CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU MẠNG MPLS VÀ CÔNG NGHỆ ĐỊNH TUYẾN PHÂN ĐOẠN 1.1 Tổng quan về mạng MPLS Chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS) là phương thức chuyển tiếp gói tin đi qua một hệ thống mạng dựa vào nhãn thay vì địa chỉ IP nguồn và đích. MPLS hoàn toàn độc lập với bảng định tuyến hay bất kì giao thức định tuyến IP nào khác. Mạng MPLS hỗ trợ kĩ thuật lưu lượng (TE) và tạo mạng riêng ảo (VPN) [13]. Trong mạng IP truyền thống, gói tin được truyền với tiêu đề IP bao gồm địa chỉ nguồn và địa chỉ đích.
Khi bộ định tuyến nhận được một gói tin như vậy, nó sẽ kiểm tra các bảng chuyển tiếp để tìm địa chỉ bước tiếp theo được liên kết với địa chỉ đích của gói tin và chuyển tiếp gói tin đến vị trí bước tiếp theo. Trong mạng MPLS, mỗi gói tin được đóng gói bằng một tiêu đề MPLS. Khi một bộ định tuyến nhận được gói tin, nó sẽ sao chép tiêu đề dưới dạng chỉ mục vào một bảng chuyển tiếp MPLS riêng biệt. Bảng chuyển tiếp MPLS bao gồm các cặp giao diện gửi đến và thông tin đường dẫn.
Mỗi cặp bao gồm thông tin chuyển tiếp mà bộ định tuyến sử dụng để chuyển tiếp lưu lượng và sửa đổi tiêu đề MPLS khi cần thiết. Bởi vì bảng chuyển tiếp MPLS có ít chỉ mục hơn nhiều so với bảng chuyển tiếp chung nên việc tra cứu tốn ít thời gian và công suất xử lý hơn. Kết quả là tiết kiệm được thời gian và quá trình xử lý. Đây là một lợi ích đáng kể đối với lưu lượng chỉ sử dụng mạng để chuyển tiếp giữa các điểm đến bên ngoài.
Đường dẫn chuyển mạch nhãn (LSP) là đường dẫn một chiều thông qua mạng. Trong định tuyến IP thông thường, gói tin không có đường dẫn định trước. Thay vào đó, mỗi bộ định tuyến chuyển tiếp một gói tin đến địa chỉ bước tiếp theo được lưu trữ trong bảng chuyển tiếp của nó, chỉ dựa trên địa chỉ đích của gói tin. Sau đó, mỗi bộ định tuyến tiếp theo sẽ chuyển tiếp gói tin bằng cách sử dụng bảng chuyển tiếp của riêng nó.
Ngược lại, các bộ định tuyến MPLS trong một hệ thống mạng sẽ xác định đường dẫn qua mạng thông qua việc trao đổi thông tin kỹ thuật e 4 lưu lượng MPLS. Sử dụng những đường dẫn này, các bộ định tuyến chuyển tiếp lưu lượng truy cập qua mạng theo một tuyến đường đã thiết lập. Thay vì tự chọn bước kế tiếp dọc theo đường dẫn như trong định tuyến IP, mỗi bộ định tuyến chịu trách nhiệm chuyển tiếp gói tin đến một địa chỉ bước tiếp theo đã được xác định trước [1]. Bộ định tuyến trong một miền MPLS được gọi là bộ định tuyến chuyển mạch nhãn (LSR).
Mỗi LSR phải được cấu hình để hiểu các tiêu đề MPLS và thực hiện các hoạt động cần thiết để truyền lưu lượng qua mạng. Trên một LSP có thể bao gồm bốn loại LSR: - Bộ định tuyến đầu vào: còn được gọi là bộ định tuyến xâm nhập, là điểm lưu lượng đi vào của một LSP. Các gói tin IPv4 gốc được đóng gói thêm tiêu đề MPLS bởi bộ định tuyến đầu vào. Mỗi LSP chỉ có thể có một bộ định tuyến đầu vào.
- Bộ định tuyến chuyển tuyến: có thể là bất kỳ bộ định tuyến nào nằm ở giữa tuyến đường. Một LSP riêng lẻ có thể chứa từ 0 đến 253 bộ định tuyến chuyển tuyến. Bộ định tuyến này chuyển tiếp lưu lượng MPLS dọc theo LSP, chỉ sử dụng tiêu đề MPLS để xác định hướng gói tin được truyền đi. - Bộ định tuyến áp chót: là bộ định tuyến ngay trước bộ định tuyến cuối cùng trong LSP.
Bộ định tuyến áp chót trong LSP chịu trách nhiệm loại bỏ tiêu đề MPLS khỏi gói trước khi chuyển tiếp nó đến bộ định tuyến đầu ra. - Bộ định tuyến đầu ra: là điểm cuối của một LSP. Bộ định tuyến đầu ra nhận các gói tin từ bộ định tuyến áp chót và thực hiện tra cứu tuyến IP. Sau đó, bộ định tuyến sẽ chuyển tiếp gói tin đến bước tiếp theo để đến được IP đích trong gói tin.
Mỗi LSP chỉ có thể có một bộ định tuyến đầu ra. Để chuyển tiếp lưu lượng thông qua mạng MPLS, bộ định tuyến MPLS đóng gói các gói tin, sau đó gán và quản lý các tiêu đề được gọi là nhãn. Nhãn là một số nguyên không dấu 20 bit trong phạm vi từ 0 đến 1,048,575. Bộ định tuyến sử dụng nhãn để lập chỉ mục trong bảng chuyển tiếp MPLS xác định cách gói tin được định tuyến qua mạng.
e 5 Khi bộ định tuyến đầu vào nhận được lưu lượng, nó sẽ chèn nhãn MPLS giữa gói tin IP và tiêu đề lớp 2 thích hợp cho liên kết vật lý. Nhãn chứa giá trị chỉ mục xác định địa chỉ bước tiếp theo cho LSP cụ thể. Khi bộ định tuyến chuyển tuyến nhận được gói, nó sử dụng chỉ mục trong nhãn MPLS để xác định địa chỉ bước tiếp theo cho gói và chuyển tiếp gói đến bộ định tuyến tiếp theo trên LSP. Khi gói tin đi qua mạng chuyển tiếp, mọi bộ định tuyến trên đường đi sẽ thực hiện tra cứu nhãn MPLS và chuyển tiếp gói đó tương ứng.
Khi bộ định tuyến đầu ra nhận được một gói tin, nó sẽ kiểm tra tiêu đề để xác định rằng đó là bộ định tuyến cuối cùng trong LSP. Sau đó, bộ định tuyến đầu ra sẽ loại bỏ tiêu đề MPLS, thực hiện tra cứu tuyến IP thông thường và chuyển tiếp gói tin có tiêu đề IP của nó đến địa chỉ bước tiếp theo. Mỗi một LSR sẽ chịu trách nhiệm kiểm tra nhãn MPLS, xác định bước tiếp theo của LSP và thực hiện các thao tác nhãn cần thiết. LSR có thể thực hiện năm hoạt động liên quan đến nhãn: - Đẩy: thêm nhãn mới vào đầu gói tin.
Đối với gói IPv4 mà bộ định tuyến đầu vào nhận được, nhãn mới là nhãn đầu tiên trong ngăn xếp nhãn. Đối với gói tin MPLS đã có nhãn, thao tác này sẽ thêm nhãn vào ngăn xếp và cài đặt bit xếp chồng thành 0, cho biết rằng có nhiều nhãn MPLS theo sau. Khi bộ định tuyến đầu vào nhận được gói tin, nó thực hiện tra cứu tuyến IP theo địa chỉ IP đích trên gói đó. Tiếp theo nó tra cứu bảng chuyển mạch nhãn rồi thực hiện đẩy nhãn phù hợp lên gói, sau đó chuyển tiếp gói đến bộ định tuyến tiếp theo.
- Thay thế: gỡ nhãn ở đầu ngăn xếp nhãn và thay bằng một nhãn mới. Khi một bộ định tuyến chuyển tuyến nhận được gói tin, nó sẽ thực hiện tra cứu bảng chuyển mạch nhãn. Việc tra cứu chỉ ra bước tiếp theo của LSP và bộ định tuyến tiếp theo trong LSP. - Gỡ: tháo nhãn ngoài cùng khỏi ngăn xếp nhãn.
Đối với gói tin đến bộ định tuyến áp chót, nhãn MPLS sẽ bị bóc khỏi ngăn xếp nhãn. Đối với gói tin MPLS có nhãn hiện có, thao tác này sẽ gỡ nhãn trên cùng khỏi ngăn xếp nhãn và sửa đổi bit xếp chồng khi cần thiết — ví dụ đặt nó thành 1 nếu chỉ e 6 còn một nhãn duy nhất trong ngăn xếp. Nếu nhiều LSP kết thúc tại cùng một bộ định tuyến đầu ra, bộ định tuyến này sẽ phải thực hiện rất nhiều hoạt động nhãn MPLS cho tất cả lưu lượng đi trên các LSP. Để chia sẻ hoạt động giữa nhiều bộ định tuyến, hầu hết các LSP đều sử dụng lựa chọn bóc nhãn ở bộ định tuyến áp chót.
Khi đó, bộ định tuyến đầu ra sẽ nhận được gói tin IP thông thường. - Đẩy nhiều lần: thêm nhiều nhãn vào đầu ngăn xếp nhãn. Động tác này tương đương với việc thực hiện nhiều thao tác đẩy. - Thay thế và đẩy: thay thế nhãn trên cùng bằng một nhãn mới rồi đẩy thêm nhãn khác nữa lên trên cùng của ngăn xếp.
MPLS hỗ trợ tính năng kỹ thuật lưu lượng, VPN, QoS ở cấp độ nhãn. Nhờ vậy MPLS cho phép công ty viễn thông cung cấp cho khách hàng các giải pháp ổn định, đảm bảo chất lượng dịch vụ cũng như một hệ thống mạng có hiệu suất hoạt động lớn.2 Các yêu cầu của mạng viễn thông hiện đại Mạng viễn thông hiện đại sẽ tập trung vào những công nghệ xu hướng sau đây: - Công nghệ 5G; - Internet vạn vật (IoT); - Trí tuệ nhân tạo và học máy; - Điện toán đám mây; - Mạng định nghĩa bằng phần mềm (SDN); - Tính toán biên. Mạng viễn thông hiện đại sẽ hướng tới các kết nối nhanh, liền mạch, đáng tin cậy với số lượng kết nối rất lớn, cũng như những yêu cầu về chất lượng dịch vụ ngày càng cao. Với việc 5G đang được tiếp tục triển khai, nghiên cứu về 6G đã được bắt đầu, thì dự kiến đến 2030 sẽ có khoảng 125 tỷ thiết bị được kết nối với nhau, dẫn đến sự gia tăng lớn về lưu lượng dự liệu so với những năm trước [9].
Trong đó mạng 5G được được xem là nền tảng để phát triển và tích hợp công nghệ e 7 mới. Việc triển khai 5G sẽ mang lại lợi ích trong 3 trường hợp chính như hình 1.1 mô tả, còn được gọi là “tam giác 5G”: - eMBB: các trường hợp sử dụng tốc độ cao. - mMTC: các trường hợp sử dụng truyền thông máy số lượng cực lớn. - URLLC: các trường hợp sử dụng truyền thông độ tin cậy cao, độ trễ thấp.
Ba trường hợp chính triển khai 5G Mạng 5G sẽ giải quyết và làm rõ ba điểm cần thực hiện: - Tập trung vào người dùng, coi là trung tâm: sẽ cung cấp thiết bị hoạt động 24/7, dịch vụ mạng khi sử dụng không bị gián đoạn và trải nghiệm sẽ tốt hơn. - Trung tâm cung cấp dịch vụ: cung cấp hệ thống đường truyền kết nối thông minh, dịch vụ giám sát và theo dõi nhiệm vụ quan trọng của mạng. - Tập trung vào nhà điều hành mạng: cung cấp hiệu quả năng lượng, mở rộng được, cơ sở hạ tầng truyền thông chi phí thấp, giám sát tập trung, có thể lập trình và bảo mật. Mục tiêu của mạng 5G là đáp ứng được phổ rộng nhất cho các dịch vụ.
Tốc độ mà mạng 5G có thể đạt được nhanh hơn 10 lần so với 4G LTE. Và sẽ có nhiều dịch vụ, công nghệ và triển khai mới được giới thiệu. Như dự báo từ trước thì dữ liệu sẽ tăng rất nhanh khi 5G được đưa vào áp dụng. Nó tiết kiệm đến 90% năng lượng cho mỗi dịch vụ, tạo ra hệ thống mạng lưới an toàn, đáng tin cậy.