Tổng quan nghiên cứu

Theo đánh giá từ Diễn đàn công nghệ viễn thông Ovum, công nghệ MPLS VPN bắt đầu bước vào giai đoạn tăng trưởng vượt bậc từ năm 2005 và trở thành nền tảng cốt lõi định hình mạng thế hệ mới NGN. Trước sự bùng nổ của lưu lượng Internet với các đường truyền trục đạt tốc độ lên tới 40 Gbps, bảng định tuyến toàn cầu vượt mốc 150.000 tuyến đã gây ra áp lực tính toán vô cùng lớn cho các bộ định tuyến IP truyền thống. Vấn đề nghẽn cổ chai tại lớp 3 và sự phức tạp khi triển khai mô hình mạng riêng ảo cũ đòi hỏi một kiến trúc mạng mới có hiệu năng cao và khả năng mở rộng linh hoạt.

Luận văn tập trung nghiên cứu kiến trúc chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS và ứng dụng thực tiễn trong việc xây dựng mạng riêng ảo IP VPN. Mục tiêu nghiên cứu cụ thể gồm: phân tích sâu cấu trúc gói tin và cơ chế phân phối nhãn, làm rõ phương thức hoạt động của mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu trong MPLS VPN, đồng thời xây dựng phương án ứng dụng cung cấp dịch vụ mạng riêng ảo cho khách hàng trên hạ tầng mạng viễn thông thực tế.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện trên cấu trúc mạng truyền số liệu IP core của Công ty Thông tin Viễn thông Điện lực (EVNTelecom) trong giai đoạn 2006 đến 2008. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa thực tiễn lớn khi đưa ra giải pháp giảm tải xử lý cho mạng trục, tối ưu hóa định tuyến với thời gian phục hồi sự cố dưới 50 mili giây và tiết kiệm chi phí đầu tư thiết bị cho doanh nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên khung kiến trúc Chuyển mạch nhãn đa giao thức theo tiêu chuẩn RFC 3036 của Tổ chức Tư vấn Kỹ thuật Internet IETF, kết hợp với mô hình mạng riêng ảo ngang hàng Peer-to-Peer VPN và giao thức định tuyến đa giao thức cổng biên MP-BGP. Bên cạnh đó, luận văn áp dụng lý thuyết điều khiển lưu lượng Traffic Engineering và mô hình phân định chất lượng dịch vụ Differentiated Services (DiffServ).

Khung lý thuyết vận dụng 5 khái niệm cốt lõi:

  1. Nhãn MPLS (MPLS Label): Cấu trúc mào đầu 32 bit chèn giữa lớp 2 và lớp 3, bao gồm trường nhãn 20 bit với không gian định danh từ 0 đến 1.048.575, 3 bit thực nghiệm EXP quy định mức ưu tiên chất lượng dịch vụ QoS, 1 bit BoS xác định đáy ngăn xếp nhãn và 8 bit TTL kiểm soát thời gian sống chống lặp vòng định tuyến.
  2. Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn: Phân định vai trò giữa bộ định tuyến biên vào Ingress LSR, bộ định tuyến biên ra Egress LSR và bộ định tuyến lõi Intermediate LSR.
  3. Tuyến chuyển mạch nhãn LSP và Lớp chuyển tiếp tương đương FEC: Xác định tuyến đường đơn hướng cho tập hợp các gói tin có cùng thuộc tính xử lý.
  4. Bảng thông tin chuyển tiếp nhãn LFIB và LIB: Cơ sở dữ liệu lưu trữ ánh xạ nhãn giúp thiết bị chuyển tiếp gói tin nhanh chóng ở lớp 2,5.
  5. Bảng định tuyến và chuyển tiếp ảo VRF: Cơ chế phân tách không gian địa chỉ độc lập cho từng khách hàng thông qua bộ phân biệt tuyến RD và bộ định tuyến đích RT.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thứ cấp từ các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế RFC của IETF, tài liệu thiết kế hệ thống từ Cisco Systems và số liệu cấu hình mạng thực tế của mạng trục viễn thông EVNTelecom. Phương pháp phân tích so sánh định tính và mô hình hóa mạng được áp dụng để đánh giá sự khác biệt giữa mô hình mạng xếp chồng Overlay VPN truyền thống và MPLS VPN.

Cỡ mẫu nghiên cứu được thiết lập trên mô hình mạng viễn thông tiêu chuẩn gồm 200 bộ định tuyến lõi kết hợp khảo sát chi tiết tại 4 kịch bản kết nối điểm - đa điểm của khách hàng thực tế. Tác giả áp dụng phương pháp chọn mẫu có chủ đích, tập trung vào các nút mạng biên PE và nút mạng lõi P của EVNTelecom nhằm phản ánh chính xác hiệu năng định tuyến. Lý do lựa chọn phương pháp này là vì hệ thống mạng viễn thông đòi hỏi sự chuẩn hóa nghiêm ngặt về mặt giao thức và khả năng tương thích phần cứng trước khi tiến hành triển khai thương mại diện rộng trong giai đoạn 2006 đến 2008.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nghiên cứu chứng minh công nghệ MPLS giúp giải phóng gánh nặng định tuyến toàn cầu nhờ mô hình BGP-Free Core. Trong một hệ thống mạng viễn thông gồm 200 bộ định tuyến, việc triển khai MPLS cho phép giảm khoảng 75% số lượng thiết bị phải chạy giao thức BGP, chỉ cần khoảng 50 bộ định tuyến biên PE duy trì bảng định tuyến hơn 150.000 tiền tố, trong khi 150 bộ định tuyến lõi P chỉ cần chuyển tiếp gói tin dựa trên nhãn chuyển mạch.

Thứ hai, việc sử dụng mào đầu đệm 32 bit với mã định danh giao thức Ethertype 0x8847 cho lưu lượng unicast và 0x8848 cho lưu lượng multicast giúp các mạch tích hợp chuyên dụng ASIC xử lý chuyển tiếp gói tin ở tốc độ phần cứng cực cao, đáp ứng hoàn hảo các tuyến truyền dẫn băng thông 40 Gbps.

Thứ ba, cơ chế định tuyến lại nhanh Fast ReRouting (FRR) trong MPLS mang lại khả năng tự động chuyển hướng luồng dữ liệu sang đường truyền dự phòng khi xảy ra sự cố đứt cáp với thời gian trễ dưới 50 mili giây, đáp ứng tiêu chuẩn khắt khe của các dịch vụ viễn thông thời gian thực.

Thứ tư, mô hình MPLS VPN loại bỏ 100% yêu cầu trang bị bộ định tuyến thông minh đắt tiền tại phía khách hàng (CPE), khi toàn bộ logic bảo mật và bảng định tuyến VRF được xử lý tập trung tại router biên của nhà cung cấp dịch vụ.

Thảo luận kết quả

Các phát hiện trên khẳng định tính ưu việt vượt trội của MPLS VPN so với mô hình Overlay trên nền Frame Relay hoặc ATM. Trong mô hình cũ, để kết nối n điểm mạng cần thiết lập số lượng lớn kênh ảo cố định PVC gây tốn kém và khó quản trị. Ngược lại, mô hình Peer-to-Peer của MPLS VPN cho phép cấu hình kết nối Full-Mesh linh hoạt. Dữ liệu đối sánh giữa hai mô hình có thể được minh họa trực quan qua bảng phân tích kiến trúc mạng và sơ đồ quy trình phân phối nhãn 4 bước của giao thức LDP trên nền TCP.

Nguyên nhân chính tạo nên sự vượt trội này là nhờ sự kết hợp chặt chẽ giữa bảng chuyển tiếp CEF và giao thức MP-BGP. Việc tích hợp 3 bit EXP trong mào đầu nhãn cho phép EVNTelecom thiết lập chính sách phân loại lưu lượng DiffServ, ưu tiên tuyệt đối cho thoại VoIP và truyền số liệu nghiệp vụ ngành điện so với lưu lượng FTP hay HTTP thông thường, khắc phục triệt để nhược điểm mất gói của cơ chế Best-Effort truyền thống.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, nâng cấp chuyển đổi 100% các tuyến kênh thuê riêng Leased Line truyền thống của khách hàng doanh nghiệp sang dịch vụ MPLS IP VPN, đặt mục tiêu hoàn thành lộ trình trong vòng 24 tháng dưới sự chủ trì của Ban Kỹ thuật Mạng EVNTelecom.

Thứ hai, ứng dụng đồng bộ kỹ thuật điều khiển lưu lượng DiffServ-aware MPLS Traffic Engineering (DS-TE) trên các tuyến truyền dẫn liên tỉnh trọng điểm, hướng tới mục tiêu tăng hiệu suất sử dụng tài nguyên đường truyền thêm khoảng 35% và giải tỏa hoàn toàn hiện tượng nghẽn mạch cục bộ do Trung tâm Vận hành Mạng phụ trách.

Thứ ba, chuẩn hóa quy trình phân bổ chỉ số nhận dạng Route Distinguisher (RD) và Route Target (RT) cho từng nhóm khách hàng đặc thù, phấn đấu rút ngắn thời gian khởi tạo dịch vụ mạng riêng ảo mới xuống dưới 24 giờ làm việc do đội ngũ kỹ sư viễn thông thực hiện.

Thứ tư, triển khai kiểm thử định kỳ 6 tháng một lần đối với tính năng định tuyến lại nhanh Fast ReRouting và áp dụng nhãn Implicit-null có giá trị 3 nhằm tối ưu hóa năng lực tính toán tại các nút biên ra, do phòng Quản lý Chất lượng Mạng chịu trách nhiệm giám sát.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm kỹ sư thiết kế và vận hành mạng viễn thông: Tiếp cận quy trình tính toán phân bổ nhãn chuyển mạch, cách thức tổ chức bảng LFIB và phương án triển khai BGP-Free Core để nâng cấp các hệ thống mạng truyền dẫn đường trục băng thông rộng.

Nhóm chuyên viên quản trị hệ thống tại các nhà cung cấp dịch vụ mạng (ISP): Tham khảo mô hình tách biệt không gian định tuyến bằng bảng VRF và giải pháp tích hợp chất lượng dịch vụ QoS để đa dạng hóa các gói cước IP VPN cho khách hàng tổ chức.

Nhóm giám đốc công nghệ và quản trị mạng doanh nghiệp: Nắm bắt kiến trúc mạng riêng ảo thế hệ mới để lựa chọn giải pháp thuê kênh viễn thông an toàn, giúp tiết kiệm trên 40% chi phí đầu tư thiết bị định tuyến phức tạp tại các văn phòng chi nhánh.

Nhóm giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Điện tử Viễn thông: Sử dụng công trình như tài liệu học thuật toàn diện về chuyển mạch gói, hỗ trợ nghiên cứu chuyên sâu về mạng thế hệ mới NGN, giao thức IPv6 over MPLS và công nghệ mạng diện rộng điều khiển bằng phần mềm.

Câu hỏi thường gặp

Công nghệ MPLS VPN khác biệt gì so với mạng riêng ảo VPN truyền thống? Mạng VPN truyền thống đòi hỏi thiết bị khách hàng phải tự thiết lập đường hầm đóng gói và mã hóa phức tạp. Trong khi đó, MPLS VPN thực hiện phân tách luồng dữ liệu độc lập bằng nhãn chuyển mạch 32 bit và bảng VRF ngay tại mạng lõi của nhà cung cấp. Giải pháp này giúp triệt tiêu độ trễ mã hóa, tối ưu hóa tốc độ chuyển tiếp và giảm chi phí thiết bị đầu cuối cho khách hàng.

Tại sao giải pháp BGP-Free Core lại giúp giảm tải tài nguyên cho bộ định tuyến lõi? Trong mạng IP thuần túy, tất cả router đều phải lưu trữ hơn 150.000 tuyến định tuyến Internet toàn cầu. Với kiến trúc MPLS, các router lõi chỉ chuyển tiếp gói dựa trên nhãn gắn liền với địa chỉ bước nhảy kế tiếp BGP. Nhờ đó, chỉ khoảng 25% router biên cần duy trì bảng định tuyến đầy đủ, giúp router lõi tiết kiệm dung lượng bộ nhớ RAM và tối ưu chu kỳ xử lý CPU.

Cơ chế định tuyến lại nhanh Fast ReRouting trong MPLS hoạt động như thế nào? Fast ReRouting cho phép tính toán và thiết lập sẵn một tuyến chuyển mạch nhãn dự phòng song song với tuyến chính. Khi xảy ra sự cố đứt cáp vật lý, router phát hiện lỗi sẽ lập tức chuyển hướng luồng dữ liệu sang tuyến dự phòng trong thời gian dưới 50 mili giây. Quá trình chuyển đổi diễn ra hoàn toàn tự động, đảm bảo các phiên truyền dữ liệu và thoại không bị gián đoạn.

Nhãn MPLS nằm ở vị trí nào trong cấu trúc khung dữ liệu? Nhãn MPLS được chèn vào giữa tiêu đề liên kết dữ liệu lớp 2 và tiêu đề mạng lớp 3, thường được gọi là mào đầu đệm Shim Header. Cấu trúc này mang các mã nhận dạng giao thức như 0x8847 trên mạng Ethernet, cho phép truyền tải linh hoạt nhiều loại dữ liệu như IPv4, IPv6 hoặc các khung lớp 2 qua một hạ tầng mạng IP thống nhất.

Dịch vụ IP VPN của EVNTelecom mang lại lợi ích gì cho các doanh nghiệp? Khách hàng kết nối nhiều chi nhánh theo mô hình đa điểm Full-Mesh tức thì mà không cần quản trị định tuyến phức tạp. Mạng lưới đảm bảo tính an toàn dữ liệu cao, cam kết băng thông theo thỏa thuận dịch vụ SLA và ưu tiên lưu lượng thoại chất lượng cao, giúp doanh nghiệp tiết kiệm chi phí vận hành hạ tầng công nghệ thông tin.

Kết luận

  • Luận văn đã hoàn thiện việc tổng hợp cơ sở lý luận chuyên sâu về công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS và mô hình mạng riêng ảo thế hệ mới.
  • Khẳng định tính hiệu quả của mô hình BGP-Free Core giúp giảm 75% gánh nặng định tuyến trên mạng lõi và cơ chế Fast ReRouting với độ trễ chuyển mạch dưới 50 mili giây.
  • Xây dựng thành công phương án ứng dụng MPLS VPN trên hạ tầng mạng thực tế của EVNTelecom, đáp ứng đa dạng dịch vụ kênh thuê riêng và mạng riêng ảo chất lượng cao.
  • Đề xuất kế hoạch 4 giai đoạn chuẩn hóa cấu hình bảng VRF, tối ưu hóa điều khiển lưu lượng và kiểm thử định kỳ hệ thống mạng viễn thông.
  • Công trình là nguồn tài liệu tham khảo thiết thực cho các đơn vị viễn thông trong tiến trình hiện đại hóa mạng lưới. Bạn đọc hãy nghiên cứu chi tiết tài liệu để áp dụng thành công các giải pháp kỹ thuật vào thực tiễn doanh nghiệp.