ở chế độ khung, các router chạy MPLS trao đổi các gói tin thuần IP ( tại các nút biên ) cũng nh các gói tin IP đã gán nhãn. Các gói tin gán nhãn đợc chuyển tiếp trên cơ sở khung lớp 2 HDLC/PPP, Ethernet hoặc ATM. Trong miền MPLS, việc hoán đổi nhãn đợc thực hiện bằng việc kiểm tra mào đầu khung và thực hiện gắn nhãn, tách nhãn và chuyển đổi nhãn, tuỳ thuộc vào vị trí LSR trong mạng. Chế độ hoạt động khung MPLS sử dụng điều khiển độc lập ( independent control ) với phân phối nhãn theo cơ chế Unsolicited downstream. Với các kĩ thuật này, các LSP đợc thiết lập một cách nhanh chóng. Khi một FEC xuất hiện, lập tức một nhãn đợc gán ngay cho nó. Các Router lân cận đợc thông báo về sự gán nhãn mới này mà không cần yêu cầu.
ATM là công nghệ lớp 2 thực hiện chuyển mạch gói IP dựa trên các cell (tế bào). Tuy miền MPLS có các đờng kết nối ATM nhng các đờng kết nối IP điểm tới điểm vẫn hoạt động đợc. Và trong trờng hợp này vẫn coi là chế độ khung chứ không phải là chế độ tế bào.
Quá trình chuyển tiếp một gói IP qua mạng MPLS đợc thực hiện qua một số bớc cơ bản sau đây:
• LSR biên lối vào nhận gói IP, phân loại gói vào nhóm chuyển tiếp tơng đ- ơng FEC và gán nhãn cho gói với ngăn xếp nhãn tơng ứng FEC đã xác định. Trong trờng hợp định tuyến một địa chỉ đích, FEC sẽ tơng ứng với mạng con đích và việc phân loại gói sẽ đơn giản là việc so sánh bảng định tuyến lớp 3 truyền thống.
• LSR lõi nhận gói có nhãn và sử dụng bảng chuyển tiếp nhãn để thay đổi nhãn nội vùng trong gói đến với nhãn ngoài vùng tơng ứng cùng với vùng FEC ( Trong trờng hợp này là mạng con IP ).
• Khi LSR biên lối ra của vùng FEC này nhận đợc gói có nhãn, nó loại bỏ nhãn và thực hiện việc chuyển tiếp gói IP theo bảng định tuyến lớp 3 truyền thống
Cơ chế hoạt động khung của mạng MPLS đợc mô tả trong hình 3.13 :
Bớc 1 : LSR biên 1 nhận gói IP .
Bớc 2 : LSR biên 1 kiểm tra lớp 3 có địa chỉ đích là 192.1.1.3, nó truy xuất cơ sở
dữ liệu chuyển tiếp FIB thấy địa chỉ đích này tơng ứng với FEC có nhãn 30. LSR biên 1 sẽ chèn nhãn này vào khung dữ liệu ( giữa mào đầu lớp 2 và lớp 3 ), rồi kiểm tra bảng LFIB để chuyển gói ( lúc này là gói MPLS ) đến LSR lõi 1.
Bớc 3 : LSR lõi 1 kiểm tra bảng cơ sở dữ liệu chuyển tiếp nhãn LFIB. Kết quả cho
thấy nhãn vào là 30 đợc thay bằng nhãn ra là 28 tơng ứng với việc gói tin đợc chuyển tiếp đến LSR lõi 3.
Edge LSR 1 Edge LSR 2 LSR 1Core Core LSR 3 Step 1 IP đích: 192.1.1.3 IP Packet 30 Step 2 IP Packet 28 Step 3 IP Packet 37 Step 4 Edge LSR 4 Step 5 IP: 192.1.1.3
Hình 3.14: MPLS trong chế độ frame mode–
Bớc 4 : LSR lõi 3 cũng kiểm tra nhãn, chuyển đổi nhãn 28 thành nhãn 37 và
chuyển tiếp đến LSR biên số 4.
Bớc 5 : LSR biên 4 kiểm tra nhãn, loại bỏ nhãn 37 và việc kiểm tra địa chỉ lơp 3 đ-
ợc thực hiện để chuyển tiếp gói ( lúc này là gói IP ) ra mạng IP bên ngoài.
3.5.2. Chế độ hoạt động tế bào
Khi sử dụng kết nối ATM giữa các thiết bị thì mạng MPLS hoạt động ở chế độ cell .
Tuy nhiên, nh đề cập ở trên, việc trao đổi giữa các LSR thông qua các ATM PVC cũng có thể đợc thực hiện và lại đợc coi là chế độ khung.
ở MPLS chế độ tế bào, các LSR lõi là các tổng đài ATM chuyển tiếp dữ liệu dựa trên ATM header. Nếu các ATM LSR chỉ hoạt động nh một tổng đài ATM thuần tuý là chỉ forward dữ liệu thì cần phải có thêm một thiết bị điều khiển ngoài gọi là LSC (label switch controller) để trao đổi các thông tin điều khiển. Tuy nhiên, thờng thì các ATM LSR đảm nhiệm luôn cả hai công việc trên.
Với MPLS chạy trên nền ATM, trờng VPI/VCI sẽ đợc dùng làm nhãn. Các thông tin điều khiển nh định tuyến hay phân phối nhãn đợc trao đổi giữa các ATM LSR biên với thành phần điều khiển trong ATM LSR thông qua kênh điều khiển VC.
Hình dới đây mô tả một mô hình mạng cell – based MPLS với một ATM LSR lối vào, 1 ATM LSR lõi và 1 ATM LSR lối ra :
Hình 3. 15a
Hình 3.15b
Các giao diện của LSR chỉ mang các cell thuần tuý đợc gọi là giao diện LC – ATM.
ATM – LSR là bộ chuyển mạch ATM chạy MPLS ở mặt phẳng điều khiển và thực hiện chuyển tiếp dữ liệu giữa các giao diện LC – ATM bằng chuyển mạch tế bào ATM truyền thống. Đối với các ATM LSR tích hợp nh hình 3.14a, các giao diện LC – ATM mang cả hai loại gói điều khiển và dữ liệu trên VC 0/32. Nếu một tổng đài ATM kết nối với một LSC ngoài nh hình 3.14b thì ATM LSR biên thiết lập một kênh điều khiển với LSC để LSC xây dựng bảng thông tin về ánh xạ nhãn vào – ra cho ATM – LSR.
Để MPLS chạy trên nền ATM, một nhãn sẽ chèn vào giữa mào đầu ATM và mào đầu IP trong gói tin, và nhãn đó sẽ đợc mã hoá thành chỉ số VPI/VCI của kênh ảo sẽ sử dụng.
Xét một mạng cụ thể dới đây với A1, A2 là ATM LSR, R1 và R2 là các ATM LSR biên. Mạng 172.16.10.0/24 kết nối trực tiếp đến R1.
Hình 3.16: Phân phối nhãn trong cell based MPLS–
• Quá trình phân phối nhãn: Đờng downstream của ATM LSR biên R1 ấn định nhãn cho mạng 172.16.10.0 và phân phối lên dòng upstream. Quá trình này đợc lặp lại ở A1 và A2. Điểm khác biệt so với quá trình phân phối nhãn trong frame – mode là không có sự tách nhãn tại LSR cuối cùng vì nhãn chính là giá trị VPI/VCI lấy từ header của ATM. Giả sử giá trị VPI của tất cả các VC trên R1, R2, A1 và A2 là 1. VCI của R1, A1, A2, R2 lần lợt là L1, L2, L3 ,L4. Các bảng FIB, LIB và LFIB đợc xây dựng nh trên hình vẽ.
Hình 3.17 : Chuyển tiếp dữ liệu trong cell based MPLS.–
1. R2 nhận một gói có địa chỉ IP đích 172.16.10.0/24, nó gán cho nhãn ra là 1/L3 , đợc phân chia thành các tế bào ATM chuyển theo downstream tới ATM LSR A2. Giá trị VPI/VCI đợc gắn vào mào đầu của từng tế bào.
2. A2 thực hiện tra bảng LFIB và thay thế nhãn 1/L3 bằng nhãn ra 1/L2 và chuyển cell đến A1.
3. A1 làm tơng tự, thay nhãn 1/L2 bằng nhãn 1/L1 và chuyển đến R1. Chú ý là khác với chế độ khung, LSR không tách nhãn tại A1 mà tách tại LSR biên R1.
4. R1 tái tạo lại gói có nhãn từ các tế bào, tách nhãn và chuyển gói đến mạng đích.
• Hợp nhất VC:
Khi số lợng ATM – LSR biên kết nối vào cùng một ATM LSR lõi gia tăng sẽ dẫn đến vấn đề là số lợng nhãn phải cấp trong mạng cũng tăng theo. Phơng pháp hợp nhất VC (gán cùng VC cho các gói đến cùng đích) là phơng pháp phổ biến nhất giải quyết vấn đề này, tối u hoá quá trình gán nhãn ATM – LSR, cho phép sử dụng lại nhãn cho các gói đến cùng đích.Trong kĩ thuật này, các luồng đến từ các LSR biên khác nhau có chung địa chỉ đích thì đợc gán chung 1 nhãn, thay vì nhiều nhãn nh trớc.
3.6. Các ứng dụng phổ biến của công nghệ chuyển mạch MPLS
Sức mạnh thực sự của công nghệ MPLS nằm ở các ứng dụng của nó trong các mô hình mạng lõi của các nhà cung cấp dịch vụ ISP. Hiện nay, có 3 ứng dụng phổ biến nhất là:
• Hỗ trợ chất lợng dịch vụ QoS
• Kĩ thuật điều khiển lu lợng TE
• Kĩ thuật mạng riêng ảo VPN Phần này sẽ lần lợt trình bày về các vấn đề trên.
3.6.1. Chất l ợng dịch vụ ( QoS ) trong mạng MPLS
3.6.1.1. Khái quát chung
Hỗ trợ QoS là một tính năng không thể thiếu trong bất kì một mạng của nhà cung cấp nào. Với sự bùng nổ của các dịch vụ mới nh VoIP thì yêu cầu đặt ra cho các nhà ISP về việc phân loại dịch vụ càng trở nên cấp thiết hơn.
Hiểu một cách đơn giản, QoS là khả năng phân lớp dịch vụ dựa trên một số tiêu chí định trớc và cấp quyền u tiên cho lớp dịch vụ đó. QoS, khi đợc thực hiện, sẽ trở thành một yêu cầu cho các kết nối end – to – end. Trong một số trờng hợp, QoS sẽ không đợc chấp nhận nếu yêu cầu băng thông vợt quá khả năng cho phép của đờng truyền. Thông thờng, ngời ta khuyến nghị áp dụng QoS trong các mạng có nhiều lớp lu lợng.Bớc đầu tiên của quá trình triển khai QoS là xác định các lớp lu lợng khác nhau cần truyền qua mạng. Lu lợng có thể đợc phân lớp dựa vào loại dịch vụ ( nh thoại, ứng dụng, dữ liệu ...) và thuộc tính của lu lợng. Sau khi đã phân lớp lu lợng, bớc tiếp theo là xác định thao tác QoS nào sẽ đợc thực hiện cho mỗi lớp đó trên router. Cần chú ý rằng QoS là dành cho kết nối end – to – end, nhng nó phải đợc cấu hình thống nhất ở tất cả các router trên tuyến đó. Nh vậy, có thể tóm tắt việc thực hiện QoS trong các bớc sau:
Bớc 1: Phân lớp lu lợng dựa trên các tiêu chí định trớc hay của ngời dùng. Bớc 2 : Cấu hình các chính sách QoS cho mỗi lớp dịch vụ trên thiết bị. Bớc 3 : áp đặt chính sách QoS lên một giao diện cụ thể của router.
Bớc đầu tiên khi thực hiện QoS là phân loại lu lợng tại các router biên. Tiêu chí để phân loại có thể dựa trên giá trị IP header nh : dải địa chỉ IP, mức u tiên IP, DSCP (DiffServ Code Points), CoS ( Class of Service ), hoặc mới nhất là bit EXP của gói MPLS.
Tiếp đó, router tiến hành đánh dấu các gói thuộc về một lớp nhất định bằng cách gắn cho gói một thông số đặc biệt. Thông số này sẽ đợc các router tiếp theo dùng để phân loại lu lợng.
a. Mối quan hệ giữa IP Precedence, DSCP và ToS
Hình 3.18 : Mối quan hệ giữa ToS, IP Precedence và DSCP.
Hình 3.18 cho thấy cấu trúc của gói IP v4 với trờng ToS – 8 bit. Trong mạng IP truyền thống, trờng này đợc dùng để xác định QoS.
Nhng với sự ra đời của mô hình QoS Diff – Serv thì nó đợc thay thế bằng IP Precedence hoặc DSCP. 3 bit đầu tiên của trờng ToS đợc chuyển thành giá trị IP Precedence ấn định cho gói IP. Dới đây là một số giá trị IP Precedence:
IP Precedence Value Binary Value Priority 0 000 Routine 1 001 Priority 2 010 Immediate 3 011 Flash 4 100 Flash Override 5 101 Critical 6 110 Internetwork Control 7 111 Network Control Hình 3.19 : Một số giá trị IP Precedence
Các giá trị IP Precedence quan trọng nhất là Critical ( cho lu lợng VoIP hoặc các lu lợng nhạy cả với trễ / thời gian thực), Flash Overrides ( dành cho lu lợng video), Flash Priorities. Các loại lu lợng khác thờng đợc ấn định là best – effort ( mức 0).
DSCP là sự mở rộng của IP Precedence (thêm các trờng Delay, Throughput, và Reliability ). DSCP có độ dài 6 bit và hoạt động nh 6 bit đầu tiên của ToS. Bit reliability không còn đợc dùng nữa và thờng đợc thiết lập 0. Hai bit Delay và Throughput gộp chung thành drop probability.
Drop Probability Value
Drop Probability Value
Medium drop 10
High drop 11
Hình 3.20 : Các giá trị drop probability trong DSCP
DSCP cung cấp QoS rõ ràng hơn vì dành đến 6 bit thay vì chỉ 3 bit nh IP Precedence and ToS. DSCP thờng phân ra hai lớp phổ biến là AF (assured forwarding) và EF (expedited forwarding). Nh chỉ rõ dới đây, lớp EF có trờng IP Precedence = 5, thờng dành cho các dữ liệu thời gian thực, yêu cầu đờng leased – line với các thông số trễ, jitter...chặt chẽ. Có 4 lớp AF với trờng IP Precedence lần lợt là 4, 3, 2, 1. Trong mỗi lớp AF lại tiếp tục đợc phân ra 3 mức tuỳ thuộc vào tr- ờng Drop. Ví dụ: AF41 (low drop), AF42 (medium drop), AF43 (high drop). Ngời quản trị mạng sẽ quyết định dùng lớp AF nào để tải lu lợng và cấu hình cho các router để phân bổ tài nguyên cho lớp đó.
Hình 3.21: EF và AF
Khi dữ liệu đi từ miền IP vào miền MPLS, IP QoS cần phải đợc chuyển đổi sang MPLS QoS bằng cách copy các bit IP Precedence vào trờng EXP trong nhãn của gói MPLS. Tuy nhiên với gói IP sử dụng phơng pháp đánh dấu bằng các bit DSCP thì công việc của ngời quản trị mạng sẽ khó khăn hơn vì sẽ có nhiều lớp con AF cùng ánh xạ vào một nhãn.
3.6.1.3. Điều khiển tắc nghẽn và sắp xếp lu lợng
Một thuật ngữ thờng đợc dùng trong QoS là hàng đợi. Cisco đa ra một loạt các chiến lợc hàng đợi ( priority queuing (PQ), custom queuing (CQ), weighted fair queuing (WFQ), class-based weighted fair queuing (CBWFQ), low latency queuing (LLQ) ) để quản lý tài nguyên khi tắc nghẽn xảy ra. Trong một mạng truyền thống, quá trình chuyển tiếp từ một mạng LAN (10/100/1000Mbps) ra mạng WAN có thể khiến cho gateway rơi vào tình trạng nghẽn cổ chai. Trong những trờng hợp nh vậy, ngời ta phải cấu hình thuật toán hàng đợi cho gateway ở biên mạng.
Điều khiển tắc nghẽn là quá trình xử lý các gói tin hàng đợi trên router sao cho đảm bảo các gói có mức u tiên cao đợc truyền đi trớc.
Tránh tắc nghẽn là thủ tục loại bỏ các gói đến sau khi hàng đợi đã bị đầy.
3.6.1.4. Mô hình Diff Serv–
Mô hình Diff – Serv (phân loại dịch vụ) là mô hình hỗ trợ QoS trong mạng IP. Sự kết hợp giữa MPLS và Diff – Serv mang lại cho mạng đờng trục của các ISP nhiều tính năng hấp dẫn.
Mô hình này sử dụng các loại tuyến LSP khác nhau nh:
• E LSP– : là tuyến mà việc phân loại lu lợng đợc quyết định chỉ bởi trờng EXP. Do đó có thể có đến 8 lớp DiffServ cùng đợc truyền trên một E – LSP.
• L LSP– : tuyến mà việc phân loại lu lợng đợc quyết định bởi EXP và nhãn, thờng đợc các mạng ATM MPLS sử dụng. Một L – LSP chỉ mang một lớp DiffServ tại một thời điểm.
• Uniform Tunnel Mode : các thay đổi đối với các giá trị IP Precedence, DSCP hay MPLS EXP khi gói đi qua mạng sẽ đợc duy trì cho đến phía nhận. Nh mô hình dới đây:
Hình 3.22: Mô hình Uniform
1. Một gói tin có DSCP=3 đến LSR A. Nó đợc gán nhãn và router copy giá trị DSCP vào trờng EXP của nhãn.
2. Gói đợc forward đến LSR B. Router phân loại lại gói vào một lớp khác và gán EXP=4.
3. Router áp chót LSR C tách nhãn và copy giá trị EXP vào tr- ờng ToS của gói IP.
4. LSR E nhận gói IP với DSCP=4.
• Pipe Tunnel Mode : khác với Uniform mode, những thay đổi đối với DSCP sẽ không đợc lu lại.
Hình 3.23: Mô hình Pipe Tunnel 3.6.2. Điều khiển l u l ợng trong MPLS
Kĩ thuật điều khiển lu lợng là quá trình điều khiển các luồng lu lợng qua mạng backbone để tối u hoá hệ số sử dụng tài nguyên (băng thông) và hiệu suất mạng. Bài toán này xuất phát từ thực tế là băng thông mạng là có hạn và cần đợc sử dụng một cách có hiệu quả nhất.
Việc điều khiển lu lợng trong mạng IP gặp phải một số khó khăn sau:
• Tắc nghẽn đờng truyền : dữ liệu không thể truyền trên đờng IGP tốt nhất do đã có quá nhiều luồng cùng đi trên tuyến đó. Trong khi đó, các tuyến khác thì lại không đợc sử dụng. Chẳng hạn nh ở hình dới đây: nếu theo thuật toán IGP tìm đờng đi ngắn nhất (qua ít hop nhất) từ A đến E thì tuyến A – C – D – E sẽ không bao giờ đợc sử dụng. Các gói luôn phải đi theo tuyến A – B – E, dẫn đến tắc nghẽn khi lu lợng tăng cao.
Hình 3.24: Bài toán tắc nghẽn
• Trong trờng hợp trên, nếu áp dụng TE thì cần phải thay đổi các tham số IGP nh thay đổi tham số cost của tuyến A – C – D – E bằng với đờng A –