TỔNG QUAN VỀ CÁC CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH
Giới thiệu chung
1.1.1 Khái quát về các công nghệ chuyển mạch
Trong mọi mạng viễn thông, hệ thống chuyển mạch đóng vai trò quan trọng trong việc thiết lập kết nối từ đầu vào đến đầu ra để truyền tải thông tin Với sự bùng nổ dịch vụ truyền thông hiện nay, kỹ thuật chuyển mạch đã phát triển nhanh chóng, đặc biệt là chuyển mạch kênh phục vụ cho dịch vụ thoại Khi xã hội phát triển, nhu cầu về tốc độ truyền dẫn và chất lượng dịch vụ ngày càng cao, dẫn đến sự ra đời của chuyển mạch gói trong thập kỷ qua.
70 Ngày nay, chúng ta sử dụng nhiều kỹ thuật chuyển mạch khác nhau, nhưng về cơ bản, các kỹ thuật chuyển mạch này đều dựa trên cơ sở là hai phương pháp chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói
Hình 1.1: Các công nghệ chuyển mạch
Chuyển mạch kênh đã xuất hiện từ sớm, với đặc điểm nổi bật là thiết lập một kênh kết nối vật lý giữa hai đối tượng trao đổi thông tin thông qua việc chuyển các khe thời gian từ đầu vào tới đầu ra Điều này giúp đáp ứng yêu cầu về thời gian thực cho dịch vụ thoại và truyền số liệu băng hẹp Tuy nhiên, nhược điểm lớn của chuyển mạch kênh là chiếm dụng kênh truyền trong suốt quá trình đàm thoại, dẫn đến lãng phí đường truyền và thiếu linh hoạt trong việc truyền dữ liệu, trong bối cảnh nhu cầu về tốc độ truyền dữ liệu ngày càng tăng.
Hình 1.2: Mô hình chuyển mạch kênh
Hình 1.3: Mô hình chuyển mạch gói
Chuyển mạch gói, phát triển từ chuyển mạch bản tin, chủ yếu phục vụ cho việc truyền thông tin dữ liệu Nguyên lý hoạt động của nó là dữ liệu được chia thành các gói tin có tiêu đề, giúp các node mạng xác định và gửi đến đích cuối cùng Ưu điểm nổi bật của chuyển mạch gói là độ chính xác cao trong việc truyền tải thông tin Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất là độ trễ khó kiểm soát, gây bất lợi cho các dịch vụ yêu cầu thời gian thực như thoại và video Để khắc phục vấn đề này, nhiều công nghệ mới dựa trên nguyên lý chuyển mạch gói đã ra đời và được cải tiến, như ATM và IP trên Internet.
1.1.2 Động lực ra đời công nghệ MPLS
Trong những năm gần đây, Internet đã trở thành một mạng lưới phổ biến với nhiều ứng dụng trong thương mại, giải trí, giáo dục và thông tin cộng đồng Sự phát triển của các dịch vụ đa phương tiện đã làm tăng nhanh nhu cầu về tốc độ và băng thông Điều này đặt ra thách thức trong việc xây dựng một mạng hội tụ có khả năng cung cấp đầy đủ dịch vụ, khi mà nhu cầu về tốc độ và băng thông đang tạo áp lực lên hạ tầng Internet hiện có.
Sự phát triển mạnh mẽ của Internet đã dẫn đến lưu lượng truy cập bùng nổ, khiến các nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP) phải nâng cấp kết nối và router nhưng vẫn không thể tránh khỏi tình trạng nghẽn mạch Nguyên nhân chủ yếu là do các giao thức định tuyến tập trung lưu lượng vào một số kết nối nhất định, gây ra sự phân bố tải không đồng đều và lãng phí tài nguyên Mặc dù giao thức TCP/IP có khả năng định tuyến linh hoạt toàn cầu, nhưng không đảm bảo chất lượng dịch vụ và tốc độ truyền tin Ngược lại, công nghệ ATM cung cấp tốc độ cao và đảm bảo chất lượng dịch vụ theo yêu cầu Hiện nay, các dịch vụ thông tin thế hệ mới đang phát triển theo hai xu hướng: kết nối định hướng và phi kết nối, dần hội tụ để hình thành công nghệ IP/ATM Tuy nhiên, mô hình IP/ATM cũng gặp phải nhược điểm như phức tạp trong việc duy trì hai hệ thống, chi phí cao, thiếu dự phòng thiết bị, cũng như vấn đề về an ninh và khả năng mở rộng.
Chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS) ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về chất lượng dịch vụ và tốc độ xử lý trong mạng internet MPLS cung cấp giải pháp linh hoạt cho các vấn đề như tốc độ, khả năng mở rộng và quản lý chất lượng dịch vụ (QoS) Nó hỗ trợ định tuyến, chuyển mạch và chuyển tiếp gói tin trong mạng NGN, đồng thời tương thích với các mạng Frame Relay và chế độ truyền tải không đồng bộ ATM MPLS là yếu tố quan trọng giúp quản lý băng thông và đáp ứng yêu cầu dịch vụ cho người sử dụng mạng trong thời đại công nghệ mới.
Giới thiệu về công nghệ MPLS
1.2.1 Lịch sử phát triển của công nghệ MPLS
MPLS, công nghệ chuyển mạch nhãn, lần đầu tiên được Ipsilon giới thiệu tại triển lãm công nghệ thông tin và viễn thông ở Texas Sau đó, nhiều hãng lớn như Cisco, IBM và Toshiba đã cho ra mắt các sản phẩm chuyển mạch tương tự, mặc dù mang tên gọi khác nhau, nhưng đều dựa trên cùng một bản chất công nghệ.
Thiết bị định tuyến chuyển mạch tế bào của Toshiba ra mắt năm 1994 là tổng đài ATM đầu tiên sử dụng giao thức IP thay vì báo hiệu ATM Tương tự, tổng đài của Ipsilon cũng là ma trận chuyển mạch ATM được điều khiển bằng công nghệ IP Cisco phát triển công nghệ chuyển mạch thẻ với bổ sung các kỹ thuật như lớp chuyển tiếp tương đương FEC và giao thức phân phối nhãn Năm 1998, nhóm nghiên cứu IETF đã bắt đầu xây dựng tiêu chuẩn và khái niệm cho chuyển mạch nhãn đa giao thức.
Sự ra đời của MPLS là cần thiết để đáp ứng nhu cầu và tốc độ phát triển nhanh chóng của mạng Internet, yêu cầu một giao thức mới đảm bảo chất lượng dịch vụ Nhiều công nghệ xây dựng trên mạng IP như IP trên nền ATM (IPoA), IP trên nền SDH/SONET (IPOS), và IP qua WDM, mỗi loại có ưu và nhược điểm riêng Trong đó, công nghệ ATM được sử dụng phổ biến trong các mạng IP đường trục tốc độ cao, đảm bảo dịch vụ và kiểm soát luồng, cùng với các đặc tính mà mạng định tuyến truyền thống không có Đối với các yêu cầu thời gian thực cao, IPoA là giải pháp tối ưu, từ đó MPLS được hình thành dựa trên kỹ thuật này.
Chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS) xuất phát từ nghiên cứu về tổng đài chuyển mạch và bộ định tuyến trong mạng IP Mặc dù tổng đài chuyển mạch vượt trội về tốc độ và hiệu suất chi phí, nhưng bộ định tuyến lại sở hữu các chức năng định tuyến linh hoạt Điều này dẫn đến ý tưởng phát triển một thiết bị kết hợp ưu điểm của cả hai: khả năng điều khiển luồng nhanh chóng như tổng đài và tính linh hoạt trong định tuyến như bộ định tuyến Đây chính là động lực chính cho sự phát triển của công nghệ chuyển mạch nhãn.
MPLS là công nghệ kết hợp ưu điểm của định tuyến lớp ba và chuyển mạch lớp hai, cho phép chuyển tải gói tin nhanh chóng trong mạng lõi và định tuyến hiệu quả ở mạng biên thông qua nhãn Phương pháp này cải tiến việc chuyển tiếp gói bằng cách gán nhãn cho mỗi gói IP, tế bào ATM hoặc frame lớp hai, giúp router quyết định nhanh chóng hơn so với việc định tuyến phức tạp theo địa chỉ IP đích MPLS tích hợp tính thực thi và khả năng chuyển mạch lớp hai với định tuyến lớp ba, cho phép các nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP) cung cấp nhiều dịch vụ khác nhau mà không cần thay đổi cơ sở hạ tầng hiện có Cấu trúc MPLS có tính linh hoạt cao, dễ dàng phối hợp với các công nghệ lớp hai khác.
Nguyên tắc cơ bản của chuyển mạch nhãn là sử dụng thiết bị tương tự như bộ định tuyến để điều khiển phần cứng chuyển mạch ATM, giúp đạt được tỷ lệ giá thành và chất lượng tương đương với tổng đài.
Công nghệ này hỗ trợ nhiều chức năng định tuyến mới, kết hợp hoàn hảo ưu điểm của tổng đài chuyển mạch và bộ định tuyến.
MPLS hỗ trợ tất cả các giao thức lớp hai, giúp triển khai hiệu quả dịch vụ IP trên mạng chuyển mạch IP Nó cho phép tạo ra nhiều tuyến khác nhau giữa nguồn và đích trên đường trục Internet Việc tích hợp MPLS vào kiến trúc mạng giúp các nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP) giảm chi phí, tăng lợi nhuận, và nâng cao hiệu quả cạnh tranh.
MPLS thực hiện một số chức năng sau:
Xác định cơ cấu quản lý đa cấp cho các luồng lưu lượng, bao gồm luồng giữa các cơ cấu, phần cứng khác nhau và cả luồng giữa các ứng dụng khác nhau.
Duy trì sự độc lập của các giao thức lớp 2 và lớp 3
Cung cấp công cụ để tổ chức các địa chỉ IP thành các nhãn có độ dài cố định, phục vụ cho các công nghệ chuyển tiếp gói và chuyển mạch gói khác nhau.
Giao diện tương thích với các giao thức định tuyến hiện tại, bao gồm giao thức đặt trước tài nguyên (RSVP) và giao thức mở rộng theo phương thức ưu tiên tuyến đường ngắn nhất (OSPF).
Hỗ trợ IP, ATM và giao thức lớp 2 Frame-relay
1.2.3 Các ưu điểm và ứng dụng của MPLS
MPLS được phát triển nhằm giải quyết vấn đề chuyển tiếp gói tin, nhưng hiện nay, lợi ích chính của nó nằm ở khả năng điều khiển lưu lượng trong môi trường mạng Một số lợi ích nổi bật của MPLS bao gồm khả năng tối ưu hóa băng thông, cải thiện hiệu suất mạng và tăng cường độ tin cậy trong việc truyền tải dữ liệu.
Làm việc với hầu hết các công nghệ liên kết dữ liệu
Tương thích với hầu hết các giao thức định tuyến và các công nghệ khác liên quan đến Internet
Hoạt động độc lập với các giao thức định tuyến
Đơn giản hóa quá trình định tuyến và tăng tính linh hoạt trong việc tìm đường đi dựa vào nhãn (label) cho trước
Hỗ trợ cấu hình quản trị và bảo trì hệ thống (OAM)
Có thể hoạt động trong mạng phân cấp và có tính tương thích cao
Khả năng mở rộng và tạo sự phát triển mạng dễ dàng hơn, giá thành thấp hơn và ít lỗi hơn
Internet có ba nhóm ứng dụng chính: giọng nói, dữ liệu và video, mỗi nhóm có những yêu cầu riêng Ứng dụng giọng nói yêu cầu độ trễ thấp và có thể chấp nhận một mức độ thất thoát dữ liệu để tối ưu hóa hiệu suất Video cho phép mất mát dữ liệu ở mức chấp nhận được nhưng cần đảm bảo tính thời gian thực Trong khi đó, dữ liệu yêu cầu độ bảo mật và độ chính xác cao Việc triển khai công nghệ MPLS giúp tối ưu hóa hiệu quả khai thác tài nguyên mạng.
Hiện có một số ứng dụng MPLS đang được triển khai là:
MPLS Traffic Engineering cho phép thiết lập một hoặc nhiều đường đi nhằm điều khiển lưu lượng mạng, đồng thời cung cấp các đặc trưng thực thi cho từng loại lưu lượng khác nhau.
MPLS VPN cung cấp cho người dùng một mạng ảo với khả năng và chính sách tương tự như một mạng riêng, giữ thông tin định tuyến riêng biệt cho từng VPN Điều này đảm bảo rằng người dùng chỉ có thể giao tiếp với các địa chỉ đã được cấu hình sẵn cho VPN của mình.
CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH MPLS
Các khái niệm cơ bản của mạng sử dụng công nghệ MPLS
RFC 3031 định nghĩa nhãn là một nhận dạng ngắn và cố định, có ý nghĩa cục bộ để nhận biết một FEC Nhãn xác định con đường mà gói tin sẽ đi qua, được đóng gói trong tiêu đề lớp 2 cùng với gói tin Bộ định tuyến kiểm tra nội dung nhãn để xác định chặng kế tiếp, và khi gói được gán nhãn, việc chuyển gói qua mạng đường trục dựa vào chuyển mạch nhãn Giá trị nhãn chỉ có ý nghĩa cục bộ, liên quan đến chặng chuyển tiếp giữa các LSR.
Nhãn được gán cho gói tin khi nó được sắp xếp bởi các FEC mới hoặc FEC đã tồn tại, và giá trị nhãn này phụ thuộc vào phương tiện đóng gói của gói tin Trong mạng Frame Relay, nhãn sử dụng giá trị nhận dạng kết nối lớp liên kết dữ liệu (DLCI), trong khi mạng ATM sử dụng trường nhận dạng đường ảo và trường nhận dạng kênh ảo (VPI/VCI) trong tế bào.
Sau đó gói được chuyển tiếp dựa trên giá trị của chúng
Việc gán nhãn dựa trên những tiêu chí sau:
Định tuyến Unicast (Unicast Routing)
Định tuyến Multicast (Multicast Routing)
Kỹ thuật lưu lượng (Traffic engineering)
Mạng riêng ảo (VPN – Virtual Private Network)
Chất lượng dịch vụ (QoS – Quality of Service ) Định dạng chung của nhãn được giải thích trong hình 2.1
Label (20 bit): chứa giá trị nhãn
Exp.bits (3 bit) được sử dụng để dự trữ nghiên cứu và phân chia lớp dịch vụ (CoS - Class of Service) Cisco áp dụng giá trị của các bit này để thông báo cho QoS, cho phép ánh xạ 3 bit EXP tương ứng với 7 giá trị IP ưu tiên và gán cho gói tin khi chúng di chuyển qua miền MPLS.
BS (1 bit) – bottom of stack, là nhãn cuối cùng trong ngăn xếp Khi nhãn cuối của chồng nhãn bit này được thiết lập thành 1, tất cả các nhãn khác trong ngăn xếp sẽ có bít này là 0.
TTL (8bit) - time to live: thời gian sống là bản sao của IP TTL Giá trị của nó được giảm tại mỗi chặng để tránh lặp như IP
Hình 2.1: Định dạng chung của nhãn MPLS
Khi giá trị của bit BS trong nhãn là 0, router sẽ nhận diện rằng một chồng nhãn đang được sử dụng LSR chỉ hoán đổi phần trên cùng của chồng nhãn, và router Edge LSR sẽ tiếp tục gỡ bỏ nhãn cho đến khi tìm thấy bit BS có giá trị 1, cho thấy đã đến cuối chồng nhãn Sau khi xác định được vị trí cuối, router sẽ tra cứu định tuyến dựa trên thông tin trong header lớp 3 và gửi gói tin tới đích một cách chính xác Đối với LSR biên đầu vào, có thể áp dụng nhiều nhãn để tạo thành một chồng nhãn, với mỗi nhãn đảm nhiệm một chức năng riêng biệt.
Chồng nhãn được sử dụng trong dịch vụ cơ bản của MPLS như MPLS VPN và ứng dụng lưu lượng MPLS Trong kỹ thuật lưu lượng (traffic engineering), nhãn đầu tiên giúp xác định điểm cuối của đường hầm TE, trong khi nhãn thứ hai chỉ định đích Trong mô hình Any Transport over MPLS (AtoM) và Dịch vụ LAN Riêng Ảo (VPLS), nhãn đầu tiên chỉ ra Tunnel header hoặc điểm kết thúc, còn nhãn thứ hai chỉ ra VC Tất cả các đặc điểm chung của chồng nhãn được thể hiện rõ trong hình ảnh minh họa.
Hình 2.2: Đặc điểm chung của chồng nhãn
Tạo nhãn dựa trên các phương pháp sau:
Phương pháp dựa trên giao thức (Topology-base method) sử dụng quá trình của các giao thức định tuyến (như OSPF và BGP)
Phương pháp dựa trên yêu cầu (Request-base method) sử dụng quá trình yêu cầu dựa trên điều khiển lưu lượng
Phương pháp dựa trên lưu lượng (Traffic-base method) sử dụng một gói để kích hoạt sự gán và phân phối nhãn
1.1.1.3 Ngăn xếp nhãn ( Lable stack )
Ngăn xếp nhãn trong MPLS là một tập hợp có thứ tự các nhãn gán theo gói, giúp truyền tải thông tin về FEC và các LSP mà gói sẽ đi qua Nó hỗ trợ định tuyến phân cấp, với mỗi mức trong ngăn xếp nhãn liên kết với một mức phân cấp cụ thể, tạo điều kiện cho chế độ hoạt động đường hầm trong MPLS.
1.1.1.4 Bảng chuyển tiếp chuyển mạch nhãn (LSFT)
Là bảng chuyển tiếp nhãn có chứa thông tin về nhãn vào, nhãn ra, giao diện vào, giao diện ra
1.1.1.5 Bảng cơ sở thông tin nhãn ( LIB )
Bảng kết nối trong LSR chứa các giá trị nhãn/FEC và thông tin về đóng gói dữ liệu truyền, giúp xác định cách thức chuyển tiếp gói tin.
1.1.1.6 Đường chuyển mạch nhãn ( LSP )
Đường chuyển mạch nhãn (LSP) trong mạng MPLS được thiết lập để chuyển tiếp gói dữ liệu của một FEC cụ thể thông qua cơ chế hoán đổi nhãn LSP chứa chuỗi nhãn tại tất cả các nút trên tuyến đường từ nguồn đến đích và được thiết lập trước hoặc trong quá trình xác định luồng dữ liệu Các nhãn được phân phối thông qua giao thức phân phối nhãn (LDP) hoặc giao thức giành trước tài nguyên (RSVP) trên nền tảng các giao thức định tuyến như BGP và OSPF.
Hình 2.3: Đường chuyển mạch nhãn LSP
Mỗi gói dữ liệu được gán nhãn trong suốt quá trình di chuyển từ nguồn đến đích, cho phép chuyển mạch dữ liệu tốc độ cao Phương pháp này sử dụng các nhãn có độ dài cố định chèn vào đầu gói tin hoặc tế bào, giúp phần cứng thực hiện chuyển mạch nhanh chóng giữa các liên kết Ví dụ, trong mạng 172.16.10.0/24, LSP từ R4 là R4-R3-R2-R1.
Khái niệm upstream và downstream rất quan trọng trong việc hiểu hoạt động phân phối nhãn và gửi dữ liệu trong miền MPLS Cả hai thuật ngữ này đều liên quan đến mạng đích, cụ thể là tiền tố hoặc FEC Dữ liệu gửi đến một mạng đích cụ thể luôn theo hướng downstream, trong khi các cập nhật thông tin định tuyến hoặc phân phối nhãn gắn liền với mạng đó được truyền theo hướng upstream Ví dụ, trong hình 2.4, downstream tới mạng đích 172.16.20.0/24 diễn ra qua tuyến R1-R2-R3, còn downstream với mạng 172.16.10.0/24 là qua tuyến R3-R2-R1 Do đó, R2 là downstream từ R1 cho mạng đích 172.16.20.0/24, và R1 là downstream từ R2 cho mạng đích 172.16.10.0/24.
Một LSR cần một nhãn từ dòng xuống lân cận để liên kết với FEC xác định, cho phép truyền thông tin đến các LSR tiếp theo cho đến khi đến LER lối ra.
Để đáp ứng yêu cầu nhãn, LSR luồng xuống sẽ gửi nhãn đến các bộ khởi động luồng lên thông qua cơ cấu ánh xạ nhãn.
Ví dụ nhãn 2 Đáp ứng nhãn
Yêu cầu nhãn Cho đích C
Yêu cầu nhãn Cho đích C
Hình 2.5: Cơ cấu báo hiệu
Thiết bị trong giao thức MPLS được phân loại thành LER và LSR
Hình 2.6 : Vị trí của LSR và LER trong mạng MPLS
LSR là thiết bị định tuyến tốc độ cao trong mạng MPLS, đóng vai trò quan trọng trong việc thiết lập LSP thông qua giao thức thích hợp Nó thực hiện chuyển mạch tốc cao cho luồng dữ liệu dựa trên các con đường đã được thiết lập bằng thủ tục phân phối nhãn LSR có khả năng kết nối với LER hoặc các LSR khác trong mạng.
LER là thiết bị quan trọng hoạt động tại biên của mạng truy cập và mạng MPLS, hỗ trợ nhiều cổng kết nối với các mạng không tương đồng như ATM, Frame Relay và Ethernet Nó chuyển tiếp lưu lượng vào mạng MPLS sau khi thiết lập các LSP, sử dụng giao thức báo hiệu nhãn để phân phối lưu lượng trở lại mạng truy cập LER đóng vai trò then chốt trong việc gán và bỏ nhãn cho các luồng lưu lượng khi chúng vào và tồn tại trong mạng MPLS.
1.1.3 Lớp chuyển tiếp tương đương ( FEC )
Hoạt động của mạng sử dụng công nghệ MPLS
KỸ THUẬT LƯU LƯỢNG TRONG MPLS
1.5 Kỹ thuật lưu lượng ( Traffic Engineering )
Kỹ thuật lưu lượng (TE) là quá trình tối ưu hóa việc điều khiển luồng lưu lượng trong mạng nhằm nâng cao hiệu suất và sử dụng tài nguyên hiệu quả TE áp dụng các nguyên lý khoa học công nghệ để đo lường, mô hình hóa và điều khiển lưu lượng để đạt được các mục tiêu cụ thể Khái niệm TE khác biệt với kỹ thuật mạng (Network Engineering), trong khi kỹ thuật mạng tập trung vào thiết kế và xây dựng topology của mạng để phù hợp với lưu lượng.
3.1.1 Các mục tiêu triển khai kỹ thuật lưu lượng
Các mục tiêu triển khai kỹ thuật lưu lượng có thể phân theo hai hướng sau :
Hướng lưu lượng (traffic oriented)
Hướng tài nguyên (resource oriented)
Các mục tiêu hướng lưu lượng nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ (QoS) cho các luồng dữ liệu Trong mô hình dịch vụ best-effort, các mục tiêu này bao gồm giảm thiểu mất gói và độ trễ, tối đa hóa thông lượng và tuân thủ các hợp đồng mức dịch vụ (SLA) Ngoài ra, các mục tiêu thống kê như độ trễ gói đỉnh-đỉnh, tỷ lệ mất gói và độ trễ truyền tối đa cũng rất quan trọng trong mô hình dịch vụ phân biệt (Diffserv).
Các mục tiêu hướng tài nguyên tập trung vào việc tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên Băng thông, một tài nguyên quan trọng trong mạng, là trọng tâm của kỹ thuật lưu lượng nhằm quản lý hiệu quả băng thông.
Nghẽn thường xảy ra theo hai cách như sau:
Khi bản thân các tài nguyên mạng không đủ để cấp cho tải yêu cầu
Khi các dòng lưu lượng không được phân bổ hợp lý, một số tài nguyên sẽ bị quá tải trong khi những tài nguyên khác lại không được sử dụng.
Có thể giải quyết nghẽn bằng các cách:
