CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC KHÔNG DÂY WMPLS
2.1. Giới thiệu chung về IP di động
Các mạng dựa trên gói đang được hoàn thiện để trở thành một phương thức mặc định mang thông tin trong thế giới mạng cố định. Lưu lượng thoại và video cũng được chuyên trở bởi gói tin trên các mạng. Trong khi những ưu điểm và tiềm năng kinh doanh của gói tin trên các mạng di động là rất lớn thì tính phức tạp trong việc thực thi cũng không phải là nhỏ. Các mạng IP được mong đợi là có thể hỗ trợ nhiều hơn một chức năng định tuyến nhưng vẫn phải đảm bảo được chất lượng dịch vụ định sẵn.
Các bộ điều khiển mạng không dây di động phải đối mặt với các yêu cầu của thị trường ngày càng nghiêm ngặt về độ tin cậy, chất lượng và chi phí dịch vụ, bên cạnh đó yêu cầu băng thông ngày càng tăng. Sức ép về mặt cạnh tranh tạo ra nhu cầu phát triển các dịch vụ mới và tạo ra sự khác biệt trong các thị trường có tính cạnh tranh cao. Công nghệ truy nhập đa dịch vụ cung cấp cho bộ điều khiển không dây một giải pháp nâng cấp để loại bỏ chi phí cao, loại bỏ các chu kỳ lập lịch dài hạn cũng như việc thay thế các thiết bị truy nhập hiện có.
Chuẩn không dây 3G và các diễn đàn có ảnh hưởng đến chuẩn hiện đang nghiên cứu xem bằng cách nào họ có thể kết hợp chặt chẽ công nghệ IP vào mạng không dây. Lý do để họ làm việc này là để tái sử dụng các thiết bị mạng hiện có của IETF, giảm chi phí sở hữu bằng cách giảm chi phí hoạt động của mạng, ... Tất cả những điều này bổ sung thêm ưu điểm cho các giao thức IP để có thể định tuyến tự động, thiết lập lại cấu hình...
Phần dữ liệu gói của UMTS được dựa trên các giao thức TCP/IP. Node dữ liệu gói của UMTS là một bộ định tuyến IP phạm vi rộng. Node này cũng có chức năng hỗ trợ các người dùng không dây di động. Là mạng thế hệ 3, UMTS hỗ trợ các ứng dụng đa phương tiện và lưu lượng thời gian thực.
Trong những năm vừa qua, Internet đã phát triển thành một mạng rộng khắp và có khả năng phát triển các ứng dụng mới khác nhau trong kinh doanh và trong các thị trường người tiêu dùng. Các ứng dụng này dẫn đến yêu cầu đảm bảo băng thông và tình trạng tăng băng thông trên mạng đường trục. Bên cạnh các dịch vụ dữ liệu truyền thống hiện được cung cấp trên Internet, thì những dịch vụ đa phương tiện và thoại mới đang ngày càng phát triển. Internet xuất hiện giống như một lựa chọn về mạng để hỗ trợ các dịch vụ hội tụ này. Tuy nhiên, yêu cầu về băng thông và tốc độ của các dịch vụ và ứng dụng mới này đã làm cạn kiệt nguồn tài nguyên của hạ tầng Internet hiện nay.
IP là kết nối không có hướng và được định tuyến tại lớp 3. Hiện nay, không có đảm bảo nào về QoS trong mạng IP. Việc hỗ trợ QoS sẽ rất phức tạp vì IP là kết nối không hướng, trừ khi có một điều giả sử rằng băng thông khả dụng là không hạn chế tại mỗi phần mạng. Để đạt được điều này cần phải có các biện pháp điều khiển luồng lưu lượng. Lớp dịch vụ CoS và chất lượng dịch vụ QoS cần phải được đánh địa chỉ để hỗ trợ những yêu cầu thường xuyên thay đổi của các người sử dụng mạng di động.
MPLS với những ưu điểm vốn có của nó đang chứng tỏ là một giải pháp tối ưu để giải quyết các vấn đề nói trên. Các phần tiếp theo của chương sẽ chỉ rõ nhận định này.
2.1.2. Định tuyến trong các mạng IP di động
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
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.
Hình 2.1: Chức năng cơ bản mạng IP di động
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
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 lưu lượng quá tải trên mạng khi cả vùng hiện thời và đích đến là các điểm nóng trên 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.