Bài giảng Cơ sở chuyển mạch

Các địa chỉ đích được truyền qua các thực thể trễ (các bộ định tuyến). Địa chỉ đích sẽ là yếu tố để xác định con đường mà gói tin chuyển qua các bộ định tuyến. Trong chuyển mạch nhãn, thay vì sử dụng địa chỉ đích để quyết định định tuyến, một “nhãn” được gán với gói tin và được dặt trong tiêu đề gói tin với mục đích thay thế cho địa chỉ và nhãn được sử dụng để chuyển lưu lượng các gói tin tới đích. Mục tiêu của chuyển mạch nhãn đưa ra nhằm cải thiện hiệu năng chuyển tiếp gói tin của các bộ định tuyến lõi qua việc sử dụng các chức năng gán và phân phối nhãn gắn với các dịch vụ định tuyến lớp mạng khác nhau. Thêm vào đó là lược đồ phân phối nhãn hoàn toàn độc lập với quá trình chuyển mạch. Trước hết ta xem xét một số lí do cơ bản hiện nay đang được quan tâm với công nghệ mạng nói chung và chuyển mạch nhãn: tốc độ và độ trễ, khả năng của hệ thống, tính đơn giản, tài nguyên mạng, điều khiển định tuyến. 6.3.1.1 Tốc độ và độ trễ Theo truyền thống chuyển tiếp gói tin dựa trên phần mềm rất chậm trong quá trình xử lí tải lưu lượng lớn trong internet và intranet, trễ chủ yếu trong quá trình này là quá trình xử lí định tuyến để tìm ra thích hợp cho các gói tin đầu vào. Mặc dù đã có nhiều cải thiện trong việc tìm kiếm bảng định tuyến như kĩ thuật tìm kiếm nhanh trong bảng định tuyến, nhưng tải lưu lượng trong bảng định tuyến luôn lớn hơn khả năng xử lí, và kết quả có thể mất lưu lượng, mất đấu nối và giảm hiệu năng của toàn mạng (mạng IP). Chuyển mạch nhãn đưa ra cách nhìn nhận khác với chuyển tiếp gói tin IP thông thường, sẽ cung cấp giải pháp có hiệu quả để giải quyết vấn đề trên. Chuyển mạch nhãn thực hiện quá trình gán nhãn cho gói tin đầu vào và sử dụng nhãn để truy nhập vào bảng chuyển tiếp tại bộ định tuyến như một chỉ số của bảng. Quá trình truy nhập này chỉ yêu cầu duy nhất cho một lần truy nhập tới bảng thay vì hàng ngàn quá trình tìm kiếm được thực hiện trong bảng định tuyến truyền thống. Kết quả là các hoạt động này hiệu quả hơn và vì vậy lưu lượng ngưòi sử dụng trong gói tin được gửi qua mạng nhanh hơn, giảm độ trễ và thời gian đáp ứng tốt hơn cho các chuyển giao thông tin giữa các người sử dụng. Mạng máy tính luôn tồn tại các hiệu ứng trễ, khi các gói tin chuyển qua rất nhiều nút và nhiều chặng khác nhau để tới đích nó tạo ra các hiệu ứng trễ và biến động trễ. Sự tích trữ trên các cung đoạn sẽ tạo ra trễ tổng thể giữa các đầu cuối. Tại mỗi nút mạng địa chỉ đích trong gói tin được xác minh và so sánh với các địa chỉ đích có khả năng chuyển tiếp trong bảng định tuyến để tìm ra đường ra. Các gói tin chuyển qua các nút mạng tạo ra trễ và biến động trễ khác nhau, tuỳ thuộc vào khả năng xử lý của bộ định tuyến cũng như lưu lượng của luồng tin sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến trễ của người dùng đầu cuối. Một lần nữa, cơ chế hoạt động của chuyển mạch nhãn với khả năng chuyển tiếp gói tin nhanh là giải pháp để giải quyết vấn đề này. 6.3.1.2 Khả năng của hệ thống Tốc độ là một khía cạnh quan trọng của chuyển mạch nhãn và tăng quá trình xử lý lưu lượng người dùng trên mạng internet là vấn đề rất quan trọng. Nhưng các dịch vụ tốc độ cao không phải là tất cả những gì mà chuyển mạch nhãn cung cấp. Chuyển mạch nhãn còn có thể cung cấp mềm dẻo các tính năng khác nhau để đáp ứng các nhu cầu của người dùng internet. Thay vì hàng loạt các địa chỉ IP (tăng lên rất nhanh từng ngày) mà bộ định tuyến cần phải xử lý thì chuyển mạch nhãn cho phép các địa chỉ này gắn với một hoặc vài nhãn. tiếp cận này làm giảm kích thước bảng địa chỉ và cho phép bộ dịnh tuyến hỗ trợ nhiều người sử dụng hơn. 6.3.1.3 Tính đơn giản Một khía cạnh khác của chuyển mạch nhãn là sự đơn giản trong các giao thức chuyển tiếp gói tin (hoặc một tập các giao thức), và nguyên tắc rất đơn giản:chuyển tiếp gói tin dựa trên “nhãn” của nó. Tuy nhiên, cần có kỹ thuật điều khiển cho quá trình liên kết nhãn và đảm bảo tính tương quan giữa các nhãn với luồng lưu lượng người sử dụng, các kỹ thuật này đôi khi khá phức tạp nhưng chúng không ảnh hưởng đến hiệu suất của dòng lưu lượng người dùng. Sau khi đã gán nhãn vào dòng lưu lượng người dùng thì hoạt động chuyển mạch nhãn có thể nhúng trong phần mềm, trong các mạch tích hợp đặc biệt (ASIC) hoặc trong bộ xử lý đặc biệt. 6.3.1.4 Tài nguyên sử dụng Các kỹ thuật điều khiển để thiết lập nhãn không chiếm dùng tài nguyên của mạng, các cơ chế thiết lập đường chuyển mạch nhãn cho lưu lượng người sử dụng một cách đơn giản là tiêu chí thiết kế các đường chuyển mạch nhãn. 6.3.1.5 Điều khiển định tuyến Định tuyến trong mạng Internet được thực hiện với các địa chỉ IP (trong mạng LAN là các địa chỉ MAC). Tất nhiên, có rất nhiều thông tin được lấy ra từ gói IP để thực hiện quá trình định tuyến này, ví dụ như: Trường kiểu dịch vụ IP (TOS), chỉ số cổng...là một phần quyết định của chuyển tiếp gói tin. Nhưng định tuyến theo đích là phương pháp thông thường nhất hiện đang được sử dụng. Định tuyến theo địa chỉ đích không phải là phương pháp luôn đem lại hiệu quả. Các vấn đề lặp vòng trên mạng cũng như sự khác nhau về kiến trúc mạng sẽ là trở ngại trên mặt bằng điều khiển chuyển tiếp gói tin đối với phương pháp này. Một vấn đề đặt ra nữa là các nhà cung cấp thiết bị (bộ định tuyến, cầu). Triển khai phương pháp định tuyến dựa theo địa chỉ đích theo cách riêng của họ: một số thiết bị cho phép nhà quản trị mạng chia sẻ lưu lượng, trong khi một số khác sử dụng các trường chức năng TOS, chỉ số cổng... Chuyển mạch nhãn cho phép các bộ định tuyến chọn tuyến đầu ra tường minh theo nhãn, như vậy cơ chế này cho cung cấp một phương thức truyền tải lưu lượng qua các nút và liên kết phù hợp với lưu lượng truyền tải, cũng như là đặt ra các lớp lưu lượng bao gồm các dịch vụ khác nhau (dựa trên yêu cầu QOS) trên đó. Chuyển mạch nhãn là giải pháp tốt để hướng lưu lượng qua một đường dẫn, mà không nhất thiết phải nhận toàn bộ thông tin từ giao thức định tuyến IP động dựa trên địa chỉ đích. Định tuyến dựa trên IP (PRB) thường gắn với các giao thức chuyển mạch nhãn, như FR, ATM hoặc MPLS. Phương pháp này sử dụng các trường chức năng trong tiêu đề gói tin IP như: trường TOS, chỉ số cổng, nhận dạng giao thức IP hoặc kích thước của gói tin. Các trường chức năng này cho phép mạng phân lớp dịch vụ thành các kiểu lưu lượng và thường được thực hiện tại nút đầu vào mạng(thiết bị gờ mạng). Các bộ định tuyến trên lớp lõi có thể sử dụng các bít tại thiết bị gờ để quyết định xử lý luồng lưu lượng đến, quá trình xử lý này có thể sử dụng các kiểu hàng đợi khác nhau và các phương pháp xếp hàng khác nhau. Định tuyến dựa trên IP cũng cho phép nhà quản lý mạng thực hiện phương pháp định tuyến ràng buộc. Các chính sách dựa trên IP cho phép bộ định tuyến: + Đặt các giá trị ưu tiên vào trong tiêu đề gói tin IP. + Thiết lập bước kế tiếp cho gói tin IP. + Thiết lập giao diện ra cho gói tin. + Thiết lập bước kế tiếp cho gói tin khi không tồn tại hướng trong bảng định tuyến. Chuyển mạch nhãn khác với phương pháp chuyển mạch khác ở chỗ nó là kĩ thuật điều khiển giao thức chuyển mạch IP theo kiểu topo. Mặt khác sự tồn tại của một địa chỉ mạng đích sẽ xác định quá trình cập nhật trong bảng định tuyến để ra một đường dẫn chuyển mạch hướng tới đích. Nó cũng khái quát cơ cấu chuyển tiếp và trao đổi nhãn, phương pháp này không chỉ thích hợp với các mạng lớn như ATM, chuyển mạch khung, PPP, và nó có thể thích hợp với bất kì phương pháp đóng gói nào. 6.3.2. Tổng quan về công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS 6.3.2.1. Các đặc điểm cơ bản của công nghệ MPLS Chuyển mạch nhãn đa giao thức Multiprotocol Label Switching (MPLS) là một công nghệ tích hợp tốt nhất các khả năng hiện tại để phân phát gói tin từ nguồn tới đích qua mạng Internet. Có thể định nghĩa MPLS là một tập các công nghệ mở dựa vào chuẩn Internet mà kết hợp chuyển mạch lớp 2 và định tuyên lớp 3 để chuyển tiếp gói tin bằng cách sử dụng các nhãn ngắn có chiều dài cố định. Bằng cách sử dụng các giao thức điều khiển và định tuyến Internet MPLS cung cấp chuyển mạch hướng kết nối ảo qua các tuyến Internet bằng cách hỗ trợ các nhãn và trao đổi nhãn. MPLS bao gồm việc thực hiện các đường chuyển mạch nhãn LSP, nó cũng cung cấp các thủ tục và các giao thức cần thiết để phân phối các nhãn giữa các chuyển mạch và các bộ định tuyến. Nghiên cứu MPLS đang được thực hiện dưới sự bảo trợ của nhóm làm việc MPLS trong IETF. MPLS vẫn là một sự phát triển tương đối mới, nó mới chỉ được tiêu chuẩn hoá theo Internet vào đầu năm 2001. Sử dụng MPLS để trao đổi khe thời gian TDM, chuyển mạch không gian và các bước sóng quang là những phát triển mới nhất. Các nỗ lực này được gọi là GMPLS (Generalized MPLS ). Nhóm làm việc MPLS đưa ra danh sách với 8 bước yêu cầu để xác định MPLS đó là: + MPLS phải làm việc với hầu hết các công nghệ liên kết dữ liệu. + MPLS phải thích ứng với các giao thức định tuyến lớp mạng và các công nghệ Internet có liên quan khác. + MPLS cần hoạt động một cách độc lập với các giao thức định tuyến. + MPLS phải hỗ trợ mọi khả năng chuyển tiếp của bất kỳ nhãn cho trước nào. + MPLS phải hỗ trợ vận hành quản lý và bảo dưỡng (OA&M). + MPLS cần xác định và ngăn chặn chuyển tiếp vòng. + MPLS cần hoạt động trong mạng phân cấp + MPLS phải có tính kế thừa. Tám yêu cầu này chính là các nỗ lực phát triển cần tập trung. Liên quan tới các yêu cầu này, nhóm làm việc cũng đưa ra 8 mục tiêu chính mà MPLS cần đạt được: Chỉ rõ các giao thức được tiêu chuẩn hoá nhằm duy trì và phân phối nhãn để hỗ trợ định tuyến dựa vào đích unicast mà việc chuyển tiếp được thực hiện bằng cách trao đổi nhãn. (Định tuyến unicast chỉ ra một cách chính xác một giao diện; định tuyến dựa vào đích ngụ ý là định tuyến dựa vào địa chỉ đích cuối cùng của gói tin). Chỉ rõ các giao thức được tiêu chuẩn hoá nhằm duy trì và phân phối nhãn để hỗ trợ định tuyến dựa vào đích multicast mà việc chuyển tiếp được thực hiện bằng cách trao đổi nhãn. (Định tuyến mulicast chỉ ra hơn một giao diện ở đầu ra. Nhiệm vụ tích hợp các kỹ thuật multicast trong MPLS vẫn đang tiếp tục nghiên cứu và phát triển. Chỉ rõ các giao thức được tiêu chuẩn hoá nhằm duy trì và phân phối nhãn để hỗ trợ phân cấp định tuyến mà việc chuyển tiếp được thực hiện bằng cách trao đổi nhãn , phân cấp định tuyến nghĩa là hiểu biết về topo mạng trong hệ thống tự trị. Chỉ rõ các giao thức được tiêu chuẩn hoá nhằm duy trì và phân phối nhãn để hỗ trợ các đường riêng dựa vào trao đổi nhãn. Các đường này có thể khác so với các đường đã được tính toán trong định tuyến IP thông thường ( định tuyến trong IP dựa vào chuyển tiếp theo địa chỉ đích ). Các đường riêng rất quan trọng trong các ứng dụng TE. Chỉ ra các thủ tục được tiêu chuẩn hoá để mang thông tin về nhãn qua các công nghệ lớp 2. Chỉ ra một phương pháp tiêu chuẩn nhằm hoạt động cùng với ATM ở mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người dùng. Phải hỗ trợ cho các công nghệ QoS ( như là giao thức RSVP) (QoS là một trong những ứng dụng quan trọng nhất của MPLS, MPLS QoS sẽ có thể mang lại nhiều lợi ích cho mạng thế hệ sau). Chỉ ra các giao thức tiêu chuẩn cho phép các host sử dụng MPLS. 6.3.2.2. Cách thức hoạt động của MPLS MPLS có thể được xem như là một tập các công nghệ hoạt động với nhau để phân phát gói tin từ nguồn tới đích một cách hiệu quả và có thể điều khiển được. Nó sử dụng các đường chuyển mạch nhãn LSP để chuyển tiếp ở lớp 2 mà đã được thiết lập báo hiệu bởi các giao thức định tuyến lớp 3 Các lớp trên Duy trì tuyến Lựa chọn cổng ra Mặt phẳng điều khiển Định tuyến Chuyển mạch Mặt phẳng chuyển tiếp Nhận gói đầu vào Phát gói đầu ra Các cổng đầu vào Các cổng đầu ra Hình 6.1. Mô hình chung về chuyển tiếp và chuyển mạch tại bộ định tuyến Bởi vì các khái niệm chuyển tiếp, chuyển mạch và định tuyến là những vấn đề quan trọng để hiểu MPLS hoạt động như thế nào do vậy ta xem xét các vấn đề này trong bộ định tuyến. Một thiết bị định tuyến chuyển một gói tin từ nguồn tới đích bằng cách thu hoặc nhận, chuyển mạch và sau đó chuyển tiếp nó tới một thiết bị mạng khác cho tới khi nó tới đích cuối cùng. Hình 6.1 trên đây mô tả mô hình chung về chuyển tiếp và chuyển mạch tại bộ định tuyến. Mặt bằng điều khiển quản lý một tập các tuyến đường mà một gói có thể sử dụng, trong mô hình này một gói đi vào thiết bị mạng qua giao diện đầu vào, được xử lý bởi một thiết bị mà nó chỉ xử lý thông tin về gói để đưa ra quyết định logic. Quyết định logic này có thông tin được cung cấp từ mặt bằng điều khiển chứa các tuyến, cho các thông tin về gói được cập nhật tới thiết bị khác để chuyển tiếp gói thông qua giao diện đầu ra để tới đích của gói tin đó. Đây là mô hình đơn giản nhất trong các công nghệ mạng, nhưng nó là sự bắt đầu cho các vấn đề liên quan tới MPLS được thực hiện như thế nào. Các công nghệ MPLS đưa ra mô hình mới cho việc định tuyến, chuyển mạch và chuyển tiếp để chuyển các gói tin trong mạng Internet. Một mô hình khác thường gặp để mô tả luồng các gói tin giữa các thiết bị mạng (ví dụ như là các bộ định tuyến) được trình bầy trong hình vẽ dưới đây. Hình 6.2. Mô hình luồng gói tin giữa hai thiết bị mạng Lưu lượng trong mạng có thể được hiểu theo hai cách: Lưu lượng điều khiển bao gồm các thông tin về quản lý và định tuyến và Lưu lượng dữ liệu. Lưu lượng dữ liệu thì đi theo “ đường nhanh” và được xử lý bởi các thiết bị mạng. Trong hầu hết các thiết bị mạng hiện đại, đường nhanh được thực hiện bởi phần cứng. Bất cứ thiết bị mạng nào nhận một gói tin khi xử lý tiêu đề của gói, thông tin về gói được gửi lên đường điều khiển để xử lý. Các gói điều khiển bao gồm các thông tin yêu cầu cho việc định tuyến gói, bất cứ một gói nào khác có thể chứa thông tin điều khiển, các gói dữ liệu ưu tiên vv.. thì được xử lý chậm bởi vì chúng cần được kiểm tra bởi phần mềm. Vì lý do này đường xử lý này thường được gọi là “đường chậm”. Mô hình này rất quan trọng để hiểu MPLS hoạt động như thế nào bởi vì nó chỉ ra đường điều khiển và đường chuyển tiếp là riêng biệt. Khả năng của MPLS để phân biệt các chức năng quan trọng này để tạo ra một phương pháp mới làm thay đổi phương thức truyền các gói dữ liệu qua mạng Internet. MPLS chủ yếu làm việc với các giao thức lớp 2 và lớp 3, và cũng hoạt động trong nhiều kiểu thiết bị mạng khác. “Công nghệ lớp 2.5” là một cách nhìn về MPLS. Hình sau trình bày MPLS được xem như là một “ lớp chèn” mà tự đặt nó vào giữa lớp mạng và lớp liên kết dữ liệu. Lớp 4 – 7 (Lớp truyền tải, phiên, trình diễn, ứng dụng) Lớp 3 (lớp mạng) Lớp 2.5 (MPLS) Lớp 2 (liên kết dữ liệu) Lớp 1 (lớp vật lý) Hình 6.3. Lớp chèn MPLS Mô hình này ban đầu xuất hiện như là một mô hình không đồng nhất với OSI, mô hình này chỉ ra rằng MPLS không phải là một lớp mới riêng, mà nó là một phần ảo của mặt phẳng điều khiển ở dưới lớp mạng với mặt phẳng chuyển tiếp ở đỉnh của lớp liên kết dữ liệu. MPLS không phải là một giao thức tầng mạng mới bởi vì nó không có khả năng tự định tuyến hoặc có sơ đồ địa chỉ, mà yêu cầu phải có trong giao thức lớp 3. MPLS sử dụng các giao thức định tuyến và cách đánh địa chỉ của IP ( với sự điều chỉnh và mở rộng cần thiết) MPLS cũng không phải là một giao thức tầng liên kết dữ liệu bởi vì nó được thiết kế để hoạt động trong nhiều công nghệ liên kết dữ liệu phổ biến mà cung cấp yêu cầu chức năng và địa chỉ lớp 2. 6.3.2.3. Các thuật ngữ trong MPLS * Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn và bộ định tuyến biên nhãn(LSR và LER) Các thiết bị tham gia trong kỹ thuật giao thức MPLS có thể được phân loại thành các bộ định tuyến biên nhãn ( LER) và các bộ định tuyến chuyển mạch nhãn (LSR). Một LSR là 1 thiết bị định tuyến tốc độ cao trong lõi của 1 mạng MPLS, nó tham gia trong việc thiết lập các đường dẫn chuyển mạch nhãn (LSP) bằng việc sử dụng giao thức báo hiệu nhãn thích ứng và chuyển mạch tốc độ cao lưu lượng số liệu dựa trên các đường dẫn được thiết lập. Một LER là 1 thiết bị hoạt động tại biên (cạnh ) của mạng truy nhập và mạng MPLS. Các LER hỗ trợ đa cổng được kểt nối tới các mạng không giống nhau ( chẳng hạn FR, ATM và Ethernet ) và chuyển tiếp lưu lượng này vào mạng MPLS sau khi thiết lập LSP, bằng việc sử dụng các giao thức báo hiệu nhãn tại lối vào và phân bổ lưu lượng trở lại mạng truy nhập tại lối ra. LER đóng vai trò quan trọng trong việc chỉ định và huỷ bỏ nhãn, khi lượng vào trong hay đi ra khỏi mạng MPLS * Lớp tương đương chuyển tiếp (FEC) FEC là một sự biểu diễn của nhóm các gói, các nhóm này chia xẻ cùng yêu cầu trong sự vận chuyển của chúng. Tất cả các gói trong một nhóm như vậy được cung cấp cùng cách chọn đường tới đích. Ngược lại với chuyển tiếp IP truyền thống, trong MPLS việc gán một gói cụ thể vào một FEC cụ thể được thực hiện chỉ một lần khi các gói vào trong mạng. Các FEC dựa trên các yêu cầu dịch vụ đối với một tập các gói cho trước hay đơn giản là đối với một địa chỉ cho trước (address prefix). Mỗi LSR xây dựng một bảng để xác định xem một gói phải được chuyển tiếp như thế nào. Bảng này được gọi là một bảng thông tin nhãn cơ bản (LIB: Label Information Base), nó là tổ hợp các ràng buộc FEC với nhãn * Tiêu đề MPLS MPLS định nghĩa một tiêu đề có độ dài 32 bit và được tạo nên tại LSR vào. Nó phải được đặt ngay sau tiêu đề lớp 2 bất kì và trước một tiêu đề lớp 3. Ở đây là IP và được sử dụng bởi ingress LSR (LSR vào) để xác định một FEC, lớp này sẽ được xét lại trong vấn đề tạo nhãn. Sau đó các nhãn được xử lý bởi LSR transit (LSR chuyển tiếp). Khuôn dạng và tiêu đề MPLS được chỉ ra trong hình1.4 . Nó bao gồm các trường sau: Nhãn: Giá trị nhãn 20 bits, giá trị này chứa nhãn MPLS. Exp: thực nghiệm sử dụng 3 bits. S : bit ngăn xếp,1 bit, sử dụng sắp xếp đa nhãn. TTL: Thời gian sống, 8 bit, đặt ra một giới hạn mà các gói MPLS có thể đi qua. Điều này là cần thiết bởi vì trường TTL IP không được kiểm tra bởi các transit LSR (LSR chuyển tiếp) Tải Tiêu đề IP Đệm MPLS Tiêu đề lớp 2 Nhãn (20) COS (3) S (1) TTL (8) Hình 6.4: Định dạng cấu trúc nhãn * Ngăn xếp nhãn Chuyển mạch nhãn được thiết kế để co dãn các mạng lớn và MPLS hỗ trợ chuyển mạch nhãn với các hoạt động phân cấp, hoạt động phân cấp này dựa trên khả năng của MPLS có thể mang nhiều hơn một nhãn trong gói. Ngăn xếp nhãn cho phép thiết kế các LSR trao đổi thông tin với nhau và hành động này giông như việc tạo đường viền node để tạo ra một miền mạng rộng lớn và các LSR khác. Có thể nói lại rằng các LSR khác này là node bên trong (transit node) một miền và không liên quan đến đường viền node (với cấu tạo router liên vùng) và các nhãn được kết hợp trong các router này. Sự xử lý một gói nhãn được hoàn thành độc lập với từng mức của sự phân cấp. Đó là các mức nhãn thì không được LSR kiểm tra. Để giữ hoạt động đơn, các chương trình xử lý thường xuyên dựa trên đỉnh nhãn mà không cần quan tâm đến nhãn ở trên nó lúc trước, hoặc ở dưới nó tại thời điểm hiện tại. * Kết hợp luồng FEC Cách thức các lưu lượng ảo đến các FEC để tại ra một FEC riêng biệt cho mỗi địa chỉ prefix. Phương pháp tiếp cận này có kết quả trong việc thiết lập các FEC, các lớp này có định tuyến giống nhau tới node ra, việc hoán đổi nhãn có thể chỉ được sử dụng để chuyển lưu lượng tới node kế tiếp. Trong tình huống này trong miền MPLS, các FEC riêng rẽ thực hiện thì sẽ không đem lại hiệu quả tốt. Trong quan niệm của MPLS, kết hợp các FEC này tạo ra một FEC đặc trưng cho tất cả là đem lại hiệu quả nhất. Trong tình huống này có hai lựa chọn: Liên kết một nhãn riêng biệt tới một miền FEC. Liên kết một nhãn tới một miền, ứng dụng nhãn kết hợp với tất cả lưu lượng trong miền. Thủ tục liên kết một nhãn đơn tới một miền kết hợp các FEC, miền này chính là một FEC (trong miền MPLS giống nhau) và ứng dụng các nhãn đó cho tất cả các lưu lượng trong miền kết hợp. Sự kết hợp làm giảm bớt số lượng nhãn cần thiết để điều khiển một cách chi tiết một bộ gói và cũng làm giảm đi số lượng lưu lượng điều khiển phân phối nhãn cần thiết. * Nhãn và sự liên kết nhãn Một nhãn được sử dụng để xác định đường dẫn cho một gói đi qua. Một nhãn được mạng hay được đóng gói vào trong tiêu đề lớp 2 cùng với gói. Bộ định tuyến nhận kiểm tra các gói với nội dung nhãn của nó để quyết định chặng kế tiếp. Mỗi khi gói được dán nhãn thì phần còn lại hành trình của gói qua đường trục mạng được dựa trên chuyển mạch nhãn. Giá trị nhãn chỉ có ý nghĩa cục bộ, nghĩa là chúng chỉ liên quan đến các chặng giữa các LSR. Mỗi lần một gói được phân loại như một FEC mới hay FEC đang tồn tại, một nhãn được phân bổ cho gói. Các giá trị nhãn nhận được từ lớp liên kết dữ liệu nằm phía dưới. Với các lớp liên kết dữ liệu (như FR hay ATM), các bộ nhận dạng lớp 2 như là bộ nhận dạng kết nối tuyến số liệu (DLCI: Data Link Connection Identifier) trong mạng chuyển tiếp khung (FR: Frame Relay) hay bộ nhận dạng đường ảo (VPI: Virtual Path Identifier)/ bộ nhận dạng kênh ảo (VCI: Virtual Channel Identifier) trong mạng ATM, có thể được sử dụng một cách trực tiếp như các nhãn. Các gói sau đó được chuyển tiếp dựa vào giá trị nhãn của chúng. Các nhãn được ràng buộc tới một FEC như một kết quả của một vài sự kiện hay chính sách. Điều này chỉ ra một yêu cầu cho ràng buộc như vậy. Những sự kiện này có thể hoặc là các ràng buộc dữ liệu hay các ràng buộc điều khiển. Ràng buộc điều khiển hay được sử dụng hơn do có các tính chất mở rộng tiên tiến và được sử dụng trong định tuyến thông tin trong mạng MPLS. Các quyết định phân bổ nhãn có thể dựa trên các tiêu chuẩn chuyển tiếp, chẳng hạn như: + Định tuyến đơn hướng đích. + Kỹ thuật lưu lượng. + Đa hướng (Multicast). + Mạng riêng ảo (VPN: Virtual Private Network). + QoS. + Nhãn có thể nhúng trong tiêu đề của lớp liên kết dữ liệu (VPI/VCI ATM và DLCI FR ) hay trong lớp đệm . * Tạo nhãn và phân bổ nhãn Có một số phương pháp được sử dụng trong việc tạo nhãn: + Phương pháp dựa trên đồ hình (topology-based): sử dụng các giao thức định tuyến thông thường như OSPF (Open Shortest Path First) và BGP (Border Gateway Protocol: Giao thức cổng đường biên). + Phương pháp dựa trên yêu cầu (request-based): sử dụng điều khiển lưu lượng dựa trên yêu cầu như RSVP (Resource Reservation Protocol: Giao thức dành trước tài nguyên). + Phương pháp dựa trên lưu lượng: sử dụng sự tiếp nhận của gói để phân bổ thông tin nhãn Các phương pháp dựa trên đồ hình và dựa trên yêu cầu là các ví dụ về các ràng buộc nhãn điều khiển, trong khi phương pháp dựa trên lưu lượng là một ví dụ về các ràng buộc dữ liệu. Kiến trúc MPLS không sử dụng một phương pháp báo hiệu để phân bổ nhãn. Các giao thức định tuyến đang tồn tại như BGP, đã được tăng cường để mang thông tin nhãn trong nội dung của giao thức. RSVP cũng đã được mở rộng để hỗ trợ việc trao đổi nhãn đã được mang. IETF (Internet Engineering Task Force: Nhóm đặc trách kĩ thuật Internet) đã định nghĩa một giao thức được gọi là Giao thức phân bổ nhãn (LDP: Label Distribution Protocol) cho báo hiệu tường minh và quản lý không gian nhãn. Sự mở rộng tới giao thức LDP cơ bản cũng đã được định nghĩa để hỗ trợ định tuyến tường minh dựa trên các yêu cầu về QoS và CoS. Những sự mở rộng này được lưu giữ trong định tuyến dựa trên ràng buộc (CR: Constraint-based Routing) - định nghĩa giao thức LDP. Một tổng kết về các lược đồ khác nhau cho việc trao đổi nhãn như sau: + LDP - ánh xạ các đích IP đơn hướng vào các nhãn. + RSVP, CP-LDP - được sử dụng cho kĩ thuật lưu lượng và đặt trước tài nguyên. + Multicast độc lập giao thức - được sử dụng cho việc ánh xạ nhãn các trạng thái đa hướng. + BGP – các nhãn bên ngoài (VPN). + Đường dẫn chuyển mạch nhãn (LSP) Một tập hợp MPLS – các thiết bị được cho phép biểu diễn một miền MPLS. Trong một miền MPLS, một đường dẫn được thiết lập cho một gói được di chuyển dựa trên một FEC. LSP được thiết lập trước truyền dẫn dữ liệu. MPLS cung cấp 2 chức năng sau để thiết lập một LSP: Định tuyến theo từng chặng (hop by hop routing): Mỗi LSR lựa chọn một cách độc lập tuyến kế tiếp với một FEC cho trước. Phương pháp này là tương đương với phương pháp được sử dụng hiện nay trong các mạng IP. LSR sử dụng mọi giao thức định tuyến có thể như OSPF, giao diện mạng-mạng riêng ATM (PNNI: Private Network to Network Interface), etc Định tuyến tường minh (ER:Explicit Routing): định tuyến tường minh tương tự với định tuyến nguồn. LSR lối vào (nghĩa là LSR nơi mà dòng dữ liệu bắt đầu tới mạng đầu tiên) xác định danh sách các node mà ER-LSP đi qua. Đường dẫn đã được xác định có thể là không tối ưu. Dọc đường dẫn các tài nguyên có thể được đặt trước để đảm bảo QoS cho lưu lượng dữ liệu. Đường này làm giảm nhẹ cho kĩ thuật lưu lượng thông qua mạng và các dịch vụ khác nhau có thể được cung cấp bằng cách sử dụng các luồng dựa trên các chính sách hay các phương pháp quản lý mạng. LSP thiết lập cho một FEC về bản chất là không đơn hướng. Lưu lượng ngược lại phải sử dụng LSP khác. * Không gian nhãn Các nhãn được sử dụng bởi một LSR với các ràng buộc FEC-nhãn được liệt kê như sau: per platform – Các giá trị là duy nhất vượt qua toàn bộ LSR. Các nhãn được bố trí từ một thùng chứa nhãn chung. Không có 2 nhãn được phân bổ trên các giao diện khác nhau có cùng giá trị. per interface – Vùng nhãn (phạm vi nhãn) được kết hợp với các giao diện. Các thùng đa nhãn được định nghĩa cho các giao diện và các nhãn được cung cấp trên các giao diện này được định vị từ các thùng tách biệt. Giá trị các nhãn được cung cấp trên các giao diện khác nhau có thể giống nhau. * Hợp nhất nhãn Dòng lưu lượng đến từ các giao diện khác nhau có thể được kết hợp cùng nhau và được chuyển mạch bằng việc sử dụng một nhãn chung nếu chúng đang đi qua mạng hướng tới cùng một đích cuối cùng. Điều này được biết như là sự hợp nhất luồng hay kết hợp các luồng. Nếu mạng truyền tải nằm bên dưới là một mạng ATM, các LSR có thể sử dụng hợp nhất đường ảo (VP) hay kênh ảo (VC). Trong kịch bản này, các vấn đề đan xen tế bào xuất hiện khi nhiều dòng lưu lượng được kết hớp trong mạng ATM, cần phải được tránh. * Sự duy trì nhãn MPLS định nghĩa sự cư xử cho các ràng buộc nhãn nhận được từ các LSR, đó không phải là chặng kế tiếp với một FEC đã cho. Hai chế độ được định nghĩa: Bảo toàn (conservative) – Trong chế độ này, các ràng buộc giữa một nhãn và một FEC nhận được từ các LSR không là chặng kế tiếp cho một FEC cho trước bị huỷ bỏ. Chế độ này cần một LSR để duy trì số nhãn ít hơn. Đây là chế độ được khuyến khích sử dụng cho các LSR ATM. Tự do (liberal) – Trong chế độ này, các ràng buộc giữa một nhãn và một FEC nhận được từ các LSR không là chặng kế tiếp với một FEC cho trước được giữ nguyên. Chế độ này cho phép tương thích nhanh hơn với các thay đổi cấu hình và cho phép chuyển mạch lưu lượng tới các LSP khác trong trường hợp có sự thay đổi. * Điều khiển nhãn MPLS định nghĩa các chế độ cho việc phân bổ nhãn tới các LSR lân cận như sau: Độc lập (Independent) – Trong chế độ này, một LSR nhận dạng một FEC nào đó và ra quyết định ràng buộc một nhãn với một FEC một cách độc lập để phân bổ ràng buộc đến các thực thể đồng mức của nó. Các FEC mới được nhận dạng bất cứ khi nào các tuyến (route) trở nên rõ ràng với router. Có thứ tự (ordered) – Trong chế độ này, một LSR ràng buộc một nhãn với một FEC nào đó nếu và chỉ nếu nó là router lối ra hay nó đã nhận được một ràng buộc nhãn cho FEC từ LSR chặng kế tiếp của nó. Chế độ này được khuyến nghị sử dụng cho các LSR ATM. 6.3.2.4. Các đặc tính hoạt động, điều hành của MPLS Các bước sau phải được thực hiện với một gói dữ liệu để đi qua một miền MPLS: + Tạo và phân bổ nhãn. + Tạo bảng tại mỗi router. + Tạo các đường dẫn chuyển mạch nhãn (LSP). + Chèn/tìm kiếm bảng nhãn. + Chuyển tiếp gói. Nguồn gửi dữ liệu của nó tới đích. Trong một miền MPLS không phải tất cả lưu lượng nguồn là cần thiết được chuyển qua cùng đường dẫn. Phụ thuộc vào đặc tính lưu lượng, các LSP khác nhau có thể được tạo cho các gói với các yêu cầu CoS khác nhau. Trong hình 6.5, LER1 là router lối vào và LER4 là router lối ra Hình . Sự tạo ra LSP và chuyển tiếp các gói thông qua một miền MPLS Các bước sau đây minh hoạ hoạt động MPLS tác động tới gói dữ liệu trong một miền MPLS. * Tạo & phân bổ nhãn Trước khi lưu lượng bắt đầu, các router quyết định để ràng buộc một nhãn với một FEC xác định và xây dựng bảng của chúng. Trong LDP, các router đường xuống khởi tạo sự phân bổ các nhãn và ràng buộc nhãn/FEC. Ngoài ra, các đặc tính liên quan lưu lượng và khả năng MPLS được thoả thuận bằng việc sử dụng LDP. * Tạo bảng Tại phía nhận các ràng buộc nhãn, mỗi LSR tạo các lối vào trong cơ sở thông tin nhãn (LIB : Label Information Base). Nội dung của bảng sẽ xác định ánh xạ giữa một nhãn và một FEC. Ánh xạ giữa cổng vào và bảng nhãn đầu vào tới cổng ra và bảng nhãn đầu ra. Các lối vào được cập nhật bất cứ khi nào sự tái đàm phán về ràng buộc nhãn xảy ra. * Tạo đường dẫn chuyển mạch nhãn . Như được biểu diễn bằng đường ngắt quãng trong hình 1.5, các LSP được tạo ở phương ngược lại với sự tạo các lối vào trong các LIB. * Chèn/tìm kiếm bảng nhãn Router đầu tiên (LER1 trong hình 1.5) sử dụng bảng trong LIB để tìm chặng kế tiếp và yêu cầu một nhãn FEC xác định. Các router chỉ lần lượt sử dụng nhãn để tìm chặng kế tiếp. Mỗi lần gói chạm tới LSR lối ra (LER4), nhãn được xoá bỏ và gói được cung cấp cho đích. * Chuyển tiếp gói . LER1 có thể không có nhãn nào cho gói này khi đó là lần đầu tiên xảy ra yêu cầu này. Trong một mạng IP, nó sẽ tìm sự phù hợp địa chỉ dài nhất để tìm chặng kế tiếp. Cho LSR1 là chặng kế tiếp của LER1. LER1 sẽ khởi tạo một yêu cầu nhãn chuyển tới LSR1. Yêu cầu này sẽ phát thông qua mạng. Mỗi router trung gian sẽ nhận một nhãn từ router phía sau nó bắt đầu từ LER2 và đi lên trên cho đến LER1. Thiết lập LSP được chỉ báo bởi đường xanh da trời gãy khúc bằng việc sử dụng LDP hay bất kì giao thức báo hiệu nào khác. Nếu kĩ thuật lưu lượng được yêu cầu, CR-LDP sẽ được sử dụng trong việc quyết định thiết lập đường dẫn thực sự để chắc chắn yêu cầu QoS/CoS được tuân thủ. LER1 sẽ chèn nhãn và chuyển tiếp gói tới LSR 1. Mỗi LSR lần lượt, nghĩa là LSR2 và LSR3, sẽ kiểm tra nhãn với các gói nhận được, thay thế nó với các nhãn đầu ra và chuyển tiếp nó. Khi gói tới LER4, nó sẽ xoá bỏ nhãn bởi vì gói sẽ rời khỏi miền MPLS và phân phát tới đích. 4.4.2.5. Kiến trúc ngăn xếp trong MPLS Các thành phần MPLS chủ yếu có thể được phân chia thành các phần sau: + Các giao thức định tuyến (IP) lớp mạng. + Chuyển tiếp biên của lớp mạng. + Chuyển tiếp dựa trên nhãn mạng lõi. + Lược đồ nhãn. + Giao thức báo hiệu để phân bố nhãn. + Kĩ thuật lưu lượng. + Khả năng tương thích với các lược đồ chuyển tiếp lớp 2 khác nhau (ATM, FR, PPP: Point to Point Protocol). Hình 6.6 mô tả các giao thức có thể được sử dụng cho các hoạt động MPLS. Module định tuyến có thể là bất cứ giao thức nào trong các giao thức công nghiệp phổ biến. Phụ thuộc vào môi trường hoạt động, module định tuyến có thể là OSPF, BGP hay PNNI của ATM, etcModule LDP sử dụng TCP để truyền dẫn tin cậy các dữ liệu điều khiển từ LSR này đến LSR khác trong suốt một phiên. LDP cũng duy trì LIB. LDP sử dụng UDP trong suốt quá trình khám phá của nó về trạng thái hoạt động. Trong trạng thái này, LSP cố gắng nhận dạng các phần tử lân cận và cũng như sự có mặt của chính các tín hiện của nó với mạng. Điều này được thực hiện thông qua trao đổi gói. IP Fwd là module chuyển tiếp IP cổ điển, nó tìm kiếm chặng kế tiếp bằng việc so sánh để phù hợp với địa chỉ dài nhất trong các bảng của nó. Với MPLS, điều này được thực hiện chỉ bởi các LER. MPLS Fwd là module chuyển tiếp MPLS, nó so sánh một nhãn với một cổng đầu ra và chọn sự phù hợp nhất với một gói đã cho.Các lớp được biểu diễn trong hộp với đường gãp khúc có thể được thực hiện bằng phần cứng để hoạt động nhanh và có hiệu quả. Hình . Ngăn xếp giao thức MPLS 4.4.5 Kỹ thuật định tuyến trong mạng chuyển mạch gói Như trong chương 1 đã định nghĩa, định tuyến là một tiến trình lựa chọn con đường cho thực thể thông tin chuyển qua mạng. Nó được xem như là khả năng của một node trong vấn đề lựa chọn đường dẫn cho thông tin qua mạng. Định tuyến là một khái niệm cốt lõi của mạng chuyển mạch gói và nhiều loại mạng khác nhau. Định tuyến cung cấp phương tiện tìm kiếm các tuyến đường theo các thông tin mà thực thể thông tin được chuyển giao trên mạng. [7] Mỗi nút trong mạng nhận gói dữ liệu từ một đường vào (incoming link) rồi chuyển tiếp nó tới một đường ra (outgoing link) hướng đến đích của dữ liệu. Như vậy ở mỗi nút trung gian phải thực hiện các chức năng chọn đường hay còn gọi là định tuyến và chuyển tiếp cho đơn vị dữ liệu. Các chức năng đó thuộc lớp mạng - lớp 3 của mô hình OSI, vì các giao thức định tuyến hoạt động ở trên lớp liên kết dữ liệu - lớp 2 và để cung cấp một dịch vụ “trong suốt” cho tầng giao vận, vì vậy chúng phải ở dưới tầng giao vận – lớp 4. Mục tiêu cơ bản của các phương pháp định tuyến nhằm sử dụng tối đa tài nguyên mạng, và tối thiểu hoá giá thành mạng. Để đạt được điều này kỹ thuật định tuyến phải tối ưu được các tham số mạng và người sử dụng như : Xác suất tắc ngẽn, băng thông, độ trễ, độ tin cậy, giá thành,v..v. Vì vậy, một kỹ thuật định tuyến phải thực hiện tốt 2 chức năng chính sau đây: (i) Quyết định chọn đường theo những tiêu chuẩn tối ưu nào đó. (ii) Cập nhật thông tin định tuyến, tức là thông tin dùng cho chức năng (i) Tuỳ thuộc vào kiến trúc, hạ tầng cơ sở mạng mà các kỹ thuật định tuyến khác nhau được áp dụng. Các tiêu chuẩn tối ưu khi chọn đường dẫn từ trạm nguồn tới trạm đích có thể phụ thuộc vào yêu cầu người sử dụng dịch vụ mạng. Giữa mạng và người sử dụng có thể có các thoả thuận ràng buộc về chất lượng dịch vụ cung cấp hay một số yêu cầu khác. Điều đó có thể dẫn tới khả năng chọn đường của mạng chỉ là cận tối ưu đối với một loại hình dịch vụ cụ thể, hoặc với một số nhóm người sử dụng dịch vụ cụ thể. Chức năng cập nhật thông tin định tuyến là chức năng quan trọng nhất mà các giao thức định tuyến phải thừa hành. Các giải pháp cập nhật thông tin định tuyến đưa ra hiện nay tập trung vào giải quyết bài toán cân đối lưu lượng báo hiệu và định tuyến trên mạng với tính đầy đủ và sự nhanh chóng của thông tin định tuyến. Các tiêu chí cơ bản để so sánh giữa các giao thức định tuyến sẽ được chỉ ra trong phần sau với các bộ tham số đánh giá cụ thể. Trong các mạng máy tính có rất nhiều các kỹ thuật định tuyến khác nhau đã được đưa ra. Sự phân biệt giữa các kỹ thuật định tuyến chủ yếu căn cứ vào các yếu tố liên quan đến 2 chức năng chính đã chỉ ra trên đây. Các yếu tố đó thường là: (a) Sự phân tán của các chức năng chọn đường trên các nút của mạng. (b) Sự thích nghi với trạng thái hiện hành của mạng. (c) Các tiêu chuẩn tối ưu để định tuyến. Dựa trên yếu tố (a) ta có thể phân biệt kỹ thuật định tuyến thành: kỹ thuật định tuyến tập trung (centralized routing) và phân tán (distributed routing) . Dựa trên yếu tố (b) ta có kỹ thuật định tuyến tĩnh (static hay fixed routing) hoặc động (adaptative routing). Cuối cùng các kỹ thuật định tuyến cùng loại theo (a) và (b) lại có thể phân biệt bởi yếu tố (c). Tiêu chuẩn tối ưu để định tuyến được xác định bởi người quản lý hoặc người thiết kế mạng, nó có thể là: ƒ Độ trễ trung bình của thời gian truyền gói tin. ƒ Số lượng nút trung gian giữa nguồn và đích của gói tin. ƒ Độ an toàn của việc truyền tin. Việc chọn tiêu chuẩn tối ưu như vậy phụ thuộc vào nhiều bối cảnh mạng (topo, thông lượng, mục đích sử dụng.v.v..). Các tiêu chuẩn có thể thay đổi vì bối cảnh mạng cũng có thể thay đổi theo thời gian hoặc các triển khai ứng dụng trên mạng. Chính vì thế mà vấn đề tối ưu hoá định tuyến luôn được đặt ra trong thời gian triển khai mạng, nhất là sự đối lập về quan điểm người sử dụng dịch vụ và nhà khai thác dịch vụ mạng. Người sử dụng luôn muốn có những dịch vụ tốt nhất cho họ còn nhà khai thác lại muốn tối ưu dịch vụ người dùng trên nền mạng có sẵn hoặc đầu tư tối thiểu để đem lại lợi nhuận cao nhất, thậm chí ngay cả các dịch vụ của người sử dụng cũng không thể sử dụng một tiêu chuẩn cho tất cả. Vì vậy, các giải pháp định tuyến thường là giải pháp dung hoà hay còn gọi là giải pháp cận tối ưu. Về mặt nguyên tắc, các giải pháp quản trị mạng bao gồm cả chức năng định tuyến trong mạng thường được chia thành hai loại, quản lý kiểu tập trung và kiểu phân tán. Giải pháp quản lý định tuyến cho các mạng nhỏ (về kích cỡ mạng và độ phức tạp của mạng) thường ứng dụng kiểu định tuyến tập trung để giảm giá thành và thuận tiện trong công tác quản lý. Tuy nhiên kiểu định tuyến tập trung thường bộc lộ các yếu điểm vì phải công khai thông tin định tuyến cho toàn mạng và dễ bị tấn công.Hơn nữa, định tuyến tập trung phản ứng với sự thay đổi trạng thái mạng kém nhanh nhạy. Giải pháp định tuyến phân tán khá phù hợp với các mạng lớn và độ phức tạp cao, nó dựa trên sự tái tạo và kết hợp giữa các nút được coi là ngang hàng, vì vậy nếu có lỗi xảy ra thì nó chỉ mang tính cục bộ giữa các nút liên quan. Các thông tin định tuyến phân tán được xử lý và chuyển rất nhanh trong mạng qua các nút mạng có chức năng phân bổ thông tin định tuyến trên diện rộng của mạng. 4.4.5.1. Các thuật toán tìm đường ngắn nhất Hai thuật toán thường được sử dụng phổ biến trong kỹ thuật định tuyến động là: Thuật toán định tuyến theo vecto khoảng cách DVA (Distance Vector Algorithm) và thuật toán định tuyến theo trạng thái liên kết LSA(Link State Algorithm). Việc tính toán định tuyến trong mạng chuyển mạch gói thường được gắn với đồ thị G(E,V) - (E: số cạnh, V: số đỉnh). Việc sử dụng đồ thị có hướng và có trọng số sẽ tường minh các bài toán định tuyến đảm bảo QoS. Trong phần này ta xem xét các thuật toán sử dụng mô tả hai kỹ thuật tìm đường ngắn nhất thông dụng hiện nay. (i) Thuật toán định tuyến theo Vector khoảng cách: Là một thuật toán định tuyến tương thích nhằm tính toán con đường ngắn nhất giữa các cặp node trong mạng, dựa trên phương pháp tập trung được biết đến như là thuật toán Bellman-Ford. Các node mạng thực hiện quá trình trao đổi thông tin trên cơ sở của địa chỉ đích, node kế tiếp, và con đường ngắn nhất tới đích. Mô tả hình thức thuật toán này như sau: Giả thiết r là node nguồn, d là node đích Cd r là giá thấp nhất từ node r tới đích d Nr d là node tiếp theo của r trên đường tới d crs là giá của liên kết từ r tới s DVA giả thiết giá của tuyến liên kết có tính cộng giá và dương. Tính toán Bảng định tuyến trong mỗi node r được khởi tạo như sau: Cr r = 0; ∀s : s ≠ Nr d thì Cr s = ∞; Cr d(r, d, Nr d) là tập các giá của con đường đi từ node r tới node d qua nhiều nhất (s -2) node trung gian. ƒ Bước s =1 : Cr d(r, d, 1) = Cs d(d,1)= csd , ∀ Nr d ≠ r ƒ Bước s >1 : Cr d(d, Nr d) = Min[Min[Cr d(r, d, s )], Cr d(r, d, s -1)] , ∀ d ≠ r Một khi node r nhận được thông tin vecto khoảng cách ((d, Cs d),) từ node s, r sẽ cập nhật bảng định tuyến tất cả các đích tới d trong tập chứa s. Nếu ( Cs + c < Cr hoặc Nr = s) thì (Cr = Cs + c và Nr = s) thì thuật toán dừng. (ii) Thuật toán định tuyến theo trạng thái liên kết (LSA): Trong thuật toán lên quan tới trạng thái của các liên kết, các node mạng quảng bá giá trị liên kết của nó với các node xung quanh tới các node khác. Sau khi quảng bá tất cả các node đều biết rõ topo mạng và thuật toán sử dụng để tính toán con đường ngắn nhất tới node đích được mô tả hình thức như sau: Giả thiết : r là node nguồn, d là node đích Cd r là giá thấp nhất từ node r tới đích d Nr d là node tiếp theo của r trên đường tới d Cr s(r,s) là giá của liên kết từ r tới s, Tính toán: Bảng định tuyến trong mỗi node r được khởi tạo như sau: Cr r = 0; ∀s : s ≠ Nr d thì Cr s = ∞; Gọi Ω là tập các nót sau khi thực hiện sau k bước thuật toán : Khởi tạo: Cr d (r,d) = ∞, ∀d ∈ Ω ƒ Bước 1: Ω = r Cr s(r,s) = Min Cr s (r,s); Nr d =s, ∀r ≠ s; ƒ Bước k: Ω = Ω ∪w ( w∉Ω ) Cr d(r,d) = Min [Cr s(r,s) + Cs d (s,d)] , ∀s∉Ω. Thuật toán dừng khi tất cả các node thuộc Ω. Khi tính toán đường đi ngắn nhất sử dụng các thuật toán trên đây, thông tin trạng thái của mạng thể hiện trong hệ đo lượng (metric), các bộ định tuyến phải được cập nhật giá trên tuyến liên kết. Một khi có sự thay đổi topo mạng hoặc lưu lượng các node mạng phải khởi tạo và tính toán lại tuyến đường đi ngắn nhất, tuỳ theo giao thức được sử dụng trong mạng. 4.6. MẠNG THẾ HỆ KẾ TIẾP NGN VÀ CHUYỂN MẠCH MỀM 4.6.1. Mạng thế hệ kế tiếp NGN Khái niệm mạng thế hệ kế tiếp NGN (Next Generation Network) ra đời gẵn liền với việc tái kiến trúc mạng, tận dụng tất cả các ưu thế về công nghệ tiên tiến nhằm đưa ra nhiều dịch vụ mới, mang lại nguồn thu mới và góp phần làm giảm chi phí đầu tư, khai thác ban đầu cho các nhà kinh doanh. Các động lực cơ bản phát triển NGN như sự phát triển công nghệ, thị trường, hội tụ kết hợp mạng và các loại hình dịch vụ tác động tới sự biến đổi kiến trúc mạng bao gồm : ƒ Sự tăng trưởng của các dịch vụ di động với các nhà cung cấp dịch vụ thứ 3 đã dẫn tới một môi trường cạnh tranh mạnh mẽ giữa các nhà điều hành mạng. ƒ Sự gia tăng về mức độ phức tạp và quản lý dịch vụ mạng. ƒ Giá thành công nghệ và yêu cầu đảm bảo các dịch vụ truyền thống. ƒ Yêu cầu về chất lượng dịch vụ ngày càng cao NGN được ITU-T định nghĩa như sau: Mạng thế hệ kế tiếp (NGN) là mạng dựa trên nền gói có thể cung cấp các dịch vụ truyền thông và có thể tận dụng được các dải băng tần rộng, các công nghệ truyền tải với QoS cho phép và ở đó các chức năng liên quan đến dịch vụ sẽ độc lập với các công nghệ truyền tải ở lớp dưới. NGN cho phép người dùng truy nhập không hạn chế tới các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông khác nhau. NGN hỗ trợ tính lưu động nói chung để có thể cung cấp dịch vụ thích hợp và rộng khắp tới các người dùng. Như vậy NGN được mô tả theo các đặc điểm cơ bản như sau: ƒ Truyền tải trên nền chuyển mạch gói. ƒ Tách biệt các chức năng điều khiển với các khả năng mang, cuộc gọi/ phiên và ứng dụng/ dịch vụ. ƒ Tách riêng việc cung cấp dịch vụ khỏi mạng và cung cấp các giao diện mở. ƒ Hỗ trợ tất cả các dịch vụ, các ứng dụng và các kỹ thuật dựa trên khối xây dựng dịch vụ (bao gồm dịch vụ thời gian thực, phân loại dịch vụ, dịch vụ phi thời gian thực và dịch vụ đa phương tiện). ƒ Các khả năng băng rộng với QoS đầu cuối tới đầu cuối và truyền tải trong suốt. ƒ Tương tác với các mạng trước đây thông qua các giao diện mở. ƒ Tính linh động của thiết bị đầu cuối. ƒ Truy nhập không hạn chế cho người dùng tới các nhà cung cấp dịch vụ khác nhau ƒ Đa dạng về kế hoạch nhận dạng để giải quyết địa chỉ IP cho mục đích định tuyến trong mạng IP. ƒ Nhìn từ phía người sử dụng các dịch vụ được hội tụ thành một dịch vụ chung duy nhất. ƒ Hội tụ dịch vụ giữa mạng cố định và mạng di động ƒ Các chức năng liên quan đến dịch vụ độc lập với các công nghệ lớp dưới ƒ Phục tùng tất cả các thủ tục theo quy tắc như truyền thông khẩn cấp và an ninh/ riêng lẻ. NGN tập hợp được ưu điểm của các công nghệ mạng hiện có, tận dụng băng thông rộng và lưu lượng truyền tải cao của mạng gói để đáp ứng sự bùng nổ nhu cầu lưu lượng thoại truyền thông hiện nay và nhu cầu truyền thông đa phương tiện của người dùng đầu cuối. Đặc điểm của NGN là cấu trúc phân lớp theo chức năng và phân tán các tài nguyên trên mạng. Điều này đã làm cho mạng được mềm hóa và sử dụng các giao diện mở API (Application Program Interface) để kiến tạo các dịch vụ mà không phụ thuộc nhiều vào các nhà cung cấp thiết bị và dịch vụ mạng. Mô hình phân lớp do ITU-T đưa ra trình bày trên hình 4.20 trên đây gồm 4 lớp chức năng chính (ứng dụng, điều khiển, truyền tải, truy nhập) và một lớp quản lý chung cho 4 lớp này. (i) Lớp ứng dụng và dịch vụ mạng Lớp ứng dụng cung cấp các chức năng điều khiển và kiến tạo môi trường dịch vụ cho các nhà cung cấp thứ 3 được tổ chức thành một lớp duy nhất cho toàn mạng nhằm đảm bảo cung cấp dịch vụ đến tận đầu cuối theo cách thống nhất. Số lượng nút ứng dụng và dịch vụ phụ thuộc vào lưu lượng dịch vụ cũng như số lượng và loại hình dịch vụ, được tổ chức phân tán theo dịch vụ nhằm đảm bảo an toàn cho hệ thống. (ii) Lớp điều khiển Lớp điều khiển được tổ chức thành một cấp thay vì ba hay bốn cấp như cấu trúc mạng PSTN truyền thống nhằm giảm tối đa cấp mạng và tận dụng năng lực xử lý cuộc gọi rất lớn của thiết bị điều khiển thế hệ mới và giảm chi phí đầu tư trên mạng. Lớp điều khiển có nhiệm vụ điều khiển lớp chuyển tải và lớp truy nhập cung cấp các dịch vụ mạng NGN gồm nhiều module như module điều khiển kết nối ATM, MPLS, điều khiển định tuyến IP, điều khiển kết nối thoại, xử lý các báo hiệu mạng gồm CS7, SIP, MEGACO Số lượng nút điều khiển được tổ chức thành cặp được kết nối trực tiếp với một cặp nút chuyển mạch đa dịch vụ đường trục. (iii) Lớp truyền tải Lớp truyền tải phải có khả năng chuyển tải các loại lưu lượng. Lớp chuyển tải được tổ chức thành hai cấp đường trục và truy nhập. Các giao thức hoạt động trong lớp truyền tải phải thích ứng với hầu hết các công nghệ lớp 3. (iv) Lớp truy nhập Lớp truy nhập gồm toàn bộ các nút truy nhập hỗ trợ các dịch vụ cho người sử dụng bao gồm các dịch vụ thoại và phi thoại, các nút truy nhập kết nối tới mạng đường trục thông qua các thiết bị cổng đường biên và các thiết bị trung kế. (v) Lớp quản lý mạng Lớp quản lý mạng là phần quản lý mạng tập trung xuyên suốt tất cả các lớp khác. Lớp này thực hiện các chức năng quản lý như tính cước, hỗ trợ vận hành, các xử lý liên quan đến các thuê bao. Lớp quản lý mạng có thể tương tác với các lớp khác thông qua các giao diện chuẩn hay giao diện lập trình ứng dụng mở API. Chuyển mạch mềm gắn liền với sự ra đời của mạng thế hệ kế tiếp NGN, dưới đây là một số định nghĩa của các nhà phát triển hệ thống: Theo Nortel, Softswitch là một thành tố quan trọng nhất của mạng thế hệ sau (NGN - Next Generation Network). Họ định nghĩa: Softswitch là một phần mềm theo mô hình mở có thể thực hiện được những chức năng thông tin phân tán trên một môi trường máy tính mở và có những tính năng của mạng chuyển mạch thoại TDM truyền thống. Chuyển mạch mềm có thể tích hợp thông tin thoại, số liệu và video, nó có thể phiên dịch giao thức giữa các mạng khác nhau ví dụ như giữa mạng vô tuyến và mạng cáp. Chuyển mạch mềm cũng cho phép triển khai các dịch vụ VOIP (thoại qua mạng IP) mang lại lợi nhuận. Một chuyển mạch mềm kết hợp tính năng của các chuyển mạch thoại lớp 4 và lớp 5 với các cổng VOIP, trong khi vẫn hoạt động trên môi trường máy tính mở chuẩn. Các hệ thống máy tính kiến trúc mở sử dụng các thành phần đ• được chuẩn hoá và sử dụng rộng rãi của nhiều nhà cung cấp khác nhau. ở đây, hệ thống máy tính có thể là một máy tính cỡ nhỏ cho tới những server cỡ lớn như Netra của Sun Microsystem. Sử dụng các hệ thống máy tính mở cho phép các nhà khai thác phát triển dịch vụ một cách độc lập với phần cứng và hưởng lợi ích từ định luật Moore trong ngành công nghiệp máy tính. Theo MobileIN, Softswitch là ý tưởng về việc tách phần cứng mạng ra khỏi phần mềm mạng. Trong mạng chuyển mạch kênh truyền thống, phần cứng và phần mềm không độc lập với nhau. Mạng chuyển mạch kênh dựa trên những thiết bị chuyên dụng cho việc kết nối và được thiết kế với mục đích phục vụ thông tin thoại. Những mạng dựa trên chuyển mạch gói hiệu quả hơn thì sử dụng giao thức Internet (IP) để định tuyến thông tin thoại và số liệu qua các con đường khác nhau và qua các thiết bị được chia sẻ. Theo Alcatel, Softswitch là trung tâm điều khiển trong cấu trúc mạng viễn thông. Nó cung cấp khả năng chuyển tải thông tin một cách mềm dẻo, an toàn và đáp ứng các đặc tính mong đợi khác của mạng. Đó là các sản phẩm có chức năng quản lý dịch vụ, điều khiển cuộc gọi, Gatekeeper, thể hiện ở việc hội tụ các công nghệ IP/ATM/TDM trên nền cơ sở hạ tầng sẵn có. Hơn nữa, Softswitch còn có khả năng tương thích giữa các chức năng điều khiển cuộc gọi và các chức năng mới sẽ phát triển sau này. Như vậy, Softswitch là trung tâm chuyển mạch có đầy đủ chức năng của chuyển mạch truyền thống và tương thích được với các chức năng mới, sử dụng các công nghệ sẵn có cũng như công nghệ mới. Còn theo CopperCom, Softswitch là tên gọi dùng cho một phương pháp tiếp cận mới trong chuyển mạch thoại có thể giúp giải quyết được các thiếu sót của các chuyển mạch trong tổng đài nội hạt truyền thống. Công nghệ Softswitch có thể làm giảm giá thành của các chuyển mạch nội hạt, và cho ta một công cụ hữu hiệu để tạo ra sự khác biệt về dịch vụ giữa các nhà cung cấp dịch vụ và đơn giản hoá quá trình dịch chuyển từ mạng truyền thống sang mạng hỗ trợ thoại gói từ đầu cuối - đến - đầu cuối (end - to - end) trong tương lai. Mỗi nhà phát triển nhìn Softswitch dưới góc độ khác nhau, các nhà cung cấp nhỏ thường Mỗi nhà phát triển nhìn Softswitch dưới góc độ khác nhau, các nhà cung cấp nhỏ thường chỉ nhắc tới vai trò của Softswitch trong việc thay thế tổng đài nội hạt. Đúng là Softswitch thể hiện rất rõ ưu điểm của mình trong ứng dụng làm tổng đài nội hạt như chúng ta sẽ nói đến dưới đây, nhưng không chỉ có vậy. Các nhà cung cấp lớn hơn (như Nortel, Alcatel, Cisco...) đã đưa ra các giải pháp Softswitch hoàn chỉnh cho cả tổng đài nội hạt và tổng đài chuyển tiếp. 4.6.2. Mô hình phân cấp chuyển mạch trong mạng NGN Với mô hình phân lớp của ITU-T trên đây, các thành phần thiết bị cơ bản của NGN liên quan tới chuyển mạch gồm: Các thiết bị chuyển mạch lớp truy nhập gồm thiết bị chuyển mạch lớp 2 và lớp 3, các thiết bị chuyển mạch trên lớp truyền tải và điều khiển là thiết bị chuyển mạch lớp 5 hay còn gọi là thiết bị chuyển mạch mềm. Một cách nhìn nhận khác về cấu trúc phân cấp chuyển mạch trong NGN là theo phân cấp vùng gồm vùng truy nhập và vùng mạng lõi. Hình 4.21 dưới đây chỉ ra các thiết bị chuyển mạch trong mô hình phân cấp chuyển mạch của NGN. Tài liệu tham khảo Tiếng việt [1] Dương Văn Thành, Hoàng Trọng Minh, Tổng đài điện tử số, Học viện công nghệ Bưu chính Viễn thông, năm 2002. [2] T. D Thắng, Lý thuyết viễn thông, [3] Nguyễn Thị Thu Thuỷ, Giáo trình tổng đài điện tử số, NXB Hà Nội, 2005. [4] Mai Văn Quý, Nguyễn Hữu Kiên, Nguyễn Văn Giáo, Kỹ thuật chuyển mạch, Học viện kỹ thuật quân sự, Hà Nội 2003. [5] Nguyễn Duy Nhật Viễn, Bài giảng môn tổng đài điện tử, năm 2004. Tiếng anh [6] P. Raatikainen, ATM Switches, Switching Technology / 2003. [7] SGS Thomson Microelectronic, M3488 256 x 256 DIGITAL SWITCHING MATRIX, 1994. [8] Farid Farahmand, Qiong (Jo) Zhang, Circuit Switching, 1997. [9] Florent Parent, Régis Desmeules, IPv6 Tutorial, 2000. [10] Professor Juha Karhunen, Nonlinear Switching State-Space Models, 2001.