Khôi phục mạng trong mạng GMPLS

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

---------------------------------------

PHAN VIỆT ANH

KHÔI PHỤC MẠNG TRONG MẠNG GMPLS

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS. TRẦN THỊ NGỌC LAN

Hà Nội, 2015


Luận văn cao học

Khôi phục mạng trong mạng GMPLS

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là luận văn nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công
bố trong bất kỳ luận văn nào khác. Các số liệu mô phỏng được chú thích, trích dẫn
tham khảo từ bài báo, tài liệu gốc cụ thể.
Học viên thực hiện
Phan Việt Anh

Phan Việt Anh, 12BKTTT1

Luận văn cao học

Khôi phục mạng trong mạng GMPLS

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................i
MỤC LỤC ....................................................................................................................i
DANH MỤC HÌNH VẼ .............................................................................................iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................vi
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ....................................................................................... vii
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................ix
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC
TỔNG QUÁT GMPLS .............................................................................................1
1.1. Tổng quan về chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS ............................... 1
1.1.1. Khái niệm MPLS ........................................................................................1
1.1.2. Đặc điểm của MPLS...................................................................................2
1.2. Sự phát triển của chuyển mạch nhãn đa giao thức tổng quát GMPLS .....4
1.2.1. Sự ra đời của GMPLS ................................................................................4
1.2.2. Các khái niệm chính trong GMPLS ...........................................................6
1.3. Định tuyến trong GMPLS ............................................................................12
1.3.1. Chức năng định tuyến trong mạng GMPLS .............................................12
1.3.2. Kỹ thuật lưu lượng trong GMPLS............................................................ 14
1.3.3. Thông tin định tuyến GMPLS ..................................................................15
1.3.4. Những cải tiến trong định tuyến GMPLS ................................................16
1.3.5. Giao thức quản lý liên kết LMP ............................................................... 18
1.3.6. Thuật toán lựa chọn đường định tuyến trong GMPLS ............................. 19
1.4. Báo hiệu trong GMPLS ................................................................................21
1.4.1. Giao thức RSVP-TE mở rộng ..................................................................21
1.4.2. Nhãn tổng quát .........................................................................................24

1.4.3. Báo hiệu đường hai chiều .........................................................................27
1.4.4. Kiến trúc báo hiệu ....................................................................................29

Phan Việt Anh, 12BKTTT1

i


Luận văn cao học

Khôi phục mạng trong mạng GMPLS

1.5. Kết luận ..........................................................................................................30
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ KHÔI PHỤC MẠNG ......................................31
2.1. Khái niệm về bảo vệ và phục hồi .................................................................31
2.1.1. Bảo vệ .......................................................................................................31
2.1.2. Phục hồi ....................................................................................................34
2.2. Các thuật toán tìm đường sống sót ............................................................. 35
2.2.1. Giá thành đường kết nối ...........................................................................35
2.2.2. Thuật toán tìm đường sống sót thông thường ..........................................36
2.2.3. Thuật toán Suuballe ..................................................................................38
2.3. Phát hiện lỗi, cảnh báo và giao thức báo hiệu ............................................38
2.3.1. Phát hiện lỗi .............................................................................................. 38
2.3.2. Cảnh báo lỗi.............................................................................................. 39
2.3.3. Cơ chế của giao thức báo hiệu .................................................................40
2.4. Khả năng bảo vệ và phục hồi trên lớp IP ...................................................42
2.4.1. Phương pháp bảo vệ và phục hồi tại lớp IP theo cách thông thường .......42
2.4.2. Phục hồi dựa vào mạng MPLS .................................................................44
2.5. Khả năng bảo vệ và phục hồi trên lớp quang WDM .................................47
2.6. Mô hình minh họa các cơ chế bảo vệ và phục hồi .....................................49

2.7. Kết luận ..........................................................................................................53
CHƯƠNG 3: KHÔI PHỤC ĐA LỚP TRONG MẠNG GMPLS .......................54
3.1. Chiến lược bậc thang ....................................................................................54
3.2. Chiến lược sống sót tích hợp ........................................................................56
3.2.1. Phương pháp bảo vệ tích hợp động ..........................................................56
3.2.2. Phương pháp bảo vệ tích hợp phân biệt dịch vụ ......................................62
3.3. Kết luận ..........................................................................................................72
CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG KHÔI PHỤC CỦA MẠNG GMPLS 73
4.1. Đánh giá phương pháp bảo vệ tích hợp động ............................................73
4.1.1. Mô hình bảo vệ tích hợp động..................................................................73
4.1.2. Kết quả đánh giá .......................................................................................74

Phan Việt Anh, 12BKTTT1

ii


Luận văn cao học

Khôi phục mạng trong mạng GMPLS

4.2. Đánh giá phương pháp bảo vệ tích hợp phân biệt dịch vụ .......................78
4.2.1. Mô hình bảo vệ tích hợp phân biệt dịch vụ ..............................................78
4.2.2. Kết quả đánh giá .......................................................................................80
4.3. Kết luận ...........................................................................................................87
KẾT LUẬN ...............................................................................................................88
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................89

Phan Việt Anh, 12BKTTT1

iii


Luận văn cao học

Khôi phục mạng trong mạng GMPLS

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1 Vị trí phần tiêu đề đệm trong gói dữ liệu
Hình 1-2 Cấu trúc phần tiêu đề đệm
Hình 1-3 Đường chuyển mạch nhãn LSP
Hình 1-4 Các loại nhãn trong GMPLS
Hình 1-5 Đường chuyển mạch LSP phân cấp
Hình 1-6 Phân cấp các loại chuyển mạch
Hình 1-7 Minh họa thiết lập RSVP
Hình 1-8 Định dạng Label-Request Object
Hình 1-9 Hoạt động của RSVP-TE mở rộng
Hình 1-10 Báo hiệu đường hai chiều
Hình 1-11 Sự phân cấp của LSP
Hình 2-1 Bảo vệ dành riêng
Hình 2-2 Cơ chế SRLG
Hình 2-3 Phương pháp chia sẻ bảo vệ trong lớp quang
Hình 2-4 Phương pháp định tuyến tìm đường sống sót hai bước thông thường
Hình 2-5 Phương pháp định tuyến tối ưu
Hình 2-6 Phương pháp định tuyến lại ở lớp IP
Hình 2-7 Phục hồi trong mạng MPLS
Hình 2-8 Phương pháp bảo vệ gắn với kết nối
Hình 2-9 Phương pháp bảo vệ tách rời kết nối
Hình 2-10 Mô hình bảo vệ trong mạng IP-WDM
Hình 3-1 Phương pháp xử lý từ dưới lên

Hình 3-2 Phương pháp xử lý từ trên xuống
Hình 3-3 Phương pháp bảo vệ tích hợp
Hình 3-4 Lược đồ phương pháp bảo vệ chia sẻ tích hợp
Hình 3-5 Ba vấn đề của MLIS
Hình 3-6 Mô hình khôi phục đa lớp tích hợp đơn dựa trên GMPLS
Hình 3-7 Cấp phát dung lượng dự phòng chia sẻ trong lớp IP/MPLS
Hình 3-8 Cấp phát dung lượng dự phòng chia sẻ giữa lớp IP/MPLS và WDM
Hình 3-9 Thuật toán định tuyến sống sót tích hợp động trong DISA
Hình 3-10 Thuật toán khôi phục lỗi song song của DISA
Hình 4-1 Mô hình mô phỏng phương pháp bảo vệ tích hợp động
Hình 4-2 Hiệu năng giữa bảo vệ tích hợp và bảo vệ lớp WDM
Hình 4-3 Ảnh hưởng của tốc độ xử lý IP và số bước sóng với hiệu năng mạng
Hình 4-4 Xác suất tắc nghẽn trên số lượng cổng IP tối đa trên bước sóng
Hình 4-5 Mô hình mô phỏng thuật toán DISA
Phan Việt Anh, 12BKTTT1

iv

3
3
4
6
9
111
22
25
27
28
29
32

33
34
37
37
43
46
48
49
50
55
55
58
61
63
65
69
69
71
72
74
75
77
78
79


Luận văn cao học

Khôi phục mạng trong mạng GMPLS

Hình 4-6 Hệ số tắc nghẽn lưu lượng với tải dưới các mô hình sống sót khác nhau
Hình 4-7 Hệ số tắc nghẽn lưu lượng với các mức ưu tiên lưu lượng khác nhau
Hình 4-8 Số chặng logic lưu lượng trung bình với lượng tải mạng
Hình 4-9 Yêu cầu tài nguyên dự phòng và lượng tải mạng
Hình 4-10 Hệ số khôi phục trung bình với thời gian khôi phục trung bình

Phan Việt Anh, 12BKTTT1

v

81
82
84
85
86


Luận văn cao học

Khôi phục mạng trong mạng GMPLS

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1-1 Các loại G-PID ............................................................................................... 26
Bảng 3-1 Khả năng phục hồi phân biệt dựa trên độ ưu tiên hướng lưu lượng. ............. 66

Phan Việt Anh, 12BKTTT1

vi

Luận văn cao học

Khôi phục mạng trong mạng GMPLS

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Thuật ngữ
ATM

Tiếng Anh

Tiếng Việt

Asynchronous Transfer Mode

Phương thức truyền tải không
đồng bộ

CR-LDP

CSPF

Constraint based Label

Giao thức phân phối nhãn

Distribution Protocol

định tuyến cưỡng bức

Constrained Shortest Path First

Định tuyến tìm đường ngắn
nhất

CCID

Control Channel Identification

Nhận dạng kênh điều khiển

CPS

Common Pool Survivability

Vùng sống sót chung

DISA

Differentiated Integrated

Thuật toán sống sót tích hợp

Survivability Algorithm

phân biệt dịch vụ

Generalized Multi-Protocol Label

Chuyển mạch nhãn đa giao

Switching

thức tổng quát

Hierarchy Label Switching Path

Đường chuyển mạch nhãn

GMPLS

H-LSP

phân cấp
IP

Internet Protocol

Giao thức Internet

IS-IS

Intermediate System To

Giao thức định tuyến IS-IS

Intermediate System
IETF

Internet Engineering Task Force

Lực lượng đặc nhiệm kỹ thuật
Internet

ISP

Integrated Shared Pool

Vùng chia sẻ tích hợp

LFIB

Label Forward Information Base

Cơ sở thông tin chuyển tiếp
nhãn

LSR

Bộ định tuyến chuyển mạch

Label Switching Router

nhãn
LSP

Đường chuyển mạch nhãn

Label Switching Path

Phan Việt Anh, 12BKTTT1

vii


Luận văn cao học

LSC

Khôi phục mạng trong mạng GMPLS

Lamda Switching Controller

Khả năng chuyển mạch bước
sóng

LMP

Link Management Protocol

Giao thức quản lý liên kết

MPLS

Multiprotocol Label Switching

Chuyển mạch nhãn đa giao
thức

MPλS

Multiprotocol Lamda Switching

Chuyển mạch bước sóng đa
giao thức

Multi-Layer Integrated

Cơ chế sống sót tích hợp đa

Survivability

lớp

OXC

Optical Cross Connector

Kết nối quang chéo

OSPF

Open Shortest Path First

Giao thức OSPF

PSC

Packet Switch Capable

Khả năng chuyển mạch gói

SNMP

Simple Network Management

Giao thức quản lý mạng đơn

Protocol

giản

SONET

Synchronous Optical Networking

Mạng quang đồng bộ

SDH

Synchronous Digital Hierarchy

Hệ thống phân cấp số đồng bộ

SRLG

Shared Risk Link Group

Nhóm chia sẻ rủi ro

TDM

Time Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo thời

MLIS

gian
TE

Traffic Engineering

Kỹ thuật lưu lượng

TED

Traffic Engineering Data

Dữ liệu kỹ thuật lưu lượng

RSVP-TE

Resource Reservation Protocol-

Giao thức dự phòng tài

Traffic Engineering

nguyên- Kỹ thuật lưu lượng

Routing and Wavelength

Định tuyến và gán bước sóng

RWA

Assignment
WDM

Wavelength Division

Ghép kênh phân chia theo

Multiplexing

bước sóng

Phan Việt Anh, 12BKTTT1

viii


Luận văn cao học

Khôi phục mạng trong mạng GMPLS

MỞ ĐẦU
Hiện nay, các hệ thống mạng viễn thông đang hoạt động dựa trên các công
nghệ mạng khác nhau theo các phân lớp mạng. Vì vậy, các hệ thống mạng trong
tương lai sẽ được xây dựng dựa trên cơ sơ hạ tầng mạng sẵn có, và có thể tích hợp

các công nghệ mạng với nhau. Đáp ứng được vấn đề này, công nghệ GMPLS đang
được các nhà khai thác áp dụng để có thể tạo ra các dịch vụ một cách linh hoạt, theo
yêu cầu và nâng cao khả năng khôi phục so với hệ thống mạng truyền thống. Công
nghệ GMPLS hỗ trợ không chỉ các thiết bị thực hiện chuyển mạch gói mà còn trên
các thiết bị chuyển mạch theo miền thời gian, theo bước sóng và theo không gian.
GMPLS nhằm hiện đại hóa việc định tuyến qua mạng thông tin quang, cho phép
chúng phản ứng nhanh, linh hoạt với các yêu cầu thay đổi băng thông, cho phép
thiết lập dịch vụ thông tin quang năng động hơn. Đặc biệt, công nghệ GMPLS đưa
ra những giải pháp giúp cho việc khôi phục mạng trở nên dễ dàng và linh hoạt hơn,
nâng cao khả năng đảo bảo chất lượng dịch vụ. Với những ưu điểm nói trên,
GMPLS là xu thế của việc xây dựng hạ tầng mạng hiện tại cũng như trong tương
lai. Do vậy, em chọn đề tài nghiên cứu về: "Khôi phục mạng trong mạng
GMPLS."
Trong quá trình thực hiện đề tài, do kiến thức còn hạn chế nên không thể
tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận được sự góp ý, hướng dẫn của thầy cô
và bạn bè. Em xin chân thành cảm ơn giảng viên TS. Trần Thị Ngọc Lan đã tận tình
chỉ bảo và giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đề tài.
Đề tài được tổ chức thành bốn chương với các nội dung chính như sau:
Chương 1. Tổng quan về chuyển mạch nhãn đa giao thức tổng quát GMPLS:
trình bày về sự phát triển lên công nghệ GMPLS từ công nghệ MPLS, các khái
niệm cơ bản trong GMPLS, định tuyến và báo hiệu trong GMPLS.

Phan Việt Anh, 12BKTTT1

ix


Luận văn cao học

Khôi phục mạng trong mạng GMPLS

Chương 2. Tổng quan về khôi phục mạng: trình bày tổng quát về các cơ chế
bảo vệ và phục hồi, các tính năng tìm đường sống sót, phát hiện lỗi và cảnh báo
trong hệ thống mạng và các cơ chế khôi phục mạng đơn lớp.
Chương 3. Khôi phục đa lớp trong mạng GMPLS: trình bày về các phương
pháp khôi phục mạng đa lớp trong hệ thống mạng IP-WDM dựa trên công nghệ
GMPLS.
Chương 4. Đánh giá hiệu năng khôi phục của mạng GMPLS: so sánh và
đánh giá hiệu năng của các cơ chế bảo vệ và khôi phục tích hợp đa lớp dựa trên
GMPLS với các cơ chế bảo vệ đơn lớp thông thường.

Phan Việt Anh, 12BKTTT1

x


Luận văn cao học

Khôi phục mạng trong mạng GMPLS

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN MẠCH
NHÃN ĐA GIAO THỨC TỔNG QUÁT GMPLS
Khi mạng Internet đang ngày càng trở nên quan trọng trong cuộc sống hiện
tại và ngày càng được mở rộng và phát triển, lưu lượng truyền tải trong hệ thống
mạng ngày càng tăng. Các nhà cung cấp dịch vụ đưa ra các giải pháp tăng dung
lượng kết nối nhưng vẫn không giải quyết được hiện tượng nghẽn mạng. Nguyên
nhân chủ yếu là do các lưu lượng thường được truyền tải vào một số các kết nối
nhất định trong khi một số kết nối khác không được sử dụng dẫn đến hiện tượng kết
nối bị quá tải. Đây là tình trạng phân bố tải không đồng đều và sử dụng lãng phí tài
nguyên mạng Internet.

Trong tình trạng này, yêu cầu cần thiết là nghiên cứu và phát triển một công
nghệ mới đáp ứng được nhu cầu truyền tải của hệ thống mạng, tránh hiện tượng
nghẽn mạng. Công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS được đưa ra đã đáp
ứng được yêu cầu trên, mang lại những lợi ích thiết thực, đánh dấu một bước phát
triển mới của mạng Internet trước xu thế tích hợp công nghệ thông tin và viễn
thông.
Tuy nhiên, với sự đa dạng của các loại chuyển mạch, công nghệ MPLS vẫn
bị hạn chế. Do vậy, công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức tổng quát GMPLS
đã được nghiên cứu và phát triển. Và GMPLS sẽ là xu hướng ứng dụng thực tế cho
toàn bộ hệ thống mạng trong tương lai. Trong chương này, ta sẽ nghiên cứu những
khái niệm cơ bản về MPLS cũng như GMPLS và sự phát triển công nghệ từ MPLS
lên GMPLS.
1.1. Tổng quan về chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS
1.1.1. Khái niệm MPLS
Multi Protocol Label Switching (MPLS) - chuyển mạch nhãn đa giao thức là
một công nghệ kết hợp đặc điểm tốt nhất giữa định tuyến lớp 3 và chuyển mạch lớp

Phan Việt Anh, 12BKTTT1

1


Luận văn cao học

Khôi phục mạng trong mạng GMPLS

2 cho phép chuyển tải các gói rất nhanh trong mạng lõi (Core) và định tuyến tốt ở
mạng biên (Edge) bằng cách dựa vào nhãn (Label).
MPLS được phát triển từ một số công nghệ chuyển mạch gói. Chuyển mạch
gói là quá trình chuyển tiếp các dữ liệu được đóng gói từ nguồn đến đích dựa trên

một số thông tin được gán với mỗi gói tin. Định tuyến IP truyền thống là một hình
thức chuyển mạch gói, mỗi gói tin sẽ mang địa chỉ IP được dùng để xác định các
chặng kế tiếp mà gói tin được chuyển đi thông qua việc tra cứu bảng định tuyến trên
các bộ định tuyến. Tuy nhiên định tuyến IP có tốc độ không cao và khả năng mở
rộng bị hạn chế, vì thế những giải pháp phát triển các dịch vụ bổ sung như kỹ thuật
lưu lượng hay những công nghệ tiên tiến hơn được tìm hiểu để áp dụng truyền các
gói dữ liệu đáp ứng được những yêu cầu cao hơn.
MPLS là một công nghệ chuyển tiếp dữ liệu sử dụng trong các mạng chuyển
mạch gói IP được phát triển bởi IETF. MPLS là một phương pháp cải tiến việc
chuyển tiếp gói trên mạng bằng các nhãn gắn với mỗi gói IP, giúp các bộ định tuyến
có thể định tuyến theo nội dung nhãn đơn giản hơn so với theo địa chỉ IP đích.
Đồng thời có rất nhiều các giao thức được mở rộng để cung cấp trình điều khiển
chuyển tiếp dữ liệu cho hệ thống mạng MPLS như các giao thức định tuyến, giao
thức báo hiệu và giao thức quản lý liên kết.
1.1.2. Đặc điểm của MPLS
Nguyên lý của MPLS là tất cả các gói IP sẽ được gắn nhãn và chuyển tiếp
theo một đường dẫn LSP (Label Switching Path). Các bộ định tuyến trên đường chỉ
dẫn căn cứ vào nội dung của nhãn để thực hiện quyết định chuyển tiếp gói mà
không cần kiểm tra tiêu đề IP (header).
Tại mỗi chặng trên mạng, gói tin được chuyển tiếp dựa trên giá trị của nhãn
vào và gửi đi với một giá trị nhãn mới. Nhãn được hoán đổi và dữ liệu được chuyển
đi dựa vào giá trị mới của nhãn. Trong mạng MPLS, các gói được gắn nhãn bằng

Phan Việt Anh, 12BKTTT1

2


Luận văn cao học

Khôi phục mạng trong mạng GMPLS

cách chèn một phần thông tin bổ sung vào giữa phần tiêu đề lớp 2 và phần tiêu đề
lớp 3. Thông tin đó được gọi là phần tiêu đề đệm (shim header).

Hình 1-1 Vị trí phần tiêu đề đệm trong gói dữ liệu

Hình 1-2 Cấu trúc phần tiêu đề đệm
Phần tiêu đề đệm MPLS mang một nhãn gồm 20 bit, được dùng để xác định
đường mà gói tin được chuyển đi. Mỗi nút mạng MPLS (là bộ định tuyến chuyển
mạch nhãn LSR) sẽ duy trì một bảng tìm kiếm dựa trên cơ sở thông tin chuyển tiếp
nhãn - LFIB cho phép xác định đường đi tiếp theo của các gói tin. Khi LSR nhận
được một gói tin, nó sẽ xác định gói tin đến từ cổng nào, có giá trị nhãn nào, sau đó
nó sẽ gán một nhãn mới và gói tin được chuyển đi theo cổng đã được xác định.
Đường đi trong mạng MPLS mà được xác định để chuyển tiếp gói tin gọi là đường
chuyển mạch nhãn LSP. Trong đường chuyển mạch nhãn, gói tin sẽ được chuyển
tiếp các giá trị nhãn ở các LSR dọc theo LSP thông qua các thủ tục hoán đổi nhãn.
Khi gói tin đã được dán nhãn ở phần khởi đầu của LSP (tại LSR đầu vào) thì đường
đi của nó đã được xác định, các ánh xạ trong các LFIB tại mỗi LSR cũng đã được
xác định trước. Vì thế sự phức tạp chỉ xảy ra ở đầu vào LSP, nơi mà các gói tin sẽ
được phân loại tùy theo đích đến hay theo các dịch vụ được cung cấp dựa vào phân
loại các ứng dụng hay việc yêu cầu chất lượng dịch vụ.

Phan Việt Anh, 12BKTTT1

3


Luận văn cao học

Khôi phục mạng trong mạng GMPLS

Hình 1-3 Đường chuyển mạch nhãn LSP
Hình 1-3 là một ví dụ về đường chuyển mạch nhãn LSP. Gói tin IP đi từ
ngoài mạng vào miền MPLS được Router 1 là LSR đầu vào gán nhãn có giá trị là 9
rồi chuyển tiếp đến Router 2. Router 2 dựa vào bảng chuyển tiếp nhãn để kiểm tra
và hoán đổi nhãn của gói tin. Nó thay giá trị nhãn mới là 7 và chuyển tiếp đến
Router 3. Việc kiểm tra ở Router 3 tương tự như ở Router 2, nhãn sẽ được hoán đổi
và gán nhãn mới có giá trị là 5, sau đó tiếp tục được đưa đến Router 4.
Router 4 là LSR đầu ra sẽ kiểm tra bảng chuyển tiếp nhãn và gỡ bỏ nhãn 5 ra
khỏi gói tin và định tuyến gói IP thông thường ra khỏi miền MPLS. Với cơ chế hoạt
động như trên, các LSR trung gian như Router 2 và 3 sẽ không phải kiểm tra tiêu đề
IP của gói tin mà chỉ cần xét các giá trị nhãn, so sánh với bảng chuyển tiếp nhãn và
thực hiện truyền gói tin. Do đó, tốc độ xử lý trong miền MPLS sẽ nhanh hơn rất
nhiều so với định tuyến IP thông thường. Tuyến đường từ Router 1 đến Router 4 là
đường chuyển mạch nhãn LSP.
1.2. Sự phát triển của chuyển mạch nhãn đa giao thức tổng quát GMPLS
1.2.1. Sự ra đời của GMPLS
GMPLS bắt đầu từ một giải pháp đưa ra mặt phẳng điều khiển cho mạng
truyền tải. Một phương pháp được đưa ra là tạo ra một tập các giao thức mới cho tất
Phan Việt Anh, 12BKTTT1

4


Luận văn cao học

Khôi phục mạng trong mạng GMPLS

cả mạng truyền tải. Ưu điểm nổi bật của phương pháp này sự tối ưu mặt phẳng điều

khiển cho mỗi tiêu chí mạng mang lại hiệu quả cao (chẳng hạn như một mặt phẳng
điều khiển được thiết kế cho các mạng quang sẽ có các cơ chế tập trung nhằm giảm
tối đa sự suy hao quang học). Nhưng phương pháp này cũng có một nhược điểm
lớn. Đó là các mặt phẳng điều khiển được thiết kế riêng sẽ mất nhiều thời gian và
chi phí để phát triển các bộ giao thức báo hiệu, định tuyến, các giao thức điều khiển
lưu lượng. Hơn nữa trên thực tế các yêu cầu dịch vụ luôn có xu hướng yêu cầu phân
tách mạng thành các kiểu khác nhau. Một số phần được xây dựng từ các bộ định
tuyến, một phần khác được xây dựng từ các thiết bị chuyển mạch. Do đó các dịch
vụ được cung cấp trên các mạng là không đồng nhất, nên rất khó khăn và phức tạp
để kiểm soát được mỗi mặt phẳng điều khiển riêng lẻ.
Hiện tại mạng WDM đang được phát triển nhanh chóng, các nhà cung cấp
dịch vụ đang nghiên cứu và đưa ra một mặt phẳng điều khiển thông minh cung cấp
các dịch vụ một cách đơn giản, giảm chi phí vận hành, và có khả năng mở rộng.
Chuyển mạch trong mạng WDM yêu cầu chuyển một bước sóng đầu vào trên một
cổng thành một bước sóng đầu ra trên một cổng khác, tương tự với nhãn MPLS.
Nhận thấy rằng các hoạt động chuyển mạch cơ bản trong mạng WDM rất giống về
mặt logic với hoạt động chuyển mạch trong thiết bị MPLS. Từ đó chuyển mạch
lamda đa giao thức MPλS được hình thành.
Chuyển mạch MPλS ban đầu được áp dụng như trong MPLS. Chúng làm
việc dựa trên cơ sở là: LFIB có thể được nhúng vào một thiết bị chuyển mạch vật lý
vì các thao tác kết nối chéo trong switch tương tự như trong LFIB.
Các kỹ thuật và thủ tục trong MPLS có thể làm việc trên các mạng không
đồng nhất và giải quyết được các vấn đề về kỹ thuật lưu lượng cho tất cả các loại
mạng truyền tải. Vì vậy, MPλS được mở rộng ra, không chỉ cho chuyển mạch
lamda, mà còn cho các công nghệ chuyển mạch sợi quang, chuyển mạch khe thời
gian. Các khái niệm đã được tổng quát hóa và hình thành nên MPLS tổng quátGMPLS.
Phan Việt Anh, 12BKTTT1

5

Luận văn cao học

Khôi phục mạng trong mạng GMPLS

1.2.2. Các khái niệm chính trong GMPLS
1.2.2.1 Nhãn tổng quát
Trong các mạng truyền tải thì các yếu tố vật lý chính là các mục tiêu có thể
thực hiện chuyển mạch. Ví dụ như trong mạng TDM thì chuyển mạch là các khe
thời gian, trong mạng WDM sẽ chuyển mạch các bước sóng... Do đó mỗi một nhãn
mà xác định một dòng dữ liệu có thể thực hiện chuyển mạch trong GMPLS thì nhãn
đó cũng chính là một yếu tố vật lý. Một cách chi tiết hơn, trong mạng TDM nhãn sẽ
xác định một khe thời gian cụ thể, trong mạng chuyển mạch lamda nhãn sẽ xác định
một bước sóng cụ thể và trong mạng chuyển mạch sợi quang thì nhãn sẽ xác định
một sợi quang hoặc một cổng cụ thể.

Hình 1-4 Các loại nhãn trong GMPLS

Phan Việt Anh, 12BKTTT1

6


Luận văn cao học

Khôi phục mạng trong mạng GMPLS

Như vậy đơn giản là nhãn tổng quát có thể biểu diễn cho một bước sóng đơn,
một sợi quang hay một khe thời gian. Nó cũng có thể là nhãn của mạng MPLS
truyền thống.

1.2.2.2 Các loại chuyển mạch
Loại chuyển mạch của một nút mạng sẽ xác định các đơn vị dữ liệu mà thiết
bị có thể quản lý và chuyển mạch, đó là cấp độ nút mạng tách tín hiệu dữ liệu từ
một cổng đến, chuyển mạch rồi gửi ra một cổng khác. Đối với bộ chuyển mạch gói
(PSC - packet switch capable), chúng có thể nhận dữ liệu trên một cổng Ethernet,
xác định gói trong luồng dữ liệu và thực hiện chuyển mạch đối với từng gói. Đối
với bộ chuyển mạch bước sóng (LSC - lambda switch capable), chúng có thể tách
các bước sóng từ một sợi quang, rồi chuyển mạch mỗi bước sóng đó theo một
đường định tuyến khác nhau. Với bộ chuyển mạch ghép kênh phân chia theo thời
gian (TDM – time division multiplex capable), chúng có thể nhận ra các khe thời
gian trong mỗi một bước sóng còn đối với bộ chuyển mạch sợi quang (FSC - fiber
switch capable), chúng có thể truyền dữ liệu theo vị trí của các cổng vật lý thực tế
của các sợi quang mà thông qua đó dữ liệu được truyền đi.
GMPLS đưa ra danh sách các loại chuyển mạch có thể được dán nhãn như
sau:
 Chuyển mạch gói (PSC): Cổng giao diện PSC có thể xác định được một gói
tin IP hoặc Cell và thực hiện nhiệm vụ truyền dữ liệu liên quan tới nội dung
của tiêu đề IP hoặc tiêu đề Cell. Một nhãn duy nhất sẽ được định nghĩa cho
mỗi chặng gắn với gói tin IP để tạo thành một LSP.
 Chuyển mạch khe thời gian (TDM): Chuyển mạch dựa trên các bộ ghép kênh
phân chia theo thời gian. Các cổng giao diện TDM được lặp lại theo chu kỳ
và thực hiện nhiệm vụ truyền dữ liệu theo khe thời gian. Trong lớp TDM của
hình 1-5, nhãn tương ứng với khe thời gian. Một ví dụ về cổng giao diện
TDM: có một cổng giao diện DXC mà trong đó đường TDM được hình

Phan Việt Anh, 12BKTTT1

7

Luận văn cao học

Khôi phục mạng trong mạng GMPLS

thành bằng cách kết nối các khe thời gian phía đầu vào hoán đổi với các khe
thời gian phía đầu ra. Liên kết này tương ứng với đường bước sóng hoặc đơn
giản là sợi quang.
 Chuyển mạch Lamda (LSC): Cổng giao diện LSC thực hiện nhiệm vụ truyền
dữ liệu theo bước sóng trong sợi quang. Trong lớp λ của hình 1-5, nhãn
tương ứng với bước sóng. Một ví cho cho cổng giao diện LSC: một cổng
giao diện OXC, trong đó đường λ được hình thành bởi kết nối các bước sóng
được gán ở đầu vào với một bước sóng được gán ở đầu ra. Giao diện OXC
với LSC thực hiện chuyển mạch theo bước sóng.
 Chuyển mạch sợi quang (FSC): Cổng giao diện FSC thực hiện nhiệm vụ
truyền dữ liệu theo vị trí của các cổng vật lý thực tế của các sợi quang mà
thông qua đó dữ liệu được truyền đi. Nhãn tương ứng với các sợi quang. Một
ví dụ cho cổng giao diện FSC: một cổng giao diện OXC trong đó đường dẫn
quang được hình thành bằng cách kết nối đầu vào và đầu ra của các sợi
quang tương ứng. Giao diện OXC với FSC thực hiện chuyển mạch bởi sợi
quang. Liên kết trong trường hợp này là tập hợp về mặt vật lý của các sợi
quang.
1.2.2.3 Băng thông sử dụng
Trong MPLS, băng thông có sẵn trên một liên kết có thể được chia sẻ một
cách bất kỳ giữa các đường LSP được sử dụng trên liên kết đó. Tuy nhiên, đối với
GMPLS, các đường LSP liên quan trực tiếp đến những yếu tố vật lý nên có sự khác
biệt lớn trong việc sử dụng băng thông. Băng thông chỉ có thể được chia sẻ theo khả
năng của các thiết bị chuyển mạch. Ví dụ một dịch vụ trên mạng chuyển mạch bước
sóng yêu cầu băng thông là 15Kb/s, mà trong đó dung lượng của toàn bộ kênh
lamda có thể là 3Gb/s, 10Gb/s, hay 40Gb/s sẽ được yêu cầu để sử dụng cho dịch vụ
đó. Điều này có nghĩa là chỉ một phần nhỏ của băng thông toàn bộ kênh lamda được

phân bố, cấp phát để sử dụng thực sự. Việc này gây ra sự lãng phí tài nguyên mạng
rất lớn trong bối cảnh việc sử dụng tài nguyên hợp lý đang rất cấp thiết như hiện

Phan Việt Anh, 12BKTTT1

8


Luận văn cao học

Khôi phục mạng trong mạng GMPLS

nay. Ngược lại đối với mạng chuyển mạch gói, các dịch vụ yêu cầu có thể sử dụng
vượt quá băng thông cho phép gây ra hiện tượng nghẽn mạng. Do đó, công nghệ
GMPLS đưa ra giải pháp LSP phân cấp, mô tả các chuyển tiếp lồng xếp nhau để
khắc phục các hạn chế này.
1.2.2.4 Đường chuyển mạch nhãn LSP phân cấp
Khái niệm đường chuyển mạch nhãn LSP trong GMPLS tương tự như ở
trong công nghệ MPLS. Tuy nhiên, công nghệ GMPLS đưa ra khái niệm đường
chuyển mạch nhãn LSP phân cấp. Như kiến trúc trong hình 1-5 PSC-LSP nằm trong
TDM-LSP và liên kết của PSC-LSP trở thành TDM-LSP. TDM-LSP nằm trong
LSC-LSP và liên kết TDM-LSP trở thành LSC-LSP. Cuối cùng LSC-LSP nằm
trong FSC-LSP và liên kết LSC-LSP trở thành FSC-LSP. Mỗi một lần di chuyển
LSP xuống các lớp thấp hơn thì băng thông của LSP trở lên lớn hơn.

Hình 1-5 Đường chuyển mạch LSP phân cấp
1.2.2.5 Mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu
Trong hệ thống chuyển mạch gói, các bản tin điều khiển có thể được gửi
thông qua các liên kết của gói dữ liệu. Do đó các kênh điều khiển và các kênh dữ
liệu có thể coi là đồng nhất. Tuy nhiên điều này không đúng trong hệ thống mạng

truyền tải. Các nút mạng truyền tải có thể chuyển tiếp một khối dữ liệu lớn với tốc
độ cao. Nguyên nhân là do các nút mạng truyền tải sẽ chuyển mạch toàn bộ khe thời
gian, bước sóng hay sợi quang, mà không bao gồm các gói tin riêng lẻ như trong
chuyển mạch gói. Do đó các bản tin điều khiển không thể được gửi đi thông qua các
Phan Việt Anh, 12BKTTT1

9


Luận văn cao học

Khôi phục mạng trong mạng GMPLS

kênh tương tự như các kênh dữ liệu. Nói cách khác là có sự phân tách giữa mặt
phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu.
Công nghệ được sử dụng trong mặt phẳng điều khiển dựa trên nền IP còn
công nghệ được sử dụng bởi mặt phẳng dữ liệu (hay mặt phẳng lưu lượng) có thể đa
dạng để bao hàm nhiều kiểu lưu lượng như (khe thời gian, lamda, gói…). Ngoài ra
mặt phẳng điều khiển còn được phân tách thành hai phần: phần định tuyến chứa các
giao thức định tuyến và phần báo hiệu chứa các giao thức báo hiệu.
Để các dịch vụ trao đổi được giữa các nút mạng với nhau thì phải thiết lập
đường chuyển mạch nhãn LSP giữa các nút này. Trong mạng GMPLS các quyết
định chuyển mạch cần phải được thực hiện không chỉ dựa trên phần tiêu đề của gói
mà còn căn cứ vào khe thời gian, bước sóng và các cổng giao diện vật lí.
1.2.2.6 Đường hầm LSP và các phân cấp GMPLS
Đường hầm LSP sử dụng các LSP phân cấp hỗ trợ việc xếp chồng nhãn dựa
trên các ngăn xếp nhãn. Tuy nhiên, các ngăn xếp nhãn chỉ hiệu quả khi các tiêu đề
được sử dụng để mã hóa các nhãn. Nghĩa là chúng chỉ có thể được sử dụng trong
các mạng gói, tế bào hoặc các mạng khung. Trong hệ thống mạng tích hợp, khái
niệm nhãn là không rõ ràng và liên quan trực tiếp với các yếu tố vật lý nên không

thể tạo ra một ngăn xếp nhãn. Ví dụ một mạng lamda, mặc dù về lý thuyết có thể
đóng gói tín hiệu từ một LSP lamda vào trong một LSP lamda khác, việc đóng gói
này chỉ có thể được thực hiện trên cơ sở một-một, và nó chỉ có thể xác định chính
xác lamda sử dụng cho LSP được đóng gói khi nó xuất hiện tại phía đầu ra của
đường hầm. Nghĩa là không có cơ chế để mã hóa thông tin với các dữ liệu.

Phan Việt Anh, 12BKTTT1

10


Luận văn cao học

Khôi phục mạng trong mạng GMPLS

Hình 1-6 Phân cấp các loại chuyển mạch
Tuy nhiên trong GMPLS có phân chia thành các loại chuyển mạch khác nhau
(chuyển mạch gói, TDM, lamda,...) Ta nhận thấy có sự phân cấp tự nhiên cho các
chuyển mạch dựa trên tính chất kết thành. Các LSP có thể lồng nhau theo sự phân
cấp này giống như các yếu tố vật lý được lồng nhau. Như hình 1-6, các lamda có thể
được lồng nhau trong sợi quang, các khe thời gian có thể lồng trong một lamda hay
các gói tin lồng nhau trong một khe thời gian. Hình thức phân cấp LSP (H-LSP) cho
phép tập hợp các đường hầm làm tăng lên khả năng điều khiển lưu lượng, và tăng
hơn nữa hiệu quả điều khiển băng thông trong các mạng truyền tải lõi, cũng như tạo
nên khả năng thống nhất các loại chuyển mạch để cung cấp kết nối đầu cuối đến đầu
cuối.
Trong GMPLS cần có các kỹ thuật khác nhau trong báo hiệu và định tuyến
để làm cho các LSP phân cấp trở nên hữu ích. Trong LSP phân cấp, một đường hầm
LSP được coi như có thể cung cấp kết nối điểm-điểm trên mạng nên các LSP có thể
được định tuyến thông qua đường hầm, và ngược lại kết hợp LSP sẽ đưa đến các

khái niệm vè H-LSP trong mạng chuyển mạch. Các kỹ thuât này sẽ được nghiên
cứu ở phần sau.

Phan Việt Anh, 12BKTTT1

11


Luận văn cao học

Khôi phục mạng trong mạng GMPLS

1.3. Định tuyến trong GMPLS
1.3.1. Chức năng định tuyến trong mạng GMPLS
Cũng như trong mạng IP truyền thống, định tuyến trong mạng GMPLS thực
hiện hai chức năng sau:
 Quảng bá thông tin về mô hình mạng: Các thông tin về mô hình mạng truyền
tài sẽ được quảng bá để tạo thành một tập hợp thông tin để trao đổi giữa các
LSR. Tuy nhiên, tập hợp các thông tin không hoàn toàn giống nhau đối với
toàn bộ các LSR trong mạng. Do mô hình mạng có thể được dựng lên theo
các khía cạnh khác nhau như kinh doanh, kĩ thuật hay địa lí để phục vụ các
mục đích khác nhau nên các LSR trong mạng cần phải được cung cấp đầy đủ
thông tin cần thiết để thực hiện việc chuyển tiếp dữ liệu theo các yêu cầu
khác nhau. Vấn đề cốt lõi của việc quảng bá thông tin mô hình mạng là giải
quyết được câu hỏi: thông tin nào cần được phân phối đến ai và bằng cách
nào để truyền thông tin này đi.
 Lựa chọn đường đi: Việc chọn đường MPLS là một tập các thủ tục tính toán
dựa trên các ràng buộc, thủ tục này cần phù hợp với các ràng buộc yêu cầu
kết nối. Giải thuật chọn đường ràng buộc về cơ bản như sau:
o Cắt bỏ các liên kết có lớp tài nguyên bị loại ra khỏi mô hình mạng.

o Tiếp theo là cắt bỏ các liên kết có băng thông dự trữ không đủ theo
yêu cầu.
o Thực hiện giải thuật tìm đường đi ngắn nhất (ví dụ thuật toán tìm
đường ngắn nhất Dijktra) để tìm đường có tổng chi phí nhỏ nhất trên
phần mạng còn lại sau khi đã cắt bỏ các liên kết không đạt yêu cầu.
o Sau khi thực hiện các bước nêu trên mà vẫn còn nhiều đường ứng cử
cho LSP (do các đường này có tổng chi phí bằng nhau) thì tiếp theo
đường sẽ được chọn theo tiêu chuẩn lần lượt là: đường có băng thông
tối thiểu cao nhất, đường có số chặng ngắn nhất và lựa chọn ngẫu
nhiên.
Phan Việt Anh, 12BKTTT1

12


Luận văn cao học

Khôi phục mạng trong mạng GMPLS

Bản chất của quá trình định tuyến là sự phân phối các thông tin để xác định
các LSP được thiết lập trên mạng như thế nào. Trong GMPLS sự phân phối thông
tin này dựa trên các mở rộng từ các giao thức IP. Một vấn đề quan trọng là hiện tại
sự phân phối thông tin kỹ thuật lưu lượng chỉ được thực hiện trong một miền định
tuyến IP với hai giao thức định tuyến IP là OSPF và IS-IS hỗ trợ lẫn nhau.
Trong mạng IP, định tuyến là quá trình xác định các chặng kế tiếp để cho
một gói tin IP tìm được đường đi tốt nhất đến đích, việc này được thực hiện bởi mỗi
một bộ định tuyến trong quá trình đưa các gói tin đi qua mạng thông qua việc tra
cứu thông tin trong bảng định tuyến. Các bảng định tuyến này có thể được cấu hình
thủ công hoặc được xây dựng bởi các giao thức định tuyến khác nhau.
Các giao thức định tuyến chính trong vùng định tuyến IP là hai giao thức

trạng thái liên kết (link-state) OSPF và IS-IS. Mỗi bộ định tuyến khi chạy giao thức
sẽ gửi các trạng thái đường liên kết của nó cho tất cả các bộ định tuyến ở trong
vùng. Sau một thời gian trao đổi, các bộ định tuyến sẽ đồng nhất được bảng cơ sở
dữ liệu trạng thái đường liên kết (Link State Database – LSDB) với nhau, mỗi bộ
định tuyến đều có được “bản đồ mạng” của cả vùng. Từ đó mỗi bộ định tuyến sẽ
chạy giải thuật Dijkstra tính toán ra một cây đường đi ngắn nhất (Shortest Path
Tree) và dựa vào cây này để xây dựng nên bảng định tuyến. Trong mạng, mỗi bộ
định tuyến chỉ quan tâm đến chặng kế tiếp trên đường đi ngắn nhất, do các bộ định
tuyến kế tiếp sẽ xác định thông tin như nó và cũng sẽ chuyển tiếp gói dữ liệu đến bộ
định tuyến tiếp theo.
Một ưu điểm nổi bật trong định tuyến GMPLS là kỹ thuật lưu lượng. Kỹ
thuật lưu lượng TE (Traffic Engineering) là quá trình điều khiển các luồng lưu
lượng theo các hướng đã được tính toán trước trong mạng sao cho tối ưu hoá việc
sử dụng tài nguyên và hiệu năng của mạng. Qua đó để các luồng lưu lượng có thể
giảm bớt tắc nghẽn và thỏa mãn yêu cầu về chất lượng dịch vụ. Trong định tuyến IP
thông thường các luồng lưu lượng thường dựa theo tiêu chí đường đi ngắn nhất để
định tuyến nên có xu hướng hội tụ vào các liên kết chính trong mạng.
Phan Việt Anh, 12BKTTT1

13