Sự kết hợp giữa DiffServ và MPLS

Chương 3 Sự kết hợp giữa DiffServ và MPLS ˜{™ 3.1 Giới thiệu MPLS và DiffServ có những điểm khá tương đồng. Cả 2 kiểu đều tập hợp các lưu lượng tại biên và xử lý tại lõi, chúng đều có khả năng mở rộng. MPLS đưa ra một số lợi thế để phục vụ các nhà cung cấp mạng. Tuy nhiên nó không có khả năng cung cấp các cấp độ dịch vụ phân biệt trên cùng 1 luồng lưu lượng. Do đó, MPLS và DiffServ là sự kết hợp hoàn hảo, chúng có thể kết hợp để khai thác điểm mạnh của mỗi công nghệ, đồng thời khắc phục những điểm yếu của nhau. Sự kết hợp giữa MPLS và DiffServ nhằm mục đích lớn nhất là khả thi chất lượng dịch vụ điểm- điểm. 3.2 Sự kết hợp giữa MPLS và DiffServ DiffServ hay MPLS có thể được sử dụng để đưa ra một số dịch vụ với QoS khác nhau. Bất kỳ sơ đồ định tuyến nào có thể được sử dụng trong mạng DiffServ và các cấp độ dịch vụ khác nhau tùy vào mỗi khách hàng, nó phụ thuộc vào các điểm mã (code point) khác nhau được gắn vào các gói tin tại các nút DiffServ. Các mạng MPLS có thể được cấu hình để đưa ra các chất lượng dịch vụ khác nhau đến các đường dẫn khác nhau xuyên suốt qua mạng. Nếu cả hai công nghệ được kết hợp, khi đó các đề xuất dịch vụ DiffServ chuẩn hóa được đưa ra và MPLS có thể dễ dàng điều khiển theo cách mà các dịch vụ này thực thi. Việc điều khiển này có nghĩa là các dịch vụ được đề xuất sẽ được phục vụ theo các thông số QoS đã được định nghĩa trước đó [4] 3.2.1 DiffServ hỗ trợ MPLS MPLS chỉ phục vụ cho các dịch vụ lớp 3 và không định nghĩa một kiến trúc QoS mới. Vì thế DiffServ có thể hỗ trợ cho MPLS bằng cách cung cấp kiến trúc QoS cho các mạng MPLS [4]. MPLS là cơ chế kết nối có hướng, khi được sử dụng trong các mạng đường trục, nó có thể được nâng cấp cho các vấn đề mở rộng, đặc biệt với RSVP-TE. Việc kết hợp MPLS và DiffServ nâng cấp các mạng không đảm bảo điều kiện trên mỗi luồng trong các router lõi. Chỉ có điều kiện trên mỗi LSP mới được đảm bảo. Nếu không sử dụng DiffServ mà sử dung IntServ trong mạng MPLS (khi được đề nghị trong bản dự thảo mới) thì chỉ tốn phí để đảm bảo điều kiện trên mỗi luồng và trên mỗi LSP. Với việc tổ hợp LSP có thể làm giảm số lượng LSP DiffServ có thể cung cấp các dịch vụ khác nhau trên mỗi luồng lưu lượng. Lược đồ lưu lượng hợp nhất của DiffServ không chỉ làm giảm phí tổn điều kiện luồng mà còn tăng khả năng thực thi của MPLS trong việc giảm bớt số nhãn được quản lí. 3.2.2 MPLS hỗ trợ DiffServ Khi các lỗi kết nối xảy ra, đặc tính tái định tuyến nhanh của MPLS có thể hỗ trợ MPLS trong việc đảm bảo chất lượng dịch vụ. Dĩ nhiên việc các đường kết nối bị đứt liên kết thì không xảy ra thường xuyên hàng ngày trong các mạng đường trục MPLS cung cấp kỹ thuật lưu lượng cho DiffServ. Có thể hình dung các đường dẫn khác nhau cho các nhóm PHBs khác nhau, lấn chiếm tài nguyên hay các cấp độ bảo vệ khác nhau cho các PHBs khác nhau….. Khi muốn sử dụng DiffServ trong mạng không đồng nhất về các môi trường lớp kết nối, ví dụ như trong các mạng ATM thì MPLS vẫn là sự lựa chọn hàng đầu. 3.2.3 Các đặc tính khác so với IP DiffServ Khi so sánh với mạng IP DiffServ thì về cơ bản mạng MPLS-DiffServ vẫn không khác gì mấy. Các thành phần chức năng như bảng thỏa thuận điều hòa lưu lượng TCA, PHB vẫn không thay đổi. Các router tại biên vẫn thực hiện các chức năng phân lớp (classification), đánh dấu (marking), chính sách (policing) và định dạng (shaping). Đồng thời các chức năng quản lý bộ đệm cũng như lập lịch gói tin đi trong mạng theo thực thi PHB vẫn giữ nguyên. Điểm khác ở đây chính là cấu trúc của node MPLS và việc chuyển tiếp gói tin , do đó nó kéo theo một số thực thi DiffServ khác so với mạng IP Hình 3.1 Minh họa ánh xạ trường Prec/DSCP đến EXP Các router LSR chuyển tiếp chỉ dựa vào header MPLS và trường mở rộng EXP, do đó LSR không nhìn thấy trực tiếp trường Prec/DSCP trên header IP. Vì thế các thông tin DiffServ phải được chuyển vào trong MPLS header được mô tả như hình 3.1. Vấn đề đặt ra ở đây là trường DSCP là trường 6bit trong khi trường EXP của nhãn chèn MPLS lại chỉ có 3 bit. Làm thế nào để ánh xạ từ DSCP sang EXP? Bảng 3.1 sẽ mô tả việc ánh xạ giữa DSCP và EXP Bảng 3.1 Mô tả việc ánh xạ giữa trường DSCP và EXP 3.2.4 Các dạng đường dẫn LSP trong MPLS-DiffServ MPLS-DiffServ định nghĩa 2 dạng LSP với các đặc tính và cách thức hoạt động khác nhau. Dạng thứ nhất là đường dẫn chuyển mạch nhãn có lớp được suy ra từ trường mở rộng E-LSP (EXP-inferred-class LSP) có thể vận chuyển nhiều lớp lưu lượng đồng thời. Dạng thứ 2 là LSP có lớp được suy ra từ nhãn L-LSP (Label-inferred-class LSP) chỉ vận chuyển duy nhất 1 lớp lưu lượng. Chúng phụ thuộc vào nhiều cơ chế khác nhau để mã hóa, đánh dấu DiffServ cho các gói tin. Các dạng LSP này yêu cầu các cách thức báo hiệu khác nhau và việc mã hóa DSCP cũng khác nhau, đây là 2 lĩnh vực quan trọng làm cho MPLS DiffServ khác với các đặc tính ban đầu. 3.2.4.1 E-LSP MPLS DiffServ định nghĩa E-LSP như một dạng của LSP mà có thể mang nhiều lớp lưu lượng đồng thời. Các router chuyển mạch nhãn LSR sử dụng trường EXP trong header chèn để suy ra PHB mà gói tin yêu cầu. Như hình 3.1 trường EXP chứa 3 bit, do đó một đường E-LSP có thể hỗ trợ 8 lớp dịch vụ, nó có thể mang nhiều hơn nếu các lớp sử dụng nhiều lớp con (ví dụ AF1 có thể sử dụng 2 hay 3 lớp con). Hơn thế nữa, chúng cũng không định nghĩa bất kỳ cấu trúc nào trên trường 3 bit. Các LSR có thể thiết lập E-LSP với việc dự trữ băng thông [7]. Hình 3.2 Ánh xạ giữa IP header với MPLS shim header cho đường E-LSP Hình 3.3 Mạng MPLS sử dụng E-LSP Hình 3.2 biểu diễn một mạng sử dụng các đường E-LSPs. Trong trường hợp này có 2 đường E-LSP giữa 2 node A và D. Mạng hỗ trợ 3 lớp dịch vụ : EF, AF1 và AF2. Đường E-LSP đầu tiên mang lưu lượng EF, đường LSP thứ 2 mang tổng hợp cả 3 lớp dịch vụ. Theo các nguyên tắc của E-LSP, tất cả các node thực thi PHB đều dựa trên giá trị trường EXP của gói tin. Chú ý rằng, một số lưu lượng EF đi theo một đường E-LSP, trong khi một số lại đi theo đường khác. Node A có thể chia nhỏ lưu lượng EF và node C chỉ việc phục vụ lưu lượng EF đó mà không cần phải quan tâm đến việc LSP nào mang lưu lượng EF. MPLS DiffServ định nghĩa các cơ chế báo hiệu ánh xạ cho E-LSP giữa các giá trị EXP và PHBs. Một LSR kết hợp các ánh xạ từ EXP đến PHB cho các nhãn đầu vào và các ánh xạ PHB đến EXP cho các nhãn đầu ra. Việc báo hiệu là ngẫu nhiên và chiếm giữ vị trí khi thiết lập LSP, khi đó việc ánh xạ giữa các giá trị EXP và PHB sẽ được sử dụng 3.2.4.2 L-LSP MPLS DiffServ định nghĩa L-LSP là một dạng LPS mà chỉ có thể vận chuyển duy nhất 1 lớp lưu lượng. Các router LSR suy ra lớp dịch vụ được kết hợp cùng với nhãn của gói tin từ đó xác định chính xác PHB. Các LSR sẽ cập nhật sự kết hợp giữa các nhãn L-LSP và các lớp trong suốt quá trình thiết lập LSP. Việc báo hiệu sẽ chỉ định đường LSP như một L-LSP và định rõ lớp dịch vụ mà L-LSP sẽ vận chuyển. Giống như E-LSP, các LSR sẽ thiết lập L-LSP bởi việc dự trữ băng thông [6] Hình 3.4 Ánh xạ giữa IP header và MPLS shim header cho đường L-LSP Hình 3.4 minh họa một mạng MPLS sử dụng các đường L-LSPs. Trong trường hợp này sẽ có 4 đường L-LSP giữa node A và D. Mạng sử dụng 3 lớp dịch vụ EF, AF1 và AF2. Đường L-LSP đầu tiên sẽ mang lưu lượng AF2, đường 2 và 3 mang lưu lượng EF và đường cuối cùng mang lưu lượng AF1. Chú ý rằng node A đã chia nhỏ lưu lượng EF trên 2 đường L-LSP. Node C sẽ nhận ra dạng lưu lượng EF bằng cách sử dụng các nhãn và phục vụ lưu lượng này mà không cần phải xem xét LSP nào đã mang nó ( có nghĩa là node sẽ không cung cấp PHB trên mỗi L-LSP mà trên mỗi lớp dịch vụ). Hình 3.5 Mạng MPLS sử dụng L-LSPs Việc sử dụng E-LSP và L-LSP trong cùng mạng MPLS sẽ không loại trừ lẫn nhau. Các LSR sẽ đảm bảo nội dung của nhãn DiffServ. Nội dung này chính là loại đường dẫn LSP (E-LSP hay L-LSP), các đối xử PHBs mà LSP hỗ trợ và ánh xạ giữa việc đóng gói tin với một PHB. Đối với các nhãn đầu vào, việc ánh xạ sẽ chỉ ra các LSR có suy ra PHB như thế nào. Đối với các nhãn đầu ra, việc ánh xạ sẽ chỉ ra làm thế nào LSR mã hóa PHB [6] Hình 3.5 minh họa một mạng MPLS sử dụng đồng thời cả L-LSP và E-LSP. Trong ví dụ này, sẽ có 2 đường E-LSP giữa 2 node D và E và 2 đường L-LSP giữa 2 node A và D. Với mạng sử dụng 3 lớp dịch vụ:EF, AF1 và AF2. Node C sẽ vận chuyển cả 2 đường E-LSP và L-LSP. Node này sử dụng nội dung của nhãn DiffServ để xác định dạng đường dẫn LSP và ánh xạ chính xác đến PHB từ gói tin. Các router LSR sẽ phục vụ đúng theo PHB mà không cần quan tâm đến dạng LSP. Ở đây, node A và E mỗi chúng chỉ sử dụng một loại đường dẫn LSP, nhưng chúng vẫn có thể sử dụng luân phiên cả 2 dạng LSP để đi đến node D. Hình 3.6 Mạng MPLS sử dụng đồng thời cả 2 E-LSP và L-LSP 3.3 Kiểu chuyển tiếp nhãn trong các Router LSR DiffServ Trên đường L-LSP các tập hợp có thứ bậc được gán chung một nhãn FEC và được chuyển tiếp trên các đường LSP khác nhau, quyết định hoán đổi nhãn cho DiffServ LSR rõ ràng phụ thuộc vào tập hợp các đối xử BA của các gói tin. Cũng vì thế mà trường DSCP trong IP không thể áp dụng cho các router LSR được, một router MPLS DiffServ hoạt động khác với một router DiffServ không MPLS. Việc chuyển tiếp nhãn của DiffServ LSR gồm 4 giai đoạn sau Xác định PHB đi vào Đối với đường E-LSP quá trình ánh xạ EXP-PHB có thể được cấu hình ban đầu hay được báo hiệu tường minh trong suốt quá trình thiết lập E-LSP. Khi đó việc ánh xạ này sẽ được LSR sử dụng để xác định đối xử PHB được gán trên các gói tin đi vào. Đối với đường L-LSP, PHB được thiết lập trong suốt quá trình thiết lập của LSP. Do đó các PSC được LSR nhận biết trên cơ sở nhãn và sau đó xác định quyền ưu tiên loại bỏ gói bằng cách nhìn vào giá trị của trường EXP trong ánh xạ EXP-PHB. Xác định PHB đi ra Một router DiffServ LSR có thể thực hiện việc đánh dấu, chính sách và định dạng trên các dòng lưu lượng đi vào, có khả năng thay đổi các PHB đi ra kết hợp với các gói không thích hợp trong các dòng lưu lượng đi vào. Do đó các PHB đi vào có thể khác với các PHB đi ra. Chuyển tiếp nhãn Mỗi LSR cần biết nội dung DiffServ của một nhãn được lưu trữ trong NHLFE cho mỗi nhãn đi ra. Nội dung của DiffServ bao gồm: Dạng LSP Các PHBs được hỗ trợ Ánh xạ EXP-PHB cho các nhãn đi vào Ánh xạ PHB-EXP cho các nhãn đi ra Các đặc tính đang xét định nghĩa một nội dung DiffServ được lưu trong ánh xạ nhãn vào ILM (Incomming Label Map) tại thời điểm thiết lập nhãn cho mỗi nhãn đầu vào và nó sẽ được lưu trong NHLFE cho mỗi nhãn đầu ra khi đã được hoán đổi và tháo nhãn Việc đóng gói của thông tin miền DiffServ DS Đối với E-LSP, việc ánh xạ EXP-PHB có thể được cấu hình sẵn hay được báo hiệu tường minh trong suốt quá trình thiết lập E-LSP. Router xác định giá trị của EXP được gán vào trong nhãn của gói tin từ việc ánh xạ PHB-EXP Đối với đường L-LSP, thông tin lớp lập lịch PSC (PHB Scheduling Class) được nhãn mang đi và được đưa ra trong suốt quá trình thiết lập tuyến. Giá trị EXP được gán là được xác định bởi việc tra cứu ánh xạ PHB-EXP Để tăng cường các dịch vụ khác nhau, các LSR phải áp dụng các đối xử chuyển tiếp tương ứng đến các PHB được hỗ trợ Các kiểu thực thi MPLS không phải là kiểu đường hầm IP, nên khi đóng gói, header có nhãm MPLS chứ không phải là IP header. Tuy nhiên MPLS vẫn là một dạng đường hầm và có những điểm tương đồng với các đường hầm IP như: Các node trung chuyển dọc theo đường LSP hoạt động chỉ dựa trên cơ sở các thông tin của router DiffServ Các LSP đều theo một hướng duy nhất Hai định nghĩa có thể áp dụng được cho MPLS DiffServ với 1 số thay đổi nhỏ đó là kiểu đường ống (pipe) và kiểu chuẩn (uniform). Trong kiểu đường ống, các đường hầm MPLS đi qua các node MPLS trung chuyển và mang nội dung của DiffServ. Và có 2 loại thông tin DiffServ cần các gói tin trong đường hầm chuyển đi: một là thông tin có ích cho các node trung chuyển trong đường LSP (LSP DiffServ), thứ 2 là thông tin có ý nghĩa nằm ngoài LSP ( tunneled DiffServ) Đối với kiểu đường ống, thông tin DiffServ cần được chuyển đến LSP đầu ra, vì thế nó có thể áp dụng đối xử chuyển tiếp cùng với thông tin tunneled DiffServ nhưng thông tin tunneled DiffServ không đến node đầu ra. Router LSR thực hiện việc xác định PHB đi vào và mã hóa thông tin DiffServ theo cách dưới đây: Khi nhận được gói tin chưa được gán nhãn, LSR thực hiện xác định PHB đi vào nằm trên IP header nhận được Khi nhận được gói tin đã được gán nhãn, LSR thực hiện xác định PHB đi vào trên trường nhãn của ngăn chứa nhãn nhận được. Cụ thể là khi hoạt động tháo nhãn được thực hiện đối với LSP đã xét đến, thì LSR thực hiện xác định PHB đi vào trước khi tháo nhãn. Khi thực hiện hoạt động gắn nhãn cho đường LSP, LSR sẽ: Mã hóa thông tin DiffServ phù hợp với PHB đi ra trong trường nhãn chuyển tiếp tương ứng với nhãn được gắn vào Mã hóa thông tin DiffServ phù hợp với PHB đi vào trong header được đóng gói (trường nhãn hoán đổi hay IP header) Khi thực hiện họat động hoán đổi nhãn trong LSP, LSR sẽ mã hóa thông tin DiffServ trong trường nhãn chuyển tiếp bao gồm cả nhãn được hoán đổi Khi thực hiện hoạt động tháo nhãn trong LSP, LSR không thực hiện mã hóa thông tin DiffServ 3.5 Ví dụ Khảo sát mạng MPLS-DiffServ dưới đây: giả sử luồng lưu lượng ứng với dịch vụ EF sẽ đi từ S1 đến D1 và luồng lưu lượng với dịch vụ AF1 sẽ đi từ S2 đến D2. Quá trình hoạt động được mô tả như sau Dựa vào thông tin DiffServ trên header IP, ban đầu các LSR sẽ xác định thông tin PHB và từ đó thiết lập các đường E-LSP và L-LSP. Ở trong ví dụ này luồng lưu lượng EF sẽ đi trên đường E-LSP và AF1 sẽ đi trên đường L-LSP Khi các gói tin đi đến các router biên LSR, chúng sẽ được phân lớp phù hợp với các trường trong header được thực hiện bởi bộ phân lớp Bộ đánh dấu DS sẽ thiết lập 6 bit trong trường DS lên tương ứng với lớp BA của gói tin, ví dụ như với PHB là EF sẽ được thiết lập là 101110, AF1 là 001010. Đồng thời tại router LSR2 sẽ thực hiện hoạt động gán nhãn cho gói tin và thực hiện sao chép 6 bit của trường DSCP vào 3 bit của trường EXP. Ở đây gói tin từ S1 đến D1 sẽ được gán nhãn vào là A và ánh xạ EF thành 101 và gói tin từ S2 đến D2 sẽ được gán nhãn vào là C, ánh xạ AF1 thành 001. Việc ánh xạ này được tra trong bảng PHB-EXP Sau khi được đánh dấu, các gói tin sẽ được bộ lập lịch xếp hàng và gởi đi trong mạng, đồng thời thực hiện hoán đổi nhãn, nhãn A sẽ được hoán đổi thành B và C sẽ thành D, việc chuyển tiếp gói tin thực hiện chỉ dựa trên nhãn. Tại đây các gói tin có thể bị loại bỏ nếu gói tin nằm ngoài hiện trạng của lưu lượng (đối với EF) hoặc có thể được đánh dấu lại (đối với AF) Khi các gói tin đi đến router Egress LSR4 hoạt động tháo gỡ nhãn xảy ra đồng thời có nhiệm vụ phân loại các gói tin theo, ánh xạ EXP thành PHB, thực hiện các cơ chế hàng đợi tưong ứng với mỗi lưu lượng sau đó đẩy gói đi đến đúng địa chỉ đích Hình 3.7 Ví dụ minh họa hoạt động của mạng MPLS-DiffServ 3.6 Kết luận Như vậy trong chương này đã trình bày các khái niệm và một số thủ tục cần thiết khi tiến hành kết hợp DiffServ và MPLS. Việc kết hợp này đã khai thác được đồng thời cả ưu điểm của DiffSer và MPLS trong việc đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS. Để có thể hiểu thêm về hoạt động cũng như lợi thế sự kết hợp này, trong Chương 4 sẽ đi vào mô phỏng và đánh giá lợi thế của nó.