Luận văn thạc sĩ: Phân tích các tính năng nổi trội của MPLS-TP so với MPLS

Tài liệu phân tích chuyên sâu các tính năng nổi bật của công nghệ MPLS-TP so với MPLS. Luận văn thạc sĩ ngành Kỹ thuật điện tử, viễn thông.

• Tác giả: Trương Hoàng Huy
• Người hướng dẫn: PGS.TS Phạm Hồng Liên
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
• Đề tài: Một số tính năng nổi trội của MPLS-TP so với MPLS
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về MPLS và MPLS TP

MPLS (MultiProtocol Label Switching) là công nghệ chuyển mạch nhãn đã được phát triển từ những năm 1990, tạo ra một nền tảng mạnh mẽ cho việc vận chuyển dữ liệu. Tuy nhiên, với sự phát triển nhanh chóng của ngành viễn thông và nhu cầu ngày càng tăng về các dịch vụ băng thông rộng, MPLS-TP (MultiProtocol Label Switching - Transport Profile) được IETF định nghĩa như một sự phát triển tiên tiến hơn. MPLS-TP được thiết kế đặc biệt để ứng dụng trong mạng đồng bộ sử dụng cáp quang và SDH/SONET, mang lại những cải tiến đáng kể trong khả năng kết nối, độ khả dụng cao, chất lượng dịch vụ (QoS) và khả năng vận hành, quản trị, bảo trì (OAM).

1.1. Định nghĩa MPLS truyền thống

MPLS là một cơ chế chuyển mạch dựa trên nhãn, kết hợp các ưu điểm của chuyển mạch Layer 2 và định tuyến Layer 3. Nó sử dụng các nhãn (labels) để chỉ đạo gói dữ liệu qua mạng, giảm độ phức tạp của việc xử lý gói tại các nút mạng. MPLS cung cấp nền tảng tốt cho các dịch vụ IP hiện đại nhưng vẫn có những hạn chế trong việc cung cấp các tính năng vận chuyển chuyên dụng.

1.2. Khái niệm MPLS TP và mục đích phát triển

MPLS-TP là phiên bản cải tiến được thiết kế để hoạt động trong các mạng vận chuyển truyền thống. Mục đích chính là cung cấp một nền tảng hướng dịch vụ (service-oriented) mà không cần dựa vào định tuyến IP. MPLS-TP dự kiến triển khai MPLS tại lớp vận chuyển, đảm bảo độ tin cậy, khả năng quản lý và bảo trì tương đương với các mạng SDH/SONET truyền thống.

II. Ưu điểm nổi trội của MPLS TP về cấu trúc và kiến trúc

MPLS-TP cung cấp một kiến trúc vượt trội so với MPLS truyền thống thông qua các tính năng được tối ưu hóa. Mặt phẳng dữ liệu của MPLS-TP được thiết kế để hoạt động độc lập với các giao thức định tuyến phức tạp, cho phép các nhà cung cấp dịch vụ triển khai các kết nối định hướng (point-to-point và point-to-multipoint) một cách linh hoạt. Các loại định tuyến MPLS-TP bao gồm Pseudo-wire (PW) và MPLS-TP Tunnel, cung cấp các lựa chọn vận chuyển đa dạng. Kiến trúc này cho phép MPLS-TP đạt được mức độ khả dụng cao hơn 99.999%, so sánh với MPLS truyền thống.

2.1. Mặt phẳng dữ liệu và định tuyến trong MPLS TP

Mặt phẳng dữ liệu của MPLS-TP được tối ưu hóa để xử lý lưu lượng với độ trễ thấp và ổn định. MPLS-TP hỗ trợ các loại định tuyến như Explicit Route Object (ERO) và các cơ chế định tuyến tự động, cho phép các quản trị viên mạng kiểm soát chính xác đường đi của dữ liệu. Điều này vượt trội hơn MPLS vì cung cấp sự kiểm soát chi tiết và dự đoán được về hiệu năng mạng.

2.2. Giao diện dịch vụ và chuyển mạch bảo vệ

MPLS-TP cung cấp các giao diện dịch vụ rõ ràng và các cơ chế chuyển mạch bảo vệ (Protection Switching) cao cấp. Các tính năng này bao gồm Linear Protection và Ring Protection, cho phép hệ thống tự động chuyển đổi sang đường dự phòng trong trường hợp xảy ra sự cố trong vòng 50ms. MPLS truyền thống không cung cấp các cơ chế bảo vệ này một cách hiệu quả.

III. Khả năng quản lý vận hành và bảo trì OAM

Một trong những điểm khác biệt quan trọng nhất giữa MPLS-TP và MPLS là khả năng quản lý, vận hành và bảo trì (OAM - Operations, Administration, and Maintenance). MPLS-TP được thiết kế với các công cụ OAM toàn diện tương đương với các mạng SDH/SONET, bao gồm các tính năng giám sát liên tục, phát hiện sự cố nhanh chóng, và khôi phục tự động. Các tính năng OAM của MPLS-TP bao gồm Connectivity Check (CC), Path Trace (PT), và Alarm Indication Signal (AIS), giúp các nhà cung cấp dịch vụ duy trì chất lượng dịch vụ ở mức cao nhất. Trái lại, MPLS truyền thống có khả năng OAM hạn chế và phụ thuộc vào các công cụ định tuyến IP bổ sung.

3.1. Các công cụ giám sát và phát hiện sự cố

MPLS-TP cung cấp các công cụ giám sát đặc biệt như Continuity Check (CC) và Alarm Indication Signal (AIS), cho phép phát hiện sự cố trong thời gian thực. Các công cụ này gửi các gói tin kiểm tra định kỳ để xác minh tính liên tục của các đường kết nối. MPLS truyền thống phụ thuộc vào các giao thức định tuyến lớp mạng để phát hiện sự cố, dẫn đến độ trễ phát hiện lâu hơn.

3.2. Khôi phục tự động và khả năng phục hồi

MPLS-TP hỗ trợ các cơ chế khôi phục tự động nhanh chóng với thời gian chuyển đổi dưới 50ms. Các tính năng như Automatic Protection Switching (APS) và Bidirectional Forwarding Detection (BFD) cho phép hệ thống phát hiện và xử lý sự cố mà không cần can thiệp thủ công. Điều này đảm bảo tính liên tục dịch vụ và giảm thời gian ngừng hoạt động đáng kể.

IV. Dịch vụ vận chuyển và ứng dụng thực tế

MPLS-TP được thiết kế để cung cấp các dịch vụ vận chuyển đa dạng với chất lượng dịch vụ (QoS) có thể dự đoán được. Công nghệ này hỗ trợ các loại dịch vụ như Ethernet Virtual Private Line (EVPL) và Virtual Private Wire Service (VPWS), cho phép các nhà cung cấp dịch vụ cung cấp kết nối Layer 2 chuyên dụng giữa các địa điểm khách hàng. Hơn nữa, MPLS-TP có khả năng vận chuyển các dữ liệu IP, ATM, và Frame Relay trên cùng một nền tảng, giảm chi phí cơ sở hạ tầng mạng. Kênh liên kết chung (Common Channel) của MPLS-TP cho phép truyền dẫn các tin nhắn điều khiển và quản lý hiệu quả, tối ưu hóa sử dụng băng thông.

4.1. Các loại dịch vụ Pseudo wire và VPWS

MPLS-TP cung cấp dịch vụ Pseudo-wire (PW) cho phép vận chuyển các giao thức Layer 2 như Ethernet, ATM và Frame Relay. Các dịch vụ Virtual Private Wire Service (VPWS) đảm bảo kết nối điểm-điểm chuyên dụng với QoS được quản lý chặt chẽ. Điều này cho phép các nhà cung cấp dịch vụ cung cấp các dịch vụ mạng riêng ảo chất lượng cao cho khách hàng doanh nghiệp.

4.2. Triển khai MPLS TP trên mạng thực tế

Các nhà cung cấp dịch vụ như Viettel, Mobifone, FPT Telecom đã triển khai MPLS-TP để nâng cao hiệu năng mạng MAN-E (Metropolitan Area Network - Enhanced) của họ. Bằng cách chuyển đổi từ MPLS sang MPLS-TP, các mạng viễn thông có thể giảm độ trễ, tăng độ tin cậy lên 99.999%, và giảm chi phí vận hành hàng năm từ 20-30%. MPLS-TP cho phép triển khai dịch vụ mới như IPTV, dịch vụ cloud computing và các ứng dụng thời gian thực khác một cách hiệu quả.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Ngày nay, các nhà cung cấp dịch vụ đang gặp một thách thức đó là sự bùng nổ về nhu cầu của kết nối tốc độ cao trên mạng Metro, mạng khu vực và mạng lõi. Các nhà cung cấp dịch vụ đang chịu áp lực để nâng cao năng lực của mạng lƣới của họ để đáp ứng các yêu cầu này. Để cải thiện tốc độ, hiệu năng dịch vụ mạng và giảm chi phí trong toàn bộ cơ sở hạ tầng, các nhà cung cấp đề xuất sử dụng phƣơng thức chuyển mạch gói. Mặt khác cùng với sự phát triển rất nhanh của ngành viễn thông, các dịch vụ viễn thông ngày càng phát triển đa dạng, phong phú về dịch vụ, về các sản phẩm viễn thông., để phục vụ cho giáo dục, thƣơng mại, giải trí, thông tin giữa các cộng đồng, các tổ chức, nhu cầu về các dịch vụ băng thông rộng tăng không ngừng, đặc biệt là các nhu cầu về công nghệ, về xử lý thông tin, xử lý ảnh …, dẫn đến sự hội tụ giữa ngành công nghệ thông tin và viễn thông.

Vì vậy, nhu cầu về một mạng viễn thông mềm dẻo, đáp ứng đa dịch vụ, có khả năng hội tụ nhiều dịch vụ khác nhau nhằm đáp ứng các nhu cầu của khách hàng cũng nhƣ từ phía các nhà khai thác. Việc ra đời mạng thế hệ sau NGN (NGN - Next Generation Network), dựa trên nền tảng công nghệ IP/MPLS (IP/MPLS - Internet Protocol/ MultiProtocol Label Switching) là tất yếu và phần nào đã đáp ứng đƣợc nhu cầu của xã hội nói trên. Trong những năm gần đây có những nghiên cứu của [1], [2] về MPLS và [3], [4]về công nghệ Multiprotocol Label Switching-Transport Profile (MPLS-TP). Công nghệ MPLS-TP (MultiProtocol Label Switching – Transport Profile) đƣợc IEFT (IEFT - Internet Engineering Task Force) định nghĩa.

MPLS-TP là sự phát triển lên từ T-MPLS (Transport MPLS). Mục tiêu của công nghệ MPLS-TP là ứng dụng trong mạng đồng bộ sử dụng cáp quang / Hệ thống phân cấp số đồng bộ (SONET / SDH: Synchronous Optical Network / Synchronous Digital Hierarchy) do nó có kết nối định hƣớng, mức độ khả dụng cao, QoS của dịch vụ và điều hành, quản trị và bảo trì (OAM - Operations, Administration, and Maintenance). MPLS- TP dự kiến sẽ triển khai MPLS trong lớp vận chuyển và hoạt động một cách tƣơng Một số tính năng nổi trội của MPLS-TP so với MPLS Trang 1 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên HVTH : Trƣơng Hoàng Huy tự nhƣ công nghệ vận chuyển hiện có, hỗ trợ dịch vụ vận chuyển gói. Giải pháp hội tụ mạng dựa trên MPLS-TP là một giải pháp đầy hứa hẹn, tiết kiệm chi phí và hiệu quả trong tƣơng lai.

Bên cạnh đó, mạng băng rộng tại Việt Nam nói riêng phát triển với tốc độ rất nhanh, số lƣợng ngƣời sử dụng dịch vụ băng rộng ngày càng tăng, kèm theo đó là các nhu cầu về sử dụng các dịch vụ VoIP (VoIP - Voice over Internet Protocol), IPTV (IPTV - Internet Protocol Television)… Việc nâng cấp từ mạng từ ATM (ATM - Asynchronous Transfer Mode) lên IP, từ IP sang MPLS và giờ đây là MPLS-TP nhằm đáp ứng nhu cầu của xã hội là một xu hƣớng tất yếu. Đã có nhiều giải pháp khác nhau để triển khai mạng MPLS-TP từ nền tảng mạng MPLS, cũng theo xu hƣớng chung, giải pháp sử dụng công nghệ MPLS-TP cho mạng lõi dƣờng nhƣ là giải pháp tối ƣu nhất đối với các nƣớc phát triển. Với ƣu điểm của mình, công nghệ MPLS-TP đem lại nhiều giải pháp cho mạng băng rộng, nó khắc phục đƣợc các nhƣợc điểm cơ bản của mạng IP/MPLS truyền thống là vấn đề nghẽn mạng, thời gian bảo vệ mạng, chế độ bảo vệ nhƣ các yêu cầu về tính thời gian thực theo [5]. Hoặc trong bài viết [6] đề xuất một cơ chế Active-Fault-Alarm (AFA) dựa Cơ chế bảo vệ tạm thời năng động (DTPM - Dynamic Temporary Protection Mechanism) đƣợc áp dụng vào mạng thông tin mạng quang học dùng công nghệ MPLS-TP.

Theo [7] đề xuất hai phƣơng án bảo vệ mới để cung cấp hiệu quả và sự tin cậy MPLS-TP đa dịch vụ, trong đó đặc biệt có liên quan cho các dịch vụ truyền thống nhƣ: TDM, FR và dịch vụ gói dữ liệu ngày càng tăng nhanh VoIP, IPTV. Cả hai phƣơng án đƣợc đề xuất dựa trên kiến trúc vòng kết nối mở rộng các phƣơng pháp bảo vệ đƣợc định nghĩa trong phần mới nhất của ITU-IETF (ITU – IEFT: Telecommunication Standardization Sector - Internet Engineering Task Force) dự thảo tiêu chuẩn cho kiến trúc vòng MPLS-TP. Liên quan đến lĩnh vực này có một số kết quả nghiên cứu của các tác giả [8] về vấn đề bảo vệ cho các dịch vụ MPLS-TP cho sự phát triển dịch vụ truyền hình IPTV, hay của nhóm tác giả [9] về chứng minh hiệu suất truyền tải trong MPLS-TP mạng truyền thông. Trong [10]trình bày một thiết kế cặp liên kết cho bảo vệ node Một số tính năng nổi trội của MPLS-TP so với MPLS Trang 2 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên HVTH : Trƣơng Hoàng Huy MPLS-TP, kết hợp phƣơng pháp p-cycle với công nghệ định tuyến lại nhanh (FRR - Fast Re-route), cho thấy sự thành công trong việc kết hợp lợi thế của p-cycle và FRR.

Trong bài báo [11] nói về yêu cầu chính của mạng vận chuyển gói dựa trên MPLS-TP đƣợc phân tích bao gồm cả mặt phẳng vận chuyển, OAM, QoS, mặt phẳng điều khiển và quản lý. Trong bài viết của [12] đề cập về công nghệ MPLS-TP trên mạng vệ tinh quỹ đạo thấp có khả năng cung cấp băng thông rộng cho ngƣời dùng truy cập trong bất kỳ phần nào của thế giới. Với đặc điểm của phong trào tốc độ cao và kiến trúc liên kết năng động nhanh chóng của vệ tinh LEO (LEO - Low Earth Orbit), mạng luôn luôn là một trong những vấn đề quan trọng trong mạng lƣới truyền hình vệ tinh LEO. Trong bài báo [13] đã thực hiện kiểm tra và thử nghiệm để xác nhận tính khả thi của MPLS-TP về việc kiểm soát lƣu lƣợng Ethernet cho di động.

Các tác giả [14] đã áp dụng MPLS-TP để đáp ứng yêu cầu đối với dịch vụ cho leased-line trong một hệ thống chuyển mạch gói đƣợc xác định nhƣ dịch vụ có khả thi đƣợc 99,999%, đảm bảo băng thông 100%, và độ trễ là 10 ms qua 20 node. Theo một số tác giả [15]công nghệ MPLS-TP có thể đƣợc áp dụng để hỗ trợ có hiệu quả Carrier Ethernet qua mạng vận tải quang (OTN - Optical Transport Network). Để giảm mức tiêu thụ năng lƣợng và độ phức tạp, OTN dựa trên vòng quang tại các nút chuyển đổi. MPLS-TP sử dụng một phần nhỏ các tính năng của IP / MPLS, chẳng hạn nhƣ chuyển tiếp IP, Penultimate Hop Popping (PHP), và định tuyến đa đƣờng cân bằng (ECMP - Equal-Cost MultiPath), không đƣợc hỗ trợ trong T-MPLS.

Mặt khác, MPLS-TP mở rộng tiêu chuẩn IP / MPLS hiện tại. Trong số các tính năng mới, tính năng chính là OAM có khả năng phát hiện nhanh chóng, xử lý sự cố và xác minh SLA (SLA - Service Level Agreements), tuyến tính và vòng bảo vệ end-to-end với sự hội tụ nhỏ hơn 50ms, tách mặt phẳng điều khiển và dữ liệu, hoạt động hoàn toàn tự động mà không cần mặt phẳng điều khiển sử dùng NMS (NMS - Network Management System). Một số tính năng nổi trội của MPLS-TP so với MPLS Trang 3 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên HVTH : Trƣơng Hoàng Huy MPLS-TP cho phép hoạt động trong mạng mà không yêu cầu các node chuyển tiếp IP. Điều này có nghĩa rằng các hoạt động OAM có để có thể hoạt động trong môi trƣờng IP và môi trƣờng không IP.

Mặt phẳng điều khiển là tùy chọn. Các tính năng thiết yếu của MPLS-TP nhƣ sau [16]:  Công nghệ chuyển mạch gói hƣớng kết nối, kiến trúc cơ bản của nó dựa ITU-T G.  Không có thay đổi kiến trúc chuyển tiếp MPLS. Chỉ có PW (PW - Pseudo Wire) và tuyến chuyển mạch nhãn (LSP - Label Switched Path) đƣợc sử dụng.

 TTL (Time to Live) đƣợc hỗ trợ theo IETF RFC 3443 [18] chỉ các đƣờng ống và các mô hình ống ngắn.  Hỗ trợ QoS đảm bảo đa dịch vụ bằng PWE3.  EXP chỉ hỗ trợ cho các đƣờng ống ngắn.  Các mô hình đƣợc sử dụng cho TTL và EXP (EXP - Experimental Bits) vững chắc, hoặc cả hai sử dụng mô hình đƣờng ống hoặc ống ngắn.

 Nền tảng và giao diện của không gian nhãn cả hai đều đƣợc hỗ trợ.  Công cụ OAM cho hoạt động và quản lý lỗi dựa trên ITU-T Y.  Độ tin cậy cao, bảo vệ tốt thiết bị, thời gian chuyển mạch bảo vệ mạng nhỏ hơn 50 ms dựa trên ITU-T Y.  LSP sáp nhập không đƣợc hỗ trợ, ví dụ: không sử dụng LDP (LDP - Label Distribution Protocol)đa điểm để tránh mất LSP thông tin đầu cuối.

 Kết nối đa điểm đƣợc hỗ trợ.  Có thể tƣơng thích với MPLS và điều khiển PWE.  Hỗ trợ thời gian chính xác cao. Một số tính năng nổi trội của MPLS-TP so với MPLS Trang 4 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên HVTH : Trƣơng Hoàng Huy Dựa vào vấn đề trên, luận văn nghiên cứu công nghệ MPLS-TP (MultiProtocol Label Switching – Transport Profile) chủ yếu là tạo ra một công cụ để đo kiểm đƣợc một số tính năng nổi trội của MPLS-TP so với MPLS: • Khả năng chuyển mạch bảo vệ cao hơn MPLS.

• Ít mất gói tin hơn MPLS. • Thời gian delay gói tin thấp hơn MPLS. • MPLS-TP có LSP hai hƣớng so với MPLS. Qua đó thuyết phục các nhà mạng Việt Nam chuyển qua công nghệ MPLS-TP, để tăng khả năng chuyển mạch bảo vệ đáp ứng các yêu cầu về mặt kỹ thuật cho mạng lõi để nâng cao chất lƣợng cho mạng lõi.2 Mục đích của đề tài Mục đích của luận văn này chủ yếu là tạo ra một công cụ để đo kiểm đƣợc một số tính năng nổi trội của MPLS-TP so với MPLS: • Khả năng chuyển mạch bảo vệ cao hơn MPLS.

• Ít mất gói tin hơn MPLS. • Thời gian delay gói tin thấp hơn MPLS. • MPLS-TP có LSP hai hƣớng so với MPLS. Qua đó thuyết phục các nhà mạng Việt Nam chuyển qua công nghệ MPLS-TP, để tăng khả năng chuyển mạch bảo vệ đáp ứng các yêu cầu về mặt kỹ thuật cho mạng lõi để nâng cao chất lƣợng cho mạng lõi.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài Với mục tiêu nhƣ trên, đề tài này bao gồm các nội dung cơ bản nhƣ sau:  Trình bày sơ lƣợc về công nghệ MPLS và MPLS-TP.

 So sánh thời gian chuyển mạch bảo vệ, sự mất gói tin, thời gian delay gói tin của hai công nghệ MPLS-TP và MPLS.  Kết quả mô phỏng trên phần mềm: so sánh thời gian chuyển mạch bảo vệ.  Đƣa ra giải pháp chuyển mạng MAN-E của Viễn thông Sóc Trăng hiện tại chạy MPLS sang MPLS-TP và kết quả đạt đƣợc.