Ứng dụng kỹ thuật lưu lượng đa lớp để nâng cao chất lượng hoạt động

MỤC LỤC
MỤC LỤC ...................................................................................................................i
LỜI CAM ĐOAN .....................................................................................................iv
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................v
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT......................................................................vi
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...................................................................................x
LỜI MỞ ĐẦU .........................................................................................................xiv
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ GMPLS ...............................................................1
1.1. Giới thiệu GMPLS ...........................................................................................1
1.1.1. Sơ lược về GMPLS.....................................................................................1
1.1.2. Quá trình phát triển MPLS đến GMPLS ...................................................3
1.2. Các giao thức trong GMPLS...........................................................................4
1.3. Những vấn đề của mạng GMPLS và các giải pháp .......................................6
1.3.1. Tính chuyển hướng đa dạng ......................................................................8
1.3.2. Tính năng chuyển tiếp đa dạng ................................................................10
1.3.3. Cấu hình ...................................................................................................11
1.3.4. Tính cân đối (Scalability) ........................................................................12
1.3.5. Độ tin cậy (Reliability) ............................................................................15
1.4. Một số vấn đề tồn tại trong mạng GMPLS ...................................................17
1.4.1. Bảo mật ....................................................................................................17
1.4.2. Interworking ............................................................................................17
1.4.3. Hệ thống quản lý mạng ............................................................................18
i


1.5. Kết luận ..........................................................................................................18
CHƯƠNG II: KỸ THUẬT LƯU LƯỢNG ĐA LỚP MTE .................................19
2.1. Kỹ thuật lưu lượng ........................................................................................19
2.2. Kỹ thuật lưu lượng đa lớp MTE ...................................................................21
2.2.1. Quá trình hoạt động và khởi tạo MTE ....................................................23

2.2.2. Thiết lập liên kết mới trong MTE ............................................................23
2.2.3. Thực hiện cấu hình lại mạng logic ..........................................................23
2.3. Cách tiếp cận MTE ........................................................................................24
2.3.1. Cách tiếp cận MTE Reactive ...................................................................24
2.3.2. Cách tiếp cận Proactive...........................................................................27
2.4. Những yêu cầu khi thiết kế MTE .................................................................30
2.4.1. Sử dụng dung lượng một cách hiệu quả ..................................................30
2.4.2. Đưa ra mức quán tính hợp lí ...................................................................30
2.4.3. Tránh hiệu ứng tích lũy bộ nhớ ...............................................................32
2.4.4. Tránh tình trạng không ổn định của mạng ..............................................32
2.5. Kết luận ..........................................................................................................32
CHƯƠNG III: ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HOẠT ĐỘNG CỦA KỸ THUẬT
MTE TRONG MẠNG GMPLS .............................................................................34
3.1. Giới thiệu .......................................................................................................34
3.2. Giải pháp MTE Reactive hiệu quả ...............................................................35
3.2.1. Ba giai đoạn của MTE trong mạng GMPLS ...........................................35
3.2.2. Tình huống nghiên cứu MTE trong mạng GMPLS ..................................44
3.2.3. Nghiên cứu mô phỏng MTE .....................................................................48
3.3. Giải pháp MTE tích hợp ...............................................................................68
ii


3.3.1. Giải pháp định tuyến kết hợp ...................................................................68
3.3.2. Kỹ thuật băng thông.................................................................................76
3.4. Đánh giá kết quả hoạt động của kỹ thuật MTE trong mạng GMPLS ........82
3.5. Cấu trúc mạng ảo điều khiển phân tán ........................................................86
3.5.1. Thiết kế topo mạng ảo..............................................................................86
3.5.2. Mạng được điều khiển phân tán ..............................................................88
3.5.3. Thiết kế giao thức ....................................................................................96
3.5.4. Đánh giá hiệu suất topo mạng ảo được điều khiển phân tán ..................99

3.6. Kết luận ........................................................................................................108
KẾT LUẬN ............................................................................................................109
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................111

iii


LỜI CAM ĐOAN
Trước hết, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể các Thầy, Cô trong
viện Điện tử viễn thông, các Thầy, Cô trong viện Đào tạo sau đại học trường Đại
học Bách Khoa Hà Nội đã quan tâm, tạo điều kiện thuận lợi cho các học viên trong
quá trình học tập và nghiên cứu. Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS.
Trần Thị Ngọc Lan đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn em hoàn thành nội dung của
luận văn này.
Em xin cam đoan rằng nội dung của luận văn này hoàn toàn do em tìm hiểu,
nghiên cứu và viết ra. Có sự hướng dẫn, góp ý sửa chữa của giáo viên hướng dẫn,
các số liệu được công bố là hoàn toàn trung thực. Các số liệu tham khảo khác đều
có chỉ dẫn về nguồn gốc xuất xứ và được nêu trong phần tài liệu tham khảo cuối
luận văn.
Em xin chịu trách nhiệm với những nội dung trong quyển luận văn này.

Hà Nội, ngày 06 tháng 05 năm 2015
Tác giả

Lâm Đình Quyết

iv


LỜI CẢM ƠN

Trước hết em xin gửi lời cảm ơn tới tất cả các Thầy, Cô và bạn bè đã giúp đỡ
em trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành Luận văn.
Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Trần Thị Ngọc Lan, Cô đã
trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình, chu đáo và có những nhận xét, góp ý quý báu
giúp em trong suốt quá trình thực hiện Luận văn cho đến khi Luận văn được hoàn
thiện.
Em xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các Thầy, Cô giáo Viện Điện tử Viễn thông
– Đại Học Bách Khoa Hà Nội, những người đã tận tình chỉ bảo và tạo mọi điều kiện
thuận lợi để em được nghiên cứu và học tập trong môi trường tốt nhất.
Sau cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến gia đình, cùng tất cả
các bạn bè đã luôn động viên, khích lệ em trong cuộc sống, lao động và học tập.

Hà Nội, ngày 06 tháng 05 năm 2015

Lâm Đình Quyết

v


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

TỪ VIẾT
TẮT
ADM
ASON

TỪ TIẾNG ANH

NGHĨA TIẾNG VIỆT
Bộ ghép xen/ rẽ

Add/Drop Multiplexer
Automatic Switched Optical

Mạng chuyển mạch quang tự động

Network

ASE

Amplified Spontaneous Emission

Phát xạ khuếch đại tự phát

ATM

Asynchronous Transfer Mode

Chế độ truyền dẫn không đồng bộ

BLSR

Bi-directional Line Switched Ring

BGP

Border Gateway Protocol

Vòng chuyển mạch đường dây hai
chiều

Giao thức định tuyến cổng mạng vùng
giáp ranh

Branch Exchange with Constrains

Tổng đài nhánh với các trao đổi chất

on Quality-of-Service

lượng dịch vụ

Cell Router

Bộ định tuyến tế bào

Constraint-Based Routing-Label

Giao thức phân bố nhãn định tuyến

Distribution Protocol

cưỡng bức

CLNP

Connectionless Network Protocol

Giao thức mạng phi kết nối

CSPF

Constrained Shortest Path First

DCS

Digital Cross Connect

Hệ thống đấu nối đầu số chéo

Distributedly controlled Dynamic

Kiểm soát phân bố động theo độ dài

Wavelength-Conversion

sóng chuyển đổi

Dense Wavelength Division

Ghép kênh phân chia theo bước sóng

Multiplexing

mật độ

BXCQ
CR
CR-LDP

DDWC

DWDM

Giao thức định tuyến tìm đường ngắn
nhất

vi


FA

Forwading Adjacency

Lân cận chuyển gói

FSC

Fiber-Switch Capable

Dung lượng chuyển mạch cáp

OIF

Optical Internetworking Forum

Cộng đồng diễn đàn mạng quang

ONE

Optical Network Element

Phần tử mạng quang

OLSP

Optical Label-Switched Path

Đường nhãn chuyển mạch quang

OTN

Optical Transport Network

Mạng lưới truyền tải quang

Generalized Multiprotocol Label

Chuyển mạch nhãn đa giao thức tổng

Switching

quát

GMPLS

HCRN

HDLC

Hierarchical Cloud Routing

Mạng định tuyến đám mây phân cấp

Network

Kiểm soát đường truyền dữ liệu mức

High-level Data Link Control

cao

Internet Engineering Task Force

Tổ chức kỹ thuật Internet

ILP

Integer Linear Program

Chương trình định tuyến nguyên

IGP

Interior Gateway Protocol

Giao thức định tuyến trong

Internet Protocol

Giao thức Internet

IETF

IP
IS-IS

Intermediate System-to-

Giao thức định tuyến Cisco IS-IS

Intermediate System
Intermediate System-to-

IS-IS-TE

Giao thức IS-IS kỹ thuật lưu lượng

Intermediate System-Traffic
Engineering

L2SC

Layer 2 Switching Capable

Dung lượng chuyển mạch lớp 2

LDP

Label Distribution Protocol

Giao thức phân bổ nhãn

LER

Label Edge Router

Bộ định biên nhãn

LIB

Label Information Base

Cơ sở thông tin nhãn

LMP

Link-Management Protocol

Giao thức quản lý kênh
vii


LSA

Link State Advertisement

Quảng bá trạng thái liên kết

LSC

Lamda Switch Capable

Dung lượng chuyển mạch bước sóng

LSP

Label Switched Path

Đường chuyển mạch nhãn

LSR

Label Switched Router

Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn

LWC

Limited Wavelength Convertible

Mạng giới hạn chuyển đổi bước sóng

MSPF

Multilayer Shortest-Path-First

Đường đi ngắn nhất đa lớp

MPLS

Multiprotocol Label Switching

Chuyển mạch nhãn đa giao thức

MTE

Multilayer Traffic Engineering

Kỹ thuật lưu lượng đa lớp

NMS

Network Management System

Cơ chế quản lý trung tâm

NWC

Nonwave-Length Convertible

Mạng không chuyển đổi bước sóng

LRU

Lambda Routing Unit

Khối định tuyến lambda

OSPF

Open Shortest Path First

OSPF-TE

Giao thức định tuyến tìm đường ngắn
nhất

Open Shortest Path First- Traffic
Engineering

Giao thức OSPF kỹ thuật lưu lượng

OXC

Optical Cross-Connect System

Hệ thống kết nối chéo quang

PCM

Pulse Code Modulation

Điều biến mã xung

PNNI

Private Network Network

Giao diện nút mạng riêng

Interface

PPP

Point to Point Protocol

Giao thức điểm-điểm

PSC

Packet Switch Capable

Tính năng chuyển mạch gói

PXC

Photonic Cross-Connect System

Hệ thống kết nối chéo quang điện từ

QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

RSVP

Resource Reservation Protocol

Giao thức dự trữ tài nguyên

RSVP-TE

Resource Reservation Protocol-

Giao thức RSVP kỹ thuật lưu lượng

viii


Traffic Engineering
RWA

Routing and Wavelength

Định tuyến và gán bước sóng

Assignment

SDH

Synchronous Digital Hierarchy

Phân cấp số đồng bộ

SONET

Synchronous Optical NETwork

Mạng truyền dẫn quang đồng bộ

Time Division Multiplex

Phân kênh theo thời gian

TE

Traffic Engineering

Kỹ thuật lưu lượng

TLV

Type-Length-Value

Giá trị độ dài loại

UDP

User Datagram Protocol

Giao thức gói dữ liệu người dùng

UNI

User Network Interface

Giao diện mạng người sử dụng

TDM

Vòng chuyển mạch đường dẫn đơn

UPSR

Unidirectional Path Switched Ring

VPN

Virtual Private Network

WDM

Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng

hướng
Mạng riêng ảo

ix


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Chức năng thực hiện trong GMPLS ........................................................ 3
Bảng 1.2: Các giao thức GMPLS ............................................................................. 5
Bảng 1.3: Các vấn đề cần giải quyết trong hệ thống GMPLS ................................. 8
Bảng 2.1: Bảng tính liên kết ứng cử ........................................................................ 26

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Cấu trúc ngăn giao thức GMPLS ..................................................................... 6

Hình 1.2: Thiết lập một LSP qua môi trường mạng không đồng nhất ......................... 9
bằng công nghệ GMPLS .................................................................................................... 9
Hình 1.3: Cơ chế chuyển tiếp kế cận .............................................................................. 13
Hình 1.4: Cấu hình mạng.................................................................................................. 13
Hình 1.5: Cấu trúc phân cấp các LSP ............................................................................. 14
Hình 1.6: Quá trình thực hiện quản lý hư hỏng trong mạng GMPLS ........................ 15
Hình 1.7: Cơ chế phục hồi hỗ trợ bởi mạng GMPLS ................................................... 16
Hình 2.1: Ba giai đoạn trong chiến lược MTE Reactive .............................................. 22
Hình 2.2: Sơ đồ thực hiện chiến lược MTE reactive .................................................... 25
Hình 2.3: Giai đoạn thực hiện quyết định MTE ............................................................ 26
Hình 2.4: Hàm chi phí và các bước thực hiện MTE proactive .................................... 29
Hình 2.5: Các vấn đề quan tâm khi thiết kế MTE ......................................................... 31
Hình 3.1: Tiến hành giám sát lưu lượng và kích hoạt MTE ........................................ 36
Hình 3.2: Quy trình kích hoạt chiến lược MTE ............................................................. 38
Hình 3.3: Quan tâm tới đường dẫn chung ...................................................................... 40
Hình 3.4: Phân bố lưu lượng sau khi cấu hình .............................................................. 42
Hình 3.5: Thực hiện cấu hình lại (sử dụng thông báo RSVP-TE [15]) ...................... 43
x


Hình 3.6: phương pháp tiếp cận đơn đường (SPA) và phương pháp tiếp cận đa
đường (MPA) ..................................................................................................................... 44
Hình 3.7: ảnh hưởng của chiều dài TOW....................................................................... 45
Hình 3.8: tỉ lệ mất gói tin (PLR) và phát hiện mức độ sử dụng liên kết đối với các
độ dài TOW khác nhau ..................................................................................................... 46
Hình 3.9: cấu trúc liên kết mạng truyền tải quang Ilatia .............................................. 49
Hình 3.10: Các tình huống mô phỏng ............................................................................. 50
Hình 3.11: Số lượng các liên kết logic và số lượng tái cấu hình trong lớp IP ........... 53
Hình 3.12: Kiểu thu gom lưu lượng và sử dụng liên kết IP ......................................... 56
Hình 3.13: QoS được cung cấp khi sử dụng các độ dài TOW khác nhau .................. 57

Hình 3.14: Tỉ lệ ngăn chặn của các kết nối quang.Các nhãn được định dạng như
X_Ch_Y:............................................................................................................................. 59
Hình 3.15: Độ dài trung bình trong các bước nhảy của các kết nối quang cần thiết
được thêm vào tương ứng với lưu lượng bổ sung ......................................................... 60
Hình 3.16: Tỉ lệ mất gói tin vượt quá 100ms ................................................................. 60
Hình 3.17: Sự chiếm giữ của kênh bước sóng ............................................................... 62
Hình 3.18: Thu gom lưu lượng trong các mạng logic với khả năng giới hạn ............ 63
Hình 3.19: tỉ lệ trung bình mất gói tin trên 1s trong mạng được giới hạn.................. 64
số lượng kênh bước sóng trên mỗi sợi quang ................................................................ 64
Hình 3.20: độ trễn end-to-end gói tin trung bình và độ trễ Jitter hơn 1s .................... 66
trong mạng giới hạn kênh bước sóng .............................................................................. 66
Hình 3.21: độ dài (trong các bước nhảy) của các kết nối quang bổ sung................... 67
và độ trễ bộ đệm trung bình trong các bộ định tuyến IP trên từng giây ..................... 67
Hình 3.22: Sơ đồ khối module định tuyến động ............................................................ 68
Hình 3.23: Thuật toán tìm đường đi ngắn nhất.............................................................. 71
Hình 3.24: Thủ tục tìm vùng ............................................................................................ 72
Hình 3.25: Sơ đồ khối module định tuyến động ............................................................ 73
Hình 3.26: Yêu cầu tăng băng thông cho LSP ưu tiên cao .......................................... 78
Hình 3.27: Yêu cầu tăng băng thông cho LSP ưu tiên thấp ......................................... 79
xi


Hình 3.28: Yêu cầu thiết lập mới một LSP có độ ưu tiên cao ..................................... 80
Hình 3.29: Yêu cầu thiết lập mới một LSP có độ ưu tiên thấp .................................... 81
Hình 3.30: khả năng ngăn chặn kết nối và khai thác nguồn mạng với giá trị α đối
với ba trường hợp lưu lượng khác nhau, với ρ=0.5 (trên), ρ=0.8 (dưới) và β=0.5 ... 82
Hình 3.31: so sánh giữa chiến lược BE và DB trong điều kiện xác suất ngăn chặn
kết nối với ρ đối với các giá trị khác nhau của β trong trường hợp 3 với α=0.6: (a)
trường hợp 1, (b) trường hợp 2, (c) trường hợp 3 ......................................................... 85
Hình 3.32: thứ tự hoạt động ưu tiên được yêu cầu trong trường hợp β=0.1 và β=0.5;

được chuẩn hóa thành số trung bình của yêu cầu LP LSP ........................................... 86
Hình 3.33: Kiến trúc nút lai (IEEE 2003). ..................................................................... 88
Hình 3.34: Topo mạng ảo. ................................................................................................ 89
Hình 3.35: Thủ tục cho thiết lập/ dỡ bỏ đường quang. ................................................. 92
Hình 3.36: Mạng đa lớp GMPLS. ................................................................................... 96
Hình 3.37: Ví dụ về một LSP quang được định tuyến. ................................................ 98
Hình 3.38: Mô hình mạng bao gồm 11 nút đơn giản. ................................................... 99
Hình 3.39: Chi phí mạng về yêu cầu lưu lượng của các cặp SD (IEEE 2003). ....... 101
Hình 3.40: Bậc trung bình ảo của các yêu cầu lưu lượng được sao lưu bởi bước
sóng. .................................................................................................................................. 101
Hình 3.41: Tải cho phép như một hàm của số các bước sóng và cổng PSC ............ 103
Hình 3.42: hàm các đường quang thay đổi theo chuỗi thời gian [r0,r1] = [0,0.3] .... 104
Hình 3.43: Hàm các đường quang thay đổi theo chuỗi thời gian [r0,r1] = [0.1, 0,2].
........................................................................................................................................... 104

Hình 3.44: Hàm các đường quang thay đổi theo chuỗi thời gian [r 0,r1] = [0.125,
0.175] ................................................................................................................................ 105
Hình 3.45: Hàm các đường quang thay đổi theo chuỗi thời gian [r0, r1] = [0, 0.3]. 105
Hình 3.46: Một hàm tải của các LSP quang theo chuỗi thời gian [r0, r1] = [0.1, 0.2]
........................................................................................................................................... 106

Hình 3.47: Một hàm tải của các LSP quang theo chuỗi thời gian [r0, r1] = [0.125,
0.175] ................................................................................................................................ 106
xii


Hình 3.48: Mối quan hệ giữa ngưỡng tắc nghẽn và số lượng các LSPs quang ....... 107
Hình 3.49: Mối quan hệ giữa ngưỡng sử dụng không đúng mức và số lượng các
LSP quang ........................................................................................................................ 107

xiii


LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của Khoa học – Công nghệ, các
dịch vụ công cộng qua mạng Internet đã đạt được nhiều thành tựu quan trọng. Yêu
cầu tăng băng thông trong quá trình truyền tin đã trở nên cấp thiết cho các mạng
viễn thông truyền thống. Kết quả là diện mạo mạng viễn thông đã được thay đổi
nhanh chóng để theo kịp yêu cầu đó. Ngoài ra, với những tiến bộ mới nhất về chất
lượng dịch vụ ứng dụng giao thức IP và chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS),
các nhà cung cấp dịch vụ đã nghiên cứu các kỹ thuật quang, có dung lượng lớn như:
ghép kênh phân chia theo bước sóng (WMD). Sự thay đổi nhanh chóng mạng
WMD và sự ra đời các thành phần quang cho phép cung cấp khả năng cấu hình
động nhanh hơn, như thiết bị đấu nối chéo quang (OXC), cho phép thực hiện bảo
vệ, chuyển mạch, khôi phục trực tiếp trong lớp quang, vượt qua các lớp ATM và
lớp SONET/SDH truyền thống. Vì vậy, hạ tầng viễn thông sẽ chuyển từ kiến trúc đa
lớp dung lượng thấp sang các bộ định tuyến tốc độ cao có khả năng kết nối trong
nhờ các mạng lõi quang thông minh.
Giải pháp mặt phẳng điều khiển tốt nhất cho mạng thế hệ sau IP/WDM được
gọi là công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức tổng quát GMPLS, kèm theo các
giao thức báo hiệu và định tuyến MLS mở rộng để thực hiện cho các mạng khác
nhau như SONET/SDH, chuyển mạch nhãn ATM và các thành phần mạng quang
mới như đấu nối chéo quang (OXC). Bên cạnh khả năng cung cấp dung lượng cao
và hiệu quả chi phí của kiến trúc lớp 2, ưu điểm của tích hợp IP/WDM là khả năng
truyền thông gần hơn giữa hai miền. Giao diện người sử dụng và mạng (UNI), sẽ
cung cấp các dịch vụ động từ lớp WDM tới lớp IP.
Mặt phẳng điều khiển GMPLS có khả năng định tuyến và báo hiệu trong cả
hai miền và với UNI đóng vai trò trung gian giữa hai lớp, mạng quang thế hệ mới
được gọi là mạng quang chuyển mạch tự động (Automatic Switched Optical
Networks – ASONs) có khả năng thiết lập hoặc loại bỏ tự động các đường quang.

xiv


Việc tái định tuyến mạng logic động, lớp WDM có thể giảm đáng kể khả năng
nghẽn mạch. Sự kết hợp giữa lớp IP và kỹ thuật lưu lượng lớp WDM trong mạng
gọi là kỹ thuật lưu lượng đa lớp (Multilayer Traffic Engineering – MTE). Do đó,
quá trình nghiên cứu MTE đều dựa trên cách tiếp cận tập trung vào hai lớp IP và
WDM.
Trong kỹ thuật lưu lượng mạng MPLS, các kênh thông tin được truyền tải
trong một LSP, có thể bao gồm một tập hợp các kênh thông tin có cách thức mã hóa
các loại hình nhãn khác nhau. GMPLS mở rộng chức năng này bằng việc thêm vào
các dạng kênh kết nối có các loại nhãn đại diện cho một khung thời gian TDM, một
bước sóng hoặc một vị trí theo không gian của một cổng giao diện vật lý. Kỹ thuật
lưu lượng trong MPLS (thậm chí cả chức năng LDP) được thực hiện một cách đơn
hướng thì GMPLS thực hiện kỹ thuật lưu lượng theo cả hai hướng của LSP.
Trong khuôn khổ Luận văn sẽ tập trung nghiên cứu một số điểm quan trọng
trong công nghệ GMPLS, đồng thời tập trung nghiên cứu về kỹ thuật lưu lượng đa
lớp MTE. Luận văn được chia làm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về GMPLS
Chương 2: Kỹ thuật lưu lượng đa lớp MTE
Chương 3: Đánh giá chất lượng hoạt động của kỹ thuật MTE trong mạng
GMPLS

xv


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ GMPLS
1.1. Giới thiệu GMPLS
1.1.1. Sơ lược về GMPLS
Với sự bùng nổ nhu cầu lưu lượng trong những năm gần đây, mạng quang

được xem là giải pháp hữu hiệu để đáp ứng nhu cầu. Các hệ thống SDH, WDM và
các thiết bị đấu nối chéo OXC cũng phát triển mạnh mẽ nhằm tăng dung lượng và
phạm vi mạng. Mạng điều khiển quang được thiết kế nhằm đơn giản hóa, tăng tính
đáp ứng và mềm dẻo trong việc cung cấp các phương tiện trong mạng quang. MPLS
nhằm hướng tới mảng điều khiển quang cho mạng quang.
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 (Multiprotocol Labed Switching). 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.
IETF và OIF đã phát triển tiêu chuẩn GMPLS để đảm bảo sự phối hợp giữa
các lớp mạng khác nhau. Hiện tại lớp truyền tải (lớp quang) và lớp số liệu (điển
hình là lớp 2 và/ hoặc IP) tách hẳn nhau và hoạt động độc lập. 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. 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.
GMPLS được phát triển trong nỗ lực nhằm làm đơn giản hóa và bỏ bớt mô
hình mạng bốn lớp hiện tại. GMPLS loại bỏ các chức năng chồng chéo giữa các lớp
bằng cách thu hẹp các lớp mạng. Nó không phải là một giao thức đơn hay tập không
đổi các giao thức, mà đó là phương thức để kết hợp nhiều kỹ thuật trên cùng một
kiến trúc đơn và quản lý chúng với một tập đơn các giao thức quản lý.

1


Hiện nay người ta cho rằng để đáp ứng được nhu cầu băng thông cho các
ứng dụng dịch vụ thì mạng truyền tải chủ yếu sẽ là các hệ thống truyền dẫn trên sợi
quang với các thiết bị ghép tách luồng ADM, thiết bị ghép bước sóng quang WDM,

thiết bị đấu chéo luồng quang OXC... Sự đa dạng và phức tạp trong quản lý các
phần tử mạng tại các phân lớp mạng khác nhau là nhân tố cơ bản thúc đẩy việc
nghiên cứu cải tiến bộ giao thức MPLS thành GMPLS không ngoài mục đích thống
nhất quản lý giữa các thực thể mạng không chỉ ở phương thức chuyển mạch gói mà
MPLS đã thực hiện mà còn cả trong lĩnh vực chuyển mạch thời gian, không gian
quản lý. GMPLS còn mở rộng chức năng hỗ trợ giao thức IP để điều khiển thiết lập
hoặc giải phóng các đường chuyển mạch nhãn LSP cho mạng hỗn hợp bao gồm cả
chuyển mạch gói, chuyển mạch kênh, mạng quang.
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 cuối. Việc cung ứng kết nối cho khách hàng theo kiểu truyền
thống như đối với mạng truyền tải Ring SDH có đặc điểm là mang tính thủ công,
thời gian đáp ứng dài và chi phí kết nối cao. Để thiết lập được kết nối từ đầu cuối
đến đầu cuối theo phương thức thủ công nói ở trên người ta cần phải xác định các
vòng ring SDH nào trong mạng mà đường kết nối đó đi qua, dung lượng còn lại của
vòng ring đó còn đủ khả năng phục vụ không, nếu như chưa đủ thi cần phải tìm
đường vu hồi qua vòng ring nào khác? Sau khi xác định được đường kết nối người
ta phải thông báo cho toàn bộ các nút mạng thuộc các vòng ring để thực hiện các
thiết lập luồng hoặc đấu chuyển nhân công trong các vòng ring, công việc này đòi
hỏi rất nhiều nhân công và tốn rất nhiều thời gian trao đổi thông tin nghiệp vụ. 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).

2


1.1.2. Quá trình phát triển MPLS đến GMPLS

Trong những năm trở lại đây, tổ chức IETF đã tập trung hướng phát triển các
giao thức MPLS hỗ trợ các phần tử mạng chuyển mạch hoạt động bởi các phương
thức khác nhau như theo thời gian, theo bước sóng (DWDM), không gian (OXC),
thành các chuẩn của giao thức GMPLS. Nó cho phép mạng GMPLS xác định và
cung ứng kết nối trên mạng một cách tối ưu theo yêu cầu lưu lượng của người sử
dụng và có khả năng truyền tải thông suốt trên mạng IP và sau đó là truyền xuống
các tiện ích truyền dẫn quang ở lớp dưới như là SDH, bước sóng trong hệ thống
DWDM trên một sợi quang cụ thể nào đó. Điều này cho phép mạng dựa trên
GMPLS xác định và cung cấp đường tối ưu dựa trên các yêu cầu lưu lượng của user
(người sử dụng). Một số cấu trúc GMPLS được chỉ ra như ở bảng 1.1:
Miền
chuyển
mạch

Gói, tế bào

Kiểu lưu

Lược đồ

lượng

chuyển tiếp

IP, ATM

Nhãn hay phần

Bộ định tuyến

tiêu đề, kết nối

IP, chuyển mạch

kênh ảo (VCC)

ATM

Khe thời gian
Thời gian

TDM/SONET

Thiết bị mạng

lặp theo chu kỳ

Hệ thống đấu
chéo số (DCS),
ADM

Không gian
vật lý

Khả năng chuyển
mạch gói (PSC)

Khả năng ghép
kênh TDM
Khả năng chuyển

Chiều dài
bước sóng

Thuật ngữ

Trong suốt

Trong suốt

mạch Lambda
Lambda

DWDM

Sợi quang, cáp
đồng

LSC
Khả năng chuyển

OXC

mạch quang FSC

Bảng 1.1: Chức năng thực hiện trong GMPLS

Một trong những điểm hấp dẫn nhất của GMPLS đó là sự thống nhất về giao
thức điều khiển để thực hiện thiết lập, duy trì và quản lý kỹ thuật lưu lượng theo
3

đường xác định từ điểm đầu đến điểm cuối một cách có hiệu quả. Dòng lưu lượng
của người sử dụng bắt đầu từ điểm nguồn có thể được truyền tải qua nhiều phạm vi
mạng. Ví dụ, lưu lượng theo nhiều loại hình truy nhập khác nhau của nhiều người
sử dụng được tập trung tích hợp tại một nút mạng truy nhập hoặc nút mạng biên và
sau đó được truyền tải vào nút mạng đô thị theo công nghệ SDH hoặc công nghệ
ATM... Các luồng lưu lượng từ mạng đô thị này lại được tập trung tích hợp một lần
nữa để đưa tới mạng đường trục bằng bước sóng mang lưu lượng, trên hướng truyền
ngược lại cũng thực hiện với phương thức tương tự. Như vậy việc thực hiện truyền
tải lưu lượng như đã nói ở trên qua rất nhiều các tiện ích truyền tải khác nhau, sử
dụng các công nghệ khác nhau, do vậy nếu như thống nhất được về mặt điều khiển,
quản lý, xử lý lưu lượng thì sẽ là một ưu điểm tuyệt đối trong việc truyền tải lưu
lượng và quản lý sử dụng tài nguyên hiệu quả, cung ứng dịch vụ mạng nhanh
chóng. Đồng thời, đó là những mục tiêu thực hiện mà GMPLS hướng tới.
1.2. Các giao thức trong 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 (OSPF–
TE, 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 [6].
Một giao thức mới đó là giao thức quản lý đường LMP (Link-Management
Protocol) 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. Bảng 1.2 tổng kết các giao thức và sự mở rộng cho GMPLS.

4


Giao thức

Mô tả

Định

OSPF–TE,

Là các giao thức tự động xác định cấu hình topo mạng,

tuyến

IS–IS–TE

thông báo tài nguyên khả dụng (ví dụ như băng thông hoặc
loại hình bảo vệ...). Các điểm chủ yếu của các giao thức
này đó là: thông báo về loại hình bảo vệ đường (1+1, 1:1,
không bảo vệ hoặc lưu lượng phụ), thực hiện tìm đường
(giữa các nút mạng kế cận) để nâng cao khả năng xác định
tuyến thông) mà không cần phải thực hiện các giao thức
định tuyến trên cơ sở địa chỉ IP.

Báo

RSVP–TE, Các giao thức báo hiệu để thực hiện kỹ thuật lưu lượng

hiệu

CR–LDP

giữa các LSP. Những chức năng nổi bật của các giao thức

báo hiệu này là: chuyển giao lưu lượng bao gồm cả loại
hình lưu luợng không phải ở dạng gói, thực hiện báo hiệu
hai chiều giữa các LSP để xác định tuyến dự phòng cho
trường hợp bảo vệ, thực hiện gán nhãn cho phương thức
chuyển mạch nhãn bước sóng – nghĩa là các bước sóng cận
kề nhau được chuyển mạch theo cùng một hướng.

Quản

LMP

Thực hiện 2 chức năng chính:

lý

+ Quản lý kênh điều khiển: Đảm bảo việc thực hiện theo cơ

đường

chế đàm phán thông qua các tham số đường thông (chẳng
hạn như sử dụng phương thức gửi có chu kỳ các bản tin
truy vấn thời gian sống của gói tin) để đảm bảo tình trạng
của đường thông luôn được theo dõi
+ Kiểm tra các kết nối trên mạng: nhằm duy trì hoạt động
của các kết nối giữa các nút mạng kề cận nhau thông qua
các gói tin kiểm tra.

Bảng 1.2: Các giao thức GMPLS
5

Cấu trúc ngăn xếp giao thức GMPLS được thể hiện trong hình 1.1.
RSVP-TE

LMP

UDP

OSPF-TE

Chuyển mạch độ dài
bước sóng

BGP
TCP

TCP

PPP/Lớp tương thích

SONET

CR-LDP

MAC/GE

ATM

Frame Relay

Hình 1.1: Cấu trúc ngăn giao thức GMPLS

Lưu ý: trong GMPLS, cấu trúc ngăn giao thức cho chức năng định tuyến IS–
IS–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 lớp định tuyến phi kết nối CLNP
(Connectionless Network Protocol) sử dụng để truyền tải thông tin theo giao thức
IS–IS-TE [8].
1.3. Những vấn đề của mạng GMPLS và các giải pháp
Để có một mặt điều khiển chung sử dụng cho nhiều loại mạng khác nhau thì
cần phải quan tâm những vấn đề sau đây:
1. Việc chuyển tiếp dữ liệu không đơn thuần hạn chế ở chuyển tiếp dữ liệu ở
dạng gói mà còn cần phải tìm kiếm các giải pháp đơn giản nhất cho việc sử dụng
một khuôn dạng nhãn duy nhất để chuyển tiếp dữ liệu qua các loại thiết bị với công
nghệ khác nhau theo phương thức chuyển tiếp theo thời gian, chuyển tiếp theo bước
sóng hoặc chuyển tiếp theo không gian…
2. Không phải loại mạng nào cũng thiết kế các phần tử chuyển tiếp dữ liệu
cho phép truy vấn nội dung thông tin, nhãn hoặc mào đầu của dữ liệu thu được.
Mạng chuyển mạch gói cho phép các phần tử chuyển tiếp của mạng kiểm tra mào
đầu gói hoặc nhãn từ đó đưa ra các quyết định dữ liệu sẽ được chuyển tiếp tới giao
diện đầu ra cụ thể. Trong khi đó điều này sẽ không thực hiện đối với luồng dữ liệu
đầu vào là các dữ liệu dạng TDM (cụ thể là các luồng ghép kênh PCM, hoặc là
bước sóng).
3. Tính cân đối và phù hợp là một vấn đề quan trọng khi thiết kế những mạng
cỡ lớn. Thông thường tài nguyên cần phải quản lý ở trong mạng TDM và mạng
6


quang nói chung là nhiều hơn rất nhiều so với mạng chuyển mạch gói. Ví dụ, số
lượng bước sóng cần phải quản lý trong một mạng quang có thể lên tới hàng ngàn
và số lượng sợi có thể lên tới hàng trăm.

4. Cấu trúc của các bộ chuyển mạch quang hoặc điện cũng là phần tử gây ra
sự tiêu tốn thời gian xử lý dữ liệu. Ví dụ một thiết bị DSC có khả năng chuyển
mạch từ hàng chục tới hàng ngàn cổng cho đường tín hiệu số (DS-x), việc xác định
cổng vào cổng ra cho một kết nối cũng tiêu tốn khá nhiều thời gian, điều đó đồng
nghĩa với việc gia tăng độ ì của phần tử chuyển tiếp, nghĩa là tăng độ trễ truyền tải
dữ liệu.
5. Mạng SDH có khả năng rất tốt trong việc thực hiện cơ chế bảo vệ đường
truyền tải dữ liệu (50ms). Hệ thống quản lý điều khiển mạng thực hiện trong
GMPLS cũng cần phải thực hiện chức năng bảo vệ đường truyền tải tương tự như
SDH, có thể theo phương thức cài đặt trước, cơ chế động, cơ chế ưu tiên theo lớp
dịch vụ...
Những vấn đề nêu trên được tổng kết trong bảng 1.3 [9] [10].
Vấn đề
Chuyển mạch

Giải pháp cho GMPLS
Nhãn tổng quát

Tính đa dạng
Tính đa dạng
của chuyển tiếp

Cấu hình

Giao thức
Báo hiệu:

Bắt đầu và kết thúc bởi

RSVP–TE,

LSP

CR–LDP

Trên cùng phần tử mạng

Các phần riêng rẽ mang

Báo hiệu và định tuyến

tính logic hoặc vật lý về Toàn bộ

ngoài băng

điều khiển hoặc dữ liệu
Khuyến khích LSP

Ghi chú

Báo hiệu

Thiết lập bởi LSP
+ Sử dụng cho chuyển

Tính cân đối

Chuyển tiếp đường kề cận
theo cấu trúc bó LSPs

Định tuyến và báo tiếp dữ liệu ở phân lớp
hiệu:

OSPF–TE, thấp

IS–IS–TE

+ Tính cân đối về băng
thông

7


Bảo vệ và phục hồi (M:N,
Tính tin cậy

1+1), chia sẻ nhóm đường
hiểm họa cho chuyển
hướng đường thông

Hiệu

suất

LMP:

OSPF–TE,

IS–IS–TE

sử Cấu hình LSP không đánh Báo

dụng tài nguyên số đường

Mô phỏng Ring SDH

Địng tuyến

tuyến

hiệu/

dạng BLSR và UPSR, sử
dụng tuyến tách biệt để
phục hồi

định Tiết kiệm quỹ địa
chỉ IP

Bảng 1.3: Các vấn đề cần giải quyết trong hệ thống GMPLS

1.3.1. Tính chuyển hướng đa dạng
1.3.1.1. Nhãn tổng quát và sự phân bổ nhãn
GMPLS được phát triển mở rộng để có khả năng hỗ trợ các phần tử mạng
truyền tải thông tin từ đầu cuối tới đầu cuối thông qua nhiều mạng với các công
nghệ khác nhau với tốc độ xử lý truyền tải nhanh. Để thực hiện được điều này trong
công nghệ GMPLS, người ta chèn thêm thông tin trong các nhãn MPLS. Định dạng
mới này của nhãn được gọi là "nhãn tổng quát" (Generalized Label) cho phép các
thiết bị thu nhận dữ liệu ở các dạng nguồn khác nhau (như là gói tin trong mạng
chuyển mạch gói, các khung ghép kênh dữ liệu trong mạng TDM, bước sóng mang

dữ liệu trong mạng truyền tải quang...). Một nhãn tổng quát có thể đại diện cho một
bước sóng, sợi quang đơn lẻ hoặc một time-slot, ngoài ra nó còn đại diện cho dữ
liệu của các nguồn lưu lượng khác đã thực hiện với nhãn MPLS như là VCC trong
ATM, phần gắn thêm trong gói tin IP... Các thông tin sau gắn liền với nhãn tổng
quát:
1. Dạng của mã LSP để chỉ thị loại nhãn mang lưu lượng (ví dụ: gói tin,
bước sóng, SDH...)
2. Loại hình chuyển mạch, chỉ thị cho nút mạng khi nào sẽ thực thi các loại
hình chuyển mạch khác nhau: chuyển mạch gói, chuyển mạch kênh, chuyển mạch
bước sóng, chuyển mạch sợi quang.
3. Phần xác định tải tin để chỉ thị loại hình tải tin được truyền tải bởi LSP (ví
dụ VT, DS-x, ATM, Ethernet...)
8


Tương tự như MPLS, sự phân bố nhãn được khởi đầu từ việc yêu cầu phân
bố nhãn từ đường lên (upstream) đối với đường xuống (downstream) của LSR.
GMPLS thực hiện bằng cách cho phép đường lên của LSR đề xuất trước giá trị của
nhãn cho một LSP và giá trị nhãn này có thể được thay thế bằng giá trị nhãn gửi trả
lại từ đường xuống của LSR.
1.3.1.2. Kiến tạo các LSP trong mạng GMPLS
Thực hiện kiến tạo một LSP trong mạng GMPLS cũng tương tự như trong
mạng MPLS. Hình 1.2 thể hiện quá trình một mạng chuyển mạch gói (PSC) kết nối
qua ống STM-4 đến DSC của phần tử mạng TDM. Các thành phần mạng SDH
trong mạng TDM hoạt động theo cấu trúc ring UPSR STM-16. Hai mạng TDM kết
nối với nhau thông qua hai phần tử chuyển mạch quang có khả năng chuyển mạch
các chùm bước sóng mang lưu lượng STM-64 phần tử SDH của mạng. Mục tiêu
cần thực hiện trong cấu trúc này là thiết lập được một LSP giữa LSR1 và LSR4
(hình 1.2).
Mạng PSC

TDM

LSPtdm
OXC 1

TDM

OXC 2

Mạng PSC
LSPtdm

LSP1, LSP2, LSP3
DCS
LSR1

DCS

LSP1, LSP2, LSP3

LSR2
LSR3
OC - 48 UPRS

LSR4

OC - 48 UPRS

OC 12

OC - 48

OC - 48
OC 12

LSP λ

LSP tdi

LSP tdm

LSP pi
LSP pc

Hình 1.2: Thiết lập một LSP qua môi trường mạng không đồng nhất
bằng công nghệ GMPLS

Để thiết lập LSPpc giữa LSR1 và LSR2, các LSP trung gian trong mạng cần
được kiến tạo theo kiểu đường hầm qua các LSP ở phân lớp dưới. Ví dụ, trong hình
vẽ trên thể hiện cấu trúc đường hầm LSPT1 cho các LSP1, LSP2 và LSP3 nếu như
tổng lưu lượng yêu cầu bởi các LSP này có thể được phục vụ bởi LSPT1.

9


Quá trình thiết lập này được khởi đầu bởi bản tin chứa PATH/Label gửi tới
đầu cuối từ đường xuống, nó chứa đựng thông tin về cấu hình LSP. Cụ thể ở đây là
DSCi sẽ gửi bản tin tới OXC1 và kết thúc bản tin tại DSCe. Khi OXC1 nhận được
bản tin nó sẽ tạo một LSP giữa nó và OXC2. Chỉ khi LSP này được tạo lập thì các
LSP giữa DSCi và DSC2 mới được tạo lập (các DSPtdi).

Gói tin yêu cầu PATH/Label chứa đựng thông tin yêu cầu nhãn tổng quát
trong đó mô tả dạng của LSP (nghĩa là mô tả tới phân lớp nào quản lý LSP) và loại
hình tải tin (ví dụ như DS-x, VT...). Các tham số cụ thể khác như loại báo hiệu, bảo
vệ, hướng của LSP và các nhãn đề xuất đều được chỉ thị trong bản tin này. Trên
đường xuống của mỗi nút mạng sẽ gửi các bản tin hướng ngược lại RESV/Label
Mapping có nhãn tổng quát chứa một vài nhãn tổng quát khác [12].
Khi LSR khởi đầu thu được nhãn tổng quát nó thực hiện kiến tạo một LSP
qua từng chặng của mạng bằng bản tin RSVP/PATH. Tuần tự thực hiện của quá
trình nói trên xảy ra như sau:
LSP được tạo lập giữa OXC1 và OXC2 (LSPl) có dung lượng truyền tải
STM-64 làm đường hầm cho các TDM LSP khác, LSP được tạo lập giữa
DSCi và DSCe (LSPtdi).
LSP được tạo lập giữa DS–1 và DS–2 (các LSP bên trong hai mạng TDM
được tạo lập trước khi tạo lập LSP này).
LSP được tạo lập giữa LSR2 và LSR3 (LSPpi).
LSPpc được tạo lập giữa LSR1 và LSR4.
1.3.2. Tính năng chuyển tiếp đa dạng
Các thiết bị MPLS có khả năng nhận biết nội dung thông tin chuyển tiếp qua,
nghĩa là thông tin chứa trong mào đầu của tế bào tin (cell) hoặc gói tin. Đồng thời
chúng cần phải phân tích các nhãn (các mào đầu shim) để xác định cửa ra và cửa
vào cho các gói tin được gắn nhãn. Quá trình trao đổi nhãn là độc lập về mặt logic
giữa mặt phẳng truyền tải dữ liệu và điều khiển.
GMPLS thực hiện mở rộng tính năng này để các thiết bị GMPLS có thể nhận
biết mọi loại mào đầu mà chúng thu được. Trường hợp này GMPLS cho phép mặt
phẳng điều khiển và truyền tải có thể tách rời nhau không những về mặt logic mà còn
10