IP di động là một giao thức liên mạng được thiết kế để hỗ trợ host di động, đặc điểm này không giống với IP hiện thời vì IP hiện thời cần cố định địa chỉ IP với mạng. Mục tiêu của IP di động là hỗ trợ khả năng kết nối liên mạng cho host mà không cần quan tâm đến vùng mạng. IP di động có thể bám theo host di động mà không cần phải thay đổi địa chỉ IP dài hạn của host di động đó.
2.1.2.1. Các thực thể của IP di động
IP di động bao gồm các thực thể sau:
a. Mobility Node (MN): Là một host hay một bộ định tuyến có thể thay đổi điểm
tham gia vào mạng của nó từ một mạng hay một mạng con này tới một mạng hay một mạng con khác thông qua liên mạng. Thực thể này được gán trước một địa chỉ thường trú cố định trên mạng thường trú của nó, địa chỉ này là địa chỉ để các host trao đổi khác sử dụng để đánh địa chỉ các gói tin của chúng mà không quan tâm đến vùng hiện thời của host.
b. Home Agent (HA) (Đại diện thường trú): Là một bộ định tuyến duy trì một
danh sách các node di động trong một mạng thường trú. HA được sử dụng để chuyển tiếp các gói tin đã được đánh địa đến mạng cục bộ tương ứng khi node di động này ra khỏi mạng thường trú của nó. Sau khi kiểm tra các ràng buộc di động hiện thời cho một node di động cụ thể, HA sẽ đóng gói datagram (dữ liệu đồ) và gửi chúng đến địa chỉ tạm thời của host di động.
c. Foreign Agent (FA) (Đại diện ngoại trú): Là một bộ định tuyến hỗ trợ một node
di động di chuyển từ mạng thường trú của nó sang mạng của FA này. FA sẽ phân phát thông tin giữa node di động và HA.
d. Care-of-Address (CoA): là địa chỉ chỉ thị vùng hiện thời của node di động. Nó
cũng có thể được xem là phần cuối của một đường hầm hướng thẳng tới node di động. Nó cũng có thể được cấp phát động hoặc được kết hợp với FA của nó. e. Correspondent Node (CN): Node này gửi các gói tin đã được đánh địa chỉ tới
node di động.
f. Home Address: Địa chỉ thường trú: Là phần địa chỉ cố định được cấp phát cho
một node di động. Nó được giữ không đổi, không quan tâm đến vị trí node di động tham gia vào mạng Internet.
g. Mobility Agent: Một Agent hỗ trợ di động. Nó có thể là HA hoặc FA
h. Tunnel (đường hầm): Là phần đường bị chiếm bởi các gói tin đã đóng gói. Nó
là phần đường để dẫn gói tin từ HA đến FA.
Khi một node di động rời khỏi khu thường trú của nó, nó sẽ đăng ký địa chỉ CoA của nó với HA của nó, thông qua FA mà HA có thể biết cần phải chuyển các gói tin của node đó đến đâu. Tùy theo cấu hình mạng, node di động có thể đăng ký trực tiếp với HA của nó, hoặc gián tiếp thông qua sự trợ giúp của FA của nó.
2.1.2.2. Giao thức IP di động cơ bản
Giao thức IP di động cơ bản cho phép khả năng di động IP đối với dữ liệu không dây mà không làm mất các kết nối lớp truyền tải và các kết nối lớp cao hơn trong khi di chuyển qua các vùng mạng. Nó cho phép bất kỳ node di động nào đi lại bên trong mạng Internet, trong khi node đó vẫn tiếp tục được nhận dạng thông qua địa chỉ IP thường trú của nó.
Như chỉ ra trong hình 2.1, các node trung chuyển gửi các gói datagram đến một node di động bằng cách sử dụng một địa chỉ IP thường trú di động. Khi một node di động nằm bên trong mạng thường trú thì một đại diện khu vực được gọi là đại diện thường trú HA sẽ phục vụ nó. Khi node này ra khỏi mạng thường trú của nó, thì một đại diện trong mạng khách hiện thời được gọi là đại diện ngoại trú FA sẽ điều khiển các gói datagram đã được định tuyến. Thuật toán định tuyến IP thông thường được sử dụng để gửi các gói datagram đến node di động khi node đó vẫn nằm trong mạng thường trú của nó. Giao thức IP di động sử dụng cơ chế đường hầm để phân phát các gói tin đến node di động. Đại diện ngoại trú FA cũng phục vụ, giống như một router, node di động đó để gửi các gói tin.
2.1.2.3. Điều khiển QoS trong các mạng IP di động
Theo dự đoán, lưu lượng IP trong mạng di động sẽ tăng nhanh theo những yêu cầu khác nhau từ phía khách hàng, giống như việc tăng lưu lượng trong các mạng IP cố định. Hiện nay, dịch vụ IP đang gặp phải vấn đề mất gói không dự đoán trước được và hiện tượng jitter. Nếu một cổng đầu ra trở thành điểm tập trung của hai hay nhiều hơn các luồng lưu lượng kết hợp thì các gói tin đầu ra sẽ được xếp hàng theo chế độ vào trước ra trước FIFO. Việc xếp hàng này sẽ gây ra trễ, và mất gói tin nếu hàng đợi bị tràn khi có quá nhiều lưu lượng đến. Trễ do hàng đợi gây ra thay đổi không đoán trước được từ gói tới gói, biểu hiện của chính nó là jitter.
Trong các mạng IP, mục đích của QoS trên mỗi chặng là cho phép các bộ định tuyến và các chuyển mạch tắc nghẽn có khả năng dự đoán mất gói, trễ và các đặc tính jitter đối với các lớp lưu lượng của nhà cung cấp dịch vụ và khách hàng. Một hàng đợi FIFO đơn không thể hỗ trợ QoS cho cả lưu lượng không nhạy cảm và nhạy cảm. Trong khi một hàng đợi dài lại có ít khả năng bị tràn gói hơn trong suốt quá trình bùng nổ lưu lượng. Vì vậy, việc giảm xác suất mất gói sẽ làm tăng trễ hàng đợi cho các gói tin không bị rớt. Một hàng đợi ngắn sẽ giảm được trễ hàng đợi nhưng lại làm tăng mất gói. Để khắc phục điều này, tại mỗi điểm xảy ra tắc nghẽn, lưu lượng được phân chia vào nhiều hàng đợi, do vậy các lớp lưu lượng khác nhau được gán vào các hàng đợi khác nhau sao cho mỗi lớp lưu lượng này đạt được độ mất gói, trễ và jitter như mong muốn. Vì vậy, các bộ định tuyến và các chuyển mạch có khả năng hỗ trợ QoS cần phải phân loại các gói tin, xếp hàng khác nhau cho các gói tin trên mỗi lớp. Và khi đó có thể điều khiển và lập lịch dự báo cho truyền dẫn gói tin từ mỗi hàng đợi đến liên kết đầu ra. Đây được gọi là kiến trúc phân lớp, xếp hàng và lập lịch CQS.
Trong định tuyến IP, đường dẫn ngắn nhất giữa vùng hiện thời của gói tin và đích của nó là xác định và các gói tin sẽ đi theo đường dẫn đó. Điều này có thể gây ra
mạng. Do đó, tỷ lệ mất gói, trễ và jitter tăng khi tải trọng trung bình tăng. Có thể khắc phục hiện tượng này bằng cách phân tán việc chuyển tiếp gói tin qua các tuyến xen kẽ (nhau như chúng ta thấy trong MPLS) và qua các liên kết và các router tốc độ cao hơn.
2.1.2.4. Các vấn đề chuyển tiếp IP
Trong chuyển tiếp IP, chặng tiếp theo và cổng ra của mỗi gói được xác định bởi bảng chuyển tiếp, nó thực hiện việc tìm kiếm địa chỉ IP đích của gói tin giống như chìa khóa. Thực hiện phân loại gói tin để tìm được hàng đợi cổng đầu ra và các quy luật lập lịch. Nếu phân loại không được thực hiện thì giả sử có một hàng đợi FIFO đơn. Với điều kiện này, gói tin sẽ được xếp hàng tại cổng đầu ra tương ứng. Quy luật để báo hiệu IP đó là giao thức dành trước tài nguyên. Như chúng ta đã thấy ở trên, phương pháp chuyển tiếp này sẽ dẫn đến trễ hàng đợi, theo đó dẫn đến mất gói và tăng jitter. Như đã trình bày trong chương 1, MPLS có khả năng khắc phục các nhược điểm này như thế nào.
2.2. Chuyển mạch nhãn đa giao thức không dây WMPLS 2.2.1. Nhu cầu phát triển của WMPLS
Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS là một công nghệ mới, bắt đầu được nghiên cứu vào năm 1997. Nó là thành phần chính trong các mạng WAN nhờ đó cải thiện đáng kể hiệu năng của mạng. Tuy nhiên khi nhu cầu sử dụng mạng ngày càng tăng thì MPLS lại gặp phải vấn đề về chất lượng dịch vụ và tốc độ truyền dẫn. Trong khi đó, công nghệ mạng không dây đang có xu hướng phát triển rất mạnh mẽ. Và do đó, việc mở rộng MPLS sang lĩnh vực không dây là một xu hướng tất yếu.
Các công ty như Juniper, Nortel và Cisco hiện đang đầu tư thời gian và tiền của để nghiên cứu và phát triển vấn đề tích hợp MPLS với công nghệ Internet trên lĩnh vực không dây. Nguyên nhân là do: IP trong Wiless hiện nay đang gặp phải một số thách thức, như các giao thức định tuyến IP không hoàn toàn phù hợp với các mạng không dây di động khi đem so sánh nó với công nghệ WMPLS. Việc tích hợp MPLS với IP di động đang trở thành một công nghệ hấp dẫn. Nó cho phép quản lý cục bộ, hỗ trợ chuyển giao, cấp phát địa chỉ, định tuyến và chuyển giao lưu lượng trong môi trường không dây.
Có một số công nghệ khác như công nghệ ATM, các công nghệ 3G cũng đã và đang được sửa đổi để hỗ trợ IP di động. Tuy nhiên, MPLS là công nghệ được ưu thích hơn cả vì nó có thể đơn giản hóa việc điều khiển lưu lượng trong các mạng lõi. Hơn nữa, MPLS là công nghệ không chỉ cung cấp tốc độ xử lý nhanh để cải thiện hiệu năng cho IP hiện nay với chi phí thấp nhất mà còn không gây ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ khi hạ tầng thay đổi.
2.2.2. Cấu trúc gói tin WMPLS
WMPLS sử dụng hai khuôn dạng tiêu đề cơ bản được chỉ ra trong hình 2.2. Trong mạng WMPLS, 2 bit đầu tiên trong số 20 bit trường Nhãn sẽ được đọc giống như trường Cờ (Flag). Trường này sẽ quyết định trường Control và trường CRC có được sử dụng hay không, và nó cũng chỉ thị độ dài của trường Control được sử dụng
là 1 hay 2 byte, tương ứng với các bit chỉ số thứ tự là 3 hay là 7.
Trong mô hình chồng lấn, tại đó giao thức lớp thấp hơn sẽ hỗ trợ việc điều khiển luồng và lỗi, khuôn dạng tiêu đề WMPLS sẽ không có trường Control và trường
CRC. Để xác định khuôn dạng cho nhãn khi này thì hai bit đầu tiên của trường Nhãn
được thiết lập bằng không để biểu thị rằng trường Control và trường CRC không được sử dụng. (Hình 2.2a)
Trong trường Control, chỉ ra ở hình 2.2b, N(S) là số thứ tự gói/khung đang gửi và N(R) là số thứ tự khung yêu cầu phát lại tự động hoặc số thứ tự khung báo nhận điều khiển luồng. Số bit của N(S) và N(R) phụ thuộc vào giá trị của Cờ (bảng 2.1). Trong đó, đối với các dịch vụ tốc độ truyền tải thấp, N(R) và N(S) chỉ có 3 bit, và ngược là sẽ là 7 bit. Sử dụng càng nhiều bit số thứ tự sẽ cho phép cửa sổ điều khiển luồng được thiết lập càng rộng để hỗ trợ việc truyền dẫn chuỗi khung tốc độ cao. Tùy chọn này có khả năng điều khiển luồng và điều khiển lỗi từ đầu cuối đến đầu cuối hoặc điều khiển trên từng chặng khi cần thiết dựa trên cơ sở gói được dán nhãn. Trường Control của phần tiêu đề WATM gồm các chức năng điều khiển luồng và lỗi. Trong các ứng dụng của mạng tùy biến di động, cần thiết phải có tùy chọn của điều khiển luồng và lỗi trên từng chặng. WATM không có khả năng điều khiển luồng và lỗi trên từng chặng, chức năng điều khiển này được chuyển sang cho các người sử dụng đầu cuối quản lý, hoặc nếu sử dụng mô hình chồng lấn, điều khiển luồng và lỗi trên từng chặng có thể thực hiện được nếu giao thức lớp thấp hơn có thể hỗ trợ chức năng này.
Hình 2.2 a và 2.2b dưới đây đưa ra khuôn dạng tiêu đề WMPLS. Cờ (2 bit) Nhãn (18 bit) CoS (1 bit) S (1 bit) TTL (8 bit)
Hình 2.2b: Tiêu đề WMPLS có trường Control và CRC
Bảng 2.1 và 2.2 dưới đây chỉ ra ý nghĩa các bit trong tiêu đề WMPLS
Bảng 2.1: Giá trị các bit cờ trong tiêu đề gói tin WMPLS
Các bit cờ (Flag) N(S), N(R)
0 0 Không có trường Control và CRC
0 1 3 bit N(R) và 3 bit N(S)
1 0 7 bit N(R) và 7 bit N(S)
1 1 Dự phòng cho các ứng dụng tương lai
Bảng 2.2: Các bit điều khiển báo nhận lỗi và điều khiển luồng trong tiêu đề WMPLS
Các bit điều khiển luồng ARQ
Báo nhận các khung điều khiển lỗi và điều khiển luồng
Biểu tượng điều khiển
00 Báo nhận tích lũy cho N(R-1) RR
01 Phía thu không sẵn sàng điều khiển luồng và báo nhận tích lũy cho N(R-1)
RNR
10 Tín hiệu N(R) loại bỏ ARQ Go-Back- N và báo nhận tích lũy cho N(R-1)
REJ
11 Tín hiệu N(R) lặp/loại bỏ có chọn lọc SREJ
2.2.3. Giao thức sử dụng trong WMPLS
Hai giao thức được sử dụng trong mạng MPLS là giao thức phân bổ nhãn LDP và giao thức giành trước tài nguyên RSVP. Khi tiến hành mở rộng MPLS sang miền không dây, người ta đã tiến hành sửa đổi hai giao thức này để có thể hỗ trợ các dịch vụ WMPLS. Mạng WMPLS sử dụng giao thức LDP ràng buộc lỏng (CR-LDP) để định nghĩa người sử dụng đầu cuối và giao thức RSVP mở rộng (E-RSVP) để thiết lập LSP.
Dưới đây sẽ trình bày về các mở rộng cho mỗi giao thức này.
2.2.3.1. Mở rộng cho CR- LDP
Cờ (2 bit) Nhãn (18 bit) CoS (3 bit) S (1 bit) TTL (8 bit) Control (8;16) CRC(8)
Phần mở rộng cho CR-LDP cần có các thông tin về CoS và tính di động để có thể thực hiện các dịch vụ WMPLS. Việc mã hóa bản tin Label Request cần phải được mở rộng với thông tin về nhãn và CoS của mạng WMPLS. Thêm vào đó, việc mã hóa bản tin liên kết nhãn CR-LDP cũng cần được mở rộng để chứa thông tin kênh từ liên kết không dây. 0 Label Request (0x0401) (15 bits) Độ dài bản tin (2bytes) Message ID(4bytes) FEC TLV LSPID TLV (CR-LDP, bắt buộc) Traffic TLV (CR-LDP, tùy chọn)
Hình 2.3a: Mở rộng cho bản tin yêu cầu nhãn CR-LDP
0 Label Request (0x0400) (15 bits) Độ dài bản tin (2bytes) Message ID(4bytes) FEC TLV Label TLV
Label Request Message ID TLV Traffic TLV (CR-LDP, tùy chọn)
Hình 2.3b: Mở rộng cho bản tin liên kết nhãn CR-LDP
Trong CR-LDP, hệ thống không dây có thể thiết lập một LSP để hỗ trợ các ứng dụng WMPLS thông qua trường FEC TLV hoặc Traffic TLV, phần xác định các tham số lưu lượng được chứa trong bản tin báo hiệu. Các tham số của TE cho các dịch vụ LSR là CDR (Committed Data Rate), CBS (Committed Burst Size), PDR (Peak Data Rate), và PBS (Peak Burst Size). Trong các trường hợp mà FEC được sử dụng để báo hiệu kết nối LSP cho WMPLS, thì CoS sẽ được báo nhận thay vì xác định các tham số về tốc độ dữ liệu.
2.2.3.2. Mở rộng cho RSVP
Phần mở rộng thêm cho RSVP được đưa ra để hỗ trợ cho việc định tuyến hiện LSP (ER-LSP). Khi giao thức RSVP được sử dụng để hỗ trợ việc thiết lập LSP WMPLS, thì cần phải tiến hành sửa đổi và bổ sung cho giao thức này để đáp ứng được những yêu cầu về điều khiển lưu lượng. Những sửa đổi và bổ sung chính rơi vào các vùng có thêm các tính năng điều khiển lưu lượng và các vùng phải giải quyết các vấn đề tranh chấp. Giao thức RSVP đã sửa đổi hỗ trợ các LSP định tuyến hiện (ER-LSP) chặt và lỏng. Đối với phần định tuyến lỏng trong ER-LSP, có thể thực hiện định tuyến
từng chặng để quyết định xem gửi bản tin PATH tới đâu. Do đó, RSVP cũng hỗ trợ phương thức định tuyến từng chặng theo yêu cầu đường xuống.
Bản tin PATH và RESV trong giao thức RSVP được chỉ ra trong hình 2.4a và hình 2.4b. Tiêu đề chung Session RSVP_HOP TIME-VALUE LABEL_REQUEST Các trường tùy chọn khác Sender Descriptor
Hình 2.4a: Khuôn dạng của bản tin PATH
Tiêu đề chung Session RSVP_HOP TIME-VALUE
STYLE flow descriptor list
Hình 2.4b: Khuôn dạng của bản tin RESV
Reserved (2 byte)
L3ID (2 byte)
Hình 2.5: Khuôn dạng của LABEL_REQUEST
Phần bôi đen là các trường chứa thông tin mở rộng cho WMPLS để đưa vào các