Điều khiển tắc nghẽn trong mạng mpls

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

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

VÕ QUẾ SƠN

ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN TRONG
MẠNG MPLS
CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ
MÃ SỐ NGÀNH : 02.07.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH THÁNG 07 NAÊM 2005


CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. PHẠM HỒNG LIÊN
(Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1 : …………………………………………
(Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2: …………………………………………
(Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc só được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 14 tháng 07 naêm 2005.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

Tp. HCM, ngày 09 tháng 02 năm 2005

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: VÕ QUẾ SƠN
Ngày, tháng, năm sinh: 10-04-1980
Chuyên ngành: Kỹ thuật vô tuyến và điện tử
I- TÊN ĐỀ TÀI:

Phái: Nam
Nơi sinh: Quảng Ngãi
MSHV: 01403327

ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN TRONG MẠNG MPLS

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
ƒ

Tìm hiểu về mạng MPLS.

ƒ

Tìm hiểu các phương pháp điều khiển tắc nghẽn trong mạng MPLS.

ƒ

Khảo sát các phương pháp tái định tuyến động trong MPLS.

ƒ

Đề xuất một giải thuật định tuyến động hỗ trợ điều khiển tắc nghẽn tối ưu.

ƒ

Viết chương trình thực hiện mô phỏng các giao thức đã đề xuất.

ƒ

Khảo sát, đánh giá các kết quả và nhận xét.

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

09-02-2004

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 06-07-2005
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS. PHẠM HỒNG LIÊN
CHỦ NHIỆM NGÀNH

CN BỘ MÔN
QL CHUYÊN NGÀNH

(Học hàm, học vị, họ tên và chữ ký)
Nội dung và đề cương luận văn thạc só đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua.
Ngày
TRƯỞNG PHÒNG ĐT- SĐH

tháng

năm 2005

TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH


TÓM TẮT LÝ LỊCH TRÍCH NGANG
Họ và tên: VÕ QUẾ SƠN
Ngày, tháng, năm sinh: 10-04-1980
Nơi sinh: Quảng Ngãi
Địa chỉ liên lạc: 61/430B – Quang Trung – P.12 – Gò Vấp - TPHCM.
Điện thoại: 84-0908.259.522
Email:,
QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO
2003 – 2005: học viên cao học ngành Kỹ Thuật Vô Tuyến & Điện Tử, trường Đại
học Bách Khoa TPHCM.
1998 – 2003: sinh viên ngành Điện tử – Viễn thông, trường Đại học Bách Khoa
TPHCM, tốt nghiệp loại Giỏi.
QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC
2003 – 2004: kỹ sư thiết kế phần cứng làm việc tại công ty Arrive Technologies
Vietnam .
2004 – 2005: cán bộ giảng dạy tại Bộ môn Viễn thông, Khoa Điện – Điện tử,
Trường Đại học Bách Khoa TPHCM.
QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

Các bài báo đã đăng:
- “Ứng dụng ANFIS triệt nhiễu trong hệ thống DS-CDMA”, Tạp chí phát triển
khoa học công nghệ, ĐHQGTPHCM, tập 6 số 9, trang 5-14, tháng 10-2003.
- “Khảo sát các phương pháp triệt nhiễu giao thoa đa truy cập trong hệ thống
DS-CDMA đồng bộ”, Tạp chí phát triển khoa học công nghệ, ĐHQGTPHCM,
tập 6 số 7, trang 56-66, 2003.
Các đề tài đã tham gia:
- “Nghiên cứu đánh giá và tìm biện pháp nâng cao chất lượng hệ thống thông tin
di động CDMA”, đề tài NCHK cấp trường, 2002-2003.
- “System on Chip”, dự án thiết kế Chip mạng của công ty Arrive Technologies
Vietnam từ tháng 5-2003 đến tháng 3-2005.
- “Xây dựng phần mềm mô phỏng hệ thống Điện tử-Viễn thông phục vụ giảng dạy
thực hành”, đề tài NCKH cấp Thành phố, năm 2004.
- “Điều khiển tắc nghẽn trong các mạng thông tin”, đề tài NCKH cấp Bộ, 2004.


LỜI CẢM ƠN
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy cô đã
truyền đạt những kiến thức quý báu cho chúng em trong khóa học
giúp em có đủ kiến thức và khả năng hoàn thành đề tài luận văn
này.
Em xin chân thành cảm ơn cô Phạm Hồng Liên, thầy Tạ Trí
Nghóa đã hết lòng quan tâm và hướng dẫn tận tình, tạo mọi điều
kiện thuận lợi để em có thể hoàn thành tốt đề tài.
Xin cảm ơn cha mẹ đã động viên con trong suốt khoảng thời
gian đã qua, giúp con hiểu lẽ phải, sống vì những lý tưởng cao cả,
vì những điều tốt đẹp nhất, và vì tất cả những gì cha mẹ mong
muốn nhưng chưa thực hiện được.
Xin cảm ơn tất cả các bạn bè trong và ngoài lớp đã động
viên, khích lệ trong quá trình học tập cũng như trong thời gian thực

hiện luận văn này.
Thành phố Hồ Chí Minh
Ngày 06 tháng 07 năm 2005


GIỚI THIỆU CHUNG
Với các mạng IP truyền thống hiện nay, khả năng cung cấp QoS hoàn toàn cho lưu
lượng rất khó khăn. Cùng với giao thức định tuyến hop-by-hop, các luồng lưu lượng IP có
khuynh hướng tập trung theo một đường đi tốt nhất xác định, do đó làm tăng khả năng tắc
nghẽn của mạng. MPLS ra đời nhằm tăng tốc độ chuyển tiếp các gói thông tin tại các nút mạng
bằng cách xử lý định tuyến trên các nhãn được gắn thêm vào các gói IP đồng thời hỗ trợ cho
việc thực hiện kỹ thuật lưu lượng của các nhà khai thác mạng đơn giản và linh động hơn nhiều
so với mạng IP truyền thống.
Tuy vậy, MPLS vẫn chưa hỗ trợ khả năng tái định tuyến động khi tắc nghẽn xảy ra. Một
số các nghiên cứu trong và ngoài nước đã được khảo sát khả năng trên của MPLS song kết quả
thu được còn rất khiêm tốn. Tất cả đều dựa trên nguyên tắc quản lý động các luồng lưu lượng
đi qua mạng MPLS bằng cách tái cân bằng các luồng trong suốt các quá trình tắc nghẽn. Các
giải thuật được đưa ra cho phép các router chuyển mạch nhãn (LSR) có khả năng tối ưu các cơ
chế bên trong mạng MPLS để có thể báo hiệu khi nào các luồng lưu lượng bắt đầu có hiện
tượng mất gói/khung và có phản ứng với hiện tượng này. Dựa vào SLA của người dùng và ISP
cùng với các thông tin về luồng dữ liệu tức thời, LER có thể thay đổi các LSP, phá hủy các quá
trình tắc nghẽn.
Các đề tài đã nghiên cứu về vấn đề này chỉ khảo sát hai cơ chế gọi là FATE và FATE+.
Chúng là các mở rộng của giao thức báo hiệu CR-LDP và chúng có khả năng cung cấp thêm
các chức năng để có thể chi phối hoạt động của LER ngõ vào và LSR lõi khi tắc nghẽn xảy ra.
Thêm vào đó, các giải thuật quản lý mềm dẻo có thể được tích hợp vào LER ngõ vào để kích
hoạt nó đáp ứng với các thông tin nghẽn đã được báo hiệu, SLA của người dùng và các yêu cầu
của nhà khai thác mạng. [Fel2000], [Nam]
Nhưng các kết quả khảo sát của các đề tài trên chỉ thực hiện độc lập các giải thuật FATE
hay FATE+ , điều này khó có thể áp dụng trong thực tế hiện nay bởi vì các mạng hiện nay đều là

không đồng nhất. Đồng thời các giải pháp đã nêu đều có những nhược điểm chưa được các
nghiên cứu khảo sát kỹ lưỡng như vấn đề lặp vòng gói, thời gian trễ gói do bị lặp vòng, khả năng
tìm được đường đi thay thế nhưng lại không đủ tài nguyên để thực hiện, … Những điều này làm
ảnh hưởng đến chất lượng của các luồng lưu lượng.
Trong đề tài này, tác giả đã đề xuất một cơ chế thứ ba là FATE++ kết hợp ưu điểm của
hai cơ chế trên mang lại sự linh động trong việc điều khiển tắc nghẽn. Cơ chế này hoạt động
bằng cách lựa chọn tối ưu giữa một trong hai cơ chế FATE, FATE+ cùng với một số cải tiến giải
thuật để có thể xử lý tắc nghẽn ngay cả khi các tài nguyên mạng hạn chế hoặc tránh được hiện
tượng lặp vòng packet. Để làm được điều này nó thực hiện giải quyết việc tái định tuyến theo cơ
chế quay lui. Nhờ vậy, trong một số trường hợp nghẽn quá lớn, FATE++ vẫn có thể xử lý tốt.
Các kết quả mô phỏng cùng những đánh giá chất lượng, các nghiên cứu mở rộng trong
tương lai cũng được đề cập trong đề tài này.


Trang i

MỤC LỤC
Trang
1

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ................................................................................................ 1
1.1
1.2
1.3

2

TỔNG QUAN ................................................................................................................. 1
MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI .................................................................................................. 2
CẤU TRÚC CỦA ĐỀ TÀI .................................................................................................. 3

CHƯƠNG 2 MPLS - CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC .................................. 1
2.1
TỔNG QUAN VỀ MPLS ................................................................................................. 1
2.1.1 Mạng lõi Internet .................................................................................................... 1
2.1.1.1
Mạng lõi dùng router (Router-based core network) ....................................... 1
2.1.1.2
Mạng lõi dùng switch (Switch-based core network)....................................... 2
2.1.2 Multi-Protocol Label Switching (MPLS)................................................................ 3
2.2
KIẾN TRÚC MẠNG MPLS.............................................................................................. 5
2.2.1 Các thành phần trong MPLS................................................................................... 5
2.2.1.1
Router chuyển mạch nhãn - LSR .................................................................... 5
2.2.1.2
Router biên chuyển mạch nhãn - LER............................................................ 6
2.2.1.3
Đường chuyển mạch nhãn – LSP.................................................................... 6
2.2.1.4
Các lớp chuyển tiếp tương đương – FEC ........................................................ 6
2.2.1.5
Nhãn – Label .................................................................................................. 6
2.2.1.6
Ngăn xếp nhãn - Label stack .......................................................................... 7
2.2.1.7
LSR hướng lên và LSR hướng xuống.............................................................. 8
2.2.1.8
Các thông điệp LDP........................................................................................ 8
2.2.2 Cơ sở dữ liệu ........................................................................................................... 9

2.2.2.1
Bảng NHLFE .................................................................................................. 9
2.2.2.2
Bảng FTN (FEC-to-NHLFE)......................................................................... 10
2.2.2.3
Bảng ILM...................................................................................................... 10
2.2.2.4
Định danh LDP và các địa chỉ hop kế tiếp .................................................... 10
2.2.2.5
Hoán đổi nhãn (Label swapping).................................................................. 11
2.2.2.6
Cơ chế đường ống (Tunnelling) .................................................................... 12
2.2.3 Chọn đường đi....................................................................................................... 13
2.2.4 Giao thức phân phối nhãn - LDP .......................................................................... 13
2.2.4.1
Các yêu cầu về kỹ thuật lưu lượng trong mạng............................................. 13
2.2.4.2
LDP ............................................................................................................... 14
2.2.5 Các chế độ hoạt động ........................................................................................... 17
2.2.5.1
Chế độ phân phối nhãn (Label Distribution Modes)..................................... 17
2.2.5.2
Chế độ điều khiển LSP (LSP Control Modes) .............................................. 17
2.2.5.3
Chế độ duy trì nhãn (Label Retention Modes) ............................................. 18
2.2.6 Thiết lập và duy trì LSP........................................................................................ 19
2.2.7 CR-LDP ................................................................................................................ 21
2.2.7.1
Thiết lập và duy trì CR-LSP ......................................................................... 21
2.2.7.2

Thiết lập ER-LSP chặt (Strict ER-LSP) ........................................................ 22
Điều khiển tắc nghẽn trong mạng MPLS


Trang ii
2.2.7.3
Thiết lập ER-LSP lỏng (Loose ER-LSP) ...................................................... 23
2.2.7.4
Độ ưu tiên trong CR-LDP (CR-LDP Preemption) ........................................ 23
2.2.7.5
Ưu điểm của CR-LDP ................................................................................... 23
2.2.8 Tách biệt mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng chuyển tiếp ................................. 24
2.2.9 AToM – Mạng cho các loại giao thức truyền tải bất kỳ ....................................... 25
3

CHƯƠNG 3 ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN TRONG MẠNG INTERNET ......................... 26
3.1
TẮC NGHẼN ................................................................................................................ 26
3.2
CÁC NGUYÊN TẮC CƠ BẢN VỀ ĐIỀU KHIỂN NGHẼN ....................................................... 27
3.3
QOS – CHẤT LƯNG DỊCH VỤ ..................................................................................... 28
3.3.1 Dịch vụ Best-Effort............................................................................................... 28
3.3.2 Dịch vụ tích hợp (IntServ) .................................................................................... 29
3.3.3 Dịch vụ phân biệt (DiffServ) ................................................................................ 30
3.4
CÁC CHÍNH SÁCH NGĂN CHẶN NGHẼN ......................................................................... 31
3.4.1 Các giải pháp về thùng chứa (Bucket).................................................................. 31
3.4.1.1
Giải thuật Leaky Bucket ............................................................................... 31

3.4.1.2
Giải thuật Token Bucket ............................................................................... 32
3.4.2 Kiểm soát và đánh dấu (Policing and Marking) ................................................... 33
3.4.3 Sửa dạng lưu lượng (Traffic Shaping)................................................................... 34
3.4.4 Hàng đợi (Queue) ................................................................................................. 35
3.4.4.1
FIFO .............................................................................................................. 35
3.4.4.2
Hàng đợi người dùng – CQ ........................................................................... 35
3.4.4.3
Hàng đợi ưu tiên – PQ................................................................................... 36
3.4.4.4
Hàng đợi công bằng theo trọng số – WFQ.................................................... 36
3.4.5 Lịch trình lưu lượng (Traffic Scheduling) ............................................................. 41
3.4.6 Kỹ thuật nhận dạng ứng dụng trên cơ sở mạng – NBAR...................................... 42
3.5
KỸ THUẬT LƯU LƯNG TRONG MPLS......................................................................... 44
3.5.1 Tổng quan về kỹ thuật lưu lượng trong mạng MPL .............................................. 44
3.5.1.1
Mối quan hệ giữa EXT (CoS) và DSCP........................................................ 45
3.5.1.2
E-LSP và L-LSP............................................................................................ 45
3.5.2 Đường đi ngắn nhất và tắc nghẽn ......................................................................... 46
3.5.3 Kết hợp các VC – VC Merge ............................................................................... 47
3.5.4 Tái định tuyến nhanh – FRR................................................................................. 48
3.5.4.1
Tái định tuyến toàn cục - Global fast reroute ............................................... 50
3.5.4.2
Tái định tuyến vùng - Region FRR .............................................................. 50
3.5.4.3

Tái định tuyến nội bộ - Local FRR ............................................................... 51
3.5.4.4
Tái định tuyến Haskin................................................................................... 51
3.5.5 Cân bằng tải và cơ chế đường ống trong MPLS ................................................... 51
3.5.5.1
Cải tiến giải thuật SPF .................................................................................. 51
3.5.5.2
Cân bằng tải bằng cơ chế sử dụng đường ống dự trữ..................................... 52
3.5.5.3
Cân bằng tải bằng cách thay đổi các trọng số tính toán của SPF.................. 53
3.5.6 Chính sách cân bằng tải đa đường trong các giao thức định tuyến ....................... 55

4

CHƯƠNG 4 KỸ THUẬT LƯU LƯNG ĐÁP ỨNG NHANH........................................ 56

Điều khiển tắc nghẽn trong mạng MPLS


Trang iii
4.1
SỰ RA ĐỜI FATE........................................................................................................ 56
4.2
NGỮ CẢNH KỸ THUẬT LƯU LƯNG .............................................................................. 56
4.2.1 Môi trường giám sát đa dịch vụ ............................................................................ 56
4.2.2 Giám sát lưu lượng luồng dữ liệu .......................................................................... 57
4.3
FATE – KỸ THUẬT LƯU LƯNG ĐÁP ỨNG NHANH ...................................................... 59
4.3.1 Phát hiện nghẽn ở CR-LSP ................................................................................... 59
4.3.2 Khả năng mở rộng ................................................................................................ 65

4.3.3 Cơ chế tái thương lượng (Renegotiation).............................................................. 66
4.3.3.1
Bảng bộ đệm (Buffer Table)......................................................................... 66
4.3.3.2
Bảng yêu cầu bộ đệm (Buffer Requirement Table) ..................................... 67
4.3.3.3
Các thủ tục tái thương lượng ......................................................................... 67
4.3.3.4
Tái thương lượng dọc theo một LSP có sẵn lên một chuỗi bộ đệm cao hơn . 68
4.3.4 Các thủ tục giám sát.............................................................................................. 74
4.4
FATE+ ....................................................................................................................... 76
4.4.1 Phản ứng của LSR đối với tắc nghẽn .................................................................... 77
4.4.1.1
Chuyển các luồng dữ liệu bị nghẽn lên bộ đệm có độ ưu tiên cao................ 77
4.4.1.2
FATE+ hướng xuống...................................................................................... 78
4.4.1.3
FATE+ hướng lên .......................................................................................... 79
4.5
FATE++ ..................................................................................................................... 80
4.5.1 Nhược điểm của hai cơ chế FATE và FATE+ ....................................................... 81
4.5.1.1
Vấn đề về lặp tái định tuyến trong FATE+ ................................................... 81
4.5.1.2
Tái định tuyến trong các trường hợp tài nguyên hạn chế .............................. 82
4.5.2 Cải tiến hai cơ chế trên bằng cơ chế FATE++ ....................................................... 82
4.6
KẾT LUẬN .................................................................................................................. 85
5

CHƯƠNG 5 MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ ....................................................................... 86
5.1
GIỚI THIỆU VỀ NS (NETWORK SIMULATOR) ............................................................... 86
5.2
KIẾN TRÚC MNS TRONG NS-2 TRÊN NỀN LINUX ........................................................ 86
5.2.1 Mô hình của MNS hỗ trợ QoS .............................................................................. 86
5.2.2 Chuyển mạch nhãn ............................................................................................... 87
5.2.3 Xử lý lưu lượng thời gian thực trong MPLS .......................................................... 88
5.2.4 Chiếm giữ tài nguyên............................................................................................ 89
5.2.5 Mức phân lớp ........................................................................................................ 90
5.3
TOPO VÀ CÁC THAM SỐ MẠNG .................................................................................... 90
5.3.1 Topo mạng MPLS mô phỏng ................................................................................ 90
5.3.2 Các tham số chung dùng để mô phỏng ................................................................. 91
5.3.3 Các chỉ tiêu đánh giá trong đề tài ......................................................................... 91
5.4
CÁC KỊCH BẢN MÔ PHỎNG .......................................................................................... 91
5.4.1 Kịch bản 1 : Các kỹ thuật tái định tuyến cơ bản ................................................... 92
5.4.2 Kịch bản 2 : FATE ................................................................................................ 95
5.4.3 Kịch bản 3 : FATE+ hướng lên .............................................................................. 98
5.4.4 Kịch bản 4 : FATE+ hướng xuống....................................................................... 101
5.4.4.1
Trường hợp 1: Lặp vòng packet .................................................................. 101
5.4.4.2
Trường hợp 2: có thể tái định tuyến mà không bị lặp vòng packet ............. 103

Điều khiển tắc nghẽn trong mạng MPLS

Trang iv
5.4.5 Kịch bản 5 : FATE++ ........................................................................................... 104
5.4.5.1
Trường hợp 1: FATE++ dùng cơ chế FATE ................................................. 104
5.4.5.2
Trường hợp 2: FATE++ chọn cơ chế FATE+ hướng lên ............................... 105
5.4.5.3
Trường hợp 2: FATE++ chọn cơ chế FATE+ hướng xuống .......................... 106
5.4.6 Tổng hợp ............................................................................................................. 107
5.4.6.1
Bảng số liệu tổng hợp mô phỏng................................................................. 107
5.4.6.2
Số packet bị hủy tại các hàng đợi trong LSR nghẽn ................................... 108
5.4.6.3
Thời gian khôi phục nghẽn.......................................................................... 109
5.4.6.4
Băng thông cho luồng lưu lượng ................................................................. 110
6

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................................. 112
6.1
6.2

KẾT LUẬN ................................................................................................................ 112
HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................................................. 113

Điều khiển tắc nghẽn trong mạng MPLS


Trang v

MỤC LỤC
Trang
Hình 2-1: Các hệ thống tự trị trong Internet................................................................................. 1
Hình 2-2: Mô hình overlay của mạng ATM................................................................................... 2
Hình 2-3: Ví dụ về mạng MPLS .................................................................................................... 3
Hình 2-4: So sánh kỹ thuật chuyển tiếp IP và MPLS .................................................................... 4
Hình 2-5: Kiến trúc đa dịch vụ của MPLS .................................................................................... 5
Hình 2-6: Mạng MPLS điển hình ................................................................................................. 5
Hình 2-7: FEC .............................................................................................................................. 6
Hình 2-8: Cấu trúc shim-header ................................................................................................... 7
Hình 2-9: Kiến trúc GMPLS sử dụng ngăn xếp nhãn .................................................................... 7
Hình 2-10: Ngăn xếp nhãn hỗ trợ đa dịch vụ ................................................................................ 8
Hình 2-11: LSR hướng lên và hướng xuống .................................................................................. 8
Hình 2-12: Định dạng của thông điệp LDP .................................................................................. 8
Hình 2-13: Định dạng của mã hóa TLV ........................................................................................ 9
Hình 2-14: Bảng NHLFE .............................................................................................................10
Hình 2-15: Bảng FTN ..................................................................................................................10
Hình 2-16: Bảng ILM...................................................................................................................10
Hình 2-17: Quá trình xử lý packet tại LSR ngõ vào .....................................................................11
Hình 2-18: Quá trình xử lý packet tại LSR trung gian .................................................................12
Hình 2-19: Quá trình xử lý packet tại LSR ngõ ra .......................................................................12
Hình 2-20: Cơ chế tunnel.............................................................................................................13
Hình 2-21: Quá trình thiết lập của giao thức LDP cho LSP ........................................................15
Hình 2-22: Phân phối nhãn theo yêu cầu .....................................................................................17
Hình 2-23: Phân phối nhãn không theo yêu cầu ..........................................................................17
Hình 2-24: Topo mạng cho các chế độ duy trì nhãn ....................................................................18
Hình 2-25: Chế độ duy trì nhãn tiết kiệm.....................................................................................18
Hình 2-26: Chế độ duy trì nhãn tự do ..........................................................................................19
Hình 2-27: Quan hệ FEC-nhãn ....................................................................................................19

Hình 2-28: Quá trình phân phối nhãn giữa các LSR....................................................................20
Hình 2-29: Định dạng thông điệp Label Request của LDP..........................................................20
Hình 2-30: Định dạng thông điệp Label Mapping của LDP ........................................................20
Hình 2-31: LSP đã được thiết lập.................................................................................................21
Hình 2-32: Định dạng thông điệp Label Request của CR-LDP ...................................................22
Hình 2-33: Các mặt phẳng chuyển tiếp và mặt phẳng điều khiển ................................................25
Hình 2-34: Ánh xạ nhãn trên các giao thức truyền tải lớp 2 ........................................................25
Hình 3-1: Hiện tượng xảy ra tắc nghẽn ........................................................................................26
Hình 3-2: Tránh tắc nghẽn trong mạng IP...................................................................................27
Hình 3-3: Kiến trúc IntServ .........................................................................................................29
Hình 3-4: Kiến trúc DiffServ........................................................................................................30
Hình 3-5: DSCP trong DiffServ ...................................................................................................31
Hình 3-6: Cơ chế Leaky Bucket....................................................................................................32
Hình 3-7: Cơ chế Token Bucket ...................................................................................................33
Hình 3-8: CAR .............................................................................................................................33
Điều khiển tắc nghẽn trong mạng MPLS


Trang vi
Hình 3-9: Sửa dạng lưu lượng ......................................................................................................35
Hình 3-10: Cấu trúc CQ ..............................................................................................................35
Hình 3-11: Cấu trúc PQ...............................................................................................................36
Hình 3-12: Cấu trúc WFQ ...........................................................................................................37
Hình 3-13: Thông tin về độ ưu tiên trong packet IP.....................................................................38
Hình 3-14: Xác suất hủy packet trong RED .................................................................................39
Hình 3-15: WRED ........................................................................................................................40
Hình 3-16: Head of Line Blocking ...............................................................................................41
Hình 3-17: Hàng đợi ngõ ra ảo ....................................................................................................42
Hình 3-18: NBAR cung cấp sự phân lớp thông minh cho mạng ...................................................43
Hình 3-19: Sử dụng NBAR cung cấp QoS ....................................................................................43

Hình 3-20: Sơ đồ khối quản lý lưu lượng trong MPLS .................................................................44
Hình 3-21: Sơ đồ khối quản lý lưu lượng trong MPLS .................................................................45
Hình 3-22: QoS trong E-LSP .......................................................................................................46
Hình 3-23: QoS trong L-LSP .......................................................................................................46
Hình 3-24: Giao thức định tuyến tìm đường đi ngắn nhất trên cơ sở IP.......................................47
Hình 3-25: Giao thức định tuyến bằng cách xây dựng đường ống trong MPLS ..........................47
Hình 3-26: Kết hợp các luồng lưu lượng trong MPLS..................................................................48
Hình 3-27: Tái định tuyến nhanh bằng đường ống dự trữ ............................................................49
Hình 3-28: Tái định tuyến toàn cục .............................................................................................50
Hình 3-29: Tái định tuyến vùng ...................................................................................................50
Hình 3-30: Tái định tuyến cục bộ.................................................................................................51
Hình 3-31: Tái định tuyến Haskin................................................................................................51
Hình 3-32: Cân bằng tải trên đường đi IP và đường đi TE ..........................................................53
Hình 3-33: Topo không có đường ống TE ....................................................................................54
Hình 4-1: Mô hình cung cấp đa dịch vụ .......................................................................................57
Hình 4-2: Ví dụ về một template lịch trình...................................................................................57
Hình 4-3: Thiết lập lưu lượng.......................................................................................................58
Hình 4-4: Chuỗi bộ đệm đồng nhất dọc theo CR-LSP .................................................................58
Hình 4-5: CR-LSP đi qua chuỗi bộ đệm lớp dịch vụ cao hơn.......................................................59
Hình 4-6: CR-LSP đi qua nhiều hơn một loại dịch vụ ..................................................................59
Hình 4-7: Phát hiện nghẽn tại các bộ đệm best-effort .................................................................60
Hình 4-8: Cấu hình bộ đệm QoS ..................................................................................................60
Hình 4-9: Tính toán độ mất packet tại các bộ đệm ngõ vào.........................................................61
Hình 4-10: LSR giám sát nguồn gốc phát hiện nghẽn ..................................................................62
Hình 4-11: Quá trình cảnh báo của LSR......................................................................................62
Hình 4-12: Định dạng Congestion Indication TLV ......................................................................63
Hình 4-13: Quá trình LSR nhận thông điệp CIN..........................................................................63
Hình 4-14: Bảng Congestion Indication ......................................................................................64
Hình 4-15: Sử dụng ngăn xếp nhãn để tạo ra VS/VD và cho phép kết hợp lưu lượng ..................66
Hình 4-16: Buffer Table ...............................................................................................................67

Hình 4-17: Buffer Requirement Table..........................................................................................67
Hình 4-18: Quá trình xử lý tái thương lượng................................................................................68
Hình 4-19: Chỉ định băng thông trong chuỗi bộ đệm cao hơn .....................................................69
Hình 4-20: Reneg Success TLV ....................................................................................................70
Điều khiển tắc nghẽn trong mạng MPLS


Trang vii
Hình 4-21: Thủ tục chấp nhận RenegSuccess của LSR ................................................................70
Hình 4-22: Reneg Failure TLV ....................................................................................................71
Hình 4-23: Thủ tục chấp nhận RenegFailure của LSR ................................................................71
Hình 4-24: Cập nhật Buffer Table khi nhận được thông điệp Reneg Failure...............................71
Hình 4-25: Xóa bỏ entry từ Buffer Table khi nhận được thông điệp Reneg Failure.....................72
Hình 4-26: Quá trình tái thương lượng dọc theo CR-LSP có sẵn .................................................72
Hình 4-27: Agreed Parameter TLV..............................................................................................73
Hình 4-28: Negotiated Parameter TLV........................................................................................73
Hình 4-29: Chiếm giữ tài nguyên thành công ..............................................................................73
Hình 4-30: Cấp phát tài nguyên không thành công .....................................................................74
Hình 4-31: Statistical Control TLV..............................................................................................75
Hình 4-32: Statistical Buffer Table ..............................................................................................75
Hình 4-33: Thủ tục chấp nhận Status Request của LSR ...............................................................76
Hình 4-34: Statistical Information TLV .......................................................................................76
Hình 4-35: Statistical TLV ...........................................................................................................76
Hình 4-36: CR-LSP được tái định tuyến qua một bộ đệm khác ....................................................78
Hình 4-37: CR-LSP được tái định tuyến qua LSR hướng xuống...................................................78
Hình 4-38: No Resources TLV .....................................................................................................79
Hình 4-39: CR-LSP được tái định tuyến qua LSR hướng lên .......................................................80
Hình 4-40: Resources Available TLV..........................................................................................80
Hình 4-41: Mô hình FATE++ .......................................................................................................81
Hình 4-42: Hiện tượng lặp vòng packet ......................................................................................82

Hình 4-43: Có thể tái định tuyến nhưng không đủ tài nguyên .....................................................82
Hình 4-44: Sơ đồ giải thuật FATE++ ...........................................................................................84
Hình 4-45: Xử lý lặp vòng packet trong FATE++ ........................................................................84
Hình 4-46: Xử lý tái định tuyến khi không đủ tài nguyên trong FATE++ ....................................85
Hình 5-1: Mô hình MPLS trong MNS .........................................................................................87
Hình 5-2: Kiến trúc nút MPLS cho chuyển mạch nhãn ...............................................................88
Hình 5-3: Cấu trúc các bảng cơ sở dữ liệu trong MNS ...............................................................88
Hình 5-4: Xử lý QoS của lưu lượng tại nút và liên kết MPLS......................................................89
Hình 5-5: Quá trình chiếm giữ tài nguyên tại nút và kết nối.......................................................89
Hình 5-6: Mức dịch vụ trong MNS..............................................................................................90
Hình 5-7: Topo mạng MPLS dùng để mô phỏng các kịch bản ....................................................90
Hình 5-8: Tái định tuyến dùng cơ chế Makam ............................................................................92
Hình 5-9: Tái định tuyến dùng cơ chế Shortest-Dynamic ...........................................................93
Hình 5-10: Tái định tuyến dùng cơ chế Simple-Dynamic............................................................94
Hình 5-11: Tái định tuyến dùng cơ chế FATE.............................................................................95
Hình 5-12: Băng thông của hai luồng lưu lượng trong FATE .....................................................95
Hình 5-13: Đường đi của luồng lưu lượng Source1 ban đầu .......................................................96
Hình 5-14: Tắc nghẽn xảy ra tại LSR3........................................................................................96
Hình 5-15: Đường đi của 2 luồng lưu lượng sau khi giải quyết tắc nghẽn ..................................97
Hình 5-16: Tái định tuyến dùng cơ chế FATE+ hướng lên ..........................................................98
Hình 5-17: Băng thông của các luồng lưu lượng trong FATE+ hướng lên ..................................98
Hình 5-18: Thiết lập đường đi ban đầu của Source1 ..................................................................99
Hình 5-19: Tắc nghẽn xảy ra tại LSR3........................................................................................99
Điều khiển tắc nghẽn trong mạng MPLS


Trang viii
Hình 5-20:
Hình 5-21:
Hình 5-22:

Hình 5-23:
Hình 5-24:
Hình 5-25:
Hình 5-26:
Hình 5-27:
Hình 5-28:
Hình 5-29:
Hình 5-30:
Hình 5-31:
Hình 5-32:
Hình 5-33:
Hình 5-34:

Đường đi của các luồng lưu lượng sau khi giải quyết tắc nghẽn ............................100
Tái định tuyến dùng cơ chế FATE+ hướng xuống ...................................................101
Đường đi của lưu lượng Source1 ban dầu ...............................................................101
Đường đi của lưu lượng Source1 ban dầu ...............................................................102
Đường đi của hai luồng lưu lượng ..........................................................................102
Đường đi của luồng lưu lượng Source1 ban đầu .....................................................103
Đường đi của hai luồng lưu lượng sau khi giải quyết tắc nghẽn .............................103
FATE++ sử dụng cơ chế FATE để điều khiển tắc nghẽn..........................................104
FATE++ sử dụng giải thuật FATE+ hướng lên để giải quyết tắc nghẽn...................105
FATE++ sử dụng giải thuật FATE+ hướng xuống để giải quyết tắc nghẽn ..............106
Bảng kết quả trong một số trường hợp nghẽn .........................................................107
Số packet bị hủy tại LSR nghẽn ..............................................................................108
Thời gian khôi phục nghẽn trong các trường hợp sự cố kết nối ..............................109
Bảng giá trị băng thông tại đích trong suốt quá trình mô phỏng............................111
Đồ thị băng thông trong suốt quá trình mô phỏng tại đích.....................................111

THUẬT NGỮ

AAL
APS
ARP
AS
ATM
BGP
BUS
CAC
CAR
CBQ
CBWFQ
CBS
CDR
CIN
CLIP
CLP
CIR
CLS
CoS
CPU
CQ
CR-LDP
CR-LSP
Diffserv
DoD
DoS

Asynchronous Transfer Mode Adaptation Layer
Automatic Protection Switching
Address Resolution Protocol

Autonomous System
Asynchronous Transfer Mode
Border Gateway Protocol
Broadcast and Unknown Server
Connection Admission Control
Committed Accesss Rate
Class Based Queueing
Class Based Weighted Fair Queueing
Committed Burst Size
Committed Data Rate
Congestion Indication Notification
Classical IP over ATM
Cell Loss Probability
Committed Information Rate
Controlled Load Service
Class of Service
Central Processing Unit
Custom Queueing
Constraint-based Routed Label Distribution Protocol
Constraint-based Routed Label Switch Path
Differentiated Services Model
Department of Defence
Depth of Search
Điều khiển tắc nghẽn trong mạng MPLS


Trang ix
DRR
DSCP
DTS

DWDM
E-LSP
ER
ERB
ER-LSP
EXP
F
FATE
FEC
FIFO
FR
FTP
FTN
FTP
GII
GRS
GSMP
HOL
ID
IETF
IGP
ILM
IP
IPv4
IPv6
IPX
ISA
ISP
ITU
LIB

LIS
LAN
LANE
LE-ARP
LEC
LECS
LDP
LES
LE
LER
L-LSP

Deficited Round Robin
DiffSer Code Points
Distributed Traffic Shaping
Dense Wavelength Division Multiplexing
EXP-Infrred-PSC LSP
Explicit Route
Explicit Routing Table
Explicit Routed Label Switched Path
Experimential
Forward
Fast Acting Traffic Engineering
Forward Equivalence Class
First –In First-Out
Frame Relay
File Transfer Protocol
Forward Equivalence Class – to- Next Hop Label Forwarding Entry
File Transfer Protocol
Global Information Infrastructure

Guaranteed Rate Service
Generic Switch Management Protocol
Head of Line
Identifier
Internet Engineering Task Force
Interior Gateway Protocol
Incoming Label Map
Internet Protocol
Internet Protocol version 4
Internet Protocol version 6
Internetwork Packet Exchange
Integrated Service Architecture
Internet Service Provider
International Telecommunication Union
Label Information Base
Logical Internet Protocol Subnet
Local Area Network
Local Area Network Emulation
LAN Emulation Address Resolution Protocol
LAN Emulation Client
LAN Emulation Configuration Server
Label Distribution Protocol
LAN Emulation Server
Service LAN Emulation Service
Label Edge Router
Label-Only-Inferred-PSC LSP
Điều khiển tắc nghẽn trong mạng MPLS


Trang x

LOQ
LSP
LSR
MPOA
MPC
MPS
NAK
NBAR
NBMA
NHLFE
NHRP
NHS
NS
MAC
MNS
OSI
OSPF
PBS
PDLM
PDR
PDU
PFT
PHB
PIL
PML
PPP
PSTN
QoS
QoSR
QRMM

RNG
RED
RR
MDRR
RSVP
PQ
S
SDH
SLA
SONET
SPE
SPF
TCP
TCB

Local Output Queue
Label Switch Path
Label Switching Router
Multi-Protocol Over ATM
MPOA Client
MPOA Server
Negative Acknowledgement
Network-Based Application Recognition
Non-Broadcast Multiple-Access
Next Hop Label Forwarding Entry
Next Hop Resolution Protocol
Next Hop Server
Network Simulator
Medium Access Control
MPLS Network Simulator

Open System Interconnection
Open Shortest Path First
Packet Burst Size
Packet Description Language Module
Peak Data Rate
Protocol Data Unit
Partial Forward Table
Per-Hop-Behavior
Protection Ingress LSR
Protection Merge LSR
Point-to-Point Protocol
Public Switched Telephone Network
Quality of Service
QoS Routing
QoS Resource Management Method
Random Number Generator
Random Early Detection
Round Robin
Modified Deficited Round Robin
ReSerVation Protocol
Priority Queueing
Stack
Synchronous Digital Hierarchy
Service Level Agreement
Synchronous Optical Network
SONET Payload Envelope
Shortest Path First
Transport Control Protocol
Traffic Conditioner Block
Điều khiển tắc nghẽn trong mạng MPLS

Trang xi
TFTP
ToS
TLV
TTL
U
UBR
UDP
VC
VCI
VPI
VD
VN
VOQ
VPN
VS
WAN
WFQ
WRED

Trivial File Transfer Protocol
Type of Service
Type Length Value
Time-To-Live
Unknown
Unspecified Bit Rate
User Datagram Protocol
Virtual Circuit

Virtual Circuit Identifier
Virtual Path Identifier
Virtual Destination
Virtual Network
Virtual Output Queue
Virtual Private Network
Virtual Source
Wide Area Network
Weighted Fair Queueing
Weighted Random Early Detection

Điều khiển tắc nghẽn trong mạng MPLS


Trang 1

1 CHƯƠNG 1
1.1

GIỚI THIỆU

Tổng quan

Kiến trúc của mạng Internet hiện này sử dụng mô hình IP trên nền tảng ATM sử dụng
giao thức TCP để điều khiển luồng và điều khiển tắc nghẽn cho các dịch vụ không cần thời
gian thực. Nhưng TCP chỉ là một cơ chế end-to-end. Trong các mạng thương mại, việc điều
khiển tắc nghẽn dựa trên cơ chế này không được ưa chuộng. Các tác động riêng trên những
luồng dữ liệu của người dùng này không cho phép được tác động đến những luồng dữ liệu của
người dùng khác. Để làm được điều này một số chính sách được sử dụng trong giao thức TCP
như :

•

Thông tin header trong IP cung cấp cơ chế phân lớp loại dịch vụ (ToS), nhưng cho đến
nay kiến trúc mạng vẫn không được khai thác một cách triệt để đối với các lưu lượng
phân biệt (DiffServ).

•

Việc giám sát chặt chẽ các thông tin không phải là một giải pháp tốt và không đảm bảo
rằng có thể tránh tắc nghẽn tại mọi thời điểm, nó tùy thuộc vào trạng thái hiện tại của
mạng.

•

Các mô hình dịch vụ phân biệt (DiffServ) cung cấp một cơ chế cho việc ưu tiên hóa các
luồng lưu lượng, điều chỉnh lịch trình xử lý và điều khiển nghẽn, đồng thời hoạt động
riêng biệt trên mỗi phân lớp dịch vụ (CoS), nhưng lại thiếu khả năng đáp ứng với những
sự biến đổi quá lớn về lưu lượng quá độ.

Một số các ISP giải quyết các vấn đề về điều khiển tắc nghẽn bằng cách áp dụng các
kỹ thuật lưu lượng trên các mạng của họ. Trong các kiến trúc mạng được giám sát một cách
chặt chẽ, việc đảm bảo các thiết lập về chất lượng luồng dữ liệu cần phải biết chính xác các
thông tin về dung lượng đường truyền, điều này rất khó để đảm bảo QoS bởi vì còn tùy thuộc
vào sự thay đổi tải trong mỗi liên kết. Kỹ thuật lưu lượng là một khái niệm rất quan trọng được
các ISP khai thác để cân bằng tải lưu lượng trên các liên kết khác nhau và tại các router sao
cho không có liên kết nào bị mất cân bằng tải. Với các mạng IP như hiện nay, rất khó khăn để
có thể áp dụng kỹ thuật lưu lượng một cách hoàn hảo bởi vì những giới hạn về khả năng của
công nghệ IP. MPLS – công nghệ chuyển mạch định hướng kết nối (connection-oriented) dựa
trên việc chuyển mạch nhãn với tốc độ cao mang đến những khả năng mới trong việc định địa
chỉ của hệ thống IP, cung cấp một số các cơ chế điều khiển lưu lượng phức tạp.

Tuy nhiên, kỹ thuật lưu lượng trong MPLS cũng chưa phải đã giải quyết được bài toán
tổng quát. Ví dụ, một khi một đường chuyển mạch nhãn (LSP) được thiết lập thông qua mạng
của ISP, thì hiện nay không có khả năng để tái tối ưu hóa động các luồng lưu lượng. Các thiết
lập mức dịch vụ (SLA) giữa các ISP và khách hàng được thiết lập ban đầu cho các luồng lưu
lượng và chúng được ánh xạ vào các đường đi xác định qua các mạng của các ISP điển hình là
theo các khoảng thời gian đã cam kết (thường là tuần, tháng hay năm). Trong các thời kỳ quá
độ, hiệu suất phân phối tài nguyên có thể bị tăng lên do các thông tin định tuyến, điều này có
thể làm thay đổi các đường đi đã thiết lập sẵn trước đó. Do vậy một số phương pháp để khôi
phục các LSP về trạng thái các đường đi ban đầu khi các tắc nghẽn do quá độ đã giảm xuống
cũng được xem xét.
Các giải thuật điều khiển tắc nghẽn đã và đang được nghiên cứu rộng khắp xuất phát từ
Điều khiển tắc nghẽn trong maïng MPLS


Trang 2
ý tưởng giám sát kiến trúc mạng một cách chặt chẽ. Với cách làm này, việc cung cấp QoS cho
các ứng dụng mới rất khó khăn. Điều này phụ thuộc vào sự thay đổi của tải lưu lượng. Trong
các mạng IP hiện nay, rất khó khăn để có thể tích hợp kỹ thuật lưu lượng hiệu quả do sự giới
hạn của công nghệ IP. Công nghệ MPLS đem đến các khả năng mới cho phép các ISP có thể
sử dụng các cơ chế điều khiển lưu lượng phức tạp.
Với những lý do đã trình bày ở trên, việc cải tiến hiệu suất và tốc độ của mạng là rất
cần thiết. Chẳng hạn trong các quá trình quá độ của mạng, hiệu suất của việc chiếm giữ tài
nguyên có thể tăng nhanh bởi các lưu lượng định tuyến cách xa các nguồn gây nghẽn. Một số
phương tiện dùng để khôi phục các đường chuyển mạch nhãn (LSP) về các đường đi ban đầu
một khi tắc nghẽn quá độ đã giảm xuống cũng đã được nghiên cứu. [Fel2000]
Đề tài này trình bày một cơ chế điều khiển tắc nghẽn dựa trên kiến trúc MPLS mạng hoạt
động trong một miền MPLS độc lập. Cơ chế này cung cấp một phương tiện điều khiển tắc nghẽn
trên cơ sở các khái niệm về MPLS hiện có nhưng đồng thời cũng hỗ trợ những đặc điểm cải tiến
nổi bật. Nó là sự kết hợp của giải thuật điều khiển tắc nghẽn đáp ứng nhanh trong mạng MPLS
có SLA chặt (sử dụng FATE) và lỏng (sử dụng FATE+).

Cơ chế này có những đặc điểm sau :
•

Cơ chế phát hiện nghẽn linh hoạt cho hoạt động bên trong một mạng MPLS kết hợp
chặt chẽ với các đặc điểm ngăn chặn các hoạt động không ổn định của mạng.

•

Có khả năng tái phân bố nhanh lưu lượng, có chọn lọc trên một luồng dữ liệu có QoS
xác định hoặc các kết nối vật lý một khi các điều kiện phát sinh nghẽn xảy ra.

•

Tương thích với các giao thức phân phối nhãn hiện nay LDP/CR-LDP.

1.2

Mục đích của đề tài

Vì những yêu cầu ở trên, mục đích của đề tài là phát triển một cơ chế điều khiển tắc
nghẽn phù hợp trong mạng MPLS bao gồm những phần sau:
•

Tìm hiểu về MPLS: kỹ thuật chuyển mạch nhãn và các đặc điểm của nó.

•

Tìm hiểu các kỹ thuật điều khiển tắc nghẽn hiện nay trong mạng Internet.

•

Khảo sát một cơ chế có khả năng phát hiện và giảm tắc nghẽn trong mạng diện rộng đa
dịch vụ bằng cách giám sát các packet bị mất trong suốt quá trình hoạt động, một số
nghiên cứu về các cơ chế điều khiển tắc nghẽn bằng kỹ thuật lưu lượng đáp ứng nhanh
(FATE, FATE+).

•

Xây dựng một cơ chế báo hiệu FATE++ có khả năng đáp ứng nhanh có chọn lựa trong các
tình huống tắc nghẽn để tối thiểu hóa ảnh hưởng của nghẽn. Cơ chế này có khả năng
hoạt động trong môi trường mạng có các yêu cầu về mức dịch vụ chặt chẽ hay lỏng đồng
thời phù hợp với các chuẩn hiện nay của MPLS do IETF phát triển, cung cấp khả năng
tương thích thuận cho các ISP.

•

Đánh giá các kết quả nghiên cứu được thông qua việc mô phỏng các cơ chế điều khiển
tắc nghẽn đã phát triển trong một số trường hợp.

Để đạt được các yêu cầu trên, luận văn tập trung đến các vấn đề về tái định tuyến động
của các luồng lưu lượng trong mạng MPLS sử dụng các kết nối chưa được tối ưu và các router
chuyển mạch nhãn (LSR). Các thỏa thuận giữa ISP và người dùng đều dựa trên QoS.
Điều khiển tắc nghẽn trong mạng MPLS


Trang 3
Bắt nguồn từ thực tế là trong tương lai các mạng diện rộng (WAN) sẽ phải đáp ứng
được nhu cầu về các ứng dụng đa dịch vụ, đề tài này đưa ra một nghiên cứu về các kỹ thuật lưu
lượng hiện nay để hỗ trợ chúng. Đặc biệt, với sự hỗ trợ thương mại mạnh mẽ, MPLS đã được
xem xét trong đề tài. Mặc dù MPLS là một giao thức tương đối mềm dẻo theo như thiết kế

hiện tại của nó, nhưng MPLS chưa cung cấp một phương tiện nào để có thể hỗ trợ điều khiển
tắc nghẽn đáp ứng nhanh.
Dựa vào thiếu sót này, các giải thuật đã được một số nhà nghiên cứu khảo sát chủ yếu
chỉ tập trung vào cơ chếø FATE, hoạt động trong các miền MPLS có chất lượng dịch vụ được
ràng buộc chặt chẽ (strictly). Một hướng nghiên cứu khác là khảo sát cơ chếøFATE+ như một sự
mở rộng của FATE cung cấp các cơ chế điều khiển tắc nghẽn khi dùng các nút tham chiếu được
kết nối lỏng (loosely) trong một miền MPLS. Các công trình nghiên cứu về hai cơ chế này chỉ
khảo sát trong các môi trường MPLS độc lập ràng buộc chặt hay lỏng cũng như chưa khảo sát
một số nhược điểm của hai mô hình trên một cách đầy đủ. Điều này có hạn chế rất lớn vì các
mạng hiện nay đều không đồng nhất và phải có khả năng hỗ trợ các ứng dụng đa dịch vụ trong
tương lai. Chưa có công trình nghiên cứu nào đề cập đến vấn đề kết hợp cả hai cơ chế để có thể
hoạt động trong các điều kiện như đã đề cập.
Đề tài này tập trung vào thiết kế một mô hình điều khiển tắc nghẽn dựa trên các khái
niệm về MPLS hiện nay nhưng sẽ cung cấp một phương tiện để giải quyết nhanh chóng các ảnh
hưởng của tắc nghẽn tạm thời. Mô hình này vượt xa mô hình truyền thống và có thể tạo ra một
lợi thế thị trường đáng kể đối với các nhà sản xuất thiết bị và các nhà khai thác mạng - những
người áp dụng các mô hình này.
Giải thuật FATE++ được tác giả đề nghị trong đề tài đưa ra một mô hình điều khiển tắc
nghẽn đáp ứng nhanh trong cả hai trường hợp trên bằng cách kết hợp ưu điểm của cả FATE và
FATE+ cùng với một số cải tiến để nó có thể hoạt động tốt ngay cả trong những tình huống tắc
nghẽn xấu nhất.
Sự đánh giá về cơ chế điều khiển tắc nghẽn như đã đề cập trong luận văn được thông
qua việc mô phỏng trên ns-2 để đảm bảo rằng các tính năng của chúng hoạt động đúng. Điều
này cung cấp các thông tin cần thiết để nghiên cứu các tiêu chuẩn được đầy đủ và toàn diện hơn.
1.3

Cấu trúc của đề tài

Luận văn trình bày một cơ chế giám sát động thích hợp cho việc phát hiện và hạn chế
tắc nghẽn trong mạng MPLS, tập trung vào việc tái phân phối lưu lượng trên các LSP chưa

được tối ưu về tải. Chương mở đầu trình bày ngắn gọn tổng quan và mục tiêu các phần được
nghiên cứu trong luận văn.
Chương 2 trình bày tổng quan về mạng MPLS hiện nay, kiến trúc của MPLS cho mạng
thế hệ mới (NGN) cũng như các giao thức phân phối nhãn hay chiếm giữ tài nguyên hiện có.
Chương này cũng trình bày các cơ sở dữ liệu dùng trong mạng MPLS hay các chế độ hoạt động
của giao thức.
Chương 3 đề cập đến vấn đề tắc nghẽn trong Internet, các cơ chế ngăn chặn tắc nghẽn
cơ bản như cách xử lý hàng đợi, sửa dạng lưu lượng, xử lý theo lịch trình, QoS, … Điều khiển
lưu lượng trong mạng MPLS cũng được khảo sát một cách chi tiết trong chương này với các kỹ
thuật tái định tuyến, bảo vệ kết nối hay các chính sách cân bằng tải đa đường.
Các vấn đề chính tập trung khảo sát được trình bày trong chương 4. Chương này trình
Điều khiển tắc nghẽn trong mạng MPLS


Trang 4
bày cơ chế điều khiển tắc nghẽn FATE, FATE+ với các ngữ cảnh mạng tương ứng cùng các
giải thuật liên quan, định dạng các thông điệp được sử dụng trong cơ chế. Các nhược điểm của
hai cơ chế trên được tác giả phân tích đồng thời giải thuật FATE++ được đề nghị cũng được
trình bày trong chương này.
Kiến trúc của MNS trong ns-2, mô hình mạng, các công cụ dùng mô phỏng cùng các kết
quả được khảo sát, thảo luận và nhận xét kết quả được xem xét trong chương 5.
Các kết luận, hạn chế về các cơ chế điều khiển tắc nghẽn đã khảo sát cũng như hướng
phát triển của đề tài được trình bày trong chương 6.

Điều khiển tắc nghẽn trong mạng MPLS


Trang 1

2 CHƯƠNG 2

2.1

MPLS - CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC

Tổng quan về MPLS

2.1.1 Mạng lõi Internet
2.1.1.1 Mạng lõi dùng router (Router-based core network)
Các giao thức IP cung cấp một dịch vụ truyền thông không định hướng kết nối
(connectionless) dựa trên cơ sở packet. Các packet IP được truyền một cách độc lập tại mỗi
nút mạng từ nguồn đến đích dọc theo đường truyền. Đường truyền của các packet có thể thay
đổi bất kỳ lúc nào tuỳ theo việc cập nhật của bảng định tuyến.

Hình 2-1: Các hệ thống tự trị trong Internet
Internet được tổ chức thành một tập hợp các mạng được kết nối với nhau thuộc các
miền quản lý (AS) khác nhau hay còn được gọi là các hệ thống tự trị (autonomous system).
Nhiệm vụ của lớp mạng IP là : chuyển tiếp các packet tại mỗi nút mạng và điều khiển quá
trình chuyển tiếp. Để làm được việc này, mỗi router phải chạy các giao thức định tuyến
(routing protocol). Có hai loại định tuyến : định tuyến trong một miền quản lý và định tuyến
giữa các miền quản lý. Cơ chế định tuyến dựa trên IP có những ưu điểm lớn sau: mềm dẻo, hội
tụ nhanh, cung cấp các giao thức định tuyến tự động làm cho việc quản trị mạng trở nên dễ
dàng
Mô hình mạng IP này gặp phải những trở ngại chính :
•

Công nghệ về các quá trình xử lý của các router không thay đổi kịp với sự phát triển
của nhu cầu về lưu lượng và băng thông. Điều này tạo ra hiện tượng nghẽn cổ chai
(bottle-neck) tại các router chạy các phần mềm xử lý packet . Hơn nữa các giao tiếp có
sẵn của router không cung cấp khả năng kết hợp băng thông tại các nút mạng.

•

Sự tính toán đường đi dựa trên các trọng số (metric) không tạo ra khả năng mở rộng
mạng. Việc điều chỉnh các trọng số trên một phần của mạng có thể ảnh hưởng đến toàn
mạng một cách không dự đoán được. Đồng thời việc định tuyến dựa trên một số các
trọng số là thiếu chính xác trong việc phản ánh trạng thái của topo mạng tại thời điểm
chuyển tiếp các packet.
Điều khiển tắc nghẽn trong mạng MPLS


Trang 2
•

Việc kết nối dày đặc các mạng trong một miền sẽ dẫn đến tình trạng không sử dụng hết
hiệu quả các tài nguyên mạng. Các quá trình định tuyến dựa trên địa chỉ đích có khuynh
hướng kết hợp mọi lưu lượng tới cùng một đích thay vì cân bằng tải trên các tài nguyên
mạng có sẵn. Điều này sẽ gây ra tình trạng sẽ có các đường kết nối chịu tải lớn trong
khi các đường khác thì lại không được tối ưu về mặt băng thông.

•

Các giao thức định tuyến trong AS (OSPF, RIP) và các giao thức định tuyến liên kết
AS (BGP4) hiện nay cho các mạng IP không có khả năng điều khiển lưu lượng một
cách tối ưu. Các mạng hiện tại sử dụng các router connectionless không cung cấp được
các kỹ thuật để có thể cân bằng tải, khôi phục đường đi tự động hay tái tối ưu các đường
đi của lưu lượng để có thể làm tăng khả năng tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên mạng
cũng như truyền dẫn. [GMD]

2.1.1.2 Mạng lõi dùng switch (Switch-based core network)
Với các switch ATM có sẵn, việc thay thế các router bởi các switch sẽ làm cho hoạt

động của mạng nhanh hơn. Công nghệ chuyển tiếp cell (cell relay) cung cấp một cơ chế
chuyển tiếp nhanh hơn và đơn giản hơn với khả năng kết hợp băng thông tốt hơn. Các cell có
kích thước cố định có thể được xử lý bằng phần cứng làm tăng tốc độ chuyển tiếp của nút
mạng.
Giải thuật chuyển tiếp thiên hướng kết nối (connection-oriented) của ATM làm tăng độ
lợi xử lý, nó dựa trên cơ sở xử lý các định danh kết nối cố định (short fix length connection
identifiers) có chiều dài ngắn hơn so với việc phải so sánh các prefix dài khi chuyển tiếp các
packet IP.

Hình 2-2: Mô hình overlay của mạng ATM
Nhược điểm của mô hình mạng overlay:
•

Với việc sử dụng công nghệ ASIC trong các router đã chứng tỏ rằng các packet IP có
thể được chuyển tiếp với tốc độ rất cao và các giao tiếp của các switch ATM đã không
còn phù hợp với sự xuất hiện của mạng quang (optical network). Hiện nay, các giao
tiếp ATM mới chỉ hỗ trợ OC-12 trong khi các giao tiếp OC-48, OC-192 cho công nghệ
packet trên SDH/SONET đã có sẵn.

•

ATM sử dụng đến 20% byte cho header khi đóng packet các cell, điều này gây lãng phí
về băng thông rất lớn.

•

Các switch ATM làm tăng gấp đôi khả năng gây lỗi trong việc vận hành và bảo trì
Điều khiển tắc nghẽn trong mạng MPLS

Trang 3
mạng . Người quản trị phải giám sát hai mạng: kiến trúc vật lý của mạng ATM và topo
logic của mạng IP trong khi mỗi lớp lại sử dụng một phương pháp định địa chỉ khác
nhau và các giao thức định tuyến cũng khác nhau.
•

Vấn đề về kết nối n2 trong mạng lưới overlay : nó cần phải thiết lập ít nhất 2 PVC cho
mỗi cặp router biên và phải có ít nhất hai PVC cho mỗi hướng để dự phòng trong trường
hợp gặp sự cố về kết nối. Điều này làm giới hạn khả năng mở rộng kích thước mạng.
Khi muốn thêm hay bớt một router biên phải tạo ra một lượng rất lớn tải báo hiệu trong
mạng.

•

Sức ép về IGP : các giao thức định tuyến trong một miền không được xây dựng cho các
topo lưới hoàn toàn (fully meshed topo). Với một số lượng lớn các router ngang hàng
IGP sẽ phải trao đổi rất nhiều thông tin giữa các router, điều này ảnh hưởng nghiêm
trọng đến lưu lượng mạng và sẽ phải cần một CPU lớn tại mỗi router để xử lý một
lượng lớn các thông tin cập nhật. [GMD]

2.1.2 Multi-Protocol Label Switching (MPLS)
Sự ra đời của MPLS là kết quả của việc kết hợp các ưu điểm của các kiến trúc mạng
hiện hành cùng với các yêu cầu hiện tại: đó là kỹ thuật chuyển tiếp của mạng IP, cung cấp chất
lượng dịch vụ như mạng ATM trong khi vẫn duy trì được tính mềm dẻo và khả năng mở rộng
của Internet.
MPLS là sự kết hợp giữa lớp 2 và lớp 3 : kết hợp việc chuyển mạch nhãn (label) với các
giao thức định tuyến IP. Ý tưởng chính của việc chuyển mạch nhãn là tối ưu hóa quá trình định
danh FEC : thay vì phải lặp lại quá trình xử lý các thông tin header IP giống nhau tại mỗi nút,
nó chỉ được thực hiện chỉ một lần tại nút vào (ingress node), tại đây router sẽ mã hoá thông tin
FEC vào một nhãn có chiều dài cố định, nhãn này được gắn vào packet IP, các nút sau đó chỉ

dựa vào nhãn này để chuyển tiếp packet mà không cần phân tích chi tiết các thông tin trong
header IP nữa. Các LSR nhận được các packet sẽ không phân tích các thông tin header ở lớp 3
thay vào đó chúng sẽ đọc các nhãn và sử dụng các nhãn này để truy xuất đến các bảng cơ sở
dữ liệu để xác định hop kế tiếp và nhãn mới cần gắn vào packet.

Hình 2-3: Ví dụ về mạng MPLS
Điều khiển tắc nghẽn trong mạng MPLS


Trang 4
Mô hình so sánh việc chuyển tiếp trong mạng IP và MPLS như hình 2-4.

Hình 2-4: So sánh kỹ thuật chuyển tiếp IP và MPLS
Nhờ vậy MPLS có những ưu điểm nổi bật sau:
•

Việc chuyển tiếp các packet đều dựa trên các nhãn, điều này có thể thực hiện được
bằng các switch nên tốc độ xử lý tại các nút tăng lên, thời gian trễ tại các nút giảm đi
đáng kể.

•

Trong việc xác định sự kết hợp một packet với một FEC khi packet đó vào mạng, router
ngõ vào có thể sử dụng các thông tin mà nó có về packet, thậm chí những thông tin này
không được thu thập từ header lớp mạng. Thí dụ, các packet đến từ các port khác nhau
có thể được gán với các FEC khác nhau. Trong chuyển tiếp truyền thống chỉ có thể sử
dụng các thông tin mà chúng đi kèm với packet trong phần header.

•

MPLS được thiết kế để hoạt động trên bất kỳ công nghệ lớp 2 nào: ATM, Frame Relay,
FE, GE, … bằng cách chuyển đổi các nhãn của MPLS sang các kiến trúc header lớp 2
của các công nghệ ấy. Hơn nữa việc MPLS tích hợp các ưu điểm của ATM và IP tốt hơn
là sử dụng mô hình mạng IP trên nền ATM vì nó không phải xử lý ánh xạ giữa các đặc
trưng của ATM và IP.

•

Mô hình IP trên nền ATM không hỗ trợ được hoàn toàn các dịch vụ IP tiên tiến như IP
multicast hay RSVP. Việc hỗ trợ các dịch vụ này đòi hỏi nhiều thời gian và công sức
trong việc thực hiện.

•

MPLS kết hợp kỹ thuật lưu lượng (TE) và chất lượng dịch vụ (QoS): LSP cho phép kỹ
thuật lưu lượng bởi vì người quản trị mạng có thể điều khiển lưu lượng thông qua các
đường đi được định trước trong mạng. Kỹ thuật lưu lượng của MPLS phù hợp với việc
thực hiện IP QoS bằng cách gắn thêm các DSCP để xác định độ ưu tiên của lớp dịch vụ
(CoS). Các giải thuật xử lý hàng đợi bên trong các platform sẽ xử lý các packet theo độ
ưu tiên của nó.

•

MPLS hỗ trợ kỹ thuật mạng riêng ảo (VPN) bằng cách gắn thêm các địa chỉ 64 bit VPN
tại mỗi router ngõ vào và tách các địa chỉ này tại các router ngõ ra. Sự kết hợp giữa
MPLS và Multiprotocol-BGP làm cho các dịch vụ VPN trên cơ sở MPLS trở nên dễ
dàng quản lý hơn, đồng thời nó cũng làm cho các dịch vụ này có khả năng mở rộng hơn,
với một mạng vật lý có thể hỗ trợ hàng ngàn VPN.

Điều khiển tắc nghẽn trong mạng MPLS