Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp viễn thông đã và đang tìm một phƣơng thức chuyển mạch có thể phối hợp ƣu điểm của IP (khả năng định tuyến) và của ATM (nhƣ thông lƣợng chuyển mạch). Mô hình IP-over-ATM của IETF coi IP nhƣ một lớp nằm trên lớp ATM và định nghĩa các mạng con IP trên nền mạng ATM. Phƣơng thức tiếp cận xếp chồng này cho phép IP và ATM hoạt động với nhau mà không cần thay đổi giao thức của chúng. Tuy nhiên, cách này không tận dụng đƣợc hết khả năng của ATM. Ngoài ra, cách tiếp cận này không thích hợp với mạng nhiều Router và không thật hiệu quả trên một số mặt.
Công nghệ MPLS (Multiprotocol label switching) là kết quả phát triển của nhiều công nghệ chuyển mạch IP (IP switching) sử dụng cơ chế hoán đổi nhãn nhƣ của ATM để tăng tốc độ truyền gói tin mà không cần thay đổi các giao thức định tuyến của IP.
Từ những kết quả trên, nhóm làm việc về MPLS đƣợc thành lập năm 1997 với nhiệm vụ phát triển một công nghệ chuyển mạch nhãn IP thống nhất mà kết quả của nó là công nghệ MPLS.
MPLS là một công nghệ kết hợp đặc điểm tốt nhất giữa định tuyến lớp ba và chuyển mạch lớp hai cho phép chuyển tải các gói rất nhanh trong mạng lõi
39
(core) và định tuyến tốt ở mạng biên (edge) bằng cách dựa vào nhãn (label). MPLS là một phƣơng pháp cải tiến việc chuyển tiếp gói trên mạng bằng các nhãn đƣợc gắn với mỗi gói IP, tế bào ATM, hoặc frame lớp hai. Phƣơng pháp chuyển mạch nhãn giúp các Router và MPLS-enable ATM switch ra quyết định theo nội dung nhãn tốt hơn việc định tuyến phức tạp theo địa chỉ IP đích. MPLS kết nối tính thực thi và khả năng chuyển mạch lớp hai với định tuyến lớp 3. Cho phép các ISP cung cấp nhiều dịch vụ khác nhau mà không cần phải bỏ đi cơ sở hạ tầng sẵn có. Cấu trúc MPLS có tính mềm dẻo trong bất kỳ sự phối hợp với công nghệ lớp hai nào.
MPLS hỗ trợ mọi giao thức lớp hai, triển khai hiệu quả các dịch vụ IP trên một mạng chuyển mạch IP. MPLS hỗ trợ việc tạo ra các tuyến khác nhau giữa nguồn và đích trên một đƣờng trục Internet. Bằng việc tích hợp MPLS vào kiến trúc mạng, Các ISP có thể giảm chi phí, tăng lợi nhuận, cung cấp nhiều hiệu quả khác nhau và đạt đƣợc hiệu quả cạnh tranh cao.
Đặc điểm mạng MPLS là không có MPLS API, cũng không có thành phần giao thức phía host. MPLS chỉ nằm trên các router LSR và là giao thức độc lập nên có thể hoạt động cùng với giao thức khác IP nhƣ ATM, Frame Relay,… MPLS giúp đơn giản hoá quá trình định tuyến và làm tăng tính linh động của các tầng trung gian.
MPLS hoạt động trong lõi của mạng IP. Nó thay thế cơ chế định tuyến lớp 3 bằng cơ chế chuyển mạch lớp 2. Các Router trong lõi phải cho phép MPLS trên từng giao tiếp. Nhãn đƣợc gắn thêm vào gói IP khi gói đi vào mạng MPLS. Nhãn đƣợc tách ra khi gói ra khỏi mạng MPLS. Nhãn (Label) đƣợc chèn vào giữa header lớp ba và header lớp hai và đƣợc sử dụng trong quá trình gửi gói sau khi đã thiết lập đƣờng đi. MPLS tập trung vào quá trình hoán đổi nhãn (Label Swapping). Một trong những thế mạnh của khiến trúc MPLS là tự định nghĩa chồng nhãn (Label Stack).
MPLS giúp khai thác tài nguyên mạng đạt hiệu quả cao đối với các ứng dụng hiện có của mạng Internet là voice, data, video. Ngoài ra, MPLS cũng hỗ trợ một số ứng dụng mới là:
MPLS VPN: Nhà cung cấp dịch cụ có thể tạo VPN lớp 3 dọc theo mạng đƣờng trục cho nhiều khách hàng, chỉ dùng một cơ sở hạ tầng công cộng sẵn có, không cần các ứng dụng mã hóa hoặc ứng dụng đầu cuối ngƣời dùng.
40
MPLS Traggic Engineer: Cung cấp khả năng thiết lập một hoặc nhiều đƣờng đi để điều khiển lƣu lƣợng mạng và các đặc trƣng thực thi cho một loại lƣu lƣợng.
MPLS QoS (Quality of service): Dùng QoS các nhà cung cấp dịch vụ có thể cung cấp nhiều loại dịch vụ với sự đảm bảo tối đa về QoS cho khách hàng.
MPLS Unicast/Multicast IP routing.
Để đảm bảo QoS, MPLS đã đƣa ra một số giải pháp trong đó có hai giải pháp khác nhau để điều khiển lƣu lƣợng, đƣợc phát triển bởi nhóm làm việc MPLS của IETF là Traffic Engineering RSVP (TE-RSVP) và LDP dựa trên định tuyến có ràng buộc (Constrained-Based LDP: CR-LDP). Ngoài ra MPLS còn sử dụng DiffServ trên nền MPLS để đảm bảo QoS theo từng chặng [3][15].
1.3.3.1 Giải pháp TE-RSVP
RSVP là một giao thức đƣợc MPLS sử dụng để đảm bảo chất lƣợng cho các dịch vụ. Giao thức RSVP là một giao thức báo hiệu và nó đóng một vai trò rất quan trọng trong mạng MPLS. Giao thức MPLS là giao thức cho phép các ứng dụng thông báo các yêu cầu về QoS với mạng. Nhƣ vậy, MPLS mang thông tin để mạng có thể phân loại các luồng với các ƣu tiên khác nhau về QoS, nhƣ địa chỉ IP nguồn và đích, số cổng UPD. Rõ ràng RSVP phải mang thông tin này từ máy chủ tới tất cả các Router dọc theo đƣờng truyền từ thiết bị gửi đến thiết bị nhận, vì tất cả các thành phần này đều tham gia quá trình đảm bảo QoS cho ứng dụng đó [15].
RSVP mang các thông tin trong hai bản tin là PATH và RESV. Các bản tin PATH đƣợc truyền từ bộ gửi đến các bộ nhận chứa thông tin phân loại do bộ gửi cung cấp. Khi bộ nhận nhận đƣợc bản tin PATH nó sẽ gửi lại bản tin xác nhận RESV chứa thông tin về cổng dành riêng và xác nhận mức QoS mà bộ gửi yêu cầu có đƣợc chấp nhận hay không. Chú ý rằng các bản tin đƣợc nhận và chuyển tiếp bởi các Router dọc theo tuyến, do vậy việc cấp phát tài nguyên có thể đƣợc thực hiện trên tất cả các nút mạng theo tuyến đó.
Khi các cổng dành riêng đƣợc thiết lập các Router nằm giữa thiết bị gửi và thiết bị nhận sẽ xác định các gói tin thuộc cổng dành riêng bằng việc kiểm tra mào đầu IP và giao thức truyền tải đó nhƣ là địa chỉ đích, số cổng UDP đích, địa chỉ nguồn, cổng nguồn. Và các gói tin này đƣợc gọi là luồng dành riêng.
41
Điểm cuối cùng cần chú ý là RSVP là giao thức “trạng thái mềm” có nghĩa là nó sẽ tự động hết hiệu lực sau một khoảng thời gian xác định và các cổng sẽ bị huỷ bỏ nếu không có các bản tin PATH và RESV.
Để RSVP hỗ trợ QoS, nó phải kiểm tra mào đầu IP, điều này sẽ làm tăng thêm quá trình xử lý và dẫn đến trễ. Mục tiêu của việc bổ sung RSVP cho MPLS là cho phép các LSR dựa vào việc phân loại gói tin theo nhãn chứ không theo mào đầu IP. Điều này có nghĩa là cần phải tạo ra các nhãn cho các luồng có các cổng dành riêng RSVP (mức ƣu tiên khác nhau về QoS) [3][15].
Để kết hợp các nhãn với các luồng dành riêng, ngƣời ta định nghĩa một đối tƣợng RSVP mới là đối tƣợng LABEL đƣợc mang trong bản tin RSVP RESV. Khi một LSR muốn gửi bản tin RESV cho một luồng RSVP mới, LSR cấp phát một nhãn trong tập nhãn rỗi lấy trong thƣ viện LFIB của nó với nhãn lối vào đƣợc đặt cho nhãn cấp phát và gửi đi bản tin RESV có chứa nhãn này. Chú ý là các bản tin RESV truyền từ bộ nhận đến bộ gửi dƣới dạng cấp phát nhãn xuôi.
Khi nhận đƣợc bản tin RESV chứa đối tƣợng LABEL, LSR thiết lập LFIB của nó với nhãn này là nhãn lối ra. Sau đó nó cấp phát một nhãn để sử dụng nhƣ là một nhãn lối vào và chèn nó vào bản tin RESV trƣớc khi gửi nó đi. Nhƣ vậy LSP sẽ đƣợc thiết lập dọc theo tuyến đƣờng với QoS đã yêu cầu. Hình 2.18 Minh hoạ quá trình trao đổi này.
Hình 1.13: Nhãn phân phối trong bản tin RESV
Trong ví dụ trên, giả sử máy chủ không tham gia vào việc phân phối nhãn, nhƣ vậy R3 sẽ cấp nhãn =5 cho cổng dành riêng này và thông báo đến R2, R2 sau khi nhận bản tin RESV này cũng cấp phát nhãn = 9 cho cổng dành riêng này và thông báo cho R1. Bây giờ đã có một LSP cho luồng dành riêng từ R1 đến R3. Gói tin đƣợc gửi từ H1 tới H2, với yêu cầu QoS cùng với số cổng,
42
địa chỉ nguồn và địa chỉ đích, R1 nhận gói tin này và phân biệt nó bằng các thông tin mào đầu IP và lớp truyền tải để tạo ra QoS thích hợp cho cổng dành riêng đó. Tiếp theo R1 đƣa mào đầu nhãn vào gói tin và chèn thêm giá trị nhãn lối ra là 9 trƣớc khi chuyển tiếp đến R2. Khi R2 nhận đƣợc gói tin này, nó tìm kiếm nhãn đó trong LFIB và tìm tất cả các trạng thái liên quan đến QoS để xem xét luồng, xếp hàng đợi gói tin, …và R2 không cần kiểm tra tiêu đề lớp IP hay lớp truyền tải. Sau đó R2 thay thế nhãn trên gói tin với một nhãn lối ra từ LFIB của nó (mang giá trị 5) và gửi gói tin đi.
RSVP - TE tính toán tìm ra đƣờng tối ƣu theo những tiêu chí (số nút nhỏ nhất hay đƣờng đi ngắn nhất, băng thông,..). Nhƣ vậy, bộ giao thức này cung cấp khả năng điều khiển các node trong đƣờng dẫn chuyển mạch nhãn, lƣu lƣợng mạng đạt hiệu quả cao. Đây cũng là lý do quan trọng nhất để MPLS có thể phát triển.
43
Hình 1.15: Giải pháp điều khiển lưu lượng - TE 1.3.3.2 DiffServ trên nền MPLS hỗ trợ QoS
Cùng với cơ chế DiffServ, MPLS làm tăng đáng kể khả năng đảm bảo chất lƣợng dịch vụ của mạng. Trên thực tế, IETF đã đƣa ra cấu trúc DiffServ trên nền MPLS với đặc điểm chính là các gói MPLS đƣợc phân loại và nhận sự xử lý giống nhƣ cách các gói IP đƣợc xử lý trong cơ chế DiffServ. Điểm khác so với cơ chế DiffServ nguyên dạng là sự phân loại các gói đƣợc dựa vào phần đầu của gói MPLS chứ không phải dùng mã 4 bit DSCP của gói IP. Có hai cách để đánh dấu các gói MPLS cho sự phân loại: đánh dấu miền LABEL, hoặc đánh dấu miền EXP trong phần đầu của gói MPLS. Với cách thứ nhất, đƣờng truyền chuyển mạch nhãn gọi là LLSP, với cách thứ hai đƣờng truyền chuyển mạch nhãn gọi là E-LSP đƣợc thiết lập. Cả hai cách nói trên đều cho phép khả năng dẫn những gói MPLS của các loại lƣu lƣợng có yêu cầu QoS khác nhau vào những đƣờng LSP riêng biệt và xử lý phù hợp cho loại lƣu lƣợng đó [2][15].
44 Bits 0-2: Precedence.
Bit 3: 0 = Normal Delay, 1 = Low Delay.
Bit 4: 0 = Normal Throughput, 1 = High Throughput. Bit 5: 0 = Normal Relibility, 1 = High Relibility. Bit 6-7: Reserved for Future Use.
Hình 1.16: DiffServ trên nền MPLS
Chúng ta biết rằng MPLS không kiểm tra tiêu đề IP, mà trong tiêu đề IP chứa thông tin về QoS (mã 4 bit DSCP). Vì thế thông tin về QoS từ tiêu đề IP sẽ đƣợc đƣa vào nhãn MPLS, khi các gói tin đến LSR nó sẽ căn cứ vào trƣờng EXP để phân biệt đối xử với gói tin đó [15].
Ngoài RSVP, MPLS còn hỗ trợ giao thức định tuyến cƣỡng bức CR-LDP cũng hỗ trợ QoS trong việc tính toán tìm ra đƣờng tối ƣu theo những tiêu chí, những dàng buộc (số nút nhỏ nhất hay đƣờng đi ngắn nhất). Cả hai bộ giao thức này đều cung cấp khả năng điều khiển các node trong đƣờng dẫn chuyển mạch nhãn. Và đây cũng là lý do quan trọng nhất để MPLS có thể phát triển, với phƣơng pháp định tuyến cƣỡng bức (CR-LDP) sẽ giúp cho quá trình điều khiển lƣu lƣợng mạng đạt hiệu quả cao [15].
MPLS là một công nghệ chuyển mạch IP có nhiều triển vọng. Với tính chất của cơ cấu định tuyến của mình, MPLS có khả năng nâng cao chất lƣợng dịch vụ của mạng IP truyền thống. Bên cạnh đó, thông lƣợng của mạng sẽ đƣợc
45
cải thiện một cách rõ rệt. Tuy nhiên, độ tin cậy là một vấn đề thực tiễn có thể khiến việc triển khai MPLS trên mạng Internet bị chậm lại [15].
Có thể nói tóm tắt một số ƣu điểm MPLS là:
MPLS đã giải quyết vấn đề về tốc độ và độ trễ một cách hiệu quả, nâng cao chất lƣợng dịch vụ.
Tích hợp các chức năng định tuyến, đánh địa chỉ, điều khiển, ….
Có thể giải quyết vấn đề độ phức tạp và nâng cao khả năng mở rộng đáng kể.
Có thể thực hiện rất nhiều chức năng định tuyến mà các công nghệ trƣớc đây không có khả năng, nhƣ định tuyến hiện, điều khiển lặp, v.v.. Khi định tuyến thay đổi dẫn đến khoá một đƣờng nào đó, MPLS có thể dễ dàng chuyển mạch luồng dữ liệu sang một đƣờng mới. Điều này không thể thực hiện đƣợc trong IPOA truyền thống.
Sự kết hợp giữa IP và ATM cho phép tận dụng tối đa thiết bị, tăng hiệu quả đầu tƣ.
Tuy nhiên MPLS vẫn còn tồn tại một số nhƣợc điểm sau:
Việc hỗ trợ đa giao thức sẽ dẫn đến các vấn đề phức tạp trong kết nối. Khó thực hiện hỗ trợ QoS xuyên suốt trƣớc khi thiết bị đầu cuối ngƣời
sử dụng thích hợp xuất hiện trên thị trƣờng.
Việc hợp nhất các kênh ảo đang còn tiếp tục nghiên cứu. Giải quyết việc chèn tế bào sẽ chiếm nhiều tài nguyên bộ đệm hơn. Điều này chắc chắn sẽ dẫn đến phải đầu tƣ vào công việc nâng cấp phần cứng cho các thiết bị ATM hiện tại.