Luận văn Nghiên cứu mô phỏng đánh giá chất lượng dịch vụ trên mạng MPLS

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN HOÀNG TRƯỜNG NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRÊN MẠNG MPLS LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2009 2 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC ...........................................................................................................1 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................................5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ....................................................................................7 DANH MỤC CÁC BẢNG .........................................................................................9 MỞ ĐẦU .........................................................................................................10 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC .11 1.1. Khái quát về Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS ...............................11 1.1.1. Giới thiệu .................................................................................................11 1.1.2. Vấn đề của mạng IP và ATM ...................................................................12 1.2. Công nghệ Chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS) ................................14 1.2.1. Sự ra đời của MPLS .................................................................................14 1.2.2. Một số đặc điểm của MPLS......................................................................15 1.2.3. Một số ưu điểm của MPLS .......................................................................17 1.3. Các thành phần cơ bản Chuyển mạch nhãn Đa giao thức .........................20 1.3.1. Định tuyến Cơ bản....................................................................................20 1.3.2. Các Khái niệm Cơ sở................................................................................22 1.4. Các Thành phần điều khiển hoạt động của Hệ thống MPLS ....................25 1.4.1. Thành phần chuyển tiếp chuyển mạch nhãn..............................................25 1.4.2. Các thiết bị cơ bản của MPLS ..................................................................28 1.4.3. Các Giao thức sử dụng trong MPLS .........................................................28 1.5. Các ứng dụng của Chuyển mạch nhãn Đa giao thức .................................30 CHƯƠNG 2: CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC ..................................................................................34 2.1. Vấn đề Chất lượng dịch vụ (QoS) ...............................................................34 2.1.1. Chất lượng dịch vụ là gì ?.........................................................................34 2.1.2. Những lợi ích của QoS .............................................................................34 2.2. Các đặc tính QoS..........................................................................................36 2.2.1. Băng thông (bandwidth) ...........................................................................36 3 2.2.2. Độ trễ (delay) ...........................................................................................37 2.2.3. Độ trượt (Jitter) ........................................................................................37 2.2.4. Mất gói (loss) ...........................................................................................38 2.2.5. Hoạt động của QoS...................................................................................38 2.3. Các công nghệ QoS ......................................................................................39 2.3.1. Cơ chế Xử lý Lưu thông ...........................................................................39 2.3.2. Các cơ chế cung cấp và thiết lập ...............................................................41 2.3.3. Chất lượng................................................................................................43 2.4. Chất lượng dịch vụ trong MPLS .................................................................43 2.4.1. Kỹ thuật lưu lượng trước MPLS ...............................................................44 2.4.2. Kỹ thuật lưu lượng với MPLS ..................................................................44 2.5. MPLS và công nghệ định luồng...................................................................48 CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ ĐỊNH LUỒNG (STREAMING) ...........................50 3.1. Tổng Quan về Công nghệ Streaming Media...............................................50 3.1.1. Codecs – Nén dữ liệu ...............................................................................50 3.1.2. Luồng Video làm việc như thế nào ? ........................................................52 3.1.3. Các thiết bị của Hệ thống Luồng Video ....................................................53 3.1.4. Các Thông số mạng cần quan tâm ............................................................54 3.2. Bộ Mã hoá/Giải mã và các chuẩn định luồng Media..................................58 3.2.1. H.263 .......................................................................................................58 3.2.2. Tổng quan về MPEG-1.............................................................................60 3.2.3. Tổng quan MPEG-2 .................................................................................60 3.2.4. MPEG-4 ...................................................................................................61 3.3. Các giao thức Định luồng Video..................................................................66 3.3.1. Tổng quan về các giao thức. .....................................................................66 3.3.2. Real-Time Transport Protocol (RTP)........................................................67 3.3.3. Real-Time Control Protocol (RTCP) ........................................................69 3.3.4. Resource Reservation Protocol (RSVP)....................................................71 3.3.5. Real-Time Streaming Protocol .................................................................73 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG TRONG ĐỊNH LUỒNG MPLS ....................................................................77 4.1 Lựa chọn tiêu chí đánh giá chất lượng Định luồng Đa phương tiện..........77 4.1.1. Những Tiêu chuẩn Chất lượng Định luồng ...............................................77 4.1.2. Thiết lập các tiêu chí kiểm tra chất lượng định luồng................................80 4.1.3. Lựa chọn các tiêu chuẩn đánh giá chất lượng Định luồng Đa phương tiện khi sử dụng Chuyển mạch nhãn Đa giao thức ...........................................81 4 4.2 Xây dựng mô hình thực nghiệm mô phỏng Công nghệ định luồng trên MPLS..........................................................................................................83 4.2.1. Phương pháp tiến hành .............................................................................83 4.2.2. Xây dựng mô hình thực nghiệm................................................................83 4.3 Xây dựng Phần mềm Đánh giá Chất lượng định luồng MPLS..................90 4.3.1. Phân rã Chức năng ...................................................................................90 4.3.2. Sơ đồ luồng dữ liệu ..................................................................................91 4.3.3. Lựa chọn Công cụ Lập trình .....................................................................93 4.3.4. Mô tả chi tiết các Module Chương trình ...................................................93 4.3.5. Kết xuất các Tiêu chí thời gian .................................................................97 4.3.6. Kết xuất Tiêu chí Chất lượng Hình ảnh, Âm thanh ...................................98 4.4 Kết quả và Đánh giá.....................................................................................99 4.4.1. Các tiêu chí thời gian..............................................................................100 4.4.2. Độ mất mát gói tin..................................................................................100 KẾT LUẬN .......................................................................................................109 TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................110 PHỤ LỤC A .......................................................................................................111 PHỤ LỤC B .......................................................................................................115 PHỤ LỤC C .......................................................................................................119 5 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ Truyền không đồng bộ BGP Border Gateway Protocol Giao thức Cổng biên CoS Class of Service Lớp dịch vụ CBR Constant Bit Rate Ứng dụng phát ra các yêu cầu truyền có tốc độ bit không đổi CR-LDP Constraint-base routing LDP Giao thức phân phối nhãn dùng định tuyến dựa vào các ràng buộc EGP Exterior Gateway Protocol Giao thức Cổng ngoài FEC Forwarding Equivalence Class Lớp tương đương về mặt chuyển tiếp. Khái niệm của MPLS để chỉ việc phân loại các gói tin về phương diện chuyển tiếp FTN FEC to NHLFE Map Ánh xạ từ FEC và NHLFE GMPLS Generalized Multiprotocol Label Switching Chuyển mạch nhãn Đa giao thức Tổng quát hoá IETF Internet Engineering Task Force Nhóm làm việc về các cơ cấu trên Internet IGP Interior Gateway Protocol Giao thức Cổng Nội bộ IML Incoming Label Map Ánh xạ Nhãn đến LDP Label Distribution Protocol Giao thức Phân phối nhãn LER Label Edge Router Định tuyến Nhãn Biên LIB Label Information Base Cơ sở thông tin nhãn LSP Label Switching Path Tuyến Chuyển mạch nhãn LSR Label Switching Router Định tuyến chuyển mạch nhãn MPLambdaS Multiprotocol Lambda Switching Chuyển mạch nhãn Đa giao thức dựa vào Thông tin quang MPLS Multiprotocol Label Switching Chuyển mạch nhãn Đa giao thức MPEG Moving Picture Experts Group Nhóm các chuyên gia về Hình ảnh chuyển động, đồng tgời là tên chuẩn mã hoá dữ liệu đa phương tiện mà nhóm này đưa ra NHLFE Next Hop Label Forwarding Entry Mục Chuyển Nhãn cho điểm tiếp theo NS Network Simulation Mô phỏng Mạng - Sản phẩm mô phỏng của Phòng thí nghiệm Lawrence Berkeley National Laboratory OSPF Open Shortest Path First Phương pháp lựa chọn định tuyến dựa và đường đi ngắn nhất PCM Pulse Code Modulator Bộ điều chế xung mã QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RIP Routing Information Protocol Giao thức Thông tin định tuyến RSVP Resource Reservation Protocol Giao thức Đặt trước Tài nguyên 6 RTP Real-Time Protocol Giao thức Thời gian thực – Giao thức vân chuyển chính của các Công nghệ thời thực RTCP Real-Time Control Protocol Giao thức Điều khiển Thời gian thực RTSP Real-Rime Streaming Protocol Giao thức định luồng thời gian thực. Giao thức mức ứng dụng của công nghệ định luồng TE Traffic Engineering Kỹ thuật điều khiển lưu lượng TTL Time-To-Live Thời gian sống. Thường là thời gian tồn tại của một gói tin trên đường truyền UDP Universal Datagram Protocol Giao thức Mô hình dữ liệu Tổng quát VC Virtual Chanel Kênh ảo. Khái niệm của ATM để chỉ một tuyến dữ liệu VCI Virtual Chanel Định danh mạch ảo 7 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Định tuyến trong mạng IP .........................................................................12 Hình 1.2: Mô hình chồng lấn trên mạng IP/ATM .......................................................14 Hình 1.3: Ví dụ về chuyển mạch truyền thống ............................................................20 Hình 1.4: Ví dụ về MPLS TE ......................................................................................22 Hình 1.5: Định dạng nhãn MPLS chung ....................................................................23 Hình 1.6: Lớp liên kết dữ liệu ATM............................................................................23 Hình 1.7: Ngăn xếp nhãn. ..........................................................................................24 Hình 1.8: Minh hoạ lớp chuyển tiếp tương đương. .....................................................24 Hình 1.9: Giao thức LDP với các giao thức khác. ......................................................29 Hình 1.10: Thủ tục báo hiệu trong RSVP. ..................................................................30 Hình 1.11: Mạng Nhà cung cấp dich vụ ....................................................................30 Hình 1.12: IP over ATM với vấn đề N(N-1)/2.............................................................31 Hình 1.13: MPLS trên các mạng ATM đã tồn tại .......................................................32 Hình 1.14: Ánh xạ MPLS/ATM QoS ...........................................................................32 Hình 2.1: Ví dụ về độ trượt ........................................................................................37 Hình 2.2: Mất gói trong mạng....................................................................................38 Hình 2.3: Mối liên hệ giữa Công nghệ định luồng và MPLS ......................................49 Hình 3.1: Truyền dữ liệu Video bằng phương pháp Download file Video...................52 Hình 3.2: Truyền Video theo phương pháp Luồng Video............................................53 Hình 3.3: Bộ đệm ra được sử dụng để lưu trữ truyền đẳng thời .................................53 Hình 3.4: Máy chủ gửi các luồng video riêng biệt đến mỗi điểm ................................55 Hình 3.5: Multicast ....................................................................................................55 Hình 3.6: Ethernet chuyển mạch cho truyền trên mạng LAN tín hiệu Video luồng .....56 Hình 3.7: Tín hiệu Video được định luồng thông qua Internet....................................57 Hình 3.8: Thâm nhập Video đã định luồng thông qua mạng truyền thông công cộng 57 Hình 3.9: Bộ mã hoá trong mã hoá H.263..................................................................59 Hình 3.10: Quá trình giải mã H.263 ..........................................................................60 Hình 3.11: Mô hình hệ thống MPEG-1 và MPEG-2 ...................................................61 Hình 3.12: Kiến trúc Dựa vào đối tượng (Object-Based) ...........................................63 Hình 3.13: Truyền dữ liệu đã định luồng....................................................................65 Hình 3.14: Các phiên bản của MPEG-4.....................................................................66 Hình 3.15: Các Giao thức Định luồng và ngăn xếp TCP/IP .......................................67 Hình 3.16: Đóng gói RTP ..........................................................................................68 Hình 3.17: Khuôn dạng Header RTP .........................................................................69 Hình 3.18: Gói tin RTCP Sender Report ....................................................................71 Hình 3.19: Kết hợp các yêu cầu RSVP Multicast........................................................72 Hình 3.20: Quy trình Yêu cầu RSVP ..........................................................................73 8 Hình 3.21: Kết nối điều khiển RTSP...........................................................................75 Hình 3.22: Kết nối RTSP............................................................................................76 Hình 3.23: Các trạng thái của RTSP[12] ...................................................................76 Hình 4.1: Mô hình thực nghiệm.................................................................................87 Hình 4.2: Mô hình mô phỏng trên NS2.......................................................................88 Hình 4.3: Khuôn dạng file log. ...................................................................................89 Hình 4.4: Quy trình tiến hành thực nghiệm ................................................................90 Hình 4.5: Phân rã Chức năng của Chương trình........................................................91 Hình 4.6: Sơ đồ luồng dữ liệu ....................................................................................92 Hình 4.7: Lưu đồ Thuật toán Mô phỏng Máy trạm Định luồng ..................................96 Hình 4.8: Lưu đồ Thuật toán Kết xuất các Tiêu chí thời gian .....................................98 Hình 4.9: Lưu đồ Thuật toán Kết xuất Tiêu chí Chất lượng Hình ảnh Âm thanh ........99 Hình 4.10: Độ mất mát gói tin toàn thể của 3 đoạn phim .........................................101 Hình 4.11: Độ mất mát gói tin của Phim Công viên kỷ Jura ( không MPLS) ............103 Hình 4.12: Độ mất mát gói tin của Phim Ngài Bean ( không MPLS) ........................103 Hình 4.13: Độ mất mát gói tin của Phim Aladdin và cây đèn thần (không MPLS)....104 Hình 4.14: Độ mất mát gói tin của Phim Công viên kỷ Jura (có MPLS) ...................104 Hình 4.15: Độ mất mát gói tin của Phim Ngài Bean ( có MPLS)..............................105 Hình 4.16: Độ mất mát gói tin của Aladdin và cây đèn thần ( có MPLS)..................105 Hình 4.17: So sánh độ mất mát gói tin giữa 2 trường hợp (có MPLS và không MPLS) của Phim Công viên kỷ Jura ...................................................................106 Hình 4.18: So sánh độ mất mát gói tin giữa 2 trường hợp (có MPLS và không MPLS) của Phim Ngài Bean ...............................................................................106 Hình 4.19: So sánh độ mất mát gói tin giữa 2 trường hợp (có MPLS và không MPLS) của Aladdin và cây đèn thần ...................................................................107 Hình 4.20: So sánh Độ mất mát cực đại trên 2 hệ thống ..........................................107 Hình 4.21: So sánh Độ mất mát trung bình trên 2 hệ thống......................................108 9 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Các công nghệ chuyển mạch đa lớp ...........................................................15 Bảng 2.1: Một số vấn đề gặp phải khi mạng không hỗ trợ QoS .................................35 Bảng 4.1 Các tiêu chí lựa chọn để đánh giá chất lượng định luồng ...........................82 Bảng 4.2 Khuôn dạng của file dữ liệu mã hóa............................................................85 Bảng 4.3 Các bộ phim lựa chọn và thể loại................................................................86 Bảng 4.4 Thông số kỹ thuật của Phim Công viên kỷ Jura...........................................86 Bảng 4.5 Thông số kỹ thuật của Phim Ngài Bean.......................................................86 Bảng 4.6 Thông số kỹ thuật của Phim Aladin và Cây đèn thần...................................87 Bảng 4.7 Các Tham số của Mô hình thực nghiệm ......................................................87 Bảng 4.8 Các Module chức năng của Chương trình...................................................91 Bảng 4.9 Thống kê gói tin của Công viên kỷ Jura ....................................................102 Bảng 4.10 Thống kê gói tin của Ngài Bean ..............................................................102 Bảng 4.11 Thống kê gói tin của Aladdin và cây đèn thần .........................................102 10 MỞ ĐẦU Trong thời gian qua mạng Internet đã phát triển một cách bùng nổ, với các dịch vụ mạng phổ biến như mạng xã hội, blog, chia sẻ video, và đặc biệt là các dịch vụ điện toán đám mây. Đằng sau các thành công rực rỡ của dịch vụ trực tuyến trên có thể kể đến sự trợ giúp đắc lực của công nghệ mạng lõi và đặc biệt là Công nghệ Chuyển mạch nhãn Đa giao thức (MPLS). Vậy với công nghệ như vậy, bên cạnh việc tìm hiểu để làm chủ công nghệ thì việc đánh giá hiệu quả của của công nghệ đó đối với các ứng dụng cụ thể cũng là một việc làm có ý nghĩa cả trong lý thuyết lẫn thực tiễn. Chính vì lý do đó, tác giả đã chọn đề tài “Nghiên cứu mô phỏng, đánh giá chất lượng dịch vụ trên mạng MPLS” trong đó nhấn mạnh việc đánh giá hiệu quả của công nghệ Chuyển mạch nhãn Đa giao thức trong ứng dụng cụ thể là Công nghệ Định luồng (Streaming Media) - một công nghệ thời gian thực rất phổ biến hiện nay trên Internet. Để báo cáo các kết quả đã thực hiện được, luận văn này được tổ chức thành 4 chương: - Các chương 1, 2, 3 tập trung vào các cơ sở lý thuyết, trình bày về các vấn đề cơ bản của Chuyển mạch nhãn Đa giao thức, chất lượng dịch vụ, công nghệ định luồng, và mối liên hệ giữa chúng. - Chương 4 đi sâu vào việc xây dựng phương pháp tiến hành thực nghiệm đánh giá hiệu quả và phân tích một số kết quả thu được. - Phần kết luận đưa ra một số hướng nghiên cứu tiếp theo để làm rõ thêm hiệu quả của Chuyển mạch nhãn Đa giao thức với Công nghệ định luồng. - Đồng thời với việc thực hiện luận văn này, tác giả mong muốn xây dựng một mô hình mô phỏng thực nghiệm có thể triển khai tại phòng LAB trường Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, để giúp sinh viên, học viên tại trường có một công cụ phục vụ công việc học tập và nghiên cứu. 11 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC 1.1. Khái quát về Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS 1.1.1. Giới thiệu Trong những năm gần đây, mạng Internet đã phát triển rất nhanh và trở nên rất phổ biến. Internet đã trở thành một phương tiện thông tin vô cùng hiệu quả và tiện lợi phục vụ cho giáo dục, thương mại, giải trí, thông tin giữa các cộng đồng. Hiện nay, các ứng dụng mới cả trong thương mại và thị trường người tiêu dùng ngày càng phát triển. Để các ứng dụng mới này được vận hành đòi hỏi băng thông rộng và các nhu cầu về dải thông được đảm bảo trong mạng đường trục. Cùng với các dịch vụ truyền thống hiện nay được cung cấp qua Internet, các dịch vụ thoại và đa phương tiện cũng đang được sử dụng và phát triển rất mạnh mẽ. Sự lựa chọn cho việc cung cấp là tích hợp các dịch vụ đang được mong đợi. Tuy nhiên, tốc độ và dải thông của nhu cầu về các dịch vụ và ứng dụng này là một bài toán nan giải với tài nguyên hạ tầng Internet hiện nay. Những nhà cung cấp dịch vụ viễn thông mới không có đủ thời gian để xây dựng cơ sở hạ tầng mới. Do đó, sự kết hợp cơ sở hạ tầng mới và cũ là giải pháp đầu tiên được đưa ra. Kết hợp cơ sở hạ tầng để truyền tín hiệu trên nhiều phương tiện như cáp đồng, cáp quang, vô tuyến cho đến nay vẫn là giải pháp tốt. Mạng hiện nay đòi hỏi việc truyền dữ liệu trong thời gian thực, tính phổ biến cao với việc hỗ trợ “cắm và chạy” (plug-and-play), dễ sử dụng, giảm thiểu trễ trong quá trình truyền và tính khả dụng đạt 99,9%. Ngoài ra, mạng cần phải có tính bảo mật cao, dễ dàng truy xuất, giá hợp lý và không bị kiểm soát bởi bất cứ tổ chức nào[6]. Giao thức định tuyến Internet TCP/IP có khả năng định tuyến, truyền gói tin linh hoạt và rộng khắp toàn cầu. Nhưng IP không đảm bảo chất lượng dịch vụ, tốc độ truyền tin theo yêu cầu, trong khi đó công nghệ ATM có tốc độ truyền tin cao, đảm bảo thời gian thực và chất lượng dịch vụ theo yêu cầu định trước. Hơn nữa, các dịch vụ thông tin thế hệ sau được chia thành hai xu hướng phát triển chính là: hoạt động kết nối định hướng (connection-oriented) và hoạt động không kết nối (connectionless). Hai xu hướng phát triển này dần tiệm cận và hội tụ với nhau tiến tới ra đời công nghệ ATM/IP (IP over ATM). Chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS – Multiprotocol Label Switching) là một giải pháp linh hoạt cho việc giải quyết các vấn đề mà các mạng ngày nay đang phải đối mặt, đó là tốc độ, khả năng mở rộng cấp độ mạng, quản lý chất lượng dịch vụ (QoS – Quality of Service) và kỹ thuật lưu lượng (Traffic Enginering). MPLS xuất hiện để đáp ứng các yêu cầu dịch vụ và quản lý băng thông cho giao thức Internet thế hệ sau dựa trên mạng đường trục. MPLS hỗ trợ giao thức lớp hai, triển khai hiệu quả các dịch vụ 12 IP trên một mạng chuyển mạch IP. MPLS hỗ trợ việc tạo ra các tuyến khác nhau trên mạng đường trục Internet. Bằng việc tích hợp MPLS vào kiến trúc mạng, ISP có thể giảm chi phí, tăng lợi nhuận, cung cấp hiệu quả các dịch vụ trên nền mạng của họ và đạt được hiệu quả cạnh tranh cao. Tóm lại, chuyển mạch nhãn đa giao thức sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc định tuyến (dựa trên các thước đo QoS và chất lượng dịch vụ), chuyển mạch và chuyển tiếp các gói qua mạng thế hệ sau cũng như giải quyểt các vấn đề liên quan tới khả năng mở rộng mạng. Ngoài ra, nó có thể hoạt động với các mạng Frame Relay và chế độ truyền tải không đồng bộ (ATM – Asyncronous Transfer Mode), đặc biệt là mạng IP hiện nay, để đáp ứng các nhu cầu dịch vụ của người sử dụng mạng. 1.1.2. Vấn đề của mạng IP và ATM Mạng IP Mọi công nghệ đều có những mặt mạnh và mặt yếu. Hoạt động không kết nối mang đến một số lợi ích đáng kể tới mạng IP, như tính mở rộng và khả năng phục hồi của toàn bộ mạng. Với các hệ thống mạng hoạt động theo cách thức định tuyến IP truyền thống, mỗi node mạng (router) đều phải thực hiện hai chức năng chính: định tuyến (routing) và chuyển tiếp (switching hoặc forwarding). Quá trình định tuyến và chuyển tiếp này gặp phải ba hạn chế lớn: - Phải dựa vào các giao thức định tuyến để phân bố thông tin định tuyến - Việc thực hiện quá trình chuyển tiếp chỉ dựa trên địa chỉ đích của gói tin; không thể dựa trên các tham số QoS (chất lượng dịch vụ). - Mỗi node mạng đều phải thực hiện việc tìm kiếm thông tin định tuyến. Hình 1.1: Định tuyến trong mạng IP Với COLL (Connection-Oriented Link Layer), mạng IP có thể tạo ra sự tắc nghẽn trong mạng. Router dùng OSPF để định tuyến dựa trên địa chỉ IP đích của gói tin. Điều này dẫn đến tình trạng có những nhánh được dùng với mật độ cao (tắc nghẽn) và có những nhánh sẽ không được dùng (Hình 1.1). Router không hề nhận thấy sự tắc 13 nghẽn của mạng, nên không thể sử dụng tốt nhất tất cả tài nguyên sẵn có. Một số nhà cung cấp đã ước tính rằng họ mất tới 40% khả năng mạng của họ do việc sử dụng không hợp lý tài nguyên mạng bởi hoạt động không kết nối trong mạng IP[5]. Ngoài ra, việc định tuyến theo lược đồ định tuyến từng chặng (hop-by-hop) sẽ gặp khó khăn khác, đó chính là việc lựa chọn đường đi trên mạng sao cho có thể đảm bảo được yêu cầu chất lượng dịch vụ. Chẳng hạn khi hàng đợi cho chặng tiếp theo quá dài, gói tin sẽ bị trễ hay khi hàng đợi quá đầy, IP router cho phép hủy gói. Việc tăng thời gian trễ và mất dữ liệu là không thể dự đoán được. Một ví dụ dễ thấy, trong mạng IP, một cuộc gọi thời gian thực hoặc hội nghị trực tuyến sẽ được định tuyến tương tự như cách gửi một e-mail hoặc truyền một file trên mạng, cộng với việc tắc nghẽn do OSPF thì rõ ràng rằng mạng IP không thể đảm bảo được chất lượng cuộc gọi nói riêng và các dịch vụ thời gian thực nói chung. Hơn nữa, với việc định tuyến này, Router luôn luôn phải kiểm tra địa chỉ đích và so sánh trong bảng định tuyến để xác định chặng tiếp theo. Hoạt động này làm tăng thời gian trễ của gói tin. Nói tóm lại, mạng IP là một trong những công nghệ mạng mạnh được tạo ra cho đến giờ. Sự ra đời của nó thực sự đã làm thay đổi thế giới. Tuy nhiên đứng về khía cạnh nhà cung cấp dịch vụ mạng, định tuyến IP giới hạn khả năng của nhà cung cấp dịch vụ cho việc quản lý lưu lượng trong mạng, và cũng hạn chế các lớp dịch vụ họ có thể mang đến cho khách hàng[6]. Mạng ATM ATM sử dụng các gói có kích thước nhỏ và cố định (53 bytes) gọi là các tế bào ATM (ATM Cell). Các tế bào nhỏ cùng với tốc độ truyền lớn sẽ làm cho trễ truyền và biến động trễ (delay jitter) giảm đủ nhỏ đối với các dịch vụ thời gian thực. Ngoài ra, kích thước nhỏ cũng sẽ tạo điều kiện cho việc hợp kênh ở tốc độ cao được dễ dàng hơn (theo lý thuyết tốc độ có thể lên tới 1,2Gbit/s). ATM còn có một đặc điểm rất quan trọng là khả năng nhóm một vài kênh ảo (virtual channel) thành một đường ảo (virtual path), nhằm giúp cho việc định tuyến được dễ dàng hơn. Chính vì thế để nâng cao hiệu năng của mạng IP, người ta đã kết hợp ATM vào mạng của họ, thường là mạng đường trục. Việc kết hợp này làm tối ưu đáng kể hiệu năng của mạng và việc kết nối định hướng của ATM có khả năng tạo ra việc phân chia lưu lượng ảo. Điều này tránh việc tắc nghẽn trong mạng và tối ưu việc định tuyến lại trong trường hợp mạng gặp sự cố. Tuy nhiên việc kết hợp IP trên nền ATM vẫn còn những bất tiện. Thứ nhất đó là chúng ta sẽ gặp rắc rối với số lượng mạch ảo: 14 Hình 1.2: Mô hình chồng lấn trên mạng IP/ATM Như hình trên (hình 1.2), chúng ta thấy rằng việc vận hành một mạng đầy đủ kết nối (full mesh) sẽ gặp rất nhiều bất tiện mỗi khi chúng ta muốn thêm mới một router, chúng ta phải cấu hình toàn bộ số router trong mạng ATM (số lượng kết nối sấp sỉ N2, với N là số router trên mạng – “n-square problem”). Thứ hai, đối với nhà cung cấp dịch vụ, họ đòi hỏi phải dễ dàng chuyển đổi mạng của họ cho thích hợp với nhiều dịch vụ khác nhau. ATM không linh hoạt trong việc này[10]. 1.2. Công nghệ Chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS) 1.2.1. Sự ra đời của MPLS Công nghệ MPLS là kết quả phát triển của nhiều công nghệ chuyển mạch IP sử dụng cơ chế hoán đổi nhãn như của ATM để tăng tốc độ truyền gói tin mà không cần thay đổi các giao thức định tuyến của IP. Hơn tám năm trước, một số công ty đã cố gắng hợp nhất hoạt động tốc độ cao của ATM (dựa trên tổng đài) với quá trình xử lý tuyến của IP (dựa trên lớp mạng). Bảng dưới đây liệt kê các công nghệ chuyển mạch đa lớp: Công nghệ Nhà sản xuất/Chuẩn Mục đích Tổng quan Multiprotocol over ATM (MPOA) IETF LAN, WAN Công nghệ bao gồm chuẩn dựa trên việc tiếp cận việc định hướng các gói tin ở lớp mạng trên mạng đường trục ATM. MPOA giảm bớt hiện tượng nghẽn cổ chai trong những router lõi bởi việc sử dụng những tiện lợi của chuyển mạch hiệu năng cao ATM. IP Switching Nokia (Ipsilon) LAN, WAN Tổng đài IP của Ipsilon ra đời năm 1996 là một ma trận chuyển mạch ATM được điều khiển bởi khối xử lý sử dụng công nghệ IP. 15 Mục đích cơ bản của tổng đài IP là kết hợp các tổng đài ATM và tuyến IP một cách đơn giản và có hiệu quả. Cell- Switched Routers Toshiba LAN, WAN Thiết bị CSR (bộ định tuyến chuyển mạch tế bào) của Toshiba ra đời năm 1994 là tổng đài ATM đầu tiên được điều khiển bằng giao thức IP thay cho báo hiệu ATM. CSR được thiết kế với chức năng như là một bộ định tuyến để kết nối các mạng con IP cục bộ trong môi trường IP. Aggregate Route-based IP Switching (ARIS) IBM WAN ARIS của IBM gần giống với chuyển mạch thẻ, nó gán các nhãn để tập hợp tuyến và được thiết kế với một tiêu điểm trên ATM như lựa chọn của lớp liên kết dữ liệu (nó cung cấp cơ chế ngăn ngừa vòng mà ATM không có). Quá trình phân phối nhãn bắt đầu tại bộ định tuyến lối ra và truyền bá theo thứ tự về phía bộ định tuyế lối vào. Tag Switching Cisco WAN Cách tiếp cận này dựa trên độ dài cố định của tag. Tag switching được xác định hỗ trợ đa giao thức và tạo điều kiện cho việc: - Định tuyến rõ ràng - Quản lý lưu lượng - Dịch vụ linh động - Khả năng mở rộng mạng Bảng 1.1: Các công nghệ chuyển mạch đa lớp Do có quá nhiều giải pháp nên một nhóm làm việc IETF được hình thành và cuộc họp đầu tiên của nhóm tiến hành vào tháng tư năm 1997. Sau nhiều hội nghị, thuật ngữ Chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS) được chọn cho tập tiêu chuẩn. MPLS cung cấp các cơ chế tuỳ theo yêu cầu của mạng[13]. 1.2.2. Một số đặc điểm của MPLS MPLS tách chức năng cuả IP ra thành hai phần riêng biệt: chức năng chuyển gói tin và chức năng điều khiển. Phần chức năng chuyển gói tin với nhiệm vụ gửi gói tin giữa 16 các bộ định tuyến IP, sử dụng cơ chế hoán đổi nhãn tương tự như của ATM. Trong MPLS nhãn là một thực thể có độ dài cố định và không phụ thuộc vào lớp mạng. Kỹ thuật hoán đổi nhãn về bản chất là tìm nhãn của một gói tin trong một bảng các nhãn để xác định tuyến của gói và nhãn mới của nó. Việc này đơn giản hơn nhiều so với việc xử lý gói tin theo kiểu thông thường, và do vậy cải thiện hiệu năng của thiết bị. Các bộ định tuyến sử dụng kỹ thuật này được gọi là bộ định tuyến chuyển mạch nhãn LSR (Label Switching Router). Phần chức năng điều khiển của MPLS bao gồm các giao thức định tuyến lớp mạng với nhiệm vụ phân phối thông tin định tuyến cho việc chuyển mạch. MPLS có thể hoạt động với các giao thức định tuyến khác như OSPF (Open Shortest Path First) và BGP (Border Gateway Protocol). Do MPLS hỗ trợ điều khiển lưu lượng và cho phép thiết lập tuyến cố định nên việc đảm bảo dịch vụ của các tuyến là hoàn toàn khả thi. Đây là một tính năng vượt trội của MPLS so với các giao thức định tuyến cổ điển. Ngoài ra, MPLS còn có cơ chế định tuyến lại nhanh. Việc sử dụng chuyển mạch nhãn cho phép đảm bảo độ tin cậy cao, đồng thời nó hỗ trợ việc quản lý mạng được dễ dàng hơn:  Do MPLS là công nghệ chuyển mạch định hướng kết nối nên khả năng bị ảnh hưởng bởi lỗi đường truyền thường cao hơn các công nghệ khác. Trong khi đó, các dịch vụ tích hợp mà MPLS phải hỗ trợ lại yêu cầu chất lượng cao, do vậy khả năng phục hồi của MPLS đảm bảo khả năng cung cấp dịch vụ của mạng không phụ thuộc vào cơ cấu khôi phục lỗi của lớp vật lý bên dưới.  Bên cạnh độ tin cậy, công nghệ MPLS cũng hỗ trợ việc quản lý mạng được dễ dàng hơn. Do MPLS quản lý việc chuyển tin theo các luồng thông tin, các gói tin thuộc một lớp chuyển tiếp tương đương (FEC - Forwarding Equivalence Class) có thể được xác định bởi giá trị của nhãn. Do vậy, trong miền MPLS, các thiết bị đo lưu lượng mạng có thể dựa trên nhãn để phân loại các gói tin. Bằng cách giám sát lưu lượng tại các bộ định tuyến chuyển mạch nhãn LSR, nghẽn lưu lượng sẽ được phát hiện và vị trí xảy ra nghẽn lưu lượng có thể được xác định nhanh chóng. Tuy nhiên, giám sát lưu lượng theo phương thức này không đưa ra được toàn bộ thông tin về chất lượng dịch vụ (ví dụ như trễ xuyên suốt của miền MPLS). Việc đo trễ có thể được thực hiện bởi giao thức lớp hai. Để giám sát tốc độ của mỗi luồng và đảm bảo các luồng lưu lượng tuân thủ tính chất lưu lượng đã được định trước, hệ thống giám sát và đảm bảo tuân thủ đặc tính lưu lượng mà không cần thay đổi các giao thức hiện có. MPLS là một công nghệ chuyển mạch IP có nhiều triển vọng. Với tính chất cơ cấu định tuyến của mình, MPLS có khả năng nâng cao chất lượng dịch vụ của mạng IP truyền thống. Bên cạnh đó, thông tin lưu lượng của mạng sẽ được cải thiện rõ rệt. MPLS thực hiện các chức năng sau: 17  Xác định cơ cấu quản lý khác nhau của các luồng lưu lượng, như các luồng giữa các máy, phần cứng khác nhau hoặc thậm chí các luồng giữa những ứng dụng khác nhau.  Duy trì sự độc lập của các giao thức lớp 2 và lớp 3.  Cung cấp phương pháp ánh xạ địa chỉ IP với các nhãn đơn giản, có độ dài cố định được sử dụng bởi các công nghệ chuyển tiếp gói và chuyển mạch gói khác nhau.  Giao diện với các giao thức định tuyến hiện có như giao thức đặt trước tài nguyên (RSVP-Resource Reservation Protocol) và giao thức mở đường ngắn nhất đầu tiên (OSPF).  Hỗ trợ IP, ATM và giao thức lớp 2 Frame Relay. Trong MPLS, việc truyền dữ liệu xảy ra trên các đường chuyển mạch nhãn LSPs (Label Switching Path) tạo ra từ đầu vào đến đầu ra của mạng MPLS. LSPs được thiết lập trước khi truyền dữ liệu hoặc trong lúc phát hiện luồng dữ liệu nào đó. Các nhãn được phân bổ bằng việc sử dụng giao thức phân bổ nhãn LDP (Label Distribution Protocol) hoặc RSVP hoặc được đội lên các giao thức định tuyến như giao thức định tuyến cổng miền (BGP) và OSPF. Mỗi gói dữ liệu bọc và mang các nhãn trong suốt hành trình của chúng từ nguồn tới đích. Bởi vì các nhãn có độ dài cố định được chèn ở đầu gói hoặc tế bào nên có thể chuyển mạch gói nhanh giữa các liên kết bằng phần cứng. 1.2.3. Một số ưu điểm của MPLS Một trong những ưu điểm chính của MPLS là một chuẩn dựa trên ứng dụng của kỹ thuật chuyển mạch nhãn. Sự phát triển chuẩn dẫn tới mở ra môi trường mà các sản phẩm của nhiều nhà sản xuất đều có thể hoạt động được. Sự cạnh tranh cũng làm cho giá thấp hơn dẫn tới nhiều thuộc tính được đưa ra và sớm có tác dụng, khách hàng có nhiều sự lựa chọn cho nhu cầu của mình. MPLS được mong đợi để hỗ trợ công nghiệp và sẽ thay thế các giải pháp trước đó.  Các mạng riêng ảo (VPN-Virtual Private Network): nhiều tổ chức thiết lập mạng riêng bằng cách dùng các đường thuê riêng. Các VPN là bản sao của những mạng riêng qua các phương tiện truyền tin theo cách thức mà mỗi khách hàng cảm thấy mình được sử dụng trên một mạng riêng. Cơ sở hạ tầng của kênh truyền được ảo hoá để hỗ trợ cho những mạng ảo độc lập. MPLS là một giải pháp hợp thành trong quá trình xây dựng các mạng, các nhãn MPLS có thể được dùng để tách lưu lượng giữa và thậm chí cả trong các mạng riêng ảo. 18  Định tuyến gián tiếp: một thuộc tính của MPLS là nó hỗ trợ cho định tuyến gián tiếp. Các đường chuyển mạch nhãn định tuyến gián tiếp có hiệu quả hơn định tuyến nguồn trong IP. Cung cấp các chức năng cho kỹ thuật điều khiển lưu lượng. Các đường định tuyến gián tiếp cũng có sức hấp dẫn như các đường hầm ảo có thể mang loại lưu lượng bất kỳ như SNA, IPX.  Hỗ trợ đa kết nối và đa giao thức: thiết bị chuyển tiếp chuyển mạch nhãn có thể được dùng khi thực hiện chuyển mạch nhãn với IP cũng tốt như với IPX. Chuyển mạch nhãn cũng có thể vận hành ảo trên bất kỳ giao thức lớp liên kết dữ liệu.  Khả năng mở rộng: chuyển mạch nhãn cũng có ưu điểm về tách giữa chức năng điều khiển và chuyển tiếp. Mỗi phần có thể phát triển không cần nén các phần khác, tạo sự phát triển mạng dễ dàng hơn, giá thành thấp hơn và lỗi ít hơn.  Định tuyến liên vùng: chuyển mạch nhãn cung cấp khả năng tách hoàn thiện hơn giữa định tuyến liên vùng và trong vùng. Những khả năng cải tiến này của quá trình xử lý định tuyến và thực tế tạo lại các tuyến biết được yêu cầu bên trong một vùng. Lợi ích này của ISP và những tải tin có thể có một lượng lớn của lưu lượng truyền thông (cụ thể là lưu lượng của nguồn và đích là không cùng trên một mạng).  Hỗ trợ cho tất cả các loại lưu lượng: một ưu điểm khác của chuyển mạch nhãn là nó có thể hỗ trợ cho tất cả các loại chuyển tiếp unicast, loại dịch vụ unicast và các gói multicast. Chuyển mạch nhãn cũng cải tiến dựa trên các phương pháp tích hợp IP với ATM dựa trên các mạng con. Vì thế, có thể xoá yêu cầu cho các thủ tục phức tạp và các giao thức bất lực với những chủ đề như quyết định địa chỉ và các phương pháp khác cho multicast và giữ trước tài nguyên. Chuyển mạch nhãn có thể được dùng với các thuộc tính chất lượng dịch vụ, cho phép các loại IP khác nhau truy cập dịch vụ đã được thiết lập[13]. Điểm vượt trội của MPLS so với mô hình IP over ATM Khi hợp nhất với chuyển mạch ATM, chuyển mạch nhãn tận dụng những thuận lợi của các tế bào ATM – chiều dài thích hợp và chuyển với tốc độ cao. Trong mạng đa dịch vụ chuyển mạch nhãn cho phép chuyển mạch BPX/MGX nhằm cung cấp dịch vụ ATM, Frame Relay và IP Internet trên một mặt phẳng đơn trong một đường đi tốc độ cao. Các mặt phẳng (Platform) công cộng hỗ trợ dịch vụ này để tiết kiệm chi phí và đơn giản hóa hoạt động cho nhà cung cấp đa dịch vụ. ISP sử dụng chuyển mạch ATM trong mạng lõi, chuyển mạch nhãn giúp các dòng Cisco, BPX8600, MGX8800, Router chuyển mạch đa dịch vụ 8540 và các chuyển mạch Cisco ATM giúp quản lý mạng 19 hiệu quả hơn xếp chồng lớp IP trên mạng ATM. Chuyển mạch nhãn tránh những rắc rối gây ra do có nhiều router ngang hàng và hỗ trợ cấu trúc phân cấp (hierarchical structure) trong một mạng ISP. - Sự tích hợp: MPLS xác nhập tính năng của IP và ATM chứ không xếp chồng lớp IP trên ATM. MPLS giúp cho cơ sở hạ tầng ATM thấy được định tuyến IP và loại bỏ các yêu cầu ánh xạ giữa các đặc tính IP và ATM. MPLS không cần địa chỉ ATM và kỹ thuật định tuyến (như PNNI). - Độ tin cậy cao hơn: Với cơ sở hạ tầng ATM, MPLS có thể kết hợp hiệu quả với nhiều giao thức định tuyến IP over ATM thiết lập một mạng lưới dịch vụ công cộng giữ các router xung quanh một đám mây ATM. Tuy nhiên có nhiều vấn đề xảy ra do các PCV link giữa các router xếp chồng trên mạng ATM. Cấu trúc mạng ATM không thể thấy bộ định tuyến. Một link ATM hỏng làm hỏng nhiều router-to-router link, gây khó khăn cho lượng cập nhật thông tin định tuyến và nhiều tiến trình xử kéo theo. - Trực tiếp thực thi các loại dịch vụ: MPLS sử dụng hàng đợi và bộ đếm của ATM để cung cấp nhiều loại dịch vụ khác nhau. Nó hỗ trợ quyền ưu tiên IP và loại dịch vụ (Class of Service - CoS) trên chuyển mạch ATM mà không cần chuyển đổi phức tạp sang các lớp ATM Forum Service. - Hỗ trợ hiệu quả Multicast và RSVP: Khác với MPLS, xếp lớp IP trên ATM nảy sinh nhiều bất lợi, đặc biệt trong việc hỗ trợ các dịch vụ IP như IP multicast và RSVP. MPLS hỗ trợ các loại dịch vụ này, kế thừa thời gian và công việc theo các chuẩn và khuyến khích tạo nên ánh xạ xấp xỉ của các đặc trưng IP&ATM. - Sự đo lường và quản lý VPN: MPLS có thể tính được các dịch vụ IP VPN và rất dễ quản lý các dịch vụ VPN quan trọng để cung cấp các mạng IP riêng trong cơ sở hạ tầng của nó. Khi một ISP cung cấp dịch VPN hỗ trợ nhiều VPN riêng trên một cơ sở hạ tầng đơn. Với một đường trục MPLS, thông tin VPN chỉ được xử lý tại một điểm ra vào. Các gói mang nhãn MPLS đi qua một đường trục và đến điểm ra đúng của nó. Kết hợp MPLS với MP-BGP (Multiprotocol Border Gateway Protocol) tạo ra các dịch vụ VPN dựa trên nền MPLS (MPLS-based VPN) dễ quản lý hơn vớ sự điều hành chuyển tiếp để quản lý phía VPN và các thành viên VNP, dịch vụ MPLS-based VPN còn có thể mở rộng để hỗ trợ hàng trăm nghìn VPN. - Giảm tải trên mạng lõi: Các dịch vụ VPN hướng dẫn cách MPLS hỗ trợ mọi thông tin định tuyến để phân cấp. Hơn nữa, có thể tách rời các định tuyến Internet khỏi lõi mạng cung cấp dịch vụ. Giống như dữ liệu VPN, MPLS chỉ cho phép truy xuất bảng định tuyến Internet tại điểm ra vào của mạng. Với MPLS, kỹ thuật lưu lượng truyền ở biên của AS được gắn nhãn để liên kết với điểm tương ứng. Sự tách rời của định tuyến nội khỏi định tuyến Internet đầy đủ cũng giúp hạn chế lỗi, ổn định và tăng tính bảo mật. 20 - Khả năng điều khiển lưu lượng: MPLS cung cấp các khả năng điều khiển lưu lượng để sử dụng hiệu quả tài nguyên mạng. Kỹ thuật lưu lượng giúp chuyển tải từ các phần quá tải sang các phần còn rỗi của mạng dựa vào điểm đích, loại lưu lượng, thời gian,… 1.3. Các thành phần cơ bản Chuyển mạch nhãn Đa giao thức 1.3.1. Định tuyến Cơ bản Định tuyến truyền thống Trong các môi trường định tuyến truyền thống, một gói tin được chuyển đi thông qua một mạng trên cơ sở hop-by-hop sử dụng các giao thức cổng nội bộ (IGP), như giao thức Thông tin Chuyển mạch (Routing Information Protocol – RIP) và Cơ sở Đường dẫn Ngắn nhất Mở (Open Shortest Path First – OSPF), hoặc các giao thức Cổng ngoài (EGP), như Giao thức Cổng Biên (Border Gateway Protocol – BGP). Điều này được thực hiện đến các địa chỉ đích Lớp 3 trên bảng bảng định tuyến cho điểm đến (hop) tiếp theo. Để lọc ra điểm đến, mỗi bộ định tuyến mà gói tin đi qua cần phải thực hiện việc tìm kiếm định tuyến, dựa vào các địa chỉ đích Lớp 3 trên mào đầu IP. Điều này cần phải thực hiện để quyết định điểm tiếp theo của gói tin trên đường đi của nó để chuyển nó đến điểm cuối cùng. Các địa chỉ đích Lớp 2 sau đó được thay thế cùng với địa chỉ Lớp 2 của điểm tiếp theo, và địa chỉ Lớp 2 của nguồn được thay thế bằng địa chỉ Lớp 2 của định tuyến hiện tại, để lại các địa chỉ Lớp 3 của nguồn và đích cho điểm tiếp theo để thực hiện việc tìm kiếm định tuyến của chính nó trên gói tin. Quá trình này phải được lặp lại tại mỗi điểm để chuyển gói tin đến điểm cuối. Hình 1.3: Ví dụ về chuyển mạch truyền thống Tại hình 1.3, để chuyển các gói tin đến Định tuyến F, Định tuyến C sẽ chỉ tham khảo các địa chỉ đích của Định tuyến F. Định tuyến C sẽ quyết định tuyến tốt nhất dựa vào các thuộc tính được định nghĩa cho IGP cụ thể. Nếu định tuyến sử dụng RIP, tuyến có tổng nhỏ nhất các điểm chuyển tiếp đến đích sẽ được ưu tiên coi như là tuyến tốt nhất, tổng số các điểm chuyển tiếp không vượt quá 15. Nếu IGP là OSPF, tổng giá trị tích 21 luỹ (các biểu đồ, thường dựa vào băng thông) đến điểm đích được tham khảo, và giá trị tổng nhỏ nhất của tất cả các liên kết sẽ được ưu tiên. Việc chạy các giao thức IGP như RIP và OSPF cuang cấp một giải pháp có khả năng mở rộng, như lại thiếu sót khi giải quyết các yêu cầu định tuyến inter-AS, quản lý mạng, kỹ thuật vận chuyển, và các dịch vụ IP yêu cầu tính mở. Xem xét lại hình 1.3, Định tuyến C cần phải lựa chọn quyết định chuyển gói tin kết thúc tại tại Định tuyến F dựa vào các biểu đồ được định nghĩa bởi một IGP đang thực thi. Nếu là OSPF, biểu đồ có thể dựa vào một loạt các tiêu chuẩn, cho dù băng thông thường là một tiêu chuẩn. RIP, mặt khác sử dụng biểu đồ dựa vào việc đếm các điểm chuyển tiếp và xoá các gói tin đã qua 15 điểm chuyển tiếp. Như nhìn thấy tại hình 1.3, tất cả các gói tin đến từ Định tuyến A hoặc Định tuyến B và kết thúc tại Định tuyến F sẽ được chuyển trên cùng một đường, dọc theo tuyến có biểu đồ ưu tiên. Vì thế, nếu tuyến đến Định tuyến F qua Định tuyến D có băng thông rộng hơn – như 2 DS-3, và tuyến qua Định tuyến E được kết nối thông qua T-1, tuyến qua Định tuyến D sẽ chỉ được sử dụng khi lỗi mạng xẩy ra. Kỹ thuật lưu thông MPLS (MPLS Traffic Engineering) Tương phản với những điều trình bày ở trên, MPLS là phương thức chuyển các gói tin tại tốc độ cao. Nó kết hợp tốc độ và khả năng thực hiện của Lớp 2 và khả năng mở rộng và sự thông minh của Lớp 3. Các Định tuyến trên sườn của mạng (các Định tuyến Nhãn Sườn - Labels Edge Router) sẽ ghép các nhãn vào các gói tin dựa vào chỉ số Phân loại Tương đương Chuyển tiếp (Forwarding Equivalence Class – FEC). Các gói tin sau đó sẽ được chuyển đi thông qua mạng MPLS, dựa vào các FEC tích hợp của chúng, thông qua việc tráo đổi các nhãn của định tuyến hoặc chuyển mạch trong lõi của mạng được gọi là các Định tuyến chuyển mạch nhãn, đến đích của chúng. Ý tưởng quan trọng nhất là chỉ cần thêm một nhãn đơn giản, các LSR có thể chuyển các gói tin hiệu quả hơn, nhờ vào phần tử chuyển tiếp đơn giản, tương phản với cơ sở hop-by-hop được sử dụng trong định tuyến truyền thống. Một nhãn thường có ý nghĩa cục bộ, một hình ảnh rút gọn của mào đầu IP, nó liên kết với một FEC (như phần đầu của IP nhận được) được tham khảo trên một bảng các nhãn đến để tìm ra cá nhãn đi ra và các ánh xạ giao tiếp được gọi là Cơ sở Thông tin Nhãn (Label Information Base – LIB). Nhãn tự nó đại diện cho các FEC cụ thể. Bằng cách tham khảo một LIB, sức mạnh thực sự của MPLS TE trở nên hiển nhiên. Khi một LSR hoặc LER xây dựng LIB của chúng, sự điều khiển tường minh có thể được sử dụng để chuyển thẳng các gói tin chuyển mạch qua mạng. Sức mạng thực sự của thuật toán chuyển tiếp MPLS là việc phân tích mào đầu IP của gói tin, chỉ cần thiết thực hiện một lần, tại lối vào của mạng MPLS do một LER thực hiện. Ngay khi một gói tin được gán đến một FEC, việc chuyển tiếp gói tin có thể thực 22 hiện một cách đơn nhất trên các nhãn sử dụng bởi tuyến chuyển mạch nhãn (LSP) cụ thể. Hình 1.4: Ví dụ về MPLS TE Trong hình 1.4, chúng ta nhìn thấy rằng bằng cách sử dụng MPLS, chúng ta có sự điều khiển thông qua tuyến của một gói tin. Các gói tin kết thúc tại Định tuyến F có nguồn tại Định tuyến A theo LSP màu xanh liền nét. Các gói tin xuất phát từ Định tuyến B sẽ được chuyển tiếp theo đường gạch màu đỏ. Điều này được hoàn thành bằng cách tham khảo các nhãn đến trong LIB để nhận được giá trị của nhãn ra và giao diện ra. Bảng A là một ví dụ của một LIB Định tuyến. Các gói tin kết thúc cho một FEC ra khỏi Định tuyến F sẽ đến Định tuyến C thông qua giao diện S2 với nhãn 50. Chúng được tham khảo trên một LIB để biết chắc quyết định chuyển tiếp. Dựa vào LIB, các gói tin cùng với nhãn 50 đến trên giao diện S2 sẽ được tráo đổi lấy một nhãn có giá trị 12 và được chuyển mạch ra giao diện S0. Sức mạnh của những mầu điều khiển chuyển tiếp là hiển nhiên khi so sánh với các IGP truyền thống (như OSPF), những giao thức chỉ dựa vào địa chỉ Lóp 3 đích. Phần lớn các thiết kế mạng OSPF với nhiều tuyến đến cùng một đích chỉ sử dụng tuyến có giá tích luỹ thấp nhất. 1.3.2. Các Khái niệm Cơ sở Nhãn Nhãn là một thực thể có độ dài, cố định và không có cấu trúc bên trong. Nhãn xác định đường mà gói tin sẽ đi qua. Nhãn không trực tiếp mã hoá thông tin của mào đầu lớp mạng, như địa chỉ lớp mạng. Nhãn được gắn vào một gói tin cụ thể sẽ đại diện cho một Lớp Chuyển tiếp tương đương (Forwading Equivelance Class - FEC) mà gói tin đó được ấn định. Thường thì một gói được ấn định cho một Lớp Chuyển tiếp Tương đương FEC dựa trên địa chỉ đích lớp mạng của nó. Tuy nhiên nhãn không bao giờ là mã hoá của địa chỉ đó. Dạng của nhãn phụ thuộc vào phương tiện truyền mà gói tin được đóng gói. Ví dụ các gói ATM sử dụng giá trị VPI/VCI như nhãn, Frame Relay sử 23 dụng DLCI như nhãn, một đoạn đệm gồm 4 byte được chèn thêm để sử dụng cho nhãn. Khuôn dạng đoạn đệm có cấu trúc như hình 1.5: Hình 1.5: Định dạng nhãn MPLS chung Hình 1.6: Lớp liên kết dữ liệu ATM Đối với các khung PPP hay Ethernet giá trị nhận dạng giao thức P-Id hoặc Ethertype được chèn thêm vào mào đầu khung tương ứng để thông báo khung là unicast hay là multicast. Ngăn xếp nhãn (Label Stack). Là một tập hợp có thứ tự các nhãn gắn theo gói để truyền tải thông tin về nhiều FEC và các Tuyến chuyển mạch nhãn (Label Switching Path - LSP) tương ứng mà gói sẽ đi qua. Ngăn xếp nhãn cho phép MPLS hỗ trợ định tuyến phân cấp (một nhãn cho EGP và một nhãn cho IGP) và tổ chức đa đường chuyển mạch nhãn trong một trung kế chuyển mạch nhã. Mỗi mức trong ngăn xếp nhãn gắn liền với mức phân cấp nào đó. Điều này tạo thuận lợi cho chế độ hoạt động đường hầm trong MPLS. 3bits 1bits 8bits Nhãn Exp.bits BS TLL 20 bits 32bits Mào đầu lớp liên kết Đệm MPLS Mào đầu lớp mạng Tải Nhãn của gói Tiêu đề IP Dữ liệu VPI/VCI Dữ liệu VPI/VCI Dữ liệu Các tế bào ATM Tiêu đề đệm Tiêu đề IP Dữ liệu 24 Hình 1.7: Ngăn xếp nhãn. Bảng chuyển tiếp chuyển mạch nhãn Bảng chuyển tiếp nhãn có chứa thông tin về nhãn vào, nhãn ra, giao diện vào, giao diện ra. Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn Thiết bị sử dụng trong mạng MPLS để chuyển các gói tin bằng thủ tục phân phối nhãn được gọi là bộ định tuyến chuyển mạch nhãn (LSR), nó có thể là Router hoặc Switch. Có một số loại LSR cơ bản sau: LSR, LSR biên, ATM LSR, ATM LSR biên. Các lớp chuyển tiếp tương đương (FEC – Forwading Equivelance Class) Các lớp chuyển tiếp tương đương là khái niệm được dùng để chỉ một lớp các gói được ưu tiên như nhau (chúng đều gửi tới chặng tiếp theo như nhau) qua mạng MPLS ngay cả khi có sự khác biệt giữa các gói tin này thể hiện trong mào đầu lớp mạng. Trong lớp chuyển tiếp tương đương chứa ba thành phần cơ bản là: tiền tố địa chỉ, nhận dạng bộ định tuyến và đặc tính luồng. Một nhóm gói tin IP có thể chuyển trên cùng một đường LSP với cùng tiêu đề nhãn. IP IP ATM ATM PHY PHY MPLS PHY PHY MPLS PHY PHY IP IP ATM ATM PHY PHY LS R b iªn LS R b iªnLS R lâi LS R lâi LS P LS P LS P iP 1 iP 2 iP 1 iP 2 iP 1 iP 2 L1 L1 iP 1 iP 2 L2 L2 iP 1 iP 2 L3 L3 Hình 1.8: Minh hoạ lớp chuyển tiếp tương đương. 25 Cơ sở dữ liệu nhãn Là bảng kết nối trong bộ định tuyến chuyển mạch nhãn có chứa giá trị nhãn trên một lớp chuyển tiếp tương đương được gán vào cổng ra cũng như thông tin về đóng gói phương tiện truyền. Tuyến chuyển mạch nhãn Là tuyến tạo ra từ đầu vào đến đầu ra của mạng MPLS dùng để chuyển tiếp gói của một FEC nào đó sử dụng cơ chế chuyển đổi nhãn. Đường chuyển mạch nhãn được thiết lập trước khi truyền dữ liệu. MPLS cung cấp hai lựa chọn cho việc thiết lập LSP.  Định tuyến tường minh: định tuyến này giống như định tuyến nguồn. LSR lối vào (LSR mà dữ liệu bắt đầu truyền) xác định danh sách các nút mà ER-LSP truyền qua. Đường dẫn đã xác định có thể không tối ưu. Dọc đường đi tài nguyên có thể được đặt trước để bảo đảm chất lượng dịch vụ cho lưu lượng dữ liệu. Dẫn đến giảm nhẹ kỹ thuật lưu lượng khắp mạng, và các dịch vụ phân biệt được cung cấp bằng việc sử dụng các luồng dựa trên các chính sách hoặc phương thức quản lý mạng.  Định tuyến theo từng bước truyền: mỗi một LSR lựa chọn chặng tiếp theo một cách độc lập cho một FEC nhất định. Phương pháp này giống với hiện nay đã sử dụng trong mạng IP. LSR sử dụng giao thức định tuyến có sẵn nào đó như OSPF, giao diện mạng-mạng riêng ATM (PNNI),… Gói tin dán nhãn Gói tin dán nhán nhãn là gói tin mà nhãn được mã hoá trong đó. Trong một số trường hợp, nhãn nằm trong mào đầu của gói tin dành riêng cho mục đích gán nhãn. Trong các trường hợp khác, nhãn có thể được đặt chung vào trong mào đầu lớp mạng và lớp liên kết dữ liệu miễn là ở đây có trường có thể dùng được cho mục đích dán nhãn. Công nghệ mã hoá được sử dụng phải phù hợp với cả thực thể mã hoá và giải mã. Ấn định và phân phối nhãn Trong mạng MPLS, quyết định để kết hợp nhãn L cụ thể với một FEC M cụ thể là do LSR phía trước thực hiện. LSR phía trước sau khi kết hợp sẽ thông báo với LSR phía sau về kết hợp đó. Do vậy, các nhãn được LSR phía trước ấn định và các kết hợp nhãn được phân phối theo hướng từ LSR phía trước tới LSR phía sau. 1.4. Các Thành phần điều khiển hoạt động của Hệ thống MPLS 1.4.1. Thành phần chuyển tiếp chuyển mạch nhãn Một nhãn có thể được kết hợp với một gói theo một vài cách. Một số mạng có thể được gắn nhãn vào trong mào đầu lớp liên kết dữ liệu (ATM VCI/VPI, và đặc biệt là 26 FR DLCI). Lựa chọn khác để nén nó vào mào đầu nhãn nhỏ đặt ở giữa mào đầu liên kết dữ liệu và giao thức liên kết dữ liệu hay giữa dữ liệu với đơn vị (ở giữa mào đầu lớp 2 và lớp 3, dữ liệu được truyền đi). Kỹ thuật này cho phép chuyển mạch nhãn được hỗ trợ nhờ liên kết dữ liệu ảo bất kỳ bao gồm Ethernet, FDDI, và các liên kết điểm điểm. Ở biên mạng MPLS, các LSR tạo ra sự lựa chọn và những quyết định chuyển tiếp nhờ kiểm tra mào đầu IP trong các gói không được gán nhãn. Kết quả là những nhãn thích hợp được cung cấp cho các gói và sau đó chúng được chuyển tới một LSR làm nhiệm vụ như trạm tiếp theo về phía đích cuối. Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn phát ra nhãn có độ dài cố định thay thế cho mào đầu của gói IP, vì thế làm đơn giản quá trình xử lý tại tất cả các nút mạng sau đó trong đường dẫn. Nhãn được tạo ra trong suốt quá trình xử lý mào đầu tại LSR nút mạng. Tất cả các nút mạng tiếp theo dùng nhãn có thể và thường xuyên thay đổi tại mỗi LSR trong đường dẫn chạy trong mạng. Trước khi các gói thoát khỏi lõi mạng MPLS, các LER biên sẽ tháo bỏ nhãn trước khi gói tin ra ngoài. Khi một LSR nhận một gói tin dán nhãn, đầu tiên nhãn được lấy ra và nó được dùng như một chỉ số trong bảng chuyển tiếp thường trú trong LSR. Khi đề mục trong bảng được tìm thấy, nhãn đi ra được lấy ra và cộng vào gói, gói sau đó được gửi ra các giao diện bên ngoài tới các trạm tiếp theo đặc biệt là các trạm trong bảng đề mục. Bảng chuyển tiếp chuyển mạch nhãn có thể được ứng dụng tại mức nút mạng (một bảng đơn cho mỗi nút mạng) hoặc tại mức giao diện (một bảng cho mỗi giao diện). Thành phần điều khiển chuyển mạch nhãn Các nhãn được gán cho các gói nhỏ nhờ một LSR truyền, LSR nhận những gói tin dán nhãn này và xử lý nó thông qua thành phần điều khiển chuyển mạch nhãn. Nó dùng nội dung của một mục trong bảng chuyển tiếp chuyển mạch nhãn như là hướng dẫn của nó. Thiết lập và duy trì bảng các mục là những chức năng quan trọng và phải thực hiện tại mỗi LSR. Thành phần điều khiển chuyển mạch nhãn đáp lại sự phân phối thông tin định tuyến giữa các LSR trong một mẫu thích hợp và thực thi những thủ tục được dùng bởi các LSR để chuyển thông tin này vào một bảng chuyển tiếp. Thành phần điều khiển chuyển mạch nhãn gồm tất cả các giao thức định tuyến thông thường như OSPF, BGP, PIM v..v. Những giao thức này cung cấp các LSR với ánh xạ giữa FEC và địa chỉ trạm tiếp theo. Ngoài ra các LSR phải thoả mãn là:  Tạo các ràng buộc giữa các nhãn và các FEC. 27  Phân phối những ràng buộc này tới các LSR khác.  Xây dựng bảng chuyển tiếp nhãn cho bản thân nó. Ràng buộc giữa một nhãn và một FEC có thể là đường dữ liệu (sự có mặt của các loại lưu lượng đặc biệt) hoặc có thể là đường điều khiển. Mỗi một kỹ thuật ràng buộc này có một vài lựa chọn. Quyết định thiết lập dòng đã dán nhãn có thể dựa trên nhiều chuẩn. Đường dữ liệu ràng buộc nhãn thiết lập những ràng buộc nhãn tích cực chỉ khi có một yêu cầu ngay lập tức (lưu lượng phải được đưa ra để chuyển tiếp). Những thay đổi của cả hình dạng và lưu lượng phải được phân phối. Đường điều khiển ràng buộc dựa trên kết quả quản lý của xử lý tuyến và giữ trước tài nguyên. Mặc dù hai kỹ thuật vẫn được dùng nhưng chuẩn MPLS được dựa trên đường điều khiển. Phân phối thông tin nhãn Một phần trong bảng chuyển tiếp chuyển mạch nhãn cung cấp rất ít thông tin về giao diện lối ra và một nhãn mới, nhưng nó vẫn có thể bao hàm các thông tin khác. Có thể là luật xếp nối lối ra được cung cấp cho gói tin. Nhãn đi vào duy nhất nhận diện một mục đơn trong bảng này. Mỗi nhãn được phân phối phải được hướng tới một mục trong bảng chuyển tiếp. Điều này được thực hiện trong nội bộ LSR hoặc được cung cấp bởi một LSR từ xa. Bản dịch hiện hành của MPLS dùng hướng truyền đi mà trong đó các nhãn hướng cục bộ được dùng như là các nhãn đi ra. Hướng nhận thì xảy ra ngược lại. Với MPLS, các mục trong bảng chuyển tiếp được thiết lập như sau:  Trạm tiếp được cung cấp bởi các giao thức định tuyến.  Nhãn đi vào được cung cấp bằng cách tạo một hướng cục bộ giữa một FEC và nhãn  Nhãn đi ra được cung cấp bằng cách tạo một hướng từ xa giữa một FEC và một nhãn. Cấu trúc MPLS dùng cả điều khiển cục bộ (bộ đinh tuyến có thể quyết định tạo và thông báo một hướng không cần phải đợi để nhận ràng buộc từ FEC tương tự) và điều khiển bên ngoài (LSR đợi một ràng buộc từ lân cận trước khi chỉ định một nhãn và đợi thông báo truyền tới nó). Nhãn trên một gói thông tin được dùng để phát hiện các quy luật cho chuyển tiếp gói. Thông tin nhãn có thể được phân theo hai cách:  Dùng giao thức phân phối nhãn (LDP): MPLS sử dụng một giao thức mới đặc biệt cho phân phối thông tin ràng buộc nhãn gọi là LDP. LDP được dùng cho cả đường điều khiển và đường dữ liệu. Nhược điểm của LDP gián đoạn là nó thêm độ phức tạp. Cần có thêm các giao thức mới khác để hỗ trợ 28  Gửi lại trên giao thức định tuyến: thông tin nhãn MPLS có thể được cộng vào các giao thức định tuyến thông thường để phân phối mặc dù chỉ có đường điều khiển mới có thể hỗ trợ phương pháp này. Gửi lại trên vận hành thông thường của các giao thức định tuyến đảm bảo độ tin cậy của thông tin chuyển tiếp và hạn chế yêu cầu đối với giao thức khác. Mặt khác, không phải tất cả các giao thức định tuyến có thể dễ dàng xử lý các nhãn, vì thế đây không phải là câu trả lời hoàn thiện cho phân phối nhãn. 1.4.2. Các thiết bị cơ bản của MPLS Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn (LSR): Là thành phần quan trọng cơ bản nhất của mạng MPLS. LSR là thiết bị định tuyến chuyển mạch nhãn. Thiết bị này thực hiện chức năng chuyển tiếp gói thông tin trong phạm vi mạng MPLS bằng thủ tục phân phối nhãn. Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn biên (Edge LSR) Là thiết bị nằm ở biên của mạng MPLS. LSR biên gửi hay nhận các gói tin từ hay đến mạng khác nhau (Frame Relay, ATM ,…) và chuyển tiếp lưu lượng của các mạng này lên mạng MPLS sau khi thiết lập LSPs bằng việc sử dụng giao thức báo hiệu nhãn ở lối vào và phân bổ lưu lượng trở lại mạng truy nhập ở lối ra. LSR biên gán hay loại bỏ nhãn cho các gói thông tin đến hoặc đi ra khỏi mạng MPLS. Các LSR biên có thể là router lối vào hay router lối ra. ATM LSR: sử dụng giao thức MPLS trong mảng điều khiển để thiết lập kênh ảo ATM. Chuyển tiếp tế bào đến nút ATM LSR tiếp theo ATM LSR biên: Nhận gói có nhãn hoặc không có nhãn, phân vào các tế bào ATM và gửi các tế bào đến nút ATM LSR tiếp theo. Nhận các tế bào ATM từ ATM LSR cận kề, tái tạo các gói từ các tế bào ATM và chuyển tiếp gói có nhãn hoặc không nhãn. 1.4.3. Các Giao thức sử dụng trong MPLS Tham gia vào quá trình truyền thông trong mạng MPLS có một số giao thức như LDP, CR-LDP, RSVP. Các giao thức như RIP, OSPF, BGP sử dụng trong mạng định tuyến gói IP sẽ không đề cập tới trong phần này. Giao thức phân phối nhãn (LDP) Giao thức phân phối nhãn được sử dụng trong quá trình gán nhãn cho các gói thông tin yêu cầu. Giao thức LDP là giao thức điều khiển tách biệt, được các LSR sử dụng để trao đổi và điều phối quá trình gán nhãn trên một lớp chuyển tiếp tương đương. Giao thức này là tập hợp các thủ tục trao đổi các bản tin cho phép LSR sử dụng giá trị nhãn thuộc lớp chuyển tiếp tương đương nhất định để truyền các gói thông tin. 29 Một kết nối TCP được thiết lập giữa các LSR đồng cấp để đảm bảo các bản tin LDP được truyền một cách trung thực theo đúng thứ tự. Các bản tin LDP có thể được xuất phát từ trong bất cứ một LSR (điều khiển đường chuyển mạch nhãn LSP độc lập) hay từ các LSR biên lối ra (điều khiển LSP theo lệnh) và chuyển từ LSR phía trước đến LSR phía sau cận kề. Việc trao đổi bản tin LDP có thể được khởi phát bởi sự xuất hiện của luồng số liệu đặc biệt, bản tin RSVP hay cập nhật thông tin định tuyến. Khi một cặp LSR đã trao đổi bản tin LDP cho một FEC nhất định thì một đường chuyển mạch LSP từ đầu vào đến đầu ra được thiết lập sau khi mỗi LSR ghép nhãn vào với nhãn đầu ra tương ứng trong LIB của nó. LSRs đồng cấp trao đổi các bản tin sau:  Bản tin DISCOVERY: Thông báo và duy trì sự có mặt của LSR trong mạng.  Bản tin SESSION: Thiết lập, duy trì và loại bỏ phiên giữa LDP đồng cấp.  Bản tin ADVERTISEMENT: Tạo, thay đổi và xoá các ánh xạ nhãn cho FECs.  Bản tin NOTIFICATION: Cung cấp thông tin cố vấn và thông tin lỗi tín hiệu. Thµnh phÇn giao thøc MPLS Thµnh phÇn giao thøc non-MPLS Mgr Qu¶n lý LDP Dscy B¶n tin ph¸t hiÖn Sess B¶n tin qu¶n lý phiªn Advt Ph¸t hµnh LDP Notf B¶n tin x¸c nhËn Hình 1.9: Giao thức LDP với các giao thức khác. Giao thức CR-LDP Giao thức phân phối nhãn định tuyến dựa trên ràng buộc CR-LDP (Contraint-Based Routing-LDP) được sử dụng để điều khiển cưỡng bức LDP. Giao thức này là phần mở rộng của LDP cho quá trình định tuyến cưỡng bức của LSP. Cũng giống như LDP, nó sử dụng các phiên TCP giữa các LSR đồng cấp để gửi các bản tin phân phối nhãn. Giao thức RSVP 30 RSVP là giao thức báo hiệu đóng vai trò quan trọng trong MPLS, nó cho phép các ứng dụng thông báo về các yêu cầu QoS với mạng và mạng sẽ đáp ứng băng những thông báo thành công hoặc thất bại. RSVP sử dụng bản tin trao đổi tài nguyên đặt trước qua mạng cho luồng IP. RSVP là giao thức riêng ở mức IP. Nó sử dụng các gói dữ liệu IP hoặc UDP ở phần biên của mạng để thông tin giữa các LSR đồng cấp. Nó không đòi hỏi duy trì phiên TCP, nhưng sau phiên này nó phải xử lý mất mát các bản tin điều khiển. LS R b iªnLS R lâi LS R lâiPATH RESVM¸y göi M¸y nhËn Hình 1.10: Thủ tục báo hiệu trong RSVP. 1.5. Các ứng dụng của Chuyển mạch nhãn Đa giao thức Tiếp theo đây trình bày một vài kịch bản của MPLS trong các mạng khác nhau. Mục đích của phần này là cung cấp một cài nhìn tổng quát nhất của một vài khả năng sử dụng của MPLS. Ở đây trình bày một vài ứng dụng để có minh hoạ sự linh hoạt của giao thức này. Ứng dụng 1: MPLS trong mạng của nhà cung cấp dịch vụ Hình 1.11: Mạng Nhà cung cấp dich vụ Có một vài thực thi bên trong nhà cung cấp dịc vụ và mạng truyền dẫn mà ở đó MPLS có thể được sử dụng để kết hợp với BGP để định tuyến inter-AS có khả năng mở rộng, bằng cách giảm bớt sự cần thiết các định tuyến nội bộ AS để chấp nhận các định tuyến BGP. Điều này cho phép tăng thêm việc điều khiển trên tuyến nằm trong luồng giao thông trung chuyển qua mạng của nhà cung cấp dịch vụ (thông qua các tuyến LSP được định tuyến một cách tường minh), nhằm tối thiểu hoá các liên kết bị sử dụng không đúng mức, nhờ đó giảm tải trên tài nguyên mạng. 31 Một lợi ích khác của việc triển khai MPLS là các nhà cung cấp dịch vụ và đường truyền có thể cung cấp mạng riêng ảo (VPN), một dịch vụ có thể mang đến cho các công ty một sự thay thế cho một mạng đường dây thuê riêng (leased-line) cá nhân đắt tiền bằng một giải pháp rẻ tiền của các “đường hầm” thông qua một mạng của nhà cung cấp dịch vụ, nó mô phỏng mạng đường dây thuê riêng. Các mạng VPN cũng duy trì những địa chỉ IP công cộng bằn cách cho phép các địa chỉ mạng cá nhân đường trải trên Internet trong khi gói các liên kết địa chỉ IP cá nhân trong một đường hầm ảo. Ứng dụng 2 : MPLS trên mạng ATM VC Trong các mạng truyền thống, việc định tuyến IP được triển khai thông qua mạng ATM bằng cách tạo các mạch ảo thường trực (Permanent virtual circuits – PVC) giữa các máy chủ IP. Kiểu thiết kế mạng này có thể rất nhanh chóng trở nên phức tạp khi có nhiều máy chủ được thêm vào mạng. Bất cứ một máy chủ nào được thêm vào mạng cũng cần phải có N(N-1)/2 (với N là tổng số điểm) PVC được tạo ra để cung cấp một mạng lưới đầy đủ đến tất cả các điểm. Hình 1.12 chỉ ra rằng nếu một nhà cung cấp muốn một mạng có 4 định tuyến, họ phải tạo ra 6 PVC để duy trì mạng lưới đầy đủ. Nếu 4 đính tuyến nữa được thêm vào, cần thêm mười bốn PVC nữa - tổng là hai mươi - để duy trì mạng lưới đầy đủ. Cùng với MPLS, các gói tin IP có thể được định tuyến trực tiếp thông qua liên kết, hạn chế việc định nghĩa tường minh các PVC được xây dựng cho mỗi cặp điểm. Các NHLFE các thể được cung cấp bởi giao thức mạng-đến- mạng riêng (Private network-to-network - PNN) hoặc IGP lựa chọn. Điều này đơn giản hoá đáng kể các triển khai MPLS trên một môi trường ATM, cũng như cung cấp một sự chuyển đổi đơn giản sang MPLS trong nhân của các mạng ATM đang tồn tại Hình 1.12: IP over ATM với vấn đề N(N-1)/2 32 Hình 1.13: MPLS trên các mạng ATM đã tồn tại Một lợi ích nữa của triển khai MPLS trên mạng ATM đang tồn tại là nó không yêu cầu mọi thiết bị trên miên MPLS phải là LER hay LSR. MPLS có thể được triển khai trên cùng một mạng là các giao thức Lớp 2 chuẩn, cũng được biết như “ships-in-the-night”. Nó cũng không yêu cầu thêm các cấu hình trên các chuyển mạch không-MPLS. Điều này cho phép thêm sự tự do trong thiết kế và chuyển đổi sang MPLS các hạ tầng mạng đang tồn tại. Hơn nữa, các chuyển mạch ATM cung cấp các chức năng đa dịch vụ có thể tiếp tục cung cấp dịch vụ ATM/FR thường dùng trong khi đang chuyển đổi sang môi trường MPLS. MPLS CoS cũng có thể được sử dụng để triển khai các chức năng QoS của ATM., cho phép các nhà cung cấp đưa ra một cách đáng tin cậy các dịch vụ âm thanh và hình ảnh cũng như chuyển dữ liệu truyền thống. Hình 1.14 trình bày làm thế nào việc truyền/nhận dữ liệu âm thanh và hình ảnh có thể được gắn với một CoS cụ thể và sau đó được ánh xạ như một truyền/nhận ATM CBR. Truyền/nhận dữ liệu có thể được gán đến CoS cố gắng tối đa mặc định (thường là mức 0) và được ánh xạ đến tốc độ bit không đặc tả, bởi vì nó được truyền trên mạng ATM đến điểm cuối của nó. Những chức năng này có nhu cầu rất lớn khi các công ty chuyển từ mạng điện thoại chuyển mạch công cộng (PSTN) tuyền thống sang Voice over IP (VoIP) và khi có thêm nhiều ứng dụng Multimedia được triển khai trên Internet. Hình 1.14: Ánh xạ MPLS/ATM QoS Các ứng dụng trong tương lai Khi chúng ta kết thúc việc thử nghiệm các ứng dụng MPLS hiện tại, chúng ta có thể bắt đầu nhìn thấy các ứng dụng MPLS mới, đầu tiên là chuyển mạch nhãn suy rộng (GMPLS) (trước đây được biết với tên gọi Chuyển mạch Lamda đa giao thức 33 MPLambdaS). Khi cấp độ các mạng truyền dẫn tăng cả về kích thước lần độ phụ thuộc, chúng cần phải được trải phẳng ra. Khả năng gộp các mạng Lớp 1, 2 và 3 vào một nền tảng ngày càng trở nên hiện hữu. MPLS cung cấp khả năng chuyển vận động trên mọi giao thức Lớp 2 và 3 thông qua mạng MPLS. GMLPS là sự tiến triển tiếp theo, cho phép các nhà cung cấp dịch vụ tạo ra sự mềm dẻo của MPLS và áp dụng nó vào cơ cấu quang học (và một bộ kết hợp chia độ dài bước song cụ thể). Tổng quan cơ bản của công nghệ này như sau: thay vì một LER gán một nhãn đến một phân đoạn cụ thể của tuyến LSP từ các cơ sở dữ liệu thông tin nhãn của nó, kết nối thông qua quang học (Optical Cross Connect – OXC) sẽ trực hiện như một LER GMPLS. LER GMPLS sẽ gán một bước sóng (λ lambda) riêng biệt (tham khảo như một màu hay độ dài bước sóng) đến một phân đoạn cụ thể từ thông tin chuyển tiếp bước sóng của nó. Một trong những điều cho phép công nghệ này có thể mở rộng trên Internet là là khả năng của GMPLS cung cấp các đường dẫn quang học sử dụng các công nghệ được nhúng trong MPLS cho TE và các mở rộng ISIS/OSPF. Công nghệ này hiện nay đặc biệt thích hợp với các Lớp 2 và 3 trên MPLS. Khi các giao thức hoạt động trên tất cả các lớp của mô hình OSI trở thành tương tự nhau, nếu không nói là một, các vấn đền về độ phức tạp của mạng do sử dụng nhiều giao thức trong quá khứ sẽ bắt đầu biến mất. Một cách tiếp cận khác để giải quyết vấn đề này là sử dụng mạng Ethernet thông qua cáp quang. Trong khi giải pháp này là ổn định trong mạng LAN và MAN thì tính khả thi của nó trên mạng WAN lại bị giới hạn. Đường truyền và các thành phần tham gia WAN khác đang tìm kiếm thêm các chức năng mới ngoài các chức năng mà Ethernet truyền thống mang lại. Tính năng sẵn sàng cho xử lý đường hầm của MPLS, cũng như việc “ấn vào và lấy ra” đa Lớp – kết hợp với điều khiển CoS chứa trong các Lớp mức cao hơn – cho phép nó có thể cung cấp một hạt nhân không quá sức. MPLS, đặc biệt là các ứng dụng trong lĩnh vực quang học (thông qua GMPLS), tạo ra một giao thức chưa từng nghe thấy cho đến nay. Công nghệ được trang bị GMPLS là các hệ thống cơ khí vi điện tử (MEMS). Khả năng sử dụng các vi gương để định hướng lại các bước sóng mở ra khả năng bùng nổ băng thông[14]. 34 CHƯƠNG 2: CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC 2.1. Vấn đề Chất lượng dịch vụ (QoS) Ngày nay chúng ta dùng mạng Internet hằng ngày, trong công việc, học tập cũng như giải trí. Hãy tưởng tượng chuyện gì sẽ sảy ra nếu bạn nhận một e-mail mà có những chữ cái bị mất đi hoặc gặp lỗi mà bạn không thể đọc được. Bạn sẽ không tin tưởng và sử dụng dịch vụ e-mail nữa, xa hơn những dịch vụ khác trên Internet, nếu chúng không đảm bảo về mặt chất lượng dịch vụ thì sẽ không có người nào dùng. Chính vì thế các nhà cung cấp dịch vụ phải đưa ra những giải pháp để đảm bảo chất lượng dịch vụ[10]. 2.1.1. Chất lượng dịch vụ là gì ? QoS (Quality of Service) là việc xác định toàn bộ chất lượng dịch vụ dựa trên những thông số chính nào đó. Ví dụ khi chúng ta thực hiện một cuộc gọi cho người khác, chúng ta mong đợi rằng cuộc nói chuyện đó sẽ rõ ràng không bị ồn bởi đường truyền, ổn định và không có trễ hoặc thông báo cho ta khi đường truyền đang bận. Chính vì vậy, toàn bộ hệ thống mạng đòi hỏi cần có QoS một cách thực sự có hiệu quả. Chất lượng dịch vụ trên hệ thống truyền thông được hiểu là khả năng quản lý một cách thông minh lưu thông mạng để đảm bảo sự ổn định và khả năng dự báo trước tốc độ phục vụ của mạng. Cơ cấu QoS cho phép: - Thiếp lập các ưu tiên về lưu lượng mạng. - Quản lý băng thông có sẵn cho lưu thông trên mạng. Ý tưởng về QoS xuất phát từ các giao thức mạng nguyên thuỷ, những giao thức xử lý tất cả các lưu thông trên mạng Internet hay trên mạng LAN theo cùng một cách. Nếu không có QoS, những kiểu lưu thông khác nhau là tương đương nhau, giống như việc sẽ cùng bị đứt đoạn nếu một đường liên kết bị vượt ngưỡng đáp ứng. Với QoS, các kiểu lưu thông khác nhau có thể có mức độ ưu tiên xử lý khác nhau. 2.1.2. Những lợi ích của QoS Những năm gần đây, thế giới đã chứng kiến sự phát triển nhanh chóng của tốc độ lưu thông mạng máy tính. Những nhà quản trị mạng phải đáp ứng sự tăng các nhu cầu bằng cách gia tăng dung lượng một cách liên tục. Tuy thế, các khách hàng sử dụng mạng thường vẫn không hài lòng về tốc độ thực hiện cuả mạng, việc tăng trưởng của những ứng dụng đa phương tiện ngốn tài nguyên sẽ làm trầm trọng thêm tình trạng này. Các cơ chế QoS cung cấp một tập các công cụ cho phép người quản trị mạng quản lý tài nguyên mạng một cách hiệu quả và trong tầm kiểm soát. Chúng sẽ có hiệu quả khi cung cấp những dịch vụ được cải thiện cho người sử dụng. Mặt khác QoS có 35 thể giúp cải thiện dịch vụ cho người sử dụng mạng trong khi vẫn giảm được giá thành cung cấp các dịch vụ đó. Theo truyền thống nếu một mạng làm việc không có QoS thì giải pháp để giải quyết các tắc nghẽn trong mạng đòi hỏi một lượng băng thông lớn. Điều này là không khả thi đối với các nhà cung cấp dịch vụ (IPS) và các nhà kinh doanh mạng khác về giá thành cũng như tính hiệu quả của nó. Vì thế yêu cầu phải cung cấp chất lượng dịch vụ QoS là rất cần thiết. Bảng trạng thái dưới đây thể hiện một số vấn đề thường gặp đối với mạng không hỗ trợ QoS. Bảng 2.1: Một số vấn đề gặp phải khi mạng không hỗ trợ QoS Dạng lưu lượng Vấn đề khi mạng không hỗ trợ Qos Thoại - Tiếng nói truyền trên mạng thường khó hiểu - Bị ngắt quảng, âm thanh không trong suốt - Trễ truyền làm các cuộc đối thoại khó khăn hơn, khi đầu dây bên này đã kết thúc nhưng đầu bên kia vẫn không hay biết - Hoặc các cuộc gọi sẽ không kết nối được Video - Hình ảnh không ổn định - Âm thanh không đồng bộ với hình ảnh - Các hình động luôn bị “đóng băng” Dữ liệu (data) - Tốc độ truyền dữ liệu chậm - Mất dữ liệu khi đang truyền Sau đây là một vài ví dụ về lợi ích nhận được khi triển khai QoS : Cải thiện tốc độ thực hiện với các ứng dụng “mission-critical” trên các liên kết WAN Các ứng dụng như SAP hay PeopleSoft thường được sử dụng để cung cấp các dịch vụ “mission-critical” trên mạng intranet lớn (các dịch vụ trực tuyến). Những liên kết này đặc biệt dễ bị tắc nghẽn, kết quả là đáp ứng của ứng dụng trở nên chậm chạp hoặc các phiên làm việc bị timeout dẫn tới giá thành của dịch vụ tăng. QoS cho phép những nhà quản trị mạng được ưu tiên các lưu thông như thế, làm cho chúng trở thành miễn dịch với các tắc nghẽn trên các đường liên kết WAN. Biện pháp QoS tương tự như việc cung cấp các làn đượng vận chuyển trên xa lộ xe buýt. Các lưu thông “mission- critical” được hướng thẳng đến các “làn đường” này. 36 Điều khiển việc tranh chấp của các lưu thông Đa phương tiện trên mạng. Các ứng dụng định luồng đa phương tiện như Windows MediaTM Technologies, phần mềm hội thảo NetMeeting®, RealAudio và các ứng dụng dựa trân TAPI 3.0 đang ngày càng phổ biến với người sử dụng mạng. Chúng thường tạo ra các khối lượng lớn các lưu thông UDP. Những lưu thông này không phù hợp với mạng lưới với nghĩa là chúng không có khả năng tự xử lý khi đối mặt với vấn đề tắc ngẽn mạng. Vì những tranh chấp tài nguyên mạng tiềm tàng của dạng lưu thông này, người quản trị mạng sẽ bị giới hạn khả năng triển khai các ứng dụng đa phương tiện trên mạng của họ. Cơ chế QoS cho phép người quản trị mạng có thể điều khiển các tranh chấp của các ứng dụng đó. Cho phép Đa phương tiện Trong trường hợp kể trên, chúng ta đã đề cập đến việc điều khiển các tranh chấp của các ứng dụng định luồng đa phương tiện mà không quan tâm đến dịch vị cung cấp thực sự các ứng dụng đa phương tiện. QoS có thể được áp dụng để duy trì thực sự một chất lượng dịch vụ cụ thể cho một ứng dụng đa phương tiện nào đó. QoS trong trường hợp này cho phép sự hội tụ thực sự giữa đa phương tiện và các mạng dữ liệu. Lợi ích của sự hội tụ như thế bao gồm mạng điện thoại IP có chất lượng chấp nhận được với sự tiếp kiệm chi phí tương xứng. 2.2. Các đặc tính QoS Mặc dù chất lượng dịch vụ QoS chưa phải là giải pháp toàn vẹn nhưng nó ra đời nhằm giải quyết các vấn đề về lưu lượng và chất lượng mạng. Chất lượng dịch vụ thường được đánh giá bằng các thông số sau: - Băng thông - Độ trễ - Độ rung pha - Khả năng mất gói 2.2.1. Băng thông (bandwidth) Băng thông là tỉ lệ bit trên mỗi giây để phân phối dữ liệu đi trong mạng. Trong một số trường hợp, băng thông còn được hiểu là tốc độ đường kết nối vật lý hay là xung đồng hồ (clock rate) của mỗi giao diện mạng. Ví dụ như các kết nối điểm - điểm trong mạng WAN thì băng thông 64kbps chính là tốc độ của đường kết nối vật lý. Nhưng đối với các kết nối trong mạng Frame relay hay ATM thì băng thông là tốc độ cam kết (CIR) giữa nhà cung cấp dịch vụ với khách hàng, băng thông này có thể lớn hơn tốc độ cam kết khi lưu lượng trong mạng cho phép. 37 2.2.2. Độ trễ (delay) Các mạng hiện nay thường tồn tại các loại trễ sau đây:  Trễ môi trường truyền (propagation): là thời gian để chuyển gói đi, thời gian này thường phụ thuộc vào băng thông của giao tiếp  Trễ xử lý và xếp hàng: đây là hai loại trễ tồn tại trong mỗi router  Trễ xử lý: là thời gian để một router lấy gói tin từ interface vào và đặt nó vào hàng đợi. Độ trễ sẽ phụ thuộc vào các yếu tố sau: - Tốc độ xử lý của CPU. - Khả năng xử dụng của CPU. - Mode chuyển mạch IP được sử dụng. - Cấu trúc của router. - Các đặc tính cấu hình trên các giao tiếp vào/ra.  Trễ xếp hàng: khoảng thời gian gói nằm trên hàng đợi của router. Thời gian này phụ thuộc vào số lượng cũng như kích thước của các gói đang có trên hàng đợi và trên băng thông của interface. Đồng thời thông số này cũng phụ thuộc vào cơ chế xếp hàng gói tin. 2.2.3. Độ trượt (Jitter) Khái niệm độ trượt và độ trễ thường liên quan đến nhau. Một gói tin trong mạng với các thành phần độ trễ thay đổi thì luôn tồn tại độ trượt. Vậy khi độ trượt xảy ra thì có làm giảm đến chất lượng dịch vụ hay không?. Đối với các ứng dụng dữ liệu thì độ trượt không làm giảm chất lượng là bao nhưng một số dạng lưu lượng khác như thoại được số hóa đòi hỏi các gói tin phải được truyền nhất quán tức là khoảng cách giữa các gói tin là đồng bộ. Dạng lưu lượng này còn gọi là lưu lượng đẳng thời (isochronous traffic). Dưới đây là một ví dụ để thấy rõ hơn về độ trượt. Hình 2.1: Ví dụ về độ trượt 38 Xét 3 gói tin thoại đi từ máy 201 đến 301, thời gian truyền của mỗi gói tin là 20ms. Nhưng khi đi đến máy 301 thì gói tin thứ 3 thời gian truyền đã tăng lên 30ms, vậy 10ms chính là độ trượt của gói. 2.2.4. Mất gói (loss) Mất gói là một thông số quan trọng trong chất lượng dịch vụ, khi tỉ lệ mất gói xảy ra trong mạng quá lớn thì cần phải có biện pháp để khắc phục. Ví dụ như trường sửa lỗi FCS (Frame Check Sequence) sẽ kiểm tra các khung bị lỗi khi truyền trong mạng. Các công cụ của QoS có thể làm giảm mất gói tin khi các hàng đợi quá đầy. Ở các mạng hiện nay, số các gói tin bị mất do tỉ lệ lỗi bit là rất ít (tỉ lệ bit lỗi BER 10-9 là có thể chấp nhận) đa số các gói tin bị mất là do bộ đệm và các hàng đợi quá tải. Do đó việc khắc phục tình trạng mất gói trong mạng là cần thiết. Hình 2.2: Mất gói trong mạng 2.2.5. Hoạt động của QoS Các ứng dụng tạo ra lưu thông với một loạt các tốc độ và thường yêu cầu các mạng có thể truyền dẫn các lưu thông với tốc độ mà chúng tạo ra. Hơn nữa, các ứng dụng có thể là thích ứng hoặc kém thích ứng với sự trễ lưu thông trên mạng cũng như sự biến đổi của độ trễ đó. Một ứng dụng nào đó có thể thích ứng được với một vài mất mát lưu thông, trong khi đó số khác lại không. Nếu tài nguyên mạng là vô hạn, toàn bộ các lưu thông của tất cả các ứng dụng có thể được truyền tại tốc độ mà ứng dụng yêu cầu, không trễ, không mất gói tin. Tuy nhiên, tài nguyên mạng lại chỉ có hạn. Kết quả là tồn tại những khu vực trên mạng mà tại đó tài nguyên không thể đáp ứng được nhu cầu. Các mạng được xây dựng bằng cách kết nối các thiết bị mạng như các chuyển mạch và định tuyến. Chúng chuyển tiếp các lưu thông qua chúng bằng cách sử dụng các giao diện. Nếu tốc độ một lưu thông đến tại một giao diện vượt quá tốc độ mà giao diện đó có thể chuyển tiếp đến thiết bị tiếp theo, sự tắc nghẽn sẽ xẩy ra. Vì thế, dung lượng của một giao diện chuyển tiếp lưu thông là một tài nguyên mạng cơ bản. Cơ chế QoS làm IP Forwarding IP IP Tail-drop IP IP 39 việc bằng cách phân phối tài nguyên đó ưu tiên một lưu thông nào đó hơn các lưu thông khác. Để làm được điều này, nó trước hết cần phải định danh các lưu thông khác nhau. Lưu thông đến các thiết bị mạng được chia thành các luồng (flow) thông qua quá trình phân loại gói tin. Lưu thông từ mỗi luồng sau đó được dẫn đến các hàng đợi tương ứng trên giao diện chuyển tiếp. Các hàng đợi trên mỗi giao diện được phục vụ theo một vài thuật toán. Thuật toán phục vụ hàng đợi quyết định tốc độ lưu thông trên mỗi hàng đợi được chuyển tiếp đi, bằng cách đó sẽ quyết định tài nguyên phân phối cho mỗi hàng đợi và cho các luồng tương ứng. Vì vậy, để cung cấp QoS mạng, cần phải cung cấp hoặc định nghĩa các thiết bị mạng như sau : - Thông tin phân loại nhờ các thiết bị đã phân chia lưu thông vào các luồng. - Các hàng đợi và các thuật toán phục vụ hàng đợi sẽ xử lý lưu thông từ các luồng phân biệt. Ta gọi chung cả hai là cơ chế xử lý lưu thông. Nếu để riêng rẽ, các Cơ chế xử lý lưu thông không có ý nghĩa thực tiễn. Chúng cần phải được cung cấp và thiết lập qua nhiều thiết bị trong một cách kết hợp cung cấp các dịch vụ điểm-điểm thực tế trên mạng. Vì vậy, để cung cấp được các dịch vụ thực tế, cần cả các Cơ chế Xử lý lưu thông lẫn các Cơ chế cung cấp và thiết lập chúng[2]. 2.3. Các công nghệ QoS Phần này sẽ giới thiệu các cơ cấu xử lý lưu thông và các cơ chế cung cấp và thiết lập quan trọng được sử dụng để cung cấp QoS. 2.3.1. Cơ chế Xử lý Lưu thông Có nhiều cơ chế xử lý lưu thông đang tồn tại. Phần này sẽ tập trung vào một vài cơ chế cơ bản, bao gồm differentiated services (diffserv), 802.1p, integrated services (intserv), ATM, và ISSLOW. Chú ý rằng các cơ chế xử lý lưu thông có thể được phân thành các cơ chế tầng-giao-tiếp và các cơ chế kết hợp. Các cơ chế tầng-giao-tiếp thao tác mỗi một luồng lưu thông một cách riêng rẽ trong khi các cơ chế kết hợp nhóm nhiều luồng lưu thông vào một lớp kết hợp đơn. Sự khác biệt cũng tương tự như việc xử lý các hành khách đi máy bay. Theo chuẩn, các hành được “đánh dấu” là hạng nhất, hạng thương gia hay hạng thường. Tất cả các hành khách ở cùng một hạng sẽ được sử lý giống nhau. Đó là xử lý kết hợp. Xử lý tầng-giao-tiếp tương tự như cung cấp máy bay riêng cho từng hành khách – sang trọng nhưng đắt đỏ. 40 Differentiated Services (Diffserv) Diffserv là một cơ chế xử lý lưu thông kiểu kết hợp, phù hợp cho việc sử dụng trong một mạng định tuyến lớn. Những mạng này lưu chuyển hàng ngàn giao dịch. Vì thế chúng không thích hợp với xử lý lưu thông dựa trên tầng-giao-tiếp. Diffserv định nghĩa một trường trong mào đầu IP, được gọi là điểm mã hoá diffserv (Difserv Codepoint - DSCP). Các máy chủ và các định tuyến gửi lưu thông vào mạng sử dụng difserv sẽ đánh dấu lên mỗi gói tin truyền đi một giá trị DSCP. Các định tuyến trong mạng diffserv sử dụng DSCP để phân loại các gói tin và áp dụng phương pháp xếp hàng cụ thể dựa vào kết quả phân loại. Lưu thông từ nhiều luồng có yêu cầu QoS tương tự sẽ được đánh dấu bằng cùng một giá trị DSCP, sau đó được kết hợp các luồng vào cùng một hàng đợi chung hay phương pháp định thời chung. 802.1p 802.1p là một cơ chế xử lý lưu thông kiểu kết hợp phù hợp với nhiều mạng cục bộ LAN. Nó định nghĩa một trường trong mào đầu truy nhập môi trường truyền (Media Access - MAC) của gói tin Ethernet, trong đó có thể lưu trữ 1 trong 8 mức ưu tiên. Các máy chủ và định tuyến đánh dấu mỗi gói tin truyền đi bằng một giá trị ưu tiên thích hợp. Các thiết bị mạng LAN, như chuyển mạch, cầu, hay hub sẽ xử lý các gói tin tương ứng với giá trị ưu tiên đó, phạm vi giá trị ưu tiên giới hạn trong mạng LAN. Intergrated Services (Intserv) Intserv là một khuôn khổ để định nghĩa các dịch vụ. Như thế, nó bao hàm một tập cơ chế xử lý lưu thông hoạt động dưới nền. Các dịch vụ Intserv về mặt chuẩn thường được áp dụng cho các cơ sở tầng-giao-tiếp. Intserv thường được kết hợp với giao thức tín hiệu RSVP, tuy nhiên không phải là bắt buộc. ATM, ISSLOW và các cơ chế khác ATM là một công nghệ lớp liên kết cung cấp việc xử lý lưu thông chất lượng cao. ATM chia các gói tin vào các ô (cell) lớp liên kết, chúng sau đó sẽ được xếp hàng và phục vụ sử dụng thuật toán phục vụ hàng đợi tương tự ISSLOW là một kỹ thuật phân mảnh chia các gói tin IP khi chúng được truyền qua các liên kết tốc độ chậm như các modem quay số. Khi tín hiệu audio và dữ liệu đuợc kết hợp trên các liên kết này, độ trễ của có thể có ý nghĩa, làm giảm tính khả dụng của ứng dụng. ISSLOW có thể được sử dụng để giảm độ trễ audio trong các ứng dụng này. Các cơ chế xử lý lưu thông được định nghĩa cho một vài dạng đường truyền, bao gồm các modem cáp, cáp đồng trục quang kết hợp (HFC), P134, v..v... Chúng có thể sử dụng các cơ chế tín hiệu lớp liên kết như ATM chẳng hạn. 41 2.3.2. Các cơ chế cung cấp và thiết lập Để đạt được hiệu quả việc cung cấp QoS mạng, cần thiết phải cung cấp và thiết lập một cách hiệu quả các cơ chế xử lý lưu lượng được mô tả trên đây, thông qua nhiều thiết bị mạng. Các cơ chế cung cấp và thiết lập có thể được chia thành loại trên-xuống và tín hiệu. Cung cấp trên-xuống Trong cơ chế Cung cấp trên-xuống, một hệ thống quản trị mạng được sử dụng để đẩy các thiết lập xử lý lưu thông vào các thiết bị mạng. Về mặt chính tắc, các cơ chế xếp hàng được thiết lập trên các giao diện thiết bị. Sau đó các luật phân loại được thiết lập để quyết định các gói tin nào được chuyển thẳng đến các hàng đợi khác nhau trong thiết bị. Các luật phân loại có thể phân loại các gói tin dựa vào bộ 5 giá trị định danh của IP (IP 5-tuple - địa chỉ và cổng IP nguồn và đích và giao thức IP). Các 5-tuple được đặt mặt nạ được sử dụng. Luật phân loại có thể đặc tả chỉ một tập con của IP- tuple, như kiểu “tất cả các gói tin có địa chỉ IP nguồn là 2.2.2.X” ở đây “X” có thể là bất cứ giá trị nào. Nếu DSCP hoặc 802.1p được sử dụng như luật phân loại gói tin thì cần thiết phải “đánh dấu” các dấu DSCP hoặc 802.1p trong các gói tin tại một vài nơi tải lên của thiết bị phân loại. Điều này có thể thực hiện bởi các máy chủ hoặc các thiết bị mạng nằm gần sườn của mạng. Trong các trường hợp sau, việc các thiết bị mạng đánh dấu sẽ được thiết lập để việc đánh dấu dựa vào luật phân loại của giá trị 5-tuple của chính chúng (hoặc một vài tập con của chúng). Những thách thức của cung cấp trên-xuống: việc quyết định luật phân loại tương ứng để sử dụng có thể là một thách thức. Những người quản trị mạng muốn sử dụng QoS để gắn tài nguyên cho lưu thông của một ứng dụng hay người sử dụng cụ thể chứ không phải các trường trong các mào đầu gói tin như địa chỉ hay cổng IP. Các hệ thống Cung cấp trên-xuống cố gắng hỗ trợ người quản trị bằng cách tạo các ràng buộc giữa các ứng dụng và các cổng IP và giữa người sử dụng và địa chỉ IP. Thật không may, chúng thường không đáng tin cậy. Các ứng dụng có thể sử dụng các cổng chuyển tiếp hoặc có thể tạo ra nhiều luồng lưu thông (yêu cầu QoS khác nhau) trên cùng một cổng. Các địa chỉ IP của người sử dụng có thể thay đổi do sử dụng DHCP. Các máy phụ vụ cho nhiều người sử dụng có thể sử dụng cung một địa chỉ IP cho nhiều người sử dụng. Việc mã hóa IPSec có thể mã hóa các cổng IP, làm cho chúng không thể sử dụng cho các luật phân loại. Một thách thức thêm nữa trong cung cấp trên-xuống là sự tiên đoán trước các dung lượng lưu thông tại một loạt các nút trong mạng. Ví dụ, một hệ thống quản lý có thể được sử dụng để thiết lập một hàng đợi độ trễ thấp tại mỗi thiết bị mạng, với khả năng xử lý 10 phiên làm việc điện thoại IP đồng thời với một vài độ trễ ràng buộc. Luật phân loại sau đó được thiết lập tại mỗi một thiết bị để hướng thẳng lưu lượng điện 42 thoại đến các hàng đợi có độ trễ thấp. Điều này kéo dài trong 10 phiên làm việc. Tuy nhiên, nếu phiên thứ 11 được thiết lập đi qua một trong những thiết bị đã được thiết lập, nó sẽ gây tắc nghẽn một hàng đợi độ trễ thấp, gây ra một độ trễ lớn hơn ràng buộc thiết lập. Kết quả là dịch vụ sẽ bao gồm không chỉ phiên thứ 11 mà cả 10 phiên đang tồn tại. RSVP Signaling như một cơ chế thiết lập RSVP Signaling có thể được sử dụng để bổ xung cho các cơ chế cung cấp trên-xuống. Trong trường hợp này, các máy chủ phát ra các thông điệp tín hiệu (signaling message) mô tả lưu lượng tổng dữ liệu tích hợp với một giao dịch cụ thể. Các thông điệp này đi theo cùng một tuyến với lưu thông dữ liệu trên mạng. Các thông điệp RSVP cung cấp các thông tin sau cho mạng :  Tôi là cái gì – Ứng dụng gốc và tiểu luồng (như luồng in là một giao dịch không đòi hỏi thời gian)  Tôi là ai - Định danh đã được xác thực của người sử dụng.  Tôi muốn gì - Kiểu dịch vụ QoS cần.  Tôi muốn bao nhiêu – Các ứng dụng cụ thể định luợng yêu cầu tài nguyên của nó.  Tôi có thể được nhận ra bằng cách nào – Luật phân loại 5-tuple, cái mà nhờ nó lưu thông dữ liệu có thể được nhận ra.  Những tài nguyên thiết bị mạng sẽ bị tác động bởi lưu thông dữ liệu kết hợp. Những tín hiệu dựa vào máy chủ như thế mang lại những lợi ích có ý nghĩa cho các hệ thống quản trị QoS. Một lợi ích rõ ràng của tín hiệu dựa trên máy chủ là nó cung cấp những ràng buộc chặt chẽ giữa các thông tin phân loại và người sử dụng cũng như các ứng dụng. Dựa vào đó, tín hiệu dựa vào máy chủ mang lại việc điều khiển thu nạp động không phụ thuộc vào kiến trúc. Chức năng này là chìa khóa để giải quyết “phiên điện thoại thứ 11” mô tả ở trên. RSVP signaling chuyển một thông điệp quan tâm đến các tài nguyên yêu cầu đến các thiết bị dọc theo tuyến dữ liệu. Vì thế, các thiết bị cung cấp RSVP có thể đánh giá động tác động mà lưu thông dữ liệu tích hợp với nó có thể có tài nguyên của nó và cảnh báo các thiết bị tải lên khi chúng không có tài nguyên để giải quyết thêm các luồng lưu thông. Trong trường hợp “phiên điện thoại thứ 11”, thiết bị mạng sẽ từ chối sự thu nạp luồng lưu thông thứ 11 vào hàng đợi có độ trễ thấp, vì thế sẽ bảo vệ 10 phiên làm việc đang tồn tại. Điều quan trong là phải chú ý rằng sự phát tín hiệu dựa vào máy chủ sẽ không phá vỡ sự điều khiển của người quản trị mạng trên tài nguyên mạng. Nó chỉ đơn thuần cung cấp cho mạng những thông tin có thể được sử dụng để đơn giản hóa việc quản lý tài nguyên mạng. 43 2.3.3. Chất lượng Lưu thông điện thoại được đặc trưng hóa bằng nhu cầu. Nó có các yêu cầu có thể định lượng và giá trị của chúng phụ thuộc vào độ nghiêm ngặt mà các yêu cầu đó cần phải thỏa mãn. Các đảm bảo chất lượng cao về mặt chính tắc được yêu cầu bởi các ứng dụng đa phương tiện. Không phải tất cả các ứng dụng đều yêu cầu sự bảo đảm chất lượng cao. Ví dụ, các giao dịch cơ sở dữ liệu khách/chủ không thể định lượng chính xác yêu cầu tài nguyên của chúng và như thế, không thể trông chờ những bảo đảm có thể định lượng. Những ứng dụng này có thể tạo được lợi ích từ những bảo đảm chất lượng thấp hơn mà nó hứa hẹn giảm độ trễ mà không cung cấp ràng buộc độ trễ nghiêm ngặt. Một cách cung cấp các bảo đảm chất lượng cao là cung cấp vượt một số lượng đáng kể yêu cầu trên mạng. Ví dụ, nếu các thiết bị mạng được mô tả trong ví dụ về điện thoại IP được cung cấp để hỗ trợ toàn bộ các phiên làm việc tiềm tàng, vấn đề “phiên điện thoại thứ 11” có thể được bỏ qua. Tuy nhiên, nếu có 1000 phiên làm việc tiềm tàng nhưng trung bình chỉ có 10 phiên đồng thời, sẽ cần thiết phải cung ứng vượt mức thiết bị mạng, vào khoảng 100 để hỗ trợ sự bảo đảm chất lượng cao. Điều này rõ ràng là sự sử dụng không hiệu quả nguồn tài nguyên mạng. Về mặt tổng quát, không thể tồn tại đồng thời cả khả năng cung cấp bảo đảm chất lượng cao của mạng lẫn tính hiệu quả của những nguồn tài nguyên mạng có thể sử dụng. Ta nói rằng một mạng có thể được đặc trưng bằng thuộc tính sản phẩm hiệu quả hoặc chất lượng (quality/efficiency product - QE product). Cung cấp các bảo đảm chất lượng cao hơn sẽ yêu cầu một sự thỏa hiệp giữa tính hiệu quả và ngược lại. Một cơ chế thay thế cung cấp sự bảo đảm chất lượng cao là triển khai RSVP signaling, như đã mô tả ở trên. Bằng cách sử dụng RSVP signaling, các thiết bị có thể được cung cấp cho các tải trọng dự tính trung bình. Trong trường hợp không may là tải trọng vượt quá sự dự đoán, các phiên thêm sẽ bị từ chối, nhưng tính toàn vẹn của bảo đảm chất lượng cung cấp cho các phiên đang tồn tại sẽ được duy trì. Hiệu quả là, bằng cách triển khai RSVP signaling, ta có thể tạo ra QE product của mạng, cung cấp đồng thời sử bảo đảm chất lượng cao và sử dụng tài nguyên mạng hiệu quả hơn. Nhìn chung, cơ chế QoS càng tinh vi thì càng tạo ra thêm QE product của mạng cụ thể. Điều này có vẻ sẽ kéo theo việc tất cả các thiết bị mạng nên được triển khai những cơ chế QoS tinh vi nhất có thể. Tuy nhiên, các cơ chế QoS thường được cung cấp với giá thành rất đắt, chủ yếu là chi phí cho chính bản thân cơ chế QoS. 2.4. Chất lượng dịch vụ trong MPLS Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng. Kỹ thuật lưu lượng là thao tác trên lưu lượng để phù hợp với mạng. Dù có cố gắng đến đâu thì lưu 44 lượng mạng cũng không bao giờ được đáp ứng hoàn toàn (100%) so với dự tính. Giữa thập niên 90 sự tăng trưởng lưu lượng vượt quá mọi dự tính và không thể nâng cấp mạng kịp thời được. Đôi khi một sự kiện nổi bật (sự kiện thể thao, vụ bê bối chính trị, một trang web phổ biến,…) làm đầy lưu lượng trên mạng, điều này không thể tính toán trước được. Do đó có thể tại một nơi nhu cầu băng thông quá nhiều nhưng đồng thời có các đường liên kết khác chưa được sử dụng. Kỹ thuật lưu lượng là một “nghệ thuật” chuyển lưu lượng từ các liên kết bị đầy sang các liên kết rỗi. Kỹ thuật lưu lượng có thể được bổ sung: IP metric trên giao tiếp, chạy một mắt lưới ATM PVC và xác định lại đường PVC dựa trên yêu cầu về lưu lượng đi qua nó. Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS nhằm đạt đến kỹ thuật điều khiển lưu lượng hướng kết nối tốt nhất và kết hợp với định tuyến IP. 2.4.1. Kỹ thuật lưu lượng trước MPLS Ta sẽ xem xét các kỹ thuật lưu lượng của IP và ATM: Kỹ thuật lưu lượng IP thì phổ biến nhưng chất lượng khá kém. Cách điều khiển chủ yếu của IP là thay đổi chi phí trên một liên kết cụ thể. Việc điều khiển lưu lượng chỉ dựa trên một con đường nó sẽ đi tới – không hợp lý. Ngược lại, ATM để bạn thay thế các PVC trên mạng từ nguồn đến đích của sự lưu thông. Nghĩa là đạt được quyền điều khiển tốt hơn trên các luồng lưu lượng. Vài nhà cung cấp dịch vụ (ISP) lớn trên thế giới sử dụng ATM để quản lý lưu lượng trên mạng của họ bằng cách xây dựng mạng lưới đầy đủ các ATM PVC giữa một tập các router, tái định kích thước và vị trí các ATM PVC đó một cách định kỳ dựa trên thông tin lưu lượng do các router cung cấp. 2.4.2. Kỹ thuật lưu lượng với MPLS Có ba điểm khác biệt về kỹ thuật lưu lượng giữa ATM và MPLS: - MPLS TE chuyển tiếp gói; ATM sử dụng tế bào. - ATM yêu cầu mạng lưới đầy đủ các tuyến lân cận; MPLS không cần. - Trong ATM, công nghệ lõi không thể thấy các router trên biên của mạng; MPLS thấy được nhờ các giao thức định tuyến IP quảng cáo thông tin của nó. MPLS TE kết hợp khả năng điều khiển lưu lượng của ATM với sự mềm dẻo của IP và sự khác nhau của các lớp dịch vụ. MPLS cho phép xây dựng các con đường chuyển nhãn (LSP - Label Switch Path) trong mạng để giảm lưu lượng chuyển tiếp. MPLS TE (có thể gọi là đường hầm điều khiển lưu lượng - TE Tunnel) dùng một đường hầm TE điều khiển lưu lượng trên đường đến một đích cụ thể. Phương pháp này mềm dẻo hơn kỹ thuật lưu lượng chuyển tiếp chỉ dựa trên địa chỉ đích. MPLS tránh được flooding O(N2) và O(N3). MPLS TE sử dụng cơ chế gọi là định tuyến động (autoroute) để xây dựng bảng định tuyến bằng MPLS TE LSP mà không cần mạng lưới đầy đủ các tuyến láng giềng. MPLS TE dự trữ băng thông khi xây dựng LSP. Ở đây giới thiệu khái 45 niệm tài nguyên tiêu thụ. Khi LSP được thêm vào mạng chúng có thể tìm ra con đường có băng thông được lưu trữ sẵn. MPLS bắt buộc có sự dự trữ của mặt phẳng điều khiển, nghĩa là nếu một LSR dự trữ 10Mb và gửi đến nó 100Mb trên LSP đó, mạng sẽ thử phân chia 100 Mb đó trừ khi lưu lượng ở nguồn đã bị kỹ thuật QoS ràng buộc. Khi nghiên cứu về kỹ thuật lưu lượng ta quan tâm đến ba vấn đề chính: (1) Sự phân phối thông tin (Information distribution): Cách các bộ định tuyến nhận diện ra mạng và các tài nguyên nào đã sẵn sàng. (2) Tính toán và thiết lập tuyến (Path calculation and setup): Cách các bộ định tuyến quyết định tạo các đường hầm TE, và cách xây dựng và duy trì các đường hầm TE này một cách chính xác. (3) Chuyển tiếp lưu lượng vào một đường hầm (Forwarding traffic down a tunnel): Sau khi đường hầm được xây dựng thì sử dụng nó như thế nào? Sự phân phối thông tin Kỹ thuật lưu lượng trong mạng nhà cung cấp là tập hợp các trung kế lưu lượng (traffic trunk) với các yêu cầu về băng thông và chính sách. Trong đó traffic trunk là tập hợp các dòng lưu lượng đi qua một đường chung trong mạng nhà cung cấp dịch vụ từ đầu này đến đầu kia. Traffic trunk có thể được định tuyến và di chuyển từ đường này sang đường khác. Trong thực tế khái niệm traffic trunk và đường hầm là không tách rời nhau. Do đó thông tin được phân phối để xây dựng đường hầm chuyển mạch nhãn chính là các thuộc tính của traffic trunk. Các thuộc tính đó bao gồm:  Băng thông: Là lượng băng thông dành trước.  Độ ưu tiên: Cho phép ta xác định đường hầm nào quan trọng hơn đường hầm nào. Mỗi đường hầm đều có một độ ưu tiên. Độ ưu tiên có giá trị từ 0 đến 7. Giá trị càng lớn thì độ ưu tiên càng thấp.  Độ ưu tiên thiết lập (setup priority): là giá trị được sử dụng khi đường hầm được thiết lập lần đầu tiên để đường hầm cho biết rằng nó đang chiếm nguồn tài nguyên.  Độ ưu tiên nắm giữ (holding priority): cho biết khả năng giữ nguồn tài nguyên. Giả sử đường hầm A được thành lập đầu tiên, sau đó đường hầm B được thành lập. Đường hầm B sẽ so sánh giá trị ưu tiên thiết lập của nó với giá trị ưu tiên nắm giữ của đường hầm A để có quyết định đúng đắn về nguồn tài nguyên mạng.  Thuộc tính Affinity: các nhà quản trị mạng thường dùng giá trị affinity để thiết lập các chính sách cho lưu lượng. Affinity là giá trị bất kì khi một bit trong trường cờ 32 bit đựơc bật lên. Nó giống như một đồ thị màu sắc, mỗi kết nối có 46 đến 32 màu. Và nhà quản trị sẽ quyết định màu sắc nào dành cho kết nối tuỳ thuộc vào giá trị affinity. Ví dụ, giả sử một đường hầm được sử dụng để vận chuyển lưu lượng có yêu cầu nghiêm ngặt về độ trễ thì nhà quản trị có thể đánh dấu màu sắc bất kì trên các kết nối mà đường hầm đi ngang qua để quy định về điều đó. Màu sắc đó chính là giá trị affinity.  Preemprion: Một số đường hầm có thể có vai trò quan trọng hơn đường hầm khác. Các đường hầm quan trong hơn này sẽ tự do loại bỏ đường hầm khác trên đường đi của chúng khi chúng muốn dành trước băng thông. Đây được gọi là sự chiếm đường hầm.  Metric: MPLS TE sử dụng metric lấy đường đi ngắn nhất cho đường hầm. Khi MPLS TE được cấu hình trên một kết nối, router có thể flood ra hai metric, IGP metric và TE metric. Tính toán và thiết lập tuyến Tính toán đường đi là công đoạn cần thiết phải có để quyết định đường đi nào đường hầm sẽ sử dụng để đi qua mạng. Có hai lựa chọn cho việc tính toán đường đi LSP TE, đó là tính toán offline và tính toán online. Tính toán offline là phương thức trong đó sử dụng các công cụ khác để tính