Giải pháp trong điều khiển lưu lượng để tránh tắc nghẽn trong mạng MPLS của VNPT

Giải pháp trong điều khiển lưu lượng để tránh tắc nghẽn trong mạng MPLS của VNPT MPLS được đề xuất đầu tiên do hãng Ipsilon một hãng rất nhỏ về công nghệ thông tin trong triển lãm về công nghệ thông tin, viễn thông tại Texas14. Sau đó Cisco và hàng loạt hãng khác như IBM, Toshiba…công bố các sản phẩm công nghệ chuyển mạch của họ dưới những tên khác nhau nhưng đều chung bản chất công nghệ chuyển mạch nhãn.

LỜI CAM ĐOAN

Trước hết tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể các thầy cô trường Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông đã tạo ra một môi trường tốt để tôi học tập và nghiên cứu.Xin cảm ơn các thầy cô trong khoa đào tạo sau đại học đã quan tâm đến khóa học này, tạo điều kiện cho các học viên có điều kiện thuận lợi nhất để học tốt.Và đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo TS Đỗ Mạnh Quyết, thầy đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và sửa chữa cho nội dung của luận văn này

Tôi xin cam đoan rằng nội dung của luận văn này là hoàn toàn do tôi tìm hiểu, nghiên cứu và viết ra Phần lý thuyết và cả phần thực hành đều được tôi thực hiện cẩn thận và có sự định hướng và sửa chữa của giáo viên hướng dẫn

Tôi xin chịu trách nhiệm với những nội dung trong luận án này

Tác giả

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ v

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1

1.1 Tổng quan về MPLS 1

1.1.1 Khái niệm cơ bản về chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS 1

1.1.2 Cấu trúc và các thành phần của của một miền MPLS 7

1.1.3 Mô hình chuyển gói tin MPLS 11

1.2 Tổng quan về nội dung nghiên cứu 11

1.2.1 Những nghiên cứu hiện tại về điều khiển lưu lượng MPLS 11

1.2.2 Lựa chọn hướng nghiên cứu, giải quyết trong điều khiển lưu lượng MPLS của luận văn 13

1.3 Kết luận chương 14

Chương 2: KỸ THUẬT LƯU LƯỢNG VÀ BÀI TOÁN TẮC NGHẼN TRONG MẠNG MPLS 15

2.1 Kỹ thuật lưu lượng 15

2.1.1 Khái niệm kỹ thuật lưu lượng 15

2.1.2 Bài toán lưu lượng 16

2.1.3 Thiết lập đường truyền thiết kế lưu lượng sử dụng MPLS-TE: 20

2.2 Điều khiển nghẽn 25

2.2.1 Điều khiển lưu lượng trong mạng MPLS 25

2.2.2 Cơ chế điều khiển lưu lượng trong mạng MPLS 27

2.2.3 Các giao thức phân bổ nhãn 31

2.2.4 Giao thức dự trữ tài nguyên RSVP 36

2.3 Giải quyết tắc nghẽn trong mạng MPLS 43

2.3.1 Các khái niệm về tắc nghẽn 43

2.3.2 Hiện tượng tắc nghẽn 44

2.3 Kết luận chương 51

Chương 3: GIẢI PHÁP TRONG ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG ĐỂ TRÁNH NGHẼN MẠNG XẨY RA 52

3.1 Cấu hình mạng VNPT 52

3.1.1 Kiến trúc mạng IP/MPLS của VNPT 52

3.1.2 Mô hình mạng và thành phần chính cấu thành lên mạng 53

3.1.3 Định tuyến IP trong mạng VN2 56

3.1.4 Các dạng lưu lượng trong mạng MPLS 58

3.1.5 Một số dịch vụ IP trên mạng VN2 58

3.2 Giải pháp xử lý tắc nghẽn của trong mạng MPLS của VNPT 61

3.3.1 Đo lường và giám sát lưu lượng trên mạng: 61

3.3.2 Điều khiển lưu lượng trong mạng Core-MPLS của VTN 69

3.3.3 Cơ chế để điều khiển nghẽn trong mạng 74

3.3 Kết luận chương 77

IV KẾT LUẬN 4.1 Dự kiến đóng góp của luận văn 77

4.2 Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo 78

V DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

IOS Inter-work Operating System IP Internet Protocol

TCP Transmission Control Protocol LSA LinkState Algorithm CSPF Constrained Shorsters Path First LAN Local Area Network FEC Label Forwading Equivalence ISP Internet Service Provider ASBR Autonomous System Boundary Router AS Autonomous System RIP Routing Information Protocol BGP Border Gateway Protocol IGRP Interior Gateway Routing Protolcol OSPF Open Shorst Path First EIGRP Enhanced Interior Gateway Protocol LER Label Edge Router

NGN Next Genaration Network LSR Label Switching Router VLSM Variable Length Subnet Masking SPF Shorts Path First

EGP Exterior Gateway Protocol AD Administrative Distance CSNP Complete Sequence Number Packet DIS Designated System CLNP Connectionless Network Protocol ES End System

MTU Maximum Transmision Unit NET Network Entity Title CLNS Connectionless Netwok Service NSEL Network Selector

NSAP Network Service Access Point PDU Protocol Data Unit

PSNP Partial Sequence Number Packet IS Intermediate Sytem LDP Label Distrubution Protocol RR Router Reflector

IBGP Interior Border Gateway Protocol PDU Protocol Data Unit

ARP Address Resolution Protocol LSP Link State PDU

ICMP Internet Protocol Message Protocol LSP Lable Switch Path

EBGP Exterior Border Gateway Protocol MED Multi Exit Disc

RSVP Resource ReserVation Protocol P Provider Router

MPLS Multi Protocol Label Switch TE Traffic Engineering IGP Interior Gateway Protocol PE Provider Edge Router

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Cấu trúc nhãn trong MPLS 3

Hình 1.2: Ngăn xếp nhãn trong MPLS 4

Hình 1.3: Mô hình trung chuyển lưu lượng 5

Hình 1.4: Quá trình xử lý thông tin trong MPLS 7

Hình 1.5 Cấu trúc miền MPLS 8

Hình 1.6 Quá trình hoạt động của LSR 9

Hình 1.7 Mô hình transit trong mạng MPLS 10

Hình 1.8 Mô hình chuyển gói tin trong MPLS 11

Hình 2.1 Mô hình mạng đơn giản 16

Hình 2.2 Lựa chọn đường sử dụng Phương pháp định tuyến tĩnh 17

Hình 2.3 Lựa chọn đường sử dụng phương pháp định tuyến OSPF 19

Hình 2.4 Lựa chọn đường sử dụng Phương pháp định tuyến RIP 19

Hình 2.5: Ví dụ về CSPF 22

Hình 2.6 Phân chia lưu lượng dựa theo định tuyến tĩnh 26

Hình 2.7 Chia lưu lượng thành hai phần 26

Hình 2.8 Tắc nghẽn gây ra bởi kỹ thuật chon đường ngắn nhất 30

Hình 2.9 Giải pháp cho vấn đề sử dụng kỹ thuật lưu lượng 30

Hình 2.10 Vị trí giao thức LDP trong bộ giao thức MPLS 32

Hình 2.11 Thủ tục phát hiện LSR lân cận 34

Hình 2.12 Tiêu đề LDP 35

Hình 2.13 Khuôn dạng các bản tin LDP 35

Hình 2.14: Ví dụ về giao thức dành sãn tài nguyên 37

Hình 2.15: Bản tin PATH 38

Hình 2.16: Ví dụ về hop chặt 40

Hình 2.17: Ví dụ về hop lỏng 41

Hình 2.18: Bản tin RESV 43

Hình 2.19 Các vấn đề tắc nghẽn tiềm tàng 45

Hình 2.20: Sự thiết lập lưu lượng 49

Hình 2.21 Cấu hình các bộ đệm dọc theo LSP 50

Hình 2.22 Lưu lượng truyền tải giữa nguồn phát và nguồn đích 50

Hình 3.1Mô hình mạng IP/MPLScủa nhà cung cấp dịch vụ 53

Hình 3.2 Kiến trúc router RR trong mạng 54

Hình 3.3 Sơ đồ kết nối mạng riêng ảo MegaWan 59

Hình 3.4 Sơ đồ kết nối mạng dịch vụ internet 61

Hình 3.5 : Mô hình mạng tại tỉnh Cao Bằng với các link kết nối 62

Hình 3.7 : Lưu lượng PE1/ CBG <-> CBG00TLH trong 2 giờ,2 ngày, 30 ngày 64

Hình 3.8 : Lưu lượng PE1 / CBG <-> CBG00TTM trong 2giờ,2 ngày,30 ngày 65

Hình 3.9 : Lưu lượng PE1 / CBG <-> E320/CBG trong 2 giờ,2 ngày, 30 ngày 66

Hình 3.10: Lưu lượng PE1 / CBG <-> VDC/CBG trong 2 giờ,2 ngày , 30 ngày 67

Hình 3.11 : Lưu lượng PE1/ CBG <-> VASC/CBG trong 2 giờ,2 ngày,30 ngày 68

Hình 3.12: Topo hiện tại của mạng IP của VNPT Phú Thọ 69

Hình 3.13 : Lưu lượng HNI-P1-VTN <-> PTO-PE1 trong 2 ngày 70

Hình 3.14 : Lưu lượng HNI-P2-VTN <-> PTO-PE1 trong 2 ngày 71

Hình 3.15 : Lưu lượng HNI-P1-VTN <-> PTO-PE1 trong 2 ngày sau khi điều khiển 73

Hình 3.16: Lưu lượng HNI-P1-VTN <-> PTO-PE1 trong 2 ngày sau khi điều khiển 74

Hình 3.17 : Quy trình điều khiển lưu lượng 76

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan về MPLS

1.1.1Khái niệm cơ bản về chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS

Việc hình thành và phát triển công nghệ MPLS xuất phát từ nhu cầu thực tế, được các nhà công nghiệp viễn thông thúc đẩy nhanh chóng.Sự thành công và nhanh chóng chiếm lĩnh thị trường mà công nghệ này có được là nhờ vào việc chuẩn hoá công nghệ Quá trình hình thành và phát triển công nghệ, những giải pháp ban đầu của hãng như Cisco, IBM, Toshiba… Những nỗ lực chuẩn hoá của tổ chức tiêu chuẩn IETF trong việc ban hành về tiêu chuẩn MPLS….sẽ cung cấp cho chúng ta những nhận định ban đầu về xu hướng phát triển MPLS

MPLS được đề xuất đầu tiên do hãng Ipsilon một hãng rất nhỏ về công nghệ thông tin trong triển lãm về công nghệ thông tin, viễn thông tại Texas[14] Sau đó Cisco và hàng loạt hãng khác như IBM, Toshiba…công bố các sản phẩm công nghệ chuyển mạch của họ dưới những tên khác nhau nhưng đều chung bản chất công nghệ chuyển mạch nhãn

Thiết bị định tuyến chuyển mạch tế bào của Toshiba năm 1994 là tổng đài ATM đầu tiên được điều khiển bằng giao thức IP thay cho báo hiệu ATM Tổng đài của Ipsilon cũng là ma trận chuyển mạch ATM được điều khiển bởi khối xử lý sử dụng công nghệ IP Công nghệ chuyển mạch thẻ của Cisco cũng tương tự nhưng có

bổ xung thêm một vài kỹ thuật như lớp chuyể tiếp tương đương FEC, giao thức phân phối nhãn.Đến năm 1998 nhóm nghiên cứu IETF đã tiến hành các công việc

để đưa ra tiêu chuẩn và khái niệm về chuyể mạch nhãn đa giao thức

Sự ra đời của MPLS được dự báo là tất yếu khi nhu cầu và tốc độ phát triển rất nhanh của mạng Internet đòi hỏi phải có một giao thức mới đảm bảo chất lượng dịch vụ theo yêu cầu

Mỗi loại có những ưu và nhược điểm riêng Trong đó công nghệ ATM được

sử dụng rộng rãi trong các mạng IP đường trục có tốc độ cao và đảm bảo được dịch

vụ, điều khiển luồng và một số đặc tính khác mà các mạng định tuyến truyền thống không có được, trong trường hợp đòi hỏi thời gian thực cao thì IpoA là giải pháp tối

ưu MPLS được hình thành dựa trên kỹ thuật đó và MPLS thực hiện một số chức năng sau:

 Hỗ trợ các giải pháp mạng riêng ảo VPN

 Định tuyến hiện (điều khiển lưu lượng)

 Hỗ trợ cục bộ cho định tuyến IP trong các tổng đài chuyển mạch ATM Khái niệm chuyển mạch nhãn xuất phát từ hai khái niệm: Tổng đài chuyển mạch và bộ định tuyến

Xét trên góc độ chuyển mạch, phương thức điều khiển luồng, tỉ lệ giá cả và chất lượng tổng đài chuyển mạch sẽ tốt hơn bộ định tuyến.Song bộ định tuyến lại có khả năng định tuyến mềm dẻo mà tổng đài chuyển mạch không có được Do đó, chuyển mạch nhãn ra đời là sự kết hợp và kế thừa các ưu điểm trên cũng như khắc phục những nhược điểm của cả tổng đài và bộ định tuyến truyền thống

Có thể thấy rằng MPLS đã phát triển nhanh chóng và hiệu quả.Điều này cũng chứng minh những yêu cầu cấp bách trong công nghiệp cho một công nghệ mới Hầu hết các tiêu chuẩn MPLS hiện tại đã được ban hành dưới dạng RFC

Phần tiếp theo, các khái niệm cơ bản của MPLS được trình bày

a Nhãn (Lable)

Nhãn là một thực thể có độ dài ngắn và cố định không có cấu trúc bên trong.Nhãn không trực tiếp mã hoá thông tin của mào đầu lớp mạng như địa chỉ mạng Nhãn được gắn vào một gói tin cụ thể sẽ đại diện cho một FEC (Forwarding Equivalence Classes: Nhóm chuyển tiếp tương đương) mà gói tin được ấn định

Thường thì một gói tin được ấn định một FEC (hoàn toàn hoặc một phần) dựa trên địa chỉ đích lớp mạng của nó.Tuy nhiên nhãn không phải là mã hoá của địa chỉ đó

Nhãn trong dạng đơn giản nhất xác định đường đi mà gói tin có thể truyền qua Nhãn được mang hay được đóng gói trong tiêu đề lớp 2 cùng với gói tin Bộ định tuyến kiểm tra các gói tin qua nội dung nhãn để xác định các bước chuyển kế tiếp Khi gói tin

được gán nhãn, các chặng đường còn lại của gói tin thông qua mạng đường trục dựa

quan đến các bước chuyển tiếp giữa các LSR

Dạng của nhãn phụ thuộc vào phương thức truyền tin mà gói tin được đóng gói

Kiểu khung (Frame mode): Kiểu khung là thuật ngữ khi chuyển tiếp một gói nhãn gán trước tiêu đề lớp ba Một nhãn được mã hoá với 20 bỉt, nghĩa là có thể

có 2 mũ 20 giá trị khác nhau Một gói có nhiều nhãn gọi là chồng nhãn (Lable stack) Ở mỗi chặng trong mạng chỉ có một nhãn bên ngoài được xem xét

Hình 1.1: Cấu trúc nhãn trong MPLS

EXP (EXPERIMENTAL)=3 bits

S (BOTTOM OF STACK)=1 bit

TTL (TIME TO LIVE)=8 bits

b Ngăn xếp nhãn (Lable stack)

Hình 1.2: Ngăn xếp nhãn trong MPLS

Khi gói tin được gán nhiều hơn một nhãn thì tập hợp các nhãn đó được gọi là ngăn xếp nhãn

Trong quá trình chuyển tiếp gói tin, nhãn ở đỉnh của ngăn xếp được sử dụng

để chuyển tiếp gói tin Các nút mạng dựa vào giá trị của trường S để tìm ra gói tin ở đỉnh ngăn xếp (ứng với S=1)

Label Stack được sử dụng cho một số ứng dụng của MPLS

- MPLS VPNs (2 nhãn – nhãn ở đỉnh ngăn xếp được dùng để chuyển tiếp gói tin trong core, nhãn thứ 2 để phân biệt các VPN)

- MPLS TE (2 nhãn)

- MPLS VPNs comined with MPLS TE (3 nhãn hoặc nhiều hơn)

Một mô hình trung chuyển lưu lượng Label Stack:

In Out (1,42) (5,18)

MPLS Table

In Out (3,25) (4, Push 42)

(2,35) (4, Push 42)

MPLS Table

In Out (3,18) (1,Pop)

MPLS Table

2

4 1

MPLS Table

Trunk LSP

Hình 1.3: Mô hình trung chuyển lưu lượng

c Bảng chuyển tiếp chuyển mạch nhãn

Bảng này chứa thông tin nhãn vào, nhãn ra, giao diện vào, giao diện ra Thành phần chuyển tiếp sử dụng thông tin của quá trình này để tạo bảng cơ sở thông tin nhãn LIB Khi nhận được gói dữ liệu.LSR sẽ sử dụng giá trị nhãn của gói

và bảng định tuyến nhãn để tìm ra và gán một giá trị nhãn mới thích hợp cho gói dữ liệu

d Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn (LSR-Lable Switching Router)

Là thiết bị chuyển mạch hay thiết bị định tuyến sử dụng trong mạng MPLS

để chuyển các gói tin bằng thủ tục phân phối nhãn Có một số loại LSR như LSR, LSR-ATM…

e Lớp chuyển tiếp tương đương (FEC-Forward Equivalence Class)

FEC là một nhóm các gói, nhóm các gói này chia sẻ cùng yêu cầu trong sự chuyển tiếp chúng qua mạng.Tất cả các gói trong một nhóm như vậy được cung cấp

cùng cách chọn đường tới đích.Khác với chuyển tiếp IP truyền thống, trong MPLS việc gán một gói cụ thể vào một FEC cụ thể chỉ được thực hiện một lần khi các gói vào trong mạng MPLS không ra quyết định chuyển tiếp với mỗi datagram lớp 3 mà

sử dụng khái niệm FEC FEC phụ thuộc vào một số các yếu tố, ít nhất là phụ thuộc vào địa chỉ IP và có thể là phụ thuộc cả vào kiểu lưu lượng trong datagram (thoại,

dữ liệu, fax…) Sau đó dựa trên FEC, nhãn được thoả thuận giữa các LSR lân cận từ lối vào tới lối ra trong một vùng định tuyến.Mỗi LSR xây dựng một bảng để xác định xem một gói phải được chuyển tiếp như thế nào Bảng này được gọi là cơ sở thông tin nhãn (LIB: Label Information Base), nó là tổ hợp các ràng buộc FEC với nhãn (FEC-to-label) Và nhãn lại được sử dụng để chuyển tiếp lưu lượng qua mạng

f Cơ sở thông tin nhãn (LIB-Lable Information Base)

Là bảng kết nối trong LSR có chứa giá trị nhãn/ FEC được gán vào cổng ra cũng như thông tin về đóng gói dữ liệu truyền tin để xác định phương thức gói tin được chuyển tiếp

g.Tuyến chuyển mạch nhãn (LSP-Lable Switching Path)

Là tuyến tạo ra từ đầu vào đến đầu ra của mạng MPLS dùng để chuyển tiếp gói của một FEC nào đó sử dụng cơ chế hoán đổi nhãn Các tuyến chuyển mạch nhãn chứa một chuỗi các nhãn tại tất cả các nút dọc theo tuyến từ nguồn tới đích LSP được thiết lập trước khi truyền dữ liệu hoặc trong khi xác định luồng dữ liệu nào đó.Các nhãn được phân phối bằng các giao thức như LDP, RSVP.Mỗi gói dữ liệu được đóng gói lại và mang các nhãn trong suốt thời gian di chuyển từ nguồn tới đích Chuyển mạch dữ liệu tốc độ cao hoàn toàn có thể thực hiện dựa theo phương pháp này, vì các nhãn có độ dài cố định được chèn vào phần đầu của gói tin hoặc tế bào và có thể được sử dụng bởi phần cứng đểchuyển mạch nhanh các gói giữa các liên kết

Hình 1.4: Quá trình xử lý thông tin trong MPLS Quá trình xử lý thông tin cơ bản trong MPLS như sau:

1 Một LSP được thiết lập giữa 2 LER bằng LDP hoặc RSVP

2 Khi gói tin IP đến LER đầu vào, router sẽ kiểm tra địa chỉ IP đích và gán cho nó một nhãn tương ứng Như vậy gói này đã được gán một nhãn MPLS trước khi chuyển đi

3 Các router core LSR chuyển gói tin đi dựa trên các nhãn ingress và egress

mà không cần quan tâm đến địa chỉ IP của gói tin

4 LER cuối cùng sẽ gõ bỏ nhãn MPLS và tìm đích của gói tin trong bảng định tuyến IP rồi đẩy gói tin ra port cần thiết

+ Phân biệt chuyển mạch nhãn và chuyển mạch thông thường

Có ba điểm phân biệt quan trọng giữa chuyển mạch nhãn và định tuyến gói

tin IP thông thường:

Định tuyến thông thường Chuyển mạch nhãn Phân tích mào đầu IP Tồn tại ở mọi nút mạng Chỉ tồn tại nút biên

Hỗ trợ unicast và

multicast

Yêu cầu nhiều thuật toán chuyển tiếp

Yêu cầu một thuật toán chuyển tiếp

Thông số định tuyến Dựa vào địa chỉ IP Có thể dựa vào thông số bất kỳ như

chất lượng dịch vụ, mạng riêng ảo…

1.1.2 Cấu trúc và các thành phần của của một miền MPLS

Mạng MPLS bao gồm nhiều nút có chức năng định tuyến và chuyển tiếp nối

Traditional IP forwarding

Traditional

IP forwarding Label forwarding

với nhau Mỗi nút tương ứng với một thiết bị LSR ( Lable Switching Router)Mạng MPLS có thể được chia thành hai miền là miền lõi MPLS ( MPLS core ) và miền biên MPLS

( MPLS Edge ).Tương ứng với mỗi miền ta có thiết bị tương đương

Hình dưới đây là một mô hình cơ bản về cấu trúc miền MPLS:

 Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn ( LSR-Lable Switching Router ):

Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn là thành phần quan trọng nhất trong mạng MPLS, nó là bộ định tuyến tốc độ cao trong mạng lõi MPLS tham gia vào việc thiết lập đường chuyển mạch nhãn LSP sử dụng các giao thức báo hiệu nhãn thích hợp

và chuyển các gói dữ liệu trong phạm vi mạng MPLS dựa trên các tuyến đã thiết lập bằng các thủ tục phân phối nhãn

+LSR làm nhiệm vụ:

- Insert (impose) thêm nhiều nhãn đầu tiên hoặc các nhãn theo ngăn xếp (stack) vào các gói tin đầu vào

- Swap : đảo nhãn với các next-hope hoặc các nhãn ngăn xếp trong core

- Remove (pop): loại bỏ nhãn tại đầu ra

Hình 1.6 Quá trình hoạt động của LSR

Trên đây là ví dụ của LSR.Nhãn đầu vào được gán và đặt vào dựa trên quá trình định tuyến IP LSR trong core đảo nhãn dựa trên nội dung của bảng chuyển mạch nhãn LFIB Tại đầu ra, nhãn được loại bỏ và các router biên làm nhiệm vụ định tuyến để chuyển tiếp gói tin

Việc truyền gói MPLS đi trong mạng được thực hiện nhờ chuyển mạch nhãn.LSR có khả năng truyền gói thuần túy IP đi trong mạng.Nó có thể xử lý nhiều loại giao thức định tuyến IP.Cuối cùng nó tham gia vào việc điều khiển MPLS

Bộ định tuyến biên nhãn ( Lable Edge Router-LER ):

LER là thiết bị hoạt động tại biên của mạng truy nhập và mạng MPLS.LER

hỗ trợ nhiều cổng kết nối từ những mạng khác như Frame-Relay, ATM, Ethernet

Nó tiếp nhận hay gửi đi các gói tin đến hay đi từ các mạng khác đó tới mạng MPLS sau khi thiết lập đường chuyển mạch nhãn LER có vai trò rất quan trọng trong việc gán và tách nhãn khi gói tin đi vào hay đi ra khỏi mạng MPLS Các LER này có thể

là bộ định tuyến lối vào (Ingress Router ) hoặc là bộ định tuyến lối ra (Egress

Router)

- Bộ định tuyến biên lối vào nhận gói tin IP, kiểm tra lại lớp 3 và đặt vào ngăn xếp nhãn trước khi gửi gói tin vào mạng LSR

- Bộ định tuyến biên lối ra nhận gói tin có nhãn, loại bỏ nhãn kiểm tra lại lớp

3 và chuyển tiếp gói tin IP đến nút tiếp theo

ATM-LSR biên:

- Nhận gói có nhãn hoặc không có nhãn phân vào các tế bào ATM và chuyển

tiếp các tế bào đến nút tiếp theo

- Nhận các tế bào ATM từ ATM-LSR cận kề tái tạo các gói từ các tế bào ATM và chuyển tiếp gói có nhãn hoặc không có nhãn

LER xử lý lưu lương khi bắt đầu đi vào trong miền MPLS, nó kiểm tra gói

IP, phân loại gói tin IP trong FEC LER tạo ra nhãn MPLS và gán nhãn khởi tạo

Transit LSR

LSR

MPLS domain IP

MPLS LSP

Transit LSR

Hình 1.7 Mô hình transit trong mạng MPLS Transit LSR:

Transit LSR là những router thực hiện xử lý lưu lượng trong miền MPLS, có thể có hoặc không có transit router Chuyển gói MPLS bằng cách swap các nhãn

Tuyến chuyển mạch nhãn ( LSP-Lable Switching Path ):

LSP là tuyến đường tạo ra từ đầu vào đến đầu ra của mạng MPLS dùng để chuyển tiếp gói của một FEC nào đó sử dụng cơ chế hoán đổi nhãn Các tuyến chuyển mạch nhãn chứa một chuỗi các nhãn tại tất cả các nút dọc theo tuyến từ nguồn tới đích LSP được thiết lập trước khi truyền dữ liệu hoặc trong khi xác định luồng dữ liệu nào đó

Các nhãn được phân phối bằng các giao thức như LDP, RSVP.Mỗi gói dữ liệu được đóng gói lại và mang các nhãn trong suốt thời gian di chuyển từ nguồn tới đích Chuyển mạch dữ liệu tốc độ cao hoàn toàn có thể thực hiện dựa theo phương pháp này, vì các nhãn có độ dài cố định được chèn vào phần đầu của gói tin hoặc tế

liên kết

LSP chính là đường hầm (tunnel) xuyên mạng lớp 2, nó có thể gồm một hay nhiều hop chuyển mạch, được hiểu như trong khái niệm PVC của ATM và FR

1.1.3 Mô hình chuyển gói tin MPLS

Gói tin ở đây được đóng gói và đích cần đến đó là paris và London Trước hết gói tin được đẩy lên tới LSR ingress Ở đây Ingress LSR xác định FEC và chia nhãn, Chuyển lưu lượng đến Paris trên LSP màu vàng, Chuyển lưu lượng đến London trên LSP màu đỏ, Traffic sẽ được swap nhãn ở mỗi transit LSR

EgressLSR

LERMPLS

Hình 1.8 Mô hình chuyển gói tin trong MPLS

Khi gói tin đến Egress LSR gỡ nhãn MPLS, Chuyển gói đi tiếp dựa trên địa chỉ đích và chuyển đến đích cần đến

1.2 Hướng nghiên cứu của luận văn

1.2.1 Những nghiên cứu hiện tại về điều khiển lưu lượng MPLS

Xu hướng đang diễn ra với mạng truyền thông là IP hoá IP hoá được hiểu trên hai khía cạnh Thứ nhất, các luồng thông tin như dữ liệu, thoại, hình ảnh được tích hợp trên bộ giao thức TCP/IP Nói cách khác, bộ giao thức TCP/IP cho phép nhiều loại hình thông tin đi trên nó Thứ hai, trước đây mạng viễn thông được xây

dựng dựa trên các công nghệ TDM, X25, FR, ATM, còn TCP/IP được coi là thuộc phía khách hàng Hay trước đây mạng viễn thông chỉ tạo ra các dịch vụ mạng WAN

để kết nỗi các trụ sở của các nhà quản trị mạng IP Thì từ khi mạng NGN,mạng hội

tụ và mạng cộng hưởng ra đời thì các nhà quản trị mạng viễn thông không chỉ đơn thuần coi TCP/IP thuộc về phía khách hàng nữa TCP/IP được coi là nền tảng của mạng Internet, nó có tính năng để đáp ứng yêu cầu của mạng viễn thông công cộng

Cùng với sự phát triển của mạng IP, các nhà nghiên cứu cố gắng tìm ra một phương pháp điều khiển lưu lượng trong mạng một cách tối ưu để đáp ứng được nhu cầu người sử dụng Các phương pháp điều khiển lưu lượng truyền thống như

IP, ATM cũng phần nào giải quyết được bài toán lưu lượng trong mạng IP Tuy nhiên các phương pháp này bộc lộ một số hạn chế nhất định Chuyển mạnh nhãn đa giao thức, một công nghệ chuyển mạch nhãn định hướng kết nối cung cấp các khả năng mới trong các mạng IP, trong khi khả năng điều khiển lưu lượng được đề cập đến bằng cách cho phép thực hiện các cơ chế điều khiển lưu lượng một cách tinh xảo

MPLS không thay thế cho định tuyến IP nhưng nó sẽ hoạt động song song với các phương pháp định tuyến đang tồn tại và các công nghệ định tuyến trong tương lai với mục đích cung cấp tốc độ rất cao giữa các bộ định tuyến chuyển mạch nhãn LSP, đồng thời với việc hạn chế băng tần của các luồng lưu lượng với các yêu cầu chất lượng dịch vụ QoS khác nhau

Hiện nay, có rất nhiều các nghiên cứu vềphương pháp điều khiển lưu lượng

Ví dụ như tác giả Trần Công Hùng, về vấn đề điều khiển lưu lượng đã trình bầy phương pháp sử dụng định tuyến ràng buộc và Enhanced IGP [11] thì việc điều khiển lưu lượng trong MPLS có thể được thực hiện hiệu quả hơn Trong khi đó để giải quyết vấn đề này thì tác George Swallow đã trình bầy phương pháp sử dụng giao thức báo hiệu RSVP-TE trong điều khiển lưu lượng MPLS [8] Theo yêu cầu

để làm cho Traffic Engineering đạt hiệu quả, IETF đã đưa ra kỹ thuật điều khiển lưu lượng sử dụng giao thức LDP cưỡng bức (CR-LDP)[2] cho phép các nhà quản lý mạng thiết lập các đường đi chuyển mạch nhãn (LSP) một cách rõ ràng CR-LDP là

bên trong (IGP) khác Nó được sử dụng cho các dòng lưu lượng nhạy cảm với trễ và

mô phỏng mạng chuyển mạch kênh

Với xu hướng phát triển nói trên, một trong vấn đề cần được quan tâm với mạng IP đó là vấn đề về lưu lượng Cụ thể là cần phải xem xét các kĩ thuật lưu lượng trong mạng IP Không phải bây giờ mạng IP mới cần giải quyết vấn đề lưu lượng Cùng với sự phát triển của giao thức định tuyến, với chức năng chính là định tuyến đường đi tốt nhất cho các gói tin IP Bên cạnh đó, định tuyến cũng để lại vấn

đề lưu lượng Tuy nhiên, người ta cũng đã chứng minh được rằng có thể sử dụng định tuyến như một kĩ thuật để điều khiển lưu lượng trong mạng IP Chúng ta sẽ xem xét bài toán lưu lượng bằng chính nhược điểm của định tuyến IP

1.2.2 Lựa chọn hướng nghiên cứu, giải quyết trong điều khiển lưu lượng MPLS của luận văn

Sau khi nghiên cứu các giải pháp của một số tác giả trong nước và nước ngoài gần đây và căn cứ thực tế trong mạng của nhà khai thác tại Việt Nam, luận văn sẽ đi sâu vào giải quyết vấn đề điều khiển lưu lượng IP/MPLS nhằm cân bằng tốt nhất cho lưu lượng vào giờ cao điểm tại các nút mạng lõi và biên của miền MPLS

Nội dung nghiên cứu của luận văn dự kiến sẽ tập trung, đi sâu vào nghiên cứu hai lĩnh vực Thứ nhất, luận văn sẽ đi sâu vào tìm hiểu phương pháp điều khiển lưu lượng sử dụng hai phương pháp: định tuyến ràng buộc và Enhanced IGP và sử dụng giao thức báo hiệu RSVP-TE trong điều khiển lưu lượng MPLS Thứ hai, luận văn sẽ nghiên cứu về bài toán lưu lượng và điều khiển tránh tắc nghẽn mạng Cụ thể, luân văn sẽ tìm hiều các phương pháp điều khiển nghẽn mạng như các phương pháp DECbit, Điều khiển chống tắc nghẽn trong TCP, FATE, EWA và FEWA [12]

Đồng thời, để điều khiển tránh tắc nghẽn mạng xẩy ra, ngoài các phương pháp nêu trên, luận văn cũng đã nghiên cứu và tìm hiểu để kết hợp với các phương pháp như quan trắc, đo thử, thực nghiệm lưu lượng trên mạng và rút ra được giải pháp phù hợp để áp dụng cho từng nút mạng khác nhau của nhà cung cấp

1.3 Kết luận chương

Nội dung chương 1 đã trình bày tổng quan về MPLS Quá trình hình thành

và phát triển của MPLS, các khái niệm cơ bản của mạng MPLS như: nhãn, ngăn xếp nhãn, bảng chuyển tiếp chuyển mạch nhãn, bộ định tuyến chuyển mạch nhãn(LSR-Lable Switching Router), lớp chuyển tiếp tương đương (FEC-Forward Equivalence Class), tuyến chuyển mạch nhãn (LSP-Lable Switching Path) Bài toán

dự kiến nghiên cứu cũng được đề cập đến trong nội dung nghiên cứu của chương này

Chương2: KỸ THUẬT LƯU LƯỢNG VÀ BÀI TOÁN TẮC

NGHẼN TRONG MẠNG MPLS

2.1 Kỹ thuật lưu lượng

2.1.1 Khái niệm kỹ thuật lưu lượng

Kỹ thuật lưu lượng (TE- Traffic Engineering) là kỹ thuật điều khiển đường truyền chứa lưu lượng qua mạng Mục đích để cải thiện việc sử dụng tài nguyên mạng, tránh trường hợp một phần tử mạng bị nghẽn trong khi các phần tử khác chưa được dùng hết Ngoài ra, còn để đảm bảo đường truyền có các thuộc tính nhất định, tài nguyên truyền dẫn có sẵn trên một đường truyền cụ thể hay xác định luồng lưu lượng nào được ưu tiên lúc xảy ra tranh chấp tài nguyên

Mạng chuyển mạch đa nhãn giao thức (MPLS - MultiProtocol Label Switching) xây dựng đường truyền chuyển nhãn (LSP - Label Switched Path) trong mạng nhằm giảm lưu lượng chuyển tiếp.MPLS-TE dùng đường hầm TE (TE tunnel) hay đường hầm điều khiển lưu lượng để kiểm soát lưu lượng trên đường truyền đến một đích cụ thể MPLS-TE dùng định tuyến động (autoroute) để tạo bảng định tuyến bằng LSP mà không cần thông tin đầy đủ của các tuyến lân cận (neighbor).MPLS-TE còn có khả năng dự trữ băng thông khi xây dựng các LSP này Nói chung, phương pháp này linh hoạt hơn kỹ thuật lưu lượng chuyển tiếp chỉ dựa vào địa chỉ đích

Kỹ thuật lưu lượng trong môi trường MPLS thiết lập mục tiêu hướng tới 2 chức năng hoạt động : (a) Định hướng lưu lượng và (b) định hướng tài nguyên

Hoạt động định hướng lưu lượng hỗ trợ hoạt động QoS của lưu lượng người dùng Trong một phân lớp đơn, mô hình dịch vụ Internet nỗ lực tối đa, hoạt động định hướng lưu lượng then chốt với mục đích cung cấp tổn thất lưu lượng nhỏ nhất, trễ nhỏ nhất, độ thông qua lớn nhất, nỗ lực của các hiệp thoả thuận lớp dịch vụ SLA

Hoạt động định hướng tài nguyên mục đích giải quyết tài nguyên mạng như các liên kết truyền thông, các router và các server là các thực thể góp phần vào sự thực hiện mục đích định hướng lưu lượng

Quản lý năng lực của những tài nguyên này vấn đề sống còn đối với thành công của các mục đích hoạt động định hướng tài nguyên Băng tần sử dụng là vấn

đề đầu tiên, không có băng tần thì bất cứ hoạt động nào của TE đều là vô nghĩa Việc quản lý năng lực của băng tần sử dụng là đặc trưng của TE

2.1.2 Bài toán lưu lượng

Chúng ta xemxét một mạng đơn giản như hình 2.1 Mạng bao gồm các bộ định tuyến R1,R2,R3,R4,R5 cùng thuộc một miền quản trị.Các bộ định tuyến được kết nối với nhau như hình vẽ Xét hai luồng lưu lượng I-I‟,II-II‟ vào R1 và ra R5 Theo hình vẽ dễ thấy có hai đường đi có thể lựa chọn hai luồng lưu lượng trên:

- R1-R2-R3-R5

- R1-R4- R5

Hình 2.1 Mô hình mạng đơn giản

Với cấu hình này, nhà quản trị có thể sử dụng một trong các giải pháp định

tuyến sau đây:

- Thứ nhất là sử dụng định tuyến tĩnh Với giải pháp này, một đường đi sẽ được lựa chọn một cách nhân công

Hình 2.2 Lựa chọn đường sử dụng Phương pháp định tuyến tĩnh

- Thứ hai là sử dụng định tuyến động Đó là sử dụng một trong các giao thức định tuyến IGP như RIP, OSPF, IS-IS…Với giải pháp này, các bộ định tuyến tự động xây dựng và cập nhật bảng định tuyến của mình bằng cách trao đổi, thu thập thông tin định tuyến, tìm ra đường đi ngắn nhất Hai phương pháp này có những ưu nhược điểm riêng Định tuyến tĩnh không đòi hỏi việc trao đổi thông tin định tuyến nhưng có nhược điểm là không thích ứng với sự thay đổi cấu hình mạng Sử dụng các giao thức định tuyến IGP cho phép thích ứng nhanh với sự thay đổi cấu hình mạng nhưng lại tốn một lượng băng thông cho việc trao đổi thông tin định tuyến Thường thì định tuyến động được áp dụng cho mạng IP cỡ lớn

Việc lựa chọn định tuyến động cho mạng IP cỡ lớn đồng nghĩa với việc sử dụng một trong các giao thức định tuyến Giao thức định tuyến có chức năng là tìm

ra đường đi ngắn nhất cho các gói tin IP từ một bộ định tuyến tới đích Đoạn đường

từ mỗi bộ định tuyến tới các mạng đích được đo bằng tham số metric Metric có thể dựa trên một đặc tính đơn của đường hay có thể tính toán dựa trên một vài đặc tính Metric có thể tính toán theo các tham số sau:

 Bandwidth: băng thông của các liên kết

 Delay: độ trễ (độ dài thời gian yêu cầu để chuyển một gói tin trên toàn liên kết từ nguồn tới đích Độ trễ phụ thuộc vào băng thông của các liên kết trung gian, hàng cổng tại mỗi bộ định tuyến, tắc nghẽn mạng, khoảng cách vật lý)

 Load: tải

 Reability: độ khả dụng (thường cho phép tỉ lệ lỗi của mỗi liên kết)

 Hop count: số trạm trung gian Số các bộ định tuyến mà một gói tin phải đi qua trước khi tới đích Khi dữ liệu đi qua một bộ định tuyến, đó là một hop Nếu có nhiều đường cùng tới một đích, bộ định tuyến chọn đường với số hop là ít nhất

 Cost: thường dựa trên băng thông được gán bởi nhà quản trị mạng

Tuy nhiên, đối với mỗi giao thức định tuyến cụ thể, việc tính toán thước đo thường chỉ dựa vào một vài tham số hoặc chỉ dựa trên một tham số Như với giao thức định tuyến RIP, việc tính toán quãng đường dựa trên tham số hop count Giao thức định tuyến OSPF, thường áp dụng trong miền quản trị đơn, tính toán đường dựa trên tham số bandwidth Điều này có nghĩa là khoảng cách ngắn nhất được giao thức định tuyến tính toán chỉ mang tính tương đối

Trong hình 3.1 nếu áp dụng giao thức định tuyến RIP thì cả hai luồng II‟ đi theo đường R1-R4-R5, nếu áp dụng giao thức định tuyến OSPF thì cả hai luồng lưu lượng này đi theo đường R1-R2-R3-R5 Với thuộc tính này có thể nói rằng giao thức định tuyến OSPF có ưu điểm hơn các giao thức định tuyến khác nếu đứng trên quan điểm phân bổ lưu lượng

I-I‟,II-Cho dù OSPF là một giao thức định tuyến đơn miền quản trị vượt trội nhất nhưng luôn tồn tại một vấn đề cần xem xét mà nhà quản trị phải tìm cách giải quyết

Đó là vấn đề lưu lượng tập trung qua cao trên đường R1-R2-R3-R5 Kể cả khi đường này có băng thông lớn hơn đường còn lại nhưng sự tập trung quá cao các luồng lưu lượng khiến đường này bị nghẽn cục bộ trong khi các tuyến đường khác vẫn còn dư thừa băng thông Đây chính là bài toán đặt ra đối với kĩ thuật lưu lượng traffic engineering của mạng IP

Hình 2.3Lựa chọnđườngsử dụng phương phápđịnh tuyếnOSPF

Hình 2.4 Lựa chọn đường sử dụng Phương pháp định tuyến RIP

Nhận xét:

 Trong mạng IP thông thông thưòng, các router hướng (forward) các gói tin dựa trên địa IP chỉ đích

 Mỗi giao thức định tuyến đưa ra các tiêu trí riêng để tìm ra “quãng đường

đi ngắn nhất”, các tham số lựa chọn để tính quãng đường là rất ít

 Trong mạng, một tuyến (liên kết và nút) có lưu lượng đi qua là rất lớn thậm trí có thể gây ra nghẽn cục bộ Trong khi một số tuyến có rất ít lưu lượng đi qua nó

Có thể nói ngắn gọn, kĩ thuật lưu lượng trong mạng IP là tổng hợp nhiều kế hoạch và chính sách của nhà quản trị mạng để sao cho các liên kết được sử dụng một cách hiệu quả nhất, tránh hiện tượng tắc nghẽn cục bộ trên một vài liên kết trong khi các liên kết khác vẫn còn dư thừa

Có rất nhiều phương pháp điều khiển lưu lượng khác nhau, nếu căn cứ vào mức xử lý các gói tin tại các nút, có thể phân thành 3 phương pháp kĩ thuật lưu

được áp dụng trong từng trường hợp cụ thể

2.1.3 Thiết lập đường truyền thiết kế lưu lượng sử dụng MPLS-TE:

a Thuộc tính ưu tiên (priority) và sự chiếm trước (preemption) LSP

Thuộc tính ưu tiên / lấn chiếm (Priorty/Preemption)MPLS-TE dùng độ ưu tiên của LSP để đánh dấu các LSP quan trọng hơn và cho phép chúng giành tài nguyên từ các LSP khác (hay chiếm trước LSP khác).MPLS-TE đưa ra tám mức độ

ưu tiên, 0 là tốt nhất và 7 là xấu nhất.Ví dụ, LSP có độ ưu tiên 2 sẽ quan trọng hơn LSP có độ ưu tiên 6 Một LSP sẽ gồm hai độ ưu tiên: độ ưu tiên thiết lập (setup priority) và độ ưu tiên lưu giữ (hold priority) Độ ưu tiên thiết lập kiểm soát truy xuất tài nguyên khi LSP được tạo hay quyết định lúc nào chấp nhận một LSP và độ

ưu tiên lưu giữ kiểm soát truy xuất tài nguyên cho LSP mới tạo.Thuộc tính ưu tiên

có 8 mức (giảm dần từ 0 đến 7) xác định thứ tự thực hiện chọn đường cho các trung

kế lưu lượng Độ ưu tiên cũng rất quan trọng khi triển khai cơ chế lấn chiếm

(preemption) vì nó có ảnh hưởng đến thứ tự thiên vị

Mỗi trung kế lưu lượng được gán một giá trị ưu tiên thiết lập (setup priority)

và một giá trị ưu tiên duy trì (holding priority) Khi thiết lập một trung kế mới hoặc tái định tuyến, một trung kế có độ ưu tiên thiết lập cao sẽ chèn lấn một trung kế khác có độ ưu tiên cầm giữ thấp hơn “bật” ra khỏi đường nếu chúng cạnh tranh tài nguyên Ngược lại, việc thiết lập một trung kế mới có thể thất bại nếu băng thông

- Thuộc tính này đóng vai trò quan trọng trong các tình huống tranh chấp khi

có nhiều trung kế cùng cạnh tranh tài nguyên Có 2 loại độ ưu tiên được chỉ định cho trung kế:

Ưu tiên thiết lập (priority) : chỉ ra tầm quan trọng của trung kế lưu lượng

và xác định thứ tự mà việc chọn tuyến được thực hiện khi thiết lập kết nối hoặc tái định tuyến khi xảy ra lỗi

Độ ưu tiên duy trì (holding priority): xác định quyền lấn chiếm của các trung kế cạnh tranh và đặc tả độ ưu tiên cầm giữ tài nguyên Thuộc tính này xác định xem trung kế này có thể lấn chiếm trung kế khác hay không Việc lấn chiếm có thể được sử dụng để đảm bảo rằng các trung kế có độ ưu tiên cao được định tuyến trên những con đường thuận lợi trong môi trường phân biệt dịch vụ Lấn chiếm cũng được sử dụng để thực hiện các chính sách hồi phục ưu tiên hóa khác nhau sau khi xảy ra lỗi

b Phân phối thông tin – IGP mở rộng (extensions)

Trong việc thiết lập đường truyền thiết kế lưu lượng yêu cầu cần thiết ở đây

là tìm được một đường truyền trong mạng đáp ứng được các điều kiện (thông tin) ràng buộc Các điều kiện đó sẽ được đưa vào để tính toán các đường truyền khả thi đến đích Các điều kiện ràng buộc như:

 Băng thông yêu cầu cho một LSP cụ thể

 Các thuộc ính (như màu sắc) của liên kết cho phép lưu lượng qua

 Giá trị metic được gán cho liên kết

 Số chặng mà lưu lượng được phép truyền qua

 Độ ưu tiên thiết lập của LSP

Các điều kiện trên được phân làm hai loại: (a) thuộc tính liên kết như băng thông sẵn có, màu liên kết hay giá trị metric và (b) thuộc tính LSP như số chặng hay

độ ưu tiên

Việc tính toán đường truyền thỏa mãn các điều kiện ràng buộc đòi hỏi thông tin về việc mỗi liên kết có đáp ứng được các điều kiện đó hay không và thông tin này sẽ được cấp đến tất cả các nút để tính toán Vì vậy, các thuộc tính liên kết thích hợp phải được quảng bá qua mạng Điều này được thực hiện bằng cách bổ sung thêm sự mở rộng đặc trưng về TE vào các giao thức link-state như IS-IS (Intermediate System-to-Intermediate System) và giao thức tìm đường đi ngắn nhất (OSPF - Open Shortest Path First), cho phép chúng quảng bá không chỉ trạng thái (up/down) mà còn các thuộc tính quản lý của liên kết và băng thông sẵn có được dùng bởi các LSP tại mỗi độ ưu tiên Vậy, mỗi nút sẽ biết được các thuộc tính của tất cả các liên kết trong mạng Thông tin này sẽ được lưu trong cơ sở dữ liệu TE (TED - TE Database) trên mỗi router để dùng tính toán đường truyền

Nói chung, việc mở rộng giao thức cổng nội bộ (IGP - Interior Gateway Protocol) trong kỹ thuật lưu lượng đảm bảo các thuộc tính liên kết liên quan đến TE

có sẵn tại tất cả các nút trong mạng

c Tính toán đường truyền – CSPF:

Như thuật toán đường đi ngắn nhất (SPF - Shortest Path First), SPF ràng buộc (CSPF- Constrained SPF) tính đường đi ngắn nhất dựa vào việc quản lý metric CSPFchỉ tính các đường mà thỏa mãn một trong các điền kiện ràng buộc (như băng thông sẵn có) bằng cách loại bớt các liên kết không thỏa Ví dụ nếu điều kiện về băng thông, CSPFsẽ bỏ bớt các liên kết không có đủ băng thông để dùng

Hình 2.5: Ví dụ về CSPF

giả sử rằng độ dài tất cả các kênh đều bằng nhau và có giá trị là 1 Chúng ta cũng giả sử rằng tất cả các kênh đều có độ rộng băng tần khả dụng là 150 Mb/s, ngoại trừ kênh nối từ LSR2 đến LSR4 có độ rộng băng tần khả dụng là 45Mb/s Nhiệm vụ của chúng ta là tìm đường từ LSR1 đến LSR6 sao cho có độ dài ngắn nhất và độ rộng băng tần khả dụng phải lớn hơn hoặc bằng 100Mb/s ở đây điều kiện ràng buộc cần thoả mãn là độ rộng băng tần khả dụng

Khởi đầu cây đường ngắn nhất (có gốc là LSR1) chỉ có nút LSR1 Tiếp theo chúng ta kiểm tra hai nút bên cạnh LSR1 đó là LSR2 và LSR3 với lưu ý rằng độ rộng băng tần khả dụng của kênh (LSR1-LSR2) và (LSR1-LSR3) đều lớn hơn giá trị cần thiết là 100Mb/s Kết luận không kênh nào vi phạm điều kiện ràng buộc, vì vậy chúng ta bổ sung LSR2 và LSR3 vào danh sách “ứng cử” Tiếp theo chúng ta tìm nút có khoảng cách ngắn nhất đến LSR1 trong danh sách các nút “ứng cử” Nút này là LSR2 (ở đây cả hai nút LSR2 và LSR3 đều có khoảng cách như nhau đến LSR1 vì vậy có thể chọn ngẫu nhiên là LSR2), chúng ta bổ sung nó vào cây đường ngắn nhất (LSR1, LSR2) và xoá nó khỏi danh sách các nút “ứng cử” Kết thúc vòng một của thuật toán

Vòng thứ hai chúng ta kiểm tra nút cạnh nút LSR2 là LSR4 Với nút này chúng ta thấy rằng độ rộng băng tần khả dụng trên kênh (LSR2-LSR4) nhỏ hơn độ rộng băng tần yêu cầu Vì vậy kênh này không thoả mãn điều kiện ràng buộc và chúng ta không bổ sung LSR4 vào danh sách nút “ứng cử” Chúng ta vẫn còn LSR3 trong danh sách nút “ứng cử”, vì vậy ta bổ sung nó vào cây đường ngắn nhất (LSR1, LSR3) và xoá nó khỏi danh sách “ứng cử” Kết thúc vòng thứ hai của thuật toán.Tại vòng thứ 3 của thuật toán, chúng ta kiểm tra cạnh nút LSR3 là nút LSR5 Với nút này chúng ta thấy độ rộng băng tần khả dụng trên kênh (LSR3-LSR5), lớn hơn độ rộng băng tần yêu cầu Vì vậy kênh này thoả mãn điều kiện ràng buộc và ta

bổ sung nó vào danh sách nút “ứng cử” Tiếp theo chúng ta tìm trong danh sách các nút “ứng cử” nút có khoảng cách ngắn nhất tới LSR1 là nút LSR5 Vì vậy ta bổ sung LSR5 vào cây đường ngắn nhất (LSR1, LSR3, LSR 5) và xoá LSR5 khỏi danh

sách “ứng cử” Kết thúc vòng thứ 3 của thuật toán

Tại vòng thứ 4 của thuật toán, ta kiểm tra nút cạnh nút LSR5 là LSR4 Với nút này chúng ta thấy rằng độ rộng băng tần khả dụng trên kênh (LSR5-LSR4) lớn hơn độ rộng băng tần yêu cầu Vì vậy kênh này thoả mãn điều kiện ràng buộc và ta

bổ sung nó vào danh sách nút “ứng cử” Tiếp theo chúng ta tìm trong danh sách các nút “ứng cử” nút có khoảng cách ngẵn nhất tới LSR1 là nút LSR4 Vì vậy ta bổ sung LSR5 vào cây đường ngắn nhất (LSR1, LSR3, LSR5, LSR4) và xoá LSR4 khỏi danh sách “ứng cử” Kết thúc vòng thứ tư của thuật toán

Tại vòng thứ 5 của thuật toán, ta kiểm tra nút cạnh nút LSR5 là LSR6 và LSR7 Với nút này chúng ta thấy rằng độ rộng băng tần khả dụng trên các kênh (LSR4-LSR6) và (LSR4-LSR7) lớn hơn độ rộng băng tần yêu cầu Vì vậy kênh này thoả mãn điều kiện ràng buộc và ta bổ sung LSR6 và LSR7 vào danh sách nút “ứng cử” Tiếp theo chúng ta nhận thấy rằng trong danh sách các nút “ứng cử” có nút LSR6 có khoảng cách ngắn nhất tới LSR1 Vì vậy ta bổ sung LSR6 vào cây đường ngắn nhất (LSR1, LSR3, LSR5, LSR4, LSR6) và xoá LSR6 khỏi danh sách “ứng cử” Tại đây chúng ta nhận thấy cây đường ngắn nhất đã có nút LSR6 là nút đích của đường cần tìm Vì vậy thuật toán kết thúc ở đây Kết quả đường ngắn nhất tử LSR1 đến LSR6 là (LSR1, LSR3, LSR5, LSR4, LSR6) Chúng ta có thể nhận thấy đường này khác với đường được xác định theo thuật toán SPF có thể là (LSR1, LSR2, LSR4, LSR6)

Sau khi đường truyền được tính toán xong, nó sẽ được thiết lập dùng giao thức dành riêng tài nguyên với kỹ thuật lưu lượng (RSVP-TE - Resource reSerVation Protocol with TE) Khi đó, đường truyền sẽ được định rõ ở đầu LSP trong đối tượng tuyến tường minh (ERO - Explicit Route Object) Tuy nhiên, ERO không chỉ mang thông tin liên quan đến TE chứa trong bản tin RSVP mà nó còn mang: (a) thông tin TE mà một nút trung gian biết được như băng thông cho LSP và (b) thông tin để thiết lập đường truyền như độ ưu tiên thiết lập và lưu giữ của LSP

Khi bản tin RSVP được truyền từ cuối LSP đến đầu LSP, mỗi nút trong mạng phải thực hiện điều khiển chấp nhận với các lý do sau:

 Nếu được tính với CSPF, trạng thái về tài nguyên có thể thay đổi giữa thời gian tính toán và báo hiệu tuyến (như khi LSP được thiết lập nó sẽ bắt đầu tại một nút khác)

 Kết quả của CSPFchỉ chính xác như thông tin trong TED (không phải luôn đúng do có sự điều chỉnh quảng bá liên kết)

Nếu một nút có đủ tài nguyên để dùng thì việc điều khiển chấp nhận sẽ thành công và đường truyền được thiết lập qua các nút rồi cập nhật tài nguyên sẵn có Thông tin này sẽ được gửi lại cho IGPđể các nút khác có thể biết được trạng thái mới này và việc phân phối nó nhanh hay chậm còn tùy vào sự điều chỉnh quảng bá link-state Nếu không có đủ tài nguyên sẵn có thì cần thực hiện việc chiếm giữ LSP khác thông qua độ ưu tiên của LSP Nếu việc chiếm giữ không giải quyết được vấn

đề tài nguyên thì sự dành riêng sẽ thất bại và một bản tin lỗi sẽ được gửi tới đầu LSP Khi nhận được bản tin này, đầu LSP sẽ tính toán lại đường truyền

Vậy khi một LSP được thiết lập, lưu lượng có thể được chuyển tiếp theo LSP

đó từ nguồn đến đích Trong phần sau ta sẽ thấy cách lưu lượng thực sự được chuyển vào LSP như thế nào

2.2 Điều khiển nghẽn

2.2.1 Điều khiển lưu lượng trong mạng MPLS

Đây là một phương pháp được sử dụng đầu tiên để điều khiển lưu lượng trong mạng IP Phương pháp này phần nào khắc phục được tồn tại mà kế hoạch định tuyến để lại

Kĩ thuật lưu lượng dựa trên chính sách định tuyến IP vẫn là phương pháp khá phổ biến, nhưng đây không phải là phương pháp tối ưu Phương thức chủ yếu để

điều khiển hướng lưu lượng IP đi qua mạng là sự thay đổi cost trên một liên kết

riêng biệt Không có cách hợp lí để điều khiển hướng mà lưu lượng chấp nhận trên

cơ sở nơi mà lưu lượng đến từ đâu – mà chỉ là lưu lượng sẽ đi tới đâu Sử dụng kĩ thuật lưu lượng IP phù hợp với nhiều mạng mạng lớn, tuy nhiên vẫn còn có một số vấn đề mà kĩ thuật lưu lượng IP không giải quyết được

Các phần tử trong mạng IP ứng xử với các gói tin bằng các phân tích thông tin mào đầu của gói tin IP (điều khiển hướng gói)

Nếu mạng như hình 2.6 sử dụng phương pháp định tuyến tĩnh, việc chia lưu lượng đều trên hai đường đi có thể được thực hiện một cách dễ dàng bởi nhà quản trị Ví dụ luồng lưu lượng I-I‟ được áp đặt sử dụng đường R1-R2-R3-R5 còn luồnglưu lượng II-II‟ được áp đặt đi trên đường còn lại R1-R4-R5

Hình 2.6 Phân chia lưu lượng dựa theo định tuyếntĩnh

Hình 2.7 Chia lưu lượng thành hai phần

Hoặc cũng với ví dụ này, có thể chia mỗi luồng lưu lượng thành hai phần, mỗi phẫn

sẽ được hướng tới một đường khác nhau.Rõ ràng việc thiết lập các tuyến tĩnh cũng

có thể giúp cho mạng phân chia được tải

Dễ dàng thấy, với một cấu hình mạng cho trước như giả thiết, nếu sử dụng chính sách định tuyến này sẽ xuất hiện một vấn đề mới đó là tính chủ quan trong việc phân tải Việc phân chia luồng lưu lượng đi trên các hướng chưa chắc đã triệt

để Có hai lí do Thứ nhất, việc phân chia luồng lưu lượng trên các tuyến được thực

lượng một cách cảm tính là chính xác thì cũng chỉ chính xác tại một thời điểm nhất định chứ không phải là mãi mãi

Chúng ta tiếp tục xem xét trường hợp sử dụng một trong các giao thức định tuyến (như OSPF) Sẽ có hai giải pháp có thể áp dụng Thứ nhất, kích hoạt tính năng chọn đa đường của giao thức định tuyến Khi đó giao thức định tuyến không chỉ tìm ra một đường đi ngắn nhất mà là một tập các đường đi ngắn nhất Trong trường hợp cụ thể này, chọn số đường đi ngắn nhất là 2 Nếu vậy, bộ định tuyến R1

sẽ sử dụng cùng một lúc hai đường đi cho các luồng lưu lượng Cần chú ý rằng giao thức định tuyến OSPF không hỗ trợ cân bằng tải không đều mà chỉ hỗ trợ cân bằng tải đều Muốn cân bằng tải kiểu không đều thì phải sử dụng giao thức định tuyến EIGRP Thứ hai, có thể kết hợp giao thức định tuyến với „điều kiện mở rộng khi quyết định hướng các gói tin theo các tuyến tới đích Thông thường, để đưa ra ứng

xử của mình với các gói tin, các bộ định tuyến chỉ cần phân tích thông tin về địa chỉ đích của gói tin IP đó Khi áp dụng các „điều kiện mở rộng‟ tại các bộ định tuyến, ngoài địa chỉ đích ra còn một số thông tin sau có thể xem xét khi đưa ra quyết định ứng xử:

 Địa chỉ nguồn

 Kích cỡ gói

 Loại ứng dụng (căn cứ vào địa chỉ cổng ứng dụng)

Một khi sử dụng phương pháp này không chỉ giải quyết vấn đề cân bằng tải

mà còn giải quyết được phần nào vấn đề QoS

Khi đó, các phần tử của mạng được kích hoạt giao thức định tuyến và tính năng multipath để đảm bảo trong router bảng định tuyến mô tả nhiều đườngtới mạng đích

Các tham số về địa chỉ nguồn, chiều dài gói, ToS được phân tích trước khiđịa chỉ đích của gói tin IP được so sánh với các thực thể trong bảng định tuyến

2.2.2 Cơ chế điều khiển lưu lượng trong mạng MPLS

Ýtưởng chínhcủaMPLSlàsử dụngmộtmôhìnhkế tiếpcơ bảntrongviệc

quétnhãn đểcóthể chứa đựngsựsắp xếpcủacáckiểu điều khiển khácnhau.Mỗi

-Kiểu traffic engineering, cho phép các đường dẫn tường minh đặc trưng label-switched được thiết lập qua một mạng cho các giả thiết điều khiển lưu lượng

-Kiểu virtual private network (VPN), xây dựng các bảng định tuyến đặc trưng VPN sử dụng Border Gateway Protocol (BGP) và phân phối các nhãn cho đúng với các giao thức

VìMPLScho phépcác kiểu khácnhaugáncácnhãnchocácgói sử dụngcác tiêu chuẩnđa dạng,nó tách các gói kếtiếptừcác chỉ số của màođầu các gói IP

Kỹ thuật điều khiển lưu lượng( Traffic Engineering):

Traffic Engineering đề cập đến khả năng điều khiển của những luồng lưu lượng trong mạng, với mục đích giảm thiểu tắc nghẽn và tạo ra mức sử dụng hiệu quả nhất cho các phương tiện sẵn có Lưu lượng IP truyền thống định tuyến theo Hop by Hop cơ bản và theo IGP luôn sử dụng kỹ thuật đường dẫn ngắn nhất để truyền lưu lượng Lưu lượng đường dẫn IP có thể không đạt tối ưu vì nó phụ thuộc vào thông tin Link Metric tĩnh không cùng với bất kỳ một hiểu biết nào của tài nguyên mạng sẵn có hoặc các yêu cầu của lưu lượng cần thiết để mang trên đường dẫn đó Sử dụng kỹ thuật đường dẫn ngắn nhất có thể gây ra các vấn đề sau :

- Đường dẫn ngắn nhất từ các tài nguyên khác nhau chồng lẫn lên một sốlink, gây ra tắcnghẽntrên các link đó

- Lưu lượng từ một nguồn đi tới một đích có thể vượt quá dung lượng của

kỹ thuật đường dẫn ngắn nhất, trong khi một đường dẫn dài hơn giữa hai Router đó được được sử dụng không đúng mức

Kỹ thuật lưu lượng trong phạm vi MPLS phát sinh từ nhu cầu khai thác

quán cho mạng Kỹ thuật lưu lượng cho phép người khai thác mạng khả năng định tuyến lại luồng lưu lượng từ đường dẫn cost thấp nhất “least cost” được tính toán bởi các giao thức định tuyến và những đường dẫn vật lý ít bị tắc nghẽn trong mạng

đó Và kết quả là có sự gia tăng rất mạnh mẽ trong nhu cầu về tài nguyên mạng và

sự cạnh tranh giữa các nhà cung cấp Kỹ thuật lưu lượng đã trở thành ứng dụng hàng đầu cho MPLS.Mục đích của kỹ thuật lưu lượng là phải sử dụng hiệu quả vào tài nguyên mạng giới hạn

Tronghình2.8,cóhai đường dẫntừ RouterC tớiRouterE đượcbiểuthị bởicác đường dẫn1và2,nếu mộtRouterchọn mộttrongcácđường dẫn theo kỹ thuật đường dẫn ngắn nhất từCtới E(C-D-E),thìsau đó nó sẽ mangtấtcả lưu lượng của đích choEthôngqua đường dẫn.Dunglượng lưulượng cuốicùngtrên đường dẫn đó có thểgâyra tắcnghẽn,trongkhi mộtđường dẫnkhác(C-F-G-H-E) không được sử dụng.Đểtoànthể mạng hoạt độnghiệu quả nhất nócóthể thiết kế nhằm thay đổi mộtvàiphânsố(fraction)củalưulượng từlinknày tớilinkkhác Trongkhitacócostđường dẫn C-D-Engangbằng vớicost đường dẫn C-F-G-H-E nhưlàviệc tiếnlại gần hơn với sựcânbằngtải sẽgây cảntrở, nếukhôngthểcó được mộtTopo mạngchặtchẽ.Cácđường dẫn của định tuyến tường minh, được thựchiện sử dụngMPLS,cóthể được sử dụng

dẽ hiểu hơnvà mềm dẻo hơncủa việc đánh địa chỉ vấn đề này

Để giải quyết vấn đề điều khiển lưu lượng dựa vào một thực tế là các nhãn

và các đường dẫn Label-switched có thể được thiết lập một cách đa dạng của cách kiểu điều khiển khác nhau Ví dụ, kiểu điều khiển lưu lượng có thể thiết lậpmộtđường dẫn Label-switched từ B tới C tới F tới G tới H tới E (đường dẫn 1) và mộtđường dẫn khác từ A tới C tới D tới E (đường dẫn 2) như được chỉ ra ở hình 2.9

-

Hình 2.8 Tắc nghẽn gây ra bởi kỹ thuật chon đường ngắn nhất

Hình 2.9 Giải pháp cho vấn đề sử dụng kỹ thuật lưu lượng

Nhờ việc thực hiện các chính sách chọn lọc các gói nào đó để theo sau các đường dẫn đó, luồng lưu lượng qua mạng mới có thể được quản lý Theo yêu cầu để làm cho Traffic Engineering đạt hiệu quả, IETF đã đưa ra kỹ thuật Constraint-based routing và Enhanced link-state IGP Theo yêu cầu để điều khiển đường dẫn LSP đạt hiệu quả, mỗi LSP có thể được gán một hoặc nhiều hơn các thuộc tính Những thuộc tính này sẽ xem xét trong đường dẫn máy tính để cho LSP Các thuộc tính này

và ý nghĩa của chúng được tổng kết như sau:

 Bandwidth: Độ rộng băng thông dự trữ tối thiểu của đường dẫn cho LSP

 Path Attribute: Một thuộc tính được quyết định là đường dẫn của LSP có thể là Manually specified hoặc Dynamically hay không thì được tính bởiConstraint-Based routing

 Setup Priority: Thuộc tính này sẽ quyết định là LSP nào sẽ tạo ra tài nguyên khi nhiều LSP hoàn thành cho nó

 Holding Priority: Thuộc tính này sẽ quyết định là một tài nguyên được giữ bởi một thiết lập LSP thì sẽ được ưu tiên trước bởi một LSP mới hay không

 Affinity (Color): Việc quản lý đặc trưng đặc tính của một LSP

 Adaptability: Có hay không việc chuyển mạch LSP tới một đường dẫn tối

ưu hơn khi nó trở nên có sẵn

 Resilience: Thuộc tính sẽ được quyết định hay không để định tuyến lạiLSP khi đường dẫn có ảnh hưởng do lỗi

Khả năng của MPLS là cung cấp việc định tuyến rõ ràng, hoạt động qua bất

kỳ một phương tiện nào và có thể tập hợp số liệu thống kê những LSP, để đề nghị

nó là thích hợp cho cung cấp khả năng kỹ thuật lưu lượng.IETF đưa ra giả thiết về 2 giao thức khác nhau cho việc dành riêng tài nguyên trong phạm vi cụ thể là MPLS, định tuyến dựa trên sự ràng buộc Constraint- Based Routing, đang sử dụng giao thức phân phối nhãn LDP (CR-LDP),giao thức dành riêng tài nguyên RSVP để cung cấp cho kỹ thuật lưu lượng trong phạm vi miền MPLS

2.2.3 Các giao thức phân bổ nhãn

MPLS không yêu cầu phải có giao thức phân bổ nhãn riêng, vì một vài giao thức định tuyến đang được sử dụng OSPF có thể hỗ trợ phân bổ nhãn Tuy nhiên, IETF đã phát triển một giao thức mới để bổ sung cho MPLS Được gọi là giao thức phân bổ nhãn LDP.Một giao thức khác, LDP cưỡng bức (CR-LDP), cho phép các nhà quản lý mạng thiết lập các đường đi chuyển mạch nhãn (LSP) một cách rõ ràng CR-LDP là một sự mở rộng của LDP Nó hoạt động độc lập với mọi giao thức cổng đường biên bên trong (IGP) khác Nó được sử dụng cho các dòng lưu lượng nhạy cảm với trễ và mô phỏng mạng chuyển mạch kênh.RSVPcó thể được sử dụng để

phân phối nhãnbằng việc sử dụng các bản tin Reservation và PATH, nó hỗ trợ các hoạt động ràng buộc và phân bổ nhãn.

 BGP cũng là một sự lựa chọn tốt cho giao thức phân bổ nhãn Nếu cần phải ràng buộc nhãn với prefix địa chỉ, thì BGP có thể được sử dụng Một bộ phản hồi (reflector) BGP có thể được sử dụng để phân bổ nhãn

 Giao thức phân phối nhãn LDP

Hình 2.10Vị trí giao thức LDP trong bộ giao thức MPLS

Giao thức phân phối nhãn được IETF đưa ra trong RFC 36 Vị trí của giao thức LDP và các mối liên kết chức năng cơ bản của LDP với các giao thức khác thể hiện trên hình 2.10

Giao thức phân bố nhãn là một thiết lập các thủ tục bởi một LSR cho biết một LSR khác nhãn sử dụng để chuyển hướng lưu lượng giữa và qua chúng

LDP có thể hoạt động giữa các LSR kết nối trực tiếp hay không được kết nối trực tiếp Các LSR sử dụng LDP để hoán đổi thông tin ràng buộc FEC và nhãn được gọi là các thực thể đồng cấp LDP, chúng hoán đổi thông tin này bằng việc xây dựng các phiên LDP

Các loại bản tin LDP

LDP định nghĩa 4 loại bản tin đólà: Bản tin thăm dò, Bản tin phiên, Bản tin phát

 Bản tin thăm dò (Discovery): dùng để thông báo và duy trì sự có mặt

của 1 LSR trong mạng Theo định kỳ, LSR gửi bản tin Hello qua cổng

UDP với địa chỉ multicast của tất cả các router trên mạng con

 Bản tin phiên (Session): dùng để thiết lập, duy trì, và xoá các phiên giữa

các LSR Hoạt động này yêu cầu gửi các bản tin Initialization trên TCP Sau khi hoạt động này hoàn thành các LSR trở thành các đối tượng ngang cấp LDP

 Bản tin phát hành (Advertisement): dùng để tạo, thay đổi và xoá các

ràng buộc nhãn với các FEC Những bản tin này cũng mang trên TCP Một LSR có thể yêu cầu 1 ánh xạ nhãn từ LSR lân cận bất cứ khi nào nó cần Nó cũng phát hành các ánh xạ nhãn bất cứ khi nào nó muốn một đối tượng ngang cấp LDP nào đó sử dụng ràng buộc nhãn

 Bản tin thông báo (Notification): dùng để cung cấp các thông báo lỗi,

thông tin chẩn đoán, và thông tin trạng thái Những bản tin này cũng mangtrên TCP

 Khi LSR nhận biết được địa chỉ của LSR khác bằng cơ chế này thì nó sẽ thiết lập kết nối TCP đến LSR đó

 Khi đó phiên LDP được thiết lập giữa 2 LSR Phiên LDP là phiên hai chiều

có nghĩa là mỗi LSR ở hai đầu kết nối đều có thể yêu cầu và gửi ràng buộc nhãn

Đa số các bản tin LDP chạy trên giao thức TCP để đảm bảo độ tin cậy của các bản tin (ngoại trừ bản tin thăm dò)

Trong trường hợp các LSR không kết nối trực tiếp trong một mạng con,

người ta sử dụng một cơ chế bổ sung như sau:

LSR định kỳ gửi bản tin Hello trên UDP đến địa điạ chỉ IP đã được khai báo

khi lập cấu hình Phía nhận bản tin này có thể trả lời lại bằng bản tin HELLO khác

truyền ngược lại đến LSR gửi và việc thiết lập các phiên LDP được thực hiện

nhưtrên

Hình 2.11 Thủ tụcpháthiệnLSR lân cận

* Các bản tin DP

Tiêu đề bản tin LDP

Mỗi một bản tin LDP được gọi là đơn vị dữ liệu giao thức PDU, được bắt đầu bằng

tiêu đề bản tin và sau đó là các bản tin LDP như đã trình bày trên đây Hình2.12 chỉ

ra các trường chức năng của tiêu đề LDP và các trường này thực hiện các

chức năng sau: