Trang 6 5DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮTT vi t t t ừ ế ắTi ng Anh ếTi ng Vi t ếệCR Constraint-based Routing Định tuyến ràng buộc DCC Data communication channel Kênh truyền thông d
Mục đích nghiên cứu
Luận văn này được thực hiện nhằm đáp ứng yêu cầu của chương trình đào tạo thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Truyền thông tại Viện Đào tạo Sau Đại học - Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Trong quá trình học tập tại trường và nghiên cứu tài liệu tham khảo ảo, học viên đã được tiếp xúc với các công nghệ mới nhất đang được triển khai hiện nay.
Thông qua quá trình thực hiện đề tài, học viên mong muốn củng cố các kiến thức đã học, rèn luyện thói quen và tác phong nghiên cứu, đồng thời tìm hiểu các công cụ mới trong lĩnh vực mạng máy tính Với những lý do này, học viên đã quyết định thực hiện đề tài này.
Giới hạn của đề tài
Công nghệ Gệ MPLS là một lĩnh vực tương đối mới, và việc tìm hiểu về các vấn đề liên quan đến công nghệ này yêu cầu kiến thức sâu rộng và kinh nghiệm lâu dài.
Học viên tập trung vào việc làm rõ các đặc điểm hoạt động của mạng GMPLS và kỹ thuật lưu lượng trong GMPLS, với kiến thức và thời gian có hạn.
Phương pháp nghiên cứu
Để hoàn thành đề tài này, c viên họ đã thực hiện các phương pháp nghiên cứu như sau:
- Phương pháp phân tích: tìm hi u ể tài liệu qua sách tham khảo, giáo trình, luận văn khoá trước,… ở thư viện trường cũng như mạng internet
- Phương pháp tìm hi u và phân tích các tài li u trên m ng Internet ể ệ ạ
Nội dung
Đề tài đượ ổc t ch c thành 3 ứ chương và các ph n v i các nầ ớ ội dung như sau:
Chương 1 Gi i thi u m ng Gớ ệ ạ MPLS
Chương 2 Các thành phần trong m ng ạ GMPLS
Chương 3 K thuỹ ật lưu lượng trong m ng GMPLS ạ
GIỚI THIỆU MẠNG GMPLS
Giới thiệu công nghệ GMPLS
1.1.1 Lịch sử phát triển GMPLS
Trong những năm gần đây, lưu lượng truy cập Internet đã bùng nổ, dẫn đến sự gia tăng mạnh mẽ về nhu cầu sử dụng các dịch vụ trực tuyến Điều này kéo theo một nhu cầu lớn về băng thông trong mạng lõi Các công ty viễn thông đang nỗ lực cung cấp dịch vụ nhanh chóng để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của khách hàng.
Chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS) được phát triển bởi Internet Engineering Task Force (IETF) nhằm cung cấp một phương thức mới hiệu quả trong việc quản lý và phân phối các gói dữ liệu trên Internet MPLS giúp tối ưu hóa hiệu suất mạng và cải thiện khả năng chuyển tiếp dữ liệu, góp phần nâng cao trải nghiệm người dùng.
Công nghệ MPLS dựa trên chuyển mạch gói, với đơn vị cơ bản là gói dữ liệu (thường là gói tin IP), yêu cầu các thiết bị chuyển mạch và định tuyến kiểm tra từng gói tin để quyết định cách chuyển tiếp Trong mạng lõi, hệ thống truyền dẫn thường sử dụng thiết bị ghép kênh phân chia thời gian (TDM), do đó, việc chuyển mạch liên quan đến các luồng dữ liệu thay vì các gói dữ liệu riêng biệt Các thiết bị đã được phát triển để chuyển mạch toàn bộ nội dung của một sợi quang hoặc các bước sóng chia nhỏ, cho thấy rằng các thiết bị truyền dẫn lõi hoạt động tương tự như chức năng chuyển mạch end-to-end trong mạng MPLS, nhưng dựa trên các khoảng thời gian TDM, bước sóng hoặc sợi quang toàn phần thay vì gói tin Các giao thức điều khiển MPLS có thể áp dụng trong mạng truyền dẫn, giúp tăng tính linh hoạt, kiểm soát đơn giản và dễ dàng đáp ứng các yêu cầu cung cấp dịch vụ tiên tiến Do đó, giải pháp được đề xuất là công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức tổng quát (GMPLS).
GMPLS không chỉ đơn thuần là các giao thức MPLS mà còn là một kiến trúc phần mềm chung cho các phần tử mạng và ứng dụng mạng Mục đích chính của GMPLS là cung cấp và quản lý các dịch vụ trên mạng, giúp tăng cường tính mạnh mẽ và linh hoạt cho các dịch vụ này Công nghệ GMPLS nổi bật với khả năng điều khiển lưu lượng qua mạng, giúp nhà cung cấp dịch vụ khai thác hiệu quả tài nguyên mạng.
Công nghệ GMPLS nổi bật với khả năng thực hiện kỹ thuật lưu lượng (Traffic Engineering TE), cho phép định tuyến lưu lượng qua mạng một cách tin cậy và hiệu quả Nhờ vào kỹ thuật này, các nhà cung cấp dịch vụ có thể tối ưu hóa việc phân phối lưu lượng, từ đó nâng cao chất lượng dịch vụ cho khách hàng về mặt thông lượng và độ tin cậy.
Kỹ thuật lưu lượng là công nghệ tối ưu hóa hiệu suất cho các mạng sử dụng, bao gồm ứng dụng, cơ chế và nguyên lý khoa học để tính toán và mô hình hóa đặc điểm của gói tin dựa trên lưu lượng dữ liệu người dùng Các mạng cung cấp dịch vụ đơn giản cho một số khách hàng và không quá tải thường không cần kỹ thuật lưu lượng Tuy nhiên, khi mạng phát triển với nhiều loại dịch vụ phức tạp, kỹ thuật lưu lượng trở nên quan trọng, giúp tiết kiệm chi phí cung cấp và hoạt động, đồng thời đáp ứng các yêu cầu dịch vụ một cách hiệu quả.
Kỹ thuật lưu lượng là một chức năng quan trọng của mặt phẳng điều khiển mạng, giúp quản lý lưu lượng dữ liệu trên các liên kết quá tải Chức năng này được thiết kế để giảm thiểu tình trạng tắc nghẽn và tối ưu hóa đường truyền bằng cách xác định các tuyến đường ngắn nhất cho dữ liệu.
Lưu lượng mạng có thể được điều chỉnh thông qua các đường đi thay thế có sẵn, giúp tối ưu hóa việc cung cấp lưu lượng truy cập Sự cố quá tải xảy ra do các giao thức định tuyến không xác định băng thông sử dụng trên các liên kết mạng Để giảm thiểu tình trạng này, kỹ thuật lưu lượng được áp dụng, đặc biệt hữu ích khi một đường truyền bị mất và nhiều đường truyền khác có thể cung cấp dịch vụ Kỹ thuật lưu lượng nghiên cứu các nguồn tài nguyên có sẵn trên mạng, xác định các đường truyền khả thi và lựa chọn cách tối ưu nhất để xử lý lưu lượng.
1.1.2.2 Điều khiển phân tán và tích hợp đa lớp
GMPLS có khả năng điều khiển mạng phân tán bằng cách mở rộng MPLS ở lớp TDM và lớp λ Các chức năng được thực hiện bởi một đơn vị điều khiển trung tâm, được phân phối cho từng nút và điều khiển một cách phân tán, từ đó cải thiện khả năng mở rộng của mạng.
Trong mạng GMPLS, khả năng điều khiển mạch tích hợp đa lớp phân tán cho phép thích ứng với các cấu trúc liên kết hoặc định tuyến của mỗi lớp Điều này giúp mạng có thể điều chỉnh linh hoạt theo yêu cầu lưu lượng, đồng thời tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên mạng.
1.1.2.3 Thực hiện kỹ thuật lưu lượng đa lớp
GMPLS hiện đang được tiêu chuẩn hóa bởi Internet Engineering Task Force (IETF), cho phép điều khiển các mạng khác nhau với giao thức phổ biến Công nghệ GMPLS phát triển từ các phần mở rộng của MPLS, được sử dụng cho kỹ thuật lưu lượng phân tán trong mạng lớp gói IP GMPLS có khả năng điều khiển các mạng đa lớp, bao gồm mạng quang, mạng lambda, mạng ghép kênh phân chia thời gian (TDM) và mạng gói.
Công nghệ chuyển mạch nhãn
Chuyển mạch nhãn là công nghệ trong đó một "nhãn" được gắn vào gói tin và đặt trong tiêu đề của gói tin, nhằm thay thế địa chỉ Nhãn này được sử dụng để chuyển các gói tin tới đích một cách hiệu quả.
Chuyển mạch nhãn khác biệt so với chuyển mạch trong mạng internet truyền thống, nơi mà các gói tin được chuyển dựa vào địa chỉ đích Địa chỉ đích đóng vai trò quan trọng trong việc xác định đường đi của gói tin qua các băng thông.
Công nghệ chuyển mạch nhãn được thiết kế để nâng cao hiệu suất chuyển tiếp gói tin của các bộ định tuyến lõi Điều này đạt được thông qua việc sử dụng các chức năng gán và phân phối nhãn, giúp tối ưu hóa các dịch vụ định tuyến lớp mạng khác nhau.
Hiện nay, công nghệ ẩm ng đang thu hút sự chú ý với một số yếu tố quan trọng như: điều khiển định tuyến, tài nguyên mạng, tính đơn giản, khả năng hệ thống, tốc độ và độ bền Những yếu tố này đóng vai trò then chốt trong việc phát triển và ứng dụng công nghệ chuyến mã nhãn, giúp nâng cao hiệu quả và tính khả thi trong các giải pháp công nghệ hiện đại.
Tốc độ và độ trễ trong quá trình chuyển tiếp gói tin chủ yếu là do xử lý định tuyến gói tin Mặc dù có nhiều cải tiến trong tìm kiếm bảng định tuyến, tải lưu lượng trên băng tuyền thường vượt quá khả năng xử lý, dẫn đến mất lưu lượng, mất kết nối và giảm hiệu suất mạng Chuyển mạch nhãn với cơ chế chuyển tiếp gói tin khác biệt giúp giải quyết những vấn đề này Quá trình này gán nhãn cho tiêu đề của gói tin và sử dụng nhãn để truy cập vào bảng chuyển tiếp tại bộ định tuyến, chỉ cần một lần truy cập duy nhất, thay vì nhiều bước tìm kiếm như trong bảng định tuyến truyền thống Kết quả là hoạt động này hiệu quả hơn, giúp lưu lượng người dùng trong gói tin được xử lý nhanh hơn, giảm độ trễ và cải thiện thời gian đáp ứng cho các chuyển tải thông tin giữa các người sử dụng.
Các hiệu ứng trễ luôn tồn tại trong mạng máy tính do các gói tin phải đi qua nhiều nút mạng khác nhau Điều này dẫn đến sự tích lũy trễ và biến động trong quá trình truyền tải Sự tích lũy trễ ở các cung đoạn khác nhau ảnh hưởng đến thời gian thực giữa các thiết bị đầu cuối.
Mỗi gói tin khi di chuyển qua các nút mạng sẽ được xác minh địa chỉ đích và tra cứu trong bảng định tuyến để tìm ra đường đi phù hợp Do đó, độ trễ xảy ra phụ thuộc vào kích thước gói tin, khả năng xử lý của bộ định tuyến và lưu lượng gói tin Với cơ chế chuyển tiếp gói tin nhanh, chuyển mạch nhãn có thể giải quyết vấn đề này hiệu quả.
Nguyên tắc đơn giản trong chuyển mạch nhãn là chuyển tiếp gói tin dựa vào nhãn của gói tin, giúp đơn giản hóa quá trình giao tiếp và chuyển tiếp gói tin Tuy nhiên, cần có các kỹ thuật đảm bảo liên kết giữa các nhãn và tính tương quan giữa chúng với luồng lưu lượng của người sử dụng Sau khi gán nhãn vào dòng lưu lượng, hoạt động của chuyển mạch nhãn có thể được tích hợp vào phần mềm, trong các mạch tích hợp đặc biệt hoặc các bộ xử lý được thiết kế riêng.
Tài nguyên sử dụng trong thiết lập nhãn không chỉ giúp tiết kiệm tài nguyên mạng mà còn đảm bảo các cơ chế định tuyến chuyển mạch nhãn cho lưu lượng người dùng được thực hiện một cách hiệu quả Các tiêu chí thiết kế mạng chuyển mạch nhãn sẽ được làm rõ hơn trong phần sau của bài viết.
Chuyển mạch nhãn không chỉ giúp tăng tốc độ chuyển gói tin mà còn cung cấp tính linh hoạt cho các tính năng khác, nâng cao khả năng xử lý lưu lượng người dùng trong mạng Khi số lượng địa chỉ IP gia tăng nhanh chóng, kích thước bảng định tuyến cũng theo đó tăng lên, gây cản trở quá trình xử lý gói tin Tuy nhiên, chuyển mạch nhãn cho phép gán nhiều địa chỉ IP với một hoặc vài nhãn, giúp giảm kích thước bảng địa chỉ và cho phép các bộ định tuyến hỗ trợ nhiều người dùng hơn.
Điều khiển định tuyến trong mạng internet được thực hiện dựa trên địa chỉ IP, trong khi trong mạng LAN sử dụng địa chỉ MAC Có nhiều thông tin quan trọng cần được truyền tải trong tiêu đề của gói IP, như Trường loại dịch vụ IP (TOS) và các thông số khác, điều này có thể làm mất nhiều thời gian cho quá trình định tuyến Tuy nhiên, định tuyến theo địa chỉ đích hiện là phương pháp chuyển tiếp gói tin phổ biến nhất và là một trong những phương pháp chuyển tiếp gói tin hiệu quả.
Hiện nay, việc chuyển tiếp gói tin trên mạng gặp nhiều khó khăn do các vấn đề như lặp vòng và sự khác biệt trong kiến trúc mạng Một trong những thách thức chính là các nhà cung cấp thiết bị mạng sử dụng các phương pháp định tuyến khác nhau, dẫn đến sự không đồng nhất Một số nhà cung cấp cho phép người quản trị mạng chia sẻ lưu lượng, trong khi những nhà cung cấp khác lại dựa vào các trường chức năng như TOS và chỉ số ổn định.
Chuyển mạch nhãn cho phép các bộ định tuyến chọn tuyến đầu ra theo nhãn, giúp hướng lưu lượng tải mà không cần toàn bộ thông tin từ giao thức định tuyến IP động dựa trên địa chỉ IP đích Định tuyến IP thường gắn liền với các giao thức chuyển mạch như FR, ATM hoặc MPLS Phương pháp này sử dụng các trường trong tiêu đề địa chỉ IP như TOS, chỉ số độ trễ, nhận dạng giao thức IP hoặc kích thước gói tin để phân loại dịch vụ thành các kiểu lưu lượng Các nút đầu vào mạng thực hiện việc này tự động, trong khi các bộ định tuyến trong lớp lõi sử dụng thông tin đã xử lý để quyết định cách xử lý lưu lượng đến, thường sử dụng các kiểu hàng đợi khác nhau.
IP cũng cho phép người qu n lý mả ạng định tuy n ràng bu c ế ộ
Các chính sách d a trên IP cho phép b ự ộ định tuyến:
- Đặt các giá tr ị ưu tiên vào trong tiêu đề gói tin IP
- Thi t lế ập bước kế ế ti p cho gói tin
- Thi t l p giao di n ra cho gói tin ế ậ ệ
Chuyển mạch nhãn là một kỹ thuật điều khiển giao thức chuyển mạch IP theo kiểu tô pô, khác biệt với các loại chuyển mạch khác Nhiều tài liệu đã chỉ ra rằng việc định tuyến theo chính sách và định tuyến ràng buộc không khả thi do sự đa dạng của các mạng và nhà cung cấp dịch vụ trên internet Sự thiếu thỏa thuận giữa các nhà cung cấp về các bit ưu tiên cũng góp phần vào vấn đề này.
Gói IP Nhãn Liên kết
Liên kết Khe thời gian
Liên kết mạch nhãn của Fiber chỉ thực sự hiệu quả khi các nhà điều hành mạng có sự thống nhất trong việc sử dụng nhãn Sự đồng bộ này giúp tối ưu hóa cách thức triển khai và quản lý mạng, từ đó nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.
Khái niệm và hoạt động cơ bản trong GMPLS
Kiến trúc MPLS được xác định để hỗ trợ truyền tải dữ liệu dựa trên nhãn Theo RFC 3031, LSR (Label Switching Router) là nút có mặt phẳng truyền tải dữ liệu, xác định ranh giới của gói tin IP hoặc tế bào (gói IP kèm nhãn) và thực hiện truyền tải dữ liệu theo tiêu đề của gói tin IP hoặc tiêu đề tế bào Trong GMPLS, LSR không chỉ thực hiện truyền tải dữ liệu theo tiêu đề của gói tin IP hay tế bào, mà còn quản lý truyền tải dựa trên thông tin khe thời gian, bước sóng và cổng vật lý của mạng quang.
Giao diện LSR (Label Switching Router) trong GMPLS được phân thành bốn loại dựa trên khả năng chuyển mạch: PSC (khả năng chuyển mạch gói), TDM (khả năng ghép kênh phân chia theo thời gian), LSC (khả năng chuyển mạch lambda) và FSC (khả năng chuyển mạch quang).
Giao diện PSC (Packet Switch Capable) có khả năng xác định ranh giới của gói tin IP và thực hiện các tác vụ truyền dẫn dữ liệu dựa trên nội dung của tiêu đề gói tin Trong mỗi gói, một nhãn duy nhất được xác định cho mỗi liên kết gắn với các gói tin IP, tạo thành các LSP (Label Switched Paths) Hình 1.1 (a) minh họa một liên kết được xác định giữa hai LSR (Label Switch Router) để chuyển gói tin IP Khi các gói tin IP được chuyển qua SDH/SONET, liên kết này được gọi là đường truyền SDH/SONET, và nếu chuyển qua Ethernet, nó được gọi là đường truyền Ethernet.
Giao diện TDM (Time Division Multiplex) hoạt động bằng cách lặp lại theo chu kỳ và thực hiện các tác vụ truyền dẫn dữ liệu thông qua các khe thời gian Trong lớp TDM, mỗi khe thời gian được đánh dấu rõ ràng Một ví dụ về giao diện TDM là giao diện DXC, trong đó đường đi TDM hoặc SDH/SONET được hình thành bằng cách kết nối các khe thời gian đã được gán vào phía đầu vào và đầu ra Liên kết này có thể tương ứng với đường đi của bướm sóng hoặc đơn giản chỉ là với sợi quang.
Giao diện LSC (Lambda Switch Capable) cho phép truyền dẫn dữ liệu qua các bước sóng trong sợi quang, đảm bảo việc truyền tải dữ liệu hiệu quả Trong lớp λ của hình 1.1 (c), các nhãn thể hiện bước sóng tương ứng Một ví dụ về giao diện TDM là OXC, nơi các đường đi λ được hình thành bằng cách kết nối các bước sóng đầu vào với các bước sóng đầu ra tương ứng Giao diện OXC kết hợp với LSC thực hiện chuyển mạch theo từng bước sóng, tối ưu hóa quá trình truyền tải dữ liệu.
Giao diện FSC (Fiber Switch Capable) cho phép truyền dữ liệu qua các cổng vật lý của sợi quang, đảm bảo dữ liệu được chuyển tiếp một cách hiệu quả Trong lớp quang, mỗi sợi quang được đánh dấu tương ứng, giúp dễ dàng nhận diện Một ví dụ về giao diện FSC là OXC, nơi các đường quang được hình thành bằng cách kết nối các sợi quang ở đầu vào và đầu ra, tạo ra một mạng lưới liên kết linh hoạt và hiệu quả.
Lớp gói Lớp TDM Lớp quang
Lớp TDM Lớp λ Lớp quang
Lớp gói Lớp λ Lớp quang Lớp gói
Hình 1.2 Cấu trúc lớp mạng
Hình 1.3 mô tả sự phân cấp của LSP, trong đó giao diện OXC và FSC thực hiện chuyển mạch theo đơn vị quang Liên kết trong trường hợp này được hiểu là một mối liên hệ giữa các bề mặt quang vật lý, được coi như ống dẫn ánh sáng.
Có thể sử dụng các giao diện chuyển mạch bằng sự phân cấp của chúng Trong trường hợp này, hệ thống phân cấp được hình thành bởi FSC, LSC, TDM và PSC, tạo thành một cấu trúc phân cấp cao nhất Trong GMPLS, đường đi tương ứng với khả năng chuyển mạch được gọi là LSP Hình 1.3 minh họa cấu trúc phân cấp của LSP Trong cấu trúc lớp thể hiện trong Hình 1.2 (b), PSC-LSP thuộc về TDM-LSP và liên kết của PSC LSP trở thành TDM LSP TDM LSP thuộc về LSC-LSP và liên kết của TDM LSP trở thành LSC LSP LSC LSP thuộc về FSC-LSP và liên kết của LSC LSP trở thành FSC-LSP Trong trường hợp cấu trúc lớp thể hiện trong Hình 1.2 (c), lớp TDM được loại bỏ và PSC LSP thuộc về LSC-LSP, với các liên kết của PSC LSP trở thành LSC LSP Mối quan hệ giữa LSC-LSP và FSC-LSP tương tự như trường hợp trong Hình 1.2 (b) Khi một trong số đó di chuyển xuống lớp dưới, băng thông của LSP trở nên lớn hơn.
Hình 1.4 Mối quan hệ giữa khả năng chuyển mạch và lớp.
L p ớ, hay còn gọi là vùng (region), là phạm vi hoạt động của mạng với khả năng chuyển mạch nhất định Mối quan hệ giữa khả năng chuyển mạch và lớp Gi được thể hiện qua các giao diện PSC, trong đó PSC-LSP được hình thành Khu vực giữa các giao diện PSC được gọi là lớp PSC, nơi các lớp liên quan có thể kết hợp Với giao diện TDM, một TDM LSP được tạo ra, và khu vực giữa các giao diện TDM được gọi là một lớp TDM Tương tự, các lớp LSC và FSC cũng được định nghĩa theo cách tương tự.
GMPLS cung cấp nhiều ưu điểm, trong đó mạng được điều khiển phân tán qua giao thức định tuyến hoặc báo hiệu trong lớp gói Ngược lại, trong lớp TDM và lớp λ, mạng được điều khiển tập trung thông qua việc thiết lập các nhánh đường truyền Các nhà khai thác mạng cần hiểu rõ cách vận hành của từng mạng tương ứng với các lớp khác nhau, vì các phương pháp điều khiển mạng khác nhau được áp dụng cho từng lớp Hình 1.5 minh họa mạng IP/MPLS hiện nay.
Bằng cách sử dụng GMPLS, mạng phân tán có thể được điều khiển hiệu quả qua việc mở rộng MPLS đến lớp TDM và lớp λ Trong môi trường này, các chức năng được thực hiện bởi một đơn vị điều khiển trung tâm và được phân phối cho từng nút, cho phép điều khiển phân tán Điều này mang lại khả năng linh hoạt trong việc thêm hoặc xóa các nút và liên kết, từ đó cải thiện khả năng mở rộng của mạng Hơn nữa, nhờ vào việc vận hành các lớp dựa trên GMPLS, nguồn tài nguyên có thể được sử dụng hiệu quả hơn, giúp các nhà điều hành mạng hoạt động tốt hơn ở tất cả các lớp.
L p gói ớ (Điều khi n phân tán) ể
Thi t b u khi n trung tâm ế ị điề ể
L p TDM ớ (Điều khi n phân tán) ể
Thi t b u khi n trung tâm ế ị điề ể
Hình 1.6 Mạng GMPLS của mỗi lớp được điều khiển phân tán
Hình 1.7 Mạng GMPLS được điều khiển phân tánvà tích hợp đa lớp.
Trong môi trường GMPLS, việc tích hợp với các lớp đa dạng để quản lý lưu lượng trở nên quan trọng, như thể hiện trong hình 1.7 Các kỹ thuật lưu lượng tích hợp cho các lớp đa dạng được gọi là "kỹ thuật quản lý lưu lượng đa lớp" Hình 1.8 minh họa khái niệm về kỹ thuật quản lý lưu lượng lớp, bao gồm các lớp gói, các lớp quang và lớp sóng Các cấu trúc liên kết của những thay đổi trong lớp sóng tương ứng với sự thay đổi trong yêu cầu lưu lượng.
L p gói ớ (Điều khi n phân tán) ể
L p TDM ớ (Điều khi n phân tán) ể
Các lớp gói và nh tuy n mà PSC LSP lđị ế được chuyển đổi theo sự thay đổi của cấu trúc liên kết trong các lớp λ Đa ớp có khả năng thích ứng với các cấu trúc liên kết hoặc định tuyến của mỗi lớp để đáp ứng những thay đổi trong yêu cầu lưu lượng Kỹ thuật này giúp tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên mạng.
Hình 1.8 Kỹ thuật lưu lượng đa lớp.
Tiêu chuẩn hóa các giao thức mạng GMPLS được thực hiện dưới sự giám sát của IETF, một tổ chức chuyên trách về tiêu chuẩn Internet Các giao thức chính trong GMPLS bao gồm OSPF mở rộng cho định tuyến, RSVP-TE cho báo hiệu và các giao thức quản lý liên kết (LMP) Hình 1.9 minh họa rõ ràng các giao thức này trong kiến trúc GMPLS.
Hình 1.9 Các giao thức chính của GMPLS
1.3.2 Mặt phẳng dữ liệu và mặt phẳng điều khiển
Mặt phẳng điều khiển (control plane) là tập hợp phần mềm và phần cứng trong hệ thống mạng, được sử dụng để điều khiển nhiều hoạt động thiết yếu như gán nhãn, tìm tuyến và các chức năng khác Nhiệm vụ chính của mặt phẳng điều khiển là cung cấp dịch vụ cho mặt phẳng dữ liệu, trong khi mặt phẳng dữ liệu chịu trách nhiệm chuyển tiếp lưu lượng người dùng qua router Các thuật ngữ như mặt phẳng người dùng (user plane) và mặt phẳng truyền dẫn (transport plane) cũng được sử dụng để mô tả mặt phẳng dữ liệu.
CÁC GIAO THỨC TRONG MẠNG GMPLS
Giới thiệu mô hình hoạt động trong mạng GMPLS
Từ góc độ hoạt động mạng, GMPLS hỗ trợ hai mô hình chính: mô hình ngang hàng và mô hình lớp phủ Hình 2.1 và Hình 2.2 minh họa cho mô hình ngang hàng cũng như mô hình lớp phủ.
Hình 2.1 Mô hình ngang hàng
Trong mô hình ngang hàng, tất cả các bộ định tuyến IP và OXC hoạt động đồng thời và được điều khiển bởi một mặt phẳng điều khiển duy nhất Các bộ định tuyến này có khả năng nắm bắt thông tin cấu trúc liên kết của tất cả các lớp gói và lớp λ Địa chỉ IP được thiết lập để các bộ định tuyến IP và OXC có thể cùng quản lý một địa chỉ trong hệ thống.
Mô hình ngang hàng hoạt động dựa trên một mặt phẳng điều khiển duy nhất, cho phép mô tả đầy đủ hệ thống LSP phân cấp và cơ chế lưu lượng Nó tích hợp các tính năng đặc trưng của GMPLS cho mạng có cấu trúc lớp phức tạp Hơn nữa, mô hình này có ưu điểm nổi bật là khả năng thực hiện bảo vệ cuối-cuối hoặc phục hồi ngay lập tức khi có sự cố xảy ra.
Trong mô hình ngang hàng, các trạng thái liên kết của tất cả các lớp được quảng bá tới nút, dẫn đến việc một lượng lớn thông tin được truyền qua một phương thức nhất định Hơn nữa, nếu kỹ thuật lưu lượng đa lớp được thực hiện, nó sẽ tạo ra các trạng thái tương ứng.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá 33 liên kết giữa các lớp và số lượng tính toán cần thiết để thực hiện trên nền tảng hiện tại Vấn đề về khả năng mở rộng đã cho thấy rằng việc thu được một mô hình ngang hàng hoàn hảo là rất khó khăn Ngược lại, mô hình lớp phức hợp có thể giúp giải quyết vấn đề khả năng mở rộng này Một mô hình ngang hàng hoàn hảo hơn sẽ được thực hiện theo từng giai đoạn bằng cách tích hợp mô hình ngang hàng vào trong mô hình lớp phức hợp.
Hình 2.2 Mô hình lớp phủ
Mô hình lớp phủ được chia thành hai mặt phẳng: mặt phẳng IP và mặt phẳng điều khiển quang, kết nối với nhau qua UNI, như thể hiện trong hình 2.2 Lớp IP không thể nhận biết cấu trúc liên kết của lớp λ, và OXC cũng không thể hiểu cấu trúc liên kết của lớp gói Do các mặt phẳng điều khiển được tách biệt, địa chỉ IP được thiết lập đến bến đích IP và địa chỉ IP được thiết lập đến OXC có thể đến từ các hệ thống địa chỉ khác nhau.
Mô hình l p ph có thể được coi là mô hình client-server, trong đó lớp trên là client và lớp dưới là server Khi có yêu cầu thiết lập LSP (PSC-LSP) giữa các bộ định tuyến IP, lớp gói sẽ yêu cầu lớp λ thông qua UNI quang mặc dù có thể không cung cấp một nguồn tài nguyên mạng như mong muốn.
Mô hình l p ph có những tính năng đặc trưng như việc tách rời các mặt phẳng điều khiển của các lớp trên và dưới, giúp khắc phục vấn đề khả năng mở rộng so với mô hình ngang hàng Hơn nữa, mạng con lỉ ạ ớp trên được kết nối với lớp dưới thông qua một UNI quang học, nhưng không tương tác trực tiếp với mạng con lớp trên, mà chỉ kết nối với UNI quang ở các vị trí khác Điều này cho phép lớp trên có thể thực hiện các chức năng độc lập, như một nút độc lập với nhau Tương tự, mối quan hệ giữa lớp trên và lớp dưới cũng được áp dụng theo cách này.
Mô hình lớp phủ GMPLS hạn chế việc sử dụng các chức năng của nó bằng cách chia mặt phẳng điều khiển thành hai lớp Nghiên cứu này xem mô hình lớp phủ như một bước quan trọng trong việc ứng dụng của mạng GMPLS.
Các giao thức định tuyến phổ biến hiện nay trong mạng IP/MPLS bao gồm OSPF (Open Shortest Path First) và IS-IS (Intermediate System to Intermediate System) OSPF là giao thức mở giúp tìm đường ngắn nhất, trong khi IS-IS là giao thức cho phép định tuyến trong các hệ thống mạng lớn Cả hai giao thức này đều đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa lưu lượng mạng và đảm bảo khả năng mở rộng cho các mạng hiện đại.
IS (Intermediate System to Intermediate System) là một giao thức quan trọng trong mạng GMPLS OSPF được sử dụng trong mạng IP mở rộng, hỗ trợ nhiều chức năng như quản lý lưu lượng kỹ thuật (TE), phân cấp LSP, và quản lý các liên kết không đánh số, liên kết bó OSPF cũng sử dụng LSA để quảng bá trạng thái liên kết, giúp tối ưu hóa hiệu suất mạng.
Trong môi trường GMPLS, hệ thống mạng phân cấp cho phép một LSP lớp thấp hơn trở thành một liên kết của LSP lớp trên Chẳng hạn, khi một LSP được thiết lập trên một đường truyền TDM nhất định, đường truyền này hoạt động như một liên kết trong một khoảng thời gian nhất định Khi LSP ở cấp độ cao hơn được thiết lập, nút nguồn của LSP sẽ được quảng bá trong hệ thống như một liên kết ở cấp trên LSP này được gọi là một liên kết TE, như mô tả trong hình 2.3 Đường nét đứt trong hình 2.3 (b) thể hiện một đường truyền TDM Mặc dù có một đường truyền trực tiếp giữa A-C, nhưng không có đường truyền giữa B-C trong trường hợp này.
TE có một cấu trúc liên kết thể hiện trong hình 2.3 (a) Trong lớp TDM, LSP (TDM-LSP) hoạt động như một liên kết TE giữa gói và lớp Khi PSC-LSP được thiết lập, định tuyến được thực hiện dựa trên cấu trúc liên kết đã được xây dựng bởi các liên kết TE.
Mặc dù liên kết trừu tượng (TE) thường được sử dụng trong kỹ thuật lưu lượng, nhưng khi thiết lập LSP, nó có thể ảnh hưởng đến cấu trúc liên kết trong mạng GMPLS Trong cấu trúc này, một liên kết vật lý như sợi quang cũng được xem là một liên kết TE, không có sự phân biệt rõ ràng giữa các liên kết vật lý và liên kết trừu tượng.
Hình 2.3 Nội dung của kỹ thuật lưu lượng.
Liên kết không đánh số trong mạng MPLS được gán địa chỉ IP để xác định các liên kết bên trong mạng Tuy nhiên, trong mạng GMPLS, với khả năng chứa hơn 100 bước sóng trên một sợi quang, số lượng địa chỉ IP cần thiết trở nên rất lớn nếu mỗi giao diện được gán một địa chỉ IP riêng Điều này có thể dẫn đến tình trạng cạn kiệt địa chỉ IP khi mỗi liên kết TE được gán một địa chỉ IP Do đó, GMPLS sử dụng một nhãn định danh liên kết (link ID) để xác định các giao diện của liên kết, giúp giảm thiểu số lượng địa chỉ IP cần thiết Mặc dù một địa chỉ IP vẫn cần được gán, nhưng ID liên kết đảm bảo tính duy nhất trong bộ định tuyến Các liên kết bên trong mạng có thể được xác định thông qua sự kết hợp của ID định tuyến và ID liên kết.
Liên k ế t TE b) Tô pô liên k v ết ật lý
Giao thức báo hiệu
Giao th c báo hi u là m t giao thứ ệ ộ ức thiế ật l p LSP và qu n lý tr ng thái thiả ạ ết lập của LSP và RSVP-TE m r ng trong GMPLS ở ộ
RSVP-TE trong MPLS: Khi một thông điệp tiêu chuẩ được sử ụng trong RSVPn d -
TE bao gồm một thông điệp đường đi và một thông điệp RSVP Như thể hiện trong Hình 2.6, khi một LSP được thiết lập, các nút nguồn sẽ phát đi thông điệp đường đi.
Thông điệp đường đi này đến một nút đích qua các nút trên định tuyến của LSP Trong thông điệp, một nhãn phải được gán với mỗi liên kết cho nút trên đường đi đó Khi nút đích nhận được thông điệp, nó sẽ truyền đi thông điệp RESV đến các nút trên nhánh tuyến đến theo hướng ngược lại của thông điệp đường đi.
Tại thời điểm thiết lập, các nhãn cho các liên kết được kết nối trên nút đích được thiết lập, giúp tiết kiệm băng thông Các nút trung gian cũng thiết lập nhãn cho các liên kết khi nhận thông điệp RESV Khi nút trung gian truyền thông điệp RESV đến nút nguồn, việc thiết lập băng thông và chuyển mã được thực hiện tương ứng với các nhãn đã thiết lập Khi thông điệp RESV đến nút nguồn, thiết lập của LSP được hoàn tất thông qua việc thiết lập băng thông và chuyển mã tương ứng với nhãn của nút nguồn.
Hình 2.6 Thông điệp đường đi và thông điệp RESV
Trong RSVP-TE, việc quản lý trạng thái thiết lập của LSP là rất quan trọng để duy trì tính ổn định của nó Các nút trên các định tuyến sẽ truyền tải thông điệp đường đi hoặc thông điệp RESV theo chu kỳ sau khi LSP được thiết lập Điều này giúp đảm bảo rằng trạng thái của LSP luôn được cập nhật và duy trì một cách hiệu quả.
RESV, hay còn gọi là mộ thông điệp “p làm mới Tr”, xác định trạng thái LSP của mỗi nút thông qua thông điệp làm mới này Nếu một nút không nhận được thông điệp làm mới vì lý do nào đó, nút đó sẽ phán đoán rằng đã xảy ra một lỗ và xóa trạng thái của LSP, đồng thời gửi một thông báo lỗi đường đi đến cả hai phía nguồn và đích Khi nút nhận được thông điệp xóa trạng thái của LSP, nút nguồn sẽ gửi một thông báo để ngắt kết nối LSP về phía đích.
RSVP-TE quản lý trạng thái của LSP thông qua việc làm mới thông điệp tại mỗi nút và ngắt kết nối LSP dựa trên điều kiện mạng Công nghệ RSVP-TE được áp dụng rộng rãi trong mạng MPLS và GMPLS Thiết lập LSP cho phép chuyển mạch các gói tin theo bảng chuyển đổi nhãn, tương ứng giữa nhãn của liên kết đầu vào và nhãn của liên kết đầu ra tại nút định tuyến Trong MPLS, việc gán nhãn được thực hiện để thiết lập định tuyến LSP mà không gán băng thông hay tài nguyên mạng Ngược lại, trong GMPLS, gán nhãn tương ứng với khe thời gian trong lớp TDM, bước sóng trong lớp λ và lớp quang trong sợi quang Do đó, gán nhãn trong mạng GMPLS có nghĩa là gán băng thông hoặc tài nguyên mạng trong các lớp khác nhau, một đặc tính mở rộng của RSVP-TE cho GMPLS.
Các vấn đề chính c a ủ RSVP-TE m rở ộng bao gồm: Yêu cầu nhãn, b hi u áo ệ đường đi hai chi u, thi t l p nhãn, ki n trúc báo hi u ề ế ậ ế ệ
2.3 2 Yêu cầu nhãn tổng quát
Trong mạng GMPLS, đường đi chỉ dành cho một PSC-LSP, cho phép chuyển mạch các giao diện qua LSP PSC RSVP-TE thiết lập một bộ đường truyền đến TDM, LSC và FSC LSP bên cạnh PSC-LSP, đồng thời quản lý trạng thái thiết lập của chúng Khi có yêu cầu nhãn và thông điệp đường truyền, hệ thống sẽ thực hiện các chức năng cần thiết để đảm bảo kết nối hiệu quả.
Yêu cầu nhãn trong GMPLS đòi hỏi phải có một nhãn tổng quát cho hệ thống Một phần quan trọng của yêu cầu nhãn là việc mã hóa LSP, loại chuyển mạch và G-PID (ID tải trọng tổng quát) được thêm vào để đảm bảo tính ổn định Hình 2.7 minh họa một định dạng cụ thể của đối tượng yêu cầu nhãn trong GMPLS.
Loại mã hóa LSP được trình bày bởi một trường 8-bit, cho biết giao diện của m nút trung gian trên định tuyến LSP hỗ trợ công nghệ mã hóa Ví dụ điển hình là gói Ethernet SDH, trình bao bọc kỹ thuật số, λ và sợi quang Khi sử dụng mã hóa SDH, giao diện của một nút trung gian có khả năng xác định và xử lý các khung SDH Ngược lại, với mã hóa λ tại một nút trung gian, việc chuyển đổi quang điện không được thực hiện và tốc độ truyền dẫn không được xác định.
Hình 2.7 Định dạng của đối tượng yêu cầu nhãn
Loại chuyển mạch được mô tả qua một trường 8-bit, trong đó bi t l p LSP xác định nhãn l p phớ ải được thi t l p Các loại chuyển mạch bao gồm PSC, TDM, LSC và F Ví dụ, trong trường hợp loại chuyển mạch TDM, nó cho phép quản lý hiệu quả và tối ưu hóa tài nguyên mạng.
43 đòi hỏi m t khe th i gian b ng nhãn ộ ờ ằ và trong trường h p lo i chuy n m ch là LSC, nó ợ ạ ể ạ đòi hỏi một bước sóng trong s i quang b ng nhãn ợ ằ
Giá tr ị Lo i ạ Công nghệ
6 Asynchronous mapping of DS3/T3 SDH
8 Bit synchronous mapping of E3 SDH
9 Byte synchronous mapping of E3 S DH
10 Asynchronous mapping of DS2/T2 SDH
11 Bit synchronous mapping of DS2/T2 SDH
14 Byte synchronous mapping of E1 SDH
15 Byte synchronous mapping of 31 * DS0 SDH
16 Asynchronous mapping of DS1/T1 SDH
17 Bit synchronous mapping of DS1/T1 SDH
18 Byte synchronous mapping of DS1/T1 SDH
25 DS3 C- Bit Pa rity Asynchronous SONET
28 POS - No Scrambling, 16 bit CRC SDH
29 POS - No Scrambling, 32 bit CRC SDH
30 POS - Scrambling, 16 bit CRC SDH
31 POS - Scrambling, 32 bit CRC SDH
35 Reserved (SONET deprecated) Lambda, Fiber
G-PID: được trình bày bởi một trường 16-bit, nó là một nhận dạng của tải trọng mà các LSP truyề đi Có nghĩa là, n G-PID cho biết công nghệ mà theo đó các nút ngu n/ ồ đích có thể ử x lý tải trọng, được chỉ ra chi tiế như thể ện trong t hi b ng 2.1ả Ví dụ, khi G PID = - 28 công nghệ ử ụng là POS (gói qua SONET), không có sự s d xáo tr n và 16-bit CRC Và khi G-PID = 31, công ngh s dộ ệ ử ụng là POS với xáo tr n và 32-ộ bit CRC ác giao di C ệ ở ả hai đần c u của LSP h tr cùng G-ỗ ợ PID, nếu không i dung nộ của tải trọng không thể được giải mã và truyền tin thông qua các LSP không thể được th c hi n ự ệ
Phương pháp thiết lập LSP được mô tả là chung cho mọi loại LSP, trong đó LSP được thiết lập từ nút A qua nút B và nút C đến nút D Nút A gửi một thông điệp đường đi yêu cầu nhãn đến nút B Nút B kiểm tra xem giao diện của nó có hỗ trợ kiểu mã hóa LSP và kiểu chuyển mạch hay không, sau đó truyền thông điệp đến nút C Nút B cũng tạo ra trạng thái hiện tại của LSP và lưu trữ nó trước khi gửi thông điệp Nút C hoạt động tương tự như nút B và truyền thông điệp đến nút D nếu không có vấn đề gì xảy ra Nút D kiểm tra giao diện của nó và tạo ra trạng thái hiện tại của LSP, lưu trữ nó nếu không có vấn đề phát sinh Cuối cùng, nút D gửi giá trị nhãn 301 đến liên kết giữa nút C và D, đồng thời truyền thông điệp RESV chứa giá trị nhãn 301 đến nút C.
RESV, nó đặt giá trị nhãn 301 đến liên kết đầu ra c phía bủa ảng chuyển đổi nhãn Nút
Để thiết lập giá trị nhãn 201, cần liên kết giữa nút B và nút C Nút C sẽ nhận nhãn 201 này để kết nối với đầu vào của bảng chuyển đổi nhãn và tự cấu hình để hoạt động phù hợp với bảng chuyển đổi nhãn Thông điệp RESV, bao gồm giá trị nhãn 201, sẽ được truyền từ nút C đến nút B Tương tự, thông điệp RESV cũng được chuyển tiếp đến nút A Khi thông điệp RESV đến nút nguồn A, thiết bị sẽ hoàn tất việc thiết lập LSP bằng cách thiết lập bảng và chuyển mạch tương ứng với nhãn đến một nhãn khác trong nút nguồn.
Nhãn GMPLS đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm tra giao diện của các nút trên định tuyến LSP, hỗ trợ trong việc kiểm tra mã hóa LSP, kiểu chuyển mạch và G PID, được thiết lập trong thông tin điều khiển đường đi.
2.3 3 Báo hiệu đường truyền hai chiều
Trong mạng MPLS, một LSP được coi là đường truyền một chiều Tuy nhiên, khi mở rộng thông tin đến các lớp TDM, lớp λ và lớp quang trong mạng GMPLS, đường truyền SDH/SONET, đường truyền bước sóng và đường truyền sợi quang được xem như các đường truyền theo quy tắc hai chiều Để chuyển đổi thành truyền tín hiệu hai chiều, giải pháp đơn giản nhất là áp dụng truyền tín hiệu một chiều theo mỗi hướng khác nhau, nhưng phương pháp này không khả thi do nhiều lý do thực tiễn, như thời gian thiết lập kéo dài và tăng số lượng thông điệp báo hiệu Trong mạng GMPLS, đường truyền hai chiều được thiết lập bằng cách sử dụng tín hiệu đi và trở lại giữa các nút nguồn và nút đích, thông qua thông điệp đường đi và thông điệp RESV, tương tự như tín hiệu một chiều sử dụng nhãn hướng lên.
Kết luận chương
Giao thức định tuyến OSPF trong GMPLS được sử dụng trong mạng IP mở rộng, hỗ trợ các tính năng như quản lý lưu lượng, phân cấp LSP và liên kết không đánh số OSPF cũng cung cấp khả năng kết nối gói và quảng bá trạng thái liên kết, giúp tối ưu hóa hiệu suất mạng.
Giao thức báo hiệu RSVP-TE trong GMPLS đóng vai trò quan trọng trong việc thiết lập và quản lý trạng thái của LSP Các vấn đề chính của RSVP-TE bao gồm yêu cầu nhãn, báo hiệu đường đi hai chiều, thiết lập nhãn và kiến trúc báo hiệu.
LMP đóng vai trò quan trọng trong việc liên kết dữ liệu thuộc liên kết TE giữa các nút lân cận tương đồng Nó xác định vị trí của một nút cục bộ dựa trên độ tương đồng với các nút từ xa, giúp kết nối với các nút cục bộ khác LMP có bốn chức năng chính: quản lý kiểm soát kênh, tương quan thuộc tính liên kết, xác nhận kết nối, và quản lý lưu lượng.
GMPLS hỗ ợ tr hai mô hình: mô hình ngang hàng, mô hình l p ph cung cớ ủ ấp các m t phặ ẳng điều khi n và m t ph ng d li u ể ặ ẳ ữ ệ
KỸ THUẬT LƯU LƯỢNG TRONG GMPLS
Tổng quan
Chương này mô tả ộ ố m t s nghiên c u quan tr ng v k thuứ ọ ề ỹ ật lưu lượng trong m ng ạ Generalized Multiprotocol Label Switching (GMPLS) như sau:
Phương pháp cấu hình lại tô pô mạng ảo phân tán (VNT) cho mạng IP sử dụng WDM nhằm đáp ứng yêu cầu lưu lượng động Trong đó, m thuật toán heuristic đơn giản được áp dụng để tính toán tô pô mạng, giúp điều khiển phân tán hiệu quả hơn.
Mạng định tuyến đám mây phân cấp (HCRN) được phát triển nhằm giải quyết những hạn chế về khả năng mở rộng trong mạng chuyển mạch nhãn đa giao thức tổng quát ổn định (GMPLS).
- Các m ng quang chuyạ ển đổi bước sóng động được điều khiển phân tán (DDWC) d a trên mự ột chính sách định tuy n và gán ế bước sóng đơn giản (RWA)
Bộ định tuyến quang MPLS (Hikari Router) được phát triển bởi NTT tích hợp các chức năng chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS) và chuyển mạch Lambda giao thức (MPλS), nhằm nâng cao hiệu suất qua các mạng IP Khái niệm MPLS quang, bao gồm MPλS, được NTT đề xuất để cải thiện khả năng chuyển tiếp gói tin Hệ thống này kết hợp địa chỉ IP, MPLS và MPLS quang, tạo nên bộ định tuyến MPLS quang hiệu quả.
3 T.2 ô pô mạng ảo điều khiển phân tán
3.2.1 Thiết kế tô pô mạng ảo
Mạng IP sử ụng WDM bao gồm một tập hợp các liên kết WDM và các nút lai d
Mạng nút lai bao gồm một bộ định tuyến IP điện và một bộ kết nối chéo quang, trong đó đường quang (lightpath) được thiết lập giữa các nút Một tập hợp các đường quang tạo thành một topo mạng ảo, giúp cung cấp lưu lượng gói tin IP vào mạng một cách hiệu quả.
59 Đố ới v i m ng IP s d ng WDM ngày càng phát tri n và m rạ ử ụ ể ở ộng hơn sẽ phát sinh các vấn đề sau:
- S ố lượng các bước sóng trên mỗi liên kết và s ố lượng các máy thu phát trên mỗi nút là m t tài nguyên h n ộ ạ chế
- Khi mạng phát triển thì yêu cầu lưu lượng có thể ở tr nên lớn hơn nhi u ề so với mạng được thi t k ế ế ban đầu
Tô pô m ng ạ ảo được cấu hình để i quygiả ết các vấn đề trên, c th là: ụ ể
- Tô pô m ng ạ ảo được xác định và c u hình phù hấ ợp cho một yêu cầu trao đổi lưu lượng cho trước, phù h p v i ràng bu c h n ch tài nguyên ợ ớ ộ ạ ế
Tô pô mạng ảo có thể được thiết kế để đáp ứng yêu cầu lưu lượng ban đầu và có khả năng cấu hình linh hoạt để thích ứng với sự thay đổi trong nhu cầu lưu lượng.
Đo lường lưu lượng và cấu hình lại các topo mạng ảo là cần thiết để đáp ứng yêu cầu lưu lượng không thể đoán trước Một phương pháp hiệu quả để điều chỉnh topo mạng ảo là theo dõi và thích ứng với những thay đổi trong yêu cầu lưu lượng, nhằm đảm bảo hiệu suất tối ưu cho hệ thống.
Giải pháp cấu hình lại tô pô của một mạng ảo theo tải lưu lượng động đã được đề xu t ấ như sau:
Sử dụng một thuật toán độc lập cho lưu lượng biến đổi theo thời gian giúp giải quyết vấn đề bằng cách hợp nhất các ma trận lưu lượng tại những thời điểm khác nhau.
- Giải pháp khác cấu hình lại tô pô mạng ảo theo lưu lượng động bao gồm một phương pháp cấu hình l i tô pô m ng o online ạ ạ ả
Điều khiển tập trung với tập hợp đo lường yêu cầu lưu lượng giúp tính toán tối ưu mạng ảo mới Bộ điều khiển trung tâm thực hiện nhiệm vụ quản lý và điều phối lưu lượng qua đường quang một cách hiệu quả.
Thuật toán heuristic được sử dụng để tính toán cấu trúc mạng ảo, nhằm giảm thiểu tình trạng tắc nghẽn Một đường quang mới sẽ được thiết lập giữa các nút cuối có lưu lượng multihop cao nhất, giúp tối ưu hóa việc sử dụng các đường dẫn quang băng thông hạn chế.
Phần này trình bày cơ chế ấ c u hình lại VNT phân tán theo lưu lượng động không được dự báo trước Trong phương pháp tiếp cận phân tán, mỗi nút quyết định có nên bắt đầu thủ tục thiết lập hoặc dỡ bỏ đường truyền quang hay không Cách tiếp cận này yêu cầu một cơ chế thực hiện thích hợp để phối hợp giữa các nút, nếu không, một topo mạng ảo mới sẽ không đồng bộ Phương pháp đề xuất sử dụng giao thức định tuyến trạng thái liên kết cho mỗi nút để chia sẻ cùng một topo và yêu cầu băng thông lưu lượng trên đường quang riêng biệt được đo tại nút nguồn Mỗi nút tính toán topo mạng mới bằng cách sử dụng thuật toán heuristic đơn giản, so sánh với topo ảo trước đó và bắt đầu thủ tục thiết lập hoặc dỡ bỏ đường quang nếu cần thiết.
3.2.2 Mạng được điều khiển phân tán
Hình 3.1 Kiến trúc nút lai (IEEE 2003)
Nút lai (hybrid): bao gồm một bộ định tuyến IP điện và một bộ ố n i chéo quang OXC (Optical Cross Connect) đượ ử ục s d ng (hình 3.1)
Mỗi cổng của bộ định tuyến IP điện được kết nối với cổng OXC qua mạng quang nội bộ Lưu lượng giữa các nút được thực hiện thông qua kết nối WDM Một số lưu lượng đến bộ định tuyến IP điện sau khi đi qua cổng OXC và được phát ra khỏi nút thông qua cổng OXC Một số đường quang được thiết lập giữa các nút bằng cách thiết lập qua các kết nối chéo quang theo định tuyến giữa các nút Cuối cùng, đường quang được kết thúc tại bộ thu phát của bộ định tuyến IP điện trong các nút.
Số lượng bước sóng cho mạng liên kết và số lượng cổng thu phát cho mỗi nút là nguồn tài nguyên hạn chế trong việc xác định topo mạng ảo Trong đó, Np và Nl đại diện cho số lượng cổng thu phát cho mỗi nút, và w là số lượng liên kết bước sóng WDM.
Hình 3.2 Tô pô mạng ảo.
Tô pô mạng ảo được thiết kế để đáp ứng hiệu quả một tập hợp các yêu cầu lưu lượng cụ thể Ký hiệu Γij đại diện cho ma trận yêu cầu lưu lượng, trong đó các phần tử (i, j) biểu thị yêu cầu lưu lượng từ nút i đến nút j Để xác định một tô pô mạng ảo phù hợp, cần dựa vào ma trận yêu cầu lưu lượng đã cho, đồng thời tuân thủ các ràng buộc về số lượng bước sóng và số lượng cổng thu phát.
3.2.2.2 Mục tiêu thiết kế tô pô mạng ảo
Có ba mục tiêu chính cho phương pháp thiết kế tô pô m ng o: ạ ả
- Đầu tiên phương pháp này đơn giản, có sự đáp ứng nhanh chóng và thực hiện d ễ dàng hơn
Phương pháp lưu lượng là một kỹ thuật hiệu quả nhằm tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên mạng, giúp cải thiện hiệu suất và tiết kiệm nguồn lực trong quá trình truyền tải dữ liệu.
Mạng GMPLS đa lớp mở rộng
3.3.1 Giới hạn mở rộng của mạng GMPLS
PSC: Kh ả năng chuyển mạch gói; LSC: Khả năng chuyển mạch Lambda
Hình 3.18 Khả năng chuyển mạch
Mạng GMPLS bao gồm nhiều lớp khác nhau, như mạng quang, mạng lambda, mạng ghép kênh phân chia thời gian (TDM) và mạng gói Các mạng này được xây dựng dựa trên việc sử dụng các công nghệ khác nhau, và chúng hoạt động cũng như được điều khiển một cách riêng biệt Công nghệ GMPLS cho phép quản lý và điều khiển tất cả các mạng này thông qua một giao thức chung.
Trong một mạng đơn lớp, mỗi nút chỉ có một loại giao diện chuyển mạch (SC) Chẳng hạn, một giao diện của bộ định tuyến IP có khả năng chuyển mạch gói (PSC), cho phép chuyển mạch các gói tin trong lớp gói, như minh họa trong Hình 3.18 (a).
PSC + LSC a) IP Router c) Multiple SC Node b) OXC
Giao diện bộ ố n i chéo quang (OXC) với khả năng chuyển mạch lambda (LSC) cung cấp khả năng chuyển mạch bước sóng trong lớp lambda Trong mạng GMPLS, không chỉ có các nút đơn SC mà còn có các nút đa SC với nhiều hơn một SC Một ví dụ điển hình của nút đa SC là bộ định tuyến Hikari, được nghiên cứu và phát triển bởi NTT, hỗ trợ cả LSC và PSC để tích hợp mạng gói và lớp lambda.
Trong mạng GMPLS, thông tin trạng thái liên kết được công bố bởi tất cả các nút, giúp xác định đường đi ngắn nhất và bảng định tuyến cho từng nút Mỗi nút sử dụng một cơ sở dữ liệu liên kết trạng thái để quản lý tài nguyên mạng, bao gồm băng thông và bước sóng có sẵn Việc này nhằm tối ưu hóa hiệu quả lưu lượng trong mạng đa lớp GMPLS.
Trong mạng GMPLS, việc hỗ trợ các topo lớp mạng và tính toán đường đi ngắn nhất đến từng nút đích là rất quan trọng Tất cả các nút trong mạng này đều quảng bá trạng thái liên kết, cho biết sự hiện diện hoặc vắng mặt của các liên kết và xác định số lượng liên kết thực tế đang được sử dụng Các giao thức định tuyến, như OSPF, cần có chức năng quảng bá này để đảm bảo thông tin về trạng thái liên kết được cập nhật mỗi khi có sự thay đổi.
Hình 3.19 Đường đi chuyển mạch nhãn phân cấp (LSP).
Một mạng GMPLS đa lớp sử dụng đường truyền chuyển mạch nhãn phân cấp (LSP) cho phép thiết lập các LSP lớp cao hơn thông qua các LSP lớp thấp hơn Cụ thể, một LSP lớp thấp hơn hoạt động như một liên kết giữa một nút nguồn và một nút đích, giúp chúng trở thành các nút kề nhau trong mạng lớp cao hơn.
LSP lớp thấp hơn, hay còn gọi là FA-LSP (LSP chuyển tiếp kộ), được xem như một kỹ thuật lưu lượng liên kết (TE) trong lớp mạng cao hơn.
Hình 3.20 Đường chuyển mạch nhãn (LSP) và chuyển tiếp kề cận (FA) LSP
Việc thiết lập hoặc giải phóng một LSP lớp thấp hơn được coi là kết nối hoặc ngắt kết nối liên kết, đồng thời ảnh hưởng đến cấu trúc topo mạng của các lớp mạng cao hơn Trong tương lai gần, mạng sẽ được điều khiển bởi GMPLS đa lớp, với các tính toán đường đi ngắn nhất được thực hiện thông qua việc quảng bá thường xuyên của các FA LSP Điều này sẽ được hỗ trợ bởi các giao thức định tuyến, nhằm tối ưu hóa khả năng mở rộng mạng Các nhà cung cấp mạng cần phải cung cấp các dịch vụ chất lượng cao và tiết kiệm tài nguyên mạng bằng cách sắp xếp hợp lý các thiết lập LSP.
Một vấn đề quan trọng trong tính toán định tuyến đa lớp là khả năng mở rộng để xử lý độ phức tạp của nó Trong mạng đơn lớp, khối lượng tính toán định tuyến tương đối nhỏ, nhưng trong mạng đa lớp, tính toán này bao gồm việc quyết định sử dụng phương pháp xuyên cắt và lựa chọn lớp phù hợp Quá trình này rất phức tạp và tốn thời gian Sử dụng xuyên cắt trong các nút chuyển tiếp có thể giảm chi phí từ nút nguồn đến nút đích nếu băng thông yêu cầu lớn Tuy nhiên, nếu một định tuyến sử dụng xuyên cắt trong lớp được chọn khi băng thông yêu cầu giảm, thì hầu hết băng thông sẽ bị nhàn rỗi, dẫn đến việc phân bổ lưu lượng không hiệu quả.
82 không hi u qu Nh ng quyệ ả ữ ết định như vậy ph thuụ ộc vào băng thông được yêu c u và ầ các tài nguyên mạng có sẵn
Here is the rewritten paragraph:Mạng định tuyến đám mây phân cấp (HCRN) được đề xuất để giải quyết các vấn đề về hạn chế khả năng mở rộng của kích thước mạng đa lớp và giải quyết vấn đề phức tạp Một nhóm các nút được định nghĩa như là một điểm nút tuyến đám mây (CR), và mỗi CR bao gồm nhiều loại nút nhỏ hơn (SC) Khi các CR được kết hợp lại, chúng tạo thành một CR cấp cao hơn, và quá trình này được lặp lại để tạo thành một mạng phân cấp được gọi là HCRN.
CR cung cấp thông tin trừu tượng về cấu trúc nội bộ của nó, cho phép quản lý lưu lượng đa lớp và khả năng mở rộng Để trừu tượng hóa các mạng, chi phí nội bộ của CR là một phần quan trọng trong thông tin cấu trúc bên trong Trong hệ thống này, kết thúc của một liên kết kết nối hai CR được định nghĩa như giao diện của CR Chi phí nội bộ CR có thể được xác định giữa các giao diện CR và các CR quảng bá bên ngoài.
3.3.2 Mạng đám mây định tuyến phân cấp
Z p : CR internal cost of PSC
Z L : CR internal cost of LSC Hình 3.21 Định tuyến đám mâyđa SC và chi phí CR cục bộ
Multiple nodes SC c2 c1 b Single SC nodes a
Mạng định tuyến đám mây phân cấp (HCRN) được đề xuất như một giải pháp để mở rộng khả năng mạng đa lớp Trong hệ thống HCRN, một mạng lưới đa lớp được phân chia thành các nhóm, được coi là các nút ảo gọi là nút định tuyến đám mây (CRs) Một mạng lưới bao gồm các CR cũng được chia thành các nhóm, được xem như là các CR cấp bậc cao hơn HCRN hoạt động như một mạng phân cấp, cho phép phát triển các CR theo cách tương tự.
CR b c ậ cao hơn được tạo ra đệ quy bởi một số CR b c thậ ấp hơn Hình 3.22 cho thấy một sơ đồ ủa mộ c t HCRN
Hệ thống HCRN có đặc điểm nổi bật là một CR (Cognitive Radio) hoạt động như một nút đa SC (Sub-Channel) khi nó chứa các nút với các SC khác nhau, ngay cả khi không có nhiều ảnh hưởng từ các nút đa SC trong CR Hình 3.21 minh họa rằng giao diện của nút A, chứa CR, có thể hỗ trợ cả giao diện PSC (Primary Sub-Channel) và LSC (Local Sub-Channel), mặc dù nút A chỉ có một giao diện LSC Điều này cho thấy rằng các gói tin LSP (Local Service Packet) có thể được chuyển mạch bên trong CR, ví dụ như cho các nút B và E.
Mỗi CR quản lý giao thức định tuyến trạng thái liên kết một cách độc lập, với trạng thái này được quảng bá nội bộ trong CR Kết thúc của một liên kết giữa hai CR được xác định qua các giao diện của chúng Chi phí nội bộ của CR được định nghĩa là chi phí giữa hai giao diện trong cùng một CR và được quảng bá ra ngoài thông qua các giao diện Chi phí này được xác định cho tất cả các cặp giao diện CR có thể đạt tới.
3.3.2.2 H thệ ống tìm đường đi ngắn nhất đa lớp
Thuật toán tìm đường đi ngắn nhất (MSPF) được sử dụng để chọn định tuyến hiệu quả cho việc thiết lập một LSP trong mạng đa lớp Khi một LSP mới được thiết lập, nó sẽ xem xét định tuyến đã chọn và loại chuyển mạch được sử dụng, bất kể hiện tại là FA-LSP Hệ thống này bao gồm một nhóm lambda và một nhóm địa chỉ gói tin Các nút trong mạng có khả năng chuyển mạch gói (PSC), khả năng chuyển mạch lambda (LSC), hoặc cả hai Một nút đa SC có các phần đường chính PSC và có thể xác định cách thức sử dụng chúng một cách thích hợp Hình 3.23 minh họa cấu trúc của các nút A, B, C.
Hình 3.23 Tính toán của chi phí CR cục bộ.
Mạng định tuyến bước sóng
Các SC trong t t cấ ả các nút được thay thế ở b i các đỉnh được kế ố ởt n i b i các liên kết vật lý kết nối bởi các cạnh trong đồ thị, không bao gồm các cạnh kết nối các đỉnh trong cùng một nút Các đỉnh giữa các nút lân cận phải được kế ố ởi các cạt n i b nh, dựa trên đồ thị này, các LSP đi qua nút chuyển tiếp được kiểm soát dòng chảy dữ liệu và ể ả ữ ệ các LSP đi qua bằng cách cắt cạnh khác nhau, mặc dù chúng có cùng kiểu định tuyến quang Chi phí khác nhau để hai LSP có thể được phân bổ.
Khi đi qua PSC tại đỉnh P, cả hai giao diện PSC và LSC đều được chiếm giữ Ngược lại, khi đi qua LSC tại đỉnh L, chỉ có giao diện LSC được chiếm giữ Chi phí của cạnh được tính dựa trên tổng số lượng đối ứng của các giao diện có sẵn.
Trong Hình 3.23, khi một LSP với độ lambda đã được thiết lập, việc lập các gói tin LSP và chuyển các gói tin IP từ nút A đến nút B sẽ được thực hiện Cần phải chọn đỉnh P vào nút A và đỉnh P vào nút B Chi phí này sau đó được thực hiện bằng cách xác định A là số giao diện LSC có sẵn trong nút A và pệ A là số lượng giao diện PSC có sẵn.
A Trong trường h p một LSP lambda ợ đã được thi t l p m i b i m t l p gói ế ậ ớ ở ộ ớ tin đi tắt qua trên nút B, để thiế ật l p các gói LSP và chuy n các gói tin IP tể ừ nút A đến nút C, các cạnh nối đỉnh P vào nút A với đ nh L vào nút B và đỉ ỉnh L vào nút B với đỉnh P vào nút C được ch n Chi phí ọ ở đây được th hiể ện b ng (c) + (d) ằ
Chi phí thi t lập LSP được xác định bằng cách sử dụng lớp dưới FA-LSP, được thể hiện bằng Z Công thức tính chi phí này áp dụng khi gói tin LSP được thiết lập mà không cần thiết lập một LSP lambda mới, mà thay vào đó, sử dụng một lambda LSP hiện tại để thực hiện quá trình này.
3 M.4 ạng định tuyến bước sóng
3.4.1 Định tuyến và gán bước sóng
Các mạng quang ghép kênh theo bước sóng (WDM) chủ ế y u được phân loại thành ba loại dựa theo khả năng chuy n đ i bưể ổ ớc sóng:
- Loại thứnhất bao gồm các mạng chuyển đ i bưổ ớc sóng (WC)
- Loại thứhai bao gồm các mạng không chuyển đ i bưổ ớc sóng (NWC)
- Loại thứba bao gồm các mạng giới hạn chuyển đ i bưổ ớc sóng (LWC)
Hình 3.24 OXC với các khả năng chuyển đổi bước sóng khác nhau
Mạng chuyển đổi bước sóng (Wavelength Conversion Network - WC) cho phép các bước sóng được chuyển đổi thành các bước sóng khác tại các kết nối chéo quang (Optical Cross-Connect - OXC) trong một đường truyền quang Khi một đường quang được thiết lập, bước sóng ban đầu có thể được sử dụng miễn là có ít nhất một bước sóng trong sợi quang Điều này giúp tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên bước sóng Hơn nữa, vấn đề định tuyến để chọn lựa đường quang tốt nhất được đơn giản hóa, mặc dù các bộ chuyển đổi bước sóng có chi phí cao Một ví dụ về OXC có khả năng chuyển đổi bước sóng hoàn toàn được thể hiện trong hình 3.24 (a), với mỗi cổng đầu ra của kết cấu chuyển mạch được trang bị một công cụ chuyển đổi bước sóng.
Mạng không chuyển đổi bước sóng (NWC) không thực hiện chuyển đổi bước sóng trên bất kỳ đường quang nào Điều này có nghĩa là mạng NWC không sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng tại OXC và không có các bộ chuyển đổi bước sóng Tuy nhiên, mạng NWC sử dụng tài nguyên bước sóng ít hơn so với các mạng khác.
Khi một đường quang được thiết lập, vấn đề định tuyến và gán bước sóng (RWA) đã được giải quyết Xác suất tắc nghẽn, tức khả năng mà một yêu cầu thiết lập quang sẽ bị từ chối, cao hơn rất nhiều trong một mạng NWC so với trong một mạng WC Hình 3.24 (b) minh họa một OXC không chuyển đổi bước sóng.
Mạng giới hạn chuyển đổi bước sóng (LWC) là giải pháp trung gian giữa mạng NWC và WC, mang lại những lợi ích của mạng WC với khả năng chuyển đổi loại đường trực tiếp LWC sử dụng công nghệ OXC, cho phép chuyển đổi bước sóng hoàn toàn, trong khi OXC không chuyển đổi bước sóng.
Trong mạng GMPLS, nút nguồn tìm kiếm mã số và bước sóng phù hợp dựa trên thông tin trạng thái kết nối quang được thu thập thông qua giao thức định tuyến như OSPF, giúp thiết lập đường quang bằng cách sử dụng giao thức báo hiệu như RSVP-TE Hệ thống OXC sử dụng các bộ chuyển đổi bước sóng chính chỉ khi cần thiết, trong khi mạng LWC thường ít hoặc không có các chuyển đổi bước sóng, dẫn đến chi phí chuyển đổi thấp hơn.
Mạng quang chuyển đổi bước sóng được điều khiển phân tán (DDWC) sử dụng giao thức báo hiệu mở rộng RSVP-TE để tối ưu hóa tài nguyên của mạng LWC thông qua chính sách định tuyến và gán bước sóng đơn giản (RWA) Trong chính sách RWA, nút nguồn đầu tiên chọn một tuyến đường quang dựa trên thông tin về trạng thái kết nối quang và gửi thông báo đường truyền RSVP-TE trên tuyến đường đã chọn để thực hiện gán bước sóng Nếu cần chuyển đổi bước sóng tại một nút truyền tải, bước sóng sẽ được chuyển đổi một cách thích ứng bằng cách sử dụng các chuyển đổi bước sóng chính Tổng chi phí thông tin quảng bá bởi OSPF và khả năng xử lý cần thiết để giải quyết các vấn đề phức tạp RWA được lưu trữ.
3.4.2 Mạng chuyển đổi bước sóng động được điều khiển phân tánDDWC 3.4.2.1 Mạng DDWC với hính sách RWA đơn giảnc
Hình 3.25 mô tả mạng DDWC (có khả năng chuyển đổi bước sóng động được điều khiển phân tán), bao gồm các OXC với các chuyển đổi bước sóng chính Mỗi nút OXC quảng bá các trạng thái liên kết quang của nó đến các nút khác và thu thập các trạng thái liên kết quang từ các nút khác thông qua việc sử dụng OSPF mở rộng.
Mạng chuyển đổi bước sóng động được điều khiển phân tán yêu cầu một nút nguồn xác định tuyến đường quang và bước sóng cần được lựa chọn, quá trình này được gọi là định tuyến và gán bước sóng (RWA) Khi thông tin về sự sẵn có của từng bước sóng được quảng bá cho tất cả các liên kết trong mạng, việc xác định lượng thông tin và số lượng nút trở nên khó khăn do khối lượng thông tin lớn Để giảm thiểu thông tin quảng bá và cường độ xử lý cần thiết, một chính sách RWA đơn giản được đề xuất, trong đó nút nguồn đầu tiên chọn một định tuyến quang dựa trên thông tin trạng thái kết nối quang, sau đó gửi thông điệp báo hiệu RSVP-TE mở rộng để thiết lập đường truyền Các thông điệp này thu thập thông tin về các bước sóng có sẵn và chuyển đổi bước sóng trên đường định tuyến nếu cần thiết, cuối cùng nút đích xác định bước sóng được sử dụng.
3.4.2.2 Lựa chọn định tuyến quang
Mỗi định tuyến quang được lựa chọn dựa trên chính sách định tuyến ngắn nhất với tải ít nhất, sử dụng thông tin trạng thái kết nối quang đã được tập hợp Tỉ lệ tài nguyên kết nối quang được định nghĩa là tỷ lệ giữa số lượng các bước sóng dành riêng (NRW) trong kết nối quang giữa các nút lân cận và số các bước sóng tương ứng.
Here is a rewritten paragraph that contains the meaning of the original text, complying with SEO rules:"Trong các kết nối quang, tỷ lệ tải trọng (i) được tính toán bằng công thức NWi / NRWi Theo chính sách định tuyến có tải ít nhất, tải liên kết được xem như là một chi phí liên kết Khi xét đến chi phí liên kết, định tuyến được xác định bằng tổng các chi phí liên kết Σi ∈ định tuyến, giúp giảm thiểu tải trọng trên mạng."
K ết luận chương
Ứng dụng giải pháp tô pô mạng phân tán trong việc định tuyến và chuyển mạch trong mạng GMPLS nhằm tối ưu hóa tài nguyên mạng sử dụng bao gồm các vấn đề thiết kế tô pô mạng ảo, phương pháp cấu hình lại tô pô phân tán GMPLS cung cấp chuyển tiếp kề ận (FA) để điều khiển các mạng đường truyền đa lớp, đồng thời cho phép thay đổi VNT động Mạng đám mây định tuyến phân cấp kết hợp với hệ thống tìm đường ngắn nhất trong mạng GMPLS đa lớp mở rộng, trong khi mạng quang chuyển đổi bươc sóng.
102 động được điều khi n phân tán (DDWC) s d ng giao th c báo hi u m r ng RSVP-ể ử ụ ứ ệ ở ộ
TE để ậ t n d ng t t các tài nguyên c a mạng ụ ố ủ
Phần này giới thiệu về định tuyến MPLS quang - Hikari và mô tả việc sử dụng một loại MPLS được thực hiện như một giao thức MPLS đặc biệt, với việc trình bày các đặc điểm của router Hikari.
Bộ định tuyến Hikari tích hợp năm khối chức năng chính: WDM, chuyển mạch quang, đường trục L1, b phộ ận đường trục L2/L3 và quản lý phần tử mạng Thiết bị này hỗ trợ hai chức năng LSC và PSC, cho phép tận dụng lợi thế của công nghệ chuyển mạch gói và chuyển mạch vòng trong các hệ thống quản lý băng thông hiệu quả.