Hiện cú nhiều giải phỏp khỏc nhau hƣớng đến việc xử lý định tuyến ở Lớp 2, nghĩa là thực hiện “định chuyển mạch” thay vỡ “định tuyến” trong mạng IP.
MPLS là một nỗ lực của IETF để tạo ra một giải phỏp chuẩn hoỏ cho vấn đề này. “Nhón” ở đõy là một số đƣợc gỏn tại bộ định tuyến IP ở biờn của miền MPLS hoặc chuyển mạch nhón xỏc định tuyến qua mạng để cỏc gúi đƣợc định tuyến một cỏch nhanh chúng khụng cần phải tỡm kiếm địa chỉ đớch trong gúi IP. Nhón này cú thể gắn thờm vào gúi IP hoặc ghi trong khung gúi khi tồn tại trƣờng phự hợp. MPLS khụng giới hạn ở bất kỳ lớp tuyến nào và cú thể sử dụng chức năng phỏt chuyển từ cỏc thiết bị ATM hoặc chuyển tiếp khung.
2.2.3.3.1 Liờn mạng MPLS
Trong MPLS cỏc gúi IP đƣợc phõn thành cỏc lớp phỏt chuyển tƣơng ứng (Forwarding Equivalence Classes -FEC) ở lối vào miền MPLS. FEC là một nhúm cỏc gúi IP đƣợc phỏt chuyển trờn cựng tuyến và đƣợc xử lý theo cựng một cỏch. Việc gỏn này cú thể dựa trờn địa chỉ host hoặc “phự hợp dài nhất” tiền tố địa chỉ đớch của gúi IP. Nhờ FEC mà cỏc gúi IP đƣợc gỏn và mó hoỏ với nhón cú độ dài cố định và ngắn.
Tại cỏc nỳt mạng MPLS cỏc gúi đƣợc đỏnh nhón phỏt chuyển theo mụ hỡnh trao đổi nhón. Điều này cú nghĩa là nhón kết hợp với gúi IP đƣợc kiểm tra tại mỗi Bộ định tuyến chuyển mạch nhón (LSR) và đƣợc sử dụng nhƣ là một chỉ số trong Cơ sở thụng tin nhón (LIB). Nhón đƣợc gắn lối vào phỏt chuyển nhón nỳt kế tiếp trong bảng này mà xỏc định ở đõu gúi phỏt chuyển tới. Nhón cũ đƣợc hay thế bằng
nhón mới và gúi đƣợc phỏt chuyển tới nỳt kế tiếp của nú. Do đú, khi gúi IP nằm trong địa phận MPLS thỡ phần mào đầu mạng khụng phải là đối tƣợng phõn tớch kỹ hơn trong cỏc nỳt MPLS tiếp sau.
Nhằm thiết lập và duy trỡ tuyến ứng với thụng tin thu thập từ giao thức định tuyến, LSR dọc theo tuyến này phải gỏn và phõn bổ nhón cho những nỳt lõn cận. Kốm theo đú là một tuyến chuyển mạch nhón (LSP) đƣợc tạo ra giữa lối vào và lối ra của địa phận MPLS. LSP đƣợc tạo ra bằng việc múc nối một hoặc nhiều bộ định tuyến chuyển mạch nhón cho phộp phỏt chuyển gúi bằng cỏch trao đổi nhón. Sự phõn bổ nhón cho phộp LSR thụng tin tới LSR khỏc của một liờn kết FEC/nhón đó đƣợc thiết lập. Với liờn kết này thỡ LIB trong cỏc LSR đƣợc sử dụng trong quỏ trỡnh trao đổi nhón nhằm duy trỡ cho số liệu. Sự phõn bổ cỏc liờn kết FEC/nhón trong số cỏc LSR tham gia nhằm thiết lập LSP nhờ Giao thức phõn bổ nhón (LDP).
LSR
LSR LSR
Hỡnh 15. Trong mạng lừi MPLS cú 3 kiểu nỳt đƣợc sử dụng: 1) Nỳt lối vào thực hiện gỏn nhón. 2) Nỳt trung gian thực hiện tỡm kiếm, trao đổi và phỏt chuyển nhón.
3) Nỳt lối ra thực hiện gỡ bỏ nhón
2.2.3.3.2 Ảnh hưởng của MPLS lờn cỏc kỹ thuật duy trỡ mạng
Chuyển mạch nhón đa giao thức (MPLS) là một cụng nghệ mới xuất hiện nhƣng đó chiếm đƣợc lũng tin của ngƣời sử dụng, nhờ sự tớch hợp mụ hỡnh phỏt chuyển trao đổi nhón với định tuyến lớp mạng. Những nỗ lực ban đầu của MPLS tập trung vào IPv4 để hỗ cỏc giao thức định tuyến IP tỡm đƣờng kết nối trong mạng.
Tuy nhiờn, MPLS cũng cung cấp khả năng thiết kế lƣu lƣợng: chuyển luồng lƣu lƣợng từ cỏc tuyến ngắn nhất đƣợc xỏc định theo thuật toỏn của giao thức định tuyến đến tuyến cú tiềm ẩn nghẽn thấp nhất qua mạng.
Cỏc gúi IP đi vào trong mạng MPLS đƣợc gắn vào FEC xỏc định ở bộ định tuyến chuyển mạch nhón lối vào (LSR) nhƣ trong Hỡnh 16. FEC là một nhúm gúi lớp 3 mà cú cựng cỏch xử lý phỏt chuyển (vớ dụ nhƣ đớch, QoS). LSR lối vào sẽ gỏn một nhón cho gúi dựa trờn FEC mà nú yờu cầu và phỏt chuyển tới nỳt kế tiếp trong luồng chuyển mạch nhón (LSP). LSP cú tớnh năng hoàn toàn tƣơng tự nhƣ một kờnh ảo bởi vỡ nú định nghĩa tuyến lối vào-lối ra qua mạng để toàn bộ cỏc gúi thuộc về một FEC nào đú đƣợc chuyển qua mạng.
MPLS Domain MPLS Domain IN OUT 1 IN OUT 5 1 IN OUT 5 7 IN OUT 7 LDP LDP LDP FEC1 FEC2 FEC3 2 3
Label Swapping Label Swapping Label Push Label Pop Label Information Base IP packet
IP packet Edge LSR IP packetIP packet
Edge LSR Core LSRCore LSR Edge LSREdge LSR
Core LSR Core LSR Routed Path 1 5 7
Hỡnh 16. Hoạt động MPLS: trỏo đổi và phỏt chuyển nhón trong mạng lừi Trong mạng lừi, cỏc gúi đƣợc gỏn nhón đƣợc truyền qua LSP theo cỏch phỏt chuyển nhón. Ở đõy, LSR chỉ đơn giản thực hiện phỏt chuyển gúi. Khi gúi đƣợc gỏn nhón rời LSR lối ra, LSR sẽ huỷ nhón và phỏt chuyển gúi sử dụng phỏt chuyển dựa trờn IP truyền thống (longest-match).
Một LSR cũng cú khả năng thực hiện sỏt nhập nhón. Điều này liờn quan tới trƣờng hợp nhiều phõn đoạn LSP hƣớng tới LSR cựng đớch đƣợc sỏt nhập thành một LSP đi. Chỉ LSP cú cựng cỏch phỏt chuyển là đƣợc sỏt nhập với nhau.
MPLS trong vai trũ cụng nghệ đƣờng trục phải đƣợc cung cấp dịch vụ thớch hợp cho lƣu lƣợng mạng bao gồm bảo vệ lƣu lƣợng mang trờn LSP. Chuyển mạch
bảo vệ MPLS liờn quan đến khả năng lớp MPLS khụi phục nhanh chúng và hoàn toàn lƣu lƣợng trƣớc những thay đổi trạng thỏi của lớp MPLS. Thời gian bảo vệ lớp MPLS phải so sỏnh đƣợc với thời gian bảo vệ của lớp SDH.
Cần phải tỏi định tuyến lớp MPLS do:
Tỏi định tuyến trong lớp IP là rất chậm, nú đƣợc tớnh theo giõy.
Trong một số phần mạng lớp SDH và quang thƣờng bị giới hạn trong topo ring và khụng gồm bảo vệ mesh.
Cơ chế bảo vệ của lớp mạng quang và SDH cú thể khụng đủ hiệu quả để bảo vệ cho hoạt động lớp cao hơn. Điều này cú nghĩa là khi cung cấp chức năng bảo vệ tuyến thỡ chỳng khụng dễ cung cấp bảo vệ luồng MPLS.
MPLS cung cấp đặc tớnh hạt băng tần nhỏ cho bảo vệ và cho phộp thực hiện sự phõn biệt giữa cỏc kiểu lƣu lƣợng đƣợc bảo vệ.
Chuyển mạch bảo vệ cần đƣợc thiết kế sao cho cung cấp độ mềm dẻo cho nhà khai thỏc mạng để họ cú những giải phỏp khỏc khi quyết định kiểu bảo vệ gỡ cho LSP MPLS.
2.2.3.3.3 Lợi ớch cho nhà cung cấp IP từ việc sử dụng MPLS
- Phỏt chuyển hiệu quả: do sử dụng nhón nờn cỏc bộ định tuyến lừi/LSR khụng cần thực hiện việc tỡm kiếm tuyến trong cỏc bảng định tuyến lớn mà chỉ cần thực hiện trong LIB nhỏ hơn;
- Dịch vụ phõn biệt: cỏc tuyến hoặc FEC cú thể đƣợc gỏn cho CoS khỏc nhau. Sử dụng nhón kết hợp với cỏc tham số CoS cho phộp dễ dàng nhận diện dũng lƣu lƣợng nhƣ vậy.
- Mạng riờng ảo MPLS: VPN cú thể đƣợc thiết lập bằng cỏch tƣơng đối đơn giản. Thờm nữa sử dụng cỏc nhón (khỏc nhau), lƣu lƣợng riờng cú thể tỏch ra trong mạng cụng cộng;
- Thiết kế lƣu lƣợng: bởi vỡ cỏc tuyến MPLS dựa trờn topo và sử dụng nhón để nhận diện chỳng nờn tuyến dễ dàng đƣợc định tuyến lại. Lại một lần nữa nhón đƣợc sử dụng để thực hiện điều này.
Do cú thể thực hiện trờn cỏc phần tử chuyển mạch ATM nờn phỏt chuyển gúi cú thể đạt đến tốc độ đƣờng truyền.
Bờn cạnh một số những ƣu điểm trờn cũng cũn tồn tại một số nhƣợc điểm: - Tớnh hạt: MPLS chỉ quan tõm đến lƣu lƣợng tổng thể và nhƣ vậy thỡ rất khú
hiện thực cỏc luồng nhỏ. Chỳ ý cú thể gỏn nhón cho mỗi luồng nhƣng sẽ khụng thể mở rộng trong mạng lừi do số lƣợng luồng là rất lớn.
- Topo định hƣớng: do MPLS là topo định hƣớng nờn nhón cần đƣợc gỏn cho mỗi tuyến. Đõy lại trở thành điểm yếu của MPLS khi tuyến khụng sử dụng thỡ coi nhƣ lóng phớ nhón.
- Thực thi thuộc tớnh ƣu tiờn: mặc dự về cơ bản cú thể hài lũng về MPLS nhƣng cỏc đặc tớnh tiờn tiến nhƣ VPN và thiết kế lƣu lƣợng hiện vẫn đang cũn nhiều tranh luận. Việc thực thi cỏc đặc tớnh này là hoàn toàn đỳng đắn tuy nhiờn rất cú thể sẽ khụng liờn kết hoạt động với những cụng nghệ khỏc.
2.2.4 Hướng đến hạ tầng chuyển mạch quang
Xõy dựng hạ tầng truyền tải dựa trờn cụng nghệ chuyển mạch quang cho đến nay vẫn đƣợc xem là giải phỏp “lý tƣởng” nhất. Mặc dự gặp rất nhiều trở ngại về mặt cụng nghệ và giỏ thành nhƣng nhiều quốc gia vẫn định hƣớng phỏt triển mạng truyền tải dựa trờn cụng nghệ này. Nội dung tiếp theo sẽ trỡnh bày túm lƣợc về những kỹ thuật chuyển mạch quang hiện đang đƣợc nghiờn cứu, triển khai thử nghiệm và ứng dụng thực tế.
2.2.4.1 Chuyển mạch kờnh quang WDM 2.2.4.1.1 Kỹ thuật WDM 2.2.4.1.1 Kỹ thuật WDM
Nguyờn tắc hoạt động của chuyển mạch kờnh quang dựa trờn nguyờn lý ghộp kờnh WDM, nghĩa là sử dụng cỏc nguồn bƣớc súng đƣợc điều khiển và bộ ghộp kờnh bƣớc súng để sắp xếp nhiều kờnh trong phổ quang. Điểm hấp dẫn nhất của chuyển mạch kờnh WDM là sử dụng lƣợng băng tần rất lớn trong phổ sợi quang.
2.2.4.1.2 Chuyển mạch kờnh quang: Định tuyến bước súng
Hệ thống chuyển mạch kờnh truyền thống sử dụng trong mạng lừi quang phải cần đến biến đổi quang điện. Từng kờnh cơ sở riờng rẽ đƣợc tạo ra và định tuyến
trong miền điện. Thiết bị quang sử dụng để chuyển đổi và xếp những kờnh này vào trong phổ quang. Bộ biến đổi quang điện sử dụng cụng nghệ đắt tiền và tiờu tốn nhiều năng lƣợng. Hơn nữa cụng nghệ này tƣơng đối chậm so với giải phỏp toàn quang bởi vỡ mất thời gian xử lý tớn hiệu điện.
Hiện nay cụng nghệ này chƣa giải quyết đƣợc dịch vụ số chuyển mạch số liệu với tốc độ bit 10 Gbit/s.
Giải phỏp thay thế cho chuyển mạch điện là thực hiện xử lý tớn hiệu trong miền quang sử dụng cụng nghệ định tuyến bƣớc súng liờn quan đến chuyển mạch kờnh WDM. Chuyển mạch kờnh WDM gồm cỏc bộ tỏch/ghộp kờnh liờn kết với nhau qua ma trận chuyển mạch quang.
Khung chuyển mạch điện Sợi quang Sợi quang Sợi quang Sợi quang C ổ n g đ ầ u v à o C ổ n g đ ầ u r a Bộ thu OE Bộ phát EO Xen kênh Rẽ kênh
Hỡnh 17. Chuyển mạch điện sử dụng trong miền quang
Cỏc bộ tỏch/ghộp cú trỏch nhiệm phõn tỏch và kết hợp cỏc kờnh bƣớc súng sao cho từng kờnh riờng lẻ ở tuyến đầu vào đƣợc định tuyến tới tuyến đầu ra mong muốn. Kỹ thuật này cú ƣu điểm trong việc tỏi sử dụng cỏc bƣớc súng và cú khả năng chuyển mạch và tỏi cấu hỡnh cỏc luồng quang. Chuyển mạch kờnh WDM cũng cho phộp lƣu lƣợng bƣớc súng tạm thời chuyển qua hay xen/rẽ tại cỏc nỳt trung gian mà khụng qua biến đổi điện.
Trong mạng chuyển mạch kờnh WDM, luồng quang trong sợi đƣợc gỏn cho những bƣớc súng khỏc nhau. Nếu hai tập hợp lƣu lƣợng đến cú cựng bƣớc súng thỡ khụng thể chia sẻ luồng quang sẵn cú cho tuyến đầu ra do thiếu bƣớc súng, mạng cú thể xử lý theo 3 cỏch:
Đƣa ra sự ƣu tiờn cho một trong hai khối lƣu lƣợng và thờm thời gian trong hàng đợi, núi cỏch khỏc cần đến bộ nhớ trong nỳt chuyển mạch
Phỏt chuyển một trong hai khối lƣu lƣợng tới nỳt trung gian (ở đú đó cú bƣớc súng cho sử dụng)
Biến đổi một trong những bƣớc súng xung đột thành bƣớc súng khỏc mà chƣa sử dụng. S ợ i q u a n g S ợ i q u a n g Cổng đầu ra Sợi quang Sợi quang C ổ n g đ ầ u v à o K h u n g c h u y ể n m ạ c h q u a n g
Hỡnh 18. Hệ thống định tuyến bƣớc súng sử dụng ma trận chuyển mạch quang Hai quỏ trỡnh đầu chỉ cú thể đƣợc thực hiện ở miền điện và sử dụng bộ đệm tiờu thụ nguồn và thời gian. Giải phỏp thứ ba dễ thực hiện và khụng cần bất cứ quỏ trỡnh biến đổi quang/điện nào.
2.2.4.2 Chuyển mạch gúi quang
Kỹ thuật chuyển mạch gúi điện đó khẳng định đƣợc vai trũ của mỡnh trong mạng LAN sử dụng bộ định tuyến IP từ những năm 70. Tuy nhiờn, trong mạng hiện nay lƣu lƣợng là rất lớn nờn đũi hỏi quỏ trỡnh xử lý nhanh, sự tham gia của chuyển mạch điện tại cỏc nỳt mạng sẽ gõy nờn nghẽn mạng. Hơn nữa sự hiện diện của cụng nghệ này trong mạng này sẽ làm phức tạp thờm kiến trỳc mạng vốn đó quỏ phức tạp do sự gối chồng cỏc cụng nghệ mạng khỏc nhau. Chuyển mạch gúi quang cú thể giảm chi phớ cơ sở hạ tầng mạng bằng cỏch loại bỏ quỏ trỡnh xử lý điện. Cũng nhờ chuyển mạch ở miền quang mạng sẽ đảm bảo đƣợc tớnh trong suốt dịch vụ cung cấp và sự độc lập về mặt giao thức.
2.2.4.2.1 Cỏc kỹ thuật chuyển mạch gúi quang
Giải phỏp chuyển mạch quang hứa hẹn nhất là chuyển mạch chựm quang và chuyển mạch nhón quang. Vấn đề mấu chốt của những kỹ thuật này nằm ở giải phỏp đệm và xử lý số liệu quang. Hiện giải phỏp và cụng nghệ để giải quyết vấn đề này chƣa hoàn thiện. Mào đầu gúi xử lý ở miền điện nhằm để điều khiển hoạt động chuyển mạch.
Cổng
đầu vào Khung chuyển mạch
Cổng đầu ra
Khối điều khiển PL
H
PL H PL
H
Hỡnh 19. Kịch bản chung cho chuyển mạch gúi
Vấn đề cần giải quyết trong kỹ thuật đệm quang
í tƣởng cơ bản cho việc thực hiện đệm quang là sử dụng Dõy trễ quang (ODL) hoặc một số dạng đệm cục bộ để lƣu một vài gúi chen lấn cho đến khi cổng đầu ra ở trạng thỏi sẵn sàng. Bộ đệm ODL nhỡn chung sử dụng một dóy cỏc sợi trễ quang cú độ dài khỏc nhau và chuyển mạch quang. Phần trƣớc sẽ hoạt động nhƣ bộ đệm quang thời gian ngắn trong khi phần sau sử dụng để điều khiển và định tuyến cỏc gúi quang qua đƣờng tƣơng ứng. Mỗi vũng quang trễ gúi theo thời gian xỏc định. Bộ đếm giữ vết của số gúi trong bộ đệm. Cỏc gúi tới đƣợc ghi và định tuyến tới độ dài khả dụng. Thiết kế kiểu bộ đệm này rất đơn giản. Tuy nhiờn, thời gian nhớ này là rất ngắn do nú phải lƣu cỏc gúi chen lấn chỉ trong một thời gian giới hạn tƣơng ứng với thời gian truyền súng dọc theo độ dài sợi trễ. Dung lƣợng nhớ phụ thuộc vào độ dài vật lý trong đƣờng trễ và bởi kớch cỡ của nỳt chuyển mạch quang. Kiểu bộ đệm này thƣờng lớn và khụng cú khả năng mở rộng.
Bộ đệm vũng sợi quang là giải phỏp mềm dẻo để mở rộng sự nhớ này bằng cỏch quay vũng gúi trong vũng sợi cho đến khi xuất hiện khe thời gian mở. Vấn đề
cố hữu của phƣơng phỏp này là tớn hiệu phải đƣợc khuếch đại trong suốt những lần quay vũng đú. Điều này vừa làm tăng phỏt xạ tự phỏt và cụng suất tiờu thụ (do sử dụng bộ khuếch đại).
Chuyển mạch chựm quang
Chựm quang bao gồm một số lƣợng gúi thay đổi đƣợc kết hợp với nhau nhờ một nhón phụ hoặc gúi điều khiển.
Trong chuyển mạch chựm quang, tải gúi đƣợc gửi theo tuyến sau một lƣợng trễ đó biết của mào đầu. í tƣởng này cho phộp nỳt chuyển mạch quang kế tiếp một lƣợng thời gian để xử lý mào đầu vào thực thi quyết định chuyển mạch trƣớc khi tải số liệu tới. Theo cỏch này, cỏc gúi cú thể đi từ lối vào tới lối ra qua cỏc luồng trong mạng chuyển mạch quang.
Hỡnh 20. Kiến trỳc chuyển mạch chựm quang
Kiến trỳc của chuyển mạch chựm quang đƣợc trỡnh bày trong Hỡnh 20. Cỏc kờnh bƣớc súng điều khiển c đƣợc tỏch xuống/thờm vào sau bộ tỏch/ghộp WDM. Xử lý gúi hoặc nhón điều khiển và điều khiển chuyển mạch đƣợc thực hiện trong