1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:
3.2.2. Cụng nghệ MPLS
Chuyển mạch nhón đa giao thức (Multiple-Protocol Label Switching - MPLS) là cụng nghệ định tuyến/chuyển tiếp mới nhất cho mạng đường trục Internet, mang lại một giải phỏp tớch hợp thụng suốt việc điều khiển định tuyến lưu lượng IP với sự đơn giản của chuyển mạch lớp 2. Trong cỏc mạng định tuyến truyền thống, cỏc gúi IP di chuyển qua một loạt cỏc router thụng qua cơ chế định tuyến theo từng chặng (hop-by-hop) cú hiệu quả thấp, thời gian định tuyến chậm. MPLS ban đầu được
phỏt triển để cải thiện tốc độ chuyển tiếp gúi của router. Nền tảng của MPLS là phỏt sinh ra cỏc nhón cú chiều dài cố định và ngắn gọn thể hiện địa chỉ mạng lớp 3 của một gúi. Tất cả cỏc quyết định chuyển mạch hay chuyển tiếp trờn gúi dựa trờn cỏc nhón này.
MPLS thay thế định tuyến gúi bằng chuyển mạch gúi. Nú dựa trờn thực tế quỏ trỡnh định tuyến gọi phải thực hiện hai việc là phõn tớch mào đầu và lựa chọn bước tiếp theo. Chức năng đầu sẽ chia tập hợp cỏc gúi cú phần mào đầu tương đồng vào cỏc lớp chuyển tiếp tương đương (FEC – Forwarding Equivalence Classes). Chức năng sau sẽ ghộp nối mỗi FEC và bước chuyển tiếp. MPLS thờm vào gúi IP một nhón ở router đầu vào. Nhón trong MPLS là một số cú độ dài cố định và khụng phụ thuộc vào lớp mạng. Nhờ đú bộ chuyển mạch/router thực hiện chuyển tiếp trực tiếp nhanh chúng gúi đến đớch. Tại router/chuyển mạch đầu ra nhón đú được gỡ bỏ.
MPLS sử dụng cơ chế hoỏn đổi nhón như của ATM để tăng tốc độ truyền gúi tin mà khụng cần thay đổi cỏc giao thức định tuyến của IP. Nú tỏch chức năng của IP router ra làm hai phần riờng biệt: chức năng chuyển gúi tin và chức năng điều khiển. Phần chức năng chuyển gúi tin, với nhiệm vụ chuyển gúi tin giữa cỏc IP router, sử dụng cơ chế hoỏn đổi nhón tương tự như của ATM. Kỹ thuật hoỏn đổi nhón về bản chất là việc tỡm nhón của một gúi tin trong một bảng cỏc nhón để xỏc định tuyến của gúi và nhón mới của nú. Việc này đơn giản hơn nhiều so với việc xử lý gúi tin theo kiểu thụng thường, và do vậy cải thiện khả năng của thiết bị. Phần chức năng điều khiển của MPLS bao gồm cỏc giao thức định tuyến lớp mạng với nhiệm vụ phõn phối thụng tin giữa cỏc LSR, và thủ tục gỏn nhón để chuyển thụng tin định tuyến thành cỏc bảng định tuyến cho việc chuyển mạch.
MPLS là một cụng nghệ đó được chuẩn hoỏ, cỏc giao thức tương tỏc đảm bảo tớnh tương thớch giữa cỏc thiết bị của cỏc nhà sản xuất khỏc nhau. Cỏc thiết bị mạng đều đó được thương mại húa, cho nờn giỏ thành hệ thống tương đối thấp.
MPLS hỗ trợ nhiều cấu hỡnh mạng: MPLS hỗ trợ bất cứ cấu hỡnh mạng (Ring, Star, Mix) cho phộp sử dụng cỏc giao diện GE, POS, 10 GB quang, cú khả năng thiết lập cỏc đường kết nối riờng giữa hai nỳt bất kỳ với nhiều tốc độ khỏc nhau khụng đũi hỏi cựng tốc độ trờn cỏc tuyến tạo khả năng cấu hỡnh mạng mềm dẻo, linh hoạt.
MPLS là một trong những cụng nghệ tiờn tiến nhất cú nhiều lợi điểm trong đú phải kể đến một số tớnh năng quan trọng như Traffic Engineering, MPLS- VPN, OAM, Billing, Accounting, khả năng phục hồi mạng khi cú lỗi (< 50 ms), v.v… Nú đặc biệt thớch hợp cho việc triển khai cỏc mạng truyền số liệu chuyờn dựng và mạng nội đụ.
Túm lại MPLS đó kết hợp được khả năng chuyển mạch tốc độ cao của ATM và tớnh thụng minh, linh hoạt của IP.
Hỡnh 3.3. Sự hội tụ của MPLS
Gúi tin chuyển đến lớp MPLS sẽ được gắn một nhón nhằm phõn loại thụng tin vận chuyển là thoại/video/số liệu để cỏc gúi tin sẽ được xử lý ưu tiờn khỏc nhau.
Hỡnh 3.4. Cấu trỳc khung của MPLS
Phần mào đầu MPLS (label shim) cú thể gồm một hoặc nhiều nhón, mỗi nhón gồm bốn trường:
- Label (20 bit): nội dung nhón.
Chuyển mạch kênh
MPLS
IP ATM
Chuyển mạch gói
- Exp (3 bit): cấp độ dịch vụ, cung cấp tối đa 8 cấp độ dịch vụ khỏc nhau, tuy nhiờn hiện tại mới chỉ dựng 3 cấp độ: cố gắng tối đa (best effort), nhiệm vụ tới hạn (mission critical) và thời gian thực (real time).
- S (1 bit): cờ đỏnh dấu kết thỳc nhón nếu S=1. - TTL (8 bit): thời gian tồn tại của gúi tin.
- Mạng MPLS gồm hai phần: biờn và lừi với chức năng riờng biệt: - Lừi: Chuyển mạch nhón và chuyền gúi.
- Biờn: Xử lý gúi, dỏn nhón và định tuyến
Hỡnh 3.5. Topo mạng
MPLS gồm bộ định tuyến biờn LER (Laber Edge Router) được tớch hợp cỏc giao thức định tuyến và bộ định tuyến lừi LSR (Laber Switch Router) thực hiện chức năng chuyển mạch nhón gúi tin.
LS R LSR LSR LER Site A-3 Site A-1 Site B2 Site B1 LER LER Site A-2 CE–A1 CE–B1 CE–A3 CE–A2 CE–B2 LSR Site B3 CE–B3 CE–C1 Site C1 Site C2 CE– C2 Static Routes OSPF Routing E-BGP RIP
Hỡnh 3.6. Nhiệm vụ của cỏc node mạng MPLS
Nhón ngoài cựng của gúi tin MPLS sẽ được LSR phõn tớch để chọn một trong ba tỏc vụ sau: Trỏo đổi hay thay nhón mới (swap); Lấy nhón ra (pop); Thờm nhón vào (push).
Tỏc vụ push sẽ cộng thờm nhón vào phớa trước của chồng nhón (encapsulating) ⇒
một phõn cấp mới được tạo ra ⇒ cho phộp gúi tin MPLS được định tuyến theo cơ chế phõn cấp (hierarchical routing).
Tỏc vụ pop sẽ tỏch nhón ngoài cựng khỏi gúi tin (decapsulating). Trường hợp nhón cuối cựng trờn chồng nhón được búc thỡ gúi tin sẽ rời khỏi tuyến ngầm MPLS.
Cơ sở sữ liệu nhón được cập nhật tại mỗi phần tử mạng sẽ quyết định tỏc vụ nào được thực hiện trờn cơ sở nội dung của nhón.
Hỡnh 3.7. Cơ chế chuyển gúi tin
Cơ chế thiết lập LSP sử dụng giao thức LDP
Mục đớch: trao đổi thụng tin liờn kết nhón cho cỏc FEC giữa cỏc phần tử mạng MPLS. Nguyờn tắc thực hiện: dựa trờn giao thức định tuyến cú sẵn hoặc giao thức phõn phối nhón chuyờn dụng LDP (Label Distribution Protocol) theo nguyờn tắc ngang hàng (peers) và song hướng (bi-directional).
Hỡnh 3.8. Cơ chế cấp phỏt nhón
Phần tử mạng cú yờu cầu cấp nhón cho FEC (đớch đến) nào đú sẽ gửi bản tin yờu cầu nhón đến phần tử mạng kế cận. Phần tử mạng kế cận cấp phỏt giỏ trị ở trường
“Label IN” cho phần tử mạng trước. Phần tử mạng trước cập nhật giỏ trị nhón vào trường Label OUT ứng với đớch đến tương ứng.
Hỡnh 3.9. Cơ chế cập nhật nhón
LSP tạo mối liờn kết nhón vào và ra giữa cỏc phần tử mạng để tạo tuyến chuyển tải lưu lượng thụng suốt từ nguồn đến đớch.
Hỡnh 3.10. Cơ chế tạo tuyến lưu lượng thụng suốt
Cơ chế thiết lập LSP sử dụng giao thức RSVP.
Khi một node mạng cần gửi thụng tin, nú sử dụng giao thức RSPV để gửi đi bản tin yờu cầu thiết lập đường tới node mạng đớch, mạng đớch sẽ đỏp trả bản tin nếu tất cả cỏc node mạng trờn đường đi của bản tin đỏp ứng được cỏc yờu cầu về băng thụng, cấp độ dịch vụ. Như vậy một LSP đó được thiết lập và tất cả cỏc node mạng trờn LSP đều biết được nội dung và yờu cầu của bản tin.
Nhận xột về MPLS
Cú thể túm tắt những ưu nhược điểm của MPLS trong một số nội dung chớnh sau: Ưu điểm của MPLS là:
- Kiến trỳc đơn giản, tốc độ xử lý nhanh, giải quyết được vấn đề độ phức tạp và khả năng mở rộng mạng. Thớch ứng với hầu hết cỏc giao thức lớp 2 hiện nay như: ATM, Frame Relay, PPP, HDLC, RPR, Ethernet... do vậy khi đầu tư mạng MPLS vẫn tận dụng được cơ sở hạ tầng mạng hiện cú. - So với ATM, MPLS khụng cần đến cỏc giao thức điều khiển bỏo hiệu
hay chuyển mạch tế bào phức tạp, kớch thước gúi MPLS lớn hơn nhiều so với tế bào ATM nờn giảm đỏng kể mào đầu. Mặc khỏc, MPLS duy trỡ được chức năng kiểm soỏt lưu lượng và điều khiển ngoài băng như ATM. - Ưu điểm của MPLS so với IP là khả năng điều khiển lưu lượng và hỗ trợ
tạo đường ảo trước khi truyền và phõn cấp dịch vụ dựa vào trường Exp trong mào đầu khung MPLS. MPLS cú thể cung cấp cỏc dịch vụ với cỏc cấp độ chất lượng thoả thuận từ cố gắng tối đa cho đến dịch vụ thời gian thực .
Như vậy cụng nghệ MPLS đỏp ứng được tất cả yờu cầu đề ra cho một mạng MAN thế hệ kế tiếp: cung cấp tất cả cỏc dịch vụ trờn một cơ sở hạ tầng mạng, cú khả năng tận dụng cơ sở hạ tầng mạng hiện tại khi đầu tư mới, cung cấp được cỏc hợp đồng thoả thuận về cấp độ dịch vụ, cung cấp dịch vụ với băng thụng rộng, tốc độ cao. Do đú MPLS được lựa chọn cho mạng MAN thế hệ kế tiếp.
Nhược điểm của MPLS:
- Hỗ trợ đa giao thức sẽ dẫn đến cỏc vấn đề phức tạp trong kết nối. - Khú thực hiện hỗ trợ QoS xuyờn suốt.
- Việc hợp nhất cỏc kờnh ảo đang cũn tiếp tục nghiờn cứu. Giải quyết việc chốn tế bào sẽ chiếm nhiều tài nguyờn bộ đệm hơn.
3.2.3. Cụng nghệ G-MPLS
Với sự bựng nổ nhu cầu lưu lượng trong những năm gần đõy, mạng quang được xem là giải phỏp hữu hiệu để đỏp ứng nhu cầu. Cỏc hệ thống SDH, WDM và cỏc thiết bị đấu nối chộo OXC cũng phỏt triển mạnh mẽ nhằm tăng dung lượng và phạm vi mạng. Mảng điều khiển quang được thiết kế nhằm đơn giản húa, tăng tớnh đỏp ứng và mềm dẻo trong việc cung cấp cỏc phương tiện trong mạng quang. MPLS đó trở thành mụ hỡnh định tuyến mới cho mạng IP. G-MPLS là sự mở rộng của MPLS nhằm hướng tới mảng điều khiển quang cho mạng quang.
G-MPLS mở rộng khả năng định tuyến lớp số liệu đến mạng quang, cho phộp mạng truyền tải và mạng số liệu hoạt động như một mạng đồng nhất.
G-MPLS cũng hứa hẹn sẽ mạng lại chất lượng dịch vụ tốt hơn và thiết kế lưu lượng trờn Internet, một xu hướng hiện tại và cũng là mục tiờu chớnh của bất cứ nhà cung cấp dịch vụ nào.
Sự phỏt triển MPLS thành G-MPLS đó mở rộng giao thức bỏo hiệu (RSVP- TE, CR-LDP) và giao thức định tuyến (OSPF-TE. IS-IS-TE). Cỏc mở rộng này gồm cỏc đặc tớnh mạng quang và TDM/SONET. Giao thức quản lý tuyến là một giao thức mới để quản lý và bảo dưỡng trường điều khiển và mặt số liệu giữa hai nỳt lõn cận. LMP là giỏo thức dựa trờn IP bao gồm cả cỏc mở rộng đối với RSVP-TE và CR-LDP.
G-MPLS được mở rộng từ MPLS, tuy nhiờn trong khi MPLS hoạt động trong mảng số liệu thỡ G-MPLS được ứng dụng trong mảng điều khiển, thực hiện quản lý kết nối cho mảng số liệu gồm cả chuyển mạch gúi, chuyển mạch kờnh (như TDM, chuyển mạch bước súng và chuyển mạch sợi).
G-MPLS mạng lại hiệu nhiều lợi ớch nổi bật, thể hiện cụ thể trong cỏc vấn đề sau:
- Thiết kế lưu lượng qua lớp.
- Tớch hợp bảo việc khụi phục và bảo vệ. - Cung cấp dịch vụ nhanh chúng.
Bờn cạnh những ưu điểm vượt trội của G-MPLS mang lại so với cỏc phương thức điều khiển hiện tại, nú cũng bộc lộ mệt số vấn đề cần được bổ sung như: An toàn bảo mật trong mạng, phối hợp hoạt động giữa cỏc mạng.
3.3. Cỏc cụng nghệ ứng dụng phõn lớp 2 3.3.1. Cụng nghệ RPR
Tổng quan về RPR
RPR (Resilient Packet Ring) hay IEEE 802.17, giao thức lớp MAC đang được chuẩn húa bởi IEEE, là giải phỏp cho vấn đề bựng nổ nhu cầu kết nối tốc độ cao và chi phớ thấp trong khu vực thành phố. Bằng cỏch ghộp thống kờ gúi IP truyền trờn hạ tầng vũng sợi quang, cú thể khai thỏc hiệu quả dạng vũng quang và tận dụng ưu điểm truyền gúi như Ethernet. Khi cú lỗi node hay liờn kết xảy ra trờn vũng sợi quang, RPR thực hiện chuyển mạch bảo vệ thụng minh để đổi hướng lưu lượng đi xa khỏi nơi bị lỗi với độ tin cậy đạt tới thời gian nhỏ hơn 50ms. RPR sử dụng vũng song hướng gồm hai sợi quang truyền ngược nhau, cả hai vũng đồng thời được sử dụng để truyền gúi dữ liệu và điều khiển. RPR cho phộp nhà cung cấp dịch vụ giảm chi phớ thiết bị phần cứng cũng như thời gian và chi phớ của việc giỏm sỏt mạng. Trong RPR khụng cú khỏi niệm khe thời gian, toàn bộ băng thụng được ấn định cho lưu lượng, RPR ghộp thống kờ và phõn phối cụng bằng băng thụng cho cỏc node trờn vũng để trỏnh tắc nghẽn cú thể mang lại lợi ớch hơn nhiều so với vũng SDH/SONET dựa trờn ghộp kờnh phõn chia theo thời gian.
RPR là giao thức lớp MAC vận hành ở lớp 2 của mụ hỡnh OSI, nú khụng nhận biết lớp 1 nờn độc lập với truyền dẫn nờn cú thể làm việc với WDM, SDH hay truyền dẫn dựa trờn Ethernet (sử dụng GBIC – Gigabit Interface Converter). Ngoài ra, RPR đi từ thiết bị đa lớp đến dịch vụ mạng thụng minh lớp 3 như MPLS. MPLS kết hợp thiết bị biờn mạng IP lớp 3 với thiết bị lớp 2 như ATM, Frame Relay. Sự kết hợp độ tin cậy và khả năng phục hồi của RPR với ưu điểm quản lý lưu lượng và khả năng mở rộng của MPLS VPN và MPLS TE được xem là giải phỏp xõy dựng MAN trờn thế giới hiện nay.
Một số kĩ thuật trong RPR
Spatial reuse:
Đõy là một trong những đặc trưng quan trọng của giao thức RPR, dựng lại khụng gian cho phộp tăng cường lưu lượng hoạt động trờn Ring, nõng cao hiệu quả mạng. Điều này thực hiện được bằng cỏch chỉ cho phộp node mạng nguồn chuyển lưu lượng tới node mạng đớch trờn đoạn mạng giữa hai node, cỏc node mạng và đoạn mạng khỏc trờn Ring vẫn hoạt động bỡnh thường.
Hỡnh 3.11. Cơ chế Spatial Reuse
Hỡnh trờn cho thấy cơ chế dựng lại khụng gian, trong Ring FDDI, Token Ring lưu lượng gửi từ S1 tới S3 sẽ chạy vũng quanh trờn toàn Ring, tương tự như vậy đối với lưu lượng từ S3 tới S4. Nhưng trong mạng RPR, lưu lượng gửi từ S1 tới S3 sẽ chỉ chạy trờn đoạn mạng từ Si-S2-S3, tương tự như vậy đối với lưu lượng từ S3 tới S4. Như vậy băng thụng đó được sử dụng rất hiệu quả, những phõn tớch lưu lượng mạng MAN gần đõy cho thấy cú tới 80% lưu lượng lưu lại trờn mạng, kỹ thuật dựng lại khụng gian đem lại những lợi ớch rất to lớn.
Cõn bằng lưu lượng
Kỹ thuật này nhằm gia tăng băng thụng của một node mạng, nõng cao hiệu quả mạng, thực hiện bằng cỏch cõn bằng lưu lượng node nguồn tới node đớch trờn cả hai hướng mà khụng cần cựng tốc độ.
Hỡnh 3.12. Cơ chế cõn bằng lưu lượng Fairness
Đõy là cơ chế quan trọng trong RPR, dựng điều khiển lưu lượng.
Hỡnh trờn mụ tả cơ chế Fairness: ban đầu tất cả cỏc node đều truyền với tốc độ cao nhất, tại một thời điểm node 1 bị nghẽn do vậy cần cỏc node mạng khỏc giảm tốc độ truyền, lỳc này thuật toỏn Fairness được sử dụng làm cho cỏc node 4,5,6 giảm tốc độ truyền xuống phự hợp trong khi hai node 2,3 khụng liờn quan gỡ đến sự cố này vẫn tiếp tục truyền với tốc độ cao nhất.
- Bảo vệ và phục hồi lưu lượng
Đõy là cơ chế nổi bật của RPR cho phộp bảo vệ và phục hồi lưu lượng tự động khi cỏp đứt. Cú hai cơ chế bảo vệ là Wrap và Steer.
Hỡnh 3.14. Cơ chế Wrap và Steer
Hỡnh trờn cho thấy lưu lượng gửi từ S2 tới S4, khi lưu lượng tới S3 mới phỏt hiện đứt cỏp do vậy lưu lượng sẽ vũng trở lại, đú là Wrap. Cũn trong trường hợp khi phỏt
hiện lỗi trước khi truyền thỡ lưu lượng sẽ được truyền theo hướng ngược lại ngay, đú là Steer.
- Cấu trỳc khung và hoạt động của RPR
Hỡnh 3.15. Cấu trỳc khung của RPR
DA: độ dài 1-6 byte chỉ địa chỉ MAC node mạng đớch, nú khụng đổi khi truyền trờn