Chương 3: Chuyển mạch nhãn

CHƯƠNG 3: CHUYỂN MẠCH NHÃN Chương này giải thích tại sao mạng chuyển mạch nhãn và chuyển mạch nhãn đa giao thức trở thành chìa khoá cho mạng Internet đa dịch vụ hiện nay. Nó giải thích các vấn đề kết hợp các thủ tục định tuyến IP quy ước và giới thiệu các khái niệm của sự lựa chọn một trong hai chuyển mạch nhãn. Chương này cũng giới thiệu ý kiến về chất lượng dịch vụ và giải thích sự quan trọng của nó cũng như sự quan trọng của chuyển mạch nhãn đối với QoS. Chương này gồm một ví dụ về chuyển mạch nhãn và QoS hoạt động mạng tại bộ định tuyến chuyển mạch nhãn (LSR). 2.1. Khái niệm chuyển mạch nhãn Khái niệm cơ bản của chuyển mạch nhãn rất đơn giản. Để chỉ ra lý do, chúng ta giả sử một lưu lượng người sử dụng (lời nói, tin nhắn) được chuyển từ máy tính người sử dụng đến máy tính người nhận. Những mạng Internet truyền thống (không sử dụng chuyển mạch nhãn) thì phương pháp chuyển thư điện tử tương tự như chuyển thư bưu chính: một địa chỉ đích được kiểm tra bởi một thực thể chuyển tiếp (trong lĩnh vực của chúng ta là router, với dịch vụ bưu chính là người đưa thư). Địa chỉ này quyết định xem router hay người đưa thư sẽ chuyển gói dữ liệu hay phong bì thư tới người nhận cuối cùng. Chuyển mạch nhãn thì khác. Thay cho việc dùng địa chỉ đích để định tuyến thì một số (hay nhãn) được gắn vào một gói dữ liệu. Tương tự trong dịch vụ bưu chính, giá trị nhãn là địa chỉ trên phong bì để dựa vào đó chuyển thư tới người nhận. Trong mạng máy tính, nhãn được đặt ở đầu gói được dùng như một địa chỉ (thường là địa chỉ IP) và nhãn được dùng chuyển thẳng lưu lượng tới đích của nó. 2.2. Lý do dùng chuyển mạch nhãn 2.2.1. Tốc độ và độ trễ Việc chuyển tiếp trên phần mềm truyền thống là quá chậm để tải một lưu lượng lớn từ Internet. Thậm chí với kỹ thuật tiên tiến, như là sử dụng bảng tìm kiếm nhanh dữ liệu thì router vẫn phải hoạt động nhiều hơn khả năng làm việc của nó. Kết quả là mất lưu lượng, mất kết nối và vượt quá khả năng nghèo nàn của mạng IP cơ bản. Chuyển mạch nhãn trái ngược với chuyển tiếp trong IP nó cung cấp một giải pháp hiệu quả cho vấn đề này. Lý do chuyển mạch nhãn nhanh hơn là bởi giá trị nhãn được đặt trong mào đầu gói và được dùng để truy cập bảng chuyển tiếp trong router. Nhãn là danh sách trong bảng. Sự tìm kiếm này chỉ yêu cầu một truy cập tới bảng, ngược lại bảng định tuyến truyền thống có thể đòi hỏi hàng ngàn tìm kiếm. Kết quả của sự vận hành hiệu quả này là lưu lượng của người sử dụng trong gói được gửi qua mạng nhanh hơn nhiều so với chuyển tiếp IP truyền thống, độ trễ và độ đáp ứng thời gian giảm đi do sự thoả thuận giữa các người sử dụng. Rung sai Đối với mạng máy tính, tốc độ và độ trễ có cấu thành khác nhau. Nó là sự thay đổi độ trễ của lưu lượng người sử dụng do việc chuyển gói tin qua nhiều nút trong mạng để tới đích của nó. Nó cũng tích luỹ sự thay đổi độ trễ này khi gói tin thực hiện hành trình từ người gửi đến người nhận. Tại từng nút, địa chỉ đích trong gói phải được kiểm tra và so sánh với danh sách địa chỉ đích khả dụng trong bảng định tuyến của nút (thường là router). Khi một gói đi qua các nút này, nó gặp cả độ trễ và biến thiên độ trễ phụ thuộc vào số lượng gói và khoảng thời gian mà bảng tìm kiếm phải xử lý trong một khoảng thời gian quy định. Kết quả cuối cùng tại nút nhận là Jitter (rung sai) là tổng cộng tất cả các biến thiên độ trễ tại mỗi nút giữa bên gửi và bên thu. Tình trạng này gây phiền hà với gói thoại vì làm cho cuộc nói chuyện thất thường, cuộc thoại bị mất đi tính liên tục. Do đó, vận hành chuyển mạch nhãn hiệu quả hơn do bởi lưu lượng người sử dụng được gửi qua mạng nhanh hơn và ít Jitter so với định tuyến IP truyền thống. 2.2.2. Khả năng đáp ứng Tất nhiên, tốc độ là một khía cạnh quan trọng của chuyển mạch nhãn và việc xử lý lưu lượng nhanh trong mạng là rất quan trọng. Nhưng đó không phải là tất cả những gì chuyển mạch nhãn có thể cung cấp. Nó có thể cung cấp khả năng đáp ứng cho mạng. Khả năng đáp ứng chỉ ra năng lực và sự bất lực của hệ thống, với mạng Internet là sự điều tiết sự phát triển độ lớn và số lượng người sử dụng Internet. Hàng nghìn người dùng (và các nút trợ giúp cũng như router hay server) đang đăng kí hoà mạng mỗi ngày. Hãy tưởng tượng nhiệm vụ của một router khi nó phải lưu giữ dấu hiệu của tất cả các người dùng. Chuyển mạch nhãn đưa ra giải pháp đối với sự phát triển nhanh chóng và rộng lớn của mạng bằng cách cho phép một lượng lớn địa chỉ IP được liên kết với một hoặc một vài nhãn. Cách này làm tăng độ rộng bảng địa chỉ (thực tế là nhãn) và cho phép router phục vụ nhiều người dùng hơn. 2.2.3. Tính đơn giản Một khía cạnh hấp dẫn khác của chuyển mạch nhãn đó là nó là cơ sở của giao thức chuyển tiếp, chuyển tiếp một gói dựa trên nhãn của nó. Cách xác định chính xác nhãn là vấn đề hoàn toàn khác đó là cách cơ chế điều khiển được thực thi để tương quan giữa nhãn với lưu lượng người sử dụng riêng và không liên quan tới chuyển tiếp thực sự của lưu lượng. Cơ chế điều khiển thì phức tạp nhưng không làm ảnh hưởng tới hiệu quả của luồng dữ liệu người sử dụng. Nhiều phương pháp được dùng để thiết lập một liên kết nhãn với lưu lượng người sử dụng. Nhưng sau khi liên kết nhãn hoàn thành thì việc vận hành chuyển mạch nhãn để chuyển tiếp lưu lượng là rất đơn giản. Vận hành chuyển mạch nhãn có thể thực hiện trong phần mềm, trong ASIC hoặc trong bộ xử lý chuyên môn hoá. 2.2.4. Sử dụng tài nguyên Cơ chế điều khiển thiết lập nhãn phải không là gánh nặng đối với mạng. Chúng không tiêu tốn tài nguyên. Nếu chúng sử dụng nhiều tài nguyên thì hiệu quả của chúng sẽ bị phủ nhận.Tuy nhiên, mạng chuyển mạch nhãn không cần nhiều tài nguyên mạng để thực hiện cơ chế điều khiển là thiết lập đường chuyển mạch nhãn cho lưu lượng người dùng. 2.2.5. Điều khiển tuyến Định tuyến trong Internet được thực hiện bởi việc sử dụng địa chỉ IP đích (hoặc trong LAN với địa chỉ MAC đích). Tất nhiên, nhiều sản phẩm cũng rất khả dụng khi dùng các thông tin khác ví dụ như kiểu IP của dịch vụ và các chỉ số cổng (như một phần của quyết định chuyển tiếp). Nhưng định tuyến đích (địa chỉ IP) là phương pháp chuyển tiếp thịnh hành. Định tuyến đích không phải luôn luôn là hoạt động hiệu quả. Như hình 2.1, Router 1 nhận lưu lượng từ router 2 và 3. Nếu địa chỉ IP đích trong dữ liệu đồ IP đến được tìm thấy tại router 6, bảng định tuyến tại router 1 sẽ chỉ thị cho router chuyển tiếp lưu lượng đến router 4 hoặc 5. Hình 2.1. Định tuyến cơ sở đích Chuyển mạch nhãn cho phép các tuyến xuyên qua mạng để điều khiển tốt hơn. Ví dụ một gói có nhãn bắt nguồn từ router 2 đến địa chỉ đích là router 6, gói có nhãn cũng có thể bắt nguồn từ router 3. Tuy nhiên, giá trị nhãn khác nhau của các gói sẽ chỉ thị cho router 1 gửi một gói có nhãn tới router 4 và gói có giá trị nhãn khác tới router 5 Khái niệm này cung cấp một công cụ để bố trí các nút và liên kết lưu lượng phù hợp, thuận lợi hơn, cũng như đưa ra phân lớp R2 R3 R1 R4 R5 R6 chính xác các phân lớp lưu lượng (dựa trên QoS cần) khác nhau của dịch vụ. Có thể liên kết giữa router 1 và router 4 hay giữa router 1 và router 5 là DS3 hoặc SONET tương ứng. Việc dùng chuyển mạch nhãn và sự cần thiết của phân lớp lưu lượng là kỹ thuật lưu lượng. 2.3. Nhãn - địa chỉ Nhãn không có ý nghĩa hình thể cố hữu nào. Cho đến trước khi tương quan với địa chỉ thì nhãn không ý nghĩa định tuyến nào. Do đó, một yêu cầu vẫn đang tồn tại đối với việc quy ước quảng bá địa chỉ IP được chỉ ra trong hình 2.2. Một phần công việc của mạng chuyển mạch nhãn là tương quan giữa địa chỉ và định tuyến với các nhãn. Các tuyến được phát hiện thông qua các giao thức định tuyến IP dựa trên địa chỉ IP. Trong ví dụ này, các router chuyển mạch nhãn đang quảng báo địa chỉ 192.168.1.1. Trong hầu hết trường hợp, tiền tố địa chỉ được quảng báo nhưng nó không liên quan tới ví dụ chung này. Sự quảng báo này chuyển tới router bên phía trái hình. Router này lưu trữ thông tin định tuyến trong bảng định tuyến của nó. Sau đó, khi router nhận được gói của địa chỉ đích 191.168.1.1 thì nó biết làm cách nào để tới địa chỉ này bằng cách tra cứu bảng định tuyến của nó. Lưu trữ quảng báo trong bảng định tuyến Quảng báo địa chỉ Quảng báo địa chỉ Nhớ thông tin này Địa chỉ 919.168.1.1 có thể tới đây Địa chỉ 919.168.1.1 có thể tới đây Node C Node B Node A Hình 2.2. Quảng báo địa chỉ Trong mạng chuyển mạch nhãn, việc quan trọng là chọn giá trị nhãn để đặt vào mào đầu gói dùng trong mạng và thông báo cho các router chuyển mạch nhãn khác về sự kết hợp của giá trị nhãn với địa chỉ. Quá trình hoàn thành được chỉ ra trong hình 2.3, router A thông báo cho router B rằng địa chỉ 191.168.1.1 được kết hợp với nhãn 88888. Sự kết hợp này được gọi là một bind. Node A Node B Hình 2.3. Quảng báo nhãn/địa chỉ Khi router B nhận nhãn hay địa chỉ quảng báo này, nó kiểm tra bảng định tuyến của nó và tìm kiếm nút tiếp theo để nhận lưu Liên kết nhãn 88888 với địa chỉ IP 191.168.1.1 Liên kết nhãn 88888 với địa chỉ IP 191.168.1.1 Liên kết nhãn 191.168.1.1 với 88888 có thể thực hiện bởi phát hiện trước đó lượng đích của 191.168.1.1. Trong hình 2.2 thì nút tiếp theo là router C nên router B tạo ra một cổng trong một bảng khác (được gọi bằng các tên khác nhau như: bảng chuyển mạch nhãn, bảng sắp xếp nhãn) để một nhãn đến từ nút A với giá trị 88888 được định tuyến tới nút C. Quá trình này tiếp tục tới khi đến được đích cuối cùng. Phải chú ý rằng, quá trình xử lý giữa router A và router B không được chỉ ra trong hình 2.2. Do có quá nhiều quá trình xử lý giữa LSR A và LSR B. Hoạt động trong hình 2.3 có nhãn được ấn định bởi LSR A sau khi nó phát hiện ra đường đi tới địa chỉ đích. Một cách tiếp cận khác là sự liên kết xảy ra ở cùng thời điểm địa chỉ được quảng báo. Do vậy, trong hình 2.4, quá trình liên kết bắt đầu từ nút C. Mạng chuyển mạch nhãn có thể hỗ trợ đồng thời cả hai hoạt động. Node D Node C Hình 2.4. Quảng báo và liên kết tại cùng thời điểm Liên kết nhãn 88888 với địa chỉ IP 191.168.1.1 Địa chỉ mới 919.16.1.1 Đang quảng báo địa chỉ 191.168.1.1 2.4. Định tuyến - quảng bá Hai giao thức được thiết lập bởi các router để truyền tiếp thành công lưu lượng người dùng tới phía thu của nó. Giao thức 1 chuyển gói từ người dùng nguồn đến người dùng đích, giao thức 2 tìm ra một tuyến đường cho gói từ nguồn đến đích. Tuy nhiên, rất nhiều thuật ngữ được dùng để miêu tả hai loại giao thức này và chúng cũng không là khuôn mẫu chính xác và chúng ta sẽ tiếp nhận chúng thông qua mạng chuyển mạch nhãn. Các thuật ngữ cũ miêu tả giao thức 1 là định tuyến và giao thức 2 là quảng bá định tuyến và phát hiện tuyến. Hiện nay, thuật ngữ định tuyến được dùng để mô tả giao thức 2 và các thuật ngữ chuyển tiếp và chuyển mạch được dùng để mô tả giao thức 1. Các thuật ngữ bảng định tuyến và bảng nhãn để mô tả bảng địa chỉ và bảng nhãn được dùng trong việc chuyển tiếp gói trong mạng. Chuyển tiếp và chuyển mạch được dùng trong bảng định tuyến và bảng nhãn để thiết lập một quyết định chuyển tiếp. Định tuyến là việc dùng các tuyến được quảng bá để thu được thông tin nhằm tạo ra bảng định tuyến và bảng nhãn sử dụng trong giao thức chuyển tiếp. Đối với mạng chuyển mạch nhãn sự quảng bá này đòi hỏi một địa chỉ quảng bá và nhãn liên kết của nó. 2.5. Sự cần thiết cho QoS của mạng Sự chuẩn bị đầy đủ tài nguyên cho một ứng dụng (như băng tần để chuyển nhanh dữ liệu qua mạng) không phải là việc đơn giản. Do bởi sự phức tạp của nó, các mạng cũ đã xử lý tất cả các lưu lượng ứng dụng giống nhau và phân chia lưu lượng trên cơ sở nỗ lực tối đa, điều này giống như dịch vụ bưu chính trong việc chuyển thư đều đặn. Lưu lượng được phân phát nếu như mạng có đủ tài nguyên để đáp ứng sự phân phát. Tuy nhiên, nếu mạng tắc nghẽn thì phải huỷ bỏ lưu lượng này. Một vài mạng cố gắng thiết lập các phương pháp phản hồi (điều khiển tắc nghẽn) tới người dùng để giảm bớt lưu lượng đi vào mạng. Nhưng kỹ thuật này không thường xuyên hiệu quả, bởi có nhiều luồng lưu lượng trong mạng dữ liệu rất ngắn, như có thể chỉ có vài gói trong một phiên giao dịch user to user. Bởi vậy khi người sử dụng nhận được thông tin phản hồi thì đã kết thúc việc gửi lưu lượng. Các thông tin phản hồi là vô dụng và không được dùng nhưng lại tạo thêm lưu lượng thừa. Khái niệm nỗ lực tối đa có nghĩa lưu lượng bị đào thải một cách ngẫu nhiên, không nỗ lực nào được tạo ra để chuyển lưu lượng này. Cách thức này có nỗ lực loại bỏ nhiều gói hơn cho phía ứng dụng đòi hỏi băng tần cao rồi cho nhiều gói vào mạng còn yêu cầu băng tần ít hơn thì gửi ít gói vào mạng. Vì vậy, những khách hàng lớn nhất tức cần nhiều băng tần là người thiệt hại nhất. Cách thức nỗ lực tối đa không phải là mô hình tốt.