Không nhƣ cách thức định tuyến truyền thống, MPLS sử dụng các nhãn để chuyển đi lƣu lƣợng xuyên qua các miền (domain) MPLS. Khi các gói tin đi vào domain MPLS, các nhãn đƣợc gán vào các gói tin, và mỗi nhãn (không phải header IP) xác định chặng tiếp theo. Các nhãn sẽ đƣợc loại bỏ tại lối ra của mối domain MPLS. Khi một gói tin có gán nhãn đến một bộ định tuyến chuyển mạch nhãn LSR (Label Switching Router), nhãn đến sẽ xác định đƣờng dẫn của gói tin này trong mạng MPLS. Việc hƣớng tiếp đi theo nhãn MPLS sẽ thay thế nhãn này bằng một nhãn ra thích hợp và gửi gói tin đến chặng tiếp theo.
Các nhãn đƣợc gán vào các gói tin dựa trên việc phân nhóm hoặc theo các lớp tƣơng đƣơng chuyển hƣớng đi FEC (Forwarding Equivalence Classes). Các gói tin thuộc về cùng một lớp FEC sẽ đƣợc xử lý nhƣ nhau. Hệ thống hƣớng đi và tra cứu MPLS cho phép phƣơng thức định tuyến điều khiển xác định (Explicit Control Routing), dựa trên cơ sở địa chỉ nguồn và đích, cho phép triển khai các dịch vụ IP mới trên mạng. Chuyển mạch nhãn đã từng đƣợc sử dụng cho kỹ thuật chuyển đi. ATM sử dụng cùng một kỹ thuật để hƣớng đi gói tin thông qua trƣờng nhận dạng kênh ảo/ đƣờng dẫn ảo VPI/VCI mà không cần quan tâm đến tải (payload) IP.
Hình 3-2: Header chèn MPLS
Tiêu chuẩn MPLS đƣợc IETF phát hành, phát triển từ chuyển mạch nhãn Cisco (Cisco Tag Switching). IETF khuyến nghị sử dụng chuyển mạch nhãn dựa trên các header chèn 32 bit bao gồm nhãn kích thƣớc 20 bit, trƣờng Exp 3 bit, trƣờng Stack 1 bit, trƣờng TTL 8bit nhƣ trên hình 3-2.
Trƣờng stack 1 bit sử dụng để chỉ thị rằng đã đến đáy của stack sử dụng trong trƣờng hợp các nhãn đƣợc tổ chức theo ngăn xếp (tức là MPLS-VPN hoặc bảo vệ tuyến kết nối). Các bit Exp sử dụng để mang thông tin liên quan đến chất lƣợng dịch vụ. Các nhãn đƣợc chèn thêm vào giữa header lớp 2 vào lớp 3 hoặc trong trƣờng VCI/VPI trên các mạng ATM nhƣ hình 3-3.
3.2.1 Thiết kế lưu lượng MPLS
Mặc dù chuyển mạch nhãn cung cấp các công nghệ nền cho việc hƣớng đi gói tin thông qua các mạng MPLS, thì cũng không thể cung cấp tất cả các thành phần để hỗ trợ thiết kế lƣu lƣợng nhƣ là chính sách thiết kế lƣu lƣợng. Thiết kế lƣu lƣợng TE (Traffic Engineering) nhằm đến quá trình lựa chọn các đƣờng dẫn đƣợc chọn bởi lƣu lƣợng dữ liệu để thuận tiện cho các quá trình khai thác mạng tin cậy và hiệu quả, trong khi tối ƣu đồng thời việc sử dụng có hiệu quả tài nguyên và hiệu suất thực hiện lƣu lƣợng. Mục đích của TE đó là tính toán đƣờng dẫn từ nút này đến nút kia sao cho đƣờng dẫn đó không vi phạm các ràng buộc nhƣ các yêu cầu về quản trị/băng thông và là tối ƣu theo một số thƣớc đo vô hƣớng. Một khi đƣờng dẫn đã đƣợc tính, TE có trách nhiệm cho việc thiết lập và duy trì trạng thái hƣớng đi kèm theo đƣờng dẫn đó.
Các thành phần thiết kế lưu lượng
Bộ định tuyến có khả năng hỗ trợ MPLS đƣợc gọi là bộ định tuyến chuyển mạch nhãn LSR. Bộ định tuyến LSR đứng trƣớc bộ định tuyến LSR cuối cùng trong một mạng MPLS đƣợc gọi là chặng áp chót. Mỗi đƣờng dẫn MPLS đầu cuối – đầu cuối đƣợc gọi là đƣờng dẫn chuyển mạch nhãn LSP (Label Switching Path). Mỗi đƣờng dẫn LSP bắt đầu tại bộ định tuyến LSR đầu và kết thúc tại bộ định tuyến cuối.
Các giao thức định tuyến gateway bên trong IGP (Interior Gateway Protocol) không đủ khả năng cho việc thiết kế lƣu lƣợng. Quyết định định tuyến hầu hết là dựa trên các thuật toán đƣờng dẫn ngắn nhất mà nói chung sử dụng các thƣớc đo thêm vào nhƣng không tính đến mức độ còn dƣ băng thông hoặc đặc tính lƣu lƣợng. Cách dễ nhất để cung cấp các tính năng này đó là sử dụng mô hình xếp chồng (overlay) cho phép các topology ảo trên đỉnh của mạng vật lý. Mỗi topology ảo đƣợc xây dựng từ các đƣờng kết nối ảo hiện ra nhƣ là các đƣờng kết nối vật lý theo giao thức định tuyến. Hơn nữa, mô hình xếp chồng còn có những khả năng cung cấp:
- Định tuyến trên cơ sở ràng buộc
- Khả năng tồn tại của các đƣờng kết nối vật lý...
Các khả năng này cho phép di chuyển dễ dàng lƣu lƣợng từ đƣờng kết nối bị nghẽn sang đƣờng kết nối ít nghẽn hơn. MPLS là một mô hình xếp chồng sử dụng bởi TE, nó cung cấp:
- Các đƣờng dẫn chuyển mạch nhãn xác định không bị ràng buộc nhƣ các giao thức định tuyến IGP truyền thống.
- Các đƣờng dẫn chuyển mạch nhãn LSP có thể đƣợc duy trì có hiệu quả - Các đƣờng trục lƣu lƣợng có thể đƣợc khởi tạo, và ánh xạ vào các đƣờng
dẫn LSP.
- Một tập các thuộc tính có thể liên quan đến các đƣờng trục lƣu lƣợng - Tập các thuộc tính có thể liên quan đến các tài nguyên mà ràng buộc việc
sắp đạt các đƣờng dẫn LSP và đƣờng trục lƣu lƣợng đi qua chúng.
MPLS cho phép cả việc tập hợp và phân tán lƣu lƣợng khi mà việc hƣớng đi gói tin IP, dựa trên cơ sở đích, chỉ cho phép tập hợp. ―Định tuyến trên cơ sở ràng buộc‖ và bảo vệ đƣờng trục có thể tích hợp dễ dàng trong MPLS. Các thành phần sau có tác động đến việc hỗ trợ quá trình TE:
- Phân tán thông tin – gửi thông tin về topology mạng và các ràng buộc gán liền với các tuyến kết nối (tức là băng thông).
- Thuật toán lựa chọn đƣờng dẫn – tính toán và lựa chọn các đƣờng tốt nhất thỏa mãn các ràng buộc.
- Khởi tạo tuyến – sử dụng giao thức RSVP- TE mở rộng để báo hiệu khởi tạo các đƣờng dẫn chuyển mạch LSP.
- Điều khiển chấp nhận đƣờng kết nối – quyết định đƣờng hầm nào có thể có tài nguyên.
- Điều khiển TE – thiết lập và duy trì các đƣờng trục. - Hƣớng dữ liệu dọc theo đƣờng dẫn
Việc phân tán thông tin trong TE phụ thuộc vào các giao thức IGP để phân tán/tràn ngập dữ liệu liên quan đến tài nguyên còn dôi dƣ của các tuyến kết nối bao gồm băng thông (phân cấp từ 0 đến 7), các thuộc tính đƣờng kết nối,...Việc phân tán thông tin thực hiện trên mỗi LSR theo chu kỳ hoặc theo sự kiện nào đó nhƣ thay đổi băng thông, cấu hình đƣờng kết nối, hỏng hóc.
Thuật toán trên cơ sở ràng buộc sử dụng để tìm đƣờng dẫn tốt nhất cho mỗi đƣờng hầm LSP. Nó là đƣợc sắp đặt bởi bộ định tuyến phía đầu của đƣờng hầm chỉ khi cần một đƣờng hầm mới hoặc đƣờng dẫn chuyển mạch nhãn của đƣờng trục hiện có bị hỏng hoặc cần tối ƣu lại đƣờng trục hiện có.
Bộ định tuyến phía đầu sẽ bắt đầu quá trình báo hiệu khởi tạo đƣờng dẫn ngắn nhất có ràng buộc – tức là một LSP. Thiết lập đƣờng dẫn dựa trên các bản
tin RSVP-TE. Một giao thức khác đó là CR-LDP cũng đƣợc sử dụng cho việc báo hiệu khởi tạo đƣờng. Tuy nhiên LDP hoạt động theo kiểu connectionless, do vậy trong nhiều trƣờng hợp để đảm bảo chất lƣợng dịch vụ, giao thức RSVP đƣợc sử dụng thay thế.
3.2.2 Hồi phục đường hầm
Độ tin cậy của mạng là phần bắt buộc đối với mạng tốc độ cao, đảm bảo chất lƣợng dịch vụ. Sự gián đoạn có thể xảy ra vì những lý do nhƣ tắc nghẽn trên đƣờng LSP nào đó, đƣờng kết nối hỏng, nút mạng hỏng hoặc thay đổi quản trị trên một LSP nào đó. Một trong những tính năng phổ biến nhất của MPLS- TE là khả năng cung cấp lƣu lƣợng không bị gián đoạn qua một LSP. Bảo vệ đƣờng dẫn (path protection) có thể đạt đƣợc tại nhiều lớp khác nhau trong ngăn xếp giao thức:
- Lớp vật lý (nhƣ SONET với chiến lƣợc APS – Automatic Protection Switch).
- IP (nhƣ giao thức định tuyến IGP, BGP thay đổi chặng kế tiếp nếu có thay đổi về topology)
- MPLS (thực hiện bởi bộ định tuyến phía đầu tùy thuộc vào sự thay đổi topology)
- Trong ngữ cảnh đang xét là MPLS-TE, có một số lựa chọn việc hồi phục đƣờng dẫn:
- Định tuyến lại từ bộ định tuyến phía đầu (head-end reroute);
- Định tuyến nhanh lại trên cơ sở bảo vệ tuyến kết nối – Fast reroute (link protection);
- Định tuyến nhanh lại trên cơ sở bảo vệ nút – Fast reroute (node protection).
3.2.2.1 Định tuyến lại từ bộ định tuyến phía đầu
Quá trình này đƣợc tính đến khi có một trong hai sự kiện: thông báo từ RSVP-TE rằng đƣờng dẫn không còn duy trì đƣợc (tức là nghẽn) hoặc thông báo bởi IGP về sự thay đổi topology mạng. Phụ thuộc vào từng sự kiện, bộ định tuyến phía đầu sẽ xây dựng lại cơ sở dữ liệu TE mới sau khi cắt bỏ các tuyến kết nối hoặc các vùng hỏng, nghẽn, báo hiệu lại một đƣờng dẫn mới với kiểu ―shared-explicit‖. Kiểu này cho phép đƣợc dẫn mới đƣợc lập nên trên cơ sở có thể sử dụng một số tuyến kết nối cũ.
Do quá trình thực hiện định tuyến lại liên quan đến nhiều quá trình xử lý khác nhau nên thông thƣờng thời gian cho việc định tuyến lại theo phƣơng án này có thể lên đến vài giây. Thời gian tiêu tốn này không thích hợp cho một số
ứng dụng. Trong khi đó, MPLS FRR cung cấp cơ cấu bảo vệ nhanh hơn nhiều (dƣới 50ms, tuy rằng thời gian tổng cộng có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn 50ms còn tùy thuộc vào phần cứng, số lƣợng đƣờng hầm và số lƣợng mạng trong đó).
3.2.2.2 Bảo vệ tuyến kết nối FRR
FRR (Fast ReRoute) thiết lập thủ tục cho phép định tuyến lại xung quanh tuyến kết nối bị hỏng. Đƣờng dẫn LSP đƣợc định tuyến đến chặng tiếp theo sử dụng đƣờng hầm dự phòng đã đƣợc xác lập trƣớc. Đƣờng hầm dự phòng phải đƣợc cấu hình sao cho LSP có thể đến đƣợc bộ định tuyến phía dƣới ở chặng tiếp theo mà không đi qua tuyến kết nối đang hỏng. FRR cho việc bảo vệ tuyến kết nối chỉ phục vụ cho việc bảo vệ tuyến kết nối xác định.
Hình 3-4: Luồng gói tin/nhãn khi thực hiện FRR cho bảo vệ tuyến kết nối
Nhƣ hình 3-4 ở trên có thể thấy tuyến kết nối từ R2 sang R3 đƣợc dự phòng FRR. Khi xuất hiện sự cố trên tuyến kết nối R2 và R3, các gói tin đi từ R1 đến R6 sẽ đƣợc chuyển sang đƣờng dự phòng theo tuần tự R1, R2, R4, R3, R5, R6. Khi đó nhãn cho các gói tin từ R2 đến R3 đƣợc gán là 15 trong trƣờng hợp bình thƣờng sẽ đƣợc bảo toàn và đƣợc bao bởi nhãn 40 khi chuyển đến R4. Tại R4 nhãn 40 sẽ đƣợc loại bỏ và gói tin lại có nhãn 15 chuyển đến R3.
3.2.2.3 Bảo vệ nút FRR
Nhƣ hình 3-5 cho thấy đƣờng dẫn dịch vụ LSP là R1, R2, R3, R5, R6. Nếu kế hoạch bảo vệ nút R3 thực hiện thì có thể có các đƣờng dự phòng vòng qua nút R3 nhƣ sau: 1) R2, R4, R5, R3 hoặc 2) R2, R4, R5. Trong trƣờng hợp đầu, đƣờng dẫn LSP dự phòng sẽ là R1, R2, R4, R5, R3, R5, R6. tuy nhiên trong trƣờng hợp này đƣờng kết nối R3 và R5 lƣu lƣợng trên đó đã bị nhân đôi, vì vậy không phải là phƣơng án tối ƣu. Trƣờng hợp sau khi đƣờng dẫn dự phòng là R1, R2, R4, R5, R6 là tối ƣu và đƣợc gọi là ― dự phòng theo chặng tiếp-tiếp theo‖ hay bảo vệ nút. Bảo vệ nút thực sự là phức tạp hơn bảo vệ khi R2 cần phải biết về nhãn đƣợc sử dụng trên tuyến kết nối R3 và R5, khi R5 mong muốn nhận đƣợc nhãn chính xác dù thông qua đƣờng dự phòng. Việc sử dụng một đối tƣợng mở rộng Route Record sẽ cho phép R2 học đƣợc nhãn này.
3.2.3 Hỗ trợ chất lượng dịch vụ trong mạng MPLS
Có hai loại kiến trúc để bổ sung cho khả năng chất lƣợng dịch vụ QoS đó là các dịch vụ tích hợp (IntServ) và các dịch vụ phân biệt (DiffServ). Các dịch vụ IntServ duy trì chất lƣợng dịch vụ QoS đầu cuối – đầu cuối cho mỗi một hoặc một nhóm luồng (flow) với sự trợ giúp của giao thức RSVP. Trong mô hình DiffServ, mỗi gói tin khi vào mạng hỗ trợ DiffServ sẽ đƣợc nhóm lại thành một số nhỏ các lớp. Mỗi lớp có màu hoặc đƣợc đánh dấu liên quan (sử dụng các bit DSCP). Đây chính là việc phân loại gói tin có khả năng mở rộng và đảm bảo băng thông cũng nhƣ độ trễ xác định trong mạng lõi. Mỗi nút mạng trong mạng lõi sẽ đƣợc áp đặt các chính sách bỏ bớt hoặc xếp hàng khác nhau cho mọi gói tin, dựa trên dấu mà gói tin mang (xử lý theo từng chặng –PHB Per Hop Behavior)
3.2.3.1 MPLS kết hợpDiffServ
Trong kiến trúc MPLS và DiffServ, các gói tin đƣợc đánh dấu với DSCP sẽ đi vào mạng MPLS và phƣơng thức PHB là áp đặt bởi mọi LSR dọc theo đƣờng dẫn gói tin. Khi các LSR không biết chút nào về header IP, phƣơng thức PHB đạt đƣợc bằng cách xem xét các thông tin khác. Có hai cách tiếp cận thƣờng đƣợc sử dụng để đánh dấu lƣu lƣợng qua mạng MPLS trong vấn đề xử lý QoS. Trong phƣơng pháp thứ nhất, thông tin màu DiffServ đƣợc ánh xạ vào trƣờng EXP của header chèn MPLS. Trƣờng này cho phép đánh dấu lên đến 8 loại chất lƣợng dịch vụ so với 64 đối với trƣờng DSCP trong gói tin IP. Việc quản lý các gói tin (PHB) tại mỗi chặng trong mạng MPLS đƣợc làm dựa trên trƣờng EXP. Các đƣờng dẫn chuyển mạch nhãn LSP mà sử dụng cách tiếp cận này đƣợc gọi là E-LSP, ở đó thông tin QoS đƣợc lấy ra từ các bit EXP. Một
cách khác, mỗi nhãn liên quan với một gói tin MPLS mang một phần của dấu DiffServ mà xác định gói tin sẽ đƣợc xếp hàng nhƣ thế nào. Phần ƣu tiên bỏ bớt của dấu DiffServ đƣợc mang trong các bit EXP (nếu header chèn MPLS đƣợc dùng) hoặc trên trƣờng nào đó dùng cho mục đích này của công nghệ lớp dƣới (bit CLP mạng ATM hay bit DE trên mạng Frame Relay). Bộ định tuyến LSR đầu vào sẽ xem xét các bit DSCP trong header IP (tƣơng tự nhƣ các bít CLP/DE trong mạng ATM/FrameRelay) và lựa chọn một đƣờng dẫn LSP mà đã đƣợc cung cấp cho mức chất lƣợng dịch vụ QoS đó. Tại bộ định tuyến đầu ra, nhãn là đƣợc bỏ đi gói tin với các bit DSCP nhƣ ban đầu đƣợc gửi đến chặng IP tiếp theo. Các đƣờng dẫn chuyển mạch nhãn LSP sử dụng cách tiếp cận này gọi là các đƣờng dẫn L-LSP, ở đó thông tin về chất lƣợng dịch vụ đƣợc suy ra một phần từ nhãn MPLS.
TE không phân biệt các loại lƣu lƣợng. Để mang lƣu lƣợng dữ liệu và thoại trên cùng một mạng, có thể cần phải tính riêng mức độ lƣu lƣợng thoại đƣợc truyền trên mạng để cung cấp những đảm bảo khắt khe hơn về chất lƣợng dịch vụ.
3.2.3.2 Thiết kế lưu lượng TE nhận biết về DiffServ (DS-TE)
DS-TE không chỉ cho phép việc cấu hình trên vùng global cho việc tính đến băng thông mà còn cho phép cấu hình trên vùng phụ (sub-pool) hạn chế mà có thể sử dụng cho lƣu lƣợng mạng có mức độ phân cấp cao hơn nhƣ thoại hoặc các ứng dụng khác. Băng thông còn dƣ cả trên vùng global và vùng phụ hạn chế là đƣợc quảng cáo bởi IGP LSA hoặc TLV, đảm bảo rằng bộ định tuyến LSR có đƣợc thông tin về băng thông còn dƣ khi chấp nhận các đƣờng dẫn LSP mới cho thoại hoặc các lƣu lƣợng phân cấp cao. Với cách thức này, các nhà cung cấp dịch vụ, phụ thuộc vào thỏa thuận mức dịch vụ SLA có thể lựa chọn để đặt trƣớc nhỉnh hơn chút các lớp phân cấp thấp hoặc thậm chí đặt trƣớc thấp hơn lƣu lƣợng có độ ƣu tiên cao hơn để tƣơng thích với các yêu cầu