TỔ NG QUAN V Ề M Ạ NG NGN
Khái ni ệm và đặc điể m c ủ a NGN
NGN, hay Mạng Thế Hệ Mới, được hình thành từ sự phát triển của công nghệ thông tin, công nghệ chuyển mạch gói và công nghệ truyền dẫn băng rộng Mạng này sử dụng hạ tầng dựa trên công nghệ chuyển mạch gói, cho phép triển khai dịch vụ đa dạng và nhanh chóng, đáp ứng nhu cầu hội tụ giữa thoại và dữ liệu, cũng như giữa mạng cố định và di động.
Mạng NGN được xem là sự kết hợp giữa mạng PSTN sử dụng công nghệ TDM và mạng chuyển mạch gói dựa trên công nghệ IP/ATM Nó không chỉ có khả năng truyền tải tất cả các dịch vụ của PSTN mà còn cung cấp khả năng xử lý lưu lượng dữ liệu lớn cho mạng IP, từ đó giúp giảm tải cho mạng PSTN.
NGN không chỉ đơn thuần là sự kết hợp giữa thoại và dữ liệu, mà còn là sự hội tụ giữa công nghệ truyền dẫn quang và công nghệ gói, cũng như sự tích hợp giữa mạng cố định và mạng di động.
NGN có bốn đặc điểm chính [1] :
Việc áp dụng cơ cấu mở trong tổng đài truyền thống đã chia các khối chức năng thành những phần tử mạng độc lập, phát triển theo chức năng tương ứng Giao diện và giao thức giữa các bộ phận dựa trên các tiêu chuẩn đã được xác định, giúp cho việc phân tách chức năng trong mạng viễn thông Điều này cho phép các nhà kinh doanh tự tổ hợp các phần tử mạng dựa trên nhu cầu dịch vụ, đồng thời tiêu chuẩn hóa giao thức giữa các phần tử để kết nối các mạng có cấu hình khác nhau.
Việc tách dịch vụ khỏi mạng giúp cung cấp dịch vụ một cách linh hoạt và hiệu quả Thuê bao có thể tự xác định đặc trưng dịch vụ mà không cần lo lắng về mạng truyền tải hay loại hình đầu cuối, từ đó nâng cao tính linh hoạt trong cung cấp dịch vụ và ứng dụng.
Thứ ba, NGN được xây dựng trên nền tảng mạng chuyển mạch gói và các giao thức thống nhất Hiện nay, các mạng viễn thông, mạng máy tính và mạng truyền hình cáp không thể tách rời trong việc xây dựng hạ tầng thông tin Gần đây, với sự phát triển của công nghệ IP, người ta nhận thấy rằng ba loại mạng này sẽ tích hợp vào một mạng IP thống nhất, được gọi là “dung hợp ba mạng” Giao thức IP cho phép các dịch vụ dựa trên IP kết nối với nhau, tạo ra một giao thức thống nhất mà cả ba mạng lớn đều chấp nhận, từ đó xây dựng nền tảng vững chắc cho hạ tầng thông tin quốc gia.
Vào thứ Tư, giao thức IP đã trở thành một ứng dụng đa năng và được áp dụng làm nền tảng cho các mạng đa dịch vụ, mặc dù vẫn đang trong quá trình phát triển.
Mặc dù vẫn còn nhiều khuyết điểm trong khả năng hỗ trợ lưu lượng thoại và đảm bảo chất lượng dịch vụ cho dữ liệu, nhưng tốc độ đổi mới nhanh chóng trong thế giới Internet, nhờ vào sự phát triển của các tiêu chuẩn mở, sẽ sớm khắc phục những thiếu sót này.
Các công ngh ệ s ử d ụ ng trong NGN
Trong mạng thế hệ mới, truyền dẫn đóng vai trò quan trọng trong lớp kết nối, bao gồm chuyển tải và truy cập Công nghệ truyền dẫn hiện đại như SDH và WDM cung cấp khả năng hoạt động linh hoạt và dễ dàng, thuận lợi cho việc khai thác và quản lý.
Các tuyến truyền dẫn SDH hiện nay đang được triển khai rộng rãi trong mạng viễn thông, thể hiện sự phát triển đúng hướng theo cấu trúc mạng mới.
Cần tiếp tục phát triển các hệ thống truyền dẫn công nghệ SDH và WDM, hạn chế sử dụng công nghệ PDH
+ Hiện nay trên 60% lưu lượng thông tin được truyền đi trên toàn thếgiới được truyền trên mạng quang
Công nghệ truyền dẫn quang SDH cho phép thiết lập các đường truyền tốc độ cao lên đến n*155 Mb/s, đồng thời cung cấp khả năng bảo vệ thông qua các mạch vòng (ring) Công nghệ này đã được áp dụng rộng rãi ở nhiều quốc gia, bao gồm cả Việt Nam.
Công nghệ WDM (Multiplexing Wavelength Division) cho phép khai thác băng thông lớn của sợi quang bằng cách kết hợp nhiều tín hiệu ghép kênh theo thời gian với các bước sóng khác nhau Nhờ đó, người dùng có thể tận dụng các cửa sổ không gian, thời gian và độ dài bước sóng WDM nâng cao tốc độ truyền dẫn lên tới 5Gb/s, 10Gb/s và 20Gb/s, mang lại hiệu suất truyền tải dữ liệu vượt trội.
Công nghệ truyền dẫn SDH đã có sự phát triển trong lĩnh vực vi ba, nhưng do những hạn chế của môi trường truyền dẫn sóng vô tuyến, tốc độ và chất lượng truyền dẫn vẫn không đạt được mức cao như công nghệ truyền dẫn quang.
Thị trường thông tin vệ tinh, bao gồm vệ tinh quỹ đạo thấp (LEO) và quỹ đạo trung bình (MEO), đã chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây và dự kiến sẽ tiếp tục mở rộng trong tương lai Các dịch vụ vệ tinh như DTH tương tác, truy cập Internet, băng rộng và HDTV ngày càng trở nên phổ biến Đặc biệt, thông tin vệ tinh đang phát triển mạnh mẽ trong lĩnh vực thông tin di động và cá nhân, nhờ vào việc kết hợp các ưu điểm của công nghệ CDMA, đáp ứng nhu cầu thông tin quảng bá và viễn thông nông thôn.
1.2.2 Công nghệ mạng truy nhập
• Công nghệ truy nhập hữu tuyến:
Hiện nay trên thịtrường những nhà khai thác với cơ sở hạ tầng khác nhau đưa ra những dịch vụ truy nhập dựa trên công nghệ khác nhau :
- Dial up, xDSL, ISDN dựa trên cáp đồng xoắn
- CM trên mạng cáp truyền hình CATV
- PLC trên mạng cáp điện lực
- Truy nhập quang trên CATV, PLC
• Công nghệ truy nhập vô tuyến:
Sự ra đời của Wimax đã đánh dấu một bước tiến quan trọng trong công nghệ truy cập vô tuyến, cho thấy sự hội tụ rõ rệt Mạng truy cập vô tuyến hứa hẹn cung cấp dịch vụ kết nối với tốc độ cao hơn, đồng thời đảm bảo sự cân bằng giữa tính di động và chất lượng dịch vụ.
Chuyển mạch là một thành phần quan trọng trong lớp mạng chuyển tải của cấu trúc NGN, với sự thay đổi công nghệ đáng kể so với các thiết bị chuyển mạch TDM trước đây Công nghệ chuyển mạch trong mạng thế hệ mới như IP, ATM, ATM/IP hay MPLS hiện vẫn chưa được xác định rõ, nhưng nhìn chung dựa trên công nghệ chuyển mạch gói, cho phép hỗ trợ nhiều tốc độ và dịch vụ khác nhau.
Công nghệ chuyển mạch quang đang tiến triển mạnh mẽ với các nghiên cứu thử nghiệm nhằm phát triển các thiết bị chuyển mạch quang Trong tương lai, các chuyển mạch quang sẽ được phân loại dựa trên nguyên lý hoạt động, bao gồm chuyển mạch quang phân chia theo không gian, theo thời gian và theo độ dài bước sóng.
Ki ế n trúc NGN
Mạng thế hệ sau (NGN) hiện đang là xu hướng phát triển mới trong ngành viễn thông, nhưng chưa có khuyến nghị chính thức nào từ Liên minh Viễn thông thế giới (ITU) về cấu trúc của nó Nhiều hãng viễn thông lớn như Alcatel, Ericsson, Nortel, Siemens, Lucent và NEC đã đề xuất các mô hình cấu trúc NGN khác nhau, kèm theo các giải pháp mạng và thiết bị mới Trong số đó, Alcatel, Siemens và Ericsson đã cung cấp các mô hình cấu trúc rõ ràng và giải pháp mạng cụ thể.
Hình 1.1 Cấu trúc mạng NGN
Kiến trúc mạng NGN áp dụng chuyển mạch gói cho cả thoại và dữ liệu, cho phép phân chia các khối vững chắc của tổng đài hiện tại thành các lớp mạng riêng biệt Các lớp này được kết nối với nhau thông qua các giao diện mở tiêu chuẩn, tạo ra một hệ thống linh hoạt và hiệu quả.
Sự thông minh trong việc xử lý cuộc gọi cơ bản của mạng PSTN đã được tách biệt khỏi phần cứng của ma trận chuyển mạch.
Hiện nay, sự thông minh trong mạng viễn thông được tích hợp vào thiết bị chuyển mạch mềm (Softswitch), còn được gọi là bộ điều khiển cổng truyền thông (Media Gateway Controller) hoặc tác nhân cuộc gọi (Call Agent) Thiết bị này đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển kiến trúc mạng mới, với các giao diện mở hướng tới ứng dụng mạng thông minh (IN - Intelligent Network) và các server ứng dụng mới Điều này giúp nhanh chóng cung cấp dịch vụ và đưa ra thị trường trong thời gian ngắn.
Trong lớp truyền thông, các cổng được sử dụng để thích ứng thoại và các phương tiện khác với mạng chuyển mạch gói Các media gateway kết nối thiết bị đầu cuối của khách hàng (RGW - Residential Gateway) với mạng truy nhập (AGW - Access Gateway) hoặc mạng PSTN (TGW - Trunk Access) Các server phương tiện có nhiều chức năng, bao gồm cung cấp âm quay số và thông báo, cùng với các tính năng tiên tiến như trả lời bằng tiếng nói tương tác và chuyển đổi văn bản sang tiếng nói hoặc ngược lại.
Kiến trúc mới với các giao diện mở cho phép giới thiệu nhanh chóng các dịch vụ mới và tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển các phương thức kinh doanh mới Điều này được thực hiện bằng cách phân tách chuỗi giá trị truyền thống thành nhiều dịch vụ khác nhau, có thể được cung cấp bởi các hãng khác nhau Dựa trên mô hình cấu trúc NGN và các giải pháp hiện có trên thị trường, chúng ta có thể xác định mô hình cấu trúc NGN với 4 lớp chức năng.
Hình 1.2 Phân lớp theo chức năng
Trong lĩnh vực điều khiển, sự phức tạp gia tăng do sự đa dạng của các giao thức và khả năng tương thích giữa các thiết bị Điều này đang trở thành mối quan tâm hàng đầu của các nhà khai thác.
1.3.1 Lớp truyền dẫn và truy nhập
Phần truyền dẫn sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo mật độ bước sóng (DWDM) ở lớp vật lý để đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) theo yêu cầu của ứng dụng Lớp truyền dẫn hỗ trợ nhiều mức QoS khác nhau cho cùng một dịch vụ và các dịch vụ khác nhau, đồng thời có khả năng lưu trữ thông tin về các sự kiện mạng như kích thước gói, tốc độ gói, độ trễ, tỷ lệ mất gói, và jitter cho mạng chuyển mạch gói; cũng như băng thông và độ trễ cho mạng chuyển mạch kênh TDM.
Hướng tới việc sử dụng công nghệ quang cho thông tin hữu tuyến và CDMA cho thông tin vô tuyến, mạng NGN sẽ thống nhất áp dụng công nghệ IP Mạng này cung cấp kết nối giữa thuê bao đầu cuối và mạng đường trục qua cổng giao tiếp MGW thích hợp Đồng thời, mạng NGN có khả năng kết nối với hầu hết các thiết bị đầu cuối chuẩn và không chuẩn, bao gồm các thiết bị truy xuất đa dịch vụ, điện thoại IP, máy tính PC, tổng đài nội bộ PBX, điện thoại POTS, điện thoại số ISDN, di động vô tuyến, di động vệ tinh, vô tuyến cố định và VoIP.
Lớp truyền thông có khả năng tích hợp các kỹ thuật truy cập khác nhau với kỹ thuật chuyển mạch gói IP hoặc ATM trong mạng đường trục Nói cách khác, lớp này đảm nhiệm việc chuyển đổi giữa các loại môi trường như PSTN, Frame Relay, LAN và vô tuyến sang môi trường truyền dẫn gói được sử dụng trong mạng lõi và ngược lại.
Các nút chuyển mạch ATM và IP, cùng với các hệ thống truyền dẫn, sẽ thực hiện chức năng chuyển mạch và định tuyến cuộc gọi giữa các thuê bao trong lớp truy cập, dưới sự điều khiển của các thiết bị thuộc lớp điều khiển.
Thiết bị chính trong lớp truyền thông là các cổng (Gateway) làm nhiệm vụ kết nối giữa các phần của mạng và giữa các mạng khác nhau.
Lớp điều khiển chịu trách nhiệm kết nối và cung cấp dịch vụ liên tục từ đầu đến cuối, hỗ trợ mọi loại giao thức và tín hiệu.
• Định tuyến lưulượng giữa các khối chuyển mạch
• Thiết lập yêu cầu, điều chỉnh và thay đổi các kết nối hoặc các luồng, điều khiển sắp xếp nhãn (label mapping) giữa các giao diện cổng
• Phân bổlưu lượng và các chỉ tiêu chất lượng đối với mỗi kết nối (hay mỗi luồng) và thực hiện giám sát điều khiển đểđảm bảo QoS
• Báo hiệu đầu cuối từ các trung kế, các cổng trong kết nối với lớp media
Thống kê và ghi lại các thông số về chi tiết cuộc gọi, đồng thời thực hiện các cảnh báo
• Thu nhận thông tin báo hiệu từ các cổng và chuyển thông tin này đến các thành phần thích hợp trong lớp điều khiển
Quản lý và bảo dưỡng các tuyến kết nối trong phạm vi điều khiển là rất quan trọng Cần thiết lập và quản lý hoạt động của các luồng yêu cầu đối với chức năng dịch vụ trong mạng Đồng thời, việc báo hiệu với các thành phần ngang cấp cũng đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì hiệu suất hoạt động của hệ thống.
Các chức năng quản lý và chăm sóc khách hàng được tích hợp trong lớp điều khiển, giúp tách biệt giữa dịch vụ và truyền dẫn nhờ vào các giao diện mở Điều này cho phép việc triển khai các dịch vụ mới trở nên nhanh chóng và dễ dàng.
Lớp ứng dụng cung cấp các dịch vụ với băng thông và mức độ khác nhau, trong đó một số dịch vụ tự quản lý điều khiển logic và truy cập trực tiếp vào lớp ứng dụng, trong khi các dịch vụ khác, như dịch vụ thoại truyền thống, được điều khiển từ lớp điều khiển Lớp ứng dụng kết nối với lớp điều khiển qua các giao diện API mở, cho phép các nhà cung cấp dịch vụ phát triển và triển khai ứng dụng nhanh chóng trên các dịch vụ mạng.
Một số ví dụ về các loại ứng dụng dịch vụđược đưa ra sau đây:
- Các dịch vụ thông tin và nội dung
- VPN cho thoại và số liệu
- Nhóm các dịch vụđa phương tiện
- Các trò chơi trên mạng thời gian thực …………
Hình 1.3 Sơ đồ ứng dụng dịch vụ
Các ph ầ n t ử trong m ạ ng NGN
Hình 1.4 Sơ đồ tổng quan các phần tử trong mạng NGN
1.4.1 Cổng phương tiện (MG – Media Gateway)
Media Gateway là thiết bị quan trọng cho việc truyền tải thông tin thoại, dữ liệu, fax và video giữa mạng gói IP và mạng PSTN Trong mạng PSTN, dữ liệu thoại được truyền qua kênh DS0 và cần được nén và đóng gói để chuyển vào mạng gói Để thực hiện điều này, bộ xử lý tín hiệu số (DSP) được sử dụng để thực hiện các chức năng như chuyển đổi tín hiệu từ analog sang digital, nén mã thoại, triệt tiếng dội, loại bỏ khoảng lặng, mã hóa và tái tạo tín hiệu thoại.
Các chức năng của một Media Gateway:
- Truyền dữ liệu thoại sử dụng giao thức RTP (Real Time Protocol)
Cung cấp khe thời gian T1 và tài nguyên xử lý tín hiệu số (DSP) dưới sự điều khiển của Bộ điều khiển cổng truyền thông (MGC), đồng thời quản lý tài nguyên DSP cho dịch vụ này.
- Hỗ trợ các giao thức đã có như loop-start, ground-start, E&M, CAS, QSIG và ISDN qua T1
- Quản lý tài nguyên và kết nối T1
- Cung cấp khảnăng thay nóng các card T1 hay DSP
- Có phần mềm Media Gateway dự phòng
- Cho phép khả năng mở rộng Media Gateway về: Cổng(ports), cards, các nút mà không làm thay đổi các thành phần khác
1.4.2 Bộ điều khiển (MGC – Media Gateway Controller)
MGC là đơn vị chức năng chính trong hệ thống Softswitch, chịu trách nhiệm thiết lập các quy tắc xử lý cuộc gọi, trong khi MG và SG thực hiện các quy tắc này MGC không chỉ điều khiển SG trong việc thiết lập và kết thúc cuộc gọi mà còn giao tiếp với các hệ thống OSS và BSS.
MGC là cầu nối giữa các mạng khác nhau như PSTN, SS7 và mạng IP, quản lý lưu lượng thoại và dữ liệu Được gọi là Call Agent, MGC điều khiển các bản tin và kết hợp với MG, SG để tạo thành cấu hình tối thiểu cho Softswitch.
Các chức năng của Media Gateway Controller :
- Các giao thức thiết lập cuộc gọi thoại : H.323, SIP
- Giao thức điều khiển truyền thông : MGCP, Megaco, H.248
- Quản lý lớp dịch vụ và chất lượng dịch vụ
- Giao thức quản lý SS7 : SIGTRAN (SS7 over IP)
- Xử lý báo hiệu SS7
- Quản lý các bản tin liên quan QoS như RTCP.
- Thực hiện định tuyến cuộc gọi
- Ghi lại các thông tin chi tiết của cuộc gọi đểtính cước (CDR-Call Detail Record)
- Điều khiển quản lý băng thông.
+ Xác định và cấu hình thời gian thực cho các DSP
+ Truyền dẫn thoại (mã hóa, nén, đóng gói).
- Đối với Signaling Gateway, MGC cung cấp :
+ Các bộ xử lý thời gian
+ Mã của nút mạng hay thông tin cấu hình
1.4.3 Cổng báo hiệu (SG – Signaling Gateway)
Signaling Gateway (SG) đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối mạng báo hiệu SS7 với mạng IP dưới sự quản lý của MGC (Media Gateway Controller) Với chức năng này, SG biến Softswitch thành một nút trong mạng báo hiệu SS7, giúp xử lý hiệu quả thông tin báo hiệu.
Các chức năng của Signaling Gateway:
- Cung cấp một kết nối vật lý đến mạng báo hiệu
- Truyền thông tin báo hiệu giữa Media Gateway Controller và Signaling Gateway thông qua mạng IP
- Cung cấp đường dẫn truyền dẫn cho thoại, dữ liệu và các dạng dữ liệu khác (Thực hiện truyền dữ liệu là nhiệm vụ của Media Gateway)
- Cung cấp các hoạt động SS7 có sự sẵn sàng cao cho các dịch vụ viễn thông
Media Server là một thành phần quan trọng trong hệ thống Softswitch, có chức năng xử lý các thông tin đặc biệt Để đảm bảo hiệu suất tối ưu, Media Server cần được trang bị phần cứng DSP chất lượng cao.
Các chức năng của một Media Server:
- Chức năng voice, mail cơ bản
- Hộp thư fax tích hợp hay các thông báo có thể sử dụng e-mail hay các bản tin ghi âm trước (pre-recorded message)
- Khảnăng nhận tiếng nói (nếu có)
- Khảnăng hội nghị truyền hình (video conference)
- Khảnăng chuyển thoại sang văn bản (speech-to-text)
Feature Server là một máy chủ ứng dụng cung cấp nhiều dịch vụ cho doanh nghiệp, thường được gọi là máy chủ ứng dụng thương mại Các máy chủ này có khả năng tự quản lý dịch vụ và truyền thông qua mạng IP, do đó không bị ràng buộc nhiều với Softswitch trong việc phân chia hoặc nhóm các thành phần ứng dụng.
Các dịch vụ cộng thêm có thể hoạt động độc lập hoặc gắn liền với Call Agent Những ứng dụng này sử dụng các giao thức như SIP và H.323 để giao tiếp với Call Agent Mặc dù chúng thường không phụ thuộc vào phần cứng, nhưng lại cần truy cập vào cơ sở dữ liệu đặc trưng.
Một vài ví dụvềcác dịch vụ đặc tính :
Hệ thống tính cước của Call Agents sử dụng các bộ CDR (Call Detail Record) với nhiều đặc tính nổi bật, như khả năng ứng dụng tốc độ tùy thuộc vào loại đường truyền và thời điểm trong ngày Dịch vụ này giúp khách hàng dễ dàng truy cập vào bản tin tính cước của mình qua cuộc gọi điện thoại hoặc trang web.
H.323 Gatekeeper là dịch vụ hỗ trợ định tuyến qua các miền mạng khác nhau, cho phép mỗi miền đăng ký số điện thoại và số truy cập trung kế.
Gatekeeper sử dụng giao thức H.323 để cung cấp dịch vụ định tuyến cuộc gọi và chuyển đổi sang dạng số cho các đầu cuối H.323 Ngoài ra, Gatekeeper còn hỗ trợ điều khiển tính cước và quản lý băng thông cho Softswitch.
- VPN - dịch vụ này sẽ thiết lập mạng riêng ảo cho khách hàng với các đặc tính sau:
+ Băng thông xác định (thông qua mạng thuê riêng tốc độ cao)
+ Nhiều tính năng riêng theo chuẩn
+ Kế hoạch quay số riêng
+ Bảo mật các mã thoại được truyền dẫn.
Các giao th ứ c báo hi ệu và điề u khi ể n trong m ạ ng NGN
Kiến trúc của NGN là kiến trúc phân tán, cho phép các chức năng như báo hiệu, xử lý báo hiệu, chuyển mạch và điều khiển cuộc gọi được thực hiện bởi các thiết bị phân tán trong mạng Để tạo kết nối giữa các đầu cuối và cung cấp dịch vụ, các thiết bị này cần trao đổi thông tin báo hiệu và điều khiển Việc trao đổi này được quy định bởi các giao thức báo hiệu và điều khiển trong mạng Trong NGN, có một số giao thức báo hiệu và điều khiển cơ bản.
Tác nhân cuộc gọi / MGC
Báo hiệu SIP/SIP-T, H.323, Q.BICC
SS7/BICC ISUP, INAP Báo hiệu PSTN/IN
RTCP Điện thoại hoặc đầu cuối IPl
Tác nhân cuộc gọi/MGC
Hình 1.5 Các giao thức báo hiệu và điều khiển trong mạng NGN
Các giao thức truyền thông có thể được chia thành hai loại: giao thức ngang hàng (H.323, SIP, BICC) và giao thức chủ tớ (MGCP, MEGACO/H.248) Sự khác biệt chính giữa hai phương pháp này nằm ở cách phân bổ "khả năng thông minh" giữa các thiết bị biên của mạng và các server Việc lựa chọn phương pháp nào phụ thuộc vào chi phí hệ thống, triển khai dịch vụ và tính khả thi Do đó, một giải pháp tổng thể kết hợp ưu điểm của cả hai phương pháp nên được xem xét.
Sự so sánh giữa hai cách tiếp cận này được trình bày trong bảng sau:
Bảng 1.1 So sánh 2 giao thức chủ/tớ và ngang hàng
Khai thác - Thiết bị cổng đơn giản
- Ứng dụng được đặt tại các Server
- Thiết bị cổng phức tạp
- Chỉ triển khai dịch vụ tại các server
- Thời gian triển khai dịch vụ trên mạng ngắn
- Chỉ nâng cấp các Server điều khiển
- Quản lí các dịch vụ linh hoạt trên toàn mạng
- Triển khai trên từng thiết bị
- Thời gian triển khai trên mạng lớn
- Phải nâng cấp tất cả thiết bị mạng khi triển khai một dịch vụ mới trên toàn bộ mạng
- Thiết bị cổng được tối ưu về chi phí dẫn tới tổng chi phí giảm
- Vòng đời sản phẩm của các thiết bị cổng dài hơn.
- Thiết bị mạng có giá thành cao làm cho chi phí tổng thể lớn
- Theo thời gian, thiết bị cổng có thể phải thường xuyên nâng cấp
Ví dụ về các giao thức
K ế t lu ận chương 1
Trong chương một, bài viết đã giới thiệu các khái niệm cơ bản về mạng NGN, bao gồm đặc trưng và cấu trúc của mạng Mạng thế hệ sau NGN đang được các tổ chức viễn thông lớn trên thế giới nghiên cứu và chuẩn hoá, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về tính mở, sự tương thích và linh hoạt trong việc cung cấp đa dịch vụ và đa phương tiện với các tính năng ngày càng phong phú.
Mạng viễn thông tại Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu trong nền kinh tế hội nhập toàn cầu, và việc chuyển đổi hoàn toàn sang công nghệ mạng NGN là điều cần thiết Quá trình xây dựng mạng NGN cần được thực hiện từng bước, đảm bảo sự tương thích và phối hợp với hạ tầng mạng hiện tại Đồng thời, cần chú trọng đến việc nâng cao hiệu suất và ổn định hoạt động của mạng để đáp ứng tốt hơn nhu cầu sử dụng.
CÔNG NGHỆ CHUY Ể N M Ạ CH NHÃN MPLS
Gi ớ i thi ệ u
Chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS) là công nghệ do IETF phát triển nhằm khắc phục các hạn chế của định tuyến IP truyền thống MPLS cung cấp khả năng định tuyến nhanh chóng, quản lý dễ dàng và khả năng truyền tải lưu lượng lớn, đồng thời tương thích với các kiến trúc định tuyến mở Đây là kỹ thuật tiên tiến cho mạng chuyển tiếp dữ liệu, giúp tối ưu hóa hiệu suất mạng.
MPLS (Chuyển mạch nhãn đa giao thức) là công nghệ mạng cho phép gán nhãn cho các gói tin, giúp quyết định chuyển tiếp mà không cần tra cứu IP tại từng nút mạng Hoạt động giữa lớp 2 và lớp 3, MPLS được xem là kỹ thuật lớp 2.5, cung cấp khả năng mở rộng cho mạng riêng ảo và hỗ trợ chất lượng dịch vụ (QoS) từ đầu cuối đến đầu cuối.
Các thành ph ầ n c ủ a MPLS
2.2.1 Router chuyển mạch nhãn (LSR)
Router chuyển mạch nhãn (LSR) là loại router hỗ trợ công nghệ MPLS, cho phép hiểu và xử lý các nhãn MPLS Chúng có khả năng nhận và truyền tải các gói tin được gán nhãn một cách hiệu quả.
• LSR đầu vào (Ingress LSR)
Ingress LSR nhận gói tin không có nhãn, chèn một nhãn vào phần đầu của gói và gửi nó vào một liên kết dữ liệu.
• LSR đầu ra (Egress LSR)
Egress LSR nhận một gói tin đã dán nhãn, gỡ bỏ nhãn và gửi nó vào một liên kết dữ liệu Ingress và Egress là các router biên.
• LSR trung gian (Intermediate LSR)
Intermediate LSR nhận một gói tin đã gán nhãn, xử lý thông tin, chuyển mạch gói và gửi nó ra liên kết chính xác.
2.2.2 Đường chuyển mạch nhãn (LSP) Đường chuyển mạch nhãn (LSP) là đường mà gói tin đi vào Ingress Router LSR đến Intermediate Router sau đó chuyển tiếp qua Egress router
Hình 2.1 Đường chuyển mạch nhãn (LSP)
Gói tin từ mạng A được chuyển tới mạng B theo đường mũi tên theo đường chuyển mạch nhãn LSP.
2.2.3 Lớp chuyển tiếp tương đương
Lớp chuyển tiếp tương đương (FEC) là nhóm các gói được chuyển tiếp theo cùng một tuyến đường và xử lý giống nhau FEC bao gồm ba thành phần chính: tiền tố địa chỉ, nhận dạng bộ định tuyến và đặc tính luồng Tất cả các gói thuộc cùng một FEC sẽ mang nhãn giống nhau.
Một tuyến chuyển mạch nhãn chuyên biệt có thểđược sử dụng cho nhiều lớp chuyển tiếp tương đương.
Các gói tin IP1 và IP2 được gán cùng một nhãn và chuyển tiếp qua cùng một đường, vì chúng được định nghĩa trong cùng một lớp chuyển tiếp tương ứng với FEC.
Hình 2.2 Lớp chuyển tiếp tương đương FEC
Tiêu đề của lớp mạng không được kiểm tra trong một đường LSP, điều này cho phép các Router LSRs trong một đường hầm Tunnel hoạt động mà không cần có một bảng chuyển tiếp IP đầy đủ.
MPLS sử dụng một tiêu đề dài 32 bit, trong đó 20 bit đầu tiên dành cho nhãn thực tế, 3 bit tiếp theo được gọi là bit thực nghiệm, được Cisco sử dụng để xác định lớp dịch vụ (CoS) Các router áp dụng kỹ thuật MPLS có thể cần chèn các nhãn phức tạp để gửi gói tin qua mạng Để xác định nhãn cuối cùng, một bit ở đỉnh chồng nhãn (BoS) được sử dụng; nếu bit này có giá trị 1, nó chỉ ra rằng đó là nhãn cuối cùng Cuối cùng, 8 bit còn lại xác định TTL (time to live), tương tự như trong kỹ thuật IP thông thường.
Label 20 Bits EXP 3 Bits S 1 Bits TTL 8 Bits
Nhãn được chèn giữa tiêu đề lớp 2 và tiêu đề lớp 3 trong gói tin, như được mô tả trong Hình 2.3.
MPLS Label Stack IP Header Data Data link
MPLS Label Stack IP Header Data MACTrailer
MPLS Label Stack IP Header Data Top MPLS Label
MPLS Label Stack IP H eader Data Top MPLS Label
Fram e Relay Header d Frame Relay Frame c ATM Cell b IEEE 802 MAC Fram e a Data Link Fram e
Hình 2.3 Vị trí của nhãn trong các cấu trúc khung lớp 2
Các router MPLS đôi khi cần nhiều hơn một nhãn trước của tiêu đề gói tin
Để định tuyến gói tin qua mạng MPLS, IP sẽ đóng gói các nhãn vào chồng nhãn Nhãn đầu tiên trong chồng được gọi là nhãn đỉnh, trong khi nhãn cuối cùng được gọi là nhãn đáy, và số lượng nhãn ở giữa có thể là bất kỳ.
Ho ạt độ ng c ủ a MPLS
Mặt phẳng điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc trao đổi thông tin định tuyến và thông tin gán nhãn giữa các router liền kề Các giao thức định tuyến trạng thái đường link, như OSPF, BGP, IS-IS, RIP và EIGRP, giúp quảng bá thông tin định tuyến mà không cần thiết phải thực hiện giữa các router láng giềng Trong khi đó, việc phân phối thông tin nhãn chỉ diễn ra giữa các router cận kề Mặt phẳng điều khiển bao gồm hai loại giao thức: giao thức định tuyến và giao thức trao đổi thông tin nhãn, như MPLS LDP và BGP được sử dụng trong MPLS VPN.
Mặt phẳng dữ liệu MPLS có cơ cấu chuyển tiếp đơn giản dựa trên nhãn, sử dụng hai bảng chính trên mỗi router: bảng LIB và LFIB Bảng LIB lưu trữ tất cả nhãn nội bộ và nhãn ánh xạ từ các router láng giềng, trong khi bảng LFIB chứa tập hợp nhãn từ LIB để chuyển tiếp gói tin Các router MPLS dựa vào thông tin trong LFIB và giá trị nhãn để quyết định chuyển tiếp gói tin hiệu quả.
Hình 2.5 chỉ ra hoạt động định tuyến của MPLS trong các mạng lớn Có hai loại Router, router biên và router lõi Các quyết định định tuyến chỉđược đưa
Các router lớp biên sử dụng 16 ra, trong khi các router lớp lõi chuyển tiếp gói tin dựa trên các nhãn Hai tính năng này giúp tăng tốc độ chuyển tiếp gói tin trong mạng.
Router tra c ứ u và gán nhãn
Nhãn 23 đượ c hoán đổ i thành nhãn 25
Hình 2.5 Hoạt động chuyển mạch nhãn
Trong hình 2.5 PE1 và PE2 là các router biên còn P là router lõi Gói tin
IP có địa chỉ 10.2.2.1 đi vào router biên PE1 (router được khai báo kỹ thuật
Trong mạng MPLS, router biên PE1 thực hiện tra cứu thông tin định tuyến và gán nhãn 23 cho gói tin, sau đó chuyển tiếp đến router lõi P Router lõi P thay thế nhãn cũ bằng nhãn mới 25 và gửi gói tin đến router biên PE2 Tại đây, router PE2 tiếp tục tra cứu thông tin định tuyến, gỡ bỏ nhãn và chuyển gói tin đến đích như một gói IP thông thường Quá trình này được gọi là tuyến LSP.
Phân ph ố i nhãn
Để chuyển tiếp các gói qua đường chuyển mạch nhãn trong mạng MPLS, tất cả các LSR cần phải sử dụng một giao thức phân phối nhãn và trao đổi các ràng buộc nhãn Khi các LSR đã có nhãn cho một FEC nhất định, gói tin có thể được chuyển tiếp trên LSP thông qua việc chuyển mạch nhãn tại mỗi LSR Các thao tác với nhãn như hoán đổi, thêm hoặc gỡ bỏ được thực hiện tại mỗi LSR bằng cách tra cứu LFIB, bảng chuyển tiếp các gói được gắn nhãn LFIB được xây dựng từ các ràng buộc nhãn trong LIB, mà LIB lại được tạo ra từ các ràng buộc nhãn do LDP, giao thức đặt trước tài nguyên (RSVP), và đa giao thức cổng biên (MP) cung cấp.
BGP: Multiprotocol Border Gateway Protocol), hoặc các ràng buộc nhãn được gán tĩnh RSVP phân phối các nhãn chỉ cho kỹ thuật lưu lượng MPLS và MP-
BGP chỉ phân phối các nhãn cho các tuyến BGP, còn LDP phân phối nhãn cho các tuyến nội
Các giao thức phânphối nhãn:
TDP là giao thức độc quyền do Cisco phát triển, trong khi LDP được thiết kế bởi IETF Mặc dù TDP và LDP hoạt động tương tự nhau, LDP có nhiều chức năng vượt trội hơn và đã nhanh chóng thay thế TDP trong các ứng dụng mạng.
Giao thức (RSVP) chỉ được sử dụng cho kỹ thuật lưu lượng (TE) trong công nghệ MPLS
2.4.1 Giao thức phân phối nhãn (LDP)
Trong mạng MPLS, mỗi LSR gán nhãn cho mọi prefix IP trong bảng định tuyến của nó, tạo thành các ràng buộc nội bộ Những ràng buộc này sau đó được phân phối đến các router láng giềng, trở thành ràng buộc từ xa Cả ràng buộc từ xa và nội bộ đều được lưu trữ trong bảng cơ sở thông tin nội bộ (LIB).
Tất cả các LSR cần thiết lập một quan hệ hàng xóm LDP hoặc phiên LDP để kết nối trực tiếp với nhau Qua phiên LDP, các chặng LDP sẽ trao đổi thông tin ánh xạ nhãn Ánh xạ nhãn, hay còn gọi là ràng buộc nhãn, là một nhãn gắn liền với một FEC FEC là tập hợp các gói được ánh xạ cho một LSP nhất định và được chuyển tiếp qua mạng MPLS.
LDP có 4 chức năng chính:
• Phát hiện các LSR chạy LDP
• Thiết lập và duy trì phiên
• Thông báo các ánh xạ nhãn
• Duy trì hoạt động bằng thông báo
Khi hai LSR chạy LDP và chia sẻ liên kết, chúng phát hiện nhau thông qua các bản tin Hello và thiết lập một phiên qua kết nối TCP Qua kết nối này, LDP thông báo các bản tin ánh xạ nhãn giữa hai chặng LDP, cho phép thông báo, thay đổi hoặc rút lại các ràng buộc nhãn Đồng thời, LDP cũng có khả năng gửi các bản tin thông báo lỗi hoặc cảnh báo trước đến hàng xóm LDP.
2.4.2 Bảng cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn (LFIB)
Bảng LFIB được sử dụng để chuyển tiếp các gói tin có nhãn trong mạng MPLS, chứa thông tin quan trọng về các nhãn đi và đến của các LSPs Thông qua bảng này, các gói tin có thể được chuyển tiếp một cách hiệu quả trong mạng.
Chỉ có các router egress trong mạng MPLS nhận thức được tải trọng, trong khi các router LSR chỉ cần thông tin về nhãn để quyết định chuyển tiếp Tất cả các nhãn sẽ được loại bỏ bởi router egress trong miền MPLS.
Ứ ng d ụ ng c ủ a MPLS
Internet bao gồm ba nhóm ứng dụng chính: giọng nói, dữ liệu và video, mỗi nhóm có những yêu cầu riêng biệt Ứng dụng giọng nói cần độ trễ thấp và có thể chấp nhận một mức độ thất thoát dữ liệu nhất định để cải thiện hiệu suất.
Video QoS cho phép thất thoát dữ liệu ở mức chấp nhận được trong thời gian thực Dữ liệu yêu cầu độ bảo mật và chính xác cao, trong khi MPLS giúp khai thác tài nguyên mạng một cách hiệu quả.
Nhà cung cấp dịch vụ có khả năng thiết lập VPN lớp 3 trên mạng đường trục, phục vụ nhiều khách hàng bằng cách sử dụng một cơ sở hạ tầng công cộng có sẵn mà không cần đến các ứng dụng mã hóa hoặc thiết bị đầu cuối của người dùng.
MPLS cung cấp khả năng điều khiển lưu lượng mạng một cách hiệu quả, cho phép thiết lập các tuyến lưu lượng đơn giản hoặc phức tạp Bên cạnh đó, nó hỗ trợ việc xác định các đặc trưng phẩm chất cho từng kiểu lưu lượng, giúp tối ưu hóa hiệu suất mạng.
Dùng QoS các nhà cung cấp dịch vụ có thể cung cấp nhiều loại dịch vụ với sựđảm bảo tối đa về QoS cho khách hàng.
K ế t lu ận chương 2
Trong chương hai, chúng ta đã khám phá công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS, một công nghệ tiên tiến được sử dụng rộng rãi trong các mạng đường trục với lưu lượng lớn MPLS cho phép lưu trữ hàng triệu tuyến chuyển tiếp trong bảng định tuyến, bao gồm các Router chuyển mạch nhãn lớp lõi chịu trách nhiệm chuyển tiếp gói tin dựa trên nhãn Bên cạnh đó, các router ở biên miền có nhiệm vụ chuyển tiếp gói tin giữa miền nhãn và miền IP Chương cũng đề cập đến cấu trúc phần tiêu đề nhãn và các lớp chuyển tiếp tương đương FEC.
Công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS) hoạt động trên hai mặt phẳng chính: mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu Nó sử dụng các cơ chế phân phối, ánh xạ nhãn và bảng định tuyến để cập nhật thông tin và đưa ra quyết định chuyển mạch Đặc điểm nổi bật của MPLS là khả năng tương thích với nhiều giao thức định tuyến ở lớp 3 cũng như các công nghệ chuyển mạch lớp 2 như Ethernet, Frame Relay, HDLC và PPP.
T ổ ng quan v ề điề u khi ển lưu lượ ng trong MPLS
3.1.1 Hoạt động định hướng lưu lượng và định hướng tài nguyên
Kỹ thuật lưu lượng (TE - Traffic Engineering) là phương pháp quản lý và điều phối các luồng dữ liệu trong mạng nhằm tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên và nâng cao hiệu suất hoạt động của mạng.
Hoạt động này nhằm đảm bảo nguồn tài nguyên mạng hỗ trợ chất lượng dịch vụ (QoS) cho người dùng, cải thiện hiệu quả sử dụng tài nguyên và tránh tình trạng nghẽn mạng Mục tiêu là đảm bảo rằng các thuộc tính nhất định của đường truyền được duy trì, tài nguyên truyền dẫn có sẵn trên từng đường truyền cụ thể, đồng thời xác định ưu tiên cho các luồng lưu lượng khi xảy ra tranh chấp tài nguyên.
Mạng chuyển mạch đa nhãn giao thức (MPLS) thiết lập đường truyền chuyển nhãn (LSP) để tối ưu hóa lưu lượng chuyển tiếp MPLS-TE sử dụng đường hầm TE để kiểm soát lưu lượng đến đích cụ thể, đồng thời áp dụng định tuyến động để tạo bảng định tuyến mà không cần thông tin đầy đủ từ các tuyến lân cận Phương pháp này còn cho phép dự trữ băng thông khi xây dựng LSP, mang lại tính linh hoạt cao hơn so với kỹ thuật lưu lượng chuyển tiếp chỉ dựa vào địa chỉ đích.
Khi tìm hiểu về kỹ thuật lưu lượng với MPLS, ta cần làm rõ các vấn đề sau:
3.1.1.1 Sự phân phối thông tin (Information distribution)
Các bộ định tuyến nhận diện mạng và tài nguyên có sẵn thông qua việc tìm kiếm đường truyền phù hợp với các điều kiện ràng buộc cần thiết cho việc phân phối thông tin Để xác định các đường truyền khả thi đến đích, các điều kiện này sẽ được đưa vào tính toán, đảm bảo rằng thông tin được truyền tải một cách hiệu quả và chính xác.
- Băng thông yêu cầu cho một LSP cụ thể(như 10 Mbps từ nguồn x đến y)
- Các thuộc tính (như màu sắc) của liên kết cho phép lưu lượng qua
- Giá trịmetic được gán cho liên kết
- Số chặng mà lưu lượng được phép truyền qua
- Độưu tiên thiết lập của LSP
Các điều kiện được chia thành hai loại: (a) thuộc tính liên kết, bao gồm băng thông sẵn có, màu liên kết và giá trị metric; và (b) thuộc tính LSP, như số chặng và độ ưu tiên.
Việc tính toán đường truyền đáp ứng các điều kiện ràng buộc cần thông tin về khả năng của từng liên kết, và thông tin này phải được phân phối đến tất cả các nút trong mạng để thực hiện tính toán Do đó, các thuộc tính liên kết cần được quảng bá qua mạng, điều này có thể được thực hiện bằng cách bổ sung các mở rộng về Kỹ thuật Tối ưu hóa Đường truyền (TE) vào các giao thức trạng thái liên kết như IS-IS (Hệ thống trung gian đến Hệ thống trung gian) và các giao thức tìm đường.
OSPF (Open Shortest Path First) cho phép quảng bá trạng thái và các thuộc tính quản lý của liên kết cùng băng thông sẵn có cho các LSP tại mỗi độ ưu tiên Nhờ đó, mỗi nút trong mạng có thể biết các thuộc tính của tất cả các liên kết Thông tin này được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu TE (TED - TE Database) trên mỗi router, phục vụ cho việc tính toán đường truyền hiệu quả.
Nói chung, việc mở rộng giao thức cổng nội bộ (IGP - Interior Gateway Protocol) trong kỹ thuật lưu lượng đảm bảo các thuộc tính liên kết liên quan đến
TE có sẵn tại tất cả các nút trong mạng
3.1.1.2 Tính toán và thiết lập đường truyền (Path calculation and setup)
Các bộ định tuyến quyết định tạo các đường hầm LSP (TE tunnel) thông qua các thuật toán như đường đi ngắn nhất (SPF) và SPF ràng buộc (CSPF) CSPF tính toán đường đi ngắn nhất dựa trên việc quản lý metric và chỉ xem xét các đường thỏa mãn điều kiện ràng buộc, chẳng hạn như băng thông sẵn có, bằng cách loại bỏ các liên kết không đáp ứng yêu cầu Ví dụ, nếu LSP A-D yêu cầu băng thông 120Mbps nhưng chỉ có 30Mbps sẵn có trên tuyến A-C-G-D, CSPF sẽ không chọn tuyến này cho LSP B-D.
40 Mbps, thì các liên kết C-G và G-D phải bị loại đi khỏi mô hình mạng và CSPF sẽ chọn tuyến thay thế tốt nhất có sẵn.
Khi áp dụng điều kiện về "màu liên kết", các liên kết sẽ được cấu hình với màu sắc khác nhau, với tối đa 32 màu có thể sử dụng Ví dụ, trong mạng, liên kết E-F và F-D được gán màu "đỏ", C-D là "xanh lam", C-G không có màu, trong khi C-E được gán cả "đỏ" và "xanh lục" Màu sắc của các liên kết thường được xác định dựa trên các thuộc tính như độ trễ, độ mất gói, chi phí hoặc vị trí địa lý.
Các màu sắc trong hệ thống LSP cho biết liệu một tuyến có chứa liên kết nào hay không Ví dụ, nếu liên kết có độ trễ cao được gán màu "xanh lam", ta có thể tính toán đường truyền mà không tính đến liên kết đó bằng cách loại bỏ các liên kết "xanh lam" Như minh họa trong Hình 3.1, giả sử liên kết C-D là liên kết độ trễ cao, LSP1 được thiết lập giữa C và D với điều kiện không có liên kết nào trong tuyến được gán màu "xanh lam" Mặc dù C-D là đường đi ngắn nhất, nó vẫn bị loại khỏi tính toán do có màu sắc này.
LSP và "xanh lam" sẽ thiết lập một tuyến mới không bao gồm C-D, ví dụ như C-G-D Tương tự, LSP2 sẽ được tạo ra giữa C và D với yêu cầu phải có "liên kết đỏ", và tất cả các liên kết trong tuyến sẽ được gán màu "đỏ", bao gồm cả C-E, sẽ có hai màu "đỏ" và "xanh lam" Theo thuật toán CSPF, các liên kết không phù hợp với các điều kiện ràng buộc sẽ bị loại khỏi mô hình.
Hình 3.1 Sử dụng màu liên kết
Giống như SPF, thuật toán CSPF cũng chỉ cho ra một đường truyền đơn Khi có nhiều đường đi cùng tốt, chỉ một đường được chọn Các phương pháp quyết định đường đi trong CSPF bao gồm chọn ngẫu nhiên, chọn theo least-fill (liên kết còn trống) hoặc most-fill (liên kết đã đầy).
Để đảm bảo lưu lượng không bị phân tán khỏi đường truyền mong muốn, cần thiết lập một bộ chuyển mạch nhãn chuyển tiếp trạng thái dọc theo đường truyền, bất kể sự tính toán đường truyền diễn ra như thế nào.
3.1.1.3 Thuộc tính ưu tiên (priority) và sự chiếm trước (preemption) LSP
MPLS-TE sử dụng độ ưu tiên của LSP để phân loại và ưu tiên các LSP quan trọng hơn, cho phép chúng chiếm tài nguyên từ các LSP khác Hệ thống này cung cấp tám mức độ ưu tiên, với 0 là tốt nhất và 7 là kém nhất; ví dụ, LSP có độ ưu tiên 2 sẽ được ưu tiên hơn LSP có độ ưu tiên 6 Mỗi LSP có hai loại độ ưu tiên: độ ưu tiên thiết lập (setup priority) và độ ưu tiên lưu giữ (hold priority) Độ ưu tiên thiết lập xác định việc truy xuất tài nguyên khi LSP được tạo, trong khi độ ưu tiên lưu giữ kiểm soát quyền truy cập tài nguyên cho LSP mới được tạo.
Khi một LSP mới được thiết lập mà không đủ tài nguyên, độ ưu tiên cài đặt của nó sẽ được so sánh với độ ưu tiên lưu giữ của LSP cũ để xác định khả năng chiếm dụng tài nguyên Nếu LSP mới có độ ưu tiên cao hơn, LSP cũ sẽ bị hủy bỏ Tóm lại, mức độ ưu tiên là yếu tố quyết định cách thức xử lý tranh chấp tài nguyên trong mạng.
3.1.1.4 Chuyển tiếp lưu lượng vào một đường hầm (Forwarding traffic down a tunnel)
Các cơ chế điề u khi ển lưu lượ ng
MPLS là sự kết hợp giữa công nghệ lớp 2 và lớp 3, cho phép điều khiển lưu lượng một cách linh hoạt hơn bằng cách áp dụng các đặc tính của lớp 2 vào lớp 3 Điều này giúp tạo ra một lớp mạng thống nhất, mang lại những ưu điểm tương tự như việc kết hợp mạng lớp 3 với mạng lớp 3 Hệ thống điều khiển lưu lượng của MPLS được xây dựng dựa trên các cơ chế hiệu quả.
Các đường hầm chuyển mạch nhãn được báo hiệu thông qua RSVP mở rộng cho điều khiển lưu lượng
Giao thức liên kết trong phạm vi liên miền IGP như IS-IS và OSPF có những mở rộng cho phép gửi thông tin tài nguyên và tự động định tuyến lưu lượng vào các đường hầm LSP khi được tích hợp.
Gửi chuyển tiếp chuyển mạch nhãn (MPLS) cung cấp khả năng giống lớp 2 cho các bộ định tuyến, cho phép gửi lưu lượng qua nhiều bước nhảy bằng cách sử dụng thuật toán định tuyến theo tài nguyên, đảm bảo tuyến đường ngắn nhất và đáp ứng yêu cầu về băng thông, phương tiện truyền thông và mức ưu tiên của từng luồng MPLS cũng có khả năng phục hồi lỗi về nút mạng và liên kết, điều chỉnh cấu hình mạng xương sống và tự động thiết lập đường hầm qua mạng bằng RSVP Trước đây, điều khiển lưu lượng (TE) chỉ tồn tại trong mạng ATM hoặc Frame Relay, với mục tiêu tối ưu hóa việc truyền lưu lượng giữa các điểm cuối thông qua các mạch ảo Ngày nay, mạng IP đã trở thành giao thức chính, và ngày càng nhiều mạng sử dụng giải pháp toàn IP hoặc chạy IP qua MPLS, yêu cầu thực hiện TE trong mạng IP Mặc dù TE có thể không khả thi trong mạng toàn IP, nhưng có thể áp dụng trong mạng IP/MPLS thông qua giải pháp điều khiển lưu lượng MPLS.
Sự gia tăng độ phức tạp của mạng hiện nay đòi hỏi tốc độ liên kết phải được cải thiện, cho phép tích hợp nhiều băng tần MPLS TE là giải pháp hiệu quả giúp giải quyết vấn đề này.
- MPLS TE cung cấp việc phân bổ lưu lượng có hiệu quả qua mạng, tránh trường hợp các liên kết bị quá tải
- MPLS TE tính toán băng tần được cầu hình của 1 liên kết
- MPLS TE tính toán các thuộc tính của các kết nối như khoảng cách, độ trễ, jiter
- MPLS TE tự động thích ứng với sự thay đổi của băng tần và các thuộc tính của kết nối
- Định tuyến theo nguồn được áp dụng trong điều khiển lưu lượng tương phản với định tuyến dựa trên địa chỉ đích trong IP.
MPLS TE cho phép bộ định tuyến đầu tiên của đường chuyển mạch nhãn (LSP) tính toán tuyến đường hiệu quả nhất qua mạng, yêu cầu cấu hình mạng và thông tin về băng thông còn lại trên tất cả các liên kết Để thiết lập đường chuyển mạch nhãn end-to-end, cần phải kích hoạt MPLS trên các bộ định tuyến Việc sử dụng chuyển mạch nhãn thay vì chuyển mạch IP cho phép định tuyến dựa trên nguồn, mang lại hiệu quả cao hơn trong quản lý lưu lượng mạng.
MPLS truyền dữ liệu thông qua việc so sánh nhãn đầu vào với bảng cơ sở dữ liệu nhãn (LFIB) và hoán đổi nhãn đầu ra Nhờ đó, bộ định tuyến chuyển mạch nhãn trong một LSP có khả năng quyết định định tuyến các gói tin được gán nhãn, sau khi tất cả các LSR đồng ý về nhãn được sử dụng cho LSP này.
MPLS TE có thể được triển khai trong bất kỳ mạng nào có các LSR, tuy nhiên, băng thông và các thuộc tính khác của liên kết chỉ có thể được nhận biết bởi LSR đầu cuối của các LSP Giao thức định tuyến giữa các LSR đầu cuối trong MPLS TE là giao thức định tuyến trạng thái liên kết, cho phép mỗi bộ định tuyến xây dựng trạng thái các đường kết nối của chính nó Điều này có nghĩa là tất cả các bộ định tuyến trong vùng đều nắm rõ thông tin về cấu trúc của vùng đó LSR đầu cuối có khả năng kiểm soát lưu lượng thông qua các LSP, được gọi là đường hầm MPLS TE, tuy nhiên, chúng khác với các đường hầm GRE.
TE chỉ được cấu hình trên các LSR đầu cuối, điều này khiến cho mỗi LSP trở nên độc nhất Ngoài ra, trong khi đường hầm TE yêu cầu thực hiện báo hiệu, đường hầm GRE lại không cần thiết phải làm như vậy.
Trong một mạng MPLS, việc điều khiển lưu lượng có thể thực hiện qua hai phương pháp chính Đầu tiên, chúng ta có thể thiết lập đường hầm MPLS TE giữa các cặp LSR biên, giúp điều hướng lưu lượng để tránh tắc nghẽn và đảm bảo các yêu cầu về băng tần, độ trễ và jitter Một ví dụ điển hình là MPLS VPN, nơi có thể tạo đường hầm điều khiển lưu lượng giữa các bộ định tuyến PE Thứ hai, MPLS TE có thể được áp dụng tại bất kỳ điểm nào trong mạng mà không cần thiết lập các đường hầm TE trước Các đường hầm TE có thể được tạo ra theo yêu cầu, và việc ánh xạ lưu lượng tới các LSP TE là một yếu tố quan trọng, sẽ được phân tích chi tiết trong phần tiếp theo về “Truyền lưu lượng trên các LSP TE”.
31 đường hầm MPLS TE” Khi không có lưu lượng vào các đường hầm TE, các đường hầm này không được dùng đến.
Các giao th ứ c
3.3.1 Giao thức phân phối nhãn LDP
Giao thức phân phối nhãn (LDP) được IETF công bố trong RFC 3036, đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý nhãn trong mạng Hình 3.7 minh họa vị trí của LDP cùng với các mối liên kết chức năng cơ bản của nó với các giao thức khác, cho thấy sự tương tác và tích hợp của LDP trong hệ thống mạng.
Thành phần giao thức MPLS Thành phần giao thức không phải MPLS
Cơ sở thông tin nhãn
Mgr Dscy Sess Adtv Notf
Mgr Quản lý LDP Dscy Bản tin thăm dò Sess Bản tin quản lý phiên
Advt Phát hành LDP Notf Bản tin xác nhận
Giao thức phân bổ nhãn
Hình 3.7 Vị trí giao thức LDP trong bộ giao thức MPLS
Giao thức phân bổ nhãn (LDP) là một quy trình do một LSR thiết lập để thông báo cho LSR khác về nhãn sử dụng trong việc chuyển hướng lưu lượng LDP có khả năng hoạt động giữa các LSR, cho dù chúng có kết nối trực tiếp hay không Các LSR sử dụng LDP để trao đổi thông tin ràng buộc FEC và nhãn, được gọi là các thực thể đồng cấp LDP, thông qua việc thiết lập các phiên LDP.
LDP định nghĩa bốn loại bản tin bao gồm: Bản tin thăm dò, Bản tin phiên, Bản tin phát hành, và Bản tin thông báo Mỗi loại bản tin này phản ánh chức năng cụ thể mà nó đảm nhận.
Bản tin thăm dò (Discovery) được sử dụng để thông báo và duy trì sự hiện diện của một LSR trong mạng Định kỳ, LSR gửi bản tin Hello qua cổng UDP đến địa chỉ Multicast của tất cả các bộ định tuyến trong mạng con.
Bản tin phiên (Session) được sử dụng để thiết lập, duy trì và xoá các phiên giữa các LSR, yêu cầu gửi các bản tin Initialization qua TCP Khi quá trình này hoàn tất, các LSR sẽ trở thành những đối tượng ngang cấp trong giao thức LDP.
- Bản tin phát hành (Advertisement): Dùng để tạo, thay đổi và xoá các ràng buộc nhãn với các FEC Những bản tin này cũng mang trên TCP Một
LSR có thể yêu cầu 1 ánh xạ nhãn từ LSR lân cận bất cứ khi nào nó cần
Nó cũng phát hành các ánh xạ nhãn bất cứ khi nào nó muốn một đối tượng ngang cấp LDP nào đó sử dụng ràng buộc nhãn
Bản tin thông báo (Notification) được sử dụng để cung cấp thông tin về lỗi, chẩn đoán và trạng thái Các bản tin này cũng được truyền tải qua giao thức TCP.
Thủ tục LSR lân cận của LDP chạy trên UDP và thực hiện như sau (hình 3.8).
Một LSR định kỳ phát đi bản tin Hello tới tất cả các giao diện của nó Những bản tin này được truyền qua giao thức UDP, sử dụng địa chỉ Multicast để tiếp cận tất cả các bộ định tuyến trong mạng con.
Tất cả các LSR nhận bản tin Hello qua cổng UDP, giúp chúng nắm được thông tin về tất cả các LSR khác mà chúng kết nối trực tiếp tại một thời điểm nhất định.
- Khi LSR nhận biết được địa chỉ của LSR khác bằng cơ chế này thì nó sẽ thiết lập kết nối TCP đến LSR đó
Phiên LDP được thiết lập giữa hai LSR, cho phép trao đổi ràng buộc nhãn theo chiều hai chiều Mỗi LSR ở hai đầu kết nối có khả năng yêu cầu và gửi ràng buộc nhãn, với phần lớn các bản tin LDP sử dụng giao thức TCP để đảm bảo độ tin cậy, ngoại trừ các bản tin thăm dò.
Trong trường hợp các LSR không kết nối trực tiếp trong một mạng con, người ta sử dụng một cơ chế bổsung như sau:
LSR gửi bản tin Hello định kỳ qua UDP đến địa chỉ IP đã cấu hình Đối tượng nhận có thể phản hồi bằng một bản tin Hello khác gửi ngược lại cho LSR, từ đó thiết lập các phiên LDP được thực hiện như đã mô tả.
Hình 3.8 Thủ tục phát hiện LSR lân cận
Trong giao thức phân phối nhãn LDP, có bốn kiểu bản tin cơ bản, trong đó bản tin khởi tạo là một trong những loại thông dụng nhất.
The article discusses various types of messages used in communication protocols, including Initialization, KeepAlive, Label Mapping, Release, Label Withdraw, Request, and Request Abort These messages play a crucial role in establishing and maintaining connections, managing labels, and handling requests within the system Understanding these message types is essential for effective protocol implementation and network management.
Bản tin khởi tạo (Initialization) được gửi khi bắt đầu phiên LDP giữa hai LSR để trao đổi các tham số và tùy chọn cho phiên Các tham số này đóng vai trò quan trọng trong việc thiết lập kết nối hiệu quả giữa các thiết bị.
- Các giá trị bộđịnh thời
Phạm vi các nhãn sử dụng trong kênh giữa 2 LSR đó.
Cả hai LSR đều có khả năng gửi bản tin Initialization, và LSR nhận sẽ phản hồi bằng KeepAlive nếu các tham số được chấp nhận Nếu có bất kỳ tham số nào không được chấp nhận, LSR sẽ trả lời bằng thông báo lỗi và kết thúc phiên làm việc.
Bản tin KeepAlive được gửi định kỳ để đảm bảo rằng các thành phần LDP vẫn hoạt động bình thường Nếu không nhận được bản tin KeepAlive hoặc bất kỳ bản tin nào khác từ LDP trong một khoảng thời gian nhất định, LSR sẽ xác định rằng kết nối đã bị hỏng và phiên LDP sẽ bị dừng lại.
Tính toán đườ ng ràng bu ộ c
3.4.1 Quảng bá các thuộc tính của liên kết
Bộ định tuyến tại đầu nguồn của một trung kế cần nắm rõ thông tin về tài nguyên của tất cả các liên kết trong mạng để tính toán đường LSP Điều này chỉ có thể thực hiện được thông qua các giao thức định tuyến Link-State như IS-IS hoặc OSPF, vì chúng là những giao thức duy nhất có khả năng quảng bá thông tin về tất cả các liên kết đến mọi bộ định tuyến trong mạng.
IS được mở rộng để hỗ trợ MPLS-TE:
- IS-IS có các trường Type-Length-Value mới (kiểu 22 TLV) để đính kèm các thông tin này trong các thông cáo PDU Link-State của nó.
- OSPF có các định nghĩa thông cáo Link-State mới (kiểu 10 LSA).
Khi bộ định tuyến đầu nguồn nhận được các thông cáo, nó không chỉ nắm bắt được cấu trúc mạng mà còn thu thập thông tin về tài nguyên.
47 khả dụng của từng liên kết Điều này rất cần thiết để tính toán các đường thỏa mãn các đòi hỏi của trung kếlưu lượng
Hình 3.19 Băng thông khả dụng ứng với từng mức ưu tiên
Các giao thức IGP sẽ quảng bá các thuộc tính tài nguyên khi dưới các điều kiện hoặc sự kiện nào đó như:
- Khi liên kết thay đổi trạng thái (ví dụ up,down…)
Khi lớp tài nguyên của liên kết thay đổi do việc tái cấu hình nhân công hoặc khi băng thông khả dụng dao động qua các mức ngưỡng đã được đặt trước, điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và độ ổn định của hệ thống.
- Theo định kỳ (dựa vào một timer), bộ định tuyến sẽ kiểm tra các thuộc tính tài nguyên và quảng bá cập nhật thông tin.
- Khi tham gia thiết lập một đường LSP nhưng thất bại.
3.4.2 Tính toán LSP ràng buộc
LSP cho một trung kếlưu lượng có thểkhai báo tĩnh hoặc tính toán động
Việc tính toán đường ràng buộc sẽ xem xét các tài nguyên khả dụng, thuộc tính liên kết và các trung kế khác để tìm ra chuỗi địa chỉ IP đại diện cho các chặng trên đường LSP giữa đầu nguồn và đầu đích Kết quả của quá trình này là thực hiện báo hiệu LSP và hoàn thành thiết lập đường bằng giao thức báo hiệu MPLS như RSVP-TE Tiến trình tính toán đường luôn được thực hiện tại đầu nguồn trung kế lưu lượng và được kích hoạt bởi các yếu tố cụ thể.
- Một trung kế mới xuất hiện.
- Một trung kế đang tồn tại nhưng thiết lập LSP thất bại.
- Tái tối ưu hóa một trung kế đang tồn tại.
Việc lựa chọn đường cho trung kế lưu lượng sử dụng trọng số quản trị (TE cost) của từng liên kết riêng biệt là rất quan trọng Trọng số quản trị này thường được mặc định là metric IGP của liên kết Quy trình chọn đường được thực hiện qua các bước cụ thể để đảm bảo hiệu quả tối ưu trong việc quản lý lưu lượng.
- Cắt bỏ các liên kết có resuorce-class bị loại do phép tính Affinity ra khỏi topology
- Cắt bỏ các liên kết không có đủ băng thông dự trữ theo yêu cầu của trung kế.
- Chạy giải thuật Dijktra để tìm ra đường có tổng TE-cost nhỏ nhất trên phần topoloy còn lại.
Sau khi thực hiện các bước trên mà vẫn còn nhiều ứng cử viên cho LSP với tổng TE metric giống nhau, tiêu chuẩn thứ tự lựa chọn sẽ được áp dụng như sau:
• Đường có băng thông tối thiểu cao nhất
• Đường có hop nhỏ nhất
Khi LSP đã được tính toán xong, RSVP sẽ được sử dụng để dự trữ băng thông thực, nhằm phối hợp các nhãn cho đường và hoàn tất việc thiết lập LSP.
3.4.4 Ví dụ về chọn đường cho trung kế lưu lượng
Xét ví dụ về việc lựa chọn đường LSP cho trung kế lưu lượng (tunnel) giữa R1 (đầu nguồn) và R6 (đầu đích) như trong hình 3.18 Trung kế lưu lượng cần phải đáp ứng các yêu cầu cụ thể để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy trong quá trình truyền tải dữ liệu.
- Băng thông đòi hỏi ở mức ưu tiên 3 là 30 Mbps
- Các bit Affinity lớp tài nguyên là 0010 với mặt nạ là 0011, tức là chỉ thực hiện kiểm tra trên hai bit thấp.
The R4-R3 link must be excluded from the LSP path, resulting in a resource-class bit string of 0011 When the resource affinity bits of the traffic intermediate node are compared with the resource-class bits and found to be non-matching, the R3-R4 link is consequently eliminated.
Hình 3.20 Xem xét các ràng buộc khống chế
Trong quá trình tính toán đường ràng buộc, tham số TE cost (trọng số quản trị) của mỗi liên kết trong đường hầm được kiểm tra Nếu không tính đến tài nguyên, đường R1-R4-R6 có tổng chi phí thấp nhất là 30.
Tất cảcác đường khảthi khác đều có tổng cost cao hơn.
Khi tiến hành tính toán tài nguyên, nhận thấy rằng trên tuyến đường ngắn nhất không đủ băng thông để đáp ứng yêu cầu của trung kế lưu lượng, cụ thể là đòi hỏi 30.
Mbps trong khi chỉ có 20 Mbps khả dụng) Kết quả là R4-R6 cũng bị loại khỏi phép tính đường LSP
Hình 3.21 Xem xét các tài nguyên khả dụng
Sau khi loại bỏ các liên kết không đáp ứng yêu cầu của trung kế lưu lượng, chúng ta có hai đường LSP là R1-R2-R3-R6 và R1-R5-R6 Cả hai đường này đều có tổng chi phí là 40, do đó cần áp dụng quy tắc "tie-break" để lựa chọn đường đi phù hợp.
Hình 3.22 Lựa chọn đường đi tối ưu
Băng thông tối thiểu trên các đường được so sánh, và cả hai đường đều đạt yêu cầu với ít nhất 50 Mbps Tiếp theo, luật số hop nhỏ nhất trên đường LSP được áp dụng, dẫn đến việc chọn đường R1-R5-R6 do có hop-count thấp hơn Cuối cùng, quá trình tính toán ràng buộc kết thúc với sự lựa chọn này.
Các đặc trưng và trạng thái của mạng thường thay đổi theo thời gian, ví dụ như sự xuất hiện của tài nguyên mới, kích hoạt tài nguyên bị lỗi, và thu hồi tài nguyên đã cấp phát Do đó, các đường trung kế lưu lượng đã được thiết lập tối ưu trước đó có thể không còn phù hợp Để đảm bảo mạng luôn hoạt động ở trạng thái tối ưu nhất, việc tái tối ưu hóa các trung kế lưu lượng là cần thiết.
Tái tối ưu hóa là quá trình diễn ra theo chu kỳ, trong đó MPLS-TE thực hiện kiểm tra các đường tối ưu nhất cho các đường hầm LSP Khi phát hiện có đường LSP tốt hơn so với đường hiện tại, quá trình này sẽ được điều chỉnh để cải thiện hiệu suất mạng.
- Bộ định tuyến đầu nguồn cố gắng báo hiệu thiếp lập LSP mới tốt hơn.
- Nếu thành công, thay đường LSP cũ bằng đường LSP mới tốt hơn.
K ế t lu ận chương 3
Nội dung chương 3 đã trình bày về các tính năng, giao thức, cơ chế hoạt động của MPLS – TE:
Điều khiển lưu lượng mạng là việc sử dụng các tunnel để tối ưu hóa và cân bằng tải giữa các đường truyền, nhằm đảm bảo hiệu suất cao và tận dụng tối đa tài nguyên mạng Điều này giúp ngăn ngừa tình trạng nghẽn mạng, từ đó duy trì chất lượng dịch vụ ổn định và hiệu quả.
- Chọn đường đi chất lượng tốt nhất: Tính toán được các thuộc tính vật lý của đường truyền (delay, jiter, ) để chọn đường đi tốt nhất
Khả năng hội tụ cao đảm bảo dịch vụ không bị gián đoạn trong quá trình truyền lưu lượng, nhờ vào cơ chế dự phòng hiệu quả, giúp nhanh chóng khôi phục khi có sự cố xảy ra trên đường truyền.
