn hoạt động hiệu quả Nếu không nhận được bản tin KeepAlive hoặc bất kỳ bản tin LDP nào trong một khoảng thời gian nhất định, LSR sẽ xác định rằng kết nối hoặc đối phương có thể đã bị hỏng, dẫn đến việc phiên LDP bị dừng.

Bản tin Label Mapping được sử dụng để thiết lập liên kết giữa FEC (Prefix địa chỉ) và nhãn, trong khi bản tin Label Withdrawal thực hiện việc xóa bỏ liên kết này Bản tin Label Withdrawal thường được áp dụng khi có sự thay đổi trong bảng định tuyến hoặc cấu hình LSR, dẫn đến việc tạm dừng chuyển nhãn cho các gói trong FEC tương ứng.

Bản tin Label Release được sử dụng bởi LSR khi nhận chuyển đổi nhãn không còn cần thiết Điều này thường xảy ra khi LSR phát hiện nút tiếp theo trong FEC không phải là LSR quảng bá liên kết nhãn/FEC đó Trong chế độ gán nhãn theo yêu cầu, LSR sẽ yêu cầu gán nhãn từ LSR lân cận thông qua bản tin Label Request Nếu cần hủy bỏ bản tin Label Request trước khi được chấp nhận do thay đổi nút kế tiếp trong FEC, LSR sẽ gửi bản tin Label Request Abort để loại bỏ yêu cầu.

Các cơ chế phân phối nhãn:

Giao thức RSVP

Giao thức RSVP (Resource Reservation Protocol) được thiết kế để dành trước tài nguyên lớp phiên trên internet Điều này tạo nên một khía cạnh đặc biệt của internet, khác với cách mà các dịch vụ thường được cung cấp với nỗ lực cao nhất mà không yêu cầu xác định trước từ ứng dụng người dùng.

RSVP đảm bảo hiệu suất bằng cách cung cấp các tài nguyên cần thiết tại từng thiết bị trên đường kết nối, nhằm hỗ trợ cho luồng dữ liệu.

Giao thức dành cho tài nguyên không hỗ trợ hoạt động định tuyến, nhưng nó áp dụng IPv4 hoặc IPv6 như một kỹ thuật truyền tải tương tự như giao thức ICMP (Internet Control Message Protocol) và IGMP (Internet Group Management Protocol).

Hình 4.14 : Thủ tục báo hiệu trong RSVP

RSVP là giao thức cho phép các ứng dụng gửi yêu cầu về chất lượng dịch vụ (QoS) đến mạng, và mạng sẽ phản hồi bằng thông báo thành công hoặc thất bại sau khi phân tích yêu cầu Thông tin trong bản tin RSVP bao gồm thông tin phân loại để nhận biết các luồng dữ liệu với yêu cầu QoS cụ thể, bao gồm địa chỉ IP của bên gửi và nhận cùng với số cổng UDP Ngoài ra, bản tin còn chứa chỉ tiêu kỹ thuật của luồng dữ liệu và các yêu cầu QoS theo định dạng TSpec và RSpec, bao gồm các dịch vụ yêu cầu như có bảo đảm hoặc tải điều khiển.

RSVP hoạt động với thủ tục unicast và multicast, sử dụng hai loại bản tin cơ bản là PATH và RESV Bản tin PATH được gửi từ bộ gửi tới một hoặc nhiều bộ nhận, chứa TSpec và thông tin phân loại do bộ gửi cung cấp Bản tin này luôn được gửi tới một địa chỉ phiên, có thể là địa chỉ unicast hoặc multicast Khi máy nhận nhận được bản tin PATH, nó có thể gửi bản tin RESV trở lại cho máy gửi, xác nhận phiên và cung cấp thông tin về số cổng dành riêng cùng RSpec để xác nhận mức QoS mà bộ nhận yêu cầu.

Các bản tin PATH và RESV chứa thông tin nhận dạng luồng và yêu cầu chất lượng dịch vụ, chỉ thị các dịch vụ đảm bảo như tốc độ đỉnh, kích thước lớn nhất khi bùng nổ lưu lượng, và tốc độ gáo dò Thay vì đảm bảo dịch vụ, một điều hành tải điều khiển có thể được thực hiện, giúp mạng điều chỉnh từng luồng lưu lượng mà không ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ của các luồng khác Giao thức RSVP là giao thức “trạng thái mềm”, trong đó trạng thái tự động hết hiệu lực sau một thời gian nếu không được làm tươi định kỳ Điều này có nghĩa là RSVP sẽ gửi các bản tin PATH và RESV định kỳ để duy trì các cổng dành riêng; nếu không gửi trong khoảng thời gian xác định, các cổng này sẽ tự động bị hủy bỏ.

Mục tiêu chính của việc bổ sung hỗ trợ RSVP vào MPLS là giúp các LSR phân loại gói tin dựa trên nhãn thay vì tiêu đề IP, từ đó nhận diện gói tin thuộc các luồng cổng dành riêng Điều này yêu cầu tạo và kết hợp phân phối giữa các luồng và nhãn cho các luồng có cổng RSVP Các gói tin từ cổng RSVP có thể được xem như một trường hợp đặc biệt của FEC Việc kết hợp nhãn với các luồng trong RSVP, đặc biệt là unicast, trở nên dễ dàng hơn Chúng ta định nghĩa một đối tượng mới trong RSVP, gọi là đối tượng LABEL, được mang trong bản tin RSVP RESV Khi một LSR cần gửi bản tin RESV cho một luồng RSVP mới, nó sẽ cấp phát một nhãn từ tập nhãn rỗi và gửi bản tin RESV kèm nhãn này Lưu ý rằng các bản tin RESV được truyền từ bộ nhận đến bộ gửi dưới dạng cấp phát nhãn xuôi.

Khi nhận bản tin RESV chứa đối tượng LABEL, LSR thiết lập LFIB với nhãn này là nhãn lối ra và cấp phát nhãn lối vào để chèn vào bản tin RESV trước khi gửi đi Điều này cho phép LSP được thiết lập dọc theo tuyến đường khi các bản tin RESV truyền đến LSR ngược Mỗi LSR có thể kết hợp các tài nguyên QoS phù hợp với LSP khi nhận nhãn trong bản tin RESV Trong ví dụ, LSR R3 cấp phát nhãn L cho cổng dành riêng và thông báo cho LSR R2, trong khi LSR R2 cấp phát nhãn M cho cùng cổng và thông báo cho LSR R1 Khi gói tin từ H1 tới H2 đến R1, R1 sử dụng thông tin IP và lớp truyền tải để tạo ra QoS cho cổng dành riêng, đồng thời thực hiện chức năng của bộ định tuyến tích hợp dịch vụ với RSVP Cuối cùng, LSR R1 chèn nhãn vào gói tin và gửi gói tin tới LSR R2 với giá trị nhãn lối ra là M.

Khi LSR-R2 nhận gói tin có nhãn M, nó tìm kiếm nhãn này trong LFIB để xác định các trạng thái liên quan đến QoS như kiểm soát luồng và xếp hàng đợi gói tin mà không cần kiểm tra tiêu đề lớp IP hay lớp truyền tải Sau đó, R2 thay thế nhãn trên gói tin bằng nhãn lối ra L từ LFIB và gửi gói tin đi.

Hình 3.15 : Nhãn phân phối trong bảng tin RESV

Việc tạo ra nhãn kết hợp được điều khiển bởi các bản tin RSVP cho thấy khả năng kết hợp nhãn trong các môi trường khác của MPLS Đây là một ví dụ minh chứng cho việc mang thông tin kết hợp nhãn trên một giao thức có sẵn mà không cần một giao thức riêng như LDP.

Việc thiết lập một LSP cho một luồng với cổng dành riêng RSVP cho phép chỉ bộ định tuyến đầu tiên, như LSR-R1, xem xét các gói tin thuộc luồng đó, điều này giúp RSVP hoạt động hiệu quả hơn trong môi trường MPLS so với mạng IP truyền thống Các cổng dành riêng RSVP có thể chỉ định cho các luồng ứng dụng riêng lẻ, nhưng LSR-R1 có thể được cấu hình để chọn gói tin dựa trên nhiều tiêu chuẩn khác nhau, cho phép một LSP cung cấp QoS cho nhiều luồng lưu lượng Khả năng này hỗ trợ việc cung cấp "đường ống" với băng thông đảm bảo và điều khiển lưu lượng, giúp gửi lưu lượng lớn qua các LSP với băng thông đủ Để tăng cường sử dụng RSVP, MPLS định nghĩa đối tượng RSVP mới là LABEL_REQUEST trong bản tin PATH, giúp thiết lập LSP Site-to-Site và xác định giao thức lớp cao hơn mà không cần trường phân kênh trong mào đầu MPLS Điều này cho phép thiết lập LSP cho nhiều giao thức lớp cao hơn mà không giới hạn, và không yêu cầu các gói tin trong LSP phải là gói tin IP.

RSVP và khả năng mở rộng

RSVP, mặc dù được thiết kế để hỗ trợ dự trữ tài nguyên cho các luồng ứng dụng riêng, vẫn gặp phải thách thức về khả năng mở rộng Thuật ngữ này thường chỉ ra giới hạn sử dụng tài nguyên khi mạng phát triển Trong các mạng IP quy mô lớn, như mạng xương sống của các nhà cung cấp dịch vụ Internet, cần quan tâm đến việc bảng định tuyến có thể chiếm bộ nhớ, khả năng xử lý và băng thông liên kết của bộ định tuyến Do đó, tốc độ tăng trưởng của bảng định tuyến chậm hơn nhiều so với số lượng người dùng kết nối vào mạng.

Dự trữ tài nguyên cho các luồng ứng dụng riêng ảnh hưởng xấu đến khả năng mở rộng, vì mỗi người dùng sẽ dự trữ tài nguyên với tốc độ trung bình Số tài nguyên dự trữ qua mạng lớn có thể tăng nhanh theo số lượng người sử dụng, dẫn đến chi phí lớn nếu mỗi bộ định tuyến phải lưu trữ trạng thái và tiến trình

Mức dự trữ tài nguyên cho các luồng ứng dụng kém hơn so với RSVP, điều này đặc biệt quan trọng khi xem xét rằng RSVP không chỉ yêu cầu dự trữ tài nguyên cho từng luồng ứng dụng mà còn cho lưu lượng tổng hợp.

Giao thức CR-LDP là một phần mở rộng của LDP, được sử dụng để điều khiển cường bức LDP trong quá trình định tuyến cường bức của LSP Tương tự như LDP, CR-LDP sử dụng các phiên TCP giữa các LSR đồng cấp để gửi các bản tin phân phối nhãn.

Các chế độ hoạt động của MPLS

Chế độ hoạt động khung MPLS

Chế độ hoạt động của MPLS trong môi trường định tuyến IP điểm-điểm sử dụng các gói tin gán nhãn để chuyển tiếp dựa trên khung lớp 2 Quá trình chuyển tiếp gói IP qua mạng MPLS diễn ra qua các bước cơ bản: đầu tiên, LSR biên lối vào nhận gói IP, phân loại vào nhóm chuyển tiếp tương ứng (FEC) và gán nhãn cho gói Khi định tuyến đến địa chỉ đích, FEC tương ứng với mạng con đích, và việc phân loại gói dựa vào bảng định tuyến lớp 3 Tiếp theo, LSR lõi nhận gói có nhãn, sử dụng bảng chuyển tiếp nhãn để thay đổi nhãn lối vào thành nhãn lối ra tương ứng với vùng FEC Cuối cùng, LSR biên lối ra của vùng FEC loại bỏ nhãn và chuyển tiếp gói IP theo bảng định tuyến lớp 3 truyền thống.

Nhãn MPLS đợc chèn giữa tiêu đề lớp 2 và nội dung thông tin lớp 3 của khung lớp

2 nh thể hiện trong hình 4.16 dới đây:

Số liệu lớp 3 (Gói IP) Tiêu đề lớp 2

Gói IP không nhãn trong khung líp 2

Số liệu lớp 3 (Gói IP) Tiêu đề lớp 2

Gói IP có nhãn trong khung líp 2

Hình 4.16: Vị trí của nhãn MPLS trong khung lớp 2

Trong mạng MPLS, nhãn được chèn vào gói tin để bộ định tuyến nhận biết rằng gói đang được gửi không phải là gói IP thuần mà là gói MPLS Để đơn giản hóa quá trình này, một số giao thức mới đã được định nghĩa trên lớp 2 Trong môi trường LAN, các gói MPLS sử dụng giá trị 8847H và 8848H để truyền tải gói lớp 3 unicast hoặc multicast qua ethernet Trên kênh điểm-điểm, giao thức điều khiển MPLS (MPLSCP) được sử dụng với giá trị 8281H trong trường giao thức PPP để đánh dấu các gói MPLS Các gói MPLS cũng có thể được truyền qua chuyển dịch khung DLCI giữa các router với nhận dạng giao thức lớp mạng SNAP và tiêu đề SNAP có giá trị 8847H cho ethernet Cuối cùng, các gói MPLS giữa các router qua kênh ảo ATM Forum được đóng gói với tiêu đề SNAP tương tự như trong môi trường LAN.

Khi một LSR mới xuất hiện trong mạng MPLS hoặc khi khởi tạo mạng MPLS, các LSR phải giao tiếp qua bản tin Hello để khai báo Sau khi gửi bản tin này, một phiên giao dịch giữa hai LSR sẽ diễn ra thông qua giao thức LDP Khi cơ sở dữ liệu nhãn (LIB) được tạo ra trong LSR, nhãn sẽ được gán cho mỗi FEC mà LSR nhận biết, trong đó FEC tương ứng với prefix trong bảng định tuyến IP Do đó, nhãn sẽ được gán cho mỗi prefix trong bảng định tuyến IP và bảng chuyển đổi trong LIB Bảng chuyển đổi định tuyến này được cập nhật liên tục khi có các tuyến nội vùng mới, và nhãn mới sẽ được gán cho các tuyến mới này.

LSR gán nhãn cho mỗi tiền tố IP trong bảng định tuyến ngay khi tiền tố xuất hiện, và nhãn này được sử dụng bởi các LSR khác khi gửi gói tin có nhãn đến LSR đó Phương pháp gán và phân phối nhãn này được gọi là gán nhãn điều khiển, độc lập với quá trình phân phối ngược không yêu cầu.

Liên kết các nhãn được quảng bá đến tất cả các bộ định tuyến thông qua giao thức phân bổ nhãn LDP là một phần quan trọng trong mạng Chi tiết về hoạt động của LDP đã được mô tả trong phần trước của đồ án này.

Chế độ hoạt động tế bào MPLS……………………………… 96 9B

Khi triển khai MPLS qua ATM, cần giải quyết một số trở ngại quan trọng Đầu tiên, hiện tại không có cơ chế cho việc trao đổi trực tiếp các gói IP giữa hai nút MPLS lân cận qua giao diện ATM; tất cả dữ liệu phải được truyền qua kênh ảo ATM Thứ hai, các tổng đài ATM không thể thực hiện kiểm tra nhãn hay địa chỉ lớp 3, mà chỉ có khả năng chuyển đổi VC đầu vào sang VC đầu ra của giao diện.

Để đảm bảo thực thi MPLS qua ATM, cần xây dựng một số cơ chế quan trọng Trước hết, các gói IP trong mảng điều khiển không thể trao đổi trực tiếp qua giao diện ATM; do đó, một kênh ảo VC phải được thiết lập giữa hai nút MPLS lân cận để trao đổi thông tin điều khiển Thứ hai, nhãn trên cùng trong ngăn xếp nhãn cần được sử dụng cho các giá trị VPI/VCI Cuối cùng, các thủ tục gán và phân phối nhãn cần được điều chỉnh để các tổng đài ATM không phải kiểm tra địa chỉ lớp 3.

Trong phần tiếp theo một số thuật ngữ của MPLS đợc sử dụng:

Giao diện ATM điều khiển chuyển mạch nhãn (LC-ATM) là một phần quan trọng trong tổng đài hoặc router, nơi giá trị VPI/VCI được gán thông qua quy trình điều khiển MPLS (LDP).

ATM-LSR là tổng đài ATM áp dụng giao thức MPLS để quản lý và thực hiện chuyển tiếp MPLS giữa các giao diện LC-ATM Hệ thống này sử dụng chuyển mạch tế bào ATM truyền thống trong mảng số liệu.

LSR dựa trên khung là loại LSR chuyển tiếp toàn bộ các khung giữa các giao diện của nó, với router truyền thống là một ví dụ điển hình cho loại này.

Miền ATM-LSR: Là tập hợp các ATM-LSR kết nối với nhau qua các giao diện LS-

ATM-LSR biên: Là LSR dựa trên khung có ít nhất một giao diện LC-ATM

Kết nối trong mảng điều khiển qua giao diện LC-ATM

Cấu trúc MPLS yêu cầu liên kết thuần IP giữa các mảng điều khiển của các LSR lân cận để trao đổi nhãn và gói điều khiển Các router có khả năng gửi và nhận gói IP cũng như gói có nhãn qua mọi giao diện chế độ khung, dù là LAN hay WAN, nhưng tổng đài ATM không hỗ trợ điều này Để thiết lập kết nối thuần IP giữa các ATM-LSR, có hai phương pháp: kết nối ngoài băng nhãn qua Ethernet giữa các tổng đài và sử dụng kênh ảo quản lý trong băng theo cách mà giao thức của ATM Forum thực hiện.

Hình 4.17: Trao đổi thông tin giữa các LSR cận kề

Kênh ảo MPLS VC thường sử dụng giá trị VPI/VCI là 0/32 và yêu cầu phương pháp đóng gói LLC/SNAP cho gói IP theo chuẩn RFC 1483 Khi triển khai MPLS trong tổng đài ATM (ATM LSR), phần điều khiển trung tâm phải hỗ trợ báo hiệu MPLS và giao thức thiết lập kênh VC, với hai loại giao thức hoạt động song song Một số tổng đài như Cisco hỗ trợ ngay các chức năng mới, trong khi một số khác có thể nâng cấp qua firmware Trong trường hợp này, bộ điều khiển MPLS bên ngoài có thể được bổ sung vào tổng đài để đảm bảo chức năng mới, với liên lạc giữa tổng đài và bộ điều khiển ngoài chỉ hỗ trợ thiết lập kênh VC, còn báo hiệu MPLS được thực hiện bởi bộ điều khiển bên ngoài.

ATM- LSR Mảng điều khiển MPLS trong tổng đài

Ma trËn chuyển mạch ATM

ATM- LSR Mảng điều khiển MPLS trong tổng đài

Ma trËn chuyển mạch ATM

Kênh ảo điều khiÓn MPLS

Mảng điều khiển Giao thức định tuyến IP Bảng định tuyến IP Giao thức báo hiệu MPLS

Mảng điều khiển Giao thức định tuyến IP Bảng định tuyến IP Giao thức báo hiệu MPLS

Trao đổi liên kết nhãn

Các gói tin đến Các gói tin ra

Hình 4.18: Cơ chế thiết lập kênh ảo điều khiển MPLS

Chuyển tiếp các gói có nhãn qua miền ATM LSR-

Việc chuyển tiếp gói nhãn qua miền ATM-LSR diễn ra qua các bước sau: ATM-LSR biên lối vào nhận gói có nhãn hoặc không nhãn, kiểm tra cơ sở dữ liệu FIB hoặc LFIB để xác định giá trị VPI/VCI đầu ra cho nhãn lối ra Các gói nhãn được phân chia thành tế bào ATM và gửi đến ATM-LSR tiếp theo, với giá trị VPI/VCI gắn vào tiêu đề của từng tế bào Các nút ATM LSR chuyển mạch tế bào dựa trên giá trị VPI/VCI theo cơ chế chuyển mạch ATM truyền thống, đảm bảo việc chuyển đổi giá trị VPI/VCI nội vùng và ngoại vùng chính xác ATM-LSR biên lối ra tái tạo gói có nhãn từ các tế bào, kiểm tra nhãn và chuyển tiếp tế bào đến LSR tiếp theo, dựa trên giá trị VPI/VCI mà không thay đổi nhãn bên trong tế bào ATM Lưu ý rằng nhãn đỉnh của ngăn xếp được lập giá trị bằng 0 trước khi gói có nhãn được phân chia thành các tế bào.

Phân phối nhãn trong miền ATM-LSR

Việc phân bổ và phân phối nhãn trong chế độ hoạt động này có thể áp dụng cơ chế tương tự như trong chế độ hoạt động khung Tuy nhiên, việc triển khai như vậy sẽ gặp phải nhiều hạn chế, vì mỗi nhãn được gán qua giao diện LC ATM tương ứng với một ATM VC Do số lượng kênh VC qua giao diện ATM là có hạn, cần phải giới hạn số lượng VC phân bổ qua LC ATM ở mức tối thiểu Để đảm bảo điều này, các LSR phía sau sẽ chịu trách nhiệm yêu cầu phân bổ và phân phối nhãn qua giao diện LC ATM Các LSR phía sau cần nhãn để gửi gói đến nút tiếp theo phải yêu cầu nhãn từ LSR phía trước Thông thường, các nhãn được yêu cầu dựa trên nội dung bảng định tuyến, không dựa vào luồng dữ liệu, điều này yêu cầu nhãn cho mỗi đích trong phạm vi của nút kế tiếp qua giao diện LC-ATM.

LSR phía trước có nhiệm vụ phân bổ nhãn và phản hồi yêu cầu cho LSR phía sau bằng bản tin trả lời tương ứng Trong trường hợp không còn nhãn, LSR phía trước cần kiểm tra địa chỉ lớp 3 để xác định đích Đối với tổng đài ATM, yêu cầu chỉ được trả lời khi có nhãn được phân bổ cho đích phía trước Nếu ATM-LSR không nhận được nhãn phù hợp từ LSR phía trước, nó sẽ yêu cầu nhãn và chỉ phản hồi khi nhận được nhãn từ LSR phía trước.

Vấn đề hợp nhất kênh ảo VC trong mạng MPLS là rất quan trọng cho các tổng đài ATM, nhằm tối ưu hóa quá trình gán nhãn Việc sử dụng lại nhãn cho các gói đến cùng đích có thể gây khó khăn khi các gói này xuất phát từ các nguồn khác nhau, dẫn đến tình trạng xen kẽ tế bào Để khắc phục, ATM LSR cần yêu cầu nhãn mới từ LSR phía trước mỗi khi có yêu cầu nhãn đến một đích, ngay cả khi đã có nhãn phân bổ Một số tổng đài ATM có thể đảm bảo rằng hai luồng tế bào sử dụng cùng một VC không bao giờ xen kẽ bằng cách tạm lưu tế bào trong bộ đệm cho đến khi nhận được tế bào có bit kết thúc khung Tuy nhiên, điều này làm tăng độ trễ qua tổng đài, và quá trình gửi các tế bào ra kênh VC được gọi là hợp nhất kênh ảo VC, giúp giảm thiểu số lượng nhãn phân bổ trong miền ATM-LSR.

Tổng kết chơng

Triển khai ứng dụng MPLS trong mạng viễn thông của VNPT 106 2B

Thế giới đang trải qua một kỷ nguyên thông tin mới, được thúc đẩy bởi công nghệ và đa phương tiện, cùng với những biến động xã hội và toàn cầu hóa trong kinh doanh và giải trí Sự gia tăng người dùng phương tiện điện tử là một minh chứng rõ ràng cho xu hướng này Internet, với sự phát triển mạnh mẽ của nó, chính là biểu hiện đầu tiên của xa lộ thông tin, phản ánh những chuyển biến hướng tới một xã hội thông tin.

Việc chuyển đổi từ công nghệ tương tự sang công nghệ số đã mang lại sức sống mới cho mạng viễn thông Tuy nhiên, các dịch vụ này yêu cầu nhà khai thác phải nghiên cứu công nghệ viễn thông mới trong cả lĩnh vực mạng lẫn chế tạo thiết bị Cấu hình mạng hợp lý và việc sử dụng công nghệ chuyển giao thông tin tiên tiến là những thách thức lớn đối với nhà khai thác và nhà sản xuất thiết bị.

Hiện nay, chúng ta đang chứng kiến sự chuyển mình từ công nghệ thế hệ cũ (chuyển mạch kênh) sang công nghệ thế hệ mới (chuyển mạch gói) Sự chuyển đổi này không chỉ ảnh hưởng đến hạ tầng cơ sở thông tin mà còn tác động đến cách thức hoạt động của các công ty cung cấp dịch vụ Các nhà khai thác thế hệ mới đang áp dụng những phương thức tiếp cận mới để phục vụ khách hàng hiệu quả hơn.

Các hãng cung cấp thiết bị và nhà khai thác toàn cầu đã phát triển một nguyên tắc tổ chức mới cho mạng viễn thông, được gọi là mạng thế hệ sau (NGN) Cấu trúc của mạng NGN được chia thành ba lớp cơ bản: lớp điều khiển kết nối và dịch vụ, lớp truyền tải, và lớp truy nhập Ngoài ra, lớp quản lý được coi là một mảng nằm ngang, quản lý các lớp chức năng trên.

Việc phân lớp chức năng của mạng giúp tối ưu hóa việc triển khai công nghệ và thiết bị tại nhiều địa điểm khác nhau, đảm bảo tính hiệu quả trong từng lớp và từng thời điểm thích hợp.

Dựa trên các phân tích về mô hình tổng đài đa dịch vụ của MSF và cấu trúc hệ thống điều khiển softswitch, có thể đề xuất một số giải pháp triển khai công nghệ MPLS trong mạng NGN của Tổng công ty BCVT Việt Nam đến năm 2010.

5.1.2.1 Các giải pháp ứng dụng MPLS

Có ba giải pháp chính để triển khai MPLS trong mạng: Giải pháp 1 là triển khai MPLS trong mạng lõi thông qua các tổng đài chuyển tiếp vùng Giải pháp 2 tập trung vào việc triển khai MPLS trong các tổng đài đa dịch vụ tại các vùng lưu lượng, với mạng lõi sử dụng tổng đài ATM Cuối cùng, Giải pháp 3 kết hợp mạng lõi và các tổng đài đa dịch vụ đều sử dụng MPLS.

Mỗi giải pháp đều có u nhợc điểm sẽ đợc phân tích trong phần tiếp theo

5.1.2.1.1 Giải pháp 1: MPLS trong mạng lõi a Nội dung giải pháp:

Triển khai cấu hình mạng MPLS trong lớp core của mạng thế hệ mới là một phần quan trọng trong chiến lược phát triển mạng Viễn thông của VNPT đến năm 2010 Các tổng đài trong lớp core đã được xác định rõ ràng, đảm bảo tính hiệu quả và khả năng mở rộng của hệ thống mạng.

Giai đoạn 2001-2003, MPLS được triển khai tại ba tổng đài core ở Hà Nội, Đà Nẵng và TP Hồ Chí Minh, với tất cả các trung kế sử dụng công nghệ này, đóng vai trò là LSR core Tại 11 tỉnh thành phố trọng điểm như Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Quảng Ninh, Huế, Đà Nẵng, Khánh Hòa, Bà Rịa Vũng Tàu, Đồng Nai, Cần Thơ và Bình Dương, các nút ghép luồng trung kế TGW và tổng đài đa dịch vụ ATM+IP hỗ trợ cổng MPLS được trang bị Nếu các nút truy nhập NGN tại 11 tỉnh thành phố này được trang bị, chúng sẽ kết nối vào mạng MPLS thông qua các tổng đài đa dịch vụ ATM+IP tại địa phương Chức năng điều khiển các thủ tục MPLS được thiết lập tại hai trung tâm điều khiển ở Hà Nội và TP Hồ Chí Minh.

Giai đoạn 2004-2005 đánh dấu sự phát triển quan trọng với việc tăng cường thêm 2 tổng đài MPLS tại 2 vùng lưu lượng mới, hoàn thiện 2 mặt chuyển tải MPLS (A và B) Đồng thời, nút điều khiển được bổ sung tại Đà Nẵng, tạo ra 3 vùng điều khiển riêng biệt Tuy nhiên, trong giai đoạn này, không có sự mở rộng phạm vi mạng MPLS xuống cấp vùng.

Giai đoạn 2006-2010: o Hoàn chỉnh nút điều khiển (5 vùng điều khiển) o Không mở rộng phạm vi MPLS xuống cấp vùng b CÊu h×nh triÓn khai:

Cấu hình triển khai được thể hiện trong hình 5.7 Ưu điểm của hệ thống bao gồm sự đơn giản trong tổ chức và triển khai, khả năng thống nhất với phương án tổ chức mạng NGN thông qua việc tách biệt chức năng lớp điều khiển và chuyển tải Ngoài ra, sản phẩm thương mại đã có mặt trên thị trường và việc kết nối với cấp vùng (các tổng đài đa dịch vụ ATM+IP) được thực hiện dễ dàng qua giao diện ATM 155Mb/s hoặc 622Mb/s, nhờ vào khả năng khai báo MPLS hoặc ATM trên cùng một cổng vật lý của các thiết bị.

Mặc dù công nghệ MPLS đang phát triển, nhưng vẫn chưa đạt đến độ chín muồi, dẫn đến nguy cơ rủi ro do mức độ chấp nhận chưa cao trên thị trường Ngoài ra, chi phí đầu tư ban đầu cho các thiết bị chuyển mạch MPLS cao hơn so với các thiết bị chuyển mạch thuần ATM hoặc IP Đặc biệt, cần làm rõ hơn về chất lượng dịch vụ QoS, nhất là đối với dịch vụ thoại khi lưu lượng thoại PSTN được chuyển tiếp qua mạng MPLS.

Mặc dù phương án 1 có vẻ thuận tiện và đơn giản để triển khai, việc chỉ mua thiết bị MPLS và bắt tay vào thực hiện là không đủ Trước khi triển khai mạng MPLS core, cần xác định rõ nhiều vấn đề kỹ thuật Một trong những vấn đề quan trọng là xác định chức năng của LSR core tại các nút truyền tải và chức năng của nút điều khiển tương ứng theo mô hình MSF đã được trình bày trước đó Ngoài ra, cần lưu ý đến giao diện, trong đó các LSR core được coi như các thành phần thiết yếu trong mạng.

MG và phần điều khiển sẽ là MGC, kết nối với nút điều khiển (H.248/Megaco Sigtran) Trong giai đoạn 2001-2003, việc phân vùng điều khiển trở nên rõ ràng, với câu hỏi liệu LSR core tại Đà Nẵng sẽ do vùng 1 hay vùng 2 điều khiển, hay tổ chức theo kiểu load-sharing Mạng cấp đường trục VNPT trong tương lai cần đảm nhận chức năng kết nối quốc tế, vì vậy cần giải quyết cổng kết nối quốc tế khi MPLS qua vệ tinh hay mạng MPLS quốc tế chưa được hình thành Việc bổ sung khối TGW để kết nối đến cổng quốc tế hiện nay cho các dịch vụ PSTN, Internet và truyền số liệu IP là cần thiết, với lựa chọn VoATM cho TGW.

5.1.2.1.2 Giải pháp 2: ATM core, MPLS trong các tổng đài đa dịch vụ a Nội dung giải pháp:

Triển khai cấu hình mạng ATM tại lớp core và áp dụng MPLS cho các tổng đài đa dịch vụ trong mạng thế hệ mới là những bước quan trọng trong chiến lược phát triển mạng Viễn thông của VNPT đến năm 2010 Các giai đoạn phát triển này nhằm nâng cao hiệu suất và khả năng mở rộng của hệ thống mạng, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng.