Định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM dựa trên kỹ thuật GMPLS

1

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin cảm ơn gia đình, người thân đã luôn bên cạnh trong những lúc khó
khăn nhất, là nguồn động lực lớn lao để tôi làm việc và học tập.
Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS. Bùi Trung Hiếu, công
tác tại Khoa Quốc tế và Đào tạo Sau Đại học, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn
Thông, đã luôn hướng dẫn tận tình trong quá trình làm luận văn. Đồng thời cũng xin
gửi lời cảm ơn tới bạn bè và đồng nghiệp đã động viên và hỗ trợ để tôi có thể hoàn
thành luận văn này.

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

MỤC LỤC

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

ADM

Add-Drop MultIPlexer

Bộ ghép kênh xen rẽ

ARIS

Aggregate Route-Based IP

Chuyển mạch IP theo phương pháp
tập hợp tuyến

AS

Autonomous System

Hệ thống tự động

ASE

Amplified Spontaneous

Phát xạ tự phát được khuyếch tán

Emission
ATM

Asynchronous Tranfer

Phương thức truyền tải không đồng

Mode

bộ

BGP

Boder Gateway Protocol

Giao thức định tuyến cổng miền

CLNP

Connectionless Network

Giao thức mạng phi kết nối


2

Protocol
CPU

Central Processor Unit

Bộ xử lý trung tâm

Constraint-Based routing

Giao thức phân bố nhãn được định

Label Distribution protocol

tuyến dựa trên ràng buộc

CSR

Cell Siwtching Router

Bộ định tuyến chuyển mạch tế bào

DCN

Data Communication

Mạng tuyền dẫn số liệu

CR-LDP

Network
DLCI
DLE

Data Link Connection

Nhận dạng kết nối lớp liên kết dữ

Identifier

liệu

Dynamic Luồng quang

Thiết lập luồng quang động

Establishment
DWDM

Dense Wavelength

Ghép kênh phân chia theo bước sóng

Division MultIPlexing

mật độ cao (40 hoặc 80 λ trên một
sợi quang)

ER
ERB

Explicit Router

Định tuyến tường minh

Explicit Router Information Cơ sở thông tin của định tuyến
Base

ERO

Explicit Router Object

Đối tượng của định tuyến

FSC

Fiber Switch Capable

Khả năng chuyển mạch quang

FEC

Forwarding Equivalence

Lớp chuyển tiếp tương đương

Class
GMPLS

Generalized Multi Protocol

Chuyển mạch nhãn đa giao thức tổng

Label Switching

quát

International Engineering

Tổi chức tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế

Task Force

cho internet

IGP

Interior Gateway Protocol

Giao thức định tuyến trong miền

ILP

Integer Linear Program

Quy hoạch tuyên tính nguyên

Internet Protocol

Giao thức liên mạng

Interface Switching

Bộ mô tả khả năng chuyển mạch giao

Capability DescrIPtor

diện

IETF

IP
ISCD


3

IS-IS

Intermediate System to

Giao thức định tuyến IS-IS

Intermediatet System
IS-IS-TE

Intermediate System to

Giao thức định tuyến IS-IS có kỹ

Intermediate Traffic

thuật lưu lượng

Engineering
LDP

Label Distribution Protocol

Giao thức phân bố nhãn

LMP

Link Management Protocol

Giao thức quản lý kênh

LSA

Link State Advertisement

Bản tin quảng bá trạng thái liên kết

LSC

Lambda Switch Capable

Khả năng chuyển mạch bước sóng

LSP

Label Switching Path

Đường chuyển mạch nhãn

LSR

Label Switching Router

Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn

Multi Protocol Label

Chuyển mạch nhãn đa giao thức

MPLS

Switching

NGN
NP

Next Generation Network

Mạng thế hệ sau

Subnet op class NP

Tập hợp con của lớp các bài toán NP

problems Complete

mà nó được xem rất khó giải

NHLFE

Next Hop Label Forwarding Entry

NHRP

Next Hop Label Protocol

NLRI

Network Layer Rechability Information

NMS

Network management

Hệ thống quản lý mạng

System
OSPF

Open Shortest path First

Giao thức định tuyến OSPF

OSPF-TE

Open Shortest path Fisrt

Giao thức định tuyến OSPF có kỹ

Traffic Engineering

thuật lưu lượng

OXC

Optical Cross-Connect

Đấu nối chéo quang

PMD

Polarization Mode

Tán sắc phân cực mốt

Dispersion
PPP

Point To Point Protocol

Giao thức điểm-điểm

RIP

Realtime Internet Protocol

Giao thức báo hiệu IP thời gian thực

Wavelength Resvation

Giao thức đặt trƣớc tài nguyên

RSVP


4

Protocol
RSVP-TE

Wavelength Resvation

Giao thức đặt trước tài nguyên có kỹ

Protocol Traffic

thuật lưu lượng

Engineering
RWA

Routing and Wavelength

Định tuyến và gán bước sóng

Assignment
SDH

Synchronous Digital

Phân cấp truyền dẫn số đồng bộ

Hierarchy
SLE

Static Luồng quang

Thiết lập luồng quang tĩnh

Establishment
SONET

Synchronous Optical

Mạng quang đồng bộ

Network
TCP

Transport Control Protocol

Giao thức điều khiển truyền tải

TE

Traffic Engineering

Kỹ thuật lưu lượng

TED

Traffic Engineering

Cơ sở dữ liệu kỹ thuật lưu lượng

DataBase
TDM

Time Division MultIPlexer

Ghép kênh phân chia theo thời gian

TVL

Type Length Value

Giá trị chiều dài tuyến (số nút)

TWA

Total Wavelength and

Tổng số bước sóng và bƣớc sóng có

Available

thể sử dụng

UDP

User Data Protocol

Giao thức dữ liệu người sử dụng

UNI

User Network Interface

Giao diện mạng- người sử dụng

VCI

Virtual Circuit Identifier

Trường nhận dạng kênh ảo

WCC

Wavelength Continuity

Ràng buộc bước sóng liên tục

Constraint
WRN

Wavelength Routed

Mạng định tuyến bước sóng

Network
LAN

Local Area Network

Mạng nội bộ

PNNI

Private Network-Network

Giao diện mạng đến mạng riêng

Interface protocol

5

DANH MỤC HÌNH VẼ
ST

Nội dung

T

Trang

1.1

Định dạng nhãn MPLS

6

1.2

Cơ cấu báo hiệu

9

1.3

Vùng hoạt động của LDP

10

1.4

Trao đổi thông điệp LDP

11

1.5

Thiết lập LSP trong giao thức RSVP

13

2.1

Yêu cầu thiết lập kết nối và đồ thị chuyển đổi tương ứng

29

2.2

Yêu cầu kết nối cho ví dụ minh họa

30

2.3

Đồ thị chuyển đổi từ tập yêu cầu kết nối

30

2.4

Minh họa thuật toán Largest-First

31

2.5

Đường đi ngắn nhất cố định từ nút 0 đến nút 2

34

2.6

Đường đi chính thức (liền nét) và đường thay thế (nét gạch) từ
nút 0 đến nút 2

37

2.7

Bảng khoảng cách của nút nguồn E

39

2.8

Minh họa định tuyến luân phiên

40

2.9

Minh họa định tuyến chuyển hướng

42

2.10

Các bước sóng được gán bởi giải thuật First-Fit

44

2.11

Trạng thái sử dụng bước sóng hiện thời của đường đi

45

2.12

Ví dụ minh họa cho giải thuật Max-Sum

48

3.1

Cấu trúc bộ định tuyến Hikari với TE đa lớp trên giám sát lưu
lượng IP

72

4.1

Luồng các sự kiện cho file Tcl chạy trong NS

76

4.2

Cấu trúc mạng mô phỏng

78

4.3

Luồng dữ liệu được gửi trong quá trình thực hiện mô phỏng

80

4.4

Hiện thực hoá mô hình trong NS-2

81

4.5

Quá trình gửi các bản tin dò đường

82

4.6

Node 0 gửi thông tin tới node 10 thông qua nút 1-2-9

82

4.7

Kết quả mô phỏng định tuyến

83


6

4.8

Dữ liệu truyền khi thực hiện mô phỏng

84

4.9

Kết quả mô phỏng thể hiện thông lượng trên mỗi bước sóng

84

4.10

Xuất bảng cho thấy tỷ lệ mất gói bằng 0

85

4.11

Hiệu quả sử dụng bước sóng trong mỗi đường truyền

86

DANH MỤC BẢNG BIỂU
STT

Nội dung

Trang

Bảng 1.1

Chức năng thực hiện trong GMPLS

15

Bảng 1.2

Các giao thức và các mở rộng của GMPLS

16

Bảng 2.1

Ma trận D trong ví dụ cho giải thuật Min-Product

46

Bảng 2.2

Tổn thất dung lượng tổng cộng trong giải thuật M∑

49

Bảng 2.3

Tổn thất dung lượng tương đối trong giải thuật RCL

50


7


8

MỞ ĐẦU
Hệ thống thông tin quang ra đời cùng với những ưu điểm vượt trội của
nó đã và đang được áp dụng rộng rãi trên mạng lưới thông tin toàn cầu. Hiện
nay, các hệ thống thông tin quang truyền dẫn tất cả các tín hiệu dịch vụ băng
hẹp, băng rộng đáp ứng yêu cầu của mạng số tích hợp dịch vụ ISDN. Vì thế, hệ

thống thông tin quang sẽ là mũi đột phá về tốc độ truyền dẫn và cấu hình linh hoạt
cho các dịch vụ viễn thông cấp cao.
Ðối với hệ thống thông tin quang, môi trường truyền dẫn chính là sợi quang,
nó thực hiện truyền ánh sáng mang tín hiệu thông tin từ phía phát tới phía thu. Ðịnh
tuyến và gán bước sóng trở thành chức năng không thể thiếu được trong mạng
quang WDM. Vấn đề đặt ra là định tuyến đường đi cho ánh sáng và gán bước sóng
cho nó trên mỗi tuyến như thế nào để đạt được một mạng tối ưu.
Trong quá trình học tập tại Học Việc Công nghệ Bưu chính Viễn thông, dưới
sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS Bùi Trung Hiếu, tôi đã thực hiện luận văn tốt
nghiệp cao học khóa 2014-2015 với tiêu đề “Định tuyến và gán bước sóng trong
mạng quang WDM dựa trên kỹ thuật GMPLS” nhằm đáp ứng một số yêu cầu để
đạt được một mạng tối ưu bằng việc định tuyến đường đi cho ánh sáng và gán bước
sóng cho nó trên mỗi tuyến đường đi.
Ngoài phần mở đầu và kết luận thì luận văn được viết thành bốn chương
chính bao gồm:

Chương 1: Tổng quan về công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức
MPLS và GMPLS
Chương này trình bày các công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS
và GMPLS. Qua đó, ta cũng thấy được công nghệ GMPLS với những cải tiến và
đạt được nhiều thuận lợi hơn so với MPLS.
1.1. Giới

thiệu

1.2. Công

nghệ MPLS

9

1.3. Công

nghệ GMPLS
Kết luận

1.4.

Chương 2: Kỹ thuật định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang
WDM
Chương này đã đưa ra các kỹ thuật định tuyến và gán bước sóng dựa trên bài
toán RWA là một bài toán rất phức tạp. Trong thời điểm bùng nổ lưu lượng ngày
nay việc định tuyến và gán bước sóng lại càng trở nên đặc biệt quang trọng, vì nó
thể hiện được sự tối ưu của hệ thồng mạng.

2.1.

Các dạng bài toán

2.2.

Bài toán định tuyến và gán bước sóng tĩnh (SLE)
2.2.1. Bài toán định tuyến tĩnh (S-RWA)
2.2.2. Thuật toán gán bước sóng

Bài toán định tuyến và gán bước sóng động (DLE)

2.3.

2.3.1. Bài toán định tuyến động (D-RWA)
2.3.2. Thuật toán gán bước sóng

Kết luận

2.4.

Chương 3: Phương pháp định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang
WDM dựa trên kỹ thuật GMPLS
Chương này chỉ ra rằng định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang
WDM dựa trên kỹ thuật GMPLS là giải pháp rất tốt cho mạng thế hệ sau. Trong
GMPLS, nhãn MPLS được tổng quát hoá để có thể mã hoá được thời gian, bước
sóng, hoặc nhận dạng không gian.
3.1.

Định tuyến trong GMPLS

3.2.

Gán bước sóng trong GMPLS

3.3.

Kết luận


10

Chương 4: Mô phỏng bài toán định tuyến và gán bước sóng
Chương này dựa trên kết quả các chương trước để lựa chọn và tiến hành mô

phỏng để kiểm nghiệm và đánh giá. Trong chương này, trình bày vấn đề về mô
phỏng và kết quả, nhận xét về kết quả thu được từ mô phỏng.
4.1.

Giới thiệu về chương trình mô phỏng

4.2.

Mô tả chương trình mô phỏng

4.3.

Trình bày kết quả mô phỏng: đánh giá những tác động của các tham số mô
phỏng đến hiệu năng của quá trình mô phỏng.

4.4.

Nhận xét và đánh giá các đặc tính, tham số của quá trình mô phỏng.

4.5.

Kết luận

Kết luận chung và hướng mở của đề tài
1. Hướng mở của đề tài
2. Kết luận chung

Chương I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH
NHÃN ĐA GIAO THỨC MPLS VÀ GMPLS
Ngày nay với sự phát triển bùng nổ của Internet, di động và các dịch vụ

truyền số liệu thì mạng truyền tải quang càng ngày càng được mở rộng nhằm đáp
ứng nhu cầu của người sử dụng. Nhằm mục đích cung cấp băng thông cho khách
hàng một cách linh hoạt, hiệu quả và đáp ứng cam kết về chất lượng dịch vụ. Điều
đó đòi hỏi sự điều khiển nhằm kết hợp linh động mạng IP và mạng truyền dẫn
quang.
Công nghệ MPLS đã chứng minh được tính ứng dụng thực tiễn với các tính
năng vượt trội của nó so với các công nghệ chuyển mạch truyền thống khác như
ATM. MPLS là kết quả phát triển của công nghệ chuyển mạch IP sử dụng cơ chế
hoán đổi nhãn như ATM để tăng tốc độ truyền gói tin mà không cần thay đổi các
giao thức định tuyến của IP. MPLS tách chức năng của IP thành hai phần riêng biệt:


11

chuyển gói tin và điều khiển. Bên cạnh đó, MPLS cũng hỗ trợ việc quản lý dễ dàng
hơn.
Xu hướng phát triển mạng hướng tới một kiến trúc mạng đơn giản và hiệu
quả, trong đó lớp truyền tải là một mạng toàn quang với giải pháp truyền tải là IP
trên quang. Một thành phần không thể thiếu trong mạng toàn quang đó là thành
phần quản lý và điều khiển quang.Vì vậy công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức
tổng quát GMPLS (Generalized Multiprotocol Label Switching), công nghệ phát
triển từ công nghệ MPLS (Multiprotocol Label Switching) nhằm hướng tới mảng
điều khiển quang cho mạng quang. GMPLS tập hợp các tiêu chuẩn với một giao
thức báo hiệu chung cho phép phối hợp hoạt động, trao đổi thông tin giữa lớp
truyền tải và lớp số liệu [1]. Nó mở rộng khả năng định tuyến lớp số liệu đến mạng
quang. GMPLS có thể cho phép mạng truyền tải và mạng số liệu hoạt động như một
mạng đồng nhất.
Điều này hứa hẹn khả năng tạo ra một mạng đơn giản về quản lý, cho phép
cung cấp các kết nối từ đầu tới cuối, quản lý tài nguyên mạng một cách hoàn toàn tự
động và cung cấp các mức chất lượng dịch vụ (QoS) khác nhau trên các ứng dụng

mạng.

1.1. Công nghệ MPLS
Công nghệ MPLS (Multi Protocol Label Switching – Chuyển mạch nhãn đa
giao thức) là kết quả phát triển của nhiều biện pháp chuyển mạch IP sử dụng cơ chế
hoán đổi nhãn như của ATM để tăng tốc độ truyền gói tin mà không cần thay đổi
các giao thức định tuyến IP [2].
Ưu điểm:
Đơn giản hóa chức năng chuyển tiếp: MPLS sử dụng cơ chế chuyển tiếp dựa
vào nhãn có độ dài cố định nên quyết định chuyển tiếp có thể xác định ngay chi với
một lần tra cứu bảng LFIB.
Khả năng mở rộng: chuyển mạch nhãn cung cấp sự tách biệt toàn diện hơn
giữa định tuyến liên miền và định tuyến nội miền, điều này cải thiện khả năng mở
rộng của các tiến trình định tuyến.
Nhược điểm:


12

Hỗ trợ đồng thời nhiều giao thức sẽ gặp phải những vấn đề phức tạp trong
kết nối, khó hỗ trợ QoS xuyên suốt. Chèn thêm nhãn vào gói tin sẽ tăng thêm lưu
lượng truyền tải trên mạng.

1.1.1. Các khái niệm cơ bản
1.1.1.1.Nhãn (Lable)
Nhãn là một thực thể có độ dài ngắn và cố định không có cấu trúc bên trong.
Nhãn không trực tiếp mã hoá thông tin của mào đầu lớp mạng như địa chỉ mạng [2].
Nhãn được gắn vào một gói tin cụ thể sẽ đại diện cho một FEC (Forwarding
Equivalence Classes: Các lớp chuyển tiếp tương đương) mà gói tin được ấn định.
Thường thì một gói tin được ấn định một FEC (hoàn toàn hoặc một phần) dựa trên

địa chỉ đích lớp mạng của nó. Tuy nhiên nhãn không phải là mã hoá của địa chỉ đó.
Dạng của nhãn phụ thuộc vào phương thức truyền tin mà gói tin được đóng
gói.
Kiểu khung (Frame mode): Kiểu khung là thuật ngữ khi chuyển tiếp một gói
nhãn gán trước tiêu đề lớp ba. Một nhãn được mã hoá với 20 bit, nghĩa là có thể có
2 mũ 20 giá trị khác nhau. Một gói có nhiều nhãn gọi là chồng nhãn (Lable stack).
Ở mỗi chặng trong mạng chỉ có một nhãn bên ngoài được xem xét:

Mào đầu tầng truyền dẫnNhãn
(layerMPLS
Mào
2) đầu tầng mạng (layer 3) Phần dữ liệu khác

Nhãn (Label)
20 bits

Exp.bi
3 bits

Hình 1.1: Định dạng nhãn MPLS [2]

LABLE=20 bits
EXP (EXPERIMENTAL)=3 bits
BS (BOTTOM OF STACK)=1 bit
TTL (TIME TO LIVE)=8 bits

BS
1 bit

TTL

8 bits


13

Trong đó:
Trường Label: Có độ dài 20 bit, đây chính là giá trị nhãn.
Trường Exp (Experimental): Có độ dài 3 bit dùng cho mục đích dự trữ
nghiên cứu và phân chia lớp dịch vụ (CoS - Class Of Service).
Trường BoS (hay S): Có độ dài 1 bit, dùng chỉ định nhãn cuối cùng của một
ngăn xếp nhãn (Label Stack). Với nhãn cuối cùng, BoS=1 hay S=1.
Trường TTL (Time To Live): Có độ dài 8 bít, xác định thời gian tồn tại của
gói tin tính bằng giây.
Vị trí của nhãn trong gói tin mào đầu MPLS là nằm giữa layer 2 và layer 3
mào đầu nên thường được gọi là mào đầu Shim.

1.1.1.2.Ngăn xếp nhãn (Lable stack)
Là một tập hợp thứ tự các nhãn gán theo gói để chuyển tải thông tin về nhiều
FEC (lớp chuyển tiếp tương đương) và về các LSP (đường chuyển mạch nhãn)
tương ứng mà gói đi qua. Ngăn xếp nhãn cho phép MPLS hỗ trợ định tuyến phân
cấp (một nhãn cho EGP và một nhãn cho IGP) và tổ chức đa LSP trong một trung
kế LSP. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho chế độ hoạt động đường hầm.

1.1.1.3.Cơ sở thông tin nhãn (LIB - Label Information Base)
Cơ sở thông tin nhãn là một bảng được duy trì tại mỗi nút LSR. Bảng này
cùng với LFIB lưu trữ các thông tin phục vụ cho việc phân loại gói tin vào các FEC,
gán nhãn cho các gói tin xác định đường đi LSPs cho các FEC xuyên qua mạng.
Đồng thời, LIB cũng được sử dụng để xây dựng, cập nhật thông tin trong LFIB nằm
trong vùng chuyển tiếp phuc vụ cho việc chuyển tiếp gói tin. LIB chứa thông tin
nhãn được gán tại mỗi nút LSR và các nhãn nhận được từ các nút liền kề giúp cho

việc ánh xạ đến các nút lân cận. Các giao thức phân phối nhãn chịu trách nhiệm
khởi tạo, cập nhật thông tin trong LIB, LFIB và lan truyền nhãn giữa các LSR [1].

1.1.1.4.

Cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn (LFIB-Label Fowarding Information Base)
Cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn hay bảng chuyển tiếp nhãn là một bảng
gồm một hay nhiều hàng được lưu trữ trong vùng chuyển tiếp.

1.1.1.5.Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn (LSR-Lable Switching Router)
Là thiết bị hay node mạng thực thi việc điều khiển và chuyển tiếp các gói tin
trong mạng MPLS bao gồm cả gói tin được gán nhãn và các gói tin không được gán


14

nhãn. Đối với việc chuyển tiếp các gói tin có nhãn, việc điều khiển và chuyển tiếp
các gói tin dựa vào thông tin tại mỗi nút và nhãn đính kèm trên các gói tin. Dựa vào
chức năng và vị trí có thể chia LSR thành các loại: LSR biên, LSR chuyển tiếp.

1.1.1.6.Lớp chuyển tiếp tương đương (FEC-Forward Equivalence Class)
FEC là một nhóm các gói, nhóm các gói này chia sẻ cùng yêu cầu trong sự
chuyển tiếp chúng qua mạng. Tất cả các gói trong một nhóm như vậy được cung
cấp cùng cách chọn đường tới đích. Khác với chuyển tiếp IP truyền thống, trong
MPLS việc gán một gói cụ thể vào một FEC cụ thể chỉ được thực hiện một lần khi
các gói vào trong mạng. MPLS không ra quyết định chuyển tiếp với mỗi datagram
lớp 3 mà sử dụng khái niệm FEC. FEC phụ thuộc vào một số các yếu tố, ít nhất là
phụ thuộc vào địa chỉ IP và có thể là phụ thuộc cả vào kiểu lưu lượng trong
datagram (thoại, dữ liệu, fax…).

1.1.1.7.Đường chuyển mạch nhãn (LSP-Lable Switching Path)
Là tuyến tạo ra từ đầu vào đến đầu ra của mạng MPLS dùng để chuyển tiếp
gói của một FEC nào đó sử dụng cơ chế hoán đổi nhãn. Các tuyến chuyển mạch
nhãn chứa một chuỗi các nhãn tại tất cả các nút dọc theo tuyến từ nguồn tới đích.
LSP được thiết lập trước khi truyền dữ liệu hoặc trong khi xác định luồng dữ liệu
nào đó. Các nhãn được phân phối bằng các giao thức như LDP, RSVP.

1.1.1.8.Gói tin dán nhãn
Gói tin dán nhãn là gói tin mà nhãn được mã hóa trong đó. Trong một số
trường hợp, nhãn nằm trong mào đầu của gói tin dành riêng cho mục đích dán nhãn.
Trong các trường hợp khác, nhãn có thể được đặt chung vào trong mào đầu lớp
mạng và lớp liên kết dữ liệu miễn là ở đây có thể dùng được cho mục đích dán
nhãn. Công nghệ mã hoá được sử dụng phải phù hợp với cả thực thể mã hoá và thực
thể giải mã nhãn.

1.1.1.9.Ấn định và phân phối nhãn
Trong mạng MPLS, quyết định để kết hợp một nhãn L cụ thể với một FEC
(ký hiệu là F) là do LSR phía trước thực hiện. LSR phía trước sau khi kết hợp sẽ
thông báo với LSR phía sau về sự kết hợp đó. Do vậy, các nhãn được LSR phía
trước ấn định và các kết hợp nhãn được phân phối theo hướng từ LSR phía trước tới
LSR phía sau [2].


15

1.1.1.10.Cơ cấu báo hiệu
-

Yêu cầu nhãn: Một LSR yêu cầu một nhãn từ luồng xuống lân cận nên nó có
thể liên kết đến FEC xác định. Cơ cấu này có thể dùng để truyền đến các LSR

tiếp theo cho đến LER lối ra.

-

Đáp ứng nhãn: Để đáp ứng một yêu cầu nhãn, LSR luồng xuống sẽ gửi một
nhãn đến các bộ khởi động luồng lên sử dụng cơ cấu ánh xạ nhãn.

Hình 1.2: Cơ cấu báo hiệu [1]

1.1.2. Thành phần cơ bản của MPLS
-

LSR Label Swich Route: Là thiết bị bộ định tuyến hoặc chuyển mạch sử dụng trong
mạng MPLS để chuyển các gói tin bằng thủ tục phân phối nhãn.

-

Căn cứ vào chức năng của LSR có thể phân thành các loại chính sau:
Loại LSR

Chức năng thực hiện

LSR

Chuyển tiếp thông tin trong phạm vi mạng MPLS bằng thủ tục
phân phối nhãn.

LSR biên

ATM-LSR

Nhận gói IP, kiểm tra tại lớp 3 và đặt vào ngăn xếp nhãn trước
khi gửi gói vào mạng LSR.(Ingress: lối vào)
Nhận gói tin có nhãn, loại bỏ nhãn, kiểm tra tại lớp 3 và chuyển
tiếp gói IP đến nút tiếp theo.(Egress: lối ra)
Sử dụng giao thức MPLS trong mảng điều khiển để thiết lập
kênh ảo ATM. Chuyển tiếp tế bào đến nút ATM-LSR tiếp theo.


16

ATM-LSR biên

Nhận gói có nhãn hoặc không nhãn, phân vào các tế bào ATM
và gửi các tế bào đến nút ATM-LSR tiếp theo.
Nhận các tế bào ATM từ ATM-LSR cận kề, tái tạo các gói từ tế
bào ATM và chuyển tiếp gói có nhãn hoặc không nhãn.

Các giao thức sử dụng trong MPLS
Tham gia vào quá trình truyền thông tin trong mạng MPLS có một số giao
thức như LDP, RSVP, CR-LDP, MPLS-BGP. Các giao thức như RIP, OSPF sử
dụng trong mạng định tuyến các gói IP sẽ không được đề cập đến ở phần này.

1.1.2.1.Giao thức LDP (Lable Distribution Prtocol)
LDP được chuẩn hoá trong RFC 3036, nó được thiết kế để thiết lập và duy trì
các LSP định tuyến không ràng buộc (unconstraint routing). Vùng hoạt động của
LSP có thể là giữa các LSR lân cận (neighbor) trực tiếp hoặc gián tiếp.

Hình 1.3 : Vùng hoạt động của LDP [2]
•

Hoạt động của LDP
LDP có 4 chức năng chính là phát hiện LSR lân cận (Neighbor discovery),

thiết lập và duy trì phiên, quảng bá nhãn (label advertisement)và thông báo
(Notification). Tương tự với các chức năng trên, có 4 lớp thông điệp LDP sau đây:
 Discovery: Để trao đổi định kỳ bản tin Hello nhằm thông báo và kiểm tra
một LSR kết nối gián tiếp hoặc trực tiếp.
 Session : Để thiết lập, thương lượng các thông số cho việc khởi tạo, duy
trì và chấm dứt các phiên ngang hàng LDP. Nhóm này bao gồm các bản
tin Initialization, KeepAlive.


17

 Advertisement : Để tạo ra, thay đổi hoặc xoá các ánh xạ FEC tới nhãn.

Nhóm nàybao gồm bản tin Label Mapping, Label Withdrawal, Label
Release, Label Request, Label Request Abort.
 Notification : Để truyền đạt thông tin trạng thái, lỗi hoặc cảnh báo.

Các thông điệp Discovery được trao đổi trên UDP. Các kiểu thông điệp còn
lại đòi hỏi phân phát tin cậy nên dùng TCP. Trường hợp hai LSR có kết nối lớp 2
trực tiếp thì thủ tục phát hiện LSR lân cận trực tiếp như sau:
 MộtLSR định kỳ gửi đi bản tin Hello tới các cổng UDP 646 địa chỉ
multicast (tất cả các router trong subnet).
 Tất cả các LSR tiếp nhận bản tin Hello này trên cổng UDP. Đến một thời

điểm nào đó LSR sẽ biết được tất cả các LSR khác mà nó có thể kết nối
trực tiếp.

 Khi LSR nhận biết được địa chỉ của LSR khác bằng cơ chế này thì nó sẽ

thiếp lập kết nối TCP đến LSR đó. Khi đó phiên LDP được thiếp lập giữa
2 LSR.
 Phiên LDP là phiên song hướng nên mỗi LSR ở hai đầu kết nối đều có
thể yêu cầu và gửi liên kết nhãn.

Hình 1.4: Trao đổi thông điệp LDP [6]

Trong trường hợp hai LSR không có kết nối 2 lớp trực tiếp (neighbor gián
tiếp) thì LSR định kỳ gửi bản tin Hello đến cổng UDP đã biết tại địa chỉ IP xác định
được khai báo khi lập cấu hình. Đầu nhận bản tin này có thể trả lời lại bằng bản tin
Hello khác và việc thiết lập các phiên LDP được thực hiện như trên.

1.1.2.2.Giao thức CR-LDP (Constrain-based Routing LDP)


18

Giao thức CR-LSP là sự mở rộng của giao thức phân phối nhãn LDP. Giao
thức CR-LDP cho phép thiết lập các đường chuyển mạch nhãn CR-LSP hỗ trợ kỹ
thuật lưu lượng và theo yêu cầu đảm bảo chất lượng dịch vụ. Cũng giống như giao
thức LDP, nó sử dụng phiên TCP giữa LSR đồng cấp để gửi các bản tin phân phối
nhãn. Sự khác nhau cơ bản giữa CR-LDP và LDP là giao thức LDP chỉ đơn thuần là
giao thức sử dụng để lan truyền nhãn và thiết lập LSP mà không cung cấp việc thiết
lập LSP dựa trên ràng buộc hay nói đúng hơn là LDP không được thiết kế để hỗ trợ
kỹ thuật lưu lượng.
CR-LSP là đường chuyển mạch nhãn được thiết lập bởi giao thức CR-LDP.
Việc thiết lập đường chuyển mạc nhãn CR-LSP sử dụng chế độ gán nhãn theo yêu
cầu phía trước với phương thức điều khiển thứ tự. CR-LSP được xác định theo thuật

toán tìm đường ngắn nhất và có tính đến các yếu tố ràng buộc như băng thông trên
các liên kết, độ ưu tiên và các yêu cầu về mặt quản trị. CR-LSP cho phép cung cấp
kỹ thuật lưu lượng và đảm bảo chất lượng dịch vụ. CR-LSP không yêu cầu làm tươi
và có thể gán độ ưu tiên khác nhau.

1.1.2.3.Giao thức RSVP và RSVP-TE (RSVP - Traffic Engineering)
 Giao thức RSVP

RSVP là giao thức báo hiệu đóng vai trò quan trọng trong mạng MPLS.
RSVP cho phép các ứng dụng thông báo các yêu cầu về QoS với mạng và mạng sẽ
đáp ứng bằng những thông báo thành công hay thất bại. Khác với LDP, RSVP thực
hiện việc thông báo và yêu cầu việc dành sẵn tài nguyên cho LSP được thiết lập.
Việc thiết lập LSP dựa vào phương thức điều khiển thứ tự, nghĩa LSR biên vào yêu
cầu, LSR biên ra xem xét gán nhãn và trả lời yêu cầu [3]. Chú ý rằng các bản tin
được nhận và chuyển tiếp bởi tất cả các bộ định tuyến dọc theo đường truyền thông
tin, nên việc cấp phát tài nguyên có thể thực hiện tại các nút mạng cần thiết. Theo
cách này, cho phép LSP được thiết lập chính xác theo yêu cầu từ phía nguồn và
được gọi là định tuyến nguồn, tức là dựa vào yêu cầu đến LSR lối vào sẽ thiết lập
LSP phù hợp để đáp ứng. Định tuyến từ phía nguồn sử dụng thuật toán tìm đường đi
ngắn nhất và kèm theo một số điều kiện ràng buộc như là yêu cầu về lưu lượng hay


19

quản trị. RSVP sử dụng giao thức UDP để trao đổi thông tin, do đó không yêu cầu
thiết lập phiên TCP.
Các đặc trưng của giao thức RSVP:
 Giao thức RSVP hỗ trợ các ứng dụng đơn hướng cũng như đa hướng nhờ khả

năng tự động thay đổi thành viên của nhóm cũng như thay đổi tuyến đường.

 RSVP là hệ đơn công nghĩa là thực hiện việc dự trữ luông dữ liệu theo hướng
duy nhất.
 Nơi nhận sẽ tạo ra và duy trì tài nguyên dành riêng để sử dụng cho luồng dữ

liệu.
 RSVP là giao thức trạng thái mềm nghĩa là nó sẽ tự động hết hiệu lực sau
một khoảng thời gian trừ khi nó được làm mới một cách liên tục theo chu kỳ.
 Giao thức này cung cấp nhiều loại hình cũng như kiểu dành riêng để phù hợp
với nhiều loại ứng dụng khác nhau.
 RSVP hỗ trợ IPv4 cũng như giao thức IPv6.
 Họat động của giao thức này có thể mô ta qua ví dụ sau:

Hình 1.5: Thiết lập LSP trong giao thức RSVP [10]

Trong hình minh họa ở trên, khi LSR A biên vào cần thiết lập đường LSP
đến LSR C biên ra.
A xem xét điều kiện ràng buộc (băng thông) của luồng dữ liệu và đích đến,
xây dựng yêu cầu và gửi đến B. B nhận được yêu cầu, vì B không phải là biên lối ra
nên nó sửa đổi thông điệp yêu cầu và gửi đến C. Tại đây do C là biên lối ra, C xem
xét yêu cầu, cấp phát băng thông và chọn nhãn 32 để thiết lập LSP. Thông tin này
được truyền ngược lại B sử dụng bản tin RESV. B nhận được bản tin RESV trả lời
từ C, xem xét băng thông và nhãn cấp phát lưu thông tin vào bảng chuyển tiếp, cấp
phát nhãn mới 17, xây dựng bản tin RESV trả lời yêu cầu của A. A cập nhật thông


20

tin RESV nhận được từ B nhưng không cấp phát nhãn mới vì A là biên lối ra của
LSP. Lúc này LSP được thiết lập với băng thông theo yêu cầu, và A có thể thực
hiện gửi lưu lượng này qua mạng.

 Giao thức RSVP-TE
RSVP-TE là sự mở rộng của giao thức RSVP, giao thức này được sử dụng
trong mạng MPLS, GMPLS để thiết lập các đường chuyển mạch nhãn và hỗ trợ kỹ
thuật lưu lượng. Cũng giống như CR-LDP, nó chủ yếu được sử dụng để cung cấp
hỗ trợ chất lượng dịch vụ, cân bằng tải trên mạng lõi, và cung cấp khả năng mở
rộng để hoạt động trong mạng quang.

1.2. Công nghệ GMPLS
Công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức tổng quát GMPLS (Generalized
Multiprotocol Labed Switching) là bước phát triển tiếp theo của công nghệ chuyển
mạch nhãn đa giao thức MPLS. GMPLS thực chất là sự mở rộng chức năng điều
khiển của mạng MPLS, nó cho phép kiến tạo mặt phẳng điểu khiển quản lý thống
nhất không chỉ ở lớp mạng mà còn thực hiện đối với các lớp ứng dụng, truyền dẫn
và lớp vật lý. Việc kiến tạo một mặt phẳng điều khiển thống nhất đối với các lớp
mạng hứa hẹn khả năng tạo ra một mạng đơn giản về điều hành và quản lý, cho
phép cung cấp các kết nối từ đầu cuối tới đầu, quản lý tài nguyên mạng một cách
hoàn toàn tự động và cung cấp các mức chất lượng dịch vụ (QoS) khác nhau các
ứng dụng trên mạng [5].
Một trong những yếu tố kinh tế nổi bật của GMPLS đó là nó có chức năng tự
động quản lý tài nguyên mạng và cung ứng kết nối truyền tải lưu lượng khách hàng
từ đầu cuối tới đầu. Công nghệ GMPLS cho phép các nút mạng tự động cung cấp
các kết nối theo yêu cầu do vậy giá thành chi phí cung cấp kết nối cũng như giá
thành quản lý bảo dưỡng giảm đi rất nhiều, thời gian cung ứng kết nối cung cấp
dịch vụ giảm đi rất nhiều so với phương pháp truyền thống (tính theo giờ hoặc phút
so với tuần hoặc tháng của phương thức nhân công truyền thống).
Bảng 1.1: Chức năng thực hiện trong GMPLS

Vùng chuyển

Kiểu lưu lượng

Lược đồ

Thiết bị ví dụ

Ký hiệu


21

mạch
Gói, tế bào

chuyển tiếp
IP, ATM

Nhãn, kết nối
kênh ảo

Bộ định tuyến
IP, ATM
switching
Hệ thống đấu

Thời gian

TDM / SONET

Khe thời gian

nối chéo
(DSC), ADM

Chuyển mạch
gói (PSC)
Chuyển mạch
TDM
Chuyển mạch

Bước sóng

Trong suốt

Lambda

DWDM

Lambda(LSC
)
Chuyển mạch

Vật lý

Transparent

Fiber, line

OXC

sợi

quang(FSC)

1.2.1. Các bộ giao thức GMPLS
Sự thể hiện chuyển đổi từ MPLS sang GMPLS đó là các giao thức mở rộng
cho chức năng báo hiệu (RSVP–TE, CR– LDP) và chức năng định tuyến (OSPFTE, IS IS-TE). Những giao thức mở rộng này là sự bổ sung thêm các chức năng cho
các phần tử mạng TDM/SDH và mạng truyền tải quang nói chung.
Một giao thức mới đó là giao thức quản lý đường LMP đã được xây dựng để
thực hiện quản lý và duy trì tình trạng điều khiển cũng như trình trạng truyền tải lưu
lượng giữa hai nút kế cận trong mạng GMPLS. LMP là một giao thức thực hiện trên
IP, nó bao gồm các chức năng thực hiện RSVP-TE và CR-LDP.
Trong GMPLS, cấu trúc ngăn giao thức cho chức năng định tuyến ISIS-TE
cũng tương tự như đối với chức năng định tuyến OSPF-TE, chỉ có một điểm khác
đó là thay lớp định tuyến IP bằng chức lớp định tuyến phi kết nối CLNP
(Connectionless Network Protocol) sử dụng để truyền tải thông tin theo giao thức
ISIS-TE [4].
Bảng 1.2: Các giao thức và các mở rộng của GMPLS


22

Giao thức định tuyến dùng cho việc khám phá một cách tự
động về topo mạng, thông báo các tài nguyên khả dụng. Một
số tăng cường chính gồm:
Định
tuyến

OSPF-TE, Cho biết loại bảo vệ tuyến (1+1, 1:1, không bảo vệ, lưu lượng
phụ thêm).
IS IS-TE
 Nhận và thông báo các liên kết không có địa chỉ IP-nhận dạng

liên kết.
 Nhận dạng giao diện vào và ra.
 Khám phá tuyến khác nhau cho dự phòng.
Giao thức báo hiệu dùng cho quá trình thiết lập các LSP mang
lưu lượng. Các tăng cường chính:
 Trao đổi nhãn, bao gồm cả các mạng không phải chuyển mạch

Báo

RSVP-TE,

hiệu

CR-LDP 




gói.
Thiết lập các LSP 2 hướng.
Báo hiệu để thiết lập đường dự phòng.
Thúc đẩy việc gán nhãn thông qua các nhãn được đề xuất.
Hỗ trợ chuyển mạch băng tần-tập các bước sóng gần nhau
được chuyển mạch với nhau.

 Quản lý kênh điều khiển: được thiết lập bởi các thông số liên

kết (ví dụ như tần số gửi bản tin keep-alive) và đảm bảo sự
hoạt động tốt cho cả liên kết.
 Kiểm tra việc kết nối liên kết: Đảm bảo kết nối vật lý của liên

Quản
lý
liên
kết

LMP

kết giữa các node lân cận, sử dụng một ping-như bản tin kiểm
tra.
 Liên hệ các đặc tính liên kết: Xác định các đặc tính liên kết của
các node lân cận.
 Cô lập lỗi: Cô lập các lỗi đơn hoặc lỗi kép trong miền quang

1.2.2. Mục tiêu và các chức năng mặt phẳng điều khiển GMPLS
Mặt phẳng điều khiển GMPLS trước hết để giải quyết vấn đề quản lý kết nối,
bao gồm cả các dịch vụ kết nối theo kiểu gói và kênh, các khía cạnh của quá trình
quản lý tính toán, quản lý thực hiện, an toàn và quản lý chính sách. Mặt phẳng điều
khiển GMPLS cơ bản là một mặt phẳng điều khiển kết nối phân tán dựa trên IP [5].
Điều này không loại trừ việc sử dụng GMPLS kết hợp với các giải pháp khác như


23

hệ thống mạng quản lý tập trung. Sau đây xem xét một số chức năng mức cao và
các yêu cầu dịch vụ của GMPLS.
-

Tự động hoạt động: Mặt phẳng điều khiển bao gồm các chức năng quản lý
phân tán và các giao diện cần thiết cho quá trình quản lý kết nối tự động

trong mạng. Một trong các mục tiêu cơ bản của mặt phẳng điều khiển là các
hoạt động tự động. Mặt phẳng điều khiển phân tán GMPLS có thể cung cấp
các khả năng điều khiển mạng tăng cường và giảm các hoạt động phức tạp,
tốn nhiều thời gian không cần thiết. Đồng thời nó cũng thuận tiện cho việc
phối hợp hoạt động và kết hợp giữa mạng với các kỹ thuật mặt phẳng số liệu

-

khác.
Tối ưu việc lựa chọn đường: Việc lựa chọn các tuyến trong mảng điều khiển
bởiGMPLS có thể được tối ưu hoá để đảm bảo tính hiệu quả, sử dụng tài

-

nguyên mạng hiệu quả và các thực hiện thoả mãn yêu cầu khác.
Phục hồi nhanh các đường số liệu: Việc phục hồi này có thể được thực hiện
nhờ lựa chọn tuyến trước lúc xảy ra sự cố (offline) hoặc được tính toán
đường ngay thời điểm có sự cố (online). Việc tính toán online và cơ chế phục
hồi phân tán sẽ mang lại thời gian hồi phục nhanh hơn so với phương pháp
hiện tại của NMS (Hệ thống quản lý mạng) tập trung. Khi các sự cố mạng
xảy ra đồng thời thì vấn đề hồi phục sẽ trở nên phức tạp. Để đảm bảo các yêu
cầu về hồi phục số liệu, mặt phẳng điều khiển DCN phải được thiết kế tin

-

cậy.
Xử lý cảnh báo: Các cảnh báo liên quan đến mặt phẳng điều khiển do chính
các thực thể quản lý phải được thông báo cho mặt phẳng điều khiển. Việc xử

-

lý cảnh báo phụ thuộc vào mặt phẳng quản lý.
Đặc trưng hơn: GMPLS dựa trên mặt phẳng điều khiển phân tán bao quanh

-

các mạng truyền tải đa lớp cần đáp ứng được các yêu cầu sau.
Tính linh hoạt: Quá trình thực hiện của mặt phẳng điều khiển không nên phụ
thuộc nhiều vào kích thước mạng dùng GMPLS (chẳng hạn số nút, số liên
kết vật lý). Mặt phẳng điều khiển cần duy trì độ thực hiện ổn định càng
nhiều càng tốt so với kích thước mạng.


24

-

Tính mềm dẻo: Mặt phẳng điều khiển phải có độ mềm dẻo về mặt chức năng
và cung cấp các điều kiện hoạt động về cấu hình.

1.2.3. Báo hiệu trong GMPLS
Báo hiệu là một trong các chức năng quan trọng của mặt phẳng điều khiển
GMPLS [7]. Các chức năng cơ bản bao gồm:
-

Tạo LSP;
Loại bỏ LSP;
Thay đổi LSP;
Thông báo lỗi LSP;
Xử lý lỗi LSP;

Khôi phục LSP.

Để tạo ra giao thức báo hiệu mặt phẳng điều khiển GMPLS hiệu quả và tin
cậy, cần tuân thủ một số nguyên tắc cơ bản.

1.2.4. Các chức năng cơ bản
Mặt phẳng điều khiển GMPLS giả sử hỗ trợ các mạng IP và mạng truyền tải.
GMPLS cần thừa hưởng những giao thức báo hiệu của MPLS, chẳng hạn như tạo
LSP, xoá LSP,... Ngoài ra, giao thức báo hiệu GMPLS còn một số yêu cầu khác. Vì
mạng truyền tải mang lượng băng tần khổng lồ và hỗ trợ nhiều ứng dụng, một sự cố
về mạng như đứt cáp sẽ gây ra hậu quả rất nghiêm trọng. Việc phát hiện lỗi và khôi
phục LSP nhanh trở thành yêu cầu cơ bản đối với mạng truyền tải. Tóm lại, báo
hiệu mặt phẳng điều khiển GMPLS cần hỗ trợ [4].

1.2.5. Hỗ trợ phục hồi
Phục hồi nhanh các sự cố mạng là một khía cạnh rất quan trọng của mạng
truyền tải hiện tại và tương lai. Các nhà cung cấp mạng truyền tải yêu cầu khả năng
phục hồi nhanh để đảm bảo độ tin cậy và tính sẵn sàng cho các kết nối của khách
hàng. Việc chọn chính sách phục hồi cần có sự cân bằng giữa việc sử dụng tài
nguyên mạng và thời gian gián đoạn dịch vụ. Các sơ đồ phục hồi khác nhau hoạt
động với sự cân bằng khác nhau giữa các yêu cầu dung lượng dư và thời gian ngắt
dịch vụ. Lược đồ phục hồi GMPLS cần bao gồm ít nhất là bảo vệtuyến, bảo vệ
đường riêng, khôi phục đường dùng chung, tự động định tuyến lại.

1.2.6. Hỗ trợ xử lý loại trừ


25

Các mức khác nhau của việc loại trừ có thể xuất hiện trong mạng GMPLS ở

cả mặt phẳng số liệu và mặt phẳng điều khiển. Một số loại trừ cần xem xét trong
thiết kế báo hiệu GMPLS gồm:
-

Nút vào, nút trung gian, nút ra có thể từ chối việc tạo LSP. Nếu tài nguyên
được cấp phát trước khi xác nhận LSP, việc từ chối tạo thành LSP có thể

-

phải cấp phát lại những tài nguyên này.
Một nút phát hiện sự cố của thủ tục phục hồi, việc loại trừ này sẽ dẫn đến

-

phục hồi tuyến LSP.
Nếu một quá trình phục hồi LSP lỗi, và các lý do như mặt phẳng điều khiển
GMPLS dọc theo đường hồi phục có sự cố hoặc thiếu tài nguyên dọc theo
đường hồi phục. Điều này có thể dẫn đến cấp phát lại các tài nguyên đã được
cấp phát từng phần cho LSP hồi phục này ngay để những tài nguyên này
được dùng cho việc khởi tạo và khôi phục các LSP khác. Một quá trình xoá
LSP bị lỗi do lỗi mặt phẳng điều khiển dọc theo đường LSP.