Trong chương này trình bày các chức năng định tuyến và báo hiệu cơ bản trong mặt phẳng điều khiển MPLS để hỗ trợ tự động hóa việc cấu hình của mặt phẳng chuyển tiếp. Kiến trúc định tuyến IP được bổ sung chức năng báo hiệu để thực hiện định tuyến ràng buộc. Chương này đã giới thiệu một số giao thức báo hiệu MPLS thực hiện phân phối nhãn theo các đặc tính chung như tuyến tường minh hay tuyến từng chặng, phân phối nhãn theo yêu cầu hay không cần yêu cầu, điều khiển phân phối nhãn độc lập hay theo trình tự. Một số ví dụ trực quan minh họa hoạt động định tuyến và báo hiệu có thể dùng cho kỹ thuật lưu lượng hoặc thiết lập kết nối MPLS liên mạng qua nhiều nhà cung cấp dịch vụ khác nhau.
Chương 3:Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS 3.1 Kỹ thuật lưu lượng (Traffic Engineering)
Kỹ thuật lưu lượng (TE) là quá trình điều khiển cách thức các luồng lưu lượng đi qua mạng sao cho tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên và hiệu năng của mạng. Nó ứng dụng các nguyên lý khoa học công nghệ để đo lường, mô hình hóa, đặc trưng hóa và điều khiển lưu lượng nhằm đạt được các mục tiêu khác nhau. Khái niệm TE phân biệt với khái niệm kỹ thuật mạng (Network Engineering). Kỹ thuật mạng liên quan đến việc thiết kế xây dựng topology của mạng sao cho phù hợp với lưu lượng.
3.1.1 Các mục tiêu triển khai kỹ thuật lưu lượng
3.1.1.a Phân loại
Các mục tiêu triển khai kỹ thuật lưu lượng có thể phân theo hai hướng sau: § Hướng lưu lượng (traffic oriented)
§ Hướng tài nguyên (resource oriented)
Các mục tiêu hướng lưu lượng liên quan đến việc tăng cường QoS cho các luồng lưu lượng. Trong mô hình đơn lớp (dịch vụ best -effort), các mục tiêu này gồm: giảm thiểu mất gói và trễ, tăng tối đa thông lượng (throughput) và tuân thủ các hợp đồng mức dịch vụ (SLA)... Các mục tiêu hướng lưu lượng bị chặn thống kê (như thay đổi độ trễ gói đỉnh -đỉnh, tỷ lệ mất gói, trễ truyền tối đa) cũng rất hữu ích trong mô hình dịch vụ phân biệt (Diffserv).
Các mục tiêu hướng tài nguyên liên quan đến việc tối ưu hóa sử dụng tài nguyên. Băng thông là một tài nguyên cốt yếu của mạng, do đó chức năng trọng tâm của kỹ thuật lưu lượng là quản lý hiệu quả tài nguyên băng thông.
3.1.1.b Bài toán nghẽn
Nghẽn thường xảy ra theo hai cách như sau:
§ Khi bản thân các tài nguyên mạng không đủ để cấp cho tải yêu cầu.
§ Khi các dòng lưu lượng được ánh xạ không hiệu quả lên các tài nguyên, làm cho một số tập con tài nguyên trở nên quá tải trong khi số khác nhàn rỗi.
§ Tăng dung lượng hoặc ứng dụng các kỹ thuật điều khiển nghẽn cổ điển (giới hạn tốc độ, điều khiển luồng, quản trị hàng đợi, điều khiển lịch trình…)
§ Dùng kỹ thuật lưu lượng nếu nghẽn là do cấp phát tài nguyên chưa hiệu quả. Đối tượng giải quyết của kỹ thuật lưu lượng là nghẽn kéo dài chứ không phải nghẽn nhất thời do bùng phát lưu lượng.
3.1.2 Các lớp dịch vụ dựa trên nhu cầu QoS và các lớp lưu lượng
Lưu lượng có thể được tổ chức xoay quanh một khái niệm gọi là các lớp dịch vụ (service classes). Các lớp lưu lượng này được định nghĩa theo những hoạt động sau: § Quan hệ đồng bộ giữa đầu phát và đầu thu: ám chỉ biến động trễ có thể chấp nhận được trên một kết nối.
§ Tốc độ bit: cố định hay biến đổi
§ Loại dịch vụ: hướng kết nối hay không kết nối § Các hoạt động điều khiển luồng
§ Số thứ tự cho thông tin người sử dụng
§ Phân đoạn và tái hợp các PDU (Protocol Data Unit) của người dùng
3.1.3 Hàng đợi lưu lượng
Nhiều hệ thống (đặc biệt là router) hỗ trợ một số dạng hàng đợi thông dụng sau:
3.1.3.a Hàng đợi FIFO (First-in, First-out)
Hàng đợi này truyền gói theo thứ tự, gói đến trước sẽ được truyền trước.
3.1.3.b Hàng đợi WFQ (Weighted Fair Queuing)
Băng thông rỗi được chia cho các hàng đợi tùy thuộc vào trọng số (weight) của
chúng. Xét ví dụ sau: có 12 luồng lưu lượng A,B,.. N và trọng số của chúng được đánh số như hình 37, trong đó: có bốn luồng (D, E, F, G) có trọng số 5, có hai luồng có trọng số 4, còn ở các trọng số khác chỉ có một luồng.
Hình 3.1 : Nhiều luồng cho mỗi lớp lưu lượng
số 5 sẽ nhận được 5/55 băng thông, luồng có trọng số thấp nhất (trọng số 1) sẽ nhận được 1/55 băng thông và luồng có trọng số cao nhất (trọng số 8) nhận được 8/55 băng thông. Tương tự cho các luồng có trọng số khác.
3.1.3.c Hàng đợi CQ (Custom Queuing)
Hình 3.2 : Hàng đợi CQ
CQ cho phép các user chỉ ra phần trăm băng thông khả dụng cho một giao thức đặc biệt nào đó. Ta có thể định nghĩa tối đa đến 16 hàng đợi. Mỗi hàng đợi được phục vụ một cách tuần tự theo phương thức round -robin, truyền phần trăm lưu lượng trên mỗi hàng đợi trước khi chuyển đến hàng đợi kế.
Hình 3.3 : Hàng đợi PQ
Tất cả các gói thuộc lớp có mức ưu tiên cao hơn sẽ được truyền trước bất kỳ gói nào thuộc lớp có mức ưu tiên thấp hơn. PQ cho phép người quản lý mạng cấu hình bốn thuộc tính lưu lượng là cao (high), thông thường (normal), trung bình (medium) và thấp (low). Lưu lượng đến được gán vào một trong 4 hàng đợi.
3.1.4 Giải thuật thùng rò và thùng token
3.1.4.a Giải thuật thùng rò (Leaky Bucket)
Mô hình thùng rò có thể được diễn tả như sau: bất chấp tốc độ nước được đổ vào thùng là bao nhiêu, tốc độ dòng nước chảy ra là không đổi miễn là trong thùng còn nước. Một khi thùng đầy, lượng nước được đổ thêm vào sẽ bị tràn và mất. Các thông số cần chú ý trong mô hình thùng rò là kích thước của thùng và tốc độ dòng chảy ra. Mô hình trên có thể áp dụng cho gói. Bất kể lưu lượng tới có tốc độ biến động như thế nào, lưu lượng ra đều có tốc độ không đổi.
Hình 3.4: Giải thuật thung rò
3.1.4.b Giải thuật thùng token (Token Bucket)
Thùng token có kích thước B, tốc độ token “chảy” vào thùng không đổi là p, nghĩa là trong một giây sẽ có thêm p token mới chảy vào thùng. Số lượng token trong thùng không vượt quá B hay nói cách khác, B là số lượng token tối đa trong thùng.
Hình 3.5: Giải thuật thùng token
Khi có gói đến, G là kích thước của gói, gói được xem là “phù hợp” khi lượng token trong thùng lớn hơn hay bằng G, đồng thời lượng token trong thùng được giảm đi G. Ngược lại, khi lượng token trong thùng nhỏ hơn kích thước gói, gói được xem là vượt mức hay không hợp lệ. Tùy thuộc vào các chính sách khác nhau mà các gói vượt mức (hay không hợp lệ) được xử lý khác nhau.
Giải thuật thùng token có thể được dùng trong việc sửa dạng lưu lượng (shaping) hay được ứng dụng trong việc thực thi khống chế (policing). Trong sửa dạng lưu lượng, thuật toán thùng token cho phép một ít bùng phát ở ngõ ra, điều này không có ở thuật toán thùng rò khi mà tốc độ ra là không đổi. Như vậy thùng token cho đáp ứng ra tốt hơn so với thùng rò. Trong việc thực thi kh?ng ch?, thùng token có thể được dùng độc lập hay được dùng phối hợp.
Hình 3.6: Mô hình chồng phủ ( Overlay mode )
Một cách tiếp cận phổ biến để bù đắp các thiếu sót của các giao thức IGP (interior gateway protocols) là sử dụng mô hình chồng phủ (như IP over ATM hoặc IP over FR). Tất cả các router lớp 3 được kết nối trực tiếp với nhau bằng một lưới full -mesh các mạch ảo VC. Kỹ thuật lưu lượng được thực hiện ở lớp 2 (ATM hoặc FR).
Tuy nhiên, mô hình này có nhiều nhược điểm sau đây:
§ Tốn kém thêm nhiều thiết bị (các chuyển mạch ATM hoặc FR).
§ Quản lý mạng phức tạp hơn: Mạng lớp 2 có các công cụ quản lý riêng vớiự nhiều tác vụ hỗ trợ kỹ thuật lưu lượng. Đồng thời mạng các router lớp 3 với giao thức IGP cũng phải được quản lý. Việc quản lý 2 lớp mạng này không tích hợp được.
§ Phát sinh nhiều vấn đề mở rộng đối với IGP do số lượng quá lớn các neighbor khi kết nối full -mesh để tận dụng các tiện ích cung cấp bởi lớp 2.
§ Tốn thêm băng thông cho lượng overhead của ATM hoặc FR (cell tax). § Không hỗ trợ dịch vụ phân biệt (Diffserv). Mọi dịch vụ phân biệt của IP đưa xuống (qua AAL5 của ATM) đều trở thành “best -effort”
3.2 MPLS và kỹ thuật lưu lượng
hết các chức năng hiện có ở mô hình chồng phủ nhưng theo cách tích hợp với chi phí thấp. Điều quan trọng là MPLS còn đề xuất khả năng tự động hóa các chức năng kỹ thuật lưu lượng.
3.2.1 Khái niệm trung kế lưu lượng (traffic trunk)
MPLS giới thiệu khái niệm trung kế lưu lượng để thực hiện các mục tiêu TE. Trung kế lưu lượng là một khối thu gom (aggregate) các luồng lưu lượng thuộc
cùng lớp, được đặt bên trong một LSP. Trong một số hoàn cảnh có thể nới lỏng định nghĩa này để cho phép trung kế lưu lưu lượng thu gom lưu lượng đa lớp.
§ Trong mô hình dịch vụ đơn lớp, một trung kế lưu lượng có thể đóng gói toàn bộ lưu lượng giữa một ingress -router và một egress -router. Trong trường hợp phức tạp hơn, lưu lượng của các lớp dịch vụ phân biệt được ấn định vào các trung kế lưu lượng riêng biệt với các đặc tính khác nhau.
§ Trung kế lưu lượng là đối tượng có thể định tuyến (tương tự như ATM VC). § Trung kế lưu lượng phân biệt với LSP là đường cho trung kế đi xuyên qua. Trong bối cảnh hoạt động, một trung kế lưu lượng có thể chuyển từ LSP này sang một LSP mới, hoặc nhiều trung kế lưu lượng cùng đi chung trên một LSP. § Trung kế lưu lượng là đơn hướng.
Hình 3.7 : Các trung kế lưu lượng
3.2.2 Đồ hình nghiệm suy (Induced Graph)
Đồ hình nghiệm suy gần giống như topology ảo trong mô hình chồng phủ. Nó được ánh xạ trên mạng vật lý thông qua việc lựa chọn các LSP cho các trung kế lưu lượng.
Một đồ hình nghiệm suy gồm một nhóm các nút LSR được kết nối luận lý với nhau bằng các LSP. Khái niệm này rất quan trọng vì bài toán quản lý băng thông cơ bản trong một miền MPLS đặt ra chính là làm thế nào để ánh xạ hiệu quả đồ hình nghiệm suy lên trên topology mạng vật lý. Đồ hình nghiệm suy được công thức hóa như sau: Đặt G = (V, E, C) là một đồ hình mô tả topology vật lý của mạng. Trong đó, V là tập hợp các nút mạng, E là tập hợp các đường link, C là tập hợp các khả năng và ràng buộc cho E và V. Ta coi G là topology cơ sở.
Đặt H = (U, F, D) là đồ hình MPLS nghiệm suy, trong đó U là tập con thuộc V gồm một nhóm LSR tại các đầu của LSP. F là tập hợp các LSP. Tham số D là tập hợp các yêu cầu và chế tài cho F. Như vậy, H là một đồ hình trực tiếp và phụ thuộc vào các đặc tính chuyển tải của G.
3.2.3 Bài toán cơ bản của kỹ thuật lưu lượng trên MPLS
Có ba vấn đề cơ bản liên quan đến kỹ thuật lưu lượng trên MPLS là: § ánh xạ các gói lên các lớp chuyển tiếp tương đương (FEC).
§ ánh xạ các FEC lên các trung kế lưu lượng (traffic trunk).
§ ánh xạ các trung kế lưu lượng lên topology mạng vật lý thông qua các LSP. Các phần sau của chương sẽ tập trung vào vấn đề thứ ba, tức là tính toán đường đi tốt nhất qua mạng cho các trung kế lưu lượng sao cho mạng hoạt động hiệu quả và tin cậy. Đây chính là bài toán ánh xạ đồ hình nghiệm suy H lên topology mạng cơ sở G.
3.3 Trung kế lưu lượng và các thuộc tính
Để xây dựng và duy trì trung kế lưu lượng, người ta tìm cách mô hình hóa nó bằng các tham số. Một thuộc tính là một tham số được gán và có ảnh hưởng đến các đặc trưng hành vi của trung kế lưu lượng. Các thuộc tính có thể được gán cụ thể thông qua hành động quản trị hoặc được gán ngầm ẩn bởi các giao thức bên dưới khi các gói được phân loại và ánh xạ vào FEC tại lối vào miền MPLS. Thực tế, một trung kế lưu lượng có thể đặc trưng hóa bởi:
§ Ingress-LSR và egress -LSR của trung kế lưu lượng § Tập các FEC được ánh xạ vào trung kế lưu lượng
§ Một tập các thuộc tính nhằm xác định các đặc trưng hành vi của trung kế. Hai vấn đề cơ bản có ý nghĩa đặc biệt là: (1) Tham số hóa các trung kế lưu lượng
và (2) những quy luật sắp đặt và duy trì đường dẫn cho các trung kế lưu lượng.
3.3.1 Các hoạt động cơ bản trên trung kế lưu lượng
Là các tiến trình khác nhau xảy ra trong thời gian sống của một trung kế lưu lượng: § Establish : Tạo ra một trung kế lưu lượng bằng cách quyết định một LSP, gán các nhãn MPLS và quan trọng nhất là gán tài nguyên cho trung kế đó.
§ Activate : Làm cho trung kế lưu lượng bắt đầu chuyển dữ liệu bằng cách dùng một số chức năng định tuyến để đưa lưu lượng vào trung kế.
§ Deactivate : Làm cho trung kế lưu lượng ngưng chuyển dữ liệu cũng bằng cách dùng một chức năng định tuyến để dừng việc đưa lưu lượng vào trung kế.
§ Modify Attributes : Thay đổi các đặc trưng của trung kế lưu lượng, chẳng hạn như băng thông khả dụng.
§ Reroute : Chọn một đường mới cho trung kế lưu lượng (thường là do một số sự cố trong mạng hoặc khi khôi phục xong sự cố).
§ Destroy : Loại bỏ hoàn toàn một trung kế lưu lượng khỏi mạng và thu hồi tất cả các tài nguyên đã cấp phát cho nó.
3.3.2 Thuộc tính tham số lưu lượng (Traffic Parameter)
Thuộc tính tham số lưu lượng đặc tả băng thông đòi hỏi bởi trung kế lưu lượng
cùng với các đặc trưng lưu lượng khác như tốc độ đỉnh, tốc độ trung bình, kích thước bùng phát cho phép, v.v... Dưới góc độ kỹ thuật lưu lượng, các tham số lưu lượng rất quan trọng vì chúng chỉ thị các yêu cầu về tài nguyên của trung kế lưu lượng.
3.3.3 Thuộc tính lựa chọn và quản lý đường (chính sách chọn đường)
Là các tiêu chuẩn lựa chọn và duy trì đường dẫn cho trung kế lưu lượng. Con
đường thực sự được chọn xuyên qua mạng có thể được cấu hình tĩnh bởi nhà điều hành hoặc được gán động do mạng dựa vào các thông tin từ IGP (như IS -IS hoặc OSPF).
Các thuộc tính cơ bản và các đặc trưng hành vi liên quan đến chọn đường và quản lý đường cho trung kế lưu lượng được mô tả sau đây:
3.3.3.a Đường tường minh đặc tả quản trị
nhà điều hành. Một đường gọi là đặc tả toàn bộ nếu chỉ ra tất cả các hop yêu cầu giữa hai endpoint. Đặc tả một phần là nếu chỉ có một tập con các hop trung gian được chỉ thị. Thuộc tính "path preference rule" là một biến nhị phân chỉ thị đường tường minh được cấu hình là bắt buộc hay không bắt buộc.
3.3.3.b Phân cấp các luật ưu tiên cho đa đường
Trong một số hoàn cảnh thực tế, khả năng chỉ định một tập hợp các đường tường minh đề cử cho một trung kế lưu lượng và định nghĩa phân cấp các quan hệ ưu tiên giữa các đường. Khi thiết lập đường, các luật ưu tiên được áp dụng để chọn ra đường thích hợp từ danh sách đề cử. Trong các tình huống sự cố thì các luật ưu tiên này cũng được dùng để chọn một đường thay thế từ danh sách đề cử.
3.3.3.c Thuộc tính Affinity lớp tài nguyên (Resource Class Affinity)
Thuộc tính này cho phép operator áp đặt các chính sách chọn đường bằng việc bao gồm hay loại trừ một số link nào đó. Mỗi link được gán một thuộc tính lớp tài