Sử dụng tính toán thông minh để tăng hiệu quả của định tuyến qos trong MPLS

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

NGUYỄN TIẾN KHÁNH

SỬ DỤNG TÍNH TỐN THƠNG MINH ĐỂ TĂNG HIỆU QUẢ
ĐỊNH TUYẾN QoS TRONG MPLS
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2010


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học : ............................................................................
(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 sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày
. . . . . tháng . . . . năm . . . . .
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. ..............................................................

2. ..............................................................
3. ..............................................................
4. ..............................................................
5. ..............................................................
6…………………………………………
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau
khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

Bộ môn quản lý chuyên ngành


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 . . . . tháng . . . . năm 2010 .

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Tiến Khánh......................................... Phái: Nam.......................
Ngày, tháng, năm sinh: 08/11/1983.......................................... Nơi sinh: Hà Tĩnh......
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử................................................ MSHV: 01408372..........
I- TÊN ĐỀ TÀI:
SỬ DỤNG TÍNH TỐN THÔNG MINH ĐỂ TĂNG HIỆU QUẢ CỦA ĐỊNH TUYẾN
QoS TRONG MPLS
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-

Tìm hiểu cơng nghệ MPLS
Tìm hiểu định tuyến QoS trong MPLS
Tìm hiểu thuật tốn học ước lượng ngẫu nhiên.
Xây dựng phương pháp áp dụng thuật toán học ước lượng ngẫu nhiên trong định tuyến
QoS với mạng MPLS.
Viết chương trình mơ phỏng, đánh giá hiệu quả phương pháp đề xuất
So sánh kết quả mô phỏng
Kết luận

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15 – 01 – 2010….
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:25 – 06 – 2010....
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên):........................................
................TS NGUYỄN MINH HOÀNG...........................................................................
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)

KHOA QL CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)


4

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS Nguyễn Minh Hoàng, thầy đã trực tiếp
hướng dẫn và góp ý để tơi có thể hồn thành được luận văn này. Qua làm việc với
thầy tôi đã học hỏi được ở thầy nhiều điều, đặc biệt là cách thức làm việc của một

người nghiên cứ khoa học.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô trường Đại Học Bách Khoa TP HCM, đặc biệt là
các thầy cô trong khoa, những người trực tiếp giảng dạy và tuyền đạt kiến thức cho
tôi trong suốt thời gian học cao học tại trường.


5

TĨM TẮT
Trong định tuyến QoS (Quality of Service) thuật tốn định tuyến có vai trị hết sức
quan trọng, thuật tốn định tuyến khơng những phải tìm được đường đi thỏa mãn
các yêu cầu về QoS cho luồng dữ liệu mà cịn phải tiết kiệm được tài ngun băng
thơng cho các kết nối sau này. Nếu như thuật toán ưu tiên chọn đường đi ngắn nhất
trước thì băng thơng dự trữ cho mạng sẽ được tiết kiệm hơn. Tuy nhiên trong nhiều
trường hợp nếu cứ ưu tiên chọn đường ngắn nhất trước sẽ có khả năng gây nghẽn ở
một vài vùng nào đó trong mạng. Trong trường hợp nếu ưu tiên chọn đường đi băng
thơng lớn nhất trước thì tài ngun băng thông của mạng bị sử dụng nhiều hơn, điều
này ảnh hưởng đến các yêu cầu kết nối trong tương lai. Các thuật toán định tuyến
hiện tại đều dựa trên hai phương pháp cơ bản trên. Thêm vào đó các bộ định tuyến
xây dựng bảng định tuyến bằng cách trao đổi các thông tin định tuyến với nhau,
trong nhiều trường hợp các thơng tin này khơng được chính xác hoặc cập nhật
không kịp thời dẫn đến các quyết định chọn đường đi sai lầm cho luồng dữ liệu.
MPLS (Multiprotocol Label Switching) là công nghệ rất phát triển hiện nay và được
dùng chủ yếu trong mạng lõi. MPLS cho phép thực hiện các kỹ thuật lưu lượng
trong mạng, tuy nhiên về cơ bản việc định tuyến các kết nối QoS trong MPLS vẫn
thực hiện theo các phương pháp trên nên cũng gặp phải các vấn đề như nêu ở trên.
Luận văn này giới thiệu một phương pháp định tuyến có sử dụng thuật toán học ước
lượng ngẫu nhiên [1] để hỗ trợ việc tìm đường đi cho kết nối QoS qua mạng MPLS.
Thuật toán ước lượng ngẫu nhiên này cũng đã được nghiên cứu áp dụng trong mạng
ATM [2]. Phương pháp định tuyến QoS với sự hỗ trợ của thuật toán học ước lượng

ngẫu nhiên vừa có ưu tiên chọn đường đi ngắn nhất trước, vừa có thể dự đốn được
một vài trường hợp nghẽn, đồng thời có thể tránh được một số quyết định khơng
chính xác khi mà trạng thái của mạng không được biết, cập nhật một cách rõ ràng.
Chính vì vậy thuật tốn này sẽ cho hiệu quả cao hơn, thể hiện ở tổng số yêu cầu kết
nối thực hiện được trong toàn mạng cao hơn. Điều này sẽ được chứng minh ở kết
quả mô phỏng trong khuôn khổ luận văn.


6

ABSTRACT
In QoS (Quality of Service) routing, the routing algorithm plays a very important
role, not only routing algorithm must find path to satisfy the QoS requirements for
stream data but also save bandwidth resources for later connecting requests. If the
algorithm priority select the shortest path first, the network bandwidth resource will
be saving more. However, in many cases, priority select the shortest path first will l
cause some congestion in certain areas in the network. In the case of priority select
maximum available bandwidth path first, the network bandwidth resources will
being used more, it affects the connection request in the future. The current routing
algorithms are based on two basic methods above. In addition the router routing
table is build by exchanging routing information with other routers, in many cases
this information is inaccuracy or not updated promptly. This can lead to wrong
routingdecisions.
MPLS (Multiprotocol Label Switching) technology is well developed nowadays
and mainly used in the core network. MPLS allows traffic engineering in the
network, but the basic routing of QoS connections in MPLS still follow the above
method and should also face the problem described above.
This thesis introduces a routing algorithms that use Stochastic Estimator Learning
Algorithm [1] to support finding path for QoS connection requests over MPLS
networks. Stochastic Estimator Learning Algorithm was also applied in ATM

networks [2]. QoS routing method with the aid of learning algorithms can estimate
the environment, priority select the shortest path, it can predict some cases of
congestion, and can avoid some inaccurate decisions when the state of the network
is not known clearly. Therefore this algorithm get greater efficiency, reflected in the
total number of connection requests made higher. This is evidenced in the
simulation results in this thesis.


7

Mục Lục
DANH MỤC HÌNH............................................................................................................................ 9
DANH MỤC BẢNG ........................................................................................................................ 10
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................................................... 11
Chương 1.

GIỚI THIỆU ............................................................................................................. 13

1.1

Giới thiệu ......................................................................................................................... 13

1.2

Mục tiêu luận văn ........................................................................................................... 14

1.3

Bố cục của luận văn ....................................................................................................... 15

Chương 2.

TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ MPLS ....................................................................... 16

Giới thiệu về công nghệ MPLS ...................................................................................... 16

2.1
2.1.1

Miền MPLS (MPLS domain) ................................................................................... 17

2.1.2

Forwarding Equivalence Class (FEC) ...................................................................... 18

2.1.3

Label switching path (LSP) ..................................................................................... 19

2.1.4

Mào đầu MPLS (MPLS Header) .............................................................................. 21

2.2

MPLS Control Plane và Forwarding Plane ................................................................. 21

2.3

Quyết định đường đi cho dữ liệu ................................................................................... 23

2.3.1

Tính tốn đường bằng các cơng cụ Off-Line ............................................................ 23

2.3.2

Thiết lập đường MPLS ............................................................................................. 23
Giao thức báo hiệu trong MPLS ................................................................................... 24

2.4

2.4.1

LDP ........................................................................................................................... 24

2.4.2

CR-LDP .................................................................................................................... 25

2.4.3

RSVP-TE .................................................................................................................. 25

2.4.4

BGP-4 ....................................................................................................................... 27

2.5

Độ ưu tiên các LSP ......................................................................................................... 28

2.6

Thiết lập trước khi ngắt (Make Before Break) ............................................................ 28

Chương 3.

QoS TRONG MẠNG MPLS .................................................................................... 32

QoS ................................................................................................................................... 32

3.1

3.1.1

Quản lý hàng đợi ...................................................................................................... 32

3.1.2

Quản lý rớt gói .......................................................................................................... 33

3.2

Chuyển tiếp gói tin đảm bảo các yêu cầu QoS ............................................................. 33


8

Định tuyến QoS trong mạng MPLS. ............................................................................. 36

3.3
3.3.1

Định tuyến có ràng buộc (Constraint-Based Routing).............................................. 36

3.3.2

Trao đổi thông tin định tuyến ................................................................................... 37

Chọn đường đi trong định tuyến QoS........................................................................... 38

3.4
3.4.1

Least load-Shortest path routing (LSPR) .................................................................. 38

3.4.2

Shortest-lead Loaded path routing (SLPR) ............................................................... 39

3.4.3

Least Loaded-Alternate Path Routing (LALT) ......................................................... 40

Chương 4.
THUẬT TOÁN HỌC ƯỚC LƯỢNG NGẪU NHIÊN SELA (STOCHASTIC
ESTIMATOR LEARNING ALGORITHM) .................................................................................... 42
4.1

Giới thiệu thuật toán SELA ........................................................................................... 42

4.2

Nguyên lý hoạt động của thuật tốn SELA .................................................................. 43

4.3

Các thơng số ảnh hưởng đến hiệu quả của thuật toán SELA ..................................... 46

Chương 5.

ÁP DỤNG SELA HỖ TRỢ ĐỊNH TUYẾN QoS TRONG MẠNG MPLS. ............ 49

5.1

Các lý do để áp dụng SELA trong việc hỗ trợ định tuyến QoS trong mạng MPLS 49

5.2

Áp dụng SELA trong việc hỗ trợ định tuyến QoS trong mạng MPLS ...................... 50

Chương 6.
6.1

THỰC HIỆN MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA SELA................... 53

Thông số đánh giá ........................................................................................................... 53

6.1.1

BRR (Bandwidth Rejection Ratio) ........................................................................... 53

6.1.2

ENRR (Earned network revenue) ............................................................................. 53

6.2

Chương trình mơ phỏng mạng NS2 .............................................................................. 54

6.3

Mơ hình mạng ................................................................................................................. 54

6.4

Mơ Phỏng mạng .............................................................................................................. 56

6.5

Các thuật toán dùng để so sánh ..................................................................................... 61

6.6

Kết quả đánh gián hiệu quả các thuật toán. ................................................................. 62

6.6.1

Kết quả mô phỏng trong trường hợp tải không thay đổi........................................... 62

6.6.2

Kết quả mô phỏng trong trường hợp các yêu cầu kết nối biến đổi theo thời gian .... 64

6.6.3

Nhận xét .................................................................................................................... 66

Chương 7.

KẾT LUẬN .............................................................................................................. 68

7.1

Kết luận ........................................................................................................................... 68

7.2

Hướng phát triển ............................................................................................................ 69

PHỤ LỤC 1 ...................................................................................................................................... 72
PHỤ LỤC 2 ...................................................................................................................................... 80


9

DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1 Miền MPLS ........................................................................................................................... 18
Hình 2.2 Minh họa chuyển mạch nhãn .................................................................................................. 20

Hình 2.3 Khung mào đầu MPLS ........................................................................................................... 21
Hình 2.4 Kiến trúc router chuyển mạch nhãn LSR ............................................................................... 22
Hình 2.5 Thiết lập đường RSVP-TE ..................................................................................................... 26
Hình 2.6 Khung Record Route Object ................................................................................................... 27
Hình 2.7 Khung session attribute object ................................................................................................ 27
Hình 2.8 Ví dụ Make before Break ....................................................................................................... 30
Hình 3.1 Chuyển tiếp gói tin ở ingress LSR .......................................................................................... 34
Hình 3.2 Chuyển tiếp gói tin tại LSR .................................................................................................... 35
Hình 3.3 Chuyển tiếp gói tin tại egress LSR ........................................................................................ 36
Hình 3.4 Ví dụ minh họa đường đi có ràng buộc về băng thơng .......................................................... 37
Hình 3.5 Đường đi được chọn bằng phương pháp LSPR. ..................................................................... 39
Hình 3.6 Đường đi được chọn bằng bằng phương pháp SLPR ............................................................. 40
Hình 4.1 Sơ đồ khối thuật tốn ước lượng............................................................................................ 42
Hình 4.2 Sơ đồ khối thuật tốn SELA .................................................................................................... 45
Hình 4.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của thuật toán SELA ................................................. 47
Hình 5.1 Sơ đồi khối sử dụng SELA trong QoS routing. ...................................................................... 52
Hình 6.1 Topo mạng dùng để mơ phỏng ............................................................................................... 55
Hình 6.2 Trao đổi các bản tin định tuyến .............................................................................................. 56
Hình 6.3 Các bản tin LDP trao đổi các thơng tin về nhãn. .................................................................... 57
Hình 6.4 Truyền dữ liệu........................................................................................................................ 58
Hình 6.5 Gửi bản tin yêu cầu LSP. ........................................................................................................ 59
Hình 6.6 Gửi bản tin xác nhận .............................................................................................................. 60
Hình 6.7 Dữ liệu từ node 0 được gửi đi theo các con đường được thiết lập......................................... 61
Hình 6.8 Chỉ số BRR với tốc độ yêu cầu kết nối khác nhau ................................................................. 63
Hình 6.9 Chỉ số ENRR với tốc độ yêu cầu kết nối khác nhau ............................................................... 64
Hình 6.10 Chỉ số BRR với tốc độ yêu cầu kết nối thay đổi với các chu kỳ khác nhau ........................ 65
Hình 6.11 Chỉ số ENRR với tốc độ yêu cầu kết nối thay đổi với các chu kỳ khác nhau ...................... 65


10

DANH MỤC BẢNG
Bảng
Bảng
Bảng
Bảng
Bảng

6.1 Các thông số mô phỏng .......................................................................................................... 55
6.2 Kết quả mô phỏng chỉ số BRR với tốc độ yêu cầu kết nối khác nhau ................................... 63
6.3 Kết quả mô phỏng chỉ số BRR với tốc độ yêu cầu kết nối khác nhau ................................... 64
6.4 Chỉ số BRR với tốc độ yêu cầu kết nối thay đổi với các chu kỳ khác nhau ........................... 66
6.5 Chỉ số ENRR với tốc độ yêu cầu kết nối thay đổi với các chu kỳ khác nhau ........................ 66


11

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
ATM
BGP
BRR
CBR
CBWFQ
CR-LDP
CSPF
Diffserv
ERO
FEC
FIFO
FTN

ILM
Intserv
IP
IS-IS
LDP
LER
LLQ
LSP
LSPR
LSR
MDDR
MPLS
MPLS TE
NAM
NHLFE
NS2
OSPF
PHBs
QoS
RIP
RRO
RSVP
RSVP –TE
SAO
SELA
SLPR

Asynchronous Transfer Mode
Border Gateway Protocol
Bandwidth Rejection Ratio

Constraint Based Routing
Class Base Weighted Fair Queuing
Constrained Routing with LDP
Constrained Shortest Path First
Differentiated services
Explicit Route Object
Forwarding Equivalence Class
First In First Out
FEC – To –Next Hop Label Forwarding Entry
Incoming Label Map
Integrated Services
Internet Protocol
Intermediate System to Intermediate System
Label Distribution Protocol
Label Edge Routers
Low Latency Queuing
Label Switch Path
Least load-Shortest Path Routing
Label Switch Routers
Modified Deficit Round Robin
Multiprotocol Label Switching
MPLS Traffic Engineering
Network Animation
Next Hop Lbel Forwarding Entry
Network Simulation 2
Open Shortest Path First
Per –Hop Behavior
Quality of Service
Routing Information Protocol
Record Route Object

Resource ReSerVation Protocol
Resource Reservation Protocol extension for MPLS
Session Attribute Object
Stochastic Estimator Learning Algorithm
Shortest-lead Loaded Path Routing


12

SPF
TE
TE LSP
WRED

Shortest Path First
Traffic Engineering
TE Label Switch Path
Weighted Random Early Detection


13

Chương 1.
1.1

GIỚI THIỆU

Giới thiệu

Internet ngày nay đã trở thành một công cụ không thể thiếu trong cuộc sống. Tùy

theo nhu cầu mà mọi người sử dụng Internet với mục đích khác nhau, như để tìm
kiếm thơng tin, để trao đổi tài liệu, sử dụng các dịch vụ nghe nhìn trực tuyến … Với
các doanh nghiệp thì internet là một cơng cụ kinh doanh hiệu quả để họ có thể
quảng bá sản phẩm, thông tin về công ty, để điều hành công việc kinh doanh giữa
các chi nhánh … Với các yêu cầu khác nhau khách hàng mong muốn có các dịch vụ
với chất lượng dịch vụ (QoS) khác nhau. Các nhà cung cấp dịch vụ đã và đang phát
triển các dịch vụ khác nhau cho các nhóm khách hàng khác nhau.
Có nhiều kỹ thuật được nghiên cứu trong lĩnh vực QoS và nhiều kỹ thuật đã được
đưa vào ứng dụng thực tế. Ý tưởng của các kỹ thuật này là thực hiện phân loại các
luồng dữ liệu khác nhau tùy theo các yêu cầu về QoS khác nhau, rồi thực hiện xử lý
chúng khác nhau. Một số loại dịch vụ yêu cầu phải đảm bảo độ trễ ở mức nào đo,
một số loại khác lại yêu cầu phải đảm bảo về băng thơng tối thiểu … Trong mơ hình
DiffServ, một mơ hình QoS, các luồng dữ liệu có ưu tiên cao hơn sẽ được ưu tiên
chuyển tiếp trước luồng có độ ưu tiên thấp hơn. Một mơ hình QoS khác đó là
IntServ, cho phép dành riêng tài nguyên dọc theo đường đi của dữ liệu trong mạng.
Cả hai kỹ thuật này đều hữu dụng để thực hiện các kết nối QoS.
Để đảm bảo QoS cho luồng dữ liệu thì cần phải tìm ra con đường đi của luồng dữ
liệu qua mạng sao cho đảm bảo các thông số QoS cho luồng dữ liệu đó. Các thuật
tốn định tuyến có ràng buộc đã được nghiên cứu và phát triển và ứng dụng thành
công trong việc định đường đi cho luồng dữ liệu. Thuật tốn định tuyến có ý nghĩa
rất lớn vì nó cịn ảnh hưởng thới tài ngun mạng đặc biệt là tài nguyên băng thông
của mạng, ảnh hưởng trực tiếp đến các kết nối trong tương lai.


14

Công nghệ MPLS với ưu điểm hỗ trợ QoS và các kỹ thuật lưu lượng (Traffic
Engineering) đang được các nhà cung cấp dịch vụ dùng nhiều trong mạng lõi. Kỹ
thuật QoS trong MPLS cũng bao gồm hai nhiệm vụ chính đó là tìm đường đi trong
mạng đảm bảo các u cầu QoS và đảm bảo các yêu cầu QoS trong quá trình lưu

lượng được truyền qua mạng.
Việc tìm đường đi trong mạng MPLS cũng sử dụng những kỹ thuật định tuyến IGP
(Interior Gateway Protocol) thông thường. Như vậy tại các thời điểm các nút mạng
chưa cập nhật được trạng thái của mạng thì việc định tuyến có thể dẫn đến kết quả
khơng được tốt.
Thêm vào đó thì mỗi khi dành ra tài nguyên để thực hiện một yêu cầu kết nối nào
đó thì tất nhiên ít hay nhiều điều đó sẽ gây ảnh hưởng đến yêu cầu kết nối khác
trong tương lai. Các yêu cầu kết nối trong mạng được thực hiện tại mỗi thời điểm
bất kỳ là ngẫu nhiên. Rất khó nắm bắt chu kỳ cũng như tính chuất của các kết nối
này.
Đã có nhiều nghiên cứu với mục tiêu tạo được nhiều kết nối QoS hơn trên một hạ
tầng mạng MPLS sẵn có và đã đạt được nhiều kết quả tốt. Luận văn này nghiên cứu
một phương pháp định tuyến với sự hỗ trợ của thuật toán học ước lượng ngẫu nhiên
SELA (Stochastic Estimator Learning Algorithm) cũng để đạt được số kết nối QoS
tối đa. Với đặc tính là ước lượng được môi trường biến đổi ngẫu nhiên thuật toán
SELA sẽ hỗ trợ thuật toán định tuyến tránh ra các quyết định định tuyến sai ảnh
hưởng đến hoạt động của mạng.
1.2 Mục tiêu luận văn
Luận văn này nghiên cứu một phương pháp định tuyến QoS dựa vào sự hỗ trợ của
thuật toán ước lượng mội trường ngẫu nhiên. Thuật tốn ước lượng mơi trường
ngẫu nhiên này sẽ hỗ trợ việc chọn đường đi tối ưu cho luồng dữ liệu qua mạng sao
cho vừa đảm bảo được QoS của luồng dữ liệu vừa tiết kiệm được tài nguyên cho
những kết nối sau và do đó tổng số các kết nối thực hiện được của mạng sẽ cao hơn.


15

Phương pháp này kết hợp được việc ưu tiên chọn đường đi ngắn nhất trước đồng
thời tránh được việc định tuyến vào các vùng có khả năng nghẽn cao đặc biệt tại các
thời điểm thông tin về trạng thái của mạng chưa được cập. Các nghiên cứu và mô

phỏng được thực hiện trên môi trường mạng MPLS.
1.3 Bố cục của luận văn
Chương 2 Giới thiệu về công nghệ MPLS, các chức năng cơ bản của MPLS. Các
kiến thức cơ bản về công nghệ MPLS, điểm khác nhau giữa công nghệ MPLS và IP
truyền thống.
Chương 3 Chương này trình bày các phương pháp đảm bảo QoS trong mạng
MPLS. Giới thiệu các phương pháp định tuyến và một vài thuật toán định tuyến
QoS thơng dụng.
Chương 4 trình bày thuật tốn học ước lượng ngẫu nhiên SELA, các bước thực
hiện thuật toán, cũng như những đặc tính hoạt động của thuật tốn.
Chương 5 trình bày phương pháp áp dụng thuật tốn học ước lượng ngẫu nhiên để
hỗ trợ việc chọn đường đi cho các yêu cầu kết nối QoS.
Chương 6 là kết quả mơ phỏng bằng chương trình NS-2 để so sánh hiệu năng hoạt
động của thuật toán ước lượng ngẫu nhiên với các phương pháp thông dụng khác.
Chương 7 là các đánh giá và kết luận cho luận văn này.
Phụ lục 1 là phần chứng minh khả năng tối ưu hóa của thuật toán ước lượng ngẫu
nhiên SELA.
Phụ lục 2: đoạn mã chương trình dùng để mơ phỏng so sánh kết quả


16

Chương 2. TỔNG QUAN CƠNG NGHỆ MPLS

2.1

Giới thiệu về cơng nghệ MPLS

Trong mạng IP truyền thống, mỗi một router trong mạng thực hiện việc định tuyến
một cách độc lập với đối với các gói tin được gủi tới. Khi nhận được một gói tin tới,

router thực hiện tham khảo bảng định tuyến của nó để đưa ra quyết định là sẽ
chuyển gói tin này đến hướng nào tiếp theo dựa trên địa chỉ IP của gói tin này. Để
xây dựng bảng định tuyến cho mình, mỗi router đều chạy giao thức định tuyến IP
như là BGP, OSPF hay là ISIS. Khi một gói tin đi trong mạng, mỗi router thực hiện
cơng việc tương tự để tìm ra đường đi cần chuyển tiếp của gói IP
Cơng nghệ IP truyền thống, việc thực hiện định tuyến khơng xét đến đặc tính của
lưu lượng cũng như điều kiện dung lượng của lưu lượng, điều này dẫn đến có những
đoạn trong mạng có thể xẩy ra hiện tượng nghẽn, trong khi đó có những đoạn khác
thì lại khơng sử dụng hết băng thơng.
MPLS là cơng nghệ có thể nói là sự lai ghép giữa lớp 2 và lớp 3 trong mạng IP.
MPLS hỗ trợ các tính năng QoS, kỹ thuật lưu lượng. Về cơ bản MPLS thực hiện
việc gắn một nhãn có độ dài cố định vào gói tin khi gói tin này vào miền MPLS, sau
đó việc định chuyển tiếp gói tin này trong mạng được thực hiện dựa vào thông tin
trên nhãn này.
Trong miền MPLS, đường đi của gói tin được quyết định ngay khi gói tin vào
miền MPLS. Các node dọc theo đường đi trong mạng MPLS không thực hiện các
quyết định định tuyến mà thực hiện chuyển tiếp gói tin dựa vào thông tin ghi trên
nhãn, đồng thời thay đổi giá trị của nhãn này.
Các router chuyển mạch nhãn (LSR) có cấu trúc được chia ra làm 2 phần chính
làm 2 nhiệm vụ chính, đó là phần dữ liệu (data plane) và phần điều khiển (control


17

plane). Phần control plane liên quan đến các chức năng ở lớp mạng (lớp network)
như là định tuyến và báo hiệu để thực hiện việc tìm và thiết lập đường đi cho lưu
lượng qua mạng. Trong khi đó phần data plane bao gồm các thành phần chuyển tiếp
gói tin thực hiện các công việc chuyển mạch nhãn đơn giản. Điều này cho phép thực
hiện các định tuyến chỉ định cũng như phân loại các gói tin với chất lượng dịch vụ
khác nhau, trong khi đó vẫn giữ được tính đơn giản của các router ở mạng lõi.

MPLS viết tắt của Multi Protocol Label Switching (chuyển mạch nhãn đa giao thức)
chỉ ra rằng MPLS được phát triển để có thể hoạt động với nhiều giao thức khác
nhau ở lớp 2 và 3, đồng thời cơ chế chuyển tiếp gói tin là chuyển mạch nhãn.
2.1.1 Miền MPLS (MPLS domain)
Miền MPLS được miêu tả là một tập hợp liên tiếp các nút mạng mà trong đó các
nút này thực hiện định tuyến và chuyển tiếp gói theo cơ chế MPLS [14] . Miền này
về cơ bản dưới sự quản lý của một nhà quản lý.
Miền MPLS về cơ bản được chia ra là MPLS lõi (MPLS core) và MPLS biên
(MPLS edge) . Các router trong miền MPLS được gọi là LSR (Label Switch
Router). Các node trong mạng lõi MPLS thường được gọi là LSR (Label Switch
Router),

các node ở miền biên MPLS thường được gọi là LER (Label Edge

Router). Nếu như một LER là node đầu tiên của đường đi của gói tin trong miền
MPLS thì được gọi là LER đầu vào (ingress LER) cịn nếu như node đó ở cuối
đường đi trong miền MPLS thì được gọi là LER đầu ra (egress LER). Các thuật ngữ
này được áp dụng tùy vào việc ta đang xem xét hướng của luồng dữ liệu, như vậy
một node có thể vừa là LER đầu vào của luồng dữ liệu này vừa là LER đầu ra của
luồng dữ liệu khác.


18

Hình 2.1 Miền MPLS

2.1.2 Forwarding Equivalence Class (FEC)
FEC được định nghĩa trong RFC 3031 [14] là :
“ Là một nhóm các gói IP được chuyển tiếp đi theo một cách như nhau (ví dụ :
cùng đường đi, cùng một cách đối xử như nhau ..)”

Hay nói cách khác, tất cả các gói IP được chuyển tiếp theo cùng một đường và cùng
một cách xử lý (đối xử) thì thuộc về cùng một FEC. Các FEC không phải nhất thiết
phải tuân theo sự định tuyến đường đi ngắn nhất như trong IP truyền thống, mà điều
đó cịn phụ thuộc vào các yếu tố khác như là, nguồn gốc của gói tin, các thơng số về
QoS …Router có cách xử lý với các FEC khác nhau tùy theo cấp độ ưu tiên của các
FEC đó.
Trong mạng MPLS, việc gán các gói tin vào các FEC cụ thể được thực hiện một lần
duy nhất ngay khi khói tin mới vào mạng MPLS tại LER đầu vào. Điều này hoàn


19

tồn khác với mạng IP truyền thống mà tại đó mào đầu của gói tin ln được phân
tích tại mỗi kết nối.
2.1.3 Label switching path (LSP)
Khi một gói IP di chuyển trong miền MPLS, nó sẽ đi theo một con đường định
trước, con đường định trước này phụ thuộc vào FEC. Đường đi mà gói này đi gọi là
đường chuyển mạch nhãn LSP (label switching path). LSP là đường đơn hướng do
đó trong mạng việc xây dựng hai đường LSP để truyền dẫn song hướng là thực sự
cần thiết.
Khi các gói tin lớp 3 bắt đầu vào LSR đầu vào, chúng được phân ra các FEC như
phần trên. Khi các gói tin đã được phân, chúng được gán vào LSP tương ứng với
FEC đó. Hay nói một cách khác FEC đóng vai trị như bộ lọc để chỉ ra gói IP nào sẽ
được chuyển đi theo đường LSP nào tương ứng. Một LSP có thể phục vụ cho nhiều
FEC. FEC được gán cho gói tin chỉ được thực hiện ở tại LSR đầu vào khi mà gói tin
bắt đầu vào miền MPLS. Sau khi gói tin đã được gán cho FEC, một mào đầu MPLS
sẽ được chèn vào gói tin rồi sau đó gói tin sẽ được chuyển tiếp đi đến hop tiếp theo.
Các LSR tiếp theo sẽ không phải phân tích các thơng tin khác của gói tin mà chỉ
dựa vào mào đầu MPLS để đưa ra quyết định chuyển tiếp. Gói tin được chuyển tiếp
đơn giản chỉ dựa vào thông tin trong mào đầu MPLS và giao diện mà gói tin đó đến

(đó chính là cổng nào hay đường nào mà gói tin đó đến). Có ba cơng việc cơ bản
thực hiện với một gói tin đó là :
• Đặt nhãn cho gói tin
• Đổi nhãn cho gói tin
• Pop nhãn cho gói tin
Chuyển mạch dựa theo nhãn được thực hiện nhanh hơn so với việc dựa theo địa
chỉ IP truyền thống, đây cũng là một trong những động lực thúc đẩy nghiên cứu
MPLS. Tuy nhiên với công nghệ chuyển mạch IP hiện đại ngày nay với tốc độ
nhanh thì điều này khơng cịn đúng nữa [10] .


20

Hình 2.2 Minh họa chuyển mạch nhãn
Hình trên miêu tả quá trình làm thế nào các router dung nhãn để truyền gói tin trong
miền MPLS. Tại router đầu tiên, hay cịn gọi là router đầu vào (ingress router) cơng
việc gắn nhãn MPLS cho gói tin. Để làm được việc này, cần phải quyết định là gói
tin này thuộc FEC nào. Cơ chế FTN (FEC – To –Next Hop Label Forwarding
Entry) sẽ làm việc này. Các LSR đồng thời có bảng NHLFE (Next hop label
forwarding entry) dung để kiểm soát việc phân phối nhãn cho các gói tin đi tới.
Bảng này chứa các thơng tin mà dựa vào đó router sẽ thực hiện các quyết định đối
với nhãn trên gói tin (như là gán, thay gổi nhãn hay pop) đồng thời quyết định gói
tin sẽ được chuyển tiếp đến cổng nào của router. FTN dùng để gán các gói tin chưa
gắn nhãn vào một FEC nào đó, rồi sau đó gán FEC này vào một NHLFE nào đó. Do
đó sau khi đã phân chia các FEC, nhãn và các hành động với các nhãn đó được tìm
thấy trong bảng NHLFE. Khi nhãn được chèn vào và cổng ra được tìm thấy trong
bảng NHLFE thì gói tin sẽ được chuyển tiếp đến hop tiếp theo qua cổng đó đến
router tiếp theo.
Router tiếp theo sẽ dựa vào nhãn trên gói tin đó để quyết định xem sẽ xử lý với gói
tin này như thế nào. Nó sẽ thay dổi giá trị của nhãn đồng thời sẽ chuyển gói tin đó

đến cổng khác được tìm thấy trong bảng ILM (incoming label map). Bảng ILM
dùng để khớp các nhãn của gói tin đi đến với NHLFE và được sử dụng để chuyển
tiếp gói tin đi. Tại router cuối cùng là router đầu ra egress LSR, router này sẽ truy


21

vấn thông tin trên bảng ILM và NHLFE để gỡ phần mào đầu MPLS và chuyển tiếp
gói tin như là chuyển tiếp gói IP.
2.1.4 Mào đầu MPLS (MPLS Header)
Như đã miêu tả ở trên, việc chuyển tiếp gói tin MPLS được thực hiện bằng việc sử
dụng nhãn trên mào đầu MPLS. Do đó mào đầu MPLS phải được chèn vào gói tin
khi gói tin vào miền MPLS. Với các cơng nghệ chuyển mạch như ATM hay là FR,
mào đầu MPLS được gán vào các vùng nhãn sẵn có. Với ATM thì vùng VPI/VCI
được sữ dụng cịn với FR thì vùng DLCI được sử dụng. Cịn trong trường hợp cơng
nghệ nghệ lớp hai khơn hỗ trợ miền nhãn sẵn có thì mào đầu MPLS phải được chèn
vào giữa phần mào đầu của lớp hai và lớp ba. Mào đầu MPLS này là một đoạn mào
đầu dài 32 bit được chia làm bốn phần chính như sau:

Hình 2.3 Khung mào đầu MPLS
• TLL : 8bit Time – to –live, trường này có chức năng giống với TLL trong
gói IP
• Nhãn : Label 20 bit, đây là giá trị của nhãn MPLS được gán cho gói tin
• CoS : Class of service 3 bit, trường này có chức năng phân loại dịch vụ của
gói tin .
• S : stack 1 bit, để chỉ thị nhãn cuối
2.2 MPLS Control Plane và Forwarding Plane
Các router MPLS có kiến trúc được phân ra làm 2 phần chính như sau [10], đó là
phần điều khiển (control plane) và phần chuyển tiếp (forwarding plane). Một LSR
phải có khả năng xử lý với cả gói IP truyền thống và cả gói tin MPLS, do vậy 2

22

chức năng điều khiển và chuyểển tiếp trong LSR phải có khả năng xử lý vớii ccả IP và
MPLS.
Phần điều khiển đượcc dùng cho giao th
thức định tuyến IP và giao thứcc phân ph
phối
nhãn LDP (label
label distribution protocol).
Phần chuyển tiếp thì thực hiệện chức năng chuyển tiếp gói tin IP cũng như
ư gói tin
MPLS. Phần chuyển tiếp
p gói tin MPLS thực
th hiện phụ thuộc vào giá trị nhãn trên gói
tin tin MPLS. Phần chuyển tiếếp MPLS có thể thực hiện nhiều công việcc khác nhau
liên quan đến nhãn tùy thuộcc vào các ch
chỉ dẫn trên bảng NHLFE và bảng
ng ILM ttại
mỗi node. Nếu
u như LSR đóng vai trị
tr như LSR đầu vào thì nó phải có bảng
ng FTN
(FEC to NHLFE) để thực hiện
n ch
chức năng gán nhãn cho các gói tin mớii vào mi
miền
MPLS.

Hình 2.4 Kiếến trúc router chuyển mạch nhãn LSR


23

2.3

Quyết định đường đi cho dữ liệu

Có hai cách tiếp cận trong việc xác định đường đi cho gói tin MPLS trong miền
MPLS đó là tính tốn offline và tính tốn đường đi có điều kiện. Việc xác định
đường đi thực sự rất quan trọng trong MPLS. Công việc này nhằm xác định đường
đi tốt cho luồng dữ liệu đến được đến đích.
2.3.1 Tính tốn đường bằng các cơng cụ Off-Line
Các LSP và FEC có thể được xác định bằng các công cụ chạy offline. Các dữ liệu
đầu vào của cơng cụ tính tốn này chính là các node LSR đầu vào và LSR đầu ra,
topo vật lý của mạng và các ước lượng về lưu lượng. Dựa vào các dữ liệu đầu vào
này cơng cụ tính sẽ xác định được một số đường đi cho LSP mà có thể tối ưu được
sử dụng tài nguyên băng thông trong mạng. Sau đó các router này sẽ thực hiện thiết
lập các đường đi chỉ định trong miền MPLS. Cách tính tốn đường đi này có thể
thực hiện được tối ưu việc sữ dụng tài nguyên trong mạng.
2.3.2

Thiết lập đường MPLS

Có hai cách để thiết lập LSP chính như sau, đó là LSP tĩnh và báo hiệu LSP. LSP
tĩnh là LSP được người vận hành lập ra bằng cách cấu hình trực tiếp trên các LSR.
Điều này thực hiện bằng cách đến các LSR hoặc remote từ xa đến các LSR, rồi sau
đó thực hiện các cấu hình LSP. Cách này giống như định tuyến tĩnh trong IP. Đối
với một mạng lớn và có nhiều thay đổi thì cách tiếp cận này khơng cịn phù hợp vì

tính phức tạp của nó, mức độ phức tạp trong việc định tuyến sẽ tăng theo. Một cách
khác linh động hơn nữa đó là dùng cách thiết lập LSP động bằng giao thức báo
hiệu.
Giao thức báo hiệu động được thiết kế để cho phép một router có thể yêu cầu thiết
lập kết nối cũng như gán FEC cho một đường từ đầu đến cuối. Router cần thiết lập
LSP đơn giản chỉ cần xác định con đường tốt nhất tùy thuộc vào các ràng buộc, rồi
sau đó yêu cầu các router trên đường đi thiết lập một LSP, đồng thời phân phối


24

nhãn cho FEC đó. Cơng việc cấu hình đơn giản chỉ là khai báo chức năng MPLS và
chức năng báo hiệu.
2.4 Giao thức báo hiệu trong MPLS
Báo hiệu là một cách các router trao đổi các thông tin cần thiết có liên quan. Trong
mạng MPLS, loại thơng tin nào được trao đổi giữa các router phụ thuộc vào việc
giao thức nào đang sữ dụng. Cơ bản thông tin nhãn phải được phân bố đến tất cả
các router để trên cơ sở đó router có thể tạo các LSP và chuyển phát gói tin. Cấu
trúc MPLS có bốn cách phân phối nhãn như sau :
• LDP (Label Distribution Protocol)
• RSVP –TE (Resource Reservation Protocol extension for MPLS)
• CR-LDP (Constrained Routing with LDP)
• Distribution labels with BGP-4
2.4.1

LDP

LDP được thiết kế bởi nhóm làm việc trong IETF. LDP hoạt động sát với giao thức
định tuyến IGP và do đó đơi khi nó đơi khi còn được gọi là cơ chế chuyển phát “
hop-by-hop”. Khi ra quyết định chọn đường đi cho dữ liệu nó ln ln chọn đường

đi giống như giao thức định tuyến IP truyền thống. Do đó LDP khơng hỗ trợ TE
(traffic engineering). Động lực đằng sau việc nghiên cứu LDP cho việc chọn đường
đi giống như mạng IP truyền thống đó là để tăng tốc việc chuyển tiếp gói tin ở mỗi
router. Trong mạng IP truyền thống thì việc tìm đường đi tiếp theo tại mỗi router
được quyết định bằng cách so sánh độ dài trùng hợp tối đa địa chỉ gói IP đó trong
bảng định tuyến. Việc tìm kiếm so sánh như vậy đôi khi dẫn đến sự chậm trễ khi mà
bảng định tuyến trở nên rất lớn với mạng rất lớn. Do đó việc quyết định chuyển tiếp
gói tin dựa vào nhãn của gói tin giúp tăng đáng kể tốc độ chuyển phát gói tin. Tuy
nhiên với cơng nghệ chuyển phát gói tin IP hiện đại bây giờ thì điều đó khơng cịn ý
nghĩa nữa.


25

Do sự phát triển của công nghệ định tuyến ngày nay mà LDP hầu như rất ít được
dùng ngày nay. Tuy nhiên một giao thức tương tự bắt nguồn từ LDP có nhiều chức
năng được dùng nhiều hơn đó là CR-LDP.
2.4.2

CR-LDP

CR-LDP là phần mở rộng của LDP, hỗ trợ chức năng định tuyến LDP có ràng buộc.
Ràng buộc ở đây có nghĩa là chỉ những link nào thỏa mãn các yêu cầu cụ thể của
luồng dữ liệu mới được chọn. Một ví dụ của định tuyến ràng buộc đó là chọn đường
đi thỏa mãn băng thơng nào đó. Hoặc là chọn đường đi thỏa mãn các yêu cầu về
bảo mật nào đó…
Các LSR sử dụng CR-LDP để trao đổi nhãn và thơng tin về việc gán nhãn với FEC.
Có bốn loại bản tin LDP như sau :
• Bản tin discovery :
• Bản tin session

• Bản tin advertisement
• Bản tin notification
2.4.3

RSVP-TE

RSVP-TE [8] là phiên bản mở rộng của RSVP để thực hiện cơ chế RSVP để thiết
lập LSP, phân phối nhãn và thực hiện các chức năng khác liên quan đến nhãn thỏa
mãn các yêu cầu của kỹ thuật lưu lượng. RSVP-TE hỗ trợ kỹ thuật lưu lượng và
không nhất thiết phải tuân theo sự định tuyến như trong IP truyền thống [10].
RSVP-TE là một giao thức trạng thái mềm, tức là khi một đường được thiết lập
bằng RSVP-TE nó phải luôn được thường xuyên cập nhật để giữ trạng thái dành
riêng tài nguyên. RSVP-TE là giao thức hướng phía nhận, tức là yêu cầu dành riêng
tài nguyên được thiết lập từ phía thu đến phía phát. Khi RSVP-TE được sử dụng để
thiết lập LSP, router đầu vào (ingress router) bắt đầu bằng cách phát đi bản tin