Công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức không dây WMPLS

Công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức không dây WMPLS Nguồn: khonggianit.vn Chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS – Multi Protocol Label Switching) là một công nghệ mới, bắt đầu được nghiên cứu vào năm 1997. Nó là thành phần chính trong các mạng WAN nhờ đó cải thiện đáng kể hiệu năng của mạng. Tuy nhiên khi nhu cầu sử dụng mạng ngày càng tăng thì MPLS lại gặp phải vấn đề về chất lượng dịch vụ và tốc độ truyền dẫn. Trong khi đó, công nghệ mạng không dây đang có xu hướng phát triển rất mạnh mẽ. Do đó, việc mở rộng MPLS sang lĩnh vực mạng không dây là một xu hướng tất yếu. Bài viết giới thiệu về công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức không dây (Wireless MPLS – WMPLS), cấu trúc gói tin, hoạt động và ứng dụng của WMPLS. 1. Giới thiệu chung về WMPLS Chuyển mạch nhãn đa giao thức không dây (WMPLS) là công nghệ mở rộng của MPLS sang lĩnh vực không dây, do đó, trước khi tìm hiểu về WMPLS, chúng ta sẽ điểm lại một vài đặc điểm quan trọng của MPLS. MPLS là giải pháp nhằm liên kết định tuyến lớp mạng và cơ chế hoán đổi nhãn thành một giải pháp đơn giản để đạt được các mục tiêu: cải thiện hiệu năng định tuyến, tính mềm dẻo của định tuyến trên các mô hình xếp chồng truyền thống và tăng tính mềm dẻo trong quá trình phát triển các loại hình dịch vụ mới… Trong MPLS, nhãn được sử dụng để truyền tải gói tin qua mạng. Các nhãn này gắn vào các gói tin và cho phép bộ định tuyến chuyển tiếp lưu lượng theo nhãn mà không cần địa chỉ IP đích. MPLS chia bộ định tuyến làm hai phần chức năng riêng biệt là chuyển tiếp gói tin và điều khiển. Phần chức năng chuyển tiếp gói sử dụng cơ chế hoán đổi nhãn. Kỹ thuật hoán đổi nhãn về bản chất là việc tìm chặng kế tiếp cho gói tin trong một bảng chuyển tiếp nhãn, sau đó thay thế giá trị nhãn của gói rồi chuyển tới cổng ra của bộ định tuyến. Việc này đơn giản hơn nhiều so với việc xử lý gói tin thông thường ở lớp mạng và do vậy cải tiến được năng lực của thiết bị. Phần chức năng điều khiển của MPLS bao gồm các giao thức định tuyến với nhiệm vụ phân phối thông tin định tuyến giữa các bộ định tuyến, và thủ tục gán nhãn để chuyển thông tin định tuyến thành bảng chuyển tiếp nhãn. MPLS có thể hoạt động được với các giao thức định tuyến Internet như giao thức tìm đường đi ngắn nhất OSPF (Open Shortest Path First) và BGP (Border Gateway Protocol) hay PNNI (Private Network-to-Network Interface) của ATM. Khi các gói tin vào mạng MPLS, bộ định tuyến không chuyển tiếp theo từng gói mà thực hiện phân loại chúng thành các lớp chuyển tiếp FEC (Forwarding Equivalency Classes), sau đó liên kết các lớp này với các giá trị nhãn. Để ấn định và phân bổ các liên kết nhãn với lớp chuyển tiếp, MPLS sẽ sử dụng giao thức phân bổ nhãn LDP (Label Distribution Protocol). Khi giao thức LDP hoàn thành nhiệm vụ, một đường dẫn chuyển mạch nhãn sẽ được thiết lập từ đầu vào tới đầu ra. Hình 1 chỉ ra vị trí và khuôn dạng nhãn MPLS trong một gói dữ liệu. Hình 1: Định dạng cấu trúc nhãn MPLS Trong đó: CoS: Phân lớp dịch vụ (Class of Service) S: Ngăn xếp (Stack) TTL = Thời gian sống của gói tin trên mạng (Time To Live) 2. Nhu cầu phát triển của WMPLS Các công ty như Juniper, Nortel và Cisco hiện đang đầu tư thời gian và tiền của để nghiên cứu và phát triển vấn đề tích hợp MPLS với công nghệ Internet trên lĩnh vực không dây. Nguyên nhân là do: IP trong lĩnh vực không dây hiện nay đang gặp phải một số thách thức, như các giao thức định tuyến IP không hoàn toàn phù hợp với các mạng không dây di động khi đem so sánh nó với công nghệ WMPLS. Việc tích hợp MPLS với IP di động đang trở thành một công nghệ hấp dẫn. Nó cho phép quản lý cục bộ, hỗ trợ chuyển giao, cấp phát địa chỉ, định tuyến và chuyển giao lưu lượng trong môi trường không dây. Có một số công nghệ khác như công nghệ ATM, các công nghệ 3G, đang được sửa đổi để hỗ trợ IP di động. Tuy nhiên, MPLS là công nghệ được ưa thích hơn cả vì nó có thể đơn giản hóa việc điều khiển lưu lượng trong các mạng lõi. Hơn nữa, MPLS không chỉ cung cấp tốc độ xử lý nhanh để cải thiện hiệu năng cho IP hiện nay với chi phí thấp nhất mà còn không gây ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ khi hạ tầng mạng thay đổi. 3. Hoạt động của WMPLS 3.1. Cấu trúc gói tin WMPLS WMPLS sử dụng hai khuôn dạng tiêu đề cơ bản được chỉ ra trong hình 2. Trong mạng WMPLS, 2 bit đầu tiên trong số 20 bit của trường nhãn (Label) sẽ được đọc giống như trường cờ (Flag). Trường này sẽ quyết định trường điều khiển (Control) và trường CRC (Cyclic Redundancy Code) có được sử dụng hay không, đồng thời cho biết độ dài của trường điều khiển được sử dụng là 1 hay 2 byte, tương ứng với các bit chỉ số thứ tự là 3 hay là 7. Trong mô hình chồng lấn, tại đó giao thức lớp thấp hơn sẽ hỗ trợ việc điều khiển luồng và lỗi, khuôn dạng tiêu đề WMPLS sẽ không có trường điều khiển và trường CRC. Để xác định khuôn dạng cho nhãn khi này thì hai bit đầu tiên của trường nhãn được thiết lập bằng 0 để biểu thị rằng trường điều khiển và trường CRC không được sử dụng (Hình 2a). Cờ (2 bit) Nhãn (18 bit) CoS (1 bit) S (1 bit) TTL (8 bit) Hình 2a: Tiêu đề WMPLS khi không có trường điều khiển và CRC Hình 2b: Tiêu đề WMPLS có trường điều khiển và CRC Trong trường điều khiển, chỉ ra ở hình 2b, N(S) là số thứ tự gói/khung đang gửi và N(R) là số thứ tự khung yêu cầu phát lại tự động hoặc số thứ tự khung báo nhận điều khiển luồng. Số bit của N(S) và N(R) phụ thuộc vào giá trị của cờ (bảng 1). Trong đó, đối với các dịch vụ tốc độ truyền tải thấp, N(R) và N(S) chỉ có 3 bit, và ngược là sẽ là 7 bit. Bảng 1: Giá trị các bit cờ trong tiêu đề gói tin WMPLS Các bit cờ (Flag) N(S), N(R) 0 0 Không có trường điều khiển và CRC 0 1 3 bit N(R) và 3 bit N(S) 1 0 7 bit N(R) và 7 bit N(S) 1 1 Dự phòng cho các ứng dụng trong tương lai 3.2. Giao thức trong WMPLS Hai giao thức được sử dụng trong mạng MPLS là giao thức phân bổ nhãn LDP và giao thức giành trước tài nguyên (RSVP- Resource Reservation Protocol). Khi tiến hành mở rộng MPLS sang miền không dây, người ta đã tiến hành sửa đổi hai giao thức này để có thể hỗ trợ các dịch vụ WMPLS. Mạng WMPLS sử dụng giao thức định tuyến cưỡng bức LDP (CR-LDP - Constraint-based Label Distribution Protocol) để định nghĩa người sử dụng (NSD) đầu cuối và giao thức RSVP mở rộng (E-RSVP) để thiết lập đường chuyển mạch nhãn LSP (Label Switched Path). Do đó, trong môi trường mạng tế bào di động, khi thực hiện chuyển giao từ một trạm gốc này sang một trạm gốc khác thì sẽ không phải phá bỏ kết nối LSP. 3.3. Hoạt động của WMPLS Hình 3 đưa ra mô hình mạng WMPLS được kết nối với nhau và kết nối với mạng MPLS có dây như thế nào. Mô hình này được xây dựng bằng cách kết nối các cell tới một bộ điều khiển trung tâm. Hình 3: Mạng gói WMPLS thông thường trên mạng đường trục MPLS có dây Như đã nói ở trên, WMPLS là dạng mở rộng của MPLS có dây, nhưng nó sử dụng các bước sóng vô tuyến mở thay vì sử dụng cáp. Tại Mỹ, Ủy ban Truyền thông liên bang Mỹ (FCC) đã quy định các tần số/bước sóng vô tuyến mở và cấp giấy phép truyền dẫn WMPLS. Những NSD không dây sẽ sử dụng các băng tần này và do đó đảm bảo được QoS cho các NSD WMPLS. Các băng tần hiện nay tập trung tại các tần số 2,5; 5,8; 10,5; 24; 28; 38; và 48 GHz. Vì các dịch vụ vệ tinh cố định sử dụng các tần số thuộc băng Ka, nên WMPLS sử dụng tần số từ 18 đến 31 GHz. Ở các tần số cao hơn thì băng thông khả dụng lớn hơn vì lúc này tốc độ truyền dẫn sẽ nhanh hơn. Những tần số cao có độ rộng phổ hẹp hơn và có tính động hơn so với các tần số thấp. Do đó, điều khiển truyền dẫn trong WMPLS được thực hiện dễ dàng hơn. WMPLS kết nối trực tiếp với phần băng tần đã được ấn định bằng cách sử dụng các mặt phẳng quản lý và mặt phẳng điều khiển không dây. Sau khi có được kết nối, các thiết bị đầu cuối của kết nối này sẽ bắt đầu thông tin với nhau thông qua mạng đường trục MPLS có dây/không dây. Khi quá trình trao đổi thông tin kết thúc, kết nối sẽ bị ngắt và băng tần vô tuyến đã được cấp phát sẽ được giải phóng cho các người dùng WMPLS khả dụng. WMPLS hỗ trợ QoS cùng mức so với MPLS có dây. * Lựa chọn phổ tần cho WMPLS Với các công nghệ truy nhập không dây băng rộng tốc độ cao thì một trong những vấn đề quan tâm chính là phổ tần. Có ba hệ thống phổ tần được đưa ra dưới đây: UNII (Unlicensed National Information Infrastructure): Hoạt động không có giấy phép tại dải tần 2,4GHz và 5,8GHz. Nó ít tốn kém hơn so với các dạng phổ tần khác nhưng lại nhạy cảm với nhiễu. Nhiễu sẽ gây ra mất gói và độ tin cậy thấp. MMDS (Multichannel Multipoint Distribution Service): Hoạt động tại tần số 2,5GHz, hỗ trợ dịch vụ đa điểm, trong đó NSD truy nhập vào cùng một trạm gốc và chia sẻ băng thông từ cùng một trạm thu phát như chỉ ra trong hình 4. Nhược điểm của MMDS là cần phải có tầm nhìn thẳng từ NSD đến trạm gốc. Cây cối, tòa nhà cao tầng, và địa hình sẽ cản trở đường liên kết trong môi trường không khí đó. Hình 4: Cấu trúc mạng MMDS với một anten bao phủ một vùng LMDS (Local Multipoint Distribution System): Hoạt động tại dải tần từ 28 đến 40GHz. Hệ thống này cho độ tin cậy cao hơn đối với các ứng dụng mức cao và băng thông rộng hơn, nhưng thiết bị lại đắt tiền hơn. Và sẽ phải có các trạm thu phát nằm giữa các vùng phục vụ, như miêu tả ở hình 5. Một nhược điểm khác của LMDS là nó nhạy cảm với thời tiết và bị hạn chế về khoảng cách (tối đa chỉ khoảng 3,2 km tính từ trạm gốc). Hình 5: Cấu trúc mạng LMDS với nhiều anten bao phủ một vùng * Lớp điều khiển truy nhập môi trường (MAC) Mặc dù mạng không dây có nhiều ưu điểm, nhưng chúng ta không thể quên rằng tỉ lệ lỗi bit của môi trường không dây cao; do đó cần thực hiện điều chỉnh lỗi ở mức độ cao hơn để có được độ tin cậy ổn định như mong muốn. Để giảm thiểu những thay đổi của môi trường không dây, cần phải sử dụng lớp MAC, và để thực hiện việc điều chỉnh lỗi bit chúng ta phải sử dụng lớp Liên kết dữ liệu. Hình 6 mô tả các lớp của WMPLS từ lớp mạng (Network Layer) đến lớp vật lý không dây (Wireless Physical Layer). Lớp liên kết vô tuyến (Radio Link Layer) và lớp MAC không dây (Wireless MAC Layer) được đặt ở giữa lớp mạng và lớp vật lý không dây. Hình 6: Kiến trúc lớp WMPLS * Kỹ thuật WMPLS WMPLS sử dụng giao thức hội tụ truyền dẫn TCP để có thể thiết lập và giải phóng các kết nối, và để xóa bỏ cũng như tái thiết lập các kết nối khi các đầu cuối di động di chuyển. Khi này cần có sự quản lý cục bộ và một kiến trúc mạng vững chắc. Để có thể thực hiện được WMPLS thì cần phải có một số thay đổi về mặt kỹ thuật, bao gồm: quản lý cục bộ, định tuyến, chuyển giao lưu lượng không dây động, và một vài thay đổi về kiến trúc mạng. Những thay đổi này sẽ được giải thích cụ thể ở các phần dưới đây. Quản lý cục bộ Mạng phải có chức năng quản lý cục bộ để có thể biết được đường di chuyển của các đầu cuối di động. Do đó, mạng sẽ có được thông tin về vị trí của các NSD và cung cấp dịch vụ cho NSD. Để định vị một đầu cuối di động, mạng có thể xác định vùng định tuyến RA (Routing Area) phục vụ đầu cuối đó thay vì tìm tất cả các trạm gốc có thể phục vụ đầu cuối đó. Tất cả những gì cần thiết để xác định thành công một đầu cuối di động là cập nhật những thay đổi xảy ra trực tiếp với RA. Mỗi đầu cuối di động (host) sẽ sử dụng một thanh ghi thường trú HA (Home Agent). HA chứa thông tin liên quan đến vị trí hiện thời của đầu cuối (vị trí vùng). Để biết chính xác hơn về vị trí của mình, đầu cuối phải sử dụng đến thanh ghi tạm trú FA (Foreign Agent). Trên thực tế FA là bộ định tuyến (router) gần với host nhất. Chuyển giao Để giải quyết vấn đề di chuyển của đầu cuối di động, cần thực hiện 3 bước sau đây: 1- định vị đầu cuối, 2- tái định tuyến: thiết lập một kết nối bằng cách xác định một đường đi mới đến một RA mới tại đó đầu cuối đang đi vào, 3- chuyển giao: chuyển luồng dữ liệu qua đường mới vừa thiết lập ở trên và thoát ra khỏi đường cũ mà không gây ảnh hưởng đến kết nối đó. 4. Ứng dụng của WMPLS MPLS hiện nay đang là công nghệ mạng có khả năng tích hợp các cấu hình, phần cứng, cáp và sợi quang vào một mạng diện rộng thống nhất. Nhờ đó, khách hàng có thể truyền dữ liệu với tốc độ nhanh hơn, độ tin cậy cao hơn và băng thông được sử dụng hiệu quả hơn. MPLS cũng hỗ trợ các dịch vụ phân biệt và do đó các nhà cung cấp mạng sẽ thu được lợi nhuận cao hơn. Là phiên bản mở rộng của MPLS, WMPLS kế thừa những ưu điểm đó, ngoài ra nó còn được ứng dụng trong một số lĩnh vực sau: - Hỗ trợ các dịch vụ ảo cho các kỹ sư và các thủy thủ trong trường hợp khẩn cấp. - Hỗ trợ giáo dục, thể thao và truyền thông du lịch. - Quản lý thời gian thực như đặt vé, truyền thông Dược học và giám sát thiết bị công nghiệp. - Trong lĩnh vực hàng hải- tìm tuyến đường ít đông nhất và đến được cuộc họp đúng giờ… 5. Kết luận Bài viết đã đưa ra những điểm khái quát nhất về WMPLS: cấu trúc gói tin WMPLS, các giao thức được sử dụng trong mạng WMPLS, hoạt động của mạng và ứng dụng của nó trong thực tế. Được mở rộng từ công nghệ tiên tiến MPLS, WMPLS hiện đang là ứng cử viên lớn cho công nghệ mạng 4G UMTS. Tuy nhiên, để mở rộng được sang miền không dây, WMPLS cũng gặp phải không ít khó khăn như vấn đề quản lý cục bộ, định tuyến và chuyển giao khi đầu cuối là các thiết bị di động. Đó là một hướng nghiên cứu mới cho những ai quan tâm đến WMPLS.