119 Trang 7 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắtNghĩa tiếng AnhNghĩa tiếng ViệtABR Area border Router Router được sử dụng để kết nối 2 vùng OSPF AF Assured Forwarding Dịch vụ bảo đảm trong
Chuyển mạch nhãn là gì
MPLS (Multi-Protocol Label Switching) là một cơ chế trong mạng máy tính và viễn thông, kết hợp các tính chất của mạng chuyển mạch mạch và mạng chuyển mạch gói Hoạt động ở giữa lớp 2 và lớp 3 trong mô hình OSI, MPLS được gọi là giao thức lớp 2.5 Nó được thiết kế để cung cấp dịch vụ mang dữ liệu duy nhất cho cả thuê bao của mạng chuyển mạch mạch lẫn mạng chuyển mạch gói.
Nó có thể được sử dụng để mang rất nhiều loại dữ liệu gồm: IP, ATM, SONET, khung Ethernet.
Tại sao lại phải sử dụng chuyển mạch nhãn
Phần này giới thiệu các đặc điểm của chuyển mạch nhãn, bao gồm:
- Tiêu tốn ít tài nguyên cho thông tin điều khiển
Cơ chế vận chuyển dữ liệu trong mạng IP dựa vào phần mềm để thực hiện các thao tác phức tạp, dẫn đến tốc độ chậm và khó quản lý lưu lượng lớn, gây tổn thất kết nối và giảm hiệu suất mạng Ngược lại, trong chuyển mạch nhãn, giá trị nhãn được đặt trong phần tiêu đề gói tin và sử dụng làm chỉ mục tìm kiếm trong bảng dữ liệu, cho phép thực hiện qua phần cứng Nhờ đó, gói tin trong mạng chuyển mạch nhãn được vận chuyển nhanh hơn, giảm thời gian trễ và đáp ứng, đồng thời giảm thiểu hiện tượng jitter Do đó, cơ chế chuyển mạch nhãn hiệu quả hơn, giúp lưu lượng qua mạng nhanh hơn và ít jitter hơn so với IP.
Chuyển mạch nhãn có khả năng mở rộng, giúp đáp ứng nhu cầu phát triển lưu lượng nhanh chóng của cộng đồng Internet Nếu Router phải lưu giữ thông tin về đường đi của tất cả người dùng, khối lượng thông tin sẽ rất lớn, khó khăn trong việc xử lý Giải pháp của chuyển mạch nhãn là gộp nhiều địa chỉ IP vào một hoặc vài nhãn, giảm kích cỡ bảng thông tin nhãn và cho phép Router hỗ trợ nhiều người dùng hơn.
Chuyển mạch nhãn sử dụng cơ chế chuyển tiếp dữ liệu đơn giản bằng cách gửi gói dữ liệu dựa trên nhãn cố định và ngắn Mặc dù cơ chế điều khiển có thể phức tạp, nhưng không ảnh hưởng đến luồng lưu lượng của người sử dụng Thao tác chuyển mạch nhãn có thể được thực hiện trong các bộ vi xử lý riêng biệt mà không tiêu tốn nhiều tài nguyên mạng Mạng chuyển mạch nhãn không yêu cầu nhiều tài nguyên để thiết lập đường đi cho lưu lượng, giúp cải thiện hiệu quả sử dụng tài nguyên Việc định tuyến dựa vào địa chỉ đích có thể dẫn đến tình trạng tắc nghẽn, trong khi mạng chuyển mạch nhãn cho phép điều khiển đường đi của lưu lượng tốt hơn thông qua các cơ chế định tuyến ràng buộc theo chính sách của nhà quản trị.
Các khái niệm trong chuyển mạch nhãn
Các thao tác nhãn
Quá trình liên kết nhãn (L) với FEC (F) được thực hiện bởi downstream LSR, với giá trị nhãn có thể duy nhất trong một giao diện hoặc trên toàn bộ các giao diện của LSR Sau khi liên kết mới (L,F) được tạo ra, downstream LSR sẽ thông báo cho upstream LSR Việc gán nhãn có thể diễn ra tự động, được gọi là unsolicited downstream, hoặc theo yêu cầu từ một LSR khác, gọi là downstream-on-demand Quá trình này thuộc về điều khiển gán nhãn (label control).
MPLS hỗ trợ hai phương thức gán nhãn cho một FEC: độc lập và theo thứ tự Trong phương thức độc lập, khi một LSR nhận được thông báo, nó tự động liên kết một nhãn với FEC và thông báo liên kết này cho các LSR lân cận Ngược lại, phương thức theo thứ tự thực hiện quá trình liên kết nhãn và thông báo theo trình tự từ LSR đầu vào hoặc đầu ra của một LSP.
Thủ tục gán nhãn độc lập được thực hiện ngay sau khi có thông tin địa chỉ, giúp sẵn sàng sử dụng Tuy nhiên, cần thiết lập thủ tục này sao cho các LSR lân cận đồng thuận sử dụng cho các FEC mà họ sẽ dùng Nếu quyết định liên kết nhãn cho các FEC khác nhau, có thể xảy ra tình trạng vài FEC không gắn với LSP nào hoặc các nhãn này không được thiết lập hiệu quả.
Thủ tục gán nhãn tuần tự khác với quá trình trước đó, đảm bảo rằng tất cả LSR đều sử dụng FEC Tuy nhiên, quá trình này tốn nhiều thời gian hơn để thiết lập đường LSP so với điều khiển độc lập.
Chế độ giữ nhãn (label retention mode):
Chế độ giữ nhãn quyết định việc duy trì hoặc loại bỏ thông tin về nhãn khi nhận được liên kết nhãn và FEC Nếu LSR duy trì thông tin liên kết giữa nhãn và FEC từ các LSR không phải là nút tiếp theo, nó sẽ hoạt động ở chế độ giữ nhãn tự do Ngược lại, nếu LSR loại bỏ thông tin nhận được, nó sẽ hoạt động ở chế độ tiết kiệm.
Here is the rewritten paragraph:LSR có thể sinh ra nhãn thuộc không gian toàn cục hoặc không gian giao diện cụ thể, tùy thuộc vào cách Router xử lý gói tin Khi Router xét đến cả giao diện gói tin đến và FEC đích, nhãn được gán sẽ thuộc không gian giao diện cụ thể Ngược lại, nếu Router chỉ quan tâm đến FEC đích, nhãn sẽ thuộc không gian toàn cục.
Phương pháp phân phối nhãn Điều khiển Phân phối Lưu giữ Không gian nhãn Giao thức TDP và
LDP chế độ khung Độc lập Tự động Tự do Toàn cục
LDP chế độ tế bào
Có thứ tự Theo yêu cầu Tiết kiệm Giao diện
RSVP-TE (Chỉ chế độ khung)
Có thứ tự Theo yêu cầu Tiết kiệm Toàn cục
Bảng 1.1: Tổng kết về thao tác nhãn
Nhiều gói tin từ các nhãn khác nhau có thể được gán chung một nhãn khi đi đến node tiếp theo, dẫn đến việc mất thông tin về nguồn gốc của các gói Điều này đặt ra thách thức trong việc phối hợp hoạt động giữa các LSR có khả năng trộn và những LSR không có khả năng này.
Qui tắc hoạt động trộn nhãn khá đơn giản:
- Nếu LSR hỗ trợ khả năng trộn nhãn thì chỉ cần gửi một nhãn cho FEC
- Nếu LSR không hỗ trợ khả năng trộn nhãn thì phải gửi một nhãn cho mỗi FEC
- Nếu một upstream LSR không hỗ trợ khả năng trộn nhãn thì nó phải yêu cầu một nhãn cho một FEC.
Các ánh xạ và bảng hỗ trợ
Ánh xạ FIB chỉ hoạt động với gói tin IP, vì vậy nó chỉ được truy vấn khi gói tin đến là gói IP Tuy nhiên, gói tin đi ra có thể không phải là gói IP, mà có thể là gói MPLS nếu có thao tác gán nhãn để chuyển gói tin đến đích.
Figure 1.5 illustrates the FIB table of the Router 7200a, which includes essential fields such as Address Prefix, IGP Next Hop, Outbound Interface, and BGP Nexthop, all crucial for guiding packet forwarding Additionally, it references the LIB (Label Information Base) for further context.
Nhãn được trao đổi giữa các LSR thông qua giao thức LDP và TDP, và thông tin nhãn này được lưu trữ trong bảng cơ sở dữ liệu nhãn LIB Ánh xạ LFIB cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
Khi một gói tin được gán nhãn đi vào router, router sẽ tra cứu bảng LFIB để thực hiện các thao tác gán nhãn và chuyển tiếp liên quan đến gói tin đó.
Hình 1.6: Ánh xạ LFIBHình 1.6mô tả các trường của một bản LFIB bao gồm: In Label, In port, Address Prefix, Out Label, Out port.
Hoạt động của chuyển mạch nhãn MPLS
Hoạt động chung
MPLS thực hiện 4 bước để chuyển tiếp gói qua một miền MPLS:
Trong mạng MPLS, các Router xác định liên kết giữa nhãn và mức ưu tiên FEC cho từng loại lưu lượng Sau khi hoàn tất thủ tục liên kết nhãn, mỗi Router sẽ tạo mục trong bảng CSDL thông tin nhãn (LIB - label Information Base) Tiếp theo, MPLS thiết lập đường chuyển mạch nhãn LSP cùng với các tham số QoS tương ứng Để thực hiện quá trình này, cần sử dụng hai giao thức để trao đổi thông tin giữa các Router.
• Giao thức định tuyến bên trong một miền (OSPF, IS IS) trao đổi các - thông tin về đường đi
Các nhãn phải được gán cho các gói ứng với FEC của chúng, vì giá trị nhãn chỉ có ý nghĩa cục bộ giữa hai Router liền kề Do đó, cần có cơ chế đảm bảo sự thống nhất về việc liên kết giá trị nhãn với FEC trên toàn bộ các router trong cùng một LSP Điều này đòi hỏi một giao thức để xác định đường đi và phân phối nhãn giữa các LSR.
Khi một gói dữ liệu đến LER đầu vào, LER sẽ xác định các tham số QoS và phân loại gói này vào một loại FEC tương ứng với một LSP Sau đó, LER gán nhãn phù hợp cho gói và chuyển tiếp nó trong mạng Nếu LSP chưa có sẵn, MPLS sẽ thiết lập một LSP mới.
Bước 3: Chuyển tiếp gói dữ liệu (forwarding):
Sau khi đã vào trong mạng MPLS, tại mỗi LSR, gói dữ liệu sẽ được xử lý như sau:
- Bỏ nhãn của gói đến và gán cho gói đó một nhãn mới ở đầu ra (đổi nhãn)
- Chuyển tiếp gói dữ liệu đến LSR kế tiếp dọc theo LSP.
LER ở đầu ra sẽ loại bỏ nhãn, phân tích tiêu đề IP hoặc xử lý nhãn tiếp theo trong ngăn xếp, sau đó chuyển gói dữ liệu đến đích.
Vài đặc điểm chính trong hoạt động MPLS:
- Một miền MPLS bao gồm các Router hỗ trợ MPLS đặt liên tiếp nhau và liên tục
- FEC cho một gói được xác định bằng một hoặc nhiều tham số do người quản trị mạng chỉ định
Cơ chế chuyển tiếp của MPLS hoạt động thông qua việc tra cứu trong bảng đã được định nghĩa trước, liên kết giữa các giá trị nhãn và địa chỉ của hop tiếp theo Trong mạng IP, mỗi Router cần phân tích tiêu đề của gói IP phức tạp, từ đó đưa ra quyết định định tuyến dựa trên địa chỉ.
MPLS (Multiprotocol Label Switching) hoạt động bằng cách đọc giá trị nhãn ngắn và độ dài cố định, từ đó chuyển tiếp gói tin dựa trên giá trị trong bảng LFIB (Label Forwarding Information Base) Điều này giúp tối ưu hóa quá trình định tuyến và cải thiện hiệu suất mạng.
Một PHB (Per Hop Behavior) được xác định tại mỗi LSR cho một FEC cụ thể, cho phép xác định mức độ ưu tiên trong việc xếp hàng các gói tin tương ứng với FEC đó Đồng thời, PHB cũng quy định chính sách hủy gói khi xảy ra tình trạng nghẽn mạng.
- Các gói tin được gửi có thể có cùng LER vào và ra nhưng có thể khác FEC
Các đối tượng sẽ được gán nhãn khác nhau, xử lý theo các quy trình PHB riêng biệt tại các LSR, và có khả năng được vận chuyển qua mạng bởi các LSP khác nhau.
MPLS có ba khái niệm cơ bản là FEC, LSP và nhãn, với mối quan hệ hoạt động giữa chúng là rất quan trọng MPLS phân loại lưu lượng thành các loại FEC, và lưu lượng thuộc một FEC sẽ được chuyển qua miền MPLS theo một đường LSP Mỗi gói dữ liệu sẽ được xác định thuộc một FEC thông qua việc sử dụng các nhãn cục bộ Do đó, MPLS đặt ra một số yêu cầu cụ thể để đảm bảo hiệu quả hoạt động.
- Lưu lượng vào mạng phải thuộc một FEC tương ứng
Để xác định cấu trúc và tình trạng hoạt động của mạng, cần một giao thức định tuyến hiệu quả Thông qua thông tin này, một LSP có thể được gán cho một FEC Do đó, giao thức định tuyến cần có khả năng thu thập và xử lý thông tin nhằm hỗ trợ các yêu cầu QoS khác nhau của FEC.
Một LSR cần nắm rõ thông tin về LSP cho một FEC, gán nhãn cho LSP đó và thông báo nhãn này cho các LSR khác để gửi gói thuộc FEC Việc thực hiện yêu cầu đầu tiên có thể thông qua cấu hình mạng, giao thức báo hiệu hoặc phân tích gói tin tại LER đầu vào Hai yếu tố còn lại sẽ được trình bày ở các mục tiếp theo.
Chọn tuyến
Chọn tuyến trong MPLS liên quan đến việc lựa chọn LSP cho FEC, với hai phương pháp định tuyến chính: định tuyến từng chặng (hop by hop) và định tuyến biết trước (explicit routing) Định tuyến từng chặng cho phép mỗi LSR chọn node tiếp theo cho mỗi FEC, mang lại lợi ích như chuyển mạch nhãn nhanh và khả năng xử lý khác nhau cho các FEC trên cùng một tuyến Tuy nhiên, phương pháp này có hạn chế trong việc quản lý lưu lượng do các tham số trong giao thức định tuyến Ngược lại, định tuyến biết trước tương tự như định tuyến nguồn, cho phép LSR chỉ định một hoặc tất cả các LSR trên đường LSP, giúp đơn giản hóa quản trị và cải thiện xử lý lưu lượng Thuật toán định tuyến ràng buộc, xem xét yêu cầu lưu lượng và tài nguyên hiện có, giúp mạng hiểu rõ mức độ sử dụng và dung lượng còn lại, từ đó đảm bảo các dịch vụ được cam kết.
Giao thức phân phối nhãn LDP
Để xác định một LSP cho một FEC, việc chọn tuyến là rất quan trọng Phân phối nhãn giúp thiết lập một đường LSP thực sự MPLS hỗ trợ nhiều giao thức phân phối nhãn khác nhau, trong đó LDP (Label Distribution Protocol) được thiết kế đặc biệt để hỗ trợ việc này Giao thức phân phối nhãn chuyển đổi thông tin định tuyến ở tầng mạng thành thông tin về đường chuyển mạch nhãn ở tầng liên kết dữ liệu Phần này sẽ tập trung vào hoạt động của giao thức LDP.
Trong giao thức LDP, các thực thể LDP ngang hàng trao đổi thông tin về ánh xạ giữa label và FEC thông qua một phiên LDP.
Cấu trúc một gói thông điệp LDP gồm một tiêu đề LDP chung theo sau là các đối tượng LDP như hình dưới đây:
Hình 1.7: Tiêu đề chung của gói tin LDP
Hình 1.8: Cấu trúc một đối tượng LDP
Trường Message Type chứa các kiểu thông điệp được trao đổi Có các thông điệp sau được trao đổi giữa các thực thể LDP:
Bảng 1.2 trình bày các kiểu thông điệp, trong đó các trường mandatory và optional chứa thông điệp LDP được mã hóa theo định dạng kiểu độ dài giá trị (T– – -L-V) Mỗi giá trị có thể bao gồm một hoặc nhiều TLV khác nhau.
Các chức năng chính của giao thức LDP:
LDP có 4 chức năng chính:
• Thiết lập và duy trì phiên
Giữa các thực thể LDP có 2 loại hàng xóm:
Hàng xóm trực tiếp là những thiết bị có kết nối lớp 2, cho phép giao tiếp trực tiếp giữa chúng Các Router kết nối qua các liên kết lớp 2 như POS, ATM PVC, Ethernet và DS-3 được xem là hàng xóm trực tiếp trong giao thức LDP Ngoài ra, những hàng xóm kết nối qua các tunnel logic như GRE cũng được coi là có kết nối trực tiếp.
Hàng xóm không kết nối trực tiếp là những hàng xóm không có kết nối lớp 2 giữa chúng, thường cách nhau nhiều hop IP Các router được kết nối qua đường hầm MPLS TE có thể được xem là hàng xóm không trực tiếp.
Sự khác biệt chính giữa hàng xóm trực tiếp và hàng xóm không trực tiếp nằm ở cách thức khám phá Hàng xóm trực tiếp được phát hiện thông qua việc gửi các thông điệp Hello LDP qua giao thức UDP với địa chỉ multicast 224.0.0.2, được gọi là thông điệp Hello Ngược lại, hàng xóm không trực tiếp không thể sử dụng gói tin UDP multicast để trao đổi thông tin, vì vậy thông điệp hello của họ được gửi qua phương thức unicast.
Thiết lập và duy trì phiên:
Sau khi khám phá xong hàng xóm, quá trình thiết lập phiên LDP bắt đầu Quá trình này gồm hai bước:
- Xác định ai đóng vai trò chủ động và ai đóng vai trò bị động trong quá trình thiết lập
- Khởi tạo các tham số phiên.
Vai trò chủ động và bị động của Router được xác định qua việc so sánh địa chỉ trong gói hello, thường là địa chỉ loopback Khi Router nhận diện mình là chủ động, nó sẽ khởi tạo phiên TCP; ngược lại, nếu không, nó sẽ chờ Router khác gửi yêu cầu khởi tạo phiên TCP.
Hình 1.9: Vai trò chủ động và bị động của LSR
R1 nhận được tín hiệu R2:0 qua liên kết L1 và so sánh địa chỉ IP của mình (1.1.1.1) với địa chỉ IP của R2 (2.2.2.2) Do địa chỉ của R2 lớn hơn, R1 đóng vai trò thụ động và chờ đợi R2 thiết lập phiên kết nối TCP trên cổng 646.
Sau khi thiết lập phiên TCP, LSR tiến hành đàm phán các tham số phiên thông qua thông điệp khởi tạo LDP Thông điệp này bao gồm phiên bản, phương pháp phân phối nhãn, giá trị đồng hồ, cùng với phạm vi VPI/VCI cho ATM.
Sau khi phiên được thiết lập, nó được duy trì bằng cách gửi định kỳ thông điệp Hello và Keepalive trong phiên TCP
Quá trình thiết lập phiên giữa các LSR phụ thuộc vào không gian nhãn, như thể hiện trong Hình 1.10 Trong giao diện Frame mode như POS, mặc dù có nhiều liên kết giữa hai LSR, chỉ cần thiết lập một phiên LDP do không gian nhãn per-platform được sử dụng Tuy nhiên, khi sử dụng giao diện ATM K, LSR phải duy trì không gian nhãn per-interface cho mỗi liên kết Trường hợp A minh họa rằng 4 Router R1, R2, R3, R4 được kết nối qua 4 liên kết L1-L4, và giả thiết rằng chỉ cần thiết lập một phiên cho mỗi liên kết trong các giao diện Frame-mode.
Trường hợp B chỉ ra nhiều liên kết giữa 2 Router, R1 và R2 Giả sử dùng Frame-mode, chỉ có một phiên LDP được yêu cầu.
Trường hợp C chỉ ra 1 liên kết ATM giữa 2 LSR R1 và R2 trong cell mode Trường hợp này cần thêm phiên LDP được thiết lập
Ngay khi LSRs đã thiết lập mối quan hệ hàng xóm LDP, nó bắt đầu thông báo nhãn cho nhau 7 kiểu thông điệp được trao đổi giữa các LSR:
Khi một LSR cần thông báo một vấn đề cho hàng xóm của nó, nó sử dụng thông điệp Notification Notification có thể là
Thông báo lỗi xuất hiện khi LSR phát hiện lỗi không thể khắc phục, dẫn đến việc hủy bỏ phiên LDP hiện tại Các LSR nhận thông báo lỗi sẽ giải phóng tất cả tài nguyên liên quan đến phiên LDP đang được sử dụng.
Advisory Notification được sử dụng như cảnh báo LSR có thể sửa được những lỗi này Thông tin cảnh báo được mang trong thông điệp trạng thái
1.5 Kiến trúc node chuyển mạch:
Here is the rewritten paragraph:Cấu trúc của một node MPLS thể hiện rõ sự độc lập của hai mặt phẳng: mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng chuyển tiếp Mặt phẳng chuyển tiếp của MPLS có nhiệm vụ vận chuyển các gói dữ liệu dựa vào các giá trị nằm trong nhãn, với mỗi node MPLS có hai bảng phục vụ cho việc chuyển tiếp dữ liệu là bảng thông tin nhãn (LIB Label Information Base) và bảng thông tin chuyển tiếp nhãn (LFIB Label Forwarding Information Base) Quá trình chuyển tiếp gói tin tại mỗi node mạng chỉ đơn thuần là quá trình tráo đổi nhãn và gửi gói tin đến node tiếp theo dựa vào thông tin trong bảng LFIB.
Mặt phẳng điều khiển MPLS chịu trách nhiệm xây dựng và duy trì thông tin trong các bảng hỗ trợ quá trình chuyển tiếp Tất cả các node MPLS cần chạy các giao thức định tuyến IP để trao đổi thông tin định tuyến Bảng định tuyến trong MPLS cung cấp thông tin về mạng đích và các địa chỉ mạng prefix hỗ trợ liên kết nhãn Các giao thức trạng thái liên kết như OSPF và IS-IS thường được sử dụng vì chúng cung cấp cái nhìn toàn mạng cho node MPLS Tuy nhiên, chúng không phù hợp cho việc phân phối nhãn do gửi bản tin định tuyến đến các Router không lân cận, trong khi thông tin liên kết nhãn chủ yếu giữa các Router cạnh nhau Mỗi module điều khiển có nhiệm vụ gán và phân phối nhãn cũng như duy trì thông tin điều khiển liên quan.
ứng dụng của mạng MPLS
- Tối ưu hóa sự sử dụng mạng
- Xử lý những hỏng hóc liên quan đến liên kết và node
Tối ưu hóa việc sử dụng mạng thông qua việc xây dựng topo lưới đầy đủ các LSP giữa các Router giúp cải thiện hiệu suất Bằng cách điều chỉnh kích cỡ các LSP dựa trên băng thông giữa các cặp Router biên, các LSP có thể tìm ra đường đi tối ưu, đáp ứng yêu cầu băng thông Việc xây dựng topo lưới đầy đủ các TE LSP trong mạng giúp tránh tắc nghẽn bằng cách phân bổ các LSP theo những đường đã biết trước về băng thông Mặc dù không thể thay thế một kế hoạch phát triển mạng tốt, topo lưới này cho phép tận dụng tối đa cơ sở hạ tầng mạng hiện có, từ đó trì hoãn thời gian nâng cấp mạch.
Một ứng dụng quan trọng của MPLS TE là giải quyết các vấn đề phức tạp liên quan đến O(N²) và O(N³) Khác với ATM, MPLS không yêu cầu xây dựng topo mạng đầy đủ của các LSR.
TE cho phép xây dựng các tunnel cần thiết qua mạng, nhờ vào khả năng của các Router biên trong việc nhận biết cấu trúc vật lý của mạng lõi MPLS.
MPLS TE có khả năng xử lý tắc nghẽn bằng cách xây dựng một tunnel mới, giúp chuyển bớt lưu lượng từ đường tắc nghẽn sang tunnel này Ứng dụng chính của MPLS TE là phục hồi nhanh chóng khi có liên kết hoặc node trong mạng gặp sự cố Thành phần định tuyến lại nhanh (FRR) của MPLS TE cho phép giảm thiểu tối đa tình trạng mất gói khi xảy ra sự cố.
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG TRONG MẠNG
Giới thiệu
Mạng IP gặp khó khăn với cơ chế điều khiển lưu lượng chỉ bằng cách thay đổi metric trong các giao thức IGP như OSPF, dẫn đến việc thay đổi tất cả các gói dữ liệu trên liên kết Phương pháp này không tối ưu hóa động và không phản ánh đặc điểm lưu lượng cũng như khả năng mạng trong việc ra quyết định Ngược lại, trong mạng MPLS, các con đường chuyển mạch nhãn (LSP) có thể được thay đổi linh hoạt từ đường tắt nghẽn sang đường khác, giúp tối ưu hóa hiệu suất mạng Người quản trị mạng có thể duy trì hiệu suất cao trong điều kiện bình thường và chuyển hướng lưu lượng trước khi xảy ra tắc nghẽn Thêm vào đó, họ có thể áp dụng thuật toán tổng quát để ánh xạ lưu lượng đến đường truyền vật lý một cách hiệu quả hơn so với các phương pháp truyền thống.
MPLS TE cho phép các nhà cung cấp dịch vụ xác định một con đường chính xác cho lưu lượng, tương tự như định tuyến nguồn, qua mạng của họ Kỹ thuật này cũng thực hiện cân bằng tải không đồng đều dựa trên CEF trên các đường hầm.
Giới thiệu về điều khiển lưu lượng
2.2.1 Các khái niệm mạng cơ bản:
Các node trong mạng dữ liệu bao gồm Router, Switch và bộ ghép kênh, được kết nối qua các liên kết như 64 Kb mạch DS-0, OC192 và Gigabit Ethernet.
Một đặc tính cơ bản của mạng dữ liệu là khả năng ghép kênh, cho phép nhiều kết nối chia sẻ cùng một phương tiện truyền dẫn Có hai kiểu ghép kênh cơ bản.
- Ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM)
- Ghép kênh thống kê (Statmux)
Các loại ghép kênh khác như FDM, DM không được thảo luận ở đâyW
Ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) là phương pháp cấp phát một hoặc nhiều khe thời gian trong khung thời gian của mạch vật lý cho từng kết nối Do mạch vật lý có tốc độ bit hằng định, việc cấp phát khe thời gian cho một kết nối đồng nghĩa với việc cấp phát băng thông cho kết nối đó.
Ví dụ: Phân cấp Sonet: OC 192 có thể mang 4 OC- -48, 16 OC 12, 64 OC 3, 192 - - DS-3, 5376 DS-1, 129024 DS-0
TDM là công nghệ đồng bộ Dữ liệu vào mạng được truyền đi theo đồng hồ chủ để không có dữ liệu dư thừa phải truyền đi
Mạng TDM (Time Division Multiplexing) có tính năng cơ bản là phân bổ băng thông cố định cho mỗi kết nối Điều này có nghĩa là khi thuê đường T1 giữa hai văn phòng, người dùng luôn được đảm bảo băng thông là 1.544 Mbps, không thay đổi.
TDM là một công nghệ truyền dẫn hiệu quả, nhưng vấn đề lớn nhất của nó là băng thông được phân bổ cho một kết nối cụ thể luôn được cấp phát, bất kể kết nối đó có truyền dữ liệu hay không Ví dụ, băng thông cho đường T1 trong 30 ngày là 4 terabits, nhưng nếu dữ liệu truyền thực tế thấp hơn con số này, người dùng vẫn phải trả chi phí cao hơn số lượng đã sử dụng Điều này làm cho TDM trở nên đắt đỏ Tuy nhiên, ưu điểm của T1 là luôn đảm bảo tốc độ ổn định và sẵn sàng bất cứ lúc nào.
Giá thành cao của TDM đã thúc đẩy sự phát triển và phổ biến của công nghệ ghép kênh thống kê (statmux) Công nghệ này cho phép chia sẻ băng thông đường truyền giữa nhiều người dùng trong mạng, thay vì dành riêng băng thông cho từng kết nối.
Ghép kênh thống kê có ưu điểm vượt trội so với TDM, đặc biệt là về chi phí, vì nó rẻ hơn nhiều Với phương pháp ghép kênh thống kê, chúng ta có khả năng bán dung lượng mạng cao hơn so với khả năng thực tế của mạng Ý tưởng này xuất phát từ thực tế rằng hiếm khi tất cả người dùng trong mạng đều sử dụng tối đa băng thông của họ trong mọi thời điểm.
Có rất nhiều công nghệ ghép kênh thống kê nhưng có 4 công nghệ chính đã đang phát triển trong khoảng 10 năm trở lại đây:
Công nghệ ghép kênh thống kê chia nhỏ lưu lượng mạng thành các đơn vị riêng biệt và xử lý từng đơn vị một cách độc lập Điều này giúp tối ưu hóa hiệu suất mạng và nâng cao khả năng quản lý lưu lượng.
IP, đơn vị này là gói tin Trong Frame Relay, chúng được gọi là khung Trong ATM là tế bào
Dịch vụ ghép kênh thống kê cho phép nhà cung cấp dịch vụ tối ưu hóa khả năng dung lượng mạng hiện có, từ đó tạo ra lợi nhuận Khách hàng có thể tiết kiệm chi phí bằng cách mua các dịch vụ mạng với giá rẻ hơn so với mạch TDM, ví dụ như đường Frame Relay T1 thường rẻ hơn đường TDM T1 Tỉ lệ băng thông bán ra trên băng thông thực tế được gọi là tỉ lệ quá thuê bao; ví dụ, với một đường trục OC 12 nhưng bán ra 24 OC-3, tỉ lệ quá thuê bao sẽ là 6:1.
Vấn đề với ghép kênh thống kê:
Mạng ghép kênh thống kê gặp phải một số vấn đề không có trong mạng TDM, đặc biệt là khi các gói tin vào mạng một cách không đồng bộ, dẫn đến khả năng tranh chấp băng thông Khi hai gói tin từ hai giao diện khác nhau cùng đến Router và hướng đến cùng một giao diện ra, gói tin này phải chờ gói tin kia hoàn thành truyền tải Mặc dù có tranh chấp tài nguyên, độ trễ thường không lớn, đặc biệt trong trường hợp 28 T1 gửi lưu lượng IP ra đường T3, khi gói IP cuối cùng chỉ phải chờ 27 gói trước đó, nhưng không đáng kể do tốc độ của đường T3 tương đương với 28 T1.
Việc xử lý các gói tin trong bộ đệm gặp phải một số vấn đề, đặc biệt là khi xét đến các loại lưu lượng khác nhau Dữ liệu phù hợp với việc đệm có thể xử lý hiệu quả, nhưng các lưu lượng như thoại và video yêu cầu độ trễ thấp, nên không thích hợp với việc đệm Do đó, cần thiết phải có các cơ chế xử lý gói tin khác nhau trong bộ đệm để đáp ứng nhu cầu đa dạng của các ứng dụng trong mạng.
Công nghệ ghép kênh thống kê phải xử lý 3 vấn đề mà công nghệ TDM không gặp phải:
- Xếp hàng gói tin (Queuing)
Xử lý những vấn đề này khá phức tạp
Frame Relay có phương pháp đơn giản nhất để xử lý những vấn đề này bằng một loạt các khái niệm: CIR, FECN, BECN, DE
IP có DSCP bit IP cũng có RED lấy những ưu điểm của TCP trong xử lý việc hủy gói tin IP còn có ECN
ATM giải quyết các vấn đề tranh chấp tài nguyên bằng cách phân chia dữ liệu thành các tế bào nhỏ với kích thước cố định Hệ thống ATM cung cấp năm dịch vụ khác nhau để hỗ trợ người dùng.
- CBR: Ta xác định một tốc độ đỉnh của tế bào là hằng số.
VBR là chỉ số xác định tốc độ trung bình của tế bào, cho phép đạt được tốc độ đỉnh trong một khoảng thời gian nhất định mà không gặp phải vấn đề nào.
- ABR: Ta xác định tốc độ tối thiểu của đường truyền
- UBR: Lưu lượng của ta được cấp phát tất cả tài nguyên đường truyền còn lại mà mạng có thể cấp phát
Vấn đề một công nghệ ghép kênh thống kê nằm trên một công nghệ ghép kênh thống kê khác:
IP, giao thức ghép kênh thống kê, được phát minh lần đầu vào năm 1981 Sau đó, Frame Relay ra đời vào năm 1990, và cuối cùng là ATM, được phát triển vào giữa những năm 90.
Phân phối các thông tin định tuyến ràng buộc
2.3.1 Những thông tin nào được phân phối:
MPLS TE cho phép Router xây dựng đường LSP xuyên qua mạng dựa vào yêu cầu và thông tin trạng thái tại Router đầu vào, thay vì chỉ tính toán đường đi ngắn nhất như trong mạng IP thông thường Những thông tin này giúp Router thực hiện quyết định chọn đường một cách thông minh.
MPLS TE dùng OSPF hoặc IS-IS để phân phối những thông tin về tài nguyên có trong mạng 3 loại thông tin chính được phân phối là:
Thông tin về băng thông trên từng giao diện được phân chia theo thứ bậc ưu tiên, cho phép một số tunnel có quyền ưu tiên sử dụng băng thông cao hơn so với các tunnel khác.
• Cờ thuộc tính trên mỗi giao diện
• Trọng số quản trị trên mỗi giao diện
Một Router thông báo băng thông còn lại, cờ thuộc tính, trọng số quản trị cho tất cả các liên kết được đưa vào trong MPLS TE
MPLS TE có tính năng nổi bật là khả năng giành trước băng thông từ đầu vào đến đầu ra mạng Người dùng có thể cấu hình băng thông cần thiết cho mỗi tunnel tại router đầu vào, cho phép MPLS TE tự động tính toán đường đi qua mạng để đảm bảo băng thông đã được xác định trước.
Giao thức OSPF cung cấp hai loại thông tin quan trọng về băng thông trên mỗi giao diện: lượng băng thông còn lại có thể sử dụng và lượng băng thông tối đa có thể phục vụ cho mỗi luồng.
Khi đường hầm MPLS TE chiếm dụng băng thông của giao diện, lượng băng thông được cấp phát sẽ thay đổi Lượng băng thông có thể dành cho một giao diện được tính bằng cách lấy lượng băng thông tối đa có thể dành trừ đi lượng băng thông đã được cấp phát.
Một số đường hầm có tầm quan trọng lớn hơn so với những đường hầm khác Do đó, cần có biện pháp để ưu tiên và trao quyền cho các đường hầm quan trọng này, giúp chúng có vị trí hàng đầu trong việc tranh chấp băng thông với các đường hầm khác.
MPLS TE giải quyết vấn đề ưu tiên đường hầm bằng cách thiết lập 8 mức ưu tiên từ 0 đến 7 Mức ưu tiên cao hơn tương ứng với mức độ ưu tiên thấp hơn, nghĩa là đường hầm có số ưu tiên cao không quan trọng bằng đường hầm có số ưu tiên thấp Điều này cho phép đường hầm có mức ưu tiên cao sử dụng băng thông của đường hầm có mức ưu tiên thấp hơn, mặc dù đường hầm có mức ưu tiên thấp đã chiếm băng thông từ trước.
Có hai loại mức ưu tiên đường hầm là mức ưu tiên thiết lập và mức ưu tiên duy trì
Nếu một đường hầm mới có ưu tiên cao hơn một đường hầm cũ đang tranh chấp băng thông trên cùng một giao diện, đường hầm mới sẽ được thiết lập và chiếm ưu thế Đường hầm cũ sẽ cần tìm một lộ trình khác để đảm bảo băng thông cần thiết.
Cờ thuộc tính là một dãy 32 bit có thể thiết lập được 32 thuộc tính khác nhau trên liên kết đó
Ta có thể định nghĩa những giá trị của cờ liên kết dựa vào cờ thuộc tính Ví dụ:
Bit có trọng số nhỏ nhất trong cờ thuộc tính được định nghĩa là liên kết đi qua đường truyền vệ tinh, không thích hợp cho việc truyền tải lưu lượng yêu cầu độ trễ thấp như thoại.
Giao thức OSPF phân phối thông tin về cờ thuộc tính như một phần của trạng thái mạng Tại đầu đường hầm, các thuật toán tìm đường sử dụng thông tin này để xác định lộ trình tối ưu nhất đến đích theo yêu cầu.
Trong quá trình truyền thông tin về trạng thái mạng, chi phí đóng vai trò quan trọng Thông tin chi phí được sử dụng như một tham số đầu vào trong thuật toán tính đường để xác định lộ trình cho đường hầm Mỗi liên kết trong mạng có thể có hai loại chi phí: chi phí TE và chi phí IGP Chi phí TE được áp dụng trong thuật toán CSPF để tìm đường qua mạng, trong khi chi phí IGP được sử dụng trong thuật toán IGP SPF để xác định lộ trình.
Ta có thể minh họa ứng dụng của chi phí TE và IGP như sau:
Trong mạng có trị TE bằng trị IGP, giả sử có hai đường liên kết: một đường DS-3 và một đường OC-3 từ B đến C Đường DS-3 có chi phí TE và IGP bằng 2, trong khi đường OC-3 có chi phí TE và IGP bằng 1 Khi có lưu lượng IP và MPLS cùng đi qua, cả hai sẽ ưu tiên chọn đường OC-3 do chi phí thấp hơn Để giảm tắc nghẽn cho OC-3, có thể điều chỉnh chi phí TE của nó lên 3, trong khi giữ nguyên chi phí IGP Khi thuật toán CSPF tính toán lại, nó sẽ chọn đường đi qua BC cho tunnel do chi phí mới thấp hơn Ngược lại, thuật toán SPF vẫn sử dụng chi phí IGP, do đó tiếp tục định tuyến lưu lượng IP qua OC-3 vì chi phí IGP của nó vẫn thấp hơn.
Hình 2.5: Mạng có trị TE khác trị IGP
2.3.2 Các thông tin được phân phối khi nào:
Trong mạng IP thông tin về trạng thái của liên kết sẽ được truyền đi trong giao thức IGPkhi xảy ra một trong 3 trường hợp sau:
- Khi một liên kết up hay down
- Khi một tham số cấu hình của liên kết đó thay đổi (Khi chi phí liên kết thay đổi)
- Khi đồng hồ định thời cho việc phân phối lại thông tin timeout.
Trong mạng MPLS, thông tin trạng thái đường truyền cũng được truyền đi khi có sự thay đổi đáng kể về băng thông của một liên kết nào đó.
Khi một đường hầm được thiết lập hoặc hủy bỏ qua một giao diện, lượng băng thông khả dụng trên giao diện đó sẽ thay đổi Cụ thể, khi đường hầm được thiết lập, băng thông sẽ bị tiêu tốn, dẫn đến việc giảm lượng băng thông khả dụng Ngược lại, khi đường hầm bị hủy bỏ, lượng băng thông khả dụng sẽ tăng lên.
Nhưng khi nào một Router thông báo về sự thay đổi này của băng thông:
Sự thay đổi trong mạng MPLS có thể dẫn đến lưu lượng lớn, gây ngập lụt mạng Một số mạng MPLS lớn có hàng nghìn đường hầm, và việc báo hiệu thay đổi đường hầm tương đương với việc thêm nhiều liên kết vào mạng IP thông thường Điều này không chỉ làm tăng lưu lượng mà còn tiêu tốn tài nguyên băng thông và CPU của Router.
Tính toán và thiết lập LSP
Trong giao thức định tuyến trạng thái liên kết, mỗi Router nắm rõ thông tin về tất cả các Router khác trong mạng cùng với các liên kết giữa chúng Trong OSPF, thông tin này được truyền tải qua các gói LSA (Link State Advertisements), trong khi đó, IS-IS sử dụng các gói LSP (Link-State Packets) để cung cấp thông tin tương tự.
Tên TLV con ID TLV con
Khi một Router nắm rõ thông tin về tất cả các Router và liên kết trong mạng, nó sẽ sử dụng thuật toán Dijkstra SPF để tìm ra đường ngắn nhất kết nối với tất cả các Router khác.
Tất cả các Router trong mạng sử dụng cùng một thuật toán SPF dựa trên thông tin trạng thái mạng, giúp mỗi router có cái nhìn đồng nhất về mạng Điều này đảm bảo rằng các gói tin được định tuyến một cách nhất quán.
Tất cả các node đều thuộc Path Đẩy đường root- w-v w vào Tent Đẩy đường root- v w vào Tent
Hình 2.8: Thuật toán định tuyến SPF
Path: Tập các node thuộc cây đường đi ngắn nhất từ node gốc
Tent: Tập các node hàng xóm của node thuộc Path
D(V): Chi phí từ node V đến node gốc
C(a,b): Chi phí để đi từ node a đến node b
VºTent:Tất cả các node thuộc bảng Tent
Vw: Tất cả các node liền kề với node w
Vroot: Tất cả các node liền kề với node gốc
Thuật toán CSPF (Constrained Shortest Path First) được sử dụng để tìm đường đi cho các đường hầm TE (Traffic Engineering) Mặc dù CSPF có nhiều điểm tương đồng với thuật toán SPF (Shortest Path First) trong định tuyến thông thường, nhưng vẫn tồn tại hai sự khác biệt chính giữa chúng Những khác biệt này chủ yếu liên quan đến cách thức xử lý các ràng buộc trong quá trình tìm kiếm đường đi trong môi trường MPLS TE.
Thuật toán CSPF được thiết kế để tìm đường tốt nhất đến một Router cụ thể, không phải đến tất cả các Router trong mạng Điều này tạo ra sự khác biệt cho CSPF, vì thuật toán sẽ dừng lại ngay khi đuôi đường hầm được xác định và ghi nhận trong bảng PATH.
Trong thuật toán SPF, chỉ có tham số khoảng cách được xem xét, trong khi đó, thuật toán CSPF bổ sung thêm một số thông số khác để tính toán.
Thuật toán SPF hoạt động thông qua hai bảng PATH và TENT, trong đó bộ ba tham số {Router, distance, Next hop} đã được thay thế bằng bộ sáu thông số {Router, distance, băng thông, thuộc tính liên kết, trọng số quản trị, next hop}.
CSPF chỉ tìm kiếm một đường tốt nhất đến đuôi đường hầm mà không thực hiện chia tải Để xác định đường tốt nhất tới đích khi các thông số khác đã bằng nhau, có thể dựa vào một số yếu tố như băng thông đường tối thiểu, số đo IGP nhỏ nhất và số hop count nhỏ nhất.
Ví dụ minh họa hoạt động của thuật toán CSPF
Giả sử có một topo như sau:
Router A muốn thiết lập một đường hầm TE đến Router D với băng thông 60 Mbps, theo mô hình mạng CSPF Mỗi liên kết trong topo đều được liệt kê với các số đo và băng thông tương ứng.
Để xác định đường đi tốt nhất đến Router D mà không tính đến băng thông, ta có thể sử dụng đường A > B > C > D với tổng chi phí thấp nhất Tuy nhiên, đường A -> B > C -> D không đáp ứng yêu cầu băng thông tối thiểu 60 Mbps Do đó, CSPF cần tính toán đường ngắn nhất có đủ băng thông 60 Mbps Các bước hoạt động của CSPF khá đơn giản và hiệu quả.
Bước 1: Đặt chính nó vào bảng PATH với khoảng cách bằng 0 và hop tiếp theo là chính nó Thiết lập băng thông là N/A
Bước 2: Đưa node mới vào bảng PATH và gọi nó là PATH node Tiến hành tìm kiếm hàng xóm của node này và thêm chúng vào bảng TENT với next hop là PATH node, trừ khi hàng xóm đã tồn tại trong bảng TENT hoặc bảng PATH với chi phí thấp hơn.
Không nên thêm đường vào bảng TENT nếu không đáp ứng yêu cầu về băng thông và thuộc tính đường hầm Nếu nút mới đưa vào bảng TENT đã có trong bảng này nhưng có chi phí cao hơn hoặc băng thông tối thiểu thấp hơn, hãy thay thế nó.
Bước 3: Tìm hàng xóm có chi phí thấp nhất trong bảng TENT, sau đó thêm hàng xóm vào bảng PATH và lặp lại bước 2 Nếu bảng TENT không còn node nào hoặc node cuối của đường hầm đã có trong bảng PATH, hãy dừng thuật toán.
Thuật toán CSPF tìm đường đi từ A đến D với yêu cầu băng thông 60 Mbps Thay vì sử dụng bộ ba {node, cost, nexthop}, bảng PATH và TENT sẽ chứa thông tin chi tiết hơn, bao gồm {node, cost, nexthop, băng thông tối thiểu}.
Để bắt đầu, hãy đặt chính nó vào bảng PATH với khoảng cách bằng 0 và next hop cũng là chính nó Đồng thời, thiết lập băng thông là N/A, kết quả sẽ được hiển thị như dưới đây.
Bảng 2.3: Danh sách PATH và TENT trên Router A sau bước 1
Bước 2: Đặt hàng xóm của Router A vào bảng TENT
Bảng 2.4: Danh sách PATH và TENT trên Router A sau bước 2
Bước 3: Chuyển B từ bảng PATH vào bảng TENT và đặt hàng xóm của B trong bảng TENT Kết quả như sau:
{C, 8, B, 50} không được đưa vào bảng TENT bởi vì nó không đạt yêu cầu về băng thông tối thiểu
Bảng 2 : Danh sách PATH và TENT trên Router A sau bước 75
Bước 4: Đặt hàng xóm của B vào bảng TENT và lấy C từ bảng TENT đưa vào bảng
PATH Kết quả được chỉ ra như hình dưới đây
{D, 14, C, 60} không được đưa vào bảng TENT bởi vì chi phí để đến D thông qua
B nhỏ hơn chi phí đến D thông qua C
Bảng 2.6: Danh sách PATH và TENT trên Router A sau bước 4
Bước 5: Bây giờ chỉ còn node D trong bảng TENT đẩy đường này vào bảng PATH
Bảng 2.7: Danh sách PATH và TENT trên Router A sau bước 5
Chuyển tiếp lưu lượng lên đường hầm
2.5.1 Dùng định tuyến tĩnh: Đây là cách dễ nhất để chuyển tiếp lưu lượng lên một đường hầm TE Cách chuyển tiếp này cũng giống cách chuyển tiếp lên đường bình thường Ta có thể coi đường hầm TE như một đường bình thường có giao diện là Tunnel0
Để thiết lập mối quan hệ liền kề cho giao thức định tuyến trên một giao diện, cần kích hoạt giao thức IGP trên giao diện đó Việc này cho phép router học đường và xây dựng bảng định tuyến tương ứng Nếu không thực hiện, router sẽ không tự động xác định được giao diện nào cần gửi lưu lượng tới.
Ta không chạy giao thức IGP trên đường hầm TE vì hai lý do sau:
Đường hầm TE là đơn hướng, do đó không thể nhận gói tin đến, khiến việc chạy giao thức IGP trên giao diện này trở nên khó khăn.
Chúng ta không cần sử dụng những đường hầm TE, vì chúng thường bắt đầu và kết thúc trong cùng một khu vực Hơn nữa, chúng ta đã có đầy đủ topo về trạng thái liên kết của khu vực đó.
Việc không sử dụng giao thức IGP trên giao diện đường hầm TE yêu cầu chúng ta phải tìm ra phương pháp để hướng dẫn Router cách hoạt động tương tự Cần cung cấp cho đầu đường hầm những thông tin cần thiết để đảm bảo hoạt động hiệu quả.
Đối với giao diện đường hầm, hãy coi đây là một liên kết trực tiếp đến đuôi đường hầm, nơi tất cả các gói dữ liệu có địa chỉ đích là đuôi đường hầm hoặc các Router phía sau sẽ được gửi qua đường hầm Tính năng MPLS TE Autoroute thực hiện chức năng này một cách hiệu quả.
Ví dụ: Ta có một mạng mẫu:
Hình 2.18: Mạng mẫu cho Autoroute
Bài viết dưới đây sẽ mô tả ảnh hưởng của autoroute, static route và policy route đến bảng định tuyến của Router A, với tất cả các liên kết trong mạng đều có cost bằng 10 Trước khi thiết lập đường hầm TE, bảng định tuyến của Router A có cấu trúc như sau:
Bảng 2.10: Bảng định tuyến của Router A trước khi có đường hầm TE
Sau khi thiết lập đường hầm TE từ Router A đến Router E, cần ánh xạ lưu lượng đến Router E qua Tunnel0 Ảnh hưởng của static route đến bảng định tuyến sẽ rõ ràng khi cấu hình đường tĩnh, đảm bảo tất cả lưu lượng hướng đến Router G phải đi qua Tunnel0.
Bảng định tuyến của Router A sẽ như sau:
Bảng định tuyến của Router A sẽ không thay đổi khi cấu hình định tuyến tĩnh Định tuyến theo chính sách đơn giản hơn, vì quyết định chuyển tiếp gói tin được thực hiện dựa vào chính sách và giao diện đã được cấu hình, thay vì dựa vào bảng định tuyến.
Autoroute tương tác với Router để xây dựng bảng định tuyến, đảm bảo rằng mọi dữ liệu phía sau đuôi của đường hầm TE được định tuyến qua đường hầm đó Giao thức IGP sử dụng SPF để tìm kiếm, nhưng khi phát hiện một node là đuôi đường hầm hoặc nằm sau đuôi đường hầm, nó sẽ cập nhật bảng định tuyến, chọn giao tiếp đường hầm làm nexthop thay vì đường IGP như thông thường Hãy cùng xem quá trình định tuyến trên Router A với autoroute trên đường hầm Tunnel0.
Bước 1: Router A bắt đầu bằng cách đặt nó lên bảng PATH và hàng xóm của nó
(Router B, Router C lên bảng TENT)
Bước 2: Chuyển Router B sang bảng PATH và đặt hàng xóm của Router B vào bảng TENT:
Bước 3: Chuyển Router C vào bảng PATH và đặt hàng xóm của nó vào bảng TENT
Vì Router E là đuôi đường hầm, ta thay thế nexthop của Router E từ B thành Tunnel0 Đầu tiên, chuyển Router E vào bảng PATH ta được kết quả như sau:
Sau đó thay thế next hop của Router E thành Tunnel0 còn cost vẫn giữ nguyên
Sau khi hàng xóm của Router E được đưa vào bảng TENT, các hàng xóm này sẽ sử dụng Router E làm next hop để định tuyến.
Router D có hàng xóm là Router E, nhưng chi phí kết nối đến Router E qua Router D cao hơn 30 so với chi phí qua Tunnel0 Do đó, không cần thêm hàng xóm cho Router D trong bảng TENT Router F sẽ được chuyển vào bảng PATH.
Router F không có hàng xóm Thực hiện tiếp với Router G có hai hàng xóm: Router H và Router I và đưa chúng vào bảng TENT
Router H và I đều không có hàng xóm nên cả hai đều được đưa vào bảng PATH mà không đưa thêm Router nào vào bảng TENT
Cuối cùng ta được bảng dưới đây:
Bảng này được biên dịch thành bảng định tuyến như sau:
Ta có thể tổng kết lại như sau:
Khi autoroute được kích hoạt, các tuyến đường sẽ luôn được định hướng qua đường hầm Mặc dù có nhiều cách để đến Router E, nhưng chỉ có đường hầm được ưu tiên Việc các Router phía sau đường hầm có thể sử dụng đường hầm hay không phụ thuộc vào chi phí.
2.53.1 Phân tải giữa hai đường có chi phí cân bằng:
Phân tải có thể được thực hiện dựa vào địa chỉ IP nguồn và đích của gói tin hoặc từng gói tin riêng lẻ Phân tải dựa trên địa chỉ IP nguồn và đích thường được gọi là phân tải theo luồng hoặc phân tải theo đích, nhưng phổ biến nhất là phân tải theo nguồn và đích.
Trong mạng MPLS, việc phân tải gói tin theo nguồn và đích diễn ra như sau: Khi gói tin đến một Router, tiêu đề dưới chồng nhãn sẽ được kiểm tra Nếu tiêu đề là IP, phân tải sẽ dựa vào địa chỉ IP nguồn và đích, tương tự như cách Router xử lý gói tin IP Ngược lại, nếu tiêu đề không phải là IP, phân tải sẽ dựa vào giá trị nhãn cuối cùng trong chồng nhãn.
Điều chỉnh băng thông tự động cho đường hầm
MPLS TE cho phép cấu hình băng thông giành trước, nhưng việc điều chỉnh này thường cần can thiệp thủ công Khi lưu lượng mạng thay đổi nhanh chóng và mạnh mẽ, phương pháp điều chỉnh băng thông bằng tay không còn hiệu quả Do đó, cần áp dụng giải pháp tự động để điều chỉnh băng thông một cách linh hoạt và hiệu quả hơn.
Quá trình tự động điều chỉnh băng thông diễn ra định kỳ, trong đó Router đầu đường hầm sẽ kiểm tra lưu lượng thực tế qua đường hầm và điều chỉnh cấu hình băng thông cho phù hợp với lượng băng thông này.
2.5.5.2 Hoạt động của điều chỉnh băng thông tự động:
Biến Tên Mô tả Giá trị mặc định
A tần suất ứng dụng Tần suất điều chỉnh băng thông đường hầm
Lượng băng thông được cấu hình bằng tay
C Tần suất thu thập Tần suất lấy mẫu tốc độ dữ liệu ra 5’
H Băng thông lớn nhất thu thập được
Băng thông lớn nhất trong khoảng
Khi cấu hình đường hầm với tính năng Auto bandwidth, đồng hồ A sẽ khởi động và sau mỗi C giây, tốc độ ra của đường hầm sẽ được lấy mẫu để tính D Khi đồng hồ A đạt 0, đường hầm sẽ được cấu hình lại dựa trên giá trị D đã tính toán.
Khi cho phép Auto bandwidth hoạt động trên giao diện không có băng thông cấu hình, sau A giây, lưu lượng lớn nhất trên đường hầm đạt 30 Mbps Giá trị D được xác định là 30 Mbps, và đường hầm sẽ điều chỉnh kích cỡ băng thông của nó thành 30 Mbps, đồng thời đồng hồ A sẽ khởi động lại.
Nếu trên đường hầm đó băng thông giành trước đã được cấu hình bằng tay là
45 Mbps Ngay khi A hết D được tính là 15 và băng thông đường hầm được điều chỉnh về 45-150 Mbps
CHƯƠNG 3: CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG MPLS
Tổng quan
Chất lượng dịch vụ (Quality of service - QoS) và chuyển mạch nhãn đa giao thức (Multiprotocol Label Switching - MPLS) được phát triển từ nhiều năm trước
Về mặt kỹ thuật, QoS và MPLS có nhiều điểm khác nhau
QoS là cụm từ mô tả đặc trưng hiệu năng mạng QoS gồm hai phần:
• Tìm đường thông qua mạng để có thể đáp ứng dịch vụ được yêu cầu
• Làm cho dịch vụ đó hiệu quả
Trong mạng IP và MPLS, QoS (Chất lượng Dịch vụ) được sử dụng để quản lý các vấn đề như mất gói tin, độ trễ và sự biến đổi ngẫu nhiên Hiện nay, có hai cấu trúc QoS phổ biến được áp dụng.
• Integrated Services (IntServ) - dịch vụ tích hợp.
• Differentiated Services (DiffServ) - dịch vụ tách biệt.
IntServ không được mở rộng cho mạng Internet do một số lý do khác nhau, phù hợp hơn với các mạng vừa và nhỏ, trong khi không thích hợp cho mạng lớn của các nhà cung cấp dịch vụ.
DiffServ đã chứng minh khả năng áp dụng hiệu quả cho mạng lớn bằng cách sử dụng phân loại tại biên mạng và từng chặng Phương pháp này giúp loại bỏ tác động trong lõi mạng, cho phép phần lớn công việc được thực hiện tại biên mạng mà không cần lưu trữ trạng thái lưu lượng trong mạng lõi.
QoS, hay Chất lượng Dịch vụ, được áp dụng ngẫu nhiên trong mạng IP và MPLS, đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý gói tin Nó giúp xác định cách thức phân loại gói tin theo dịch vụ tương ứng, từ đó tối ưu hóa hiệu suất mạng.
MPLS là phương pháp chuyển mạch giúp chuyển gói tin từ vị trí này đến vị trí khác thông qua một chuỗi các chặng liên tiếp Các chặng mà gói tin phải đi qua được xác định bởi định tuyến IGP hoặc MPLS TE (Kỹ thuật quản lý lưu lượng).
Như vậy, MPLS là cách để đưa gói tin từ trạm này đến trạm kia, còn QoS là những gì xảy ra với gói tin tại mỗi chặng.
Kiến trúc DiffServ
RFC 2475 thiết lập một cấu trúc cho các dịch vụ tách biệt (Differentiated Service), hướng dẫn cách sử dụng các bit DiffServ Code Point (DSCP) và các kỹ thuật QoS khác nhau nhằm cung cấp các dịch vụ chất lượng khác nhau trong mạng.
DiffServ có hai thành phần chính:
• Traffic conditioning - điều kiện lưu lượng bao gồm các chính sách, màu - sắc, hình thù cụ thể Hoạt động tại biên mạng
Các hành vi per-hop tác động đến từng chặng trong mạng bao gồm các kỹ thuật như hàng đợi, lịch trình và loại bỏ Những kỹ thuật này hoạt động tại mỗi chặng, ảnh hưởng đến điều kiện lưu lượng thông qua các yếu tố như phân loại, kiểm soát, gán nhãn và các tác động cụ thể như hàng đợi, thời hạn và loại bỏ.
Bước đầu tiên trong việc áp dụng cấu trúc DiffServ là phân loại các gói tin, tức là xem xét từng gói tin để xác định các quy luật mà nó cần trải qua Sau khi phân loại, giá trị DSCP hoặc EXP sẽ được gán cho gói tin Phần mềm Cisco sử dụng bit EXP để chỉ định chất lượng dịch vụ (QoS), thường được áp dụng trước các gói tin IP và cũng có thể sử dụng cho các gói tin MPLS.
Phân loại gói tin IP
Gói tin IP có thể được phân loại một cách đơn giản dựa vào các thông tin trong header của nó Điều này bao gồm việc xem xét địa chỉ IP đích, địa chỉ IP nguồn và các giá trị DSCP, cùng với khả năng biến đổi từ thiết bị.
Phân loại gói tin MPLS
Khi phân loại gói tin MPLS, chỉ có giá trị EXP ở vị trí ngoài cùng trong chồng nhãn là có thể so sánh Giá trị nhãn đầu tiên trong chồng nhãn và TTL (Time to Live) không thể được sử dụng để so sánh Ngoài ra, không thể dựa vào bất kỳ giá trị EXP nào của các nhãn khác ngoài nhãn đầu tiên trong chồng nhãn.
Kiểm soát lưu lượng là quá trình đo lường lưu lượng cho từng loại dịch vụ với lưu lượng vào và ra khác nhau, nhằm đảm bảo không vượt quá thiết kế ban đầu Một thành phần quan trọng trong cấu trúc DiffServ là việc thực hiện kiểm soát tại biên mạng Các gói tin thường vào mạng dưới dạng gói tin IP, nhưng đôi khi có thể nhận được các gói tin MPLS đã được gán nhãn từ phía khách hàng.
Lưu lượng vào và ra có thể được gán nhãn như một kết quả của kiểm soát lưu lượng mà không cần kiểm soát sắp xếp nhãn Chẳng hạn, có thể ánh xạ giá trị DSCP của gói tin IP với các bit MPLS EXP khi nhãn được gán cho gói tin.
Khả năng khác là gán nhãn tất cả các lưu lượng đi vào một giao diện, không kể đến tốc độ lưu lượng
Có thể gán EXP vào một gói tin, đúng hơn là đặt vào trước gói IP, là một trong những ưu điểm của MPLS.
Hình 3.1: Các thành phần của hàng đợi
Kỹ thuật nhiều hàng đợi có thể áp dụng vào MPLS phụ thuộc vào thiết bị và phiên bản phần mềm
• First In First Out (FIFO) vào trước ra trước.-
• Modified Deficit Round Robin (MDRR) (chỉ trên các thiết bị của GSR)
• Class-Based Weighted Fair Queuing (CBWFQ) (phần lớn không là thiết bị GSR)
• Low-Latency Queuing (LLQ) - hàng đợi độ trễ thấp.
FIFO có trên mọi thiết bị và mọi giao diện Nó là mặc định trên phần lớn thiết bị này
MDRR, CBWFQ, và LLQ được cấu hình sử dụng MQC, cũng giống như các kỹ thuật QoS khác trên phần lớn các thiết bị
Hàng đợi là một trong hai thành phần quan trọng của cấu trúc DiffServ, được gọi là tác động từng chặng (per-hop behavior - PHB) PHB bao gồm hai yếu tố chính: hàng đợi (queuing) và loại bỏ (dropping).
Loại bỏ quan trọng không chỉ để quản lý chiều sâu hàng đợi với mỗi lớp lưu lượng Weighted Random Early Detection (WRED) là kỹ thuật loại bỏ
DiffServ được thực hiện trên phần lớn thiết bị của Cisco WRED làm việc với MPLS EXP giống như với phần đầu IP.
DiffServ và các gói tin IP
Chất lượng dịch vụ (QoS) được gán nhãn vào gói tin IP đã trải qua sự phát triển theo thời gian Trong tiêu đề IP, có một byte được gọi là byte loại dịch vụ (ToS) Byte này bao gồm 8 bit, đã được phát triển và định nghĩa lại qua các giai đoạn khác nhau Byte ToS chứa nhiều thông tin, trong đó có một số bit được gọi là bit ToS.
Hình sau sẽ mô tả bốn byte đầu tiên của IP header được định nghĩa gốc vào khoảng năm1981 (RFC 791), và được định nghĩa lại vào khoảng năm 1992 (RFC
IP header bao gồm 3 bit precedence (PRE) và 3 bit ToS, cùng với 2 bit không sử dụng Bit PRE được sử dụng để phân loại các gói tin, với giá trị từ 0 đến 5 dành cho dữ liệu người dùng và giá trị từ 6 đến 7 dành cho lưu lượng điều khiển mạng Theo RFC 1349, một bit không sử dụng được chuyển vào ToS, tạo nên IP header với 3 bit PRE và 4 bit ToS.
RFC 2474 đã tái định nghĩa toàn bộ byte ToS, trong đó 6 bit đầu tiên được sử dụng để phân xử gói tin thông qua các bit DSCP Hai bit còn lại được dành cho kỹ thuật TCP gọi là Explicit Congestion Notification (ECN), nhằm báo hiệu tình trạng xung đột, mặc dù chúng không được sử dụng nhưng đã được định nghĩa trong RFC 3168.
Có hai vấn đề cần biết:
• Làm cách nào để ánh xạ các bit DSCP tới các bit PRE
• Dịch vụ nào DSCP yêu cầu ánh xạ với PRE
Bảng sau mô tả việc ánh xạ các bit DSCP với các bit PRE
Bảng 3.1: Ánh xạ các bit DSCP sang các bit PRE Chuyển PRE thành DSCP thì phải nhân với 8
Có bốn giá trị PRE được gọi là các lớp (classes), và các bit DSCP ánh xạ với chúng được gọi là Class Selector Code Points (CSCP), tuy nhiên chúng không được sử dụng phổ biến.
RFC 2597 và 2598 xác định 13 giá trị DSCP, bao gồm 12 giá trị cho chuyển tiếp đảm bảo (Assured Forwarding - AF) và 1 giá trị cho chuyển tiếp nhanh (Expedited Forwarding - EF) Các giá trị thập phân chỉ mang tính tham khảo, vì vậy cần chú ý đến các tên trong cột "Name".
Tên DSCP (Thập phân) DSCP (Nhị phân)
Bảng 3.2: Các giá trị DSCP bổ xung
12 giá trị AF có dạng AFxy, trong đó x là số lớp và y là độ ưu tiên drop Có 4 lớp (AF1y đến AF4y), mỗi lớp bao gồm 3 độ ưu tiên drop (AFx1 đến AFx3) Phương pháp AF giúp giảm thiểu khả năng mất gói tin trong khi vẫn đảm bảo độ trễ thấp nhất có thể.
EF được định nghĩa là những tác động yêu cầu độ trễ thấp, biến đổi ngẫu nhiên thấp và thiệt hại dịch vụ tối thiểu Chỉ có một trường EF duy nhất được xác định.
DiffServ sẽ rất đơn giản nếu nó không có sự nhầm lẫn các thuật ngữ.
DiffServ và các gói tin MPLS
Trong mạng MPLS, việc sử dụng 6 bit DSCP và 3 bit EXP tạo ra 64 giá trị DSCP, trong đó 21 giá trị đã được định nghĩa Điều này đặt ra câu hỏi về cách cung cấp các dịch vụ DSCP hiệu quả thông qua MPLS.
Trong mạng frame mode, việc ánh xạ nhiều lớp DSCP tới 3 bit EXP là cần thiết, nhưng chưa được chứng minh do khó khăn trong việc triển khai QoS cho các dịch vụ không thể dự phòng chỉ với 3 bit MPLS EXP.
Công việc giảm bớt vấn đề này được gọi là L-LSPs (Label-Only Inferred PSC LSP) Ý tưởng chính của L-LSP là sử dụng cả bit EXP và nhãn để xác định các lớp dịch vụ khác nhau Nhãn chứa thông tin về lập lịch, trong khi bit EXP chứa thông tin về loại bỏ Do đó, trong một L-LSP, chỉ những gói tin có chế độ lập lịch giống nhau mới được cho phép đi qua.
Xử lý chồng nhãn
MPLS sử dụng 3 bit EXP trong tiêu đề nhãn, tương tự như các bit PRE hoặc DSCP CS Cần xem xét ba trường hợp khác nhau, trong đó trường hợp đầu tiên là khi các gói tin IP được chuyển vào mạng MPLS, thường được gọi là ip-to-mpls hay ip2mpls.
Trường hợp hai, khi gói tin đã có một hay nhiều nhãn, gọi là mpls-to-mpls, hay mpls2mpls
Trường hợp ba, khi gói tin ở trong mạng MPLS và tất cả các nhãn của chúng được loại bỏ, gọi là mpls-to-ip, hoặc mpls2ip
Trong mạng MPLS, gói tin IP được gán một hoặc nhiều nhãn trong quá trình gán nhãn Các nhãn này được thêm vào các gói tin chưa có nhãn Hầu hết các bit trong trường DiffServ (các bit PRE IP) sẽ được sao chép vào trường EXP của tất cả các nhãn đã gán.
Hình sau biểu diễn quá trình gán nhãn (push)
Khi một nhãn được gán cho gói tin đã có nhãn, giá trị EXP từ nhãn cũ sẽ được sao chép vào trường EXP của nhãn mới Quá trình này được gọi là đường mpls2mpls.
Có ba hành động có thể xảy ra trên đường mpls2mpls:
• Gán (Push) một hay nhiều nhãn được gán vào gói tin đã được gán nhãn.-
• Hoán đổi (Swap) - nhãn đầu tiên của gói tin được hoán đổi với nhãn khác.
• Loại bỏ (Pop) - một hay nhiều nhãn được loại bỏ khỏi gói tin, nhưng ít nhất có một nhãn còn lại
Hình sau mô tả ba trường hợp này:
Quá trình chuyển đổi gói tin từ mạng MPLS sang IP, được gọi là mpls-to-ip hay mpls2ip, diễn ra khi chồng nhãn MPLS được loại bỏ Trong quá trình này, chỉ có loại bỏ (pop) mới được thực hiện.
Quá trình được mô tả trong hình sau:
3.5.4 EXP và DSCP là độ
Hai vấn đề ảnh hưởng đến định nghĩa tác động qua lại cơ bản của EXP và IP Precedence:
• Phần mềm hệ điều hành của Cisco cho phép đặt giá trị EXP trên một nhãn độc lập
Trong cả hai trường hợp loại bỏ ip2mpls và mpls2mpls, việc gỡ bỏ nhãn không dẫn đến việc hoàn thành gói tin, mà chỉ chuyển đổi thành gói tin cấp thấp hơn.
Khi xem xét vấn đề này, nếu thay đổi giá trị EXP của các gói tin khác nhau từ gói tin IP hoặc thay đổi giá trị EXP trên đầu của chồng nhãn, sự thay đổi đó sẽ không được lan truyền Hình ảnh minh họa quá trình xử lý mặc định EXP khi thực hiện việc loại bỏ.
Hình 3.6: Quá trình xử lý mặc định EXP khi loại bỏ nhãn
3.5.5 Xử lý từng chặng (PHB) trong các trường hợp ip2mpls và mpls2ip
Khi gói tin có nhãn ngoài cùng với giá trị EXP khác so với EXP hoặc PRE IP bên dưới, việc xử lý gói tin sẽ được thực hiện theo một quy trình cụ thể Nếu gán nhãn EXP 0 cho gói tin có nhãn EXP 3 (hoặc IP Precedence 3), cần xác định cách thức xử lý gói tin trong từng giai đoạn Hình ảnh minh họa sẽ giúp làm rõ quyết định xử lý ở mỗi bước trong quá trình gán nhãn.
Router thực hiện việc gán nhãn luôn xử lý gói tin tuỳ theo PHB đầu ra Hình trên đưa ra việc xử lý PHB với EXP 0
Trường hợp loại bỏ trong mpls2mpls và mpls2ip không phải không phức tạp Hình sau mô tả quyết định PHB loại bỏ nhãn
Chế độ đường hầm
Có hai câu hỏi được đặt ra:
• Làm thế nào để xắp sếp theo kiểu hàng đợi (IP Precedence hoặc MPLS EXP) lên hoặc xuống chồng nhãn, và đi ra khỏi mạng MPLS?
• Trong các trường hợp loại bỏ của mpls2mpls và mpls2ip, PHB nào là kết quả của gói tin nhận được?
Chế độ đường hầm (tunnel mode) là phương pháp điều khiển giá trị EXP trong các trường hợp khác nhau, được định nghĩa trong RFC 3270 Ba chế độ này cung cấp các giải pháp khác nhau cho việc quản lý và điều chỉnh giá trị EXP hiệu quả.
• Short-Pipe - đường ống ngắn.
Trong chế độ Uniform, mọi thay đổi về giá trị EXP ở nhãn đầu tiên của chồng nhãn sẽ được lan truyền lên và xuống khi nhãn bị loại bỏ Điều này có nghĩa là trong mạng có miền DiffServ, bất kỳ thay đổi nào đối với giá trị EXP trên gói tin MPLS sẽ được áp dụng cho tất cả các nhãn bên dưới và các gói tin liên quan.
Quy luật của chế độ Uniform như sau:
• Khi gán nhãn, sao chép DSCP/EXP theo hướng lên.
• Khi loại bỏ, sao chép EXP bị loại bỏ theo hướng xuống (nếu trong chồng nhãn) đối với cả gói tin IP và MPLS
Câu hỏi về việc áp dụng PHB để loại bỏ nhãn không còn phù hợp; việc sử dụng PHB có thể linh hoạt dựa trên giá trị EXP nhận được hoặc giá trị EXP/DSCP xuất ra.
Bảng sau biểu diễn quá trình xử lý EXP trong chế độ Uniform h-gán - Pop -
Pus Swap hoán đổi loại bỏ ip2mpls
Sao chép IP Precedence vào nhãn mới được gán
Sao chép EXP nhận được vào EXP mới được gán
Sao chép EXP nhận được vào EXP mới được gán
Sao chép EXP bị loại bỏ vào nhãn mới có mpls2ip N/A N/A Sao chép EXP bị loại bỏ DSCP Bảng 3.3: Quá trình xử lý EXP trong chế độ uniform
Hình ảnh minh họa quá trình xử lý gói tin trong chế độ Uniform, trong đó nhãn mới được gán vào chồng nhãn với giá trị EXP 0 Khi nhãn này bị loại bỏ, nhãn nằm dưới (trước đây có giá trị EXP 3) sẽ chuyển thành EXP 0.
Hình 3.8: Xử lý gói tin trong chế độ uniform
Chế độ Uniform có thể được áp dụng cho cả mạng IP và MPLS trong cùng một miền DiffServ Sử dụng chế độ này khi cần thay đổi EXP ở một vị trí nào đó trong mạng nhằm xử lý gói tin sau khi nó rời khỏi phần MPLS.
Chế độ Short Pipe hỗ trợ các nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP) trong việc thực hiện chính sách chất lượng dịch vụ (QoS) một cách độc lập cho từng khách hàng Các bit IP Precedence trên gói tin IP được truyền lên chồng nhãn khi nhãn được thêm vào Khi các nhãn được hoán đổi, giá trị EXP hiện tại vẫn được giữ nguyên Nếu giá trị EXP đầu tiên thay đổi, sự thay đổi này chỉ lan truyền trong chồng nhãn mà không ảnh hưởng đến gói tin IP.
Bảng sau mô tả quá trình xử lý EXP trong chế độ Short-Pipe
Push Swap hoán đổi loại bỏ ip2mpls Sao IP Precedence vào trong EXP
N/A N/A mpls2mpls Sao chép EXP mơi nhận được vào trong EXP mới được gán
Sao chép EXP nhận được vào trong EXP mới được gán
Sao chép EXP bị loại bỏ vào trong EXP mới thu được mpls2ip N/A N/A Không thay đổi
DSCP; chọn lựa PHB trên cơ sở DSCP
Bảng 3.4: Xử lý EXP trong chế độ Short-Pipe
Hình sau mô tả quá trình xử lý gói tin trong chế độ Short-Pipe
Hình 3.9: Xử lý gói tin trong chế độ Short-Pipe
Chế độ Uniform và Short Pipe có sự khác biệt rõ rệt; trong khi mọi thay đổi với chồng nhãn EXP được truyền qua mạng MPLS trong chế độ Uniform, thì trong chế độ Short Pipe, DSCP của gói tin IP bên dưới không bị ảnh hưởng.
Có hai quy luật PHB trong chế độ Short-Pipe:
• Trong trường hợp loại bỏ mpls2mpls, EXP nhận được lan truyền xuống, nên câu hỏi PHB quyết định EXP nào có thể bàn
• Trong trường hợp loại bỏ mpls2ip, PHB quyết định dựa trên DSCP của gói tin IP mới nhận được sau khi chồng nhãn bị loại bỏ
Trong chế độ Short Pipe, mối liên kết giữa nhà cung cấp và khách hàng là nơi diễn ra quá trình xử lý mpls2ip Khách hàng chi trả cho liên kết này, do đó, gói tin trong trường hợp mpls2ip được xếp hàng theo DSCP mà khách hàng gửi vào mạng.
Chế độ Pipe tương tự như chế độ Short Pipe, với việc xử lý PHB trên liên kết mpls2ip được xác định dựa trên giá trị EXP thay vì giá trị DSCP Trong trường hợp này, DSCP trong gói tin không bị thay đổi, nhưng đường mpls2ip không xem xét DSCP khi thực hiện sắp xếp trên liên kết đầu ra.
Bảng sau mô tả việc sử lý EXP trong chế độ Pipe
Push Swap hoán đổi loại bỏ ip2mpls Sao chép IP
N/A N/A mpls2mpls Sao chép EXP nhận được vào EXP mới được gán
Sao chép EXP nhận được vào trong EXP mới được gán
Sao chép EXP nhận được vào trong EXP mới được gán mpls2ip N/A N/A Không thay đổi
DSCP; lựa chọn PHB dựa trên EXP
Bảng 3.5: Xử lý EXP trong chế độ Pipe Hình sau mô tả quá trình xử lý gói tin trong chế độ Pipe
Chế độ Pipe rất hữu ích cho các nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP) khi lựa chọn PHB (Per-Hop Behavior) trên các liên kết trực tiếp trong mạng MPLS Các ISP thường không muốn mở rộng mạng MPLS vào thiết bị tại cơ sở khách hàng (CPE), nhưng vẫn muốn kiểm soát lựa chọn PHB trên các liên kết đến CPE.
E-LSP và L- LSP
RFC 3270 mô tả cơ chế MPLS hỗ trợ Diffserv Một thách thức lớn trong việc triển khai Diffserv trên mạng MPLS là các LSR chỉ quyết định chuyển tiếp dựa vào tiêu đề của gói tin MPLS Do đó, PHB cần được xác định từ tiêu đề này.
MPLS xử lý điều này bằng cách đưa ra 3 bit EXP trong phần tiêu đề của gói tin MPLS để mang thông tin về Diffserv
Hình 3.11: Khuôn dạng Nhãn Nhưng lại có một khó khăn là làm sao ánh xạ 6 bit DSCP lên 3 bit EXP:
Giải pháp đầu tiên được thực hiện trong mạng chỉ có dưới 8 PHB Với mạng chỉ có
Trong hệ thống PHB, có khả năng ánh xạ hoàn toàn lên 3 bit EXP Khi các gói tin di chuyển qua một LSP được xử lý dựa trên EXP, LSP đó được gọi là E-LSP.
E-LSP có khả năng vận chuyển các gói tin với giá trị EXP khác nhau Các LSR trên E-LSP sẽ xử lý các gói tin này dựa trên giá trị EXP được chứa trong từng gói tin.
Giải pháp thứ hai cho mạng có hơn 8 PHB yêu cầu tìm cách lưu trữ thông tin PHB trong gói MPLS, vì 3 bit EXP không đủ Trường LABEL sẽ được sử dụng để chứa thông tin về lập lịch các gói tin, trong khi trường EXP sẽ lưu trữ thông tin về loại bỏ EXP Một LSP được thiết lập để các gói tin MPLS với trường LABEL chứa thông tin diffserv được gọi là L-LSP.
Hình 3.13: L-LSP Các gói tin MPLS đi vào một L-LSP phải có chung cơ chế lập lịch nhưng có thể có chế độ loại bỏ khác nhau.
Điều khiển lưu lượng với gói diffserv trong mạng MPLS
3.8.1 Kiểu lớp lưu lượng (CT):
Yêu cầu cơ bản của DS-TE là phân bổ băng thông cho các loại lưu lượng khác nhau Điều này đòi hỏi tất cả các router trong mạng phải nắm rõ lượng băng thông có thể cung cấp cho từng loại lưu lượng tại mọi thời điểm.
RFC 3564 định nghĩa kiểu lớp lưu lượng là một tập hợp các trung kế lưu lượng đi qua một liên kết, được điều khiển bởi các thuộc tính ràng buộc băng thông Kiểu lớp lưu lượng (CT) này được sử dụng để phân bổ băng thông liên kết, thực hiện định tuyến dựa trên các ràng buộc và kiểm soát băng thông cho từng liên kết Tất cả các trung kế lưu lượng sẽ thuộc về cùng một kiểu lớp lưu lượng trên mọi liên kết.
IETF yêu cầu hỗ trợ đến 8 Chất lượng Dịch vụ (CT) từ CT0 đến CT7 Các LSP được thiết lập để đảm bảo băng thông cho một CT cụ thể được gọi là DS-TE LSP Trong mô hình hiện tại của IETF, mỗi DS-TE LSP chỉ có thể mang lưu lượng từ một CT duy nhất Nhiều LSP có thể vận chuyển lưu lượng của cùng một CT với quyền ưu tiên thiết lập đường khác nhau Theo mặc định, lưu lượng best effort được ánh xạ đến CT0, và tất cả các LSP chưa được cấu hình là DS-TE LSP cũng sẽ được ánh xạ đến CT0.
Trong phần trước, chúng ta đã xem xét cách giao thức CSPF xác định đường đi qua mạng, đảm bảo đáp ứng các yêu cầu ràng buộc như băng thông và thuộc tính liên kết.
TE yêu cầu thêm thuộc tính băng thông cho mỗi CT như một ràng buộc cần thiết Để tính toán đường DS TE thành công, băng thông cho mỗi CT ở tất cả các mức ưu tiên phải được thông báo giữa các Router Điều này có nghĩa là giao thức IGP cần thông báo băng thông còn lại cho mỗi liên kết.
Trong mạng, mỗi Router được phân loại theo 8 CT và 8 mức ưu tiên, tổng cộng có 64 giá trị được báo hiệu và lưu giữ cho mỗi liên kết Tuy nhiên, IETF đã quyết định giới hạn số lượng thông báo chỉ còn 8 giá trị.
Lớp TE được xác định là sự kết hợp giữa CT và Priority, với DS TE hỗ trợ tối đa 8 lớp TE từ TE0 đến TE7 Các lớp TE này có thể được chọn từ 64 kết hợp khác nhau của CT và Priority thông qua cấu hình Hình dưới đây minh họa 64 sự kết hợp giữa kiểu lớp và mức ưu tiên.
Sau khi tính toán đường đi, băng thông được báo hiệu và giành trước Thông tin về Class Type (CT) cho một LSP được truyền trong một đối tượng lớp mới trong thông điệp RSVP path, từ đó xác định CT và yêu cầu đặt trước băng thông Để triển khai DS TE trong mạng, có hai quy tắc cần tuân thủ: đầu tiên, đối tượng CT chỉ áp dụng cho các LSP từ CT1 đến CT7; thứ hai, nếu một node nhận thông điệp PATH với đối tượng CT không quen thuộc, nó sẽ hủy bỏ thiết lập đường này.
Luật này đảm bảo rằng việc giành trước băng thông cho các LSP chỉ có thể thực hiện thông qua node DS TE Trong khi đó, các LSP truyền thống thuộc CT0 có thể đi qua cả hai loại node Tóm lại, nếu thông điệp RSVP báo hiệu giành trước băng thông cho một đường LSP mà không có thông tin về CT, thì mặc định sẽ là băng thông trong CT0 Nếu một node muốn báo hiệu một đường tại một CT cụ thể, thì cần phải thông báo rõ ràng.
3.8.4 Mô hình ràng buộc băng thông
Một trong những yếu tố quan trọng trong việc tính toán băng thông là phân bổ băng thông giữa các CT khác nhau Phần trăm băng thông liên kết mà một CT có thể sử dụng được gọi là ràng buộc băng thông (BC) Theo RFC 3564, "Mô hình ràng buộc băng thông" được định nghĩa để thể hiện mối quan hệ giữa CT và BC.
3.8.4.1 Mô hình cấp phát tối đa (MAM): Đây là mô hình ràng buộc băng thông đơn giản nhất Mô hình này ánh xạ chính xác một BC với một CT Với mô hình này, băng thông của mỗi liên kết được chia ra cho các CT khác nhau như minh họa trong hình dưới đây:
Mô hình MAM gặp vấn đề khi ánh xạ duy nhất một băng thông (BC) cho một kết nối (CT), dẫn đến tình huống nếu CT0 chưa sử dụng hết băng thông của BC0 trong khi CT1 lại thiếu băng thông do BC1 không đủ đáp ứng, thì CT1 không thể chiếm dụng phần băng thông chưa sử dụng của CT0 Điều này được minh họa rõ ràng trong hình dưới đây.
MAM sử dụng băng thông không hiệu quả khi tất cả các liên kết có băng thông 10 Mbps, trong đó CT1 (thoại) được cấp phát 1 Mbps và CT0 (dữ liệu) 9 Mbps Ngay cả khi không có LSP thoại, việc thiết lập một LSP dữ liệu 10 Mbps chỉ có thể sử dụng 9 Mbps theo đường ngắn nhất (ABC), trong khi 1 Mbps phải đi theo đường dài hơn (ADEC) Lợi ích của MAM là nó phân tách hoàn toàn băng thông cho mỗi CT, do đó không cần cấu hình ưu tiên giữa các LSP mang lưu lượng từ các CT khác nhau.
3.8.4.2 Mô hình búp bê Nga (RDM)
Mô hình cấp phát băng thông kiểu búp bê Nga được thiết kế nhằm tối ưu hóa hiệu quả sử dụng băng thông bằng cách cho phép các CT chia sẻ chung Trong đó, CT7 yêu cầu băng thông cao nhất với chất lượng dịch vụ tốt nhất, trong khi CT0 có chất lượng dịch vụ thấp nhất Cụ thể, BC7 đại diện cho tỷ lệ phần trăm băng thông dành riêng cho CT7, trong khi BC0 thể hiện tổng băng thông có sẵn cho tất cả các CT Các cấp băng thông tiếp theo như BC6 và BC5 cũng cung cấp băng thông cho các CT cao hơn như CT6 và CT5, tạo nên một cấu trúc tương tự như búp bê Nga, nơi một búp bê lớn (BC0) có thể chứa các búp bê nhỏ hơn.
Mô hình RDM mang lại lợi thế vượt trội so với mô hình MAM nhờ vào việc cải thiện hiệu quả sử dụng băng thông Hình 3.17 minh họa rõ nét điều này.
Hình 3.18: RDM với 1 data LSP
MÔ PHỎNG SO SÁNH CỦA MPLS TE VÀ ĐỊNH TUYẾN IGP
Giới thiệu chung về NS
NS-2 là một chương trình mô phỏng mạng, cho phép nghiên cứu các sự kiện mạng riêng biệt Nó hỗ trợ mô phỏng các giao thức TCP, định tuyến và truyền đa điểm trên mạng có dây, không dây, LAN và vệ tinh NS-2 cung cấp các tính năng như liên kết điểm điểm, LANs, định tuyến đơn điểm và đa điểm, cùng với các giao thức giao vận như UDP, TCP và các giao thức lớp ứng dụng như Mobile IP, mạng ad hoc di động, lưu dấu và hình ảnh.
NS-2 là một công cụ mô phỏng mạng mạnh mẽ, được phát triển dựa trên C++ và Tcl, trong đó Tcl được gọi là Otcl Trong NS-2, các đối tượng C++ tạo ra mặt phẳng dữ liệu, trong khi các đối tượng Otcl đảm nhận vai trò mặt phẳng điều khiển Để kết nối các đối tượng khác nhau, NS-2 sử dụng TclCL Quy trình mô phỏng mạng với NS-2 bao gồm một tập hợp các bước cụ thể cần thực hiện.
- Tạo ra bộ lập lịch sự kiện
- Lưu dấu các sự kiện muốn giám sát
- Tạo ra mạng sử dụng các đối tượng node và liên kết
- Thiết lập định tuyến truyền đơn điểm hay đa điểm
- Bật các giao thức lớp giao vận UDP, TCP
- Bật bộ phát lưu lượng cho TCP,UDP
Giao thức lớp ứng dụng được liên kết với giao thức lớp giao vận trong NS 2 thông qua các thành phần chính là đối tượng node và liên kết Đối tượng node bao gồm agent, hoạt động như điểm cuối của giao thức, và bộ lọc địa chỉ, giống như bộ tách kênh gói tin Trong khi đó, đối tượng liên kết liên quan đến các yếu tố như hàng đợi, độ trễ và TTL Biến entry_ là đầu vào của node, chịu trách nhiệm xử lý tất cả các gói tin đến Bộ lọc địa chỉ sẽ chuyển tiếp gói tin nếu node chưa phải là đích, ngược lại, gói tin sẽ được gửi đến bộ lọc cổng.
Thành phần mô phỏng MPLS trong NS 2 (MNS) cho phép mô phỏng nhiều ứng dụng của MPLS mà không cần xây dựng mạng MPLS thực tế MNS hỗ trợ chuyển tiếp gói MPLS, LDP, và CR-LDP, nhưng không hỗ trợ RSVP TE Phiên bản hiện tại của MNS có khả năng thiết lập LSP theo hai cách: điều khiển trước (control driven) hoặc thiết lập LSP khi có dữ liệu thực sự muốn truyền (data-driven) Nó cũng hỗ trợ chế độ cấp phát nhãn theo hướng lên (upstream) hoặc hướng xuống (downstream), có thể theo thứ tự hoặc độc lập Ngoài ra, MNS còn cung cấp định tuyến mở rộng cho các đường ER-LSP và CR-LSP.
Trong kiến trúc MNS, entry_ trong đối tượng NS 2 chứa tham chiếu đến bộ lọc MPLS, giúp xác định xem gói tin có được dán nhãn hay không Nếu gói tin đã được dán nhãn, bộ lọc MPLS sẽ thực hiện chuyển mạch lớp 2; nếu không, gói tin sẽ được xử lý để thêm nhãn MPLS nếu đã có LSP được thiết lập trước đó Nếu không có LSP, gói tin sẽ được chuyển tiếp đến bộ lọc địa chỉ để thực hiện định tuyến lớp 3 Nếu node là đích của gói tin, gói tin sẽ được chuyển tiếp đến bộ lọc cổng để đến agent tương ứng, với bộ lọc cổng được điều chỉnh cho ứng dụng MPLS Về phần DiffServ trong ns 2, các tính năng bao gồm việc thêm DSCP vào tiêu đề IP, thành phần điều kiện với profile và thành phần lập lịch Profile có thể được định nghĩa cho các kiểu lưu lượng như EF, AF, và khi gói tin đến bộ điều kiện, profile phù hợp với trường DSCP sẽ được chọn để kiểm tra tính chất của gói tin.
Mô phỏng và kết quả
Ta sẽ tạo ra một mạng hình cá gồm 9 node (node0 node8) trong đó từ node2 - đến node 6 sẽ là node mpls (LSR) như hình dưới đây:
Mô hình mạng được sử dụng để mô phỏng lưu lượng giữa các nút, trong đó lưu lượng từ nút 0 đến nút 7 và từ nút 1 đến nút 8 đều có tốc độ 1 Mbps Tất cả các liên kết giữa các nút đều có tốc độ 1.5 Mbps Bài viết sẽ phân tích kết quả trong hai trường hợp khác nhau.
- Dùng định tuyến IGP thông thường: Ta sẽ thấy liên kết 2 3 bị tắc nghẽn và - phải drop gói tin
Sử dụng MPLS TE, lưu lượng của một luồng sẽ được chuyển hướng qua đường thứ hai (2-4-5-6) Mặc dù chi phí cao hơn, nhưng đường này đảm bảo đủ băng thông, giúp các gói tin không bị rơi.
Khi không sử dụng MPLS TE, toàn bộ lưu lượng sẽ tập trung vào đường ngắn nhất 2-3-6 Hai luồng lưu lượng 1 Mbps cùng chảy vào liên kết 2-3 với tốc độ 1.5 Mbps, dẫn đến việc hàng đợi tại node2 tăng dần Khi hàng đợi này đạt đến giới hạn, hiện tượng rớt gói tin sẽ xảy ra.
Hình 4.2: Hàng đợi tại liên kết 2 3 đang đầy dần lên-
Hình 4.3: Hàng đợi trên liên kết 2 3 đầy và hiện tượng drop đang xảy ra-
Hình 4.4: Đồ thị băng thông của 2 luồng lưu lượng
Sử dụng MPLS TE cho phép chuyển luồng lưu lượng qua đường thứ 2: 2-4-5-6 Mặc dù đường này dài hơn, nhưng nó đảm bảo đủ băng thông, giúp cả hai luồng lưu lượng không bị mất gói.
Hình 4.5: Dùng MPLS TE để điều khiển lưu lượng
Hình 4.6: Đồ thị băng thông của 2 luồng lưu lượng sau khi dùng MPLS TE