Sự ra đời công nghệ MPLS

Chương 3: Sự ra đời công nghệ MPLS 1.3.1 Chuyển mạch nhãn là gì? Chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS) là kết quả của quá trình phát triển nhiều giải pháp chuyển mạch IP, được chuẩn hoá bởi IETF. Tên gọi của nó bắt nguồn từ thực tế đó là hoán đổi nhãn được sử dụng như là kỹ thuật chuyển tiếp nằm ở bên dưới. Sự sử dụng từ “đa giao thức” trong tên của nó có nghĩa là nó có thể hỗ trợ nhiều giao thức lớp mạng, không chỉ riêng IP. Ngoải ra các nhà cung cấp mạng có thể cấu hình và chạy MPLS trên các công nghệ lớp 2 khác nhau như PPP, Fram Relay … không chỉ riêng ATM. Về mặt kiến trúc điều này là đúng, nhưng trong thực tế MPLS thường tập trung vào việc vận chuyển các dịch vụ IP trên ATM. MPLS là giải pháp nhằm liên kết định tuyến lớp mạng và cơ chế hoán đổi nhãn thành một giải pháp đơn nhất để đạt được các mục tiêu sau: Cải thiện hiệu năng định tuyến Cải thiện tính mềm dẻo của định tuyến trên các mô hình xếp chồng truyền thống. Tăng tính mềm dẻo trong quá trình đưa và phát triển các loại hình dịch vụ mới. Mạng MPLS có khả năng chuyển các gói tin tại lớp 3 bằng việc sử dụng xử lý từng gói và chuyển tiếp gói tin tại lớp 2 sử dụng cơ chế hoán đổi nhãn. MPLS dựa trên mô hình ngang cấp, vì vậy mỗi một thiết bị MPLS chạy một giao thức định tuyến IP, trao đổi thông tin định tuyến với các thiết bị lân cận, và chỉ duy trì một không gian cấu hình mạng và một không gian địa chỉ. MPLS chia bộ định tuyến làm hai phần riêng biệt: chức năng chuyển gói tin và chức năng điều khiển. Phần chức năng chuyển gói tin sử dụng cơ chế hoán đổi nhãn. Kỹ thuật hoán đổi nhãn về bản chất là việc tìm chặng kế tiếp của gói tin trong một bảng chuyển tiếp nhãn, sau đó thay thế giá trị nhãn của gói rồi chuyển ra cổng ra của bộ định tuyến. Việc này đơn giản hơn nhiều so với việc xử lý gói tin thông thường và do vậy cải tiến khả năng của thiết bị. Các bộ định tuyến sử dụng thiết bị này gọi là bộ định tuyến chuyển mạch nhãn LSR. Phần chức năng điều khiển của MPLS bao gồm các giao thức định tuyến lớp mạng với nhiệm vụ phân phối thông tin định tuyến giữa các LSR, và thủ tục gán nhãn để chuyển thông tin định tuyến thành bảng định tuyến chuyển mạch nhãn. MPLS có thể hoạt động được với các giao thức định tuyến Internet như OSPF và BGP hay PNNI của ATM. Khi một gói tin vào mạng MPLS, các bộ định tuyến chuyển mạch nhãn không thực hiện chuyển tiếp theo từng gói mà thực hiện phân loại gói tin vào trong các lớp tương đương chuyển tiếp FEC, sau đó các nhãn được ánh xạ vào trong các FEC. Một giao thức phân bổ nhãn LDP được xác định và chức năng của nó là để ấn định và phân bổ các ràng buộc FEC/nhãn cho các bộ định tuyến chuyển mạch nhãn LSR. Khi LDP hoàn thành nhiệm vụ của nó, một đường dẫn chuyển mạch nhãn LSP được xây dựng từ lối vào tới lối ra. Khi các gói vào mạng, LSR lối vào kiểm tra nhiều trường trong tiêu đề gói để xác định xem gói thuộc về FEC nào. Nếu đã có một ràng buộc nhãn/FEC thì LSR lối vào gắn nhãn cho gói và định hướng nó tới giao diện đầu ra tương ứng. Sau đó gói được hoán đổi nhãn qua mạng cho đến khi nó đến LSR lối ra, lúc đó nhãn bị loại bỏ và gói được xử lý tại lớp 3. Hiệu năng đạt được ở đây là nhờ việc đưa quá trình xử lý lớp 3 tới biên của mạng và chỉ thực hiện 1 lần tại đó thay cho việc xử lý tại từng node trung gian như của IP. Tại các node trung gian việc xử lý chỉ là tìm sự phù hợp giữa nhãn trong gói và thực thể tương ứng trong bảng kết nối LSR và sau đó hoán đổi nhãn- quá trình này thực hiện bằng phần cứng. Mặc dù hiệu năng và hiệu quả là 2 kết quả quan trọng, song chúng không phải là các lợi ích duy nhất mà MPLS cung cấp. Trong mắt của những nhà cung cấp các mạng lớn, thì khả năng để thực hiện kỹ thuật lưu lượng tiên tiến mà không phải trả giá về hiệu năng của MPLS được quan tâm đặc biệt. 1.3.2 Tại sao sử dụng MPLS? Sau đây chúng ta nêu ra các sở cứ để lựa chọn công nghệ MPLS. Tốc độ và trễ Chuyển tiếp dựa trên IP truyền thống là quá chậm để xử lý tải lưu lượng lớn trong mạng toàn cầu (the Internet) hay trong các liên mạng. Thậm chí với các kỹ thuật tăng cường, như là tìm kiếm bảng nhanh cho các datagram nào đó, thì tải trên các router thường nhiều hơn lượng tải mà router có thể xử lý. Dẫn đến kết quả là lưu lượng và các kết nối có thể bị mất và hiệu năng toàn mạng giảm sút trong một mạng dựa trên IP. Ngược lại với chuyển tiếp IP, chuyển mạch nhãn đang chứng tỏ là một giải pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề này. Chuyển mạch nhãn nhanh hơn nhiều bởi vì giá trị nhãn được đặt ở header của gói được sử dụng để truy nhập bảng chuyển tiếp tại router, nghĩa là nhãn được sử dụng để tìm kiếm trong bảng. Việc tìm kiếm này chỉ yêu cầu một lần truy nhập tới bảng, khác với truy nhập bảng định tuyến truyền thống việc tìm kiếm có thể cần hàng ngàn lần truy nhập. Kết quả của hoạt động hiệu quả này là ở chỗ lưu lượng người sử dụng trong gói được gửi qua mạng nhanh hơn nhiều so với chuyển tiếp IP truyền thống. Jitter. Với các mạng máy tính, ngoài các yếu tố về: tốc độ và sự đáp ứng của nó, trễ, còn có một thành phần khác, đó là độ biến thiên trễ của lưu lượng người sử dụng, nó được gây ra bởi việc các gói đi qua nhiều node mạng trước khi chạm tới đích. Ngoài ra sự tích luỹ của các trễ biến thiên khi các gói tạo ra đường đi từ nguồn đến đích. Tại mỗi node, địa chỉ đích trong gói phải được kiểm tra và so sánh với một tập dài các địa chỉ đích có thể trong bảng định tuyến của node. Khi gói đi qua những node này, nó gặp phải cả trễ và biến thiên trễ, phụ thuộc vào việc nó cần thời gian bao lâu để tìm kiếm trong bảng định tuyến và tất nhiên là phụ thuộc vào cả số các gói phải được xử lý trong một khoảng thời gian cho trước. Kết quả cuối cùng là tại node nhận xảy ra hiện tượng biến thiên trễ, nó được là kết quả của sự tích luỹ biến thiên trễ tại mỗi node và giữa nguồn với đích. Tình huống này là phiền hà với các gói thoại vì người nghe có thể nghe các câu nói của ngưòi nói không theo đúng thứ tự như ngưòi nói đã nói. Một lần nữa, hoạt động chuyển mạch nhãn sẽ làm cho lưu lượng được gủi qua mạng nhanh hơn và biến thiên trễ ít hơn so với hoạt động định tuyến IP truyền thống. Khả năng mở rộng mạng Rõ ràng, tốc độ là khía cạnh quan trọng của chuyển mạch nhãn, và xử lý lưu lượng nhanh cũng rất quan trọng. Nhưng chuyển mạch nhãn không chỉ cung cấp các dịch vụ tốc độ cao mà nó còn có thể cung cấp cho mạng khả năng mở rộng. Khả năng mở rộng liên quan đến khả năng mà một hệ thống, trong trường hợp chúng ta quan tâm là Internet, có khả năng điều chỉnh để phù hợp với một lượng lớn người sử dụng đang tăng lên từng ngày. Hàng ngàn người sử dụng mới và các node hỗ trợ như là router và server đang được đưa vào trong mạng Internet mỗi ngày. Chúng ta thử hình dung nhiệm vụ của router nếu nó phải theo kịp lượng người sử dụng này. Chuyển mạch nhãn cung cấp các giải pháp cho sự phát triển nhanh chóng và xây dựng các mạng lớn bằng việc cho phép một lượng lớn các địa chỉ IP được kết hợp với một hay vài nhãn. Giải pháp này giảm đáng kể kích cỡ bảng địa chỉ và cho phép router hỗ trợ nhiều người sử dụng hơn. Tính đơn giản Một khía canh hấp dẫn khác của chuyển mạch nhãn là ở chỗ nó là một giao thức chuyển tiếp cơ bản. Nó đơn giản đến tuyệt vời: chuyển tiếp gói chỉ dựa vào nhãn. Nhãn được xác nhận thế nào là một vấn đề khác; nghĩa là, các kỹ thuật điều khiển được thực hiện như thế nào để ràng buộc nhãn với lưu lượng người sử dụng là không liên quan tới hoạt động chuyển tiếp thực sự. Những kỹ thuật điều khiển này là một cái gì đó phức tạp, nhưng chúng không ảnh hưởng đến hiệu quả của dòng lưu lượng người sử dụng. Tại sao khái niệm này lại quan trọng? Nó có nghĩa rằng nhiều phương pháp khác nhau có thể được sử dụng để thiết lập các ràng buộc nhãn với lưu lượng người sử dụng. Nhưng sau khi ràng buộc được thực hiện, các hoạt động chuyển mạch nhãn để chuyển tiếp lưu lượng là đơn giản. Các hoạt động chuyển mạch nhãn có thể được thực hiện bằng phần mềm, bằng các mạch tích hợp chuyên dung, hay bằng các bộ xử lý đặc biệt. Sử dụng tài nguyên Các kỹ thuật điều khiển để thiết lập nhãn không được là gánh nặng cho mạng. Chúng không nên tiêu tốn nhiều tài nguyên. Nếu chúng làm như vậy, thì lợi ích của nó bị phủ nhận. May mắn thay, các mạng chuyển mạch nhãn không cần nhiều tài nguyên mạng để thực hiện các công cụ điều khiển trong việc thiết lập các đường đi chuyển mạch nhãn cho lưu lượng người sử dụng (nếu chúng tiêu tốn nhiều tài nguyên thì là do chúng được thiết kế không tốt). Điều khiển đường đi Trừ một số ngoại lệ, định tuyến trong các liên mạng được thực hiện bằng việc sử dụng địa chỉ đích IP (hay trong một LAN là địa chỉ MAC đích). Hiện tại cũng có nhiều sản phẩm đang sử dụng các thông tin khác, chẳng hạn như trường kiểu dịch vụ IP (TOS) và số cổng là một phần trong việc quyết định chuyển tiếp. Nhưng định tuyến dựa theo địa chỉ đích là phương pháp chuyển tiếp phổ biến nhất trong mạng IP. Hình 1.3. Định tuyến dựa trên địa chỉ đích Định tuyến dựa theo địa chỉ đích không luôn luôn là hoạt động hiệu quả. Để thấy tại sao, chúng ta xem xét hình 1.3. Router 1 nhận lưu lượng từ các router 2 và router 3. Nếu địa chỉ đích IP trong gói IP đến là địa chỉ của router 6, bảng định tuyến tại router 1 sẽ chỉ đạo router này chuyển tiếp lưu lượng đi theo router 4 hoặc router 5. Trừ một số ngoại lệ, không có yếu tố nào khác được tính đến ở đây. Chuyển mạch nhãn cho phép các đường đi qua một liên mạng được điều khiển tốt hơn. Chẳng hạn, một gói tin được dán nhãn xuất phát từ router 2 dự định đi đến router 6 và một gói tin nhãn khác cũng định đi đến router 6 nhưng xuất phát từ router 3. Trong mạng chuyển mạch nhãn, các giá trị nhãn khác nhau của các gói có thể hướng dẫn router 1 gửi gói đã được dán nhãn tới router 4 và một gói với một giá trị nhãn khác đi đến router 5 rồi sau đó mới đến router 6. Khái niệm này cung cấp một công cụ để điều khiển các node và các tuyến xử lý lưu lượng hiệu quả hơn, cũng như đưa ra các lớp lưu lượng nào đó với mức dịch vụ khác nhau (dựa trên các yêu cầu về QoS). Có thể tuyến giữa router 1 và router 4 là DS3; tuyến giữa router 1 và router 5 là SONET. Nếu ứng dụng của người sử dụng cần nhiều băng tần hơn, nhãn của người sử dụng có thể được dùng để hướng dẫn router chuyển lưu lượng vào tuyến SONET chứ không vào tuyến DS3. Giải pháp dựa trên chính sách này sử dụng chuyển mạch nhãn để cho mạng đáp ứng các yêu cầu của các lớp lưu lượng - khái niệm này được gọi là kỹ thuật lưu lượng (TE).