Luận văn Kỹ thuật lưu lượng trong mạng chuyển mạch nhãn đa giao thức

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Trang phụ bìa VŨ VĂN TRƯỞNG TÊN CỦA LUẬN VĂN KỸ THUẬT LƯU LƯỢNG TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC Ngành : Công nghệ Điện tử- Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60.52.70 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS TRẦN QUANG VINH Hà Nội - 2009 Trang-2- LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn bộ những nội dung và số liệu trong luận văn thạc sĩ: “Kỹ thuật lưu lượng trong mạng chuyển mạch nhãn đa giao thức” là do tôi tự nghiên cứu và thực hiện. Học viên thực hiện luận văn Vũ Văn Trưởng Trang-3- LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành chương trình cao học và viết luận văn này, Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn đến quí thầy cô trường Đại học Công nghệ- Đại học Quốc gia Hà Nội, đặc biệt là những thầy cô đã tận tình dạy bảo cho tôi suốt thời gian học tập tại trường. Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến Phó giáo sư – Tiến sĩ Trần Quang Vinh đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu và giúp tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp quí báu của quí thầy cô và các bạn. Hà Nội, tháng 12 năm 2009 Học viên Vũ Văn Trưởng Trang-4- MỤC LỤC Trang phụ bìa .................................................................................................1 LỜI CAM ĐOAN ...........................................................................................2 LỜI CẢM ƠN.................................................................................................3 MỤC LỤC ......................................................................................................4 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ..............................................................................7 DANH SÁCH CÁC BẢNG .......................................................................... 11 DANH SÁCH CÁC HÌNH MINH HỌA ..................................................... 11 MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 13 Chương 1: CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC MPLS ................ 15 1.1 Tổng quan ........................................................................................... 15 1.1.1 Tính thông minh phân tán ........................................................... 15 1.1.2 MPLS và mô hình tham chiếu OSI .............................................. 16 1.2 Các khái niệm cơ bản trong MPLS ................................................... 17 1.2.1 Miền MPLS (MPLS domain) ...................................................... 17 1.2.2 Lớp chuyển tiếp tương đương (FEC) ......................................... 18 1.2.3 Nhãn và chồng nhãn.................................................................... 18 1.2.4 Hoán đổi nhãn (Label Swapping) ............................................... 19 1.2.5 Đường chuyển mạch nhãn LSP (Label Switched Path)............. 19 1.2.6 Chuyển gói qua miền MPLS ....................................................... 21 1.3 Mã hóa nhãn và các chế độ đóng gói nhãn MPLS............................ 21 1.3.1 Mã hóa chồng nhãn ..................................................................... 21 1.3.2 Chế độ Frame .............................................................................. 23 1.3.3 Chế độ Cell................................................................................... 23 1.4 Cấu trúc chức năng MPLS ................................................................ 25 1.4.1 Kiến trúc một nút MPLS (LER và LSR).................................... 25 1.4.2 Mặt phẳng chuyển tiếp (mặt phẳng dữ liệu) .............................. 26 1.4.3 Mặt phẳng điều khiển.................................................................. 28 1.5 Hoạt động chuyển tiếp MPLS ........................................................... 28 1.5.1 Hoạt động trong mặt phẳng chuyển tiếp .................................... 28 1.5.2 Gỡ nhãn ở chặng áp cuối PHP (Penultimate Hop Popping)...... 29 1.5.3 Một ví dụ hoạt động chuyển tiếp gói........................................... 30 1.6 Ưu điểm và ứng dụng của MPLS ...................................................... 31 1.6.1 Đơn giản hóa chức năng chuyển tiếp .......................................... 31 1.6.2 Kỹ thuật lưu lượng ...................................................................... 31 1.6.3 Định tuyến QoS từ nguồn............................................................ 31 1.6.4 Mạng riêng ảo VPN ..................................................................... 31 1.6.5 Chuyển tiếp có phân cấp (Hierachical forwarding) ................... 32 1.6.6 Khả năng mở rộng (Scalability) .................................................. 32 1.7 Tổng kết chương ................................................................................ 32 Chương 2: ĐỊNH TUYẾN VÀ BÁO HIỆU MPLS ..................................... 34 2.1 Định tuyến trong MPLS .................................................................... 34 2.1.1 Định tuyến ràng buộc (Constrain-based Routing) ..................... 34 2.1.2 Định tuyến tường minh (Explicit Routing)................................. 35 2.2 Các chế độ báo hiệu MPLS................................................................. 36 2.2.1 Chế độ phân phối nhãn ............................................................... 36 Trang-5- 2.2.2 Chế độ duy trì nhãn..................................................................... 37 2.2.3 Chế độ điều khiển LSP ................................................................ 38 2.2.4 Các giao thức phân phối nhãn MPLS......................................... 39 2.3 Giao thức phân phối nhãn LDP (Label Distribution Protocol) ....... 40 2.3.1 Hoạt động của LDP ..................................................................... 40 2.3.2 Cấu trúc thông điệp LDP ............................................................ 42 2.3.3 Các bản tin LDP [1]..................................................................... 44 2.3.4 LDP điều khiển độc lập và phân phối theo yêu cầu ................... 45 2.4 Giao thức CR-LDP (Constrain-based routing LDP)........................ 46 2.4.1 Mở rộng cho định tuyến ràng buộc ............................................ 46 2.4.2 Thiết lập một CR-LSP (Constrain-based routing LSP)............. 47 2.4.3 Tiến trình dự trữ tài nguyên ....................................................... 48 2.5 Giao thức RSVP-TE (RSVP Traffic Engineering) [3]...................... 49 2.5.1 Các bản tin thiết lập dự trữ RSVP [1] ........................................ 49 2.5.2 Các bản Tear Down, Error và Hello của RSVP-TE [1]............. 50 2.5.3 Thiết lập tuyến tường minh điều khiển tuần tự theo yêu cầu.... 51 2.5.4 Giảm lượng overhead làm tươi RSVP ........................................ 52 2.6 Tổng kết chương ................................................................................ 53 Chương 3: KỸ THUẬT LƯU LƯỢNG TRONG MPLS ............................ 54 3.1 Kỹ thuật lưu lượng (Traffic Engineering) ......................................... 54 3.1.1 Các mục tiêu triển khai kỹ thuật lưu lượng ................................ 54 3.1.2 Các lớp dịch vụ dựa trên nhu cầu QoS và các lớp lưu lượng ..... 55 3.1.3 Hàng đợi lưu lượng....................................................................... 56 3.1.4 Giải thuật Leaky Bucket và Token Bucket ................................. 59 3.1.5 Giải pháp mô hình chồng phủ (Overlay Model) ......................... 62 3.2 MPLS và kỹ thuật lưu lượng .............................................................. 62 3.2.1 Khái niệm trung kế lưu lượng (traffic trunk) ............................. 63 3.2.2 Đồ hình nghiệm suy (Induced Graph) ......................................... 64 3.2.3 Bài toán cơ bản của kỹ thuật lưu lượng trên MPLS................... 64 3.3 Trung kế lưu lượng và các thuộc tính ................................................ 64 3.3.1 Các hoạt động cơ bản trên trung kế lưu lượng ........................... 65 3.3.2 Thuộc tính tham số lưu lượng (Traffic Parameter) .................... 65 3.3.3 Thuộc tính lựa chọn và quản lý đường (chính sách chọn đường) ................................................................................................................ 66 3.3.4 Thuộc tính ưu tiên / lấn chiếm (Priority/Preemption) ................ 67 3.3.5 Thuộc tính đàn hồi (Resilience) ................................................... 68 3.3.6 Thuộc tính khống chế (Policing) .................................................. 68 3.4 Các thuộc tính tài nguyên................................................................... 68 3.4.1 Bộ nhân cấp phát cực đại (maximum allocation multiplier) ...... 68 3.4.2 Lớp tài nguyên (Resource-Class) ................................................. 69 3.4.3 Độ đo TE ....................................................................................... 69 3.5 Tính toán đường ràng buộc ................................................................ 69 3.5.1 Quảng bá các thuộc tính của liên kết........................................... 69 3.5.2 Tính toán LSP ràng buộc (CR-LSP)............................................ 71 3.5.3 Giải thuật chọn đường.................................................................. 71 3.5.4 Ví dụ về chọn đường cho trung kế lưu lượng.............................. 72 Trang-6- 3.5.5 Tái tối ưu hóa (Re-optimization).................................................. 74 3.6 Bảo vệ và khôi phục đường ................................................................ 75 3.6.1 Phân loại các cơ chế bảo vệ khôi phục......................................... 76 3.6.2 Mô hình Makam ........................................................................... 77 3.6.3 Mô hình Haskin (Reverse Backup).............................................. 77 3.6.4 Mô hình Hundessa........................................................................ 78 3.6.5 Mô hình Shortest-Dynamic .......................................................... 79 3.6.6 Mô hình Simple-Dynamic ............................................................ 79 3.6.7 Mô hình Simple-Static.................................................................. 80 3.7 Tổng kết chương ................................................................................. 80 Chương 4: MÔ PHỎNG MPLS-TE VÀ ĐÁNH GIÁ ................................. 81 4.1 Phương pháp và công cụ mô phỏng ................................................... 81 4.1.1 Phương pháp phân tích ................................................................ 81 4.1.2 Chuẩn bị công cụ mô phỏng......................................................... 82 4.2 Nội dung và kết quả mô phỏng........................................................... 82 4.2.1 Mô phỏng mạng IP không hỗ trợ MPLS ..................................... 83 4.2.2 Mô phỏng định tuyến ràng buộc trong mạng MPLS .................. 84 4.2.3 Mô phỏng hoạt động lấn chiếm (Preemption) với các độ ưu tiên ................................................................................................................ 87 4.2.4 Mô phỏng khôi phục đường theo cơ chế Makam........................ 89 4.2.5 Mô phỏng khôi phục đường theo cơ chế Haskin (Reverse Backup).................................................................................................. 91 4.2.6 Mô phỏng khôi phục đường theo cơ chế Shortest-Dynamic....... 93 4.2.7 Mô phỏng khôi phục đường theo cơ chế Simple-Dynamic ......... 94 4.3 Tổng kết chương ................................................................................. 96 KẾT LUẬN................................................................................................... 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................ 99 PHỤ LỤC: MÃ NGUỒN CÁC BÀI MÔ PHỎNG.................................... 100 Trang-7- THUẬT NGỮ VIẾT TẮT AAL ATM Adaptation Layer- Lớp thích ứng ATM AS Autonomous System- Hệ thống tự trị ASIC Application-Specific Integrated Circuit- Mạch tích hợp ứng dụng riêng ATM Asynchronous Transfer Mode- Chế độ chuyển tải không đồng bộ BGP Border Gateway Protocol- Giao thức cổng biên CBQ Class Based Queueing- Hàng đợi theo lớp CBR Constant Bit Rate- Tốc độ bít không đổi CBS Committed Burst Size- Kích thước chùm xung cam kết CDR Committed Data Rate- Tốc độ dữ liệu cam kết CLIP Classical IP- IP truyền thống CQ Custom Queuing- Hàng đợi chỉ định CR Constraint-based Routing- Định tuyến ràng buộc CR-LDP Constraint-based Routing Label Distribution Protocol- Giao thức phân phối nhãn dưa trên định tuyến ràng buộc CR-LSP Constraint-based Routing Label Switched Path- Đường chuyển mạch nhãn dựa trên định tuyến ràng buộc CSPF Constrained Shortest Path First Diffserv Differentiated Service- Dịch vụ phân biệt dựa trên đường dẫn ngắn nhất có ràng buộc DLCI Data Link Connection Identifier- Nhận dạng kết nối liên kết dữ liệu DSCP Service Code Point- Điểm mã dịch vụ eBGP exterior Border Gateway Protocol- Giao thức cổng biên ngoài EBS Excess Burst Size- Kích thước chùm xung tới hạn EGP External (Exterior) Gateway Protocol- Giao thức cổng ngoài ER Explicit Route- Định tuyến tường minh ERB Explicit Route Information Base- Cơ sở thông tin định tuyến tường minh ERO Explicit Route Object- Đối tượng định tuyến tường minh EXP Experimental field- Trường ưu tiên FDDI Fibre Distributed Data Interface- Giao diện dữ liệu phân phối sợi FEC Forwarding Equivalence Class- Lớp chuyển tiếp tương đương FF Fixed Filter (RSVP reservation style)- Bộ lọc cố định Trang-8- FIB Forwarding Infomation Base- Cơ sở thông tin chuyển tiếp FIFO First-in First-out- Vào trước ra trước FIS Fault Information Signal- Tín hiệu thông tin lỗi FR Frame Relay- Chuyển mạch khung FRS Fault Recovery Signal- Tín hiệu khôi phục lỗi FTN FEC to NHLFE Map- Ánh xạ FEC tới NHLFE GFC Generic Flow Control (ATM)- Điều khiển luồng chung GMPLS Generalized MPLS- MPLS tổng quan HEC Header Error Control (ATM)- Điều khiển lỗi tiêu đề iBGP interior Border Gateway Protocol- Giao thức cổng biên nội IETF Internet Engineering Task Force- Nhóm đặc trách kỹ thuật Internet IGP Interior Gateway Protocol- Giao thức cổng nội ILM Incoming Label Map- Ánh xạ nhãn đến IP Internet Protocol- Giao thức Internet ISDN Intergrated Services Digital Network- Mạng số tích hợp đa dịch vụ IS-IS Intermediate System - to - Intermediate System- Hệ thống chuyển tiếp IS-IS TE IS-IS with Traffic Engineering- IS-IS với kỹ thuật lưu lượng LC-ATM Label Controlled ATM Interface- Nhãn được điều khiển qua giao tiếp ATM Asynchronous Transfer Mode – Chế độ truyền không đồng bộ LDP Label Distribution Protocol- Giao thức phân phối nhãn LER Label Edge Router- Router biên nhãn LFIB Label Forwarding Information Base- Cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn LIB Label Information Base- Cơ sở thông tin nhãn LIFO Last-in First-out- Vào sau ra trước LSA Link State Advertisements- Quảng bá trạng thái liên kết LSP Label Switched Path- Đường chuyển mạch nhãn LSR Label Switching Router- Router chuyển mạch nhãn MNS MPLS module for Network Simulator- Mô đun mô phỏng mạng MPLS MultiProtocol Label Switching- Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLSCP MPLS Control Protocol- Giao thức điều khiển MPLS MPLS-TE MPLS Traffic Engineering- Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS MPOA Multiprotocol over ATM- Đa giao thức trên ATM MSC Mobile Switching Centre- Trung tâm chuyển mạch di động Trang-9- MTU Maximum Transfer Unit- Đơn vị truyền cưc đại NAM Network Animator- Mô phỏng mạng NCP Network Control Program- Chương trình điều khiển mạng NGN Next Generation Network- Mạng thế hệ mới NHLFE Next Hop Label Forwarding Entry- Mục nhập chuyển tiếp nhãn ở chặng kế tiếp NHRP Next Hop Resolution Protocol- Giao thức phân giải chặng kế tiếp NS Network Simulator- Mô phỏng mạng OSI Open System Interconnection- Kết nối các hệ thống mở OSPF Open Shortest Path First- Giao thức lựa chọn đường dẫn ngắn nhất OSPF-TE OSPF with Traffic Engineering- OSPF với kỹ thuật lưu lượng PBS Peak Burst Size- Kích thước chùm xung đỉnh PDR Peak Data Rate- Tốc độ dữ liệu đỉnh PDU Protocol Data Unit- Đơn vị dữ liệu giao thức PHP Penultimate Hop Popping- Gỡ nhãn ở chặng áp cuối PoR Point of Repair- Điểm sửa chữa PPP Point to Point Protocol- Giao thức kết nối điểm điểm PQ Priority Queuing- Hàng đợi ưu tiên PSL Path Switch LSR- LSR chuyển đổi đường dẫn PTI Payload Type Identifier (ATM)- Bộ nhận dạng gói PVC Permanent Virtual Connection- Mạch ảo cố định QoS Quality of Service- Chất lượng dịch vụ RED Random Early Detection (Discard)- Sự phát hiện ngẫu nhiên sớm RFC Request for Comments - Đề nghị duyệt thảo và bình luận RIB Routing Information Base- Cơ sở thông tin định tuyến RSVP Resource reSerVation Protocol- Giao thức dự trữ tài nguyên RSVP-TE RSVP with Traffic Engineering- RSVP với kỹ thuật lưu lượng SDH Synchronous Digital Hierarchy- Phân cấp số đồng bộ SLA Service Level Agreement- Thỏa thuận mức dịch vụ SONET Synchronous Optical Network- Mạng quang đồng bộ SPF Shortest Path First- Tìm đường ngắn nhất TCP Transmission Control Protocol- Giao thức điều khiển truyền dữ liệu TE Traffic Engneering- Kỹ thuật lưu lượng TLV Type/Length/Value - Kiểu/ Độ dài/ Giá trị ToS Type of Service- Loại dịch vụ Trang-10- TT Traffic Trunk- Trung kế lưu lượng TTL Time To Live- Thời gian sống UBR Unspecified Bit Rate- Tốc độ bít không xác định UDP User Datagram Protocol- Giao thức gói tin người dùng VC Virtual Circuit- Kênh ảo VCI Virtual Circuit Identifier- Bộ nhận dạng kênh ảo VPI Virtual Path Identifier- Bộ nhận dạng đường ảo VPN Virtual Private Network- Mạng riêng ảo WFQ Weighted Fair Queuing- Hàng đợi cân bằng có trọng số Trang-11- DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 1: Một số giao thức phân phối nhãn trong MPLS..................................40 Bảng 2: Các loại bản tin LDP ...........................................................................43 Bảng 3: Các lớp dịch vụ kỹ thuật lưu lượng ....................................................56 DANH SÁCH CÁC HÌNH MINH HỌA Hình 1: MPLS và mô hình tham chiếu OSI .....................................................16 Hình 2: So sánh giữa chuyển tiếp IP và chuyển tiếp MPLS ............................16 Hình 3: Miền MPLS ..........................................................................................17 Hình 4: Upstream và downstream LSR ...........................................................17 Hình 5: Lớp chuyển tiếp tương đương trong MPLS .......................................18 Hình 6: Chồng nhãn..........................................................................................19 Hình 7: Đường chuyển mạch nhãn LSP...........................................................20 Hình 8: Phân cấp LSP trong MPLS .................................................................20 Hình 9: Gói IP đi qua mạng MPLS ..................................................................21 Hình 10: Định dạng một entry trong stack nhãn MPLS .................................22 Hình 11: Shim header được “chêm” vào giữa header lớp 2 và lớp 3..............23 Hình 12: Nhãn trong chế độ cell ATM .............................................................24 Hình 13: Đóng gói (encapsulation) gói có nhãn trên liên kết ATM ................24 Hình 14: Cấu trúc của LER và transit-LSR ....................................................25 Hình 15: FTN, ILM và NHLFE........................................................................26 Hình 16: Quá trình chuyển tiếp một gói đến chặng kế ....................................27 Hình 17: Một ví dụ NHLFE ..............................................................................28 Hình 18: Bên trong mặt phẳng chuyển tiếp MPLS..........................................29 Hình 19: Ví dụ hoạt động chuyển tiếp gói ........................................................30 Hình 20: Một ví dụ định tuyến ràng buộc ........................................................34 Hình 21: Phân phối nhãn không cần yêu cầu...................................................36 Hình 22: Phân phối nhãn theo yêu cầu.............................................................37 Hình 23: Duy trì nhãn tự do .............................................................................37 Hình 24: Duy trì nhãn bảo thủ..........................................................................38 Hình 25: Điều khiển độc lập .............................................................................38 Hình 26: Điều khiển tuần tự .............................................................................39 Hình 27: Vùng hoạt động của LDP ..................................................................40 Hình 28: Trao đổi thông điệp LDP ...................................................................41 Hình 29: LDP header ........................................................................................42 Hình 30: Format thông điệp LDP.....................................................................43 Hình 31: Ví dụ LDP chế độ điều khiển độc lập theo yêu cầu ..........................45 Hình 32: Thiết lập LSP với CR-LDP................................................................47 Hình 33: Tiến trình dự trữ tài nguyên .............................................................48 Hình 34: Thiết lập LSP với RSVP-TE..............................................................52 Hình 35: Nhiều luồng cho mỗi lớp lưu lượng ...................................................57 Hình 36: Hàng đợi CQ ......................................................................................58 Trang-12- Hình 37: Hàng đợi PQ.......................................................................................59 Hình38: Giải thuật Leaky Bucket.....................................................................60 Hình39: Giải thuật Token Bucket ...................................................................61 Hình 40: Mô hình chồng phủ (Overlay Model)................................................62 Hình 41: Các trung kế lưu lượng......................................................................63 Hình 42: Một ví dụ băng thông dự trữ cho từng mức ưu tiên.........................68 Hình 43: Minh họa cách dùng bit Affinity và Resource-Class ........................69 Hình 44: Băng thông khả dụng ứng với từng mức ưu tiên..............................70 Hình 45: Xem xét các ràng buộc khống chế .....................................................72 Hình 46: Xem xét tài nguyên khả dụng ............................................................73 Hình 47: Chọn đường tốt nhất..........................................................................74 Hình 48: Mô hình Makam ................................................................................77 Hình 49: Mô hình Haskin .................................................................................78 Hình 50: Mô hình Shortest-Dynamic ...............................................................79 Hình 51: Mô hình Simple-Dynamic..................................................................80 Hình 52: Dữ liệu đầu vào và kết xuất của NS ..................................................81 Hình 53: Topology vật lý mạng thực hiện mô phỏng.......................................82 Hình 54: Kết quả băng thông nhận được ở bài 1.............................................83 Hình 55: Mô phỏng trực quan bài 1 trong cửa sổ NAM..................................84 Hình 56: Kết quả băng thông nhận được ở bài 2.............................................85 Hình 57: Mô phỏng trực quan bài 2 trong cửa sổ NAM..................................86 Hình 58: Xuất nội dung bảng LIB ở các LSR ra màn hìn console..................86 Hình 59: Kết quả băng thông nhận được ở bài 3.............................................88 Hình 60: Mô phỏng trực quan bài 3 trong cửa số NAM..................................88 Hình 62 Đường đi của lưu lượng trước thời điểm sự cố ..................................90 Hình 63: Đường đi của lưu lượng sau thời điểm sự cố (Makam) ....................91 Hình 64: Kết quả băng thông nhận được ở bài 5.............................................92 Hình 65: Đường đi của lưu lượng sau thời điểm sự cố (Haskin) .....................92 Hình 66: Kết quả băng thông nhận được ở bài 6.............................................93 Hình 67: Đường đi của lưu lượng sau thời điểm sự cố (Shortest-Dynamic)...94 Hình 68: Kết quả băng thông nhận được ở bài 7.............................................95 Hình 69: Đường đi của lưu lượng sau thời điểm sự cố (Simple-Dynamic) .....95 Trang-13- MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, với sự phát triển nhanh chóng các dịch vụ IP và sự bùng nổ Internet đã dẫn đến một loạt thay đổi trong nhận thức kinh doanh của các nhà khai thác. Lưu lượng lớn nhất hiện nay trên mạng trục là lưu lượng IP. Giao thức IP thống trị toàn bộ các giao thức lớp mạng, hệ quả là tất cả các xu hướng phát triển công nghệ lớp dưới đều hỗ trợ cho IP. Nhu cầu thị trường cấp bách cho mạng tốc độ cao với chi phí thấp là cơ sở cho một loạt các công nghệ mới ra đời, trong đó có MPLS. Công nghệ MPLS đã chứng minh được tính ứng dụng thực tiễn các tính năng vượt trội của nó so với các công nghệ chuyển mạch truyền thống khác như ATM. Tập đoàn BCVT Việt Nam đã lựa chọn IP/MPLS làm công nghệ cho lớp chuyển tải mạng NGN đang triển khai trên phạm vi toàn quốc. Một trong những ưu điểm lớn nhất của MPLS là ở khả năng thực hiện kỹ thuật lưu lượng. Đây cũng là đối tượng nghiên cứu chính của học viên khi thực hiện luận văn này. Luận văn được tổ chức thành 4 chương với các nội dung chính như sau: Chương 1 - Chuyển mạch nhãn đa giao thức : Giới thiệu tổng quan công nghệ MPLS, các khái niệm cơ bản, kiến trúc chức năng và cơ chế hoạt động của MPLS. Chương 2 - Định tuyến và báo hiệu MPLS : Trình bày các kỹ thuật định tuyến được hỗ trợ bởi MPLS, các chế độ báo hiệu và một số giao thức báo hiệu phân phối nhãn của MPLS. Chương 3 - Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS : Trình bày các khái niệm và mục tiêu của kỹ thuật lưu lượng, khả năng và các cơ chế thực hiện kỹ thuật lưu lượng của MPLS. Nội dung tập trung vào vấn đề ánh xạ lưu lượng lên topology vật lý, tức là tính toán đường đi tốt nhất qua mạng của lưu lượng sao cho mạng hoạt động hiệu quả và tin cậy. Các vấn đề bảo vệ khôi phục đường - một trong những nhiệm vụ của kỹ thuật lưu lượng cũng được trình bày trong chương này. Trang-14- Chương 4 - Mô phỏng MPLS-TE và đánh giá : Học viên báo cáo kết quả thực hiện mô phỏng MPLS-TE trên máy tính với phần mềm NS-2 để làm rõ cơ chế thực hiện kỹ thuật lưu lượng của MPLS. Các mô hình bảo vệ khôi phục lưu lượng của MPLS cũng được mô phỏng trong phần này. Trang-15- Chương 1: CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC MPLS 1.1 Tổng quan MPLS là viết tắt của “Multi-Protocol Label Switching”. Thuật ngữ multi- protocol để nhấn mạnh rằng công nghệ này áp dụng được cho tất cả các giao thức lớp mạng chứ không chỉ riêng có IP. MPLS cũng hoạt động tốt trên bất kỳ các giao thức lớp liên kết. Đây là một công nghệ lai kết hợp những đặc tính tốt nhất của định tuyến lớp 3 (Layer 3 routing) và chuyển mạch lớp 2 (Layer 2 switching).[1] 1.1.1 Tính thông minh phân tán Trong mạng chuyển mạch kênh, tính thông minh chủ yếu tập trung ở mạng lõi (core). Tất cả những thiết bị thông minh nhất đều đặt trong mạng lõi như các tổng đài chuyển tiếp hay các trung tâm chuyển mạch di động MSC… Các thiết bị kém thông minh hơn thì đặt ở mạng biên (edge), ví dụ như các tổng đài nội hạt, truy nhập… Trong mạng gói IP, tính thông minh gần như chia đều cho các thiết bị trong mạng. Tất cả các router đều phải làm hai nhiệm vụ là định tuyến và chuyển mạch. Đây là ưu điểm nhưng cũng là nhược điểm của IP. Quan điểm của MPLS là tính thông minh càng đưa ra biên thì mạng càng hoạt động tốt. Lý do là những thành phần ở mạng lõi phải chịu tải rất cao. Thành phần mạng lõi nên có độ thông minh thấp và năng lực chuyển tải cao. MPLS phân tách hai chức năng định tuyến và chuyển mạch: Các router ở biên thực hiện định tuyến và gắn nhãn (label) cho gói. Còn các router ở mạng lõi chỉ tập trung làm nhiệm vụ chuyển tiếp gói với tốc độ cao dựa vào nhãn. Tính thông minh được đẩy ra ngoài biên là một trong những ưu điểm lớn nhất của MPLS[1]. Trang-16- 1.1.2 MPLS và mô hình tham chiếu OSI Hình 1: MPLS và mô hình tham chiếu OSI MPLS được xem như là một công nghệ lớp đệm (shim layer), nó nằm trên lớp 2 nhưng dưới lớp 3, vì vậy đôi khi người ta còn gọi nó là lớp 2,5. Hình 2: So sánh giữa chuyển tiếp IP và chuyển tiếp MPLS Nguyên lý của MPLS là tất cả các gói IP sẽ được gắn nhãn (label) và chuyển tiếp theo một đường dẫn LSP (Label Switched Path). Các router trên đường dẫn chỉ căn cứ vào nội dung của nhãn để thực hiện quyết định chuyển tiếp gói mà không cần phải kiểm tra header IP[1]. Trang-17- 1.2 Các khái niệm cơ bản trong MPLS 1.2.1 Miền MPLS (MPLS domain) RFC 3031 mô tả miền MPLS là “một tập hợp các nút mạng thực hiện hoạt động định tuyến và chuyển tiếp MPLS”. Một miền MPLS thường được quản lý và điều khiển bởi một nhà quản trị[6]. Hình 3: Miền MPLS Miền MPLS được chia thành 2 phần: phần mạng lõi (core) và phần mạng biên (edge). Các nút thuộc miền MPLS được gọi là router chuyển mạch nhãn LSR (Label Switch Router). Các nút ở phần mạng lõi được gọi là transit-LSR hay core-LSR (thường được gọi tắt là LSR). Các nút ở biên được gọi là router biên nhãn LER (Label Edge Router). Nếu một LER là nút đầu tiên trên đường đi của một gói xuyên qua miền MPLS thì nó được gọi là LER lối vào (ingress-LER), còn nếu là nút cuối cùng thì nó được gọi là LER lối ra (egress-LER). Lưu ý là các thuật ngữ này được áp dụng tùy theo chiều của luồng lưu lượng trong mạng, do vậy một LER có thể là ingress-LER vừa là egress-LER tuỳ theo các luồng lưu lượng đang xét. Hình 4: Upstream và downstream LSR Trang-18- Thuật ngữ upstream-LSR và downstream-LSR cũng được dùng, phụ thuộc vào chiều của luồng lưu lượng như chỉ ra trên hình 4. Các tài liệu MPLS thường dùng ký hiệu Ru để biểu thị cho upstream-LSR và dùng ký hiệu Rd để biểu thị cho downstream-LSR. 1.2.2 Lớp chuyển tiếp tương đương (FEC) Lớp chuyển tiếp tương đương FEC (Forwarding Equivalence Class) là một tập hợp các gói được đối xử như nhau bởi một LSR. Như vậy, FEC là một nhóm các gói IP được chuyển tiếp trên cùng một đường chuyển mạch nhãn LSP, được đối xử theo cùng một cách thức và có thể ánh xạ vào một nhãn bởi một LSR cho dù chúng có thể khác nhau về thông tin header lớp mạng. Hình 5 dưới đây cho thấy cách xử lý này[1]. Hình 5: Lớp chuyển tiếp tương đương trong MPLS 1.2.3 Nhãn và chồng nhãn RFC 3031 định nghĩa nhãn là “một bộ nhận dạng có độ dài ngắn và cố định, mang ý nghĩa cục bộ dùng để nhận biết một FEC”. Nhãn được “dán” lên một gói để báo cho LSR biết gói này cần đi đâu. Phần nội dung nhãn có độ dài 20 bit không cấu trúc, như vậy số giá trị nhãn có thể có là 220 (hơn một triệu giá trị). Giá trị nhãn định nghĩa chỉ mục (index) để dùng trong bảng chuyển tiếp[6]. Một gói lại có thể được “dán chồng” nhiều nhãn, các nhãn này chứa trong một nơi gọi là chồng nhãn (label stack). Chồng nhãn là một tập hợp gồm Trang-19- một hoặc nhiều chỉ mục nhãn tổ chức theo nguyên tắc vào sau ra trước (LIFO). Tại mỗi chặng trong mạng chỉ xử lý nhãn hiện hành trên đỉnh chồng nhãn. Chính nhãn này sẽ được LSR sử dụng để chuyển tiếp gói. Hình 6: Chồng nhãn Nếu gói tin chưa có nhãn thì chồng nhãn là rỗng(độ sâu của chồng nhãn bằng 0). Nếu chồng nhãn có chiều sâu là d thì mức 1 sẽ ở đáy của chồng nhãn (bit S trong mục nhập nhãn đặt lên 1) và mức d sẽ ở đỉnh của chồng nhãn. Một mục nhập nhãn có thể được đặt thêm vào (push) hoặc lấy ra (pop) khỏi chồng nhãn. 1.2.4 Hoán đổi nhãn (Label Swapping) Hoán đổi nhãn là cách dùng các thủ tục để chuyển tiếp gói. Để chuyển tiếp gói có nhãn, LSR kiểm tra nhãn trên đỉnh chồng nhãn và dùng ánh xạ ILM (Incoming Label Map) để ánh xạ nhãn này tới một mục nhập chuyển tiếp nhãn NHLFE. Sử dụng thông tin trong NHLFE, LSR xác định ra nơi để chuyển tiếp gói và thực hiện một tác vụ trên chồng nhãn. Rồi nó mã hóa chồng nhãn mới vào gói và chuyển gói đi. Chuyển tiếp gói chưa có nhãn cũng tương tự nhưng xảy ra ở ingress-LER. LER phải phân tích header lớp mạng để xác định FEC rồi sử dụng ánh xạ FTN (FEC-to-NHLFE) để ánh xạ FEC vào một NHLFE[1]. 1.2.5 Đường chuyển mạch nhãn LSP (Label Switched Path) Đường chuyển mạch nhãn LSP là một đường nối giữa router lối vào và router lối ra, được thiết lập bởi các nút MPLS để chuyển các gói đi xuyên qua mạng. Đường dẫn của một LSP qua mạng được định nghĩa bởi sự chuyển đổi Trang-20- các giá trị nhãn ở các LSR dọc theo LSP bằng cách dùng thủ tục hoán đổi nhãn. Khái niệm LSP tương tự như khái niệm mạch ảo (VC) trong ATM. Hình 7: Đường chuyển mạch nhãn LSP Kiến trúc MPLS cho phép phân cấp các LSP, tương tự như ATM sử dụng VPI và VCI để tạo ra phân cấp kênh ảo (VC) nằm trong đường ảo (VP). Tuy nhiên ATM chỉ có thể hỗ trợ 2 mức phân cấp, trong khi với MPLS thì số mức phân cấp cho phép rất lớn nhờ khả năng chứa được nhiều mục nhập nhãn trong chồng nhãn. Về lý thuyết, giới hạn số lượng nhãn trong chồng nhãn phụ thuộc giá trị MTU (Maximum Transfer Unit) của các giao thức lớp liên kết được dùng dọc theo một LSP[1]. Hình 8: Phân cấp LSP trong MPLS Trang-21- 1.2.6 Chuyển gói qua miền MPLS Sau đây là một ví dụ đơn giản minh họa quá trình truyền gói IP đi qua miền MPLS. Gói tin IP khi đi từ ngoài mạng vào trong miền MPLS được router A đóng vai trò là một ingress-LER sẽ gán nhãn có giá trị là 6 cho gói IP rồi chuyển tiếp đến router B. Router B dựa vào bảng hoán đổi nhãn để kiểm tra nhãn của gói tin. Nó thay giá trị nhãn mới là 3 và chuyển tiếp đến router C. Tại C, việc kiểm tra cũng tương tự như ở B và sẽ hoán đổi nhãn, gán cho gói tin một nhãn mới là 9 và tiếp tục được đưa đến router D. Hình 9: Gói IP đi qua mạng MPLS Router D đóng vai trò egress-LER sẽ kiểm tra trong bảng hoán đổi nhãn và gỡ bỏ nhãn 9 ra khỏi gói tin rồi định tuyến gói IP một cách bình thường đi ra khỏi miền MPLS. Với kiểu làm việc này thì các LSR trung gian như router B và C sẽ không phải thực hiện kiểm tra toàn bộ header IP của gói tin mà nó chỉ việc kiểm tra các giá trị của nhãn, so sánh trong bảng và chuyển tiếp. Vì vậy tốc độ xử lý trong miền MPLS sẽ nhanh hơn nhiều so với định tuyến IP truyền thống. Đường đi từ router A đến router D được gọi là đường chuyển mạch nhãn LSP (Label Switched Path)[1]. 1.3 Mã hóa nhãn và các chế độ đóng gói nhãn MPLS 1.3.1 Mã hóa chồng nhãn Khi nhãn được gắn lên gói, bản thân giá trị nhãn 20 bit sẽ được mã hoá cùng với một số thông tin cộng thêm để phụ trợ trong quá trình chuyển tiếp gói Trang-22- để hình thành một mục nhập nhãn. Hình 10 minh họa định dạng một mục nhập nhãn trong chồng nhãn[1]. Hình 10: Định dạng một entry trong stack nhãn MPLS Nhóm 32 bit ở hình trên là một mục nhập trong chồng nhãn, trong đó phần giá trị nhãn thực sự chỉ có 20 bit. Tuy nhiên người ta thường gọi chung cho cả mục nhập 32 bit nói trênlà một nhãn. Vì vậy khi thảo luận về nhãn cần phân biệt là đang xem xét giá trị nhãn 20 bit hay nói về mục nhập 32 bit trong chồng nhãn. Phần thông tin 12 bit cộng thêm gồm các trường sau đây:  EXP (một số tài liệu gọi là CoS - Class of Service – Lớp dịch vụ) – Gồm 3 bit, có thể là một hàm của trường TOS (Type of Service- Loại dịch vụ) hoặc Diffserv- Dịch vụ phân biệt trong gói IP. Đa số các nhà sản xuất sử dụng các bit này để mang chỉ thị QoS, thường là copy trực tiếp từ các bit TOS trong gói IP. Khi gói MPLS vào hàng đợi, có thể sử dụng các bit EXP theo cách giống như các bit ưu tiên trong IP.  S – Gồm 1 bit, chỉ thị đáy của chồng nhãn. Khi một nhãn nằm ở đáy chồng nhãn, thì bit S đặt lên 1; còn các nhãn khác có bit S đặt về 0. Bit S là phương tiện để xác định đáy của chồng nhãn nằm ở đâu.  TTL – Gồm 8 bit, thường là copy trực tiếp từ trường TTL của header IP, được giảm đi 1 qua mỗi chặng để chặn loop định tuyến giống như IP. Tuy nhiên, các bit TTL cũng có thể được đặt khác với TTL trong gói IP, thường dùng khi nhà khai thác mạng muốn che giấu topology mạng MPLS. MPLS có thể hoạt động ở các chế độ: chế độ frame và chế độ cell. Trang-23- 1.3.2 Chế độ Frame Các kỹ thuật lớp 2 như Ethernet, Token Ring, FDDI, PPP không có trường nào phù hợp trong header của frame có thể mang nhãn. Vì vậy, chồng nhãn sẽ được chứa trong header chêm (shim header). Shim header được “chêm” vào giữa header lớp liên kết và header lớp mạng, như trong hình 11. Đỉnh chồng nhãn nằm liền sau header lớp 2 và đáy chồng nhãn nằm liền trước header lớp mạng. Hình 11: Shim header được “chêm” vào giữa header lớp 2 và lớp 3 Router gởi frame phải có cách để báo cho router nhận biết rằng frame này có chứa shim header, cách thức này khác nhau giữa các kỹ thuật lớp 2. Ethernet sử dụng cặp giá trị ethertype 0x8847 và 0x8848 để chỉ thị frame đang mang gói MPLS unicast và multicast tương ứng. PPP sử dụng NCP (Network Control Program) sửa đổi gọi là MPLSCP (MPLS Control Protocol) và đánh dấu tất cả các gói có chứa shim header bằng giá trị 0x8281 trong trường PPP Protocol. 1.3.3 Chế độ Cell Chế độ Cell được dùng khi ta có một mạng gồm các ATM-LSR (là các chuyển mạch ATM có hỗ trợ MPLS), trong đó nó sử dụng các giao thức phân phối nhãn MPLS để trao đổi thông tin VPI/VCI thay cho báo hiệu ATM. Nhãn được mã hoá trong trường gộp VPI/VCI, trong VPI hoặc VCI của header cell ATM (RFC 3035). Trang-24- Hình 12: Nhãn trong chế độ cell ATM Cell ATM gồm có 5 byte header và 48 byte payload. Để chuyển tải gói tin có kích thước lớn hơn 48 byte từ lớp trên đưa xuống (ví dụ gói IP), ATM phải chia gói tin thành nhiều phần nhỏ hơn, việc này gọi là phân đoạn (fragmentation). Quá trình phân đoạn do lớp AAL (ATM Adaptation Layer) đảm trách. Cụ thể, AAL5 PDU sẽ được chia thành nhiều đoạn 48 byte, mỗi đoạn 48 byte này được thêm header 5 byte để tạo ra một cell ATM[2]. Hình 13: Đóng gói (encapsulation) gói có nhãn trên liên kết ATM Khi đóng gói có nhãn MPLS trên ATM, toàn bộ chồng nhãn được đặt trong AAL5 PDU. Giá trị thực sự của nhãn đỉnh được đặt trong trường VPI/VCI, hoặc đặt trong trường VCI nếu 2 ATM-LSR kết nối nhau qua một đường ảo ATM (VP). Mục nhập đỉnh chồng nhãn phải chứa giá trị 0 (coi như mục nhập “giữ chỗ”) và được bỏ qua khi nhận. Lý do các nhãn phải chứa ở cả trong AAL5 PDU và header ATM là để mở rộng độ sâu chồng nhãn. Khi các cell ATM đi đến cuối LSP, nó sẽ được tái hợp lại. Nếu có nhiều nhãn trong chồng nhãn, AAL5 PDU sẽ bị phân đoạn lần nữa và nhãn hiện hành trên đỉnh chồng nhãn sẽ được đặt vào trường VPI/VCI. Trang-25- 1.4 Cấu trúc chức năng MPLS 1.4.1 Kiến trúc một nút MPLS (LER và LSR) Hình 14 minh họa mặt phẳng điều khiển và chuyển tiếp của LSR và LER. Mặt phẳng điều khiển có chức năng định tuyến IP dùng để giao tiếp với các LSR, LER khác hoặc các router IP thông thường bằng các giao thức định tuyến IP. Kết quả là một cơ sở thông tin định tuyến RIB (Routing Information Base) được tạo lập gồm các thông tin miêu tả các các route khả thi để tìm đến các prefix địa chỉ IP. LER sẽ sử dụng các thông tin này để xây dựng cơ sở thông tin chuyển tiếp FIB (Forwarding Information Base) trong mặt phẳng chuyển tiếp[1]. Hình 14: Cấu trúc của LER và transit-LSR Mặt phẳng điều khiển còn có chức năng báo hiệu MPLS dùng để giao tiếp với các LSR khác bằng một giao thức phân phối nhãn. Kết quả là một cơ sở thông tin nhãn LIB (Label Information Base) gồm các thông tin liên quan đến các gán kết nhãn đã được thương lượng với các router MPLS khác. Thành phần báo hiệu MPLS nhận thông tin từ chức năng định tuyến IP và LIB để xây dựng cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn LFIB (Label Forwarding Information Trang-26- Base) trong mặt phẳng chuyển tiếp. Một LER có thể có thể chuyển tiếp các gói IP, gắn nhãn vào gói (label push), hoặc gỡ nhãn ra khỏi gói (label pop), trong khi đó một transit-LSR chỉ có khả năng chuyển tiếp gói có nhãn, thêm hoặc bỏ bớt nhãn. 1.4.2 Mặt phẳng chuyển tiếp (mặt phẳng dữ liệu) Mặt phẳng chuyển tiếp MPLS chịu trách nhiệm chuyển tiếp dữ liệu của user. Nó sử dụng cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn LFIB để thực hiện chuyển tiếp các gói có gắn nhãn căn cứ vào giá trị của nhãn nằm trên đỉnh chồng nhãn. 1.4.2.1 Cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn LFIB Trong mạng IP, quyết định chuyển tiếp gói được xác lập bằng cách thực hiện tra cứu địa chỉ đích trong bảng FIB để xác định chặng kế và giao diện ra. Trong mạng MPLS, mỗi LSR duy trì một bảng LFIB riêng rẽ và tách biệt với FIB. Bảng LFIB có hai loại mục nhập là ILM (incoming label map) và FTN (FEC-to-NHLFE). NHLFE là mục nhập phụ chứa các trường như địa chỉ chặng kế, các tác vụ chồng nhãn, giao diện ra và thông tin header lớp 2. ILM ánh xạ một nhãn đến một hoặc nhiều NHLFE. Nhãn trong gói đến sẽ dùng để chọn ra một mục nhập ILM cụ thể nhằm xác định NHLFE. Còn FTN ánh xạ mỗi FEC vào một hoặc nhiều NHLFE. Nhờ các mục nhập FTN, gói chưa có nhãn được chuyển thành gói có nhãn[1]. Hình 15: FTN, ILM và NHLFE Trang-27- Như vậy, khi một gói không nhãn thuộc một FEC đi vào miền MPLS, ingress-LER sẽ sử dụng một mục nhập LFIB loại FTN để chuyển gói không nhãn thành gói có nhãn. Sau đó, tại các transit-LSR sử dụng một mục nhập LFIB loại ILM để hoán đổi nhãn vào bằng nhãn ra. Cuối cùng, tại egress-LER sử dụng một mục nhập LFIB loại ILM để gỡ bỏ nhãn đến và chuyển tiếp gói không nhãn đến router kế tiếp. 1.4.2.2 Thuật toán chuyển tiếp nhãn Các nút MPLS sử dụng giá trị nhãn trong các gói đến làm chỉ mục để tra bảng LFIB. Khi tìm thấy mục nhập tương ứng với nhãn đến, nút MPLS thay thế nhãn trong gói bằng nhãn ra và gởi gói đi qua giao diện ra để đến chặng kế được đặc tả trong mục nhập phụ NHLFE. Nếu mục nhập phụ có chỉ định hàng đợi ra, nút MPLS sẽ đặt gói trên hàng đợi đã chỉ định. Trường hợp nút MPLS duy trì một LFIB riêng cho mỗi giao diện, nó sẽ dùng LFIB của giao diện mà gói đến để tra cứu chuyển tiếp gói[1]. Hình 16: Quá trình chuyển tiếp một gói đến chặng kế Nút MPLS có thể lấy định vị được các thông tin chuyển tiếp cần thiết trong LFIB chỉ trong một lần truy xuất bộ nhớ, tốc độ thực thi rất cao nhờ các chip ASIC. 1.4.2.3 Mục nhập chuyển tiếp nhãn ở chặng kế tiếp (NHLFE ) NHLFE là mục nhập phụ của ILM hoặc FTN, nó chứa các thông tin sau: - Hop kế (chặng tiếp theo) của gói - Tác vụ sẽ được tiến hành trên chồng nhãn của gói như sau: Trang-28- - Swap: Thay nhãn ở đỉnh của chồng nhãn bằng một nhãn mới được chỉ định. - Pop: Bóc một nhãn ra khỏi chồng nhãn. - Push: Chồng thêm một nhãn vào trong chồng nhãn. Hình 17: Một ví dụ NHLFE Ngoài ra, NHLFE cũng có thể chứa những thông tin sau: - Đóng gói lớp liên kết dữ liệu để sử dụng khi truyền gói - Cách thức mã hóa chồng nhãn khi truyền gói - Bất kỳ các thông tin khác cần thiết để xử lý gói một cách chính xác. 1.4.3 Mặt phẳng điều khiển Nhiệm vụ của các giao thức trong mặt phẳng điều khiển là phân phối các thông tin cần thiết cho mỗi LER và LSR để cấu hình bảng FIB và LFIB. Trong hình 14, một giao thức định tuyến sử dụng bảng thông tin định tuyến RIB hoạt động kết hợp với một giao thức báo hiệu MPLS sử dụng bảng thông tin nhãn LIB để phân phối cácnhãn. Việc phân tách mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng chuyển tiếp cho phép cài đặt một giao thức điều khiển MPLS trên một ATM switch. Tại sao MPLS cần giao thức báo hiệu, trong khi các router IP cổ điển chỉ cần định tuyến IP? Một lý do quan trọng phải dùng giao thức báo hiệu MPLS kết hợp với một giao thức định tuyến xuất phát từ sự cần thiết phải thực hiện định tuyến ràng buộc của đường chuyển mạch nhãn MPLS. 1.5 Hoạt động chuyển tiếp MPLS 1.5.1 Hoạt động trong mặt phẳng chuyển tiếp FEC là một tập con các gói căn cứ theo một số thông tin trong header IP được dùng bởi FIB. Một FEC được dùng thường dựa theo luật “longest prefix match” trên địa chỉ IP đích. Ví dụ: các địa chỉ IP so trùng 16 bit đầu có dạng “a.b.*.*” (trong đó * đại diện cho giá trị hợp lệ bất kỳ) được biểu diễn là “a.b/16” cho mục nhập FEC đầu tiên trong bảng FIB. FEC còn có thể căn cứ bổ Trang-29- sung theo các trường khác trong header IP như ToS hay Diffserv. FIB sử dụng FEC để xác định ra giao tiếp đi đến chặng kế cho các gói IP, cách thực hiện giống như các router cổ điển. Hình 18: Bên trong mặt phẳng chuyển tiếp MPLS Cho các ví dụ từng hoạt động LFIB ở hình 18. Phần ILM (incoming label map) của LFIB thao tác trên một gói có nhãn và ánh xạ một nhãn vào (incoming label) tới một tập các mục nhập NHLFE. ILM được thể hiện trong hình bởi các cột IN-IF và IN-LBL, nhưng cũng có thể là một bảng riêng rẽ cho một giao tiếp. FTN (FEC-to-NHLFE) của FIB ánh xạ một FEC tới một tập hợp gồm một hoặc nhiều NHLFE. Như ví dụ trong hình, nhãn A được gắn (push) lên các gói IP thuộc FEC “d.e/16”. Lưu ý là ILM hoặc FTN có thể ánh xạ tới nhiều NHLFE, chẳng hạn để dùng trong cân bằng tải[1]. 1.5.2 Gỡ nhãn ở chặng áp cuối PHP (Penultimate Hop Popping) Một tối ưu hóa quan trọng mà MPLS hỗ trợ là tránh việc tra cứu nhãn (label lookup) phải xử lý ở egress-LER trong trường hợp một gói đi trên một LSP mà yêu cầu tra cứu IP (IP lookup) tiếp ngay sau đó. Ở trong hình 18, một gói đến có nhãn A được gỡ nhãn (pop) và chuyển sang FIB để tra cứu Trang-30- tiếp trên header IP. Để tránh việc xử lý phát sinh thêm này, MPLS định nghĩa một tiến trình gọi là gỡ nhãn ở chặng áp cuối PHP (penultimate hop popping), trong đó router áp cuối trên LSP sẽ gỡ nhãn thay vì egress-LER phải làm việc đó. Nhờ vậy cắt giảm được việc xử lý ở router cuối cùng trên LSP. 1.5.3 Một ví dụ hoạt động chuyển tiếp gói Trong ví dụ này thể hiện đường đi và các hoạt động chuyển tiếp được thực hiện ở mỗi nút cho 2 LSP là LSP-1 và LSP-2. LSP-1 bắt đầu từ LER E1, tại đó có một gói IP đến với địa chỉ đích là “a.b.c.d”. LER E1 kiểm tra bảng FIB của nó và xác định rằng gói này thuộc về FEC “a.b.c/24”, nó gắn nhãn A lên gói và xuất ra trên giao tiếp số 2. Tiếp theo, LSR S1 thấy có gói gắn nhãn A đến trên giao tiếp số 1, LFIB của nó chỉ thị rằng gói sẽ xuất ra trên giao tiếp số 4 và nhãn sẽ được thay thế bằng nhãn D. Gói có nhãn đi ra trên giao tiếp số 4 trên LSR S1 nối đến giao tiếp số 1 trên LSR S4. Hình 19: Ví dụ hoạt động chuyển tiếp gói Vì LSR S4 là chặng áp cuối của LSP-1 nên thao tác được chỉ thị trong LFIB của nó là gỡ nhãn (pop) và gởi gói đi ra trên giao tiếp số 4. Cuối cung, ở đích là LER E4, mục nhập FIB thao tác trên FEC “a.b.c/24” và chuyển phát gói đến chặng kế trên giao tiếp ra số 3. Đối với ví dụ ở LSP-2, các mục nhập trong FIB và LFIB cũng được thể hiện tương tự như đã trình bày đối với LSP-1. Trang-31- 1.6 Ưu điểm và ứng dụng của MPLS 1.6.1 Đơn giản hóa chức năng chuyển tiếp MPLS sử dụng cơ chế chuyển tiếp căn cứ vào nhãn có độ dài cố định nên quyết định chuyển tiếp có thể xác định ngay chỉ với một lần tra cứu chỉ mục trong LFIB. Cơ chế này đơn giản và nhanh hơn nhiều so với giải thuật “longest prefix match” dùng trong chuyển tiếp gói datagram thông thường. 1.6.2 Kỹ thuật lưu lượng Ưu điểm lớn nhất của MPLS là ở khả năng thực hiện kỹ thuật lưu lượng (TE: Traffic Engineering), nó đảm bảo lưu lượng được định tuyến đi qua một mạng theo một cách thức tin cậy và hiệu quả nhất. Kỹ thuật lưu lượng cho phép các ISP định tuyến lưu lượng theo cách họ có thể cung cấp dịch vụ tốt nhất cho khách hàng ở khía cạnh thông lượng và độ trễ. MPLS-TE cho phép lưu lượng được phân bố hợp lý qua toàn bộ hạ tầng mạng, tối ưu hóa hiệu suất sử dụng mạng[4]. Đây cũng là đối tượng nghiên cứu chính của đề tài này và sẽ được trình bày kỹ ở các chương tiếp theo. 1.6.3 Định tuyến QoS từ nguồn Định tuyến QoS từ nguồn là một cơ chế trong đó các LSR được xác định trước ở nút nguồn (LSR lối vào) dựa vào một số thông tin về độ khả dụng tài nguyên trong mạng cũng như yêu cầu QoS của luồng lưu lượng. Nói cách khác, nó là một giao thức định tuyến có mở rộng chỉ tiêu chọn đường để bao gồm các tham số như băng thông khả dụng, việc sử dụng liên kết và đường dẫn end-to-end, độ chiếm dụng tài nguyên của nút, độ trễ và biến động trễ. 1.6.4 Mạng riêng ảo VPN VPN là cho phép khách hàng thiết lập mạng riêng giống như thuê kênh riêng nhưng với chi phí thấp hơn bằng cách sử dụng hạ tầng mạng công cộng dùng chung. Kiến trúc MPLS đáp ứng tất cả các yêu cầu cần thiết để hỗ trợ VPN bằng cách thiết lập các đường hầm LSP sử dụng định tuyến tường minh. Do đó, MPLS sử dụng các đường hầm LSP cho phép nhà khai thác cung cấp dịch vụ VPN theo cách tích hợp trên cùng hạ tầng mà họ cung cấp dịch vụ Trang-32- Internet. Hơn nữa, cơ chế xếp chồng nhãn cho phép cấu hình nhiều VPN lồng nhau trên hạ tầng mạng. 1.6.5 Chuyển tiếp có phân cấp (Hierachical forwarding) Thay đổi đáng kể nhất được MPLS đưa ra không phải ở kiến trúc định tuyến mà là kiến trúc chuyển tiếp. Sự cải tiến trong kiến trúc chuyển tiếp có tác động đáng kể đến khả năng cung cấp chuyển tiếp phân cấp. Chuyển tiếp phân cấp cho phép lồng một LSP vào trong một LSP khác (xếp chồng nhãn hay còn gọi là điều khiển gói đa cấp). Thực ra chuyển tiếp phân cấp không phải là kỹ thuật mới; ATM đã cung cấp cơ chế chuyển tiếp 2 mức với khái niệm đường ảo (VP) và kênh ảo (VC). Tuy nhiên MPLS cho phép các LSP được lồng vào nhau một cách tùy ý, cung cấp điều khiển gói đa cấp cho việc chuyển tiếp[5]. 1.6.6 Khả năng mở rộng (Scalability) Chuyển mạch nhãn cung cấp một sự tách biệt toàn diện hơn giữa định tuyến liên miền (inter-domain) và định tuyến nội miền (intra-domain), điều này cải thiện đáng kể khả năng mở rộng của các tiến trình định tuyến. Hơn nữa, khả năng mở rộng của MPLS còn nhờ vào FEC (thu gom luồng), và xếp chồng nhãn để hợp nhất (merging) hoặc lồng nhau (nesting) các LSP. Ngoài ra, nhiều LSP liên kết với các FEC khác nhau có thể được trộn vào cùng một LSP. Sử dụng các LSP lồng nhau cũng cải thiện khả năng mở rộng của MPLS. 1.7 Tổng kết chương Trong các giao thức lớp mạng truyền thống, khi một gói đi từ một router đến chặng kế tiếp thì quyết định chuyển tiếp phải được đưa ra độc lập ở mỗi chặng. Việc chọn chặng kế dựa trên việc phân tích header của gói và kết quả chạy giải thuật định tuyến. Một router xem hai gói là thuộc cùng một luồng nếu chúng có cùng prefix địa chỉ mạng bằng cách áp dụng luật “longest prefix match” cho địa chỉ đích của từng gói. Khi gói di chuyển qua mạng, ở mỗi chặng đến lượt mình sẽ lại kiểm tra gói và gán lại vào một luồng. Công nghệ chuyển mạch nhãn cho phép thay thế chuyển tiếp gói truyền thống theo kiểu chặng đến chặng dựa trên địa chỉ đích bằng kỹ thuật chuyển tiếp hoán đổi nhãn. Kỹ thuật này dựa vào các nhãn có độ dài cố định, Trang-33- cải thiện được năng lực định tuyến lớp 3, đơn giản hóa việc chuyển gói, cho phép dễ dàng mở rộng và đặc biệt là hỗ trợ kỹ thuật lưu lượng. Trang-34- Chương 2: ĐỊNH TUYẾN VÀ BÁO HIỆU MPLS 2.1 Định tuyến trong MPLS MPLS hỗ trợ cả hai kỹ thuật định tuyến: định tuyến từng chặng (hop-by-hop) và định tuyến ràng buộc (constrain-based routing). Định tuyến từng chặng cho phép mỗi nút nhận dạng các FEC và chọn chặng kế cho mỗi FEC một cách độc lập, giống như định tuyến trong mạng IP. Tuy nhiên, nếu muốn triển khai kỹ thuật lưu lượng với MPLS, bắt buộc phải sử dụng kiểu định tuyến ràng buộc. 2.1.1 Định tuyến ràng buộc (Constrain-based Routing) Định tuyến ràng buộc là một phương tiện để thực hiện xử lý tự động hóa kỹ thuật lưu lượng, khắc phục được các hạn chế của định tuyến theo đích (destination-based routing). Nó xác định các route không chỉ dựa trên topology mạng (thuật toán chọn đường ngắn nhất SPF) mà còn sử dụng các độ đo đặc thù khác như băng thông, trễ, cost và biến động trễ. Giải thuật chọn đường có khả năng tối ưu hóa theo một hoặc nhiều độ đo này, thông thường người ta dùng độ đo dựa trên số lượng chặng và băng thông[3]. Để đường được chọn có số lượng chặng nhỏ nhất nhưng phải đảm bảo băng thông khả dụng trên tất cả các chặng liên kết, quyết định cơ bản như sau: chọn đường ngắn nhất trong số tất cả các đường có băng thông khả dụng thỏa mãn yêu cầu. Hình 20: Một ví dụ định tuyến ràng buộc Trang-35- Để minh họa hoạt động của định tuyến ràng buộc, xét cấu trúc mạng “con cá” kinh điển như hình 20. Giả sử rằng định tuyến ràng buộc sử dụng số chặng (hop-count) và băng thông khả dụng làm các độ đo. Lưu lượng 600 Kbps được định tuyến trước tiên, sau đó là lưu lượng 500 Kbps và 200 Kbps. Cả 3 loại lưu lượng này đều hướng đến cùng router R4. Ta thấy rằng:  Vì lưu lượng 600 Kbps được định tuyến trước nên nó đi theo đường ngắn nhất là R8-R2-R3-R4-R5.Vì băng thông khả dụng là như nhau trên tất cả các chặng kênh (1 Mbps), nên lưu lượng 600 Kbps chiếm 60% băng thông.  Sau đó, vì băng thông khả dụng của đường ngắn nhất không đủ cho cả 2 lưu lượng 600Kbps và 500 Kbps, nên lưu lượng 500 Kbps được định tuyến đi theo đường mới qua R6 và R7 mặc dù nhiều hơn một chặng so với đường cũ.  Với lưu lượng 200 Kbps tiếp theo, vì vẫn còn băng thông khả dụng trên đường ngắn nhất nên đường này được chọn để chuyển lưu lượng 200 Kbps. Định tuyến ràng buộc có 2 kiểu online và offline. Kiểu online cho phép các router tính đường cho các LSP bất kỳ lúc nào. Trong kiểu offline, một server tính đường cho các LSP theo định kỳ (chu kỳ có thể được chọn bởi nhà quản trị, thường là vài giờ hoặc vài ngày). Các LSP được báo hiệu thiết lập theo các đường đã được chọn. 2.1.2 Định tuyến tường minh (Explicit Routing) Định tuyến tường minh (Explicit Routing) là một tập con của định tuyến ràng buộc, trong đó sự ràng buộc là đối tượng tuyến tường minh ER (explicit route)[3]. Tuyến tường minh ER là một danh sách các “nút trừu tượng” (abstract node) mà một đường chuyển mạch nhãn ràng buộc CR-LSP phải đi qua. Nút trừu tượng có thể là một nút (địa chỉ IP) hoặc một nhóm nút (như IP prefix hoặc một AS). Nếu ER chỉ quy định một nhóm trong số các nút mà CR-LSP đi qua thì nó được gọi là tuyến tường minh thả lỏng (loose ER). Ngược lại, nếu ER quy định toàn bộ các nút trên CR-LSP thì được gọi là tuyến tường Trang-36- minh nghiêm ngặt (strict ER). CR-LSP được mã hóa như là một chuỗi các ER-Hop (chặng tường minh) chứa trong một cấu trúc Type-Length-Value ràng buộc (constraint-based route TLV). Mỗi ER-Hop có thể xác định một nhóm các nút. CR-LSP khi đó bao gồm tất cả các nhóm nút đã được xác định theo thứ tự xuất hiện trong cấu trúc TLV. 2.2 Các chế độ báo hiệu MPLS 2.2.1 Chế độ phân phối nhãn MPLS cho phép hai chế độ hoạt động của các LSR để phân phối các ánh xạ nhãn, đó là phân phối không cần yêu cầu (Downstream Unsolicited) và phân phối theo yêu cầu (Downstream on Demand). Thuật ngữ downstream ở đây ngụ ý rằng phía downstream sẽ thực hiện gán kết nhãn và thông báo gán kết đó cho phía upstream. 2.2.1.1 Phân phối nhãn không cần yêu cầu (Downstream Unsolicited) Downstream-LSR phân phối các gán kết nhãn đến upstream-LSR mà không cần có yêu cầu thực hiện việc kết nhãn. Nếu downstream-LSR chính là chặng kế đối với định tuyến IP cho một FEC cụ thể thì upstream-LSR có thể sử dụng kiểu kết nhãn này để chuyển tiếp các gói trong FEC đó đến downstream-LSR. Hình 21: Phân phối nhãn không cần yêu cầu 2.2.1.2 Phân phối nhãn theo yêu cầu (Downstream on Demand) Upstream-LSR phải yêu cầu rõ ràng một gán kết nhãn cho một FEC cụ thể thì downstream-LSR mới phân phối. Trong phương thức này, downstream-router không nhất thiết phải là chặng kế đối với định tuyến IP cho FEC đó, điều này rất quan trọng đối với các LSP định tuyến tường minh. Trang-37- Hình 22: Phân phối nhãn theo yêu cầu 2.2.2 Chế độ duy trì nhãn Một upstream-LSR có thể nhận các gán kết nhãn cho cùng một FEC X từ nhiều downstream-LSR. Có hai chế độ duy trì các gán kết nhãn nhận được là duy trì nhãn tự do (liberal label retention) và duy trì nhãn bảo thủ (conservative label retention). 2.2.2.1 Duy trì nhãn tự do (liberal label retention) Phía upstream (LSR1) lưu giữ tất cả các gán kết nhãn nhận được, bất chấp việc downstream-LSR có phải là chặng kế đối với định tuyến IP hay không. Ưu điểm chính của duy trì nhãn tự do là có thể phản ứng nhanh với sự thay đổi định tuyến vì các gán kết nhãn đã có sẵn. Nhược điểm là LSR phải duy trì nhiều gán kết nhãn không dùng và có thể gây ra loop định tuyến tạm thời khi thay đổi định tuyến. Hình 23: Duy trì nhãn tự do 2.2.2.2 Duy trì nhãn bảo thủ (conservative label retention) Upstream-LSR hủy tất cả các gán kết nhãn khác, chỉ giữ lại gán kết nhãn gởi từ downstream-LSR đang là chặng kế hiện hành. Chế độ này có ưu Trang-38- điểm là LSR chỉ cần duy trì số gán kết FEC-nhãn ít hơn, nhưng đáp ứng chậm khi thay đổi định tuyến vì gán kết nhãn mới phải được yêu cầu và phân phối lại. Đây là chế độ thích hợp cho các LSR chỉ hỗ trợ một số lượng nhãn hạn chế (như các chuyển mạch ATM)[3]. Hình 24: Duy trì nhãn bảo thủ 2.2.3 Chế độ điều khiển LSP Khi một FEC ứng với một prefix địa chỉ được phân phối bởi định tuyến IP, việc thiết lập mối kết hợp giữa các gán kết nhãn tại một LSR có thể thực hiện theo hai cách sau đây: 2.2.3.1 Điều khiển độc lập (independent control) Khi mỗi LSR nhận dạng ra một FEC thì nó quyết định gán kết ngay một nhãn cho FEC đó và công bố luôn gán kết đó cho các đối tác phân phối nhãn (label distribution peers). Điều này tương tự như định tuyến IP thông thường, ở đó mỗi router ra quyết định độc lập về nơi cần chuyển gói đi. Điều khiển độc lập có ưu điểm là thiết lập LSP nhanh vì việc kết nhãn diễn ra song song giữa nhiều cặp LSR và dòng lưu lượng có thể bắt đầu truyền mà không cần đợi cho tất cả các gán kết nhãn thiết lập xong. Hình 25: Điều khiển độc lập Trang-39- 2.2.3.2 Điều khiển tuần tự (odered control) Một downstream-LSR thực hiện kết nhãn cho một FEC và thông báo gán kết đó chỉ nếu nó là LSR lối ra hoặc nếu nó đã nhận được một gán kết nhãn cho FEC đó từ router hướng downstream của nó. Việc thiết lập LSP tuần tự bắt đầu ở LSR lối ra và diễn ra nối tiếp theo hướng ngược về LSR lối vào. Các LSP định tuyến tường minh bắt buộc phải sử dụng kiểu điều khiển tuần tự và quá trình phân phối nhãn theo chuỗi có thứ tự sẽ tạo ra thời gian trễ trước khi dòng lưu lượng đi trên LSP có thể bắt đầu. Tuy nhiên, điều khiển tuần tự cung cấp phương tiện tránh loop và đạt được mức độ thu gom chắc chắn hơn[1]. Hình 26: Điều khiển tuần tự 2.2.4 Các giao thức phân phối nhãn MPLS Giao thức phân phối nhãn là một tập các thủ tục mà nhờ nó một LSR có thể thông báo cho một LSR khác biết về các mối gán kết nhãn-FEC mà nó đã tiến hành. Kiến trúc MPLS không chỉ định một giao thức phân phối nhãn duy nhất nào, do đó có thể có nhiều lựa chọn, mỗi giao thức có ưu và nhược điểm riêng. Trong các phần tiếp theo giới thiệu một số giao thức phân phối nhãn được dùng phổ biến. Trang-40- Bảng 1: Một số giao thức phân phối nhãn trong MPLS 2.3 Giao thức phân phối nhãn LDP (Label Distribution Protocol) LDP được chuẩn hóa trong RFC 3036, nó được thiết kế để thiết lập và duy trì các LSP định tuyến không ràng buộc (unconstraint routing). Vùng hoạt động của LDP có thể là giữa các LSR láng giềng (neighbor) trực tiếp hoặc gián tiếp[1]. Hình 27: Vùng hoạt động của LDP 2.3.1 Hoạt động của LDP LDP có 4 chức năng chính là phát hiện LSR láng giềng (Neighbor discovery), thiết lập và duy trì phiên, quảng bá nhãn (label advertisement) và thông báo (Notification).Tương ứng với các chức năng trên, có 4 lớp thông điệp LDP sau đây[1]:  Discovery: Để trao đổi định kỳ bản tin Hello nhằm loan báo và kiểm tra một LSR kết nối gián tiếp hoặc trực tiếp. Trang-41-  Session: Để thiết lập, thương lượng các thông số cho việc khởi tạo, duy trì và chấm dứt các phiên ngang hàng LDP. Nhóm này bao gồm bản tin Initialization, KeepAlive.  Advertisement: Để tạo ra, thay đổi hoặc xóa các ánh xạ FEC tới nhãn. Nhóm này bao gồm bản tin Label Mapping, Label Withdrawal, Label Release, Label Request, Label Request Abort.  Notification: Để truyền đạt các thông tin trạng thái, lỗi hoặc cảnh báo. Các thông điệp Discovery được trao đổi trên UDP. Các kiểu thông điệp còn lại đòi hỏi phân phát tin cậy nên dùng TCP. Trường hợp hai LSR có kết nối lớp 2 trực tiếp thì thủ tục phát hiện neighbor trực tiếp như sau:  Một LSR định kỳ gửi đi bản tin Hello tới các cổng UDP 646 địa chỉ multicast (tất cả các router trong subnet).  Tất cả các LSR tiếp nhận bản tin Hello này trên cổng UDP. Đến một thời điểm nào đó LSR sẽ biết được tất cả các LSR khác mà nó có kết nối trực tiếp.  Khi LSR nhận biết được địa chỉ của LSR khác bằng cơ chế này thì nó sẽ thiết lập kết nối TCP đến LSR đó. Khi đó phiên LDP được thiết lập giữa 2 LSR. Phiên LDP là phiên song hướng nên mỗi LSR ở hai đầu kết nối đều có thể yêu cầu và gửi liên kết nhãn. Hình 28: Trao đổi thông điệp LDP Trang-42- Trong trường hợp hai LSR không có kết nối lớp 2 trực tiếp (neighbor gián tiếp) thì LSR định kỳ gửi bản tin Hello đến cổng UDP đã biết tại địa chỉ IP xác định được khai báo khi lập cấu hình. Đầu nhận bản tin này có thể trả lời lại bằng bản tin Hello khác và việc thiết lập các phiên LDP được thực hiện như trên. 2.3.2 Cấu trúc thông điệp LDP Trao đổi thông điệp LDP thực hiện bằng cách gởi các LDP-PDU (Protocol Data Unit) thông qua các phiên LDP trên kết nối TCP. Mỗi LDP- PDU có thể mang một hoặc nhiều thông điệp, và các thông điệp này không nhất thiết phải có liên quan với nhau. 2.3.2.1 LDP PDU Mỗi PDU của LDP bao gồm một header LDP và theo sau là một hoặc nhiều thông điệp LDP. Phần header LDP có dạng như sau: Hình 29: LDP header PDU Length (2 octet): số nguyên chỉ chiều dài của PDU theo octet, không tính trường Version và PDU Length. LDP Identifier (6 octet): xác định không gian nhãn được cấp phát. Bốn octet đầu là giá trị duy nhất toàn cục nhận dạng LSR, như địa chỉ IP (router ID) được gán cho LSR. Hai octets sau xác định một không gian nhãn bên trong LSR. Hai octets này được set về 0 cho không gian nhãn “per-platform”. 2.3.2.2 Định dạng thông điệp LDP [1] Tất cả các thông điệp LDP có cùng format như sau: Trang-43- Hình 30: Format thông điệp LDP Bit U: Bit “Unknown”, luôn là 0 vì đặc tả LDP không có kiểu bản tin Unknown. Bảng sau là các giá trị định nghĩa trường Message Type: Bảng 2: Các loại bản tin LDP Message Length : Chiều dài của các trường sau Message Length tính theo octet (gồm Message ID, các tham số bắt buộc và tùy chọn). Message ID đôi khi được dùng để liên kết một số bản tin với các bản tin khác, ví dụ một bản tin đáp ứng sẽ có cùng Message ID với bản tin yêu cầu tương ứng. Các tham số bắt buộc và tùy chọn phụ thuộc vào các loại bản tin được gởi, chúng thường dùng kiểu mã hóa TLV (Type-Length-Value) . Nói chung, mọi thứ xuất hiện trong một thông điệp LDP có thể được mã hóa kiểu TLV, tuy nhiên đặc tả LDP không phải lúc nào cũng sử dụng lược đồ TLV. Trang-44- 2.3.3 Các bản tin LDP [1] - Hello : Được trao đổi trong suốt quá trình hoạt động LDP như trình bày ở trên. - Initialization : Được gửi khi bắt đầu một phiên LDP giữa 2 LSR để trao đổi các tham số, các tùy chọn cho phiên. Các tham số này bao gồm:  Chế độ phân bổ nhãn.  Các giá trị bộ định thời.  Phạm vi các nhãn sử dụng trong kênh giữa 2 LSR đó. Cả 2 LSR đều có thể gửi các bản tin Initialization và LSR nhận sẽ trả lời bằng KeepAlive nếu các tham số được chấp nhận. Nếu có một tham số nào đó không được chấp nhận thì LSR trả lời thông báo có lỗi và phiên kết thúc. - KeepAlive : Được gửi định kỳ khi không còn bản tin nào cần gửi để đảm bảo cho mỗi thành phần LDP biết rằng thành phần LDP khác đang hoạt động tốt. Trường hợp không xuất hiện bản tin KeepAlive hay một số bản tin LDP khác trong khoảng thời gian nhất định thì LSR sẽ xác định đối tác LDP hỏng hoặc kết nối có sự cố và phiên LDP chấm dứt. - Label Mapping : Được sử dụng để quảng bá gán kết giữa FEC và nhãn. - Label Withdrawal : Thực hiện quá trình ngược lại với bản tin Label Mapping. Nó được sử dụng để xóa bỏ gán kết đã thực hiện trong Label Mapping. Bản tin này được sử dụng trong trường hợp :  Khi có sự thay đổi trong bảng định tuyến (thay đổi prefix địa chỉ), lúc đó LSR không còn nhận ra FEC này nữa.  Thay đổi trong cấu hình LSR làm tạm dừng việc chuyển nhãn các gói trong FEC đó. - Label Release : Được sử dụng bởi LSR khi nhận được chuyển đổi nhãn mà nó không cần thiết nữa. Điều đó thường xảy ra khi LSR giải phóng nhận thấy nút tiếp theo cho FEC không phải là LSR quảng bá liên kết nhãn/FEC đó. - Label Request : Sử dụng trong chế độ hoạt động gán nhãn theo yêu cầu, LSR sẽ yêu cầu gán nhãn từ LSR kế cận phía downstream bằng bản tin này. Trang-45- - Label Request Abort : Nếu bản tin Label Request cần phải hủy bỏ trước khi được chấp nhận (do nút kế tiếp trong FEC yêu cầu đã thay đổi), thì LSR yêu cầu sẽ loại bỏ yêu cầu trước đó bằng bản tin Label Request Abort. 2.3.4 LDP điều khiển độc lập và phân phối theo yêu cầu Ví dụ dưới đây minh họa việc sử dụng bản tin Label Request và Label Mapping trong chế độ công bố nhãn theo yêu cầu và điều khiển LSP độc lập. Trình tự thời gian trao đổi các bản tin LDP giữa các đối tác (peer) thiết lập một LSP từ router lối vào R1 qua R2 rồi đến router lối ra R3 cho một FEC có prefix “a.b/16” . R1 khởi tạo tiến trình bằng cách yêu cầu một nhãn cho FEC “a.b/16” từ chặng kế của nó là R2. Vì sử dụng điều khiển độc lập nên R2 trả ngay một ánh xạ nhãn về cho R1 trước khi R2 nhậnđược ánh xạ nhãn từ phía downstream là R3. Cả R2 và R3 đáp ứng bằng bản tin Label Mapping, kết quả là trong FIB của R1 và LFIB của R2, R3 có các entry gán kết nhãn hình thành nên đường chuyển mạch nhãn LSP[1]. Hình 31: Ví dụ LDP chế độ điều khiển độc lập theo yêu cầu LDP còn hỗ trợ các chế độ phân phối nhãn khác. Khi cấu hình ở chế độ công bố không cần yêu cầu (downstream unsolicited), các router sẽ không dùng Trang-46- bản tin Label Request. Nếu điều khiển tuần tự (ordered control) được cấu hình trên mỗi giao diện, các yêu cầu nhãn sẽ làm cho các bản tin Label Mapping được trả về theo thứ tự từ R3 đến R2, rồi mới từ R2 về R1. Tổng quát, trong chế độ phân phối theo yêu cầu điều khiển tuần tự, ánh xạ nhãn diễn ra đầu tiên ở router lối ra, rồi sau đó lần lượt ngược về đến router lối vào. 2.4 Giao thức CR-LDP (Constrain-based routing LDP) CR-LDP là giao thức mở rộng từ LDP (RFC 3212) nhằm hỗ trợ đặc biệt cho định tuyến ràng buộc, kỹ thuật lưu lượng (TE) và các hoạt động dự trữ tài nguyên. Các khả năng của CR-LDP tùy chọn bao gồm thương lượng các tham số lưu lượng như cấp phát băng thông, thiết lập và cầm giữ quyền ưu tiên. 2.4.1 Mở rộng cho định tuyến ràng buộc CR-LDP bổ sung thêm các đối tượng Type-Length-Value mới sau đây (RFC 3212):  Tuyến tường minh ER (Explicit Route)  Chặng tường minh ER-Hop (Explicit Route Hop)  Các tham số lưu lượng  Sự lấn chiếm (Preemptions)  Nhận diện LSP (LSPID)  Ghim tuyến (Route Pinning)  Lớp tài nguyên (Resource Class)  CR-LSP FEC Một số thủ tục mới cũng được bổ sung để hỗ trợ các chức năng cần thiết như:  Báo hiệu đường (Path signalling)  Định nghĩa các tham số lưu lượng  Quản lý LSP (quyền ưu tiên, cam kết quản trị, v.v) CR-LDP sử dụng cơ chế gán nhãn theo yêu cầu và điều khiển tuần tự. Một LSP được thiết lập khi một chuỗi các bản tin Label Request lan truyền từ ingress-LSR đến egress-LSR, và nếu đường được yêu cầu thỏa mãn các ràng buộc (ví dụ đủ băng thông khả dụng), thì các nhãn mới được cấp phát và phân phối bởi một chuỗi các bản tin Label Mapping lan truyền ngược về ingress- Trang-47- LSR. Việc thiết lập một CR-LSP có thể thất bại vì nhiều lý do khác nhau và các lỗi sẽ được báo hiệu bằng bản tin Notification[3]. 2.4.2 Thiết lập một CR-LSP (Constrain-based routing LSP) Để thiết lập một LSP theo một con đường định trước, CR-LDP sử dụng đối tượng tuyến tường minh ER (Explicit Route). ER được chứa trong các bản tin LABEL. Hình 32: Thiết lập LSP với CR-LDP Xét ví dụ trong hình 32. Giả sử LSR A muốn thiết lập một con đường tường minh là B-C-D. Để thực hiện việc này, LSR A xây dựng đối tượng ER chứa tuần tự 3 nút trừu tượng là LSR B, LSR C, LSR D. Mỗi nút được đại diện bằng một địa chỉ IP prefix. LSR A sau đó xây dựng một bản tin Label Request có chứa đối tượng ER mới tạo. Khi bản tin được tạo xong, LSR A sẽ xem xét nút trừu tượng đầu tiên trong đối tượng ER là LSR B, tìm kết nối đến LSR B và gởi bản tin Label Request trên kết nối đó. Khi LSR B nhận bản tin Label Request, LSR B nhận thấy nó là nút trừu tượng đầu tiên trong đối tượng ER. LSR B sau đó tìm kiếm nút trừu tượng kế tiếp là LSR C và tìm kết nối đến LSR C. Sau đó LSR B thay đổi đối tượng ER và gởi bản tin Label Xét ví dụ trong hình 32. Giả sử LSR A muốn thiết lập một con đường tường minh là B-C-D. Để thực hiện việc này, LSR A xây dựng đối tượng ER chứa tuần tự 3 nút trừu tượng là LSR B, LSR C, LSR D. Mỗi nút được đại diện bằng một địa chỉ IP prefix. LSR A sau đó xây dựng một bản tin Label Request có chứa đối tượng ER mới tạo. Khi bản tin được tạo xong, LSR Trang-48- A sẽ xem xét nút trừu tượng đầu tiên trong đối tượng ER là LSR B, tìm kết nối đến LSR B và gởi bản tin Label Request trên kết nối đó. Khi LSR B nhận bản tin Label Request, LSR B nhận thấy nó là nút trừu tượng đầu tiên trong đối tượng ER. LSR B sau đó tìm kiếm nút trừu tượng kế tiếp là LSR C và tìm kết nối đến LSR C. Sau đó LSR B thay đổi đối tượng ER và gởi bản tin Label 2.4.3 Tiến trình dự trữ tài nguyên Hình 33: Tiến trình dự trữ tài nguyên Tiến trình dự trữ tài nguyên như trong hình trên. Khi một nút CD-LDP nhận được một bản tin Label Request, nó gọi Admission Control để kiểm tra xem nút này có các tài nguyên được yêu cầu không. Nếu có đủ tài nguyên khả dụng, Admission Control dự trữ nó bằng cách cập nhật bảng Resource. Sau đó bản tin Label Request được chuyển tiếp đến nút MPLS kề sau. Khi nút CR-LDP nhận bản tin Label Mapping, nó lưu thông tin nhãn và giao diện vào bảng LIB, lưu thông tin CR-LSP được yêu cầu vào bảng cơ sở thông tin tuyến tường minh ERB (Explicit Route information Base). Rồi nó gọi Resource Manager để tạo một hàng đợi phục vụ cho CR-LSP được yêu Trang-49- cầu, và lưu ServiceID của nó vào bảng ERB. Cuối cùng, nó chuyển tiếp bản tin LSP Mapping tới nút MPLS kề trước. 2.5 Giao thức RSVP-TE (RSVP Traffic Engineering) [3] RSVP có một số cơ chế cần thiết để thực hiện báo hiệu phân phối nhãn nhằm ràng buộc định tuyến. IETF đã chuẩn hóa phần mở rộng kỹ thuật lưu lượng RSVP-TE, định nghĩa các ứng dụng của RSVP-TE như hỗ trợ phân phối nhãn theo yêu cầu để cấp phát tài nguyên cho các LSP định tuyến tường minh. Tổng kết cách dùng RSVP-TE để hỗ trợ tái định tuyến “make-before- break”, theo dõi đường thực sự được chọn qua chức năng ghi tuyến cũng như hỗ trợ ưu tiên và lấn chiếm. Nguyên lý chức năng của RSVP là thiết lập các dự trữ cho luồng gói đơn hướng. Các bản tin RSVP thường đi theo con đường hop-by-hop của định tuyến IP nếu không hiện diện tùy chọn tuyến tường minh (explicit route). Các router hiểu RSVP dọc theo đường có thể chặn và xử lý bất cứ bản tin nào. RFC 2205 định nghĩa 3 kiểu bản tin RSVP: thiết lập dự trữ (reservation setup), tear down, và error. RSVP-TE cũng định nghĩa thêm bản tin Hello. 2.5.1 Các bản tin thiết lập dự trữ RSVP [1] RSVP sử dụng khái niệm dự trữ ở đầu nhận. Trước tiên đầu gửi phát ra một bản tin PATH nhận diện một luồng và các đặc tính lưu lượng của nó. Bản tin PATH chứa một session-ID, sender-template, label-request, sender-Tspec và tùy chọn là đối tượng tuyến tường minh ERO (explicit route object). Session-ID chứa một địa chỉ IP đích đi kèm một nhận dạng hầm 16 bit (tunnel ID) để nhận diện một đường hầm LSP. Như đã trình bày ở chương trước, chỉ có LSP lối vào mới cần biết về FEC được gán vào một đường hầm LSP. Do đó, không giống như LDP, FEC ánh xạ vào đường hầm LSP không bao gồm trong bất kỳ bản tin RVSP nào. Đối tượng label-request hỗ trợ chế độ công bố nhãn theo yêu cầu. Sender-template chứa địa chỉ IP của đầu gởi đi kèm với một LSP ID có hỗ trợ phương thức “make-before-break” khi thay đổi đường đi của một đường hầm LSP. Đặc tính lưu lượng Tspec sử dụng tốc độ đỉnh Trang-50- (peak rate), thùng thẻ (token bucket) để định nghĩa tốc độ và kích cỡ bùng phát, đơn vị khống chế tối thiểu (minimum policed unit) và kích thước gói tối đa. Khi bản tin PATH đi đến đích, bên nhận đáp ứng bằng một bản tin RESV nếu nó đồng ý khởi tạo việc gán kết nhãn được yêu cầu trong bản tin PATH. Bản tin RESV được truyền về theo đường ngược chiều với bản tin PATH bằng cách dùng thông tin chặng kề trước trong bản tin PATH. RESV cũng chứa cùng session-ID như ở bản tin PATH tương ứng, đối tượng ghi tuyến tùy chọn (route record) và thông tin lệ thuộc kiểu dự trữ (reservation style). Kiểu FF (fixed filter) có một nhãn và Tspec được ấn định cho mỗi cặp sender-receiver. Kiểu SE (shared explicit) ấn định một nhãn khác nhau cho mỗi sender, nhưng tất cả chúng phải áp dụng cùng một dự trữ luồng rõ ràng. Đối tượng record-route ghi nhận tuyến đường thực tế được chọn bởi LSP bắt đầu từ egress dẫn ngược về ingress. Nó có thể được một router dùng để ghim một tuyến tường minh thả lỏng bằng cách copy tuyến ghi được trong bản tin RESV sang đối tượng tuyến tường minh ERO trong một bản tin PATH được gửi theo chiều ngược lại. 2.5.2 Các bản Tear Down, Error và Hello của RSVP-TE [1] RSVP-TE định nghĩa 2 bản tin dành cho việc giải tỏa LSP là PATH TEAR và RESV TEAR. Hai bản tin này được gửi theo chiều ngược với bản tin PATH và RESV tương ứng. Bản tin TEAR xóa bỏ bất kỳ trạng thái đã cài đặt liên quan đến bản tin PATH hay RESV. Các bản tin TEAR cũng có thể dùng để xóa các trạng thái đáp ứng cho một lỗi ở bước đầu tiên trong hoạt động tái định tuyến. Có các bản tin thông báo lỗi cho bản tin PATH và RESV cũng như bản tin RESV CONFIRMATION tùy chọn. Các bản tin lỗi cho biết có sự vi phạm chính sách, mã hóa bản tin hoặc một số sự cố khác. Ví dụ, khi một LSP thấy rằng nó không thể hỗ trợ Tspec đặc tả trong một bản tin RESV, nó sẽ không chuyển tiếp bản tin RESV về cho phía upstream, thay vào đó nó tạo ra một bản tin RESVERR gửi cho phía downstream để xóa bỏ nỗ lực thiết lập LSP. Tuyến tường minh và các tùy chọn record-route của RSVP-TE có một số các mã lỗi để phục vụ cho việc debug. RFC 3209 định nghĩa bản tin Hello tùy Trang-51- chọn cho RSVP-TE, nó cho phép một LSR phát hiện một neighbor bị lỗi nhanh hơn khi so với RSVP làm tươi tình trạng hoặc phát hiện lỗi đường truyền bằng một giao thức định tuyến IP. Điều này khá hữu ích trong việc tái định tuyến nhanh. 2.5.3 Thiết lập tuyến tường minh điều khiển tuần tự theo yêu cầu Hình 34 ví dụ việc trao đổi bản tin RSVP-TE sử dụng đối tượng tuyến tường minh ERO (explicit route object) để cài đặt một LSP đi qua một con đường không phải là đường ngắn nhất. Router R1 xác định rằng nó sẽ ấn định FEC “a.b/16” cho một đường hầm LSP, và nó tính ra một tuyến tường minh R4-R5-R3 để đi đến chặng kế cho FEC đó. R1 khởi tạo việc thiết lập LSP này bằng cách phát ra một bản tin PATH đến R4 với một ERO, Tspec, sender template (có chứa địa chỉ của sender) và một đối tượng label request. Mỗi bản tin RESV liên quan đến đường hầm LSP này đều mang session-ID và filter-spec nguyên thủy của sender R1 để giữ mối tương quan với nhau. Tiếp theo, R4 tiếp nhận yêu cầu này và gửi bản tin PATH đến router kế tiếp ghi trong ERO là R5. Đến lượt mình, R5 gửi bản tin này đến egress-router R3. Tại đích đến của bản tin PATH, R3 xác định rằng liên kết chặng R3-R5 có thể hỗ trợ cho yêu cầu và đó là chặng cuối cùng trên đường dẫn cho FEC “a.b/16”. R3 đáp ứng bằng bản tin RESV có chứa ERO, Tspec của dung lượng dự trữ, một filter spec thỏa mãn bên gửi, và gán một nhãn null ngầm (implicit null) cho chặng liên kết này. Theo RFC 3031, nhãn null là một quy ước được dùng trong phân phối nhãn cho phép egress-router (ở đây là R3) báo hiệu cho đối tác upstream của nó biết rằng đây là chặng áp cuối (penultimate hop) của LSP, do vậy cần gỡ nhãn đỉnh của stack (xem LFIB của LSR R5). Tiếp theo, R5 thu nạp bản tin RESV yêu cầu cho chặng R5-R4, ấn định nhãn B và gởi bản tin RESV đến router kề trước trong ERO là R4. Cuối cùng, R4 chấp nhận yêu cầu, ấn định nhãn A và gởi bản tin RESV ngược về R1. Đến lúc này, đường LSP được thiết lập xong và các gói có nhãn cho FEC “a.b/16” được chuyển tiếp qua đường hầm[6]. Trang-52- Hình 34: Thiết lập LSP với RSVP-TE Khác với giao thức LDP, các bản tin RSVP-TE không mang FEC, vì chỉ duy nhất có R1 cần biết về ánh xạ giữa FEC và đường hầm LSP. 2.5.4 Giảm lượng overhead làm tươi RSVP RSVP là giao thức trạng thái mềm (soft-state), tiến trình phát một bản tin PATH và bản tin RESV hồi đáp tương ứng phải được định kỳ làm tươi, thường khoảng 30s một lần. Phương pháp làm tươi này đề phòng các bản tin bị mất và trong trường hợp định tuyến từng chặng sẽ tự động chuyển dự trữ tài nguyên sang đường mới khi có bất kỳ thay đổi định tuyến IP. Tất nhiên, việc xử lý dành cho khởi tạo các bản tin PATH và RESV lớn hơn nhiều so với việc làm tươi trạng thái một bản tin đã nhận trước đó, tuy nhiên với một số lượng lớn các LSP thì việc xử lý làm tươi có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu năng. Một cách để giải quyết là tăng chu kỳ làm tươi, nhưng cũng sẽ làm tăng độ trễ báo hiệu khi mất bản tin. RFC 2961 đặc tả một giải pháp cho hạn mức xử lý và vấn đề trễ báo hiệu. Cơ chế này bao gồm việc bó gọn bản tin để giảm tải xử lý, cũng như các cách để router dễ dàng nhận dạng một bản tin không thay đổi hơn. Việc hồi báo bản tin cũng được bổ sung để chuyển tải tin cậy bản tin Trang-53- RSVP và xử lý trường hợp mất các bản tin PATH TEAR và RESV TEAR vì hai bản tin này không được làm tươi trong hoạt động RSVP. Cuối cùng, giải pháp này định nghĩa một bản tin tổng kết (summary) để làm tươi trạng thái mà không yêu cầu truyền toàn bộ bản tin làm tươi. Các cải tiến này nhằm giảm lượng overhead làm tươi của RSVP trong mạng MPLS. 2.6 Tổng kết chương Trong chương này trình bày các chức năng định tuyến và báo hiệu cơ bản trong mặt phẳng điều khiển MPLS để hỗ trợ tự động hóa việc cấu hình của mặt phẳng chuyển tiếp. Kiến trúc định tuyến IP được bổ sung chức năng báo hiệu để thực hiện định tuyến ràng buộc. Chương này đã giới thiệu một số giao thức báo hiệu MPLS thực hiện phân phối nhãn theo các đặc tính chung như tuyến tường minh hay tuyến từng chặng, phân phối nhãn theo yêu cầu hay không cần yêu cầu, điều khiển phân phối nhãn độc lập hay theo trình tự. Trang-54- Chương 3: KỸ THUẬT LƯU LƯỢNG TRONG MPLS 3.1 Kỹ thuật lưu lượng (Traffic Engineering) Kỹ thuật lưu lượng (TE) là quá trình điều khiển cách thức các luồng lưu lượng đi qua mạng sao cho tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên và hiệu năng của mạng. Nó ứng dụng các nguyên lý khoa học công nghệ để đo lường, mô hình hóa, đặc trưng hóa và điều khiển lưu lượng nhằm đạt được các mục tiêu khác nhau. Khái niệm TE phân biệt với khái niệm kỹ thuật mạng (Network Engineering). Kỹ thuật mạng liên quan đến việc thiết kế xây dựng topology của mạng sao cho phù hợp với lưu lượng. 3.1.1 Các mục tiêu triển khai kỹ thuật lưu lượng 3.1.1.1 Phân loại Các mục tiêu triển khai kỹ thuật lưu lượng có thể phân theo hai hướng sau:  Hướng lưu lượng (traffic oriented)  Hướng tài nguyên (resource oriented) Các mục tiêu hướng lưu lượng liên quan đến việc tăng cường QoS cho các luồng lưu lượng. Trong mô hình đơn lớp (dịch vụ best-effort), các mục tiêu này gồm: giảm thiểu mất gói và trễ, tăng tối đa thông lượng (throughput) và tuân thủ các hợp đồng mức dịch vụ (SLA)... Các mục tiêu hướng lưu lượng bị chặn thống kê (như thay đổi độ trễ gói đỉnh-đỉnh, tỷ lệ mất gói, trễ truyền tối đa) cũng rất hữu ích trong mô hình dịch vụ phân biệt (Diffserv). Các mục tiêu hướng tài nguyên liên quan đến việc tối ưu hóa sử dụng tài nguyên. Băng thông là một tài nguyên cốt yếu của mạng, do đó chức năng trọng tâm của kỹ thuật lưu lượng là quản lý hiệu quả tài nguyên băng thông. 3.1.1.2 Bài toán nghẽn Nghẽn thường xảy ra theo hai cách như sau:  Khi bản thân các tài nguyên mạng không đủ để cấp cho tải yêu cầu.  Khi các dòng lưu lượng được ánh xạ không hiệu quả lên các tài nguyên, làm cho một số tập con tài nguyên trở nên quá tải trong khi số khác lại rỗi. Trang-55- Có thể giải quyết nghẽn bằng các cách:  Tăng dung lượng hoặc ứng dụng các kỹ thuật điều khiển nghẽn cổ điển (giới hạn tốc độ, điều khiển luồng, quản trị hàng đợi, điều khiển lịch trình…)  Dùng kỹ thuật lưu lượng nếu nghẽn là do cấp phát tài nguyên chưa hiệu quả. Đối tượng giải quyết của kỹ thuật lưu lượng là nghẽn kéo dài chứ không phải nghẽn nhất thời do bùng phát lưu lượng. 3.1.2 Các lớp dịch vụ dựa trên nhu cầu QoS và các lớp lưu lượng Lưu lượng có thể được tổ chức xoay quanh một khái niệm gọi là các lớp dịch vụ (service classes). Các lớp lưu lượng này được định nghĩa theo những hoạt động sau:  Quan hệ đồng bộ giữa đầu phát và đầu thu: ám chỉ biến động trễ có thể chấp nhận được trên một kết nối.  Tốc độ bit: cố định hay biến đổi  Loại dịch vụ: hướng kết nối hay không kết nối  Các hoạt động điều khiển luồng  Số thứ tự cho thông tin người sử dụng  Phân đoạn và tái hợp các PDU (Protocol Data Unit) của người dùng Lớp Đặc điểm Lớp A Tốc độ bit cố định Định hướng kết nối (connection-oriented) Cần có sự quan hệ về định thời giữa phát và thu Cho phép một ít mất mát Lớp B Tốc độ bit thay đổi Định hướng kết nối Cần có quan hệ về định thời giữa phát và thu Cho phép một ít mất mát Trang-56- Lớp C Tốc độ bit thay đổi Định hướng kết nối Không đòi hỏi sự quan hệ về định thời giữa phát và thu Không cho phép mất mát Lớp D Tốc độ bit thay đổi Không kết nối (connectionless) Không đòi hỏi sự quan hệ về định thời giữa phát và thu Không cho phép mất mát Bảng 3: Các lớp dịch vụ kỹ thuật lưu lượng 3.1.3 Hàng đợi lưu lượng Nhiều hệ thống (đặc biệt là router) hỗ trợ một số dạng hàng đợi thông dụng sau: 3.1.3.1 Hàng đợi FIFO (First-in, First-out) Hàng đợi này truyền gói theo thứ tự, gói đến trước sẽ được truyền trước. 3.1.3.2 Hàng đợi WFQ (Weighted Fair Queuing) Băng thông rỗi được chia cho các hàng đợi tùy thuộc vào trọng số (weight) của chúng. Xét ví dụ sau: có 12 luồng lưu lượng A,B,.. N và trọng số của chúng được đánh số như hình 37, trong đó: có bốn luồng (D, E, F, G) có trọng số 5, có hai luồng có trọng số 4, còn ở các trọng số khác chỉ có một luồng. Tổng trọng số: 8 + 7 + 6 + 5(4) + 4(2) + 3 + 2 +1 = 55. Khi đó mỗi luồng có trọng số 5 sẽ nhận được 5/55 băng thông, luồng có trọng số thấp nhất (trọng số 1) sẽ nhận được 1/55 băng thông và luồng có trọng số cao nhất (trọng số 8) nhận được 8/55 băng thông. Tương tự cho các luồng có trọng số khác. Trang-57- Hình 35: Nhiều luồng cho mỗi lớp lưu lượng Trang-58- 3.1.3.3 Hàng đợi CQ (Custom Queuing) Hình 36: Hàng đợi CQ CQ cho phép các user chỉ ra phần trăm băng thông khả dụng cho một giao thức đặc biệt nào đó. Ta có thể định nghĩa tối đa đến 16 hàng đợi. Mỗi hàng đợi được phục vụ một cách tuần tự theo phương thức round-robin, truyền phần trăm lưu lượng trên mỗi hàng đợi trước khi chuyển đến hàng đợi kế. Trang-59- 3.1.3.4 Hàng đợi PQ (Priority Queuing) Hình 37: Hàng đợi PQ Tất cả các gói thuộc lớp có mức ưu tiên cao hơn sẽ được truyền trước bất kỳ gói nào thuộc lớp có mức ưu tiên thấp hơn. PQ cho phép người quản lý mạng cấu hình bốn thuộc tính lưu lượng là cao (high), thông thường (normal), trung bình (medium) và thấp (low). Lưu lượng đến được gán vào một trong 4 hàng đợi. 3.1.4 Giải thuật Leaky Bucket và Token Bucket 3.1.4.1 Giải thuật Leaky Bucket Mô hình Leaky Bucket có thể được diễn tả như sau: bất chấp tốc độ nước được đổ vào thùng là bao nhiêu, tốc độ dòng nước chảy ra là không đổi miễn là trong thùng còn nước. Một khi thùng đầy, lượng nước được đổ thêm vào sẽ bị tràn và mất. Các thông số cần chú ý trong mô hình Leaky Bucket là kích thước của thùng và tốc độ dòng chảy ra[7]. Mô hình trên có thể áp dụng cho gói. Bất kể lưu lượng tới có tốc độ biến động như thế nào, lưu lượng ra đều có tốc độ không đổi. Trang-60- Hình38: Giải thuật Leaky Bucket 3.1.4.2 Giải thuật Token Bucket Token Bucket có kích thước B, tốc độ thẻ “chảy” vào thùng không đổi là p, nghĩa là trong một giây sẽ có thêm p thẻ mới chảy vào thùng. Số lượng thẻ trong thùng không vượt quá B hay nói cách khác, B là số lượng thẻ tối đa trong thùng[7]. Trang-61- Hình39: Giải thuật Token Bucket Khi có gói đến, G là kích thước của gói, gói được xem là “phù hợp” khi lượng thẻ trong thùng lớn hơn hay bằng G, đồng thời lượng thẻ trong thùng được giảm đi G. Ngược lại, khi lượng thẻ trong thùng nhỏ hơn kích thước gói, gói được xem là vượt mức hay không hợp lệ. Tùy thuộc vào các chính sách khác nhau mà các gói vượt mức (hay không hợp lệ) được xử lý khác nhau. Giải thuật Token Bucket có thể được dùng trong việc sửa dạng lưu lượng (shaping) hay được ứng dụng trong việc thực thi khống chế (policing). Trong sửa dạng lưu lượng, thuật toán Token Bucket cho phép một ít bùng phát ở ngõ ra, điều này không có ở thuật toán Leaky Bucket khi mà tốc độ ra là không đổi. Như vậy Token Bucket cho đáp ứng ra tốt hơn so với Leaky Bucket. Trong việc thực thi khống chế, Token Bucket có thể được dùng độc lập hay được dùng phối hợp. Trang-62- 3.1.5 Giải pháp mô hình chồng phủ (Overlay Model) Hình 40: Mô hình chồng phủ (Overlay Model) Một cách tiếp cận phổ biến để bù đắp các thiếu sót của các giao thức IGP (interior gateway protocols) là sử dụng mô hình chồng phủ (như IP over ATM hoặc IP over FR). Tất cả các router lớp 3 được kết nối trực tiếp với nhau bằng một lưới full-mesh các mạch ảo VC. Kỹ thuật lưu lượng được thực hiện ở lớp 2 (ATM hoặc FR)[1]. Tuy nhiên, mô hình này có nhiều nhược điểm sau đây:  Tốn kém thêm nhiều thiết bị (các chuyển mạch ATM hoặc FR).  Quản lý mạng phức tạp hơn: Mạng lớp 2 có các công cụ quản lý riêng với nhiều tác vụ hỗ trợ kỹ thuật lưu lượng. Đồng thời mạng các router lớp 3 với giao thức IGP cũng phải được quản lý. Việc quản lý 2 lớp mạng này không tích hợp được.  Phát sinh nhiều vấn đề mở rộng đối với IGP do số lượng quá lớn các neighbor khi kết nối full-mesh để tận dụng các tiện ích cung cấp bởi lớp 2.  Tốn thêm băng thông cho lượng overhead của ATM hoặc FR (cell tax).  Không hỗ trợ dịch vụ phân biệt (Diffserv). Mọi dịch vụ phân biệt của IP đưa xuống (qua AAL5 của ATM) đều trở thành “best-effort” 3.2 MPLS và kỹ thuật lưu lượng MPLS có ý nghĩa chiến lược đối với kỹ thuật lưu lượng vì nó có thể cung cấp hầu hết các chức năng hiện có ở mô hình chồng phủ nhưng theo cách Trang-63- tích hợp với chi phí thấp. Điều quan trọng là MPLS còn đề xuất khả năng tự động hóa các chức năng kỹ thuật lưu lượng. 3.2.1 Khái niệm trung kế lưu lượng (traffic trunk) MPLS giới thiệu khái niệm trung kế lưu lượng để thực hiện các mục tiêu TE. Trung kế lưu lượng là một khối thu gom (aggregate) các luồng lưu lượng thuộc cùng lớp, được đặt bên trong một LSP. Trong một số hoàn cảnh có thể nới lỏng định nghĩa này để cho phép trung kế lưu lưu lượng thu gom lưu lượng đa lớp.  Trong mô hình dịch vụ đơn lớp, một trung kế lưu lượng có thể đóng gói toàn bộ lưu lượng giữa một ingress-router và một egress-router. Trong trường hợp phức tạp hơn, lưu lượng của các lớp dịch vụ phân biệt được ấn định vào các trung kế lưu lượng riêng biệt với các đặc tính khác nhau.  Trung kế lưu lượng là đối tượng có thể định tuyến (tương tự như ATM VC).  Trung kế lưu lượng phân biệt với LSP là đường cho trung kế đi xuyên qua. Trong bối cảnh hoạt động, một trung kế lưu lượng có thể chuyển từ LSP này sang một LSP mới, hoặc nhiều trung kế lưu lượng cùng đi chung trên một LSP.  Trung kế lưu lượng là đơn hướng. Hình 41: Các trung kế lưu lượng Trang-64- 3.2.2 Đồ hình nghiệm suy (Induced Graph) Đồ hình nghiệm suy gần giống như topology ảo trong mô hình chồng phủ. Nó được ánh xạ trên mạng vật lý thông qua việc lựa chọn các LSP cho các trung kế lưu lượng[3]. Một đồ hình nghiệm suy gồm một nhóm các nút LSR được kết nối luận lý với nhau bằng các LSP. Khái niệm này rất quan trọng vì bài toán quản lý băng thông cơ bản trong một miền MPLS đặt ra chính là làm thế nào để ánh xạ hiệu quả đồ hình nghiệm suy lên trên topology mạng vật lý. Đồ hình nghiệm suy được công thức hóa như sau: Đặt G = (V, E, C) là một đồ hình mô tả topology vật lý của mạng. Trong đó, V là tập hợp các nút mạng, E là tập hợp các đường liên kết, C là tập hợp các khả năng và ràng buộc cho E và V. Ta coi G là topology cơ sở. Đặt H = (U, F, D) là đồ hình MPLS nghiệm suy, trong đó U là tập con thuộc V gồm một nhóm LSR tại các đầu của LSP. F là tập hợp các LSP. Tham số D là tập hợp các yêu cầu và ràng buộc cho F. Như vậy, H là một đồ hình trực tiếp và phụ thuộc vào các đặc tính chuyển tải của G. 3.2.3 Bài toán cơ bản của kỹ thuật lưu lượng trên MPLS Có ba vấn đề cơ bản liên quan đến kỹ thuật lưu lượng trên MPLS là:  Ánh xạ các gói lên các lớp chuyển tiếp tương đương (FEC).  Ánh xạ các FEC lên các trung kế lưu lượng (traffic trunk).  Ánh xạ các trung kế lưu lượng lên topology mạng vật lý thông qua các LSP. Các phần sau của chương sẽ tập trung vào vấn đề thứ ba, tức là tính toán đường đi tốt nhất qua mạng cho các trung kế lưu lượng sao cho mạng hoạt động hiệu quả và tin cậy. Đây chính là bài toán ánh xạ đồ hình nghiệm suy H lên topology mạng cơ sở G. 3.3 Trung kế lưu lượng và các thuộc tính Để xây dựng và duy trì trung kế lưu lượng, người ta tìm cách mô hình hóa nó bằng các tham số. Một thuộc tính là một tham số được gán và có ảnh hưởng đến các đặc trưng hành vi của trung kế lưu lượng. Các thuộc tính có thể được gán cụ thể thông qua hành động quản trị hoặc được gán ngầm ẩn bởi các giao Trang-65- thức bên dưới khi các gói được phân loại và ánh xạ vào FEC tại lối vào miền MPLS. Thực tế, một trung kế lưu lượng có thể đặc trưng hóa bởi:  Ingress-LSR và egress-LSR của trung kế lưu lượng  Tập các FEC được ánh xạ vào trung kế lưu lượng  Một tập các thuộc tính nhằm xác định các đặc trưng hành vi của trung kế. Hai vấn đề cơ bản có ý nghĩa đặc biệt là: (1) Tham số hóa các trung kế lưu lượng và (2) những quy luật sắp đặt và duy trì đường dẫn cho các trung kế lưu lượng. 3.3.1 Các hoạt động cơ bản trên trung kế lưu lượng Là các tiến trình khác nhau xảy ra trong thời gian sống của một trung kế lưu lượng:  Establish : Tạo ra một trung kế lưu lượng bằng cách quyết định một LSP, gán các nhãn MPLS và quan trọng nhất là gán tài nguyên cho trung kế đó.  Activate : Làm cho trung kế lưu lượng bắt đầu chuyển dữ liệu bằng cách dùng một số chức năng định tuyến để đưa lưu lượng vào trung kế.  Deactivate : Làm cho trung kế lưu lượng ngưng chuyển dữ liệu cũng bằng cách dùng một chức năng định tuyến để dừng việc đưa lưu lượng vào trung kế.  Modify Attributes : Thay đổi các đặc trưng của trung kế lưu lượng, chẳng hạn như băng thông khả dụng.  Reroute : Chọn một đường mới cho trung kế lưu lượng (thường là do một số sự cố trong mạng hoặc khi khôi phục xong sự cố).  Destroy : Loại bỏ hoàn toàn một trung kế lưu lượng khỏi mạng và thu hồi tất cả các tài nguyên đã cấp phát cho nó. 3.3.2 Thuộc tính tham số lưu lượng (Traffic Parameter) Thuộc tính tham số lưu lượng đặc tả băng thông đòi hỏi bởi trung kế lưu lượng cùng với các đặc trưng lưu lượng khác như tốc độ đỉnh, tốc độ trung bình, kích thước bùng phát cho phép, v.v... Dưới góc độ kỹ thuật lưu lượng, các Trang-66- tham số lưu lượng rất quan trọng vì chúng cho biết các yêu cầu về tài nguyên của trung kế lưu lượng. 3.3.3 Thuộc tính lựa chọn và quản lý đường (chính sách chọn đường) Là các tiêu chuẩn lựa chọn và duy trì đường dẫn cho trung kế lưu lượng. Con đường thực sự được chọn xuyên qua mạng có thể được cấu hình tĩnh bởi nhà điều hành hoặc được gán động do mạng dựa vào các thông tin từ IGP (như IS-IS hoặc OSPF). Các thuộc tính cơ bản và các đặc trưng hành vi liên quan đến chọn đường và quản lý đường cho trung kế lưu lượng được mô tả sau đây: 3.3.3.1 Đường tường minh đặc tả quản trị Đường tường minh đặc tả quản trị cho một trung kế lưu lượng được cấu hình bởi nhà điều hành. Một đường gọi là đặc tả toàn bộ nếu chỉ ra tất cả các chặng yêu cầu giữa hai điểm cuối. Đặc tả một phần là nếu chỉ có một tập con các chặng trung gian được chỉ thị. Thuộc tính "path preference rule" là một biến nhị phân chỉ thị đường tường minh được cấu hình là bắt buộc hay không bắt buộc. 3.3.3.2 Phân cấp các luật ưu tiên cho đa đường Trong một số hoàn cảnh thực tế, khả năng chỉ định một tập hợp các đường tường minh đề cử cho một trung kế lưu lượng và định nghĩa phân cấp các quan hệ ưu tiên giữa các đường. Khi thiết lập đường, các luật ưu tiên được áp dụng để chọn ra đường thích hợp từ danh sách đề cử. Trong các tình huống sự cố thì các luật ưu tiên này cũng được dùng để chọn một đường thay thế từ danh sách đề cử. 3.3.3.3 Thuộc tính Affinity lớp tài nguyên (Resource Class Affinity) Thuộc tính này cho phép operator thiết lập các chính sách chọn đường bằng việc bao gồm hay loại trừ một số liên kết nào đó. Mỗi liên kết được gán một thuộc tính lớp tài nguyên (Resource-Class). Thuộc tính Affinity lớp tài nguyên có dạng chuỗi bit như sau: Affinity(32-bit), Mask(32-bit) Mặt nạ lớp tài nguyên chỉ thị các bit nào trong lớp tài nguyên cần được kiểm tra. Liên kết được bao hàm khi chọn đường nếu chuỗi Affinity trùng với Trang-67- Resource-Class sau khi cùng thực hiện phép AND với mặt nạ. Giá trị default của mặt nạ là 0x0000FFFF[3]. 3.3.3.4 Thuộc tính thích ứng (Adaptivity) Trong nhiều tình huống cần thiết phải thay đổi động các đường dẫn của trung kế lưu lượng để đáp ứng với việc thay đổi trạng thái mạng (chủ yếu thay đổi tài nguyên khả dụng). Quá trình này được gọi là tái tối ưu hóa (re- optimization). Thuộc tính thích ứng cho biết một trung kế lưu lượng được phép tái tối ưu hóa hay không. Nếu tái tối ưu hóa bị cấm thì trung kế lưu lượng coi như được “ghim” vào đường đã thiết lập của nó và không thể tái định tuyến (re- route) khi có thay đổi trạng thái mạng. 3.3.3.5 Phân phối tải qua nhiều trung kế song song Khi lưu lượng thu gom giữa hai nút quá lớn không thể tải hết trên một đường, MPLS có thể tạo ra nhiều trung kế lưu lượng giữa hai nút sao cho mỗi trung kế chuyển một phần của lưu lượng thu gom. Khi đó cần có một số thuộc tính cho biết tỉ lệ tương đối của lưu lượng được mang bởi mỗi trung kế. Các giao thức bên dưới sẽ ánh xạ tải lên các trung kế lưu lượng theo các tỉ lệ được cho. 3.3.4 Thuộc tính ưu tiên / lấn chiếm (Priority/Preemption) Thuộc tính ưu tiên có 8 mức (giảm dần từ 0 đến 7) xác định thứ tự thực hiện chọn đường cho các trung kế lưu lượng. Độ ưu tiên cũng rất quan trọng khi triển khai cơ chế lấn chiếm (preemption) vì nó có ảnh hưởng đến thứ tự thiên vị. Mỗi trung kế lưu lượng được gán một giá trị ưu tiên thiết lập (setup priority) và một giá trị ưu tiên hiện tại (holding priority). Khi thiết lập trung kế mới hoặc tái định tuyến, một trung kế có độ ưu tiên thiết lập cao sẽ chèn lấn một trung kế khác có độ ưu tiên cầm giữ thấp hơn “bật” ra khỏi đường nếu chúng cạnh tranh tài nguyên. Ngược lại, việc thiết lập một trung kế mới có thể thất bại nếu băng thông mà nó yêu cầu đang bị chiếm giữ bởi các trung kế khác có độ ưu tiên cầm giữ cao hơn[3]. Trang-68- 3.3.5 Thuộc tính đàn hồi (Resilience) Thuộc tính đàn hồi xác định hành vi của trung kế lưu lượng trong tình huống xảy ra sự cố theo các cơ chế sau:  Không tái định tuyến trung kế lưu lượng.  Tái định tuyến qua một đường khả thi có đủ tài nguyên.  Tái định tuyến qua đường khả dụng bất kỳ bất chấp các ràng buộc tài nguyên.  Tổ hợp của các cơ chế nói trên. 3.3.6 Thuộc tính khống chế (Policing) Thuộc tính khống chế xác định những hoạt động được thực hiện khi một trung kế lưu lượng không tuân thủ mức dịch vụ đã đặc tả ở các tham số lưu lượng. Nó cho biết cách xử lý đối với lượng traffic vượt mức dịch vụ (ví dụ hủy gói hay truyền theo kiểu best-effort). Nói chung, nên luôn luôn khống chế ở lối vào của mạng để cưỡng bức tuân thủ các hợp đồng mức dịch vụ và giảm thiểu việc khống chế bên trong lõi mạng. 3.4 Các thuộc tính tài nguyên 3.4.1 Bộ nhân cấp phát cực đại (maximum allocation multiplier) Là lượng băng thông dự trữ khả dụng tối đa của một liên kết có thể cấp phát ứng với từng mức ưu tiên thiết lập (setup priority) của các trung kế lưu lượng. Hình 42: Một ví dụ băng thông dự trữ cho từng mức ưu tiên Trang-69- 3.4.2 Lớp tài nguyên (Resource-Class) Thuộc tính lớp tài nguyên của một liên kết là một chuỗi 32 bit được dùng kết hợp với thuộc tính Affinity của trung kế lưu lượng để bao gồm hay loại trừ các liên kết nào đó trên đường của trung kế. Hình dưới đây là một ví dụ Affinity và lớp tài nguyên 4 bit để tránh một liên kết được đặc tả. Hình 43: Minh họa cách dùng bit Affinity và Resource-Class 3.4.3 Độ đo TE Mỗi liên kết có một cost hoặc độ đo để tính toán định tuyến trong hoạt động của IGP. Độ đo TE là một trọng số quản trị được gán cho các liên kết để tính toán LSP cho các trung kế lưu lượng. Giá trị độ đo TE mặc định là bằng IGP cost của liên kết. Router đầu nguồn (head-end) sử dụng các độ đo TE để định tuyến ràng buộc[3]. 3.5 Tính toán đường ràng buộc 3.5.1 Quảng bá các thuộc tính của liên kết Router tại đầu nguồn (head-end) của một trung kế phải nắm được thông tin thuộc tính tài nguyên của tất cả các liên kết trong mạng để tính toán đường LSP. Điều này này chỉ có thể đạt được bằng cách sử dụng các giao thức định tuyến Link-State (như IS-IS hay OSPF) vì chỉ có kiểu giao thức này mới quảng bá thông tin về tất cả các liên kết đến tất cả các router. Vì vậy, OSPF và IS-IS được mở rộng để hỗ trợ MPLS-TE:  IS-IS có các trường Type-Length-Value mới (kiểu 22 TLV) để đính kèm các thông tin này trong các thông cáo PDU Link-State của nó.  OSPF có các định nghĩa thông cáo Link-State mới (kiểu 10 LSA). Trang-70- Một khi router đầu nguồn nhận được các thông cáo này thì nó không chỉ biết được topology mạng mà còn biết được các thông tin tài nguyên khả dụng của từng liên kết. Điều này rất cần thiết để tính toán các đường thỏa mãn các đòi hỏi của trung kế lưu lượng. Hình 44: Băng thông khả dụng ứng với từng mức ưu tiên Các giao thức IGP sẽ quảng bá các thuộc tính tài nguyên khi dưới các điều kiện hoặc sự kiện nào đó như:  Khi liên kết thay đổi trạng thá