Chương 1: CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC - MPLS I. Tổng quan về MPLS Chuyển tiếp gói IP truyền thống phân tích địa chỉ IP đích chứa trong tiêu đề của lớp mạng ở mỗi gói. Mỗi bộ định tuyến phân tích địa chỉ đích độc lập ở mỗi chặng trong mạng. Giao thức định tuyến động hay tĩnh khi xây dựng cơ sở dữ liệu cần phải phân tích địa chỉ IP đích tạo ra bảng định tuyến.
Quá trình này gọi là định tuyến unicast từng chặng dựa trên đích đến của các gói tin.Việc định tuyến bằng các giao thức phi kết nối đáp ứng được nhu cầu đơn giản của khách hàng. Khi mạng Internet phát triển và mở rộng, lưu lượng Internet trên mạng bùng nổ, phương thức chuyển tiếp gói hiện tại tỏ ra không hiệu quả, mất tính linh hoạt. Do đó cần một kỹ thuật mới để gán địa chỉ và mở rộng các chức năng của cấu trúc mạng dựa trên IP. Trong phần này chỉ ra một số nhược điểm, các hạn chế mô hình cũ và trình bày một kỹ thuật mới – kỹ thuật chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS – nhằm khắc phục các nhược điểm trên.
Mô hình định tuyến lớp mạng Trong môi trường phi kết nối truyền thống không phải sử dụng các bản tin báo hiệu để thiết lập kết nối, phương thức chuyển tin là chuyển từng chặng một. Tất cả các gói tin được chuyển đi dựa trên các giao thức định tuyến lớp mạng (như giao thức tìm đường dẫn ngắn nhất [OSPF] hay giao thức cổng biên [BGP]), hay định tuyến tĩnh. Các router xử lí tất cả các gói tin như nhau và có quyền huỷ bỏ các gói tin mà không cần bất kì thông báo nào cho cả bên gởi và bên nhận. Chính vì vậy, IP chỉ cung cấp các dịch vụ đặc biệt với “hiệu quả tốt nhất” chứ không thích hợp cho các dịch vụ có yêu cầu nghiêm ngặt về QoS.
Cơ chế phi kết nối gây khó khăn trong việc điều khiển luồng và phân bổ lưu lượng mạng làm tắt nghẽn tại các nút mạng. Các nhà cung cấp dịch vụ Internet Lê Huy Cường CH_ĐTVT2003 Trang - 7 - Kỹ thuật và giải pháp thực hiện MPLS/VPN (ISP) xử lý bằng cách tăng dung lượng các kết nối và nâng cấp router nhưng hiện tượng nghẽn mạch vẫn xảy ra. Lý do là các giao thức định tuyến Internet thường hướng lưu lượng vào cùng một số các kết nối nhất định dẫn tới các kết nối này bị quá tải trong khi một số khu vực khác tài nguyên không được sử dụng. Đây là tình trạng phân bố tải không đồng đều và sử dụng lãng phí tài nguyên mạng.
Tuy nhiên, bên cạnh hạn chế như vậy, mô hình phi kết nối cũng có những ưu điểm, đó là : - Khả năng định tuyến gói tin một cách độc lập. - Cơ cấu định tuyến và chuyển tin đơn giản, hiệu quả, nên mô hình phi kết nối rất phù hợp với các luồng có thời gian kết nối chậm. Công nghệ ATM và mô hình hướng kết nối ATM là công nghệ chuyển mạch hướng kết nối, tức là kết nối từ điểm đầu đến điểm cuối phải được thiết lập trước khi thông tin được gởi đi. Việc tạo kết nối mạch ảo có thể đạt hiệu quả trong mạng nhỏ, nhưng đối với mạng lớn thì những vấn đề có thể xảy ra: Mỗi khi một router mới đưa vào mạng lõi WAN thì mạch ảo phải được thiết lập giữa router này với các router còn lại để đảm bảo việc định tuyến tối ưu.
Điều này lưu lượng định tuyến trong mạng tăng. Thông thường việc thiết lập kết nối này được thực hiện bởi giao thức báo hiệu. Giao thức này cung cấp các thông tin trạng thái liên quan đến kết nối cho các chuyển mạch nằm trên đường đã định tuyến. Chức năng điều khiển chấp nhận kết nối CAC (Connection Admission Control) đảm bảo rằng các tài nguyên liên quan đến kết nối hiện tại sẽ không được đưa vào để sử dụng cho các kết nối mới.
Điều này buộc mạng phải duy trì trạng thái của từng kết nối (bao gồm thông tin về sự tồn tại của kết nối và tài nguyên mà kết nối đó sử dụng) tại các node có dữ liệu đi qua. Việc lựa chọn tuyến được thực hiện dựa trên các yêu cầu về QoS đối với kết nối và dựa trên khả năng của thuật toán định tuyến trong việc tính toán các tuyến có khả năng đáp ứng các yêu cầu QoS đó. Do Lê Huy Cường CH_ĐTVT2003 Trang - 8 - Kỹ thuật và giải pháp thực hiện MPLS/VPN khả năng nhận dạng mạng, khả năng cô lập từng kết nối với các tài nguyên liên quan đến kết nối trong suốt thời gian tồn tại của kết nối mà môi trường hướng kết nối có thể đảm bảo chất lượng cho từng luồng thông tin. Mạng sẽ giám sát từng kết nối, thực hiện định tuyến lại trong trường hợp có sự cố và việc thực hiện định tuyến lại này cũng phải thông qua báo hiệu.
Từ cơ chế truyền tin ta thấy mạng hướng kết nối thích hợp với : - Các ứng dụng yêu cầu phải đảm bảo QoS một cách nghiêm ngặt. - Các ứng dụng có thời gian kết nối lớn. Đối với các ứng dụng có thời gian kết nối ngắn thì môi trường hướng kết nối dường như lại không thích hợp do thời gian để thiết lập kết nối cũng như tỉ lệ phần thông tin header lại quá lớn. Với các loại lưu lượng như vậy thì môi trường phi kết nối với phương thức định tuyến đơn giản, tránh phải sử dụng các giao thức báo hiệu phức tạp sẽ phù hợp hơn.
Như vậy ta cần tìm một phương thức chuyển mạch có thể phối hợp ưu điểm của IP (như cơ cấu định tuyến) và của ATM (như phương thức chuyển mạch) và để thực sự phù hợp với mạng đa dịch vụ cả hai công nghệ ATM và IP đều phải có những thay đổi, cụ thể là đưa thêm khả năng phi kết nối vào công nghệ ATM, và khả năng hướng kết nối vào công nghệ IP. Quá trình điều khiển và chuyển tiếp độc lập Với chuyển tiếp gói IP thông thường, mọi thay đổi về thông tin điều khiển truyền gói được tất cả các thiết bị liên lạc với nhau trong cùng một vùng. Sự thay đổi này đòi hỏi một thời gian hội tụ trong thuật toán chuyển tiếp. Vì vậy ta mong muốn có một cơ chế có thể thay đổi cách chuyển tiếp gói, mà không ảnh hưởng đến các thiết bị trong mạng.
Để thực hiện được cơ chế như vậy, các thiết bị mạng (router) không dựa trên thông tin tiêu đề IP mà dựa trên một nhãn thêm vào gói tin để quyết định quá trình chuyển tiếp. Với cách thức chuyển tiếp như vậy bất kỳ sự thay đổi quyết định nào có thể thông tin đến các Lê Huy Cường CH_ĐTVT2003 Trang - 9 - Kỹ thuật và giải pháp thực hiện MPLS/VPN thiết bị bằng cách phân phối một nhãn mới, các thiết bị này chuyển tiếp lưu lượng dựa trên nhãn một sự thay đổi diễn ra sẽ không ảnh hưởng tới các thiết bị còn lại. Công nghệ MLPS ra đời đáp ứng được nhu cầu của thị trường đúng theo tiêu chí phát triển của Internet, kết hợp những đặc điểm tốt nhất giữa định tuyến lớp thứ 3 và chuyển mạch lớp thứ 2 cho phép chuyển các gói rất nhanh trong mạng lõi và định tuyến tốt ở các mạng biên bằng cách dựa vào nhãn. Các thành phần và hoạt động của MPLS: Chuyển mạch nhãn đa giao thức - Multiprotocol Label Switching (MPLS) - là một công nghệ nổi bật, mục đích là để định địa chỉ nhiều vấn đề tồn tại liên quan đến chuyển tiếp gói tin trong môi trường mạng ngày nay.
Các thành viên của IETF đã đưa một tập các chuẩn vào thị trường để đưa ý tưởng các nhà cung cấp vào một nơi gọi là "chuyển mạch nhãn" (label switching). Mục đích chính của MPLS là chuẩn hoá kỹ thuật cơ bản để tích hợp mẫu chuyển tiếp hoán đổi nhãn với định tuyến lớp mạng. Kỹ thuật cơ bản (hoán đổi nhãn - label swapping) được chờ đợi để tăng giá thành/hiệu năng của định tuyến lớp mạng, tăng khả năng mở rộng của lớp mạng, và cung cấp tính mềm dẻo tốt hơn khi muốn chuyển sang dịch vụ định tuyến mới (bằng cách cho phép dịch vụ định tuyến mới được thêm vào mà không phải thay đổi mẫu chuyển tiếp). Cấu trúc MPLS mô tả kỹ thuật xử lý chuyển mạch nhãn, kết hợp những ưu điểm của chuyển tiếp gói tin dựa trên chuyển mạch lớp 2 với ưu điểm định tuyến của lớp 3.
Tương tự như các mạng lớp 2 (ví dụ: Frame Relay hay ATM), MPLS gán nhãn vào các gói tin để truyền trên mạng. Kỹ thuật chuyển tiếp từ đầu đến cuối mạng là hoán đổi nhãn trong đó các đơn vị dữ liệu (ví dụ: gói tin hay các ô) mang một nhãn ngắn, có độ dài cố định nhằm báo cho các nút chuyển tiếp nằm trên đường các gói tin để xử lý và chuyển tiếp dữ liệu. Lê Huy Cường CH_ĐTVT2003 Trang - 10 - Kỹ thuật và giải pháp thực hiện MPLS/VPN Điểm khác biệt quan trọng giữa MPLS và kỹ thuật WAN truyền thống là cách gán nhãn và khả năng gán một chồng nhãn (stack of label) vào gói tin. Khái niệm chồng nhãn mở ra những ứng dụng mới, như quản lý lưu lượng (Traffic Engineering), mạng riêng ảo (Virtual Private Network).
Chuyển tiếp gói tin trong MPLS hoàn toàn tương phản với môi trường mạng vô hướng ngày nay, nơi mà các gói tin được phân tích theo từng chặng (hop-by-hop), header lớp 3 của nó được kiểm tra, và một quyết định chuyển tiếp độc lập được tạo ra dựa trên thông tin được trích ra từ giải thuật định tuyến lớp mạng. Cấu trúc được chia ra thành hai thành phần riêng biệt: thành phần chuyển tiếp - forwarding (cũng được gọi là mặt phẳng dữ liệu - data plane), và thành phần điều khiển - control (cũng được gọi là mặt phẳng điều khiển - control plane). Thành phần chuyển tiếp sử dụng cơ sở dữ liệu chuyển tiếp nhãn (được duy trì bởi một switch nhãn) để thực hiện chuyển tiếp các gói dữ liệu dựa vào việc gán nhãn các gói tin. Thành phần điều khiển chịu trách nhiệm về việc tạo và duy trì thông tin chuyển tiếp nhãn giữa một nhóm các switch nhãn liên kết với nhau.1 biểu diễn cấu trúc cơ bản của một node MPLS thực hiện định tuyến IP.
Mọi node MPLS phải chạy một hay nhiều giao thức định tuyến IP (hoặc dựa vào định tuyến tĩnh) để trao đổi thông tin định tuyến IP với các node MPLS khác trong mạng. Trong trường hợp này, mọi node MPLS (bao gồm cả các switch ATM) là một router IP trên mặt phẳng điều khiển. Tương tự như các router truyền thống, các giao thức định tuyến IP ở trong bảng định tuyến IP.