Một cách tiếp cận phổ biến để bù đắp các thiếu sót của các giao thức IGP (interior gateway protocols ) là sử dụng mơt hình xếp chồng (như IP over ATM hoặc IP over FR). Tất cả các bộ định tuyến là 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, mơ 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 cơng cụ quản lý riêng với nhiều tác vụ hỗ trợ kỹ thuật lưu lượng. Đồng thời mạng các bộ định tuyến lớp 3với giao thức IGP cũng phải được quản lý. Việc quản lý 2 lớp mạng này khơng 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 thơng cho lượng overhead của ATM hoặc FR (cell tax).
• Khơng 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”
2.2 MPLS và kỹ thuật lưu lượng
MPLS có ý nghĩa chiến lược đối với kỹ thuật lưu lượng vì nó có thể cung cấp hầu hết các chức năng hiện có ở mơ hình xếp chồng nhưng theo cách tích hợp với chi
phí thấp. Điều quan trọng là MPLS cịn đề xuất khả năng tự động hóa các chức năng kỹ thuật lưu lượng.
2.2.1 Khái niệm trung kế lưu lượng
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 lượng thu gom lưu lượng đa lớp.
• Trong mơ hình dịch vụ đơn lớp, một trung kết lưu lượng có thể đóng gói tồn bộ lưu lượng giữa một bộ định tuyến lối vào và một bộ định tuyến lối ra. 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 di chung trên một LSP.
• Trung kế lưu lượng là đơn hướng.
2.2.2 Đồ thị nghiệm suy
Đồ thị nghiệm suy (incluced graph) gần giống như topology ảo trong mơ hình xếp chồng. Nó được ánh xạ trên mạng vật lý thông qua việc lựa chọn các LSP cho các mạng trung kế lưu lượng.
Một đồ thị nghiệm suy gồm một nhóm các nút LSR được kết nối với nhau bằng LSP. Khái niệm này rất quan trọng vì bài tốn quản lý băng thơng cơ bản trong một miền MPLS đặt ra chính là làm thế nào để ánh xạ hiệu quả đồ thị nghiệm suy trên topology mạng vật lý. Đồ thị nghiệm suy được cơng thức hóa như sau:
Đặt G = (V, E, C) là đồ thị mô tả topology vật lý của mạng. Trong đó V là tập hợp các nút mạng, E là tập hợp các đường liên kết, 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 thị 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 yêu cầu và chế tài cho F. Như vậy, H là một đồ thị trực tiếp phụ thuộc vào các đặc tính chuyển tải của G.
2.2.3 Bài tốn 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 lớp 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 tốn 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 tốn ánh xạ đồ thị nghiệm suy H lên topology mạng cơ sở G.
2.3 Trung kế lưu lượng và các thuộc tính
Để xây dựng và duy trì trung kế lưu lượng, người ta tìm cách mơ 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 thơng qua hành động quản trị hoặc được gán ngầm 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.
2.3.1 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 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 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
Reroute: chọn một đường mới cho trung kế lưu lượng (thường là do một số sự
cố trong mạng hoặc đôi 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.
2.3.2 Thuộc tính tham số lưu lượng
Thuộc tính tham số lưu lượng (traffic parameter) đặc tả băng thơng địi 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… Dưới góc độ kỹ thuật lưu lượng, các tham số lưu lượng rất quan trọng vì chúng chỉ yêu cầu về tài nguyên của trung kế lưu lượng.
2.3.3 Thuộc tính lựa chọn và quản lý đường
Là các tiêu chuẩn lựa chọn và duy trì đường dẫn cho trung kế lưu lượng. Con đường thực sự được lựa chọn xun qua mạng có thể được cấu hình 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 :
2.3.3.1 Đường tường minh đặc tả quản trị
Đường tường minh đặc tả quản trị cho một trung kế lưu lượng được cấu hình bởi nhà điều hành. Một đường gọi là đặc tả toàn bộ nếu chỉ ra các chặng yêu cầu giữa hai điểm đầu cuối. Đặc tả một phần nếu chỉ có một tập con các chặng 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 khơng bắt buộc.
2.3.3.2 Đường phân cấp các luật ưu tiên cho đa đường
Trong một số hoàn cảnh thực tế, khả năng chỉ định cho 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.
2.3.3.3 Thuộc tính Affinity lớp tài nguyên
Thuộc tính này cho phép operator áp đặt các chính sách chọn đường bằng việc bao gồm hay loại trừ một số liên kết nào đó. Mỗi liên kết được tán một thuộc tính lớp tài ngun (Resource-Class). Thuộc tính Affinity lớp tài ngun có dạng chuỗi như bit sau:
Affinity( 32-bit), Mask(32-bit)
Mặt nạ lớp tài nguyên chỉ thị các bit nào trong lớp tài nguyên cần được kiểm tra. Liên kết được bao hàm khi chọn đường nếu mỗi Affinity trùng với Resource-Class sau khi cùng thực hiện phép AND với mặt nạ. Giá trị default của mặt nạ là 0x0000FFFF.
2.3.3.4 Thuộc tính thích ứng
Trong nhiều tình huống cần thiết phải thay đổi động các đường dẫn trung kế lưu lượng để đáp ứng với việc thay đổi trạng thái mạng (chủ yếu thay đổi tài nguyên khả dụng). Q trình này được gọi là tái tối ưu hóa (re-optimization). Thuộc tính thích ứng (Adaptivity) cho biết một trung kế lưu lượng được ghép tái tối ưu hóa hay khơng. Nếu tái tối ưu hóa bị cấm thì trung kế lưu lượng coi như được gim vào đường đã thiết lập của nó và khơng thể tái định tuyến (re-route) khi có sự thay đổi trạng thái mạng.
2.3.4 Thuộc tính ưu tiên/lấn chiếm
Thuộc tính ưu tiên (Prioity/Preemption) 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 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 cầm giữ (holding priority). Khi thiết lập trung kế mới hoặc tái định tuyến, một trung kế có độ ưu tiên thiết lập cao sẽ chèn lấn một trung tuyến 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 thơng mà nó u cầu đang bị chiếm bởi các trung kế khác có độ ưu tiên cầm giữ cao hơn.
2.3.5 Thuộc tính đàn hồi
Thuộc tính đàn hồi (Resilience) xác định hành vi của trung kế lưu lượng trong tình huống xảy ra sự cố theo cơ chế sau:
Không tái định tuyến trung kế lưu lượng.
Tái định tuyến qua một đường khả thi có đủ tài nguyên.
Tái định tuyến qua đường khả dụng bất kỳ chấp nhận các ràng buộc tài nguyên.
Tổ hợp của các cơ chế nói trên.
2.3.6 Thuộc tính khống chế
Thuộc tính khống chế (Policing) xác định những hoạt động được thực hiện khi một trung kế lưu lượng không tuân thủ mức dịch vụ đã đặc tả ở các tham số lưu lượng. Nó cho biết cách xử lý đối với lượng traffic vượt mức dịch vụ (ví dụ hủy gói hay truyền theo kiểu best-effort). Nói chung nên ln ln khống chế ở lối vào của mạng để cưỡng
bức tuân thủ các hợp đồng mức dịch vụ và giảm thiểu việc khống chế bên trong lõi mạng..
2.4 Tính tốn đường ràng buộc
2.4.1 Quảng bá các thuộc tính của liên kết
Bộ định tuyến tại đầu nguồn (head-end) của một trung kế phải nắm được thông tin thuộc tài nguyên của tất cả các liên kết trong mạng để tính tốn đường LSP. Điều này chỉ có thể đạt được bằng cách sử dụng các giao thức định tuyến Link-State (như IS- IS hay OSPE) vì chỉ có kiểu giao thức này mới quảng bá thơng tin về tất cả các liên kết đến tất cả các bộ định tuyến. Vì vậy, OSPF và IS-IS được mở rộng để hỗ trợ MPLS-TE:
o IS-IS có các trường Type-Length-Value mới (kiểu 22 TLV) để đính kèm các thơng tin này trong các thơng cáo PDU Link-State của nó.
o OSPF có các định nghĩa thông cáo Link-State mới (kiểu 10 LSA).
Một khi bộ định tuyến đầu nguồn nhận được các thơng cáo này thì nó khơng chỉ biết được topology mạng mà cịn biết được các thơng tin tài ngun khả dụng của từng liên kết. Điều này rất cần thiết để tính tốn các đường thỏa mãn các đòi hỏi của trung kế lưu lượng.
Hình 2.7: Băng thơng khả dụng ứng với từng mức ưu tiên
Các giao thức IGP sẽ quảng bá các thuộc tính tài nguyên khi dưới các điều kiện hoặc sự kiện nào đó như:
Khi liên kết thay đổi trạng thái (ví dụ up,down…)
Khi lớp tài nguyên của liên kết thay đổi do tái cấu hình nhân cơng hoặc trong trường hợp băng thơng khả dụng biến động qua các mức ngưỡng đặt trước.
Theo định kỳ (dựa vào một timer), bộ định tuyến sẽ kiểm tra các thuộc tính tài nguyên và quảng bá cập nhật thông tin.
Khi tham gia thiết lập một đường LSP nhưng thất bại.
2.4.2 Tính tốn LSP ràng buộc
LSP cho một trung kế lưu lượng có thể khai báo tĩnh hoặc tính tốn động. Việc tính tốn sẽ xem xet các tài nguyên khả dụng, các thuộc tính liên kết và cả các trung kế khác (vì vậy được gọi là tính tốn đường ràng buộc). Kết quả của việc tính tốn này là tìm ra một chuỗi các địa chỉ IP đại diện cho các chặng trên đường LSP giữa đầu nguồn và đầu đích của trung kế lưu lượng. Sau đó, thực hiện báo hiệu LSP và hồn thành việc thiết lập đường bằng giao thức báo hiệu cho MPLS như RSVP-TE.
Tiến trình tính tốn đường đầu nguồn ln được thực hiện tại đầu nguồn trung kế lưu lượng và được kích hoạt do:
• Một trung kế mới xuất hiện.
• Một trung kế đang tồn tại nhưng thiết lập LSP thất bại.
• Tái tối ưu hóa một trung kế đang tồn tại.
2.4.3 Giải thuật chọn đường
Việc chọn đường cho một trung kế lưu lượng sử dụng trọng số quản trị (TE cost) của mỗi liên kết riêng biệt. Trọng số quản trị này mặc nhiên là metric IGP của liên kết. Giải thuật chọn đường theo các bước sau:
Cắt bỏ các liên kết có resuorce-class bị loại do phép tính Affinity ra khỏi topology.
Cắt bỏ các liên kết khơng có đủ băng thơng dự trữ theo yêu cầu của trung kế.
Chạy giải thuật Dijktra để tìm ra đường có tổng TE-cost nhỏ nhất trên phần topoloy còn lại.
Sau khi thực hiện các bước trên mà vẫn còn nhiều đường ứng cử cho LSP (nhiều đường có cùng tổng TE metric) thì tiêu chuẩn thứ tự chọn lựa như sau:
Đường có băng thơng tối thiểu cao nhất
Đường có hop nhỏ nhất
Chọn lựa ngẫu nhiên
Khi LSP được tính xong, RSVP được dùng để dành trước băng thông thực sự, để phối các nhãn cho đường và hoàn thành việc thiết lập đường LSP
2.4.4 Ví dụ về chọn đường cho trung kế lưu lượng
Xét ví dụ chọn đường LSP cho một trung kế lưu lượng (tunnel) thiết lập giữa R1 (đầu nguồn) và R6 (đầu đích) như hình 2.8. u cầu của trung kế lưu lượng như sau:
Băng thơng địi hỏi ở mức ưu tiên 3 là 30 Mbps
Các bit Affinity lớp tài nguyên là 0010 với mặt nạ là 0011, tức là chỉ thực hiện kiểm tra trên hai bit thấp.
Liên kết R4-R3 cần được loại trừ khỏi đường LSP, do vậy chuỗi bit resource- class của được đặt là 0011. Khi các bit Affinity lớp tài nguyên của trung kế lưu lượng được so sánh với các bit resource-class là không trùng nên liên kết R3-R4 bị loại (hình 2.8).
Hình 2.8: Xem xét các ràng buộc khống chế
Tham số tiếp theo được kiểm tra trong q trình tính tốn đường ràng buộc là TE cost (trọng số quản trị) của mỗi liên kết mà đường hầm khả năng đi qua. Nếu khơng xét tài ngun thì đường R1-R4-R6 có tổng cost thấp nhất là 30. Tất cả các đường khả thi khác đều có tổng cost cao hơn.
Khi tài ngun được đưa vào tính tốn, thấy rằng trên đường ngắn nhất khơng có đủ băng thơng thỏa mãn các địi hỏi của trung kế lưu lượng (đòi hỏi 30 Mbps trong khi