Phân tích kỹ phương pháp chuyển mạch nhãn truyền thống, chúng ta sẽ tìm hiểu về ưu và nhược điểm việc định vị nhãn trong ngăn giao thức mạng. Tất cả các kiến trúc mạng hiện nay như MPLS, vị trí nhãn là một lớp nằm giữa lớp 2 và lớp 3
33
(lớp shim). Lý do chính này tạo thành một sự độc lập về kiến trúc của giao thức mạng. Sự độc lập cho phép nhiều giao thức mạng và lưu lượng được hỗ trợ trên một cơ sở hạ tầng mạng.
Tuy nhiên, theo thuật ngữ phương tiện ngắn hạn (short-medium), các phương pháp chuyển mạch nhãn như là các giải pháp trên môi trường mạng hiện nay đó là môi trường tồn tại nhiều loại lưu thông mạng kế thừa. Theo thuật ngữ phương tiện dài hạn (medium-long), IP được xem là chiếm ưu thế về lưu thông mạng trong một vài năm tới. Vậy một câu hỏi được đặt ra là tại sao không thiết kế một kiến trúc chuyển mạch nhãn đặc biệt cho IP ?
Một khái niệm mới của chuyển mạch nhãn trên IP (LSOIP) là vị trí của lớp
shim nằm giữa lớp 3 và lớp 4. Hình 1.4.1 cho thấy sự khác nhau về vị trí giữa MPLS và APLS.
Ưu điểm của LSOIP:
LSOIP giữ nguyên ưu điểm của các trường header IP, vì vậy không cần có trường mào đầu (overhead) dư thừa như trong giao thức IP trên môi trường ATM/MPLS; Ví dụ: trường TTL, DSCP, checksum có thể bỏ qua.
Các kiến trúc LSOIP cho phép cùng tồn tại lưu lượng IP với lưu lượng chuyển mạch nhãn trong cùng cơ sở hạ tầng mạng. Việc cùng tồn tại giữa 2 lưu lượng trên rất có lợi trong việc triển khai và chuyển giao lưu lượng từ IP sang LSOIP. Với ưu điểm này mạng trở nên rất mạnh cũng như rất mạnh trong trường hợp có lỗi. Ví dụ, nếu một LSP bị lỗi đang thiết lập lại thì lưu lượng vẫn có thể truyền đi nhờ sử dụng hệ thống chuyển tiếp IP. MPLS hỗ trợ đặc điểm cùng tồn tại qua việc sử dụng một nhãn giả để phân phát gói tới module định tuyến IP. Điều này cần có hỗ trợ đặc biệt và cấu hình các bộ định tuyến MPLS như thế nào để có thể phát hiện các bộ định tuyến bên cạnh là bộ định tuyến MPLS hay bộ định tuyến IP và cũng cần thêm phần mào đầu cho nhãn
IP trở thành giao diện mạng chung và hướng tới chấp nhận mô hình phương tiện dài hạn của các giao thức Internet.
Nhược điểm chính của LSOIP là chỉ hỗ trợ IP. Tuy nhiên, nhược điểm này chỉ đối với phương tiện ngắn hạn vì một số nguyên nhân sau:
34
Trong tương lai gần IP đang chiếm ưu thế trên mạng
Lưu lượng mạng kế thừa có thể chạy trên LSOIP với mào đầu bổ sung cho một header IP giả, nhưng khi các mạng này đang dần dần không còn sử dụng và tỷ lệ lưu lượng trên mạng không đáng kể thì phần mào đầu này chỉ là tạm thời và rất nhỏ
Vì vậy, LSOIP giữ một vai trò đáng kể trong Internet thế hệ tiếp theo
1.4.2.2. Không gian nhãn ảo (Virtual Label Space)
Nhãn của MPLS gồm không gian nhãn và các trường bổ trợ khác. Không gian nhãn rất quan trọng trong các bảng chuyển tiếp của các bộ chuyển mạch nhãn (LSR). MPLS sử dụng không gian nhãn có cấu trúc không hoàn toàn tuyệt đối và vì vậy không gian nhãn được xem là không gian nhãn phẳng.
SID (24 bits) AID (16 bits) FID (16 bits)
64 bits
APLS Label Specification
S flag (1 bit) EXP (7 bits)
SID (24 bits) AID (16 bits) FID (16 bits)
64 bits
APLS Label Specification
S flag (1 bit) EXP (7 bits)
Hình 1.4.2. Nhãn của APLS
Trong APLS, chúng ta hình dung là một mạng giao quyền điều khiển chuyển tiếp cho các nhà cung cấp dịch vụ. Điều này dẫn tới một khái niệm không gian nhãn ảo (VLS). VLS chia không gian nhãn thành 3 phần như trong hình 1.4.2. 8 bit đầu tiên của nhãn APLS là các trường bổ trợ, trong đó 1 bit cho cờ cuối cùng và 7 bit cho sử dụng thí nghiệm. 56 bit còn lại gồm Service ID (SID), Aggregate ID (AID), Flow ID (FID):
SID: Mỗi nhà cung cấp dịch vụ đăng ký với nhà cung cấp mạng APLS để nhận một dạng dịch vụ duy nhất SID, SID bao trùm trong vùng APLS và không được chuyển tiếp giữa các LSR. SID là phương pháp nhận dạng nhà cung cấp dịch vụ và các quyền được liên kết. SID 0 là lưu lượng chung của nhà cung cấp mạng
AID: (nhận dạng kết hợp) làm việc giống như cách mà VPI trong ATM thực hiện cho mục đích chuyển tiếp kết hợp
35
FID: nhận dạng luồng dữ liệu, nhận dạng duy nhất một luồng dữ liệu trong một tập hợp luồng dữ liệu
Toàn bộ không gian nhãn của mạng bao gồm AID và FID, còn SID chỉ là một số để nhận dạng. Nhà cung cấp dịch vụ điều khiển không gian nhãn ảo còn nhà cung cấp mạng điều khiển không gian nhãn thực bao gồm SID, AID, và FID
Mục đích của SID là cho phép việc điều khiển chuyển mạch nhãn được uỷ quyền cho nhà cung cấp dịch vụ (nhà cung cấp dịch vụ có thể điều khiển mọi LSR)
Chuyển tiếp kết hợp [6]: APLS sử dụng một trường trong không gian nhãn đó là AID cho chuyển tiếp kết hợp. Khái niệm này về cơ bản là giống như VPI trong ATM. Ý tưởng là nhóm logic các luồng với nhau (các luồng với cùng AID và SID) và chuyển tiếp chúng như một luồng kết hợp. LSR thực hiện chuyển tiếp kết hợp chỉ thao tác với trường SID và trường AID, vì vậy giảm được một tập các công việc nhãn và giảm được thời gian tìm kiếm. Hình 1.4.3 minh hoạ hoạt động của chuyển tiếp kết hợp
Hình 1.4.3: Chuyển tiếp kết hợp APLS dùng AID
Trong ví dụ này, một gói IP hướng tới mạng 192.0.1.0 vào APLS tại bộ chuyển mạch biên nhãn A (LER A). LER A chuyển gói tới FEC và chỉ ra LSP sử dụng. Nhãn trong APLS được biểu diễn bởi 3 số thập phân cách nhau bởi dấu chấm phẩy. 3 số đó là SID, AID và FID. LER A bổ sung nhãn 1:2:1 tới gói và chuyển tiếp
36
nó tới LSR B. Tại LSR B thực hiện tìm kiếm và trao đổi nhãn với 1:4:7 và chuyển tiếp gói về phía LSR C. Xem xét LSR C như một điểm nóng về lưu lượng thuộc SID 1. Vì vậy nhà cung cấp của SID 1 cấu hình LSR C để thực hiện chuyển tiếp kết hợp cho SID 1. LSR C chỉ dùng phần SID và AID của nhãn để tra cứu thông tin và chỉ trường AID được trao đổi. Khi 1:4 được ánh xạ tới 1:3 trong bảng kết hợp, lúc này gói sẽ có nhãn 1:3:7 để rời khỏi LSR C. Khi gói tới được LER D, lúc này gói đã ra khỏi mạng APLS. Chú ý rằng không có bất kỳ LSR nào trong mạng thay đổi SID trong nhãn và tất cả các LSR không tích hợp trao đổi cả 2 AID và FID.
Mặc dù nhãn của APLS lớn hơn MPLS nhưng APLS vẫn có khả năng cao hơn trong việc mở rộng và kiểm soát tại vị trí của nhà cung cấp dịch vụ.
1.4.2.3. Kiến trúc các lệnh nhỏ (Micro-Instructions)
APLS, LSR và LER đều phải thực hiện các thao tác tại nhãn để cùng nhau tạo thành tính chất của chuyển tiếp nhãn, các thao tác này có thể chia thành nhiều thao tác cơ bản hơn và các thao tác cơ bản này được gọi là các lệnh nhỏ (micro- instructions).
Một tập các lệnh nhỏ cơ bản ghép lại cùng nhau thành các thao tác chuyển tiếp nhãn, tập các lệnh nhỏ bao gồm:
POP: lấy một nhãn từ đỉnh của ngăn xếp nhãn
PUSH: đẩy một nhãn vào đỉnh của ngăn xếp nhãn
FWD: chuyển tiếp gói tới giao diện mạng
DLV: phân phát gói tới lớp IP
Tuần tự các lệnh nhỏ hình thành các thao tác nhãn chuẩn như sau:
Chuyển mạch lõi: Đây là thao tác của các LSR tại lõi. Đầu tiên, LSR lấy nhãn ra khỏi đỉnh ngăn xếp nhãn của gói và sau đó dùng nhãn để tìm thông tin chuyển tiếp, kết quả lối ra chuyển tiếp chứa nhãn đi ra và giao diện mạng sử dụng. Tiếp theo LSR đẩy nhãn đi ra vào ngăn xếp nhãn và chuyển gói tới giao diện mạng. Vì vậy tuần tự của các lệnh nhỏ là POP, PUSH và FWD.
Chuyển mạch đầu vào: Đây là thao tác của các gói vào các mạng APLS. LER đầu vào quyết định FEC nào sử dụng cho một gói IP đang đến (quyết định
37
định tuyến). FEC chỉ định dùng LSP nào bao gồm nhãn đầu ra và thông tin giao diện mạng. LER sẽ đẩy nhãn đầu ra vào ngăn xếp nhãn của gói và chuyển mạch gói tới giao diện mạng. Vì vậy tuần tự là PUSH và FWD.
Chuyển mạch đầu ra: Đây là thao tác của các gói đã tới được đích của LSP. Trước tiên LER lấy nhãn rời khỏi đỉnh của ngăn xếp nhãn của gói và phân phát gói tới lớp IP cho việc định tuyến hoặc chuyển tiếp IP. Vì vậy tuần tự là POP và DLV.
Chặng truyền cuối: LSR cuối xem xét LSP từ LSR đầu tiên đến LER đầu ra. Thao tác của chặng truyền cuối giống như chuyển mạch lõi ngoại trừ không có nhãn nào được đẩy vào ngăn xếp nhãn của gói. Vì vậy tuần tự POP và FWD.
1.4.2.4. Chuyển tiếp dựa vào chính sách nhỏ (Micro-policy-based)
APLS đề xuất phương pháp chuyển tiếp và định tuyến đa đường dẫn linh hoạt. Định tuyến đa đường dẫn được thiết lập bằng cách ánh xạ nhiều hơn một LSP thành một lớp chuyển tiếp tương đương (FEC). Còn chuyển tiếp đa đường dẫn được thiết lập bằng cách ánh xạ nhiều hơn một nhãn đầu ra tới một nhãn đầu vào trong một LSR.
APLS đưa ra cách sử dụng các chính sách nhỏ (MP) cho việc lựa chọn một đường dẫn trên nền của mỗi gói. Nếu có đa đường dẫn cùng tồn tại thì MP sẽ được dùng để quyết định đường dẫn cho mỗi gói. Mỗi quyết định theo gói cho phép kiểm soát kỹ nhưng MP phải có trọng số nhỏ đủ để chạy tại tốc độ dây. Các ví dụ về MP như sau:
Liệt kê đầu tiên (First in List): Chính sách này có ích khi dự phòng các đường chuyển mạch nhãn (LSP) cùng tồn tại nhưng chỉ một LSP được sử dụng tại một thời điểm.
Round Robin: Đây là một cơ chế cân bằng tải đơn giản
QoS: Sử dụng một số bit EXP trong nhãn APLS để quyết định dùng LSP nào
Statistical: Dùng dữ liệu thống kê về LSR hoặc các LSP để quyết định sử dụng đường dẫn nào. Đây là một nền căn bản rất mạnh cho khả năng đáp ứng chuyển tiếp động
38
Broadcast: Sử dụng tất cả các nhãn đi ra cho multicast
1.4.3. Kiểm soát APLS
APLS đưa ra một phương pháp chuyển tiếp với mức độ kiểm soát và linh hoạt cao nhưng yêu cầu phối hợp hoạt động với các thành phần khác để hình thành một mạng trọn vẹn. Một thành phần thiết yếu là kiến trúc kiểm soát chịu các trách nhiệm như phân phối nhãn / định tuyến, để dành tài nguyên, và kiểm soát lưu lượng.
Các nhà cung cấp dịch vụ sử dụng DP-LDP (LDP dựa vào chính sách quyết định) để tạo ra các quyết định dựa vào nhãn.
Trong DP-LDP, chính sách quyết định kết hợp với VLS để tạo ra các quyết định về phân phối nhãn cho VLS và chấp nhận nhãn. Nhà cung cấp dịch vụ có thể lựa chọn chính sách nào đó để gán cho VLS. Nếu DP-LDP sử dụng cho APN thì các nhà cung cấp dịch vụ có thể tuỳ chỉnh theo chính sách riêng của họ.
Một phương pháp khác được đưa ra, đó là đưa ra nhiều kiến trúc điều khiển chạy trên cùng LSR. Điều này cho phép các nhà cung cấp dịch vụ có thể triển khai kiến trúc điều khiển riêng cho VLS nhưng việc xử lý (CPU và bộ nhớ) và nguồn tài nguyên (băng thông) sẽ rất nặng do đó đã hạn chế khả năng mở rộng, vì thế chỉ các nhà cung cấp dịch vụ có quyền mới được phép triển khai kiến trúc điều khiển riêng của họ. Các nhà cung cấp mạng lựa chọn hỗ trợ một tập các kiến trúc điều khiển còn mỗi nhà cung cấp dịch vụ chỉ lựa chọn một kiến trúc điều khiển dùng cho VLS, vì vậy trong mô hình này nhiều nhà cung cấp dịch vụ cùng chia sẻ một tập các kiến trúc điều khiển.
1.4.4. APN trên APLS
Mạng lập trình tích cực (Active Program Network-APN) là một loại hình dịch vụ mới có độ linh hoạt và khả năng kiểm soát được nâng cao lên. Trên mạng APN cho phép thực hiện các tính toán đặc biệt, tính toán này có thể chế tác các nội dung dữ liệu hoặc thay đổi cách chuyển tiếp (forwarding).
Chúng ta sẽ xem một mô hình mạng nơi có một số lưu lượng có đặc quyền cho việc tính toán khả năng mở rộng ít, trong khi đó phần lưu lượng còn lại được hạn chế để sử dụng cho các cơ cấu APLS có khả năng mở rộng cao. Chúng ta sẽ chia ra
39
làm 2 phần: phần 1 thảo luận về các phương pháp khác nhau được dùng để hỗ trợ APN trên APLS, phần 2 tập trung vào mô hình mạng APN trên APLS.
1.4.4.1. APLS hỗ trợ APN
Bằng cách tạo một lệnh nhỏ (micro-instruction) mới gọi là i-APN sẽ cung cấp các giao diện APLS tới APN qua AMIA . i-APN thông báo cho APLS các gói của LSP để xử lý trong LSR. Khi đưa i-APN vào dãy các lệnh nhỏ để hình thành hoạt động nhãn thì cấu trúc i-APN được kết hợp với một bộ điều khiển APN. Bộ điều khiển này sẽ xác định gói nào cần yêu cầu tính toán đặc biệt và nếu cần thì môi trường thực hiện (EE) nào sẽ được dùng. Môi trường thực hiện có thể được xem như các môi trường xử lý các công nghệ APN khác nhau hoặc các trường hợp khác nhau của cùng công nghệ APN.
Hình: 1.4.4: APN hỗ trợ trong AMIA
Phương pháp hướng LSP kết hợp các APN trên nền mỗi LSP và LSR. Phương pháp này lấy những ưu điểm về khả năng mở rộng của LSP và yêu cầu một giao thức đặc biệt để thiết lập LSP trong các LSR để thực hiện tính toán đặc biệt, ví dụ giao thức này sẽ thiết lập i-APN vào các LSR trên LSP đã được lựa chọn. Hình 1.4.4 minh hoạ APN trên APLS sử dụng phương pháp hướng LSP. Đối với mỗi
40
LSR trên LSP được chọn để thực hiện tính toán APN đặc biệt, thì i-APN được cài vào chuỗi hướng dẫn nhỏ của nhãn cho LSR đó. Chuỗi cho LSR B lõi sẽ là : i-APN, PUSH, FWD. Chuỗi này có nghĩa là APN sẽ thực hiện một số nội dung thao tác nhưng không chèn lên cách chuyển tiếp APLS. LSR C chỉ có một hướng dẫn nhỏ i- APN, điều đó có nghĩa là APN sẽ chèn lên cách chuyển tiếp và vì vậy sẽ chuyển tiếp chính gói đó.
Cũng có thể hỗ trợ các phương pháp mỗi chặng (per-hop) như ANEP (Active Network Encapsulation Protocol). Để hỗ trợ ANEP, mọi hoạt động nhãn phải bao gồm i-APN, i-APN yêu cầu một bộ kiểm soát hiểu được ngôn ngữ của các cách tiếp cận cụ thể, ví dụ một bộ kiểm soát mà hiểu ANEP thì nhìn vào trường nhận dạng giao thức của IP để kiểm tra các gói ANEP. Nếu gói là ANEP thì gói sẽ được chuyển tới module ANEP sau đó module này sẽ xử lý gói và gói sẽ được chuyển nhãn như thông thường.
1.4.4.2. Mô hình mạng APLS
Trong mô hình mạng APLS, các chức năng then chốt của nhà cung cấp mạng (NP) là hoạt động và duy trì cơ sở hạ tầng nguồn tài nguyên mạng. Cơ sở hạ tầng này có thể bao gồm các nguồn tài nguyên QoS truyền thống như là băng thông hoặc các nguồn tài nguyên mới hơn như là CPU và không gian bộ nhớ trong các router (bộ định tuyến) cho APN. Nhà cung cấp mạng trong mô hình này cũng có thể là nhà cung cấp các tiện ích tài nguyên (RF) tại biên của mạng để hỗ trợ các tính toán có khối lượng lớn.
Các nhà cung cấp dịch vụ (SP) được cung cấp sự kiểm soát cho các VLS, vì vậy các SP bây giờ có thể kiểm soát các định tuyến và chuyển tiếp lưu lượng riêng của họ. Bằng cách thuê các nguồn tài nguyên từ nhà cung cấp mạng, các nhà cung cấp dịch vụ có thể nhóm các tài nguyên lại với nhau để tạo dịch vụ. Ví dụ, một nhà cung cấp dịch vụ chơi game trực tuyến có thể khởi tạo một dịch vụ mới trong mạng