Để đảm bảo QoS tốt nhất cho mạng IP, một giải pháp tốt là sử dụng IntServ cho mạng truy nhập và DiffServ cho mạng lõi. Bởi vì, trong mô hình IntServ (flow driven; QoS trên cơ sở mỗi luồng) không khả thi đối với mạng lõi do gánh nặng duy trì thông tin trạng thái cho mỗi luồng là quá lớn. Trong khi đó mô hình DiffServ không đáp ứng tốt trong mạng truy nhập.
Ƣu nhực điểm của công nghệ chuyển mạch IP: - Dễ dàng thực hiện.
- Bảng định tuyến lớn, cồng kềnh và tƣơng đối phức tạp - Các gói tin đƣợc cƣ xử nhƣ nhau trong mạng (best effort).
- Giao thức IP đƣợc thiết kế một cách tin cậy để truyền gói tin đến đích nhƣng lại không xem xét đến thời gian truyền.
- Thực tế IP là một giao thức theo kiểu phi kết nối (các gói tin không đƣợc truyền qua mạng trên một đƣờng xác định)
Tóm lại, IP là một giao thức chuyển mạch gói có độ tin cậy và khả năng mở rộng cao. Tuy nhiên, việc điều khiển lƣu lƣợng rất khó thực hiện do phƣơng
thức định tuyến theo từng chặng. Ngoài ra, IP cũng không hỗ trợ chất lƣợng dịch vụ.
1.3.2 Công nghệ chuyển mạch ATM
ATM (Asynchronous Transfer Mode) đƣợc nghiên cứu tại Trung tâm CNET của France Telecom năm 1983 và đƣợc phát triển ở nhiều Trung tâm khác. ATM công cộng đầu tiên đƣợc triển khai ở Mỹ năm 1993. ATM có thể kết nối đến tất cả các loại mạng hiện hữu, và có thể thích nghi với nhiều chủng loại tốc độ.
ATM là phƣơng thức truyền tải mang đặc tính của chuyển mạch gói, sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia không đồng bộ. ATM ghép các luồng dữ liệu vào các khối có kích thƣớc cố định và đƣợc gọi là tế bào (Cell). Tế bào ATM có kích thƣớc cố định là 53 byte.
ATM là một kỹ thuật truyền tin tốc độ cao. ATM nhận thông tin ở nhiều dạng khác nhau nhƣ thoại, số liệu, video và cắt ra thành nhiều phần nhỏ gọi là tế bào. Các tế bào này, sau đó đƣợc truyền qua các kết nối ảo VC (virtual connection). Vì ATM có thể hỗ trợ thoại, số liệu và video với chất lƣợng dịch vụ trên nhiều công nghệ băng rộng khác nhau, nó đƣợc coi là công nghệ chuyển mạch hàng đầu và thu hút đƣợc nhiều sự quan tâm.
ATM khác với định tuyến IP ở một số điểm. Nó là công nghệ chuyển mạch hƣớng kết nối. Kết nối từ điểm đầu đến điểm cuối phải đƣợc thiết lập trƣớc khi thông tin đƣợc gửi đi. ATM yêu cầu kết nối phải đƣợc thiết lập bằng nhân công hoặc thiết lập một cách tự động thông qua báo hiệu. Một điểm khác biệt nữa là ATM không thực hiện định tuyến tại các nút trung gian. Tuyến kết nối xuyên suốt đƣợc xác định trƣớc khi trao đổi dữ liệu và đƣợc giữ cố định trong thời gian kết nối. Trong quá trình thiết lập kết nối, các tổng đài ATM trung gian cấp cho kết nối một nhãn. Việc này thực hiện hai điều: dành cho kết nối một số tài nguyên và xây dựng bảng chuyển tế bào tại mỗi tổng đài. Bảng chuyển tế bào này có tính cục bộ và chỉ chứa thông tin về các kết nối đang hoạt động đi qua tổng đài. Điều này khác với thông tin về toàn mạng chứa trong bảng định tuyến của router dùng IP.
Quá trình chuyển tế bào qua tổng đài ATM cũng tƣơng tự nhƣ việc chuyển gói tin qua router. Tuy nhiên, ATM có thể chuyển mạch nhanh hơn vì nhãn gắn trên các cell có kích thƣớc cố định (nhỏ hơn của IP), kích thƣớc của bảng chuyển tin nhỏ hơn nhiều so với của IP router, và việc này đƣợc thực hiện trên
các thiết bị phần cứng chuyên dụng. Do vậy, thông lƣợng của tổng đài ATM thƣờng lớn hơn thông lƣợng của IP router truyền thống.
Để đảm bảo QoS trong mạng ATM, ngoài cơ chế chuyển mạch nhanh do nhãn trên Cell có kích thƣớc nhỏ và kích thƣớc bảng định tuyến nhỏ cũng đảm bảo đƣợc một phần về QoS. Song để có sự đảm bảo QoS, ATM còn sử dụng một số phƣơng pháp để điều khiển lƣu lƣợng và chống tắc nghẽn.
1.3.2.1. Điều khiển thông số người sử dụng (UPC)
Có hai phƣơng pháp điều khiển thông số ngƣời sử dụng:
- Phƣơng pháp thùng rò rỉ (Leaky Bucket): Sử dụng bộ đếm có giá trị tăng lên khi có tế bào mới xuất hiện và giảm theo chu kỳ.
- Phƣơng pháp cửa sổ (Sliding and Jumping Window): sử dụng cửa sổ thời gian để hạn chế số lƣợng tế bào đến.
a. Phƣơng pháp thùng rò rỉ (Leaky Bucket)
Sử dụng bộ đếm có giá trị tăng lên khi có tế bào mới xuất hiện và giảm theo chu kỳ. Đây là một giải thuật đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm tra sự phù hợp của luồng cell dựa vào các thông số trong hợp đồng lƣu lƣợng. Thuật toán có nghĩa là một cái thùng với một cái lỗ ở đáy và chất lỏng trong thùng sẽ đƣợc rỉ ra với một tốc độ nào đó tƣơng ứng với tốc độ lƣu thông của luồng cell. Chiều sâu của thùng tƣơng ứng với một thông số lƣu lƣợng. Khi một Cell đến Gremlin sẽ kiểm tra lƣu lƣợng của thùng còn lại và xem lƣu lƣợng của Cell đến có làm tràn thùng không.
Đối với luồng cell phù hợp, cell đầu tiên tới thấy thùng trống nên chất lỏng từ cell này đƣợc đổ vào thùng làm nội dung của thùng tăng lên 4 đơn vị. Đến cell time thứ 3, hai đơn vị đƣợc rút ra khỏi thùng và đồng thời có một cell tới. Gremlin xác định rằng chất lỏng từ cell này sẽ rót vào thùng vừa tới miệng thùng nhƣ vậy là nó phù hợp nên chất lỏng trong cell này đƣợc đƣa vào thùng. Bây giờ thì thời điểm tới của cell phù hợp sớm nhất sẽ là 4 cell time sau đó tức là cell time thứ 7 vì 4 đơn vị phải đƣợc rút ra khỏi thùng để cell tới không làm cho nội dung của thùng vƣợt quá 6 đơn vị làm tràn thùng.
Đối với luồng cell không phù hợp, cell đầu tiên tới ở cell time thứ nhất, lúc này thùng rỗng nên nó rót vào thùng 4 đơn vị. Qua 4 cell time kế tiếp thì thùng bị rỉ hết . Ở cell time thứ 5 một cell khác tới và nạp vào thùng rỗng 4 đơn vị. Ở cell time thứ 6 một cell nữa lại đến, lúc này nội dung trong thùng còn lại 3 và nhƣ vậy gremlin xác định rằng thùng sẽ tràn nếu chất lỏng từ cell tới đƣợc rót vào thùng, nhƣ vậy cell này không phù hợp và gremlin sẽ rót chất lỏng từ cell này ra ngoài. Vì chất lỏng từ cell không phù hợp không đƣợc đƣa vào thùng nên cell phù hợp kế tiếp có thể tới ở cell time thứ 7. Cell tới ở cell time thứ 13 sẽ rót vào thùng rỗng 4 đơn vị, cell kế tới ở cell time thứ 15 sẽ nạp đầy thùng. Cuối cùng cell tới ở cell time thứ 17 sẽ làm cho thùng bị tràn do đó nó là cell không phù hợp [5].
Hoạt động Tagging sẽ đặt các bit CLP của các Cell vi phạm 6 và 17 lên 1; còn phƣơng thức discarding sẽ hủy bỏ hoàn toàn các cell này.
b. Phương pháp cửa sổ (Sliding Windows - Jumping Windows)
Hai giải thuật này đều dựa vào hoạt động của một cửa sổ với hai thông số: W là kích thƣớc cửa sổ và M là số cell cho phép trong một cửa sổ. Tất cả các cell vƣợt quá số lƣợng M cell trong một cửa sổ đều là các cell không hợp lệ. Điểm khác nhau giữa hai giải thuật là: trong cửa sổ sẽ trƣợt theo trục thời gian, mỗi lần trƣợt tới một chu kỳ cell (cell time); còn trong giải thuật cửa sổ nhảy sẽ nhảy trên trục thời gian với bƣớc nhảy bằng kích thƣớc W của cửa sổ [5].
Phần sau đây mô tả hoạt động của hai giải thuật này với giá trị cụ thể là W=10 và M = 3.
Hình 1.11: Đánh dấu luồng Cell theo phương pháp cửa sổ trượt và nhảy
Trong điều khiển UPC, nó đƣợc dùng để tránh tắc nghẽn. Các Cell không phù hợp sẽ đƣợc UPC đánh dấu bằng cách đặt CLP=1 và có độ ƣu tiên thấp hơn các Cell có CLP=0 nhƣng chúng đều đƣợc đƣa vào mạng. Khi xảy ra tắc nghẽn các Cell có CLP=1 sẽ bị loại bỏ.
1.3.2.3 Điều khiển chấp nhận kết nối (CAC_Connection Admission Control)
Đây là chức năng phần mềm của tổng đài ATM, nó có nhiệm vụ xác định xem yêu cầu kết nối có đƣợc chấp nhận hay không thông qua việc kiểm tra lƣu lƣợng và QoS đƣợc yêu cầu.
Hình 1.12: Mô hình điều khiển chấp nhận kết nôi
Khi một yêu cầu kết nối với băng thông R đƣợc đƣa tới bộ xác định tốc độ cực đại của CAC để xem xét. Băng thông trung kế là T và một phần băng thông A của nó đã đƣợc ấn định cho các kết nối đang tồn tại. Nếu yêu cầu R vƣợt quá băng thông còn lại sẵn có (T-A) thì yêu cầu bị từ chối và ngƣợc lại nó đƣợc chấp nhận. Phƣơng pháp này rất đơn giản và tỏ ra rất hiệu quả trong việc chống tắc nghẽn, nâng cao QoS [5].
1.3.2.4 Điều khiển ưu tiên (PC_Priority Control)
Điều khiển ƣu tiên đƣợc thực hiện để đạt đƣợc các yêu cầu về độ trễ và tỷ lệ Cell bị Loss cho các ứng dụng có hiệu suất cao. Nhƣ vậy có thể tạo ra dòng lƣu lƣợng có tính chất ƣu tiên khác nhau bằng việc sử dụng các Bit ƣu tiên để loại bỏ tế bào (CLP). Nếu bộ đệm bị tràn, các thành phần của mạng cho phép loại bỏ một cách chọn lọc các Cell có độ ƣu tiên thấp.
Có hai phƣơng thức loại bỏ Cell:
Phƣơng pháp hất ra: Cell có độ ƣu tiên cao sẽ thay thế Cell có ƣu tiên thấp hơn trong bộ đệm.
R>T-A
User
User yêu cầu một VC
X Mbps Y delay Z cellloss
Mạng ATM
User yêu cầu kết
nối
CAC trả lời đồng ý hay không
A
T Từ chối yêu cầu
Băng thông đang sử dụng Băng thông còn lại
Băng thông yêu cầu
CAC chỉ chấp nhận kết nối khi không ảnh hƣởng đến QoS của các kênh đang tồntại R
Phƣơng pháp chiếm từng phần bộ đệm: Một phần của bộ đệm sẽ đƣợc dự trữ cho Cell có ƣu tiên cao.
Tóm lại, trong kỹ thuật ATM có nhiều phƣơng pháp để khắc phục sự cố khi có tắc nghẽn nhƣ loại bỏ các Cell có CLP=1, hay xóa các kết nối đang tồn tại có độ ƣu tiên thấp hoặc ngƣời điều hành mạng có thể ngắt một số đƣờng kết nối nào đó và định tuyến lại cũng nhƣ việc bổ sung tài nguyên cho mạng. Nhƣ vậy ATM có thể đảm bảo QoS một cách thông suốt đầu cuối đến đầu cuối, đây chính là thế mạnh của ATM.
Hiện nay, trong việc xây dựng mạng IP, có đến mấy loại kỹ thuật, nhƣ IP over SDH/ SONET, IP over WDM và IP over Fiber. Còn kỹ thuật ATM, do có các tính năng nhƣ tốc độ cao, chất lƣợng dịch vụ (QoS), điều khiển lƣu lƣợng, … mà các mạng lƣới dùng bộ định tuyến truyền thống chƣa có, nên ATM đã đƣợc sử dụng rộng rãi trên mạng đƣờng trục IP. Mặt khác, do yêu cầu tính thời gian thực còn tƣơng đối cao đối với mạng lƣới, IP over ATM vẫn là kỹ thuật đƣợc chọn trƣớc tiên hiện nay. Cho nên việc nghiên cứu đối với IP over ATM vẫn còn rất quan trọng. Mà MPLS chính là sự cải tiến của IP over ATM kinh điển [5][6].
1.3.3. Công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS)
Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp viễn thông đã và đang tìm một phƣơng thức chuyển mạch có thể phối hợp ƣu điểm của IP (khả năng định tuyến) và của ATM (nhƣ thông lƣợng chuyển mạch). Mô hình IP-over-ATM của IETF coi IP nhƣ một lớp nằm trên lớp ATM và định nghĩa các mạng con IP trên nền mạng ATM. Phƣơng thức tiếp cận xếp chồng này cho phép IP và ATM hoạt động với nhau mà không cần thay đổi giao thức của chúng. Tuy nhiên, cách này không tận dụng đƣợc hết khả năng của ATM. Ngoài ra, cách tiếp cận này không thích hợp với mạng nhiều Router và không thật hiệu quả trên một số mặt.
Công nghệ MPLS (Multiprotocol label switching) là kết quả phát triển của nhiều công nghệ chuyển mạch IP (IP switching) sử dụng cơ chế hoán đổi nhãn nhƣ của ATM để tăng tốc độ truyền gói tin mà không cần thay đổi các giao thức định tuyến của IP.
Từ những kết quả trên, nhóm làm việc về MPLS đƣợc thành lập năm 1997 với nhiệm vụ phát triển một công nghệ chuyển mạch nhãn IP thống nhất mà kết quả của nó là công nghệ MPLS.
MPLS là một công nghệ kết hợp đặc điểm tốt nhất giữa định tuyến lớp ba và chuyển mạch lớp hai cho phép chuyển tải các gói rất nhanh trong mạng lõi
(core) và định tuyến tốt ở mạng biên (edge) bằng cách dựa vào nhãn (label). MPLS là một phƣơng pháp cải tiến việc chuyển tiếp gói trên mạng bằng các nhãn đƣợc gắn với mỗi gói IP, tế bào ATM, hoặc frame lớp hai. Phƣơng pháp chuyển mạch nhãn giúp các Router và MPLS-enable ATM switch ra quyết định theo nội dung nhãn tốt hơn việc định tuyến phức tạp theo địa chỉ IP đích. MPLS kết nối tính thực thi và khả năng chuyển mạch lớp hai với định tuyến lớp 3. Cho phép các ISP cung cấp nhiều dịch vụ khác nhau mà không cần phải bỏ đi cơ sở hạ tầng sẵn có. Cấu trúc MPLS có tính mềm dẻo trong bất kỳ sự phối hợp với công nghệ lớp hai nào.
MPLS hỗ trợ mọi giao thức lớp hai, triển khai hiệu quả các dịch vụ IP trên một mạng chuyển mạch IP. MPLS hỗ trợ việc tạo ra các tuyến khác nhau giữa nguồn và đích trên một đƣờng trục Internet. Bằng việc tích hợp MPLS vào kiến trúc mạng, Các ISP có thể giảm chi phí, tăng lợi nhuận, cung cấp nhiều hiệu quả khác nhau và đạt đƣợc hiệu quả cạnh tranh cao.
Đặc điểm mạng MPLS là không có MPLS API, cũng không có thành phần giao thức phía host. MPLS chỉ nằm trên các router LSR và là giao thức độc lập nên có thể hoạt động cùng với giao thức khác IP nhƣ ATM, Frame Relay,… MPLS giúp đơn giản hoá quá trình định tuyến và làm tăng tính linh động của các tầng trung gian.
MPLS hoạt động trong lõi của mạng IP. Nó thay thế cơ chế định tuyến lớp 3 bằng cơ chế chuyển mạch lớp 2. Các Router trong lõi phải cho phép MPLS trên từng giao tiếp. Nhãn đƣợc gắn thêm vào gói IP khi gói đi vào mạng MPLS. Nhãn đƣợc tách ra khi gói ra khỏi mạng MPLS. Nhãn (Label) đƣợc chèn vào giữa header lớp ba và header lớp hai và đƣợc sử dụng trong quá trình gửi gói sau khi đã thiết lập đƣờng đi. MPLS tập trung vào quá trình hoán đổi nhãn (Label Swapping). Một trong những thế mạnh của khiến trúc MPLS là tự định nghĩa chồng nhãn (Label Stack).
MPLS giúp khai thác tài nguyên mạng đạt hiệu quả cao đối với các ứng dụng hiện có của mạng Internet là voice, data, video. Ngoài ra, MPLS cũng hỗ trợ một số ứng dụng mới là:
MPLS VPN: Nhà cung cấp dịch cụ có thể tạo VPN lớp 3 dọc theo mạng đƣờng trục cho nhiều khách hàng, chỉ dùng một cơ sở hạ tầng công cộng sẵn có, không cần các ứng dụng mã hóa hoặc ứng dụng đầu cuối ngƣời dùng.
MPLS Traggic Engineer: Cung cấp khả năng thiết lập một hoặc nhiều đƣờng đi để điều khiển lƣu lƣợng mạng và các đặc trƣng thực thi cho một loại lƣu lƣợng.
MPLS QoS (Quality of service): Dùng QoS các nhà cung cấp dịch vụ có thể cung cấp nhiều loại dịch vụ với sự đảm bảo tối đa về QoS cho khách hàng.
MPLS Unicast/Multicast IP routing.
Để đảm bảo QoS, MPLS đã đƣa ra một số giải pháp trong đó có hai giải pháp khác nhau để điều khiển lƣu lƣợng, đƣợc phát triển bởi nhóm làm việc MPLS của IETF là Traffic Engineering RSVP (TE-RSVP) và LDP dựa trên định tuyến có ràng buộc (Constrained-Based LDP: CR-LDP). Ngoài ra MPLS còn sử dụng DiffServ trên nền MPLS để đảm bảo QoS theo từng chặng [3][15].
1.3.3.1 Giải pháp TE-RSVP
RSVP là một giao thức đƣợc MPLS sử dụng để đảm bảo chất lƣợng cho