Luận án thạc sỹ: Cơ chế khắc phục lỗi kênh khi kết nối Multicast trong mạng MPLS
Lỗi kênh là một trong những nguyên nhân chủ yếu gây ra hiện tượng gián đoạn dịch vụ trong mạng viễn thông. Khi một kênh trong mạng bị lỗi thì tất cả các dịch vụ truyền thông sử dụng kiểu lỗi đó sẽ bị gián đoạn tạm thời.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TỔNG CÔNG TY
BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
-------------------------------------------------
NGUYỄN VIỆT CƯỜNG
CƠ CHẾ KHẮC PHỤC LỖI KÊNH
KHI KẾT NỐI MULTICAST
TRONG MẠNG MPLS
Chuyên ngành:......................
Mã số:...................................
LUẬN ÁN THẠC SỸ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN KIM LAN
Hà nội 07-2003
--ii--
TÓM TẮT
Lỗi kênh là một trong những nguyên nhân chủ yếu gây ra hiện tượng gián đoạn dịch
vụ trong mạng viễn thông. Khi một kênh trong mạng bị lỗi thì tất cả các dịch vụ
truyền thông sử dụng kênh lỗi đó sẽ bị gián đoạn tạm thời. Phương pháp thường
được sử dụng để hạn chế hậu quả của lỗi phần cứng trong mạng là định tuyến lại
lưu lượng đang truyền trên kênh lỗi sang kênh khác. Khi được thực hiện tại các lớp
thấp thì việc định tuyến lại diễn ra nhanh tuy nhiên nó đòi hỏi phải đầu tư bổ sung
phần cứng dự phòng. Việc định tuyến lại cũng có thể được thực hiện tại các lớp cao
hơn dựa trên cơ chế điều khiển phần mềm, tuy nhiên giải pháp này chậm. Hơn nữa
hầu hết các cơ chế định tuyến lại không được tối ưu cho các ứng dụng kết nối
Multicast chẳng hạn như hội nghị từ xa trong đó một phía gửi phải gửi thông tin cho
nhiều phía nhận.
Internet là mạng chuyển mạch gói Datagram trong đó dữ liệu được tải trong các gói
tin IP. Gần đây chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS) được đưa vào sử dụng để
tải các gói IP trên các kênh ảo, MPLS đã kết hợp được các ưu điểm của chuyển
mạch gói Datagram và chuyển mạch kênh ảo. Trong luận văn này, chúng tôi đi vào
nghiên cứu giải pháp bảo vệ các kết nối Multicast trong mạng MPLS khi xảy ra
hiện tượng lỗi kênh. Luận văn cũng đưa ra thuật toán lựa chọn kênh dự phòng trong
một cây định tuyến Multicast đang tải lưu lượng Multicast. Tuyến dự phòng phải
chọn sao cho số lượng nút nhận bị tách rời khỏi một kết nối Multicast là nhỏ nhất
khi một kênh trong cây bị lỗi. Luận văn cũng đưa ra thuật toán định tuyến lại nhanh
đối với kết nối Multicast trong mạng MPLS, đây là một cơ chế mạng MPLS sử
dụng để định tuyến lại luồng lưu lượng sang tuyến dự phòng khi có lỗi một kênh
trong kết nối Multicast.
--iii--
MỤC LỤC
DANH SÁCH HÌNH VẼ ................................................................................................................................ V
DANH SÁCH BẢNG ................................................................................................................................... VII
TỪ VIẾT TẮT ............................................................................................................................................VIII
CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU ..................................................................................................................... 1
I.1. Các công nghệ chuyển mạch............................................................................................................ 2
I.1.1. Chuyển mạch kênh ................................................................................................................... 2
I.1.2. Chuyển mạch gói Datagram .................................................................................................... 4
I.1.3. Chuyển mạch gói kênh ảo ........................................................................................................ 5
I.1.4. MPLS ....................................................................................................................................... 8
I.2. Multicast .......................................................................................................................................... 13
I.2.1. Cấu trúc cây định tuyến Multicast ......................................................................................... 14
I.2.2. Multicast trong mạng IP ........................................................................................................ 16
I.2.3. Multicast trên nền ATM ......................................................................................................... 18
I.2.4. Multicast trên nền MPLS ....................................................................................................... 19
I.3. Đóng góp của luận văn................................................................................................................... 20
CHƯƠNG II. TÍNH “ĐÀN HồI” VÀ BẢO VỆ TRONG MẠNG ....................................................... 23
II.1. Tổng quan về định tuyến lại ..................................................................................................... 24
II.2. Bảo vệ tại lớp MAC và lớp vật lý - vòng Ring tự hồi phục .................................................... 26
II.3. Bảo vệ tại lớp mạng................................................................................................................... 29
II.4. Định tuyến lại nhanh kết nối Unicast trong mạng MPLS...................................................... 30
II.5. Hồi phục khi lỗi kết nối Multicast ............................................................................................ 32
CHƯƠNG III. THUẬT TOÁN SỬA LỖI CÂY ĐỊNH TUYẾN MULTICAST................................... 35
III.1. Mô hình hoá vấn đề................................................................................................................... 36
III.2. Cực đại độ “đàn hồi” của cây với một đường dự phòng........................................................ 44
III.2.1. Thuật toán chính ............................................................................................................... 44
III.2.2. Phiên bản mở rộng............................................................................................................ 48
III.3. Tính toán các đại lượng ............................................................................................................ 51
CHƯƠNG IV. ĐỊINH TUYẾN LẠI NHANH MPLS MULTICAST.................................................... 54
IV.1. Tổng quan .................................................................................................................................. 54
IV.2. Phát hiện lỗi kênh và hồi phục ................................................................................................. 58
--iv--
IV.3. Thông báo lỗi và hồi phục......................................................................................................... 62
IV.4. Switchover và Switchback.......................................................................................................... 64
CHƯƠNG V. TRIỂN KHAI ĐỊNH TUYẾN MULTICAST TRONG MPLS..................................... 69
V.1. Multicast MPLS-Linux.............................................................................................................. 69
V.1.1. Triển khai MPLS-Linux Unicast ............................................................................................ 69
V.1.2. Triển khai MPLS-Linux Multicast.......................................................................................... 74
V.1.3. Giao diện lập trình ứng dụng (API) quản lý FIB ................................................................... 77
V.2. Giao thức MulTreeLDP............................................................................................................ 79
V.2.1. Định tuyến hiện Multicast ...................................................................................................... 81
V.2.2. Phát hiện kênh lỗi và kênh phục hồi ...................................................................................... 87
V.2.3. Thông báo kênh lỗi và kênh hồi phục..................................................................................... 87
V.2.4. Switchover và switchback ...................................................................................................... 90
CHƯƠNG VI. THỬ NGHIỆM ............................................................................................................... 92
CHƯƠNG VII. KẾT LUẬN...................................................................................................................... 93
VII.1. Các đóng góp của luận văn....................................................................................................... 94
VII.2. Định hướng nghiên cứu trong tương lai.................................................................................. 95
--v--
DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình I-1. Đặc điểm chuyển mạch kênh.............................................................................................................. 2
Hình I-2. Đặc điểm chuyển mạch gói Datagram............................................................................................... 5
Hình I-3. Đặc điểm chuyển mạch gói kênh ảo................................................................................................... 6
Hình I-4. Vị trí của ngăn xếp mào đầu MPLS ................................................................................................... 8
Hình I-5. Chuyển tiếp các gói tin MPLS ........................................................................................................... 9
Hình I-6. Xếp chồng các miền MPLS.............................................................................................................. 11
Hình I-7. Các chế độ phân phối nhãn trên Downstream .................................................................................. 12
Hình I-8. Thực hiện kết nối Multicast thông qua các kết nối Unicast ............................................................. 13
Hình I-9. Cây đường ngắn nhất. ...................................................................................................................... 15
Hình I-10. Cây nút cơ sở.................................................................................................................................. 16
Hình I-11. Đường dự phòng định trước trong cây định tuyến Multicast ......................................................... 16
Hình I-12. Cây định tuyến MPLS Multicast .................................................................................................... 22
Hình II-1. Khái niệm định tuyến lại................................................................................................................. 25
Hình II-2. Vòng Ring chuyển mạch một hướng (UPSR)................................................................................. 27
Hình II-3. Vòng Ring chuyển mạch hai hướng (BLSR) .................................................................................. 28
Hình II-4. Chuyển mạch bảo vệ thông minh trong RPR.................................................................................. 29
Hình II-5. Cơ chế định tuyến lại nhanh MPLS Unicast................................................................................... 32
Hình III-1. Mạng và mô hình nhóm Multicast................................................................................................. 35
Hình III-2. Trọng số tốc độ lỗi kênh ................................................................................................................ 38
Hình III-3. Bảo vệ cây định tuyến bằng một đường dự phòng khi lỗi một kênh ............................................. 41
Hình III-4 Giá trị w, tdrop và adrop của các kênh của một cây....................................................................... 42
Hình III-5. Chứng minh thuật toán .................................................................................................................. 47
Hình III-6. Sự thay đổi cấu trúc cây khi một nút “lá” rời bỏ hoặc gia nhập nhóm ......................................... 48
Hình III-7. Tính đại lượng Rd(A;B).................................................................................................................. 52
Hình IV-1. Ví dụ đường chuyển mạch nhãn (LSP) Multicast. ........................................................................ 56
Hình IV-2. Định tuyến lại nhanh MPLS Multicast .......................................................................................... 57
Hình IV-3. Cơ chế phát hiện lỗi kênh .............................................................................................................. 60
Hình IV-4. Hám mật độ xác suất của thời gian phát hiện kênh lỗi .................................................................. 60
--vi--
Hình IV-5. Cơ chế phát hiện kênh được sửa.................................................................................................... 61
Hình IV-6. Hàm mật độ xác suất của thời gian phát hiện kênh được sửa........................................................ 62
Hình IV-7. Cơ chế thông báo kênh lỗi............................................................................................................. 63
Hình IV-8. “ánh xạ” nhãn dự phòng............................................................................................................... 65
Hình IV-9. Đường truyền gói do J gửi đi sau khi Switchover ......................................................................... 66
Hình IV-10. Nhận lặp lại gói tin trong quá trình Switchback .......................................................................... 68
Hình V-1. Xử lý gói tin tại lớp MPLS trong MPLS-Linux Unicast................................................................. 71
Hình V-2. Xử lý gói tin tại lớp MPLS trong MPLS-Linux Multicast.............................................................. 72
Hình V-3. Chuyển tiếp hỗn hợp L2/L3............................................................................................................ 77
Hình V-4. Định dạng bản tin MulTreeLDP. .................................................................................................... 80
Hình V-5. Biểu diễm một cây dạng File và dạng Cây tuyến hiện TLV........................................................... 82
Hình V-6. Thông báo cây định tuyến Multicast............................................................................................... 84
Hình V-7 Định dạng bản tin kiểm tra phát hiện kênh lỗi và kênh hồi phục..................................................... 87
Hình V-8. Thông báo lỗi và hồi phục .............................................................................................................. 90
Hình V-9 Sửa đổi bảng chuyển tiếp tại một PSL trong Switchback và Switchover ......................................... 91
--vii--
DANH SÁCH BẢNG
Bảng V-1. Các lệnh của MPLS-Linux Unicast................................................................................................ 70
Bảng V-2. Thực hiện các hoạt động MPLS dựa trên các lệnh của MPLS-Linux. ........................................... 70
Bảng V-3. Tổng quan về hai lệnh MPLS-Linux Multicast .............................................................................. 74
Bảng V-4. Triển khai các hoạt động MPLS Multicast..................................................................................... 75
Bảng V-5. Các File /proc dạng Text có liên quan đến MPLS FIB.................................................................. 77
Bảng V-6. Hàm Netlink và C API tương ứng để tạo luật chuyển tiếp MPLS.................................................. 78
Bảng V-7. Các API thao tác với FIB. .............................................................................................................. 79
--viii--
TỪ VIẾT TẮT
Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
AAL ATM Adaptation Layer Lớp tương thích ATM
AAL5 ATM Adaptation Layer Five Lớp tương thích ATM loại 5
APS Automatic Protection Switching Tự động chuyển mạch bảo vệ
ARP Address Resolution Protocol Giao thức phân tích địa chỉ
ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ chuyển giao không đồng bộ
BLSR Bidirectional Link-Switched Ring Vòng Ring chuyển mạch hai hướng
bos bottom of stack Cuối ngăn xếp
BUS Broadcast and Unknown Server Máy chủ truyền thông quảng bá
CBT Core Based Tree Cây nút cơ sở
CR-LDP Constraint Routing LDP Định tuyến cưỡng bức LDP
DVMRP Distance Vector Multicast Routing Giao thức định tuyến Multicast vector
Protocol khoảng cách
FDDI Fiber Distributed Data Interface
FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số
FEC Forwarding Equivalence Class Lớp chuyển tiếp tương đương
FIB Forwarding Information Base Cơ sở dữ liệu chuyển tiếp thông tin
FTN FEC-to-NHLFE FEC ứng với NHLFE
IGMP Internet Group Management Protocol Giao thức quản lý nhóm Internet
ILM Incoming Label Map Chuyển đổi nhãn vào
IP Internet Protocol Giao thức Internet
IPS Intelligent Protection Switching Chuyển mạch bảo vệ thông minh
IPv4 IP version 4 IP phiên bản 4
IPv6 IP version 6 IP phiên bản 6
LAN Local Area Network Mạng cục bộ
LDP Label Distribution Protocol Giao thức phân phối nhãn
LER Label Edge Router Bộ định tuyến biên nhãn
LSP Label Switched Path Đường chuyển mạch nhãn
LSR Label Switching Router Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn
MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập môi trường
MARS Multicast Address Resolution Server Máy chủ phân tích địa chỉ Multicast
MCS Multicast Server model Mô hình máy chủ Multicast
mLSP Multicast Label Switched Path Đường chuyển mạch nhãn Multicast
MOSPF Multicast extention to OSPF Mở rộng Multicast cho OSPF
MPLS Multiprotocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức
MTBF Mean Time Between Failures Thời gian trung bình giữa các lỗi
MulTreeLDP MULticast TREe rEpair Label Giao thức phân phối nhãn sửa cây
Distribution Protocol định tuyến Multicast
--ix--
Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
NHLFE Next Hop Label Forwarding Entry Nhãn chuyển tiếp tới nút tiếp theo
OSPF Open Shortest Path First Đường ngắn nhất
PIM-SM Protocol Independent Multicast-Sparse
Mode
PML Path Merging LSR LSR hợp nhất đường
PSL Path Switching LSR LSR chuyển mạch đường
QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ
RSVP ReSource ReserVation Protocol Giao thức dự trữ tài nguyên
TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời gian
TLV Type-Length-Value
ToS Type of Service Loại dịch vụ
TTL Time To Live Thời gian sống
UDP User Data Protocol Giao thức trao đổi dữ liệu đối tượng
sử dụng
UPSR Unidirectional Path-Switched Ring Vòng Ring chuyển mạch một hướng
VC Virtual Circuits Kênh ảo
VCI Virtual Circuit Identifier Nhận dạng kênh ảo
VPI Virtual Path Identifier Nhận dạng đường ảo
--1--
Chương I. Giới thiệu
Đặc điểm chính của mạng chuyển mạch là vào phương thức truyền dữ liệu. Trong
mạng chuyển mạch ra đời sớm nhất, luồng bit thông tin được truyền liên tục trên
kênh vật lý và được gọi là chuyển mạch kênh, nó phù hợp để truyền tín hiệu thoại
hoặc dữ liệu thời gian thực kết nối điểm - điểm (truyền thông Unicast). Tuy nhiên
nếu có lỗi một kênh vật lý trong mạng chuyển mạch kênh sẽ dẫn đến gián đoạn toàn
bộ các dịch vụ truyền thông được tải trên kênh lỗi. Mạng chuyển mạch gói
Datagram (ví dụ như mạng Internet) đã khắc phục được hạn chế này bằng cách chia
dữ liệu thành các phần nhỏ hơn và truyền đi trong các gói tin. Trong mạng chuyển
mạch gói Datagram, hai gói tin liên tục từ một nguồn tin được mạng xử lý độc lập
với nhau. Khi một kênh lỗi thì các gói tin trước đó được gửi trên kênh lỗi sẽ được
định tuyến lại tránh kênh lỗi và do vậy truyền thông không bị gián đoạn. Mạng
chuyển mạch gói Datagram có tính “đàn hồi” (là khả năng duy trì cung cấp dịch vụ
trong trường hợp lỗi kênh) đối với lỗi kênh vì các đối tượng sử dụng không nhận
biết được hiện tượng lỗi kênh. Tuy nhiên đặc điểm này lại dẫn đến một hạn chế của
mạng chuyển mạch gói Datagram đó là rất khó quản lý luồng dữ liệu End-to-End.
Cơ chế chuyển mạch gói kênh ảo được sử dụng trong X.25, ATM và gần đây là
MPLS đã kế thừa các ưu điểm của cả chuyển mạch kênh lẫn chuyển mạch gói
Datagram bằng cách gửi các gói tin trên các kênh ảo (VC) thay vì thành luồng bit
liên tục. Tuy nhiên chuyển mạch gói kênh ảo cũng thừa hưởng nhược điểm của
chuyển mạch kênh là không có tính “đàn hồi” đối với hiện tượng lỗi kênh. Hơn nữa
các công nghệ được phát triển đều chú trọng vào việc tăng khả năng “đàn hồi” của
các truyền thông Unicast trên mạng chuyển mạch gói Datagram, chúng không áp
dụng được với các truyền thông Multicast trong đó một hay nhiều phía gửi truyền
thông tin cho một hay nhiều phía nhận. Luận văn này đưa ra một giải pháp nhằm
mục đích tăng khả năng “đàn hồi” của các truyền thông Multicast trong mạng
chuyển mạch gói kênh ảo.
--2--
I.1. Các công nghệ chuyển mạch
Tiếp theo trong mục này, ta lần lượt đề cập đến ba cơ chế chuyển mạch được sử
dụng trong mạng đó là: chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói Datagram và chuyển
mạch gói kênh ảo.
I.1.1. Chuyển mạch kênh
Chuyển mạch kênh được sử dụng từ thế kỷ 19 trong những mạng truyền thông đầu
tiên. Đặc điểm cơ bản của chuyển mạch kênh đó là phải thiết lập kết nối giữa hai
phía trước khi trao đổi thông tin. Khi thiết lập phải cấp phát tài nguyên sử dụng để
kết nối giữa chủ gọi và bị gọi. Tài nguyên ở đây là khoảng tần số trong ghép kênh
phân chia theo tần số (FDM) hoặc là khe thời gian trong ghép kênh phân chia theo
thời gian (TDM). Tập hợp tài nguyên cấp phát cho một kết nối được gọi là một
kênh và được thể hiện trên Hình I-1. Kênh này không đổi trong suốt khoảng thời
gian kết nối tồn tại và tài nguyên sẽ được thu hồi khi kết nối giải phóng.
Hình I-1. Đặc điểm chuyển mạch kênh
Trong chuyển mạch kênh, tài nguyên được cấp phát trong suốt phiên trao đổi thông
tin bắt đầu từ sau khi thiết lập kết nối đến khi kết thúc trao đổi thông tin. Tài nguyên
giữ nguyên ở trạng thái bận ngay cả khi không có thông tin nào được truyền trên
kênh vì vậy gây lãng phí băng thông. Hệ quả của vấn đề này là các kênh đang được
thiết lập mang lưu lượng ít hơn so với khả năng có thể dẫn đến cạn kiệt tài nguyên
và mạng ở trạng thái bão hoà. Khi đó không thể thiết lập thêm kết nối mới vì không
còn tài nguyên và dẫn đến hiện tượng nghẽn trong mạng.
--3--
Đặc điểm thứ hai của chuyển mạch kênh liên quan đến thời gian cần thiết để thiết
lập kết nối. Trong mạng, truyền thông nói chung không phụ thuộc cơ chế chuyển
mạch, các nút mạng bao giờ cũng phải tìm thông tin trong bảng chuyển tiếp để xác
định kênh và chuyển thông tin đến từ kênh vào sang kênh ra tương ứng. Việc tìm
kiếm thông tin trong bảng chuyển tiếp và chuyển dữ liệu từ các luồng đến được gọi
là quá trình định tuyến. Trong mạng chuyển mạch kênh, quá trình định tuyến được
thực hiện cho mỗi kết nối trong giai đoạn thiết lập kênh. Khi thiết lập kênh, các nút
và kênh nằm trên đường giữa phía gửi và phía nhận được xác định và các bản tin
được trao đổi trên tất cả các kênh giữa hai nút mạng nguồn và đích để thực hiện
việc cấp phát tài nguyên. Đối với chuyển mạch kênh, bảng chuyển tiếp được xây
dựng dựa trên phần cứng tốc độ cao và việc chuyển tiếp dữ liệu tại mỗi nút diễn ra
gần như tức thời. Vì vậy chuyển mạch kênh thích hợp nhất với các kết nối trong đó
thời gian thiết lập kênh yêu cầu thời gian chuyển tiếp thấp.
Nhận dạng kênh (dải tần số trong FDM hoặc khe thời gian trong TDM) thay đổi tại
mỗi nút chuyển mạch trong khoảng thời gian chuyển tiếp vì vậy các nút chuyển
mạch không cần biết toàn bộ thông tin của tất cả các kênh đã được thiết lập trong
mạng mà nó chỉ cần biết nhận dạng các kênh nội bộ khả dụng do nó quản lý. Việc
sử dụng nhận dạng nội bộ thay vì nhận dạng toàn mạng cho phép mạng có thể xử lý
một số lượng lớn các kênh.
Kỹ thuật lưu lượng (TE) có nhiệm vụ tối ưu hoá việc cấp phát tài nguyên trong
mạng thông qua chọn đường cho luồng dữ liệu dựa trên các ràng buộc tĩnh hoặc
động [39]. Mục tiêu chính của kỹ thuật lưu lượng đó là cân bằng tải trong mạng, có
nghĩa là ngăn ngừa việc xảy ra hiện tượng nghẽn một kênh trong khi các kênh khác
chưa sử dụng hết khả năng. Do chuyển mạch kênh cấp phát đường cố định cho mỗi
luồng nên các kênh có thể được thiết lập dựa trên các thuật toán kỹ thuật lưu lượng.
Mặt khác, mạng chuyển mạch kênh không tự động kích hoạt lại khi Topo mạng
thay đổi. Chẳng hạn như khi một luồng lỗi thì tất các kênh trên đó sẽ bị khoá và
việc truyền thông bị gián đoạn. Kỹ thuật lưu lượng có thể làm giảm bớt hậu quả của
--4--
lỗi luồng thông qua việc sửa lỗi định trước sử dụng kênh dự phòng. Kênh dự phòng
có thể được thiết lập cùng thời điểm hoặc sau khi thiết lập kênh sơ cấp và khi luồng
tải kênh sơ cấp lỗi thì lưu lượng sẽ được định tuyến lại sang kênh dự phòng. Mạng
chuyển mạch kênh rất nhạy cảm với lỗi luồng và việc định tuyến lại phải được thực
hiện dựa trên dựa trên sự hỗ trợ của các cơ chế trong kỹ thuật lưu lượng.
I.1.2. Chuyển mạch gói Datagram
Ra đời vào năm 1960, chuyển mạch gói là công nghệ tiên tiến hơn so với chuyển
mạch kênh, nó giải quyết được hạn chế của chuyển mạch kênh là phải cấp phát tài
nguyên cho mỗi kênh và lãng phí tài nguyên băng thông khi không có thông tin
truyền trên kênh. Cơ chế chuyển mạch gói đã sử dụng ý tưởng chia thông tin thành
các gói và truyền trong mạng mà không cần phải cấp phát tài nguyên, tại thời điểm
phía gửi không có thông tin gửi đi thì sẽ không có gói tin nào được truyền đi trong
mạng và không gây lãng phí tài nguyên. Chuyển mạch gói là tên gọi chung của hai
công nghệ khác nhau đó là: chuyển mạch gói Datagram và chuyển mạch gói kênh
ảo. Phần này trình bày các đặc điểm chính của chuyển mạch gói Datagram.
Khác với chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói Datagram không yêu cầu phải thiết
lập kênh trước khi truyền thông tin và huỷ bỏ kênh khi kết thúc truyền thông tin.
Các nút chuyển mạch còn được gọi là các bộ định tuyến sẽ tìm kiếm thông tin định
tuyến trong bảng chuyển tiếp còn được gọi là bảng định tuyến cho mỗi gói tin đến.
Bảng định tuyến có chứa thông tin ánh xạ giữa địa chỉ đích cuối cùng của gói tin
với luồng ra trên đường tới đích. Bảng định tuyến có thể có kích thước rất lớn vì nó
chứa địa chỉ của tất cả các đích trong mạng vì vậy việc tìm kiếm và tính toán định
tuyến yêu cầu xử lý lượng thông tin rất lớn. Do đó xử lý chuyển tiếp chậm hơn
nhiều so với chuyển mạch kênh. Trong mạng chuyển mạch gói, mỗi gói tin phải
chứa địa chỉ đích và đây chính là thông tin quyết định để chuyển tiếp gói tin. Các bộ
định tuyến không cần phải thay đổi địa chỉ đích của gói tin khi chuyển tiếp chúng.
--5--
Hình I-2. Đặc điểm chuyển mạch gói Datagram
Do mỗi gói tin được bộ định tuyến xử lý độc lập, nên không có gì đảm bảo tất cả
các gói tin được gửi từ nguồn đến đích đều đi trên cùng một kênh vật lý. Nếu như
thuật toán định tuyến thay đổi nội dung bảng định tuyến giữa khoảng thời gian gửi
hai gói tin thì các gói tin sẽ được gửi trên các đường khác nhau và thậm chí có thể
đến đích không đúng trình tự. Ví dụ như trong Hình I-2, các gói tin truyền từ thuê
bao 1 đến thuê bao 5 trên hai đường khác nhau. Điểm khác biệt thứ hai đó là khi
Topo mạng thay đổi (ví dụ như lỗi một kênh) thì giao thức định tuyến sẽ tự động
tính toán lại bảng định tuyến xây dựng Topo mạng mới tránh không truyền thông
tin trên kênh lỗi. Còn với chuyển mạch kênh thì không cần có một thuật toán kỹ
thuật lưu lượng nào để định tuyến lại lưu lượng.
Các bộ định tuyến thực hiện việc định tuyến chỉ dựa vào thông tin địa chỉ của gói
tin mà không phụ thuộc vào gói tin đó đang được truyền trên luồng nào. Và do công
nghệ kỹ thuật lưu lượng phụ thuộc nhiều vào việc điều khiển tuyến lưu lượng, vì
vậy kỹ thuật lưu lượng trong mạng chuyển mạch gói thực hiện khó hơn nhiều so với
chuyển mạch kênh.
I.1.3. Chuyển mạch gói kênh ảo
Chuyển mạch gói kênh ảo (chuyển mạch VC) là một công nghệ chuyển mạch gói,
nó kết hợp các ưu điểm của chuyển mạch gói Datagram và chuyển mạch kênh.
Chuyển mạch VC là một biến thể của chuyển mạch gói Datagram trong đó các gói
được gửi trên các kênh logic mà không cần cấp phát tài nguyên vật lý là các tần số
--6--
hoặc khe thời gian (xem Hình I-3). Mỗi gói mang một nhận dạng kênh có ý nghĩa
nội bộ trong luồng và nhận dạng kênh này sẽ được cập nhật tại mỗi nút chuyển
mạch trên đường gói đi từ nguồn đến đích. Một kênh ảo (VC) được định nghĩa
thông qua ánh xạ giữa luồng tải các gói tin và nhận dạng của gói tin được truyền
trên luồng. VC được khởi tạo trong giai đoạn thiết lập kết nối và nhận dạng kênh sẽ
được thu hồi khi kết thúc kết nối.
Thuª bao 2
Thuª bao 3 Tæng ®µi
Luång
Kª nh ¶o
Thuª bao 1
C¸ c gãi tin
Thuª bao 4
Thuª bao 5
Hình I-3. Đặc điểm chuyển mạch gói kênh ảo
Chúng ta đã đề cập đến mối tương quan giữa thời gian thiết lập kết nối và thời gian
chuyển tiếp trong các công nghệ chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói Datagram.
Đối với chuyển mạch VC, định tuyến được thực hiện trong khoảng thời gian thiết
lập kết nối cho phép chuyển tiếp gói tin nhanh. Một ưu điểm khác của chuyển mạch
VC đó là kết hợp được tính năng kỹ thuật lưu lượng tương đương với chuyển mạch
kênh và sử dụng tài nguyên hiệu quả hơn giống với chuyển mạch gói Datagram.
Tuy nhiên chuyển mạch VC có nhược điểm về tính thích ứng khi Topo mạng thay
đổi. Mạng chuyển mạch gói Datagram sẽ tự động tính lại bảng định tuyến khi Topo
mạng thay đổi còn đối với chuyển mạch VC thì tất cả các kênh ảo tải trên kênh lỗi
sẽ bị ngắt. Vì vậy định tuyến lại trong chuyển mạch VC phụ thuộc vào các công
nghệ kỹ thuật lưu lượng.
Các mạng chuyển mạch VC được triển khai trong thực tế đó là: X.25 [70], ATM [6]
và MPLS [50]. Mạng Internet ngày nay chủ yếu bao gồm các mạng máy tính và
việc trao đổi thông tin giữa chúng chủ yếu dựa trên giao thức Internet (IP) để định
tuyến các gói tin từ nút mạng này đến nút mạng khác. Vì IP đóng vai trò rất quan
--7--
trọng trong mạng IP, nên trong phần tiếp theo ta đi vào vấn đề tương tác giữa ATM
và MPLS với IP.
1.2 Chuyển mạch gói kênh ảo với giao thức IP
Trong mô hình 7 lớp, lớp mạng có chức năng chính là định tuyến các gói dữ liệu từ
nút này đến nút khác. Trong mạng Internet, IP là giao thức lớp mạng duy nhất được
sử dụng để định tuyến gói tin. Hiện tại có hai phiên bản của giao thức IP đó là: IPv4
[59] sử dụng địa chỉ có độ dài 32 bit và IPv6 [22] sử dụng địa chỉ có chiều dài 128
bit.
Sau đây ta tập trung vào IPv4 là phiên bản giao thức IP được sử dụng phổ biến
trong mạng Internet hiện nay. Do các ưu điểm của chuyển mạch gói VC và sự phát
triển bùng nổ của mạng IP, rất nhiều nhà cung cấp dịch vụ Internet sử dụng VC để
tải các gói tin IP. Công nghệ chuyển mạch gói kênh ảo được sử dụng phổ biến trong
mạng đường trục Internet là ATM và gần đây là MPLS.
1.2.1 IP qua ATM
ATM là công nghệ chuyển mạch VC được chuẩn hoá vào cuối những năm 1980.
Trong ATM, thông tin được truyền trong các tế bào ATM có độ dài cố định là 53
byte trong đó phần dữ liệu độ dài 48 byte và phần mào đầu độ dài 5 byte. Trong số
40 bit mào đầu thì 28 bit được sử dụng để nhận dạng kênh ảo tương ứng với tế bào.
Trường nhận dạng này được ký hiệu là VCI/VPI (nhận dạng kênh ảo/nhận dạng
đường ảo). Trường VCI/VPI được cập nhật tại mỗi nút chuyển mạch.
Vấn đề đầu tiên đặt ra để tải các gói tin IP trong kênh ảo ATM đó là cần phải định
nghĩa phương thức đóng gói các gói IP trong tế bào ATM, nghĩa là làm thế nào để
đặt các dữ liệu IP trong các tế bào ATM. Việc đóng gói được thực hiện tại lớp
tương thích ATM như được trình bày trong [6]. Hơn nữa hầu hết các gói IP đều lớn
hơn rất nhiều so với 53 byte là độ dài tế bào ATM. Vì vậy các gói tin IP phải được
chia thành các phần nhỏ hơn được gọi là đoạn trước khi đóng gói vào tế bào ATM.
Bộ định tuyến cuối cùng trên đường truyền các gói tin IP phải ghép lại các đoạn để
--8--
khôi phục các gói tin IP ban đầu. Phân đoạn và giải phân đoạn (SAR) là một quá
trình xử lý phức tạp và tốn thời gian.
Tải lưu lượng IP trên nền ATM là một quá trình phức tạp [19]. Không chỉ phải giải
quyết vấn đề đặt ra khi lỗi kênh đối với chuyển mạch VC, để có thể truyền IP qua
ATM yêu cầu phải có thiết bị kết hợp bộ định tuyến IP và chuyển mạch ATM.
I.1.4. MPLS
Chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS) là công nghệ chuyển mạch IP trên kênh
ảo, nó có các cơ chế giao tiếp với IP tốt hơn so với ATM. MPLS có thể chạy trên
nhiều phần cứng mạng sẵn có chẳng hạn như Ethernet [38] thậm chí ngay cả trên
ATM hỗ trợ chuyển tiếp các gói tin IP trên các kênh ảo. MPLS có thể được triển
khai trong các bộ định tuyến IP.
Hình I-4. Vị trí của ngăn xếp mào đầu MPLS
Trong MPLS, mỗi gói tin mang một nhận dạng kênh ảo được gọi là nhãn ví dụ như
trường Shim header được chèn vào giữa mào đầu IP và mào đầu lớp MAC/link của
gói tin. Một gói tin có thể chứa một hay nhiều Shim header. Tập hợp tất cả các mào
đầu trong một gói tin được gọi là một ngăn xếp MPLS. Hình I-4 biểu diễn một ngăn
xếp mào đầu MPLS và vị trí của ngăn xếp MPLS trong mào đầu của gói tin.
Cơ chế MPLS xử lý các nhãn giống hệt như cơ chế xử lý nhận dạng kênh ảo của các
công nghệ chuyển mạch kênh ảo khác. Xét một gói tin IP gửi từ máy chủ A đến
--9--
máy chủ B trên Hình I-5. Gói tin được gửi chuyển tiếp qua mạng MPLS giữa A và
B, khi tới bộ định tuyến MPLS đầu tiên hay còn được gọi là bộ định tuyến nhãn
biên (LER) cổng vào của miền MPLS, địa chỉ IP nguồn và đích của gói tin sẽ được
xử lý và gói tin sẽ được phân loại theo một lớp chuyển tiếp tương đương (FEC). Tất
cả các gói tin thuộc một FEC sẽ sử dụng cùng một kênh ảo còn được gọi là đường
chuyển mạch nhãn (LSP). Giả sử như một kênh ảo đã được thiết lập cho một FEC
của một gói tin truyền từ A đến B, khi đó LER cổng vào sẽ chèn mào đầu MPLS
vào gói tin (L1 trên hình vẽ). Sau đó các bộ định tuyến trong mạng MPLS sẽ cập
nhật mào đầu MPLS bằng cách tráo đổi nhãn (L1 thay bằng L2, L2 thay bằng L3).
Đến bộ định tuyến cuối của LSP còn được gọi là LER cổng ra, mào đầu MPLS sẽ bị
loại bỏ (L3 trên hình) tiếp theo các gói tin có thể được xử lý bởi các bộ định tuyến
IP hoặc máy chủ không có tính năng MPLS.
LER LSR tr¸ o LSR tr¸ o LER lo¹ i
chÌ n L1 ®æi L1, L2 ®æi L2, L3 bá L3
A B
IP #L1 IP #L2 IP #L3 IP IP
Hình I-5. Chuyển tiếp các gói tin MPLS
Các bộ định tuyến MPLS chèn, tráo đổi và loại bỏ các mào đầu MPLS theo các luật
có trong bảng định tuyến hay còn được gọi là cơ sở dữ liệu chuyển tiếp thông tin
(FIB) riêng của mỗi bộ định tuyến MPLS. FIB có thể có 3 loại phần tử thông tin
khác nhau:
1. Nhãn chuyển tiếp tới nút tiếp theo (NHLFE) chứa thông tin cần thiết để chuyển
tiếp gói tin với một nhãn đã được ấn định. Một NHLFE bao gồm hai phần tử
thông tin đó là: địa chỉ nút tiếp theo và thông tin tráo đổi hoặc loại bỏ mào đầu
MPLS. Nếu như mào đầu MPLS của gói tin cần được tráo đổi thì NHLFE chứa
cả nhãn mới của gói tin.
--10--
2. Ánh xạ nhãn đến (ILM) chứa thông tin ánh xạ giữa các nhãn của gói tin đến và
các phần tử NHLFE.
3. Ánh xạ FEC-to-NHLFE (FTN) có chứa thông tin ánh xạ giữa các FEC của gói
tin đến và các phần tử NHLFE.
Các bộ định tuyến MPLS sử dụng FIB của chúng như sau. Khi một gói tin không
chứa nhãn đến bộ định tuyến MPLS, trước hết bộ định tuyến sẽ xác định FEC của
gói tin sau đó nó tìm kiếm trong FIB để xác định FTN tương ứng với FEC của gói
tin. FTN này sẽ có chứa nhãn và một NHLFE để xác định nút tiếp theo cho gói tin.
Bộ định tuyến MPLS sẽ chèn mào đầu MPLS với nhãn có trong FTN và chuyển
tiếp gói tin này theo các thông tin có trong NHLFE. Nếu một gói tin có chứa nhãn
đến bộ định tuyến MPLS, trước hết bộ định tuyến sẽ tìm kiếm trong FIB xác định
một ILM phù hợp với nhãn của gói tin và đọc thông tin NHLFE tương ứng. NHLFE
sẽ chỉ ra rằng mào đầu MPLS cần được tráo đổi bằng nhãn mới hay loại bỏ. Nếu
cần tráo đổi thì bộ định tuyến MPLS sẽ tráo đổi mào đầu MPLS và chuyển tiếp gói
tin tới nút tiếp theo được xác định trong NHLFE. Nếu cần loại bỏ thì bộ định tuyến
MPLS sẽ loại bỏ nhãn và chuyển tiếp gói tin tới nút tiếp theo được xác định trong
NHLFE.
Mào đầu MPLS có độ dài 32 bit và các nhãn chỉ chiếm 20 bit trong số này, 12 bit
còn lại được sử dụng như sau. (1) MPLS sử dụng 3 bit để phân loại chất lượng dịch
vụ (tương ứng với 8 mức QoS). (2) MPLS cho phép xếp chồng các miền: khi một
gói tin tới một miền MPLS nằm trong một miền MPLS khác thì gói tin sẽ được gắn
thêm một nhãn mặc dù trước đó nó đã có một nhãn tạo thành một ngăn xếp nhãn.
Như ví dụ được trên Hình I-6 thể hiện việc xếp chồng các miền MPLS. Một bit chỉ
thị cuối ngăn xếp (bos) được sử dụng để chỉ thị xem nhãn đó là nhãn cuối cùng
trong ngăn xếp hay chưa. (3) MPLS sử dụng 8 bit còn lại chỉ thị thời gian sống
(TTL), TTL được khởi tạo tại LER cổng vào và cứ mỗi lần đi qua một nút thì giá trị
của nó lại giảm đi 1 đơn vị. Gói tin sẽ bị loại bỏ khi trường TTL có giá trị bằng 0.
Cơ chế này được sử dụng để ngăn xảy ra hiện tượng truyền vòng vô tận các gói tin
--11--
trong mạng trong trường hợp lỗi khi tạo kênh ảo. Cấu trúc và vị trí 4 trường trong
mào đầu MPLS được thể hiện trên Hình I-4.
Hình I-6. Xếp chồng các miền MPLS
Điểm quan trọng nhất khi sử dụng FEC trong MPLS đó là khả năng phân loại và tập
hợp trong kỹ thuật lưu lượng. Tất cả các gói tin từ các nguồn khác nhau nhưng nếu
đi vào miền MPLS trên cùng một LER và có cùng cổng ra LER thì sẽ có cùng một
FEC và vì vậy sẽ được truyền trên cùng một VC. Nói cách khác là không cần thiết
lập một kênh ảo mới đối với mỗi cặp (đích - nguồn) có trong các mào đầu của các
gói tin đến. Khi LER cổng vào xác định được FEC của gói tin, nó sẽ gán một kênh
ảo vào gói tin thông qua một nhãn. FEC không những được sử dụng để phân loại
gói tin IP theo đích mà nó còn có thể phân loại theo nguồn. Hai gói tin đi vào miền
MPLS qua cùng một cổng vào LER và đến cùng một đích có thể được truyền trên
hai nhóm kênh khác nhau và vì vậy có thể cân bằng tải trong mạng bằng cách chia
đều lưu lượng trên tất cả các kênh. FEC cũng có thể phụ thuộc vào tham số bổ sung
chẳng hạn như bit loại dịch vụ (ToS) trong mào đầu IP để cung cấp các dịch vụ
khác nhau cho luồng lưu lượng IP [23].
Trong mạng MPLS giao thức báo hiệu thực hiện các chức năng thiết lập kênh ảo và
ánh xạ hoặc liên kết giữa các FEC với FIB tại mỗi bộ định tuyến MPLS. Cấu trúc
chuyển mạch MPLS [62] không sử dụng giao thức báo hiệu riêng mà nó chỉ yêu cầu
mỗi kênh tương ứng với một LSP, các nhãn được ấn định bởi các nút trên
Downstream và thông báo cho các nút trên Upstream. Có hai chế độ trao đổi thông
