CHƯƠNG 2: ĐỊnh tuyẾn và báo hiỆu trong MPLS

 Chương 2: Định tuyến và báo hiệu trong MPLS

theo một tiêu chí nào đó (Số nút ít nhất hoặc đường ngắn nhất). Khi đã xác định

được một đường kết nối thì định tuyến cưỡng bức sẽ thực hiện thiết lập, duy trì và

chuyển trạng thái kết nối dọc theo các kênh trên đường đó.

Định tuyến cưỡng bức là một phương tiện để thực hiện xử lý tự động hóa kỹ

thuật lưu lượng, khắc phục được các hạn chế của định tuyến theo đích (Destinationbased routing). Nó xác định các tuyến đường (route) không chỉ dựa trên topology

mạng (thuật toán chọn đường ngắn nhất SPF – Shortest Path First) mà còn sử dụng

các metric đặc thù khác như băng thông, trễ, cost và biến động trễ. Giải thuật chọn

đường có khả năng tối ưu hóa theo một hoặc nhiều metric này. Metric thường được

dùng dựa trên số lượng hop và băng thông. Để đường được chọn có số lượng hop

nhỏ nhất nhưng phải đảm bảo băng thông khả dụng trên tất cả các chặng liên kết,

quyết định cơ bản như sau: chọn đường ngắn nhất trong số tất cả các đường có băng

thông khả dụng thỏa mãn yêu cầu.



Hình 2.1: Một ví dụ định tuyến cưỡng bức



Để minh họa hoạt động của định tuyến cưỡng bức, xét cấu trúc mạng “con

cá” điển hình như hình 2.1 trên. Giả sử rằng định tuyến cưỡng bức sử dụng số hop

(hop-count) và băng thông khả dụng làm các metric. Lưu lượng 600 Kbps được

định tuyến trước tiên, sau đó là lưu lượng 500 Kbps và 200 Kbps. Cả 3 loại lưu

lượng này đều hướng đến cùng một egress-router. Ta thấy rằng:

- Vì lưu lượng 600 Kbps được định tuyến trước nên nó đi theo đường ngắn

nhất là R8-R2-R3-R4-R5.Vì băng thông khả dụng là như nhau trên tất cả các chặng

kênh (1 Mbps), nên lưu lượng 600 Kbps chiếm 60% băng thông.

- Sau đó, vì băng thông khả dụng của đường ngắn nhất không đủ cho cả 2

lưu lượng 600Kbps và 500 Kbps, nên lưu lượng 500 Kbps được định tuyến đi theo

đường mới qua R6 và R7 mặc dù nhiều hơn một hop so với đường cũ. Với lưu

lượng 200 Kbps tiếp theo, vì vẫn còn băng thông khả dụng trên đường ngắn nhất

nên đường này được chọn để chuyển lưu lượng 200 Kbps.



 SVTH: Phạm Thanh Hải



Trang 37



GVHD: ThS. Đào Minh Hưng



 Chương 2: Định tuyến và báo hiệu trong MPLS

Định tuyến cưỡng bức có 2 kiểu: định tuyến online và định tuyến offline.

Kiểu online cho phép các router tính đường cho các LSP bất kỳ lúc nào. Trong kiểu

offline, một server tính đường cho các LSP theo định kỳ (chu kỳ có thể được chọn

bởi nhà quản trị, thường là vài giờ hoặc vài ngày). Các LSP được báo hiệu thiết lập

theo các đường đã được chọn.

2.1.2. Định tuyến tường minh (Explicit Routing)

Định tuyến tường minh (Explicit Routing) là một tập con của định tuyến

cưỡng bức, trong đó sự ràng buộc là đối tượng tuyến tường minh ER (explicit

route). Tuyến tường minh ER là một danh sách các “nút trừu tượng” (abstract node)

mà một đường chuyển mạch nhãn cưỡng bức CR-LSP phải đi qua. Nút trừu tượng

có thể là một nút (địa chỉ IP) hoặc một nhóm nút (như IP prefix hoặc một AS).

Nếu ER chỉ quy định một nhóm trong số các nút mà CR-LSP đi qua thì nó

được gọi là tuyến tường minh thả lỏng (loose ER). Ngược lại, nếu ER quy định toàn

bộ các nút trên CR-LSP thì được gọi là tuyến tường minh nghiêm ngặt (strict ER).

CR-LSP được mã hóa như là một chuỗi các ER-Hop (chặng tường minh)

chứa trong một cấu trúc Type-Length-Value cưỡng bức (constraint-based route

TLV). Mỗi ER-Hop có thể xác định một nhóm các nút. CR-LSP khi đó bao gồm tất

cả các nhóm nút đã được xác định theo thứ tự xuất hiện trong cấu trúc TLV.

2.1.3. Định tuyến dựa trên QoS

Ngày nay, Internet hỗ trợ chỉ dịch vụ "kết quả tốt nhất", nhưng không có cơ

chế đảm bảo cho việc mất gói, băng thông, độ trễ, jitter… trong khi các dịch vụ cũ

như là FPT, mail… làm việc tốt với nền tảng Internet cũ, thì các dịch vụ hiện tại

như là điện thoại Internet, Video trực tuyến… yêu cầu băng thông cao, độ trễ thấp

và jitter nhỏ.

QoS là một tập các yêu cầu về dịch vụ cho mạng khi truyền tải dữ liệu. Nói

cách khác, QoS là mức độ yêu cầu về dịch vụ của người dùng, được đặc trưng bởi tỉ

lệ mất gói, băng thông, độ trễ đầu cuối. QoS là thỏa thuận giữa người dùng và nhà

cung cấp mạng bởi Thỏa Thuận Về Mức Độ Dịch Vụ SLA (Service Level

Agreement).

Định tuyến dựa trên QoS: định tuyến sao cho tuyến đường đảm bảo dịch vụ

QoS (là thỏa thuận giữa người dùng và nhà cung cấp dịch vụ mạng về băng thông,

độ trễ, tỉ lệ mất gói… ). Bên cạnh đó là các ràng buộc, các ràng buộc phải đảm bảo

là tối ưu tài nguyên mạng.



 SVTH: Phạm Thanh Hải



Trang 38



GVHD: ThS. Đào Minh Hưng



 Chương 2: Định tuyến và báo hiệu trong MPLS

QoS metric: SLA được thể hiện bởi QoS metric. QoS metric bao gồm băng

thông jitter, giá thành, tỉ lệ mất gói. Một tập m(n1,n2) là metric của liên kết (n1,n2).

Với bất cứ tuyến đường P (Path) nào, P = (n1,n2,n3,…ni,nj), metric m là:





Tính cộng (additive), nếu m(P) = m(n1,n2) + m(n2,n3) + … + m(ni,nj)



Tính nhân (multiplicative), nếu m(P) = m(n1,n2) * m(n2,n3) * … *

m(ni,nj)







Tính lõm (concave), nếu m(P) = min{m(n1,n2), m(n2,n3), … , m(ni,nj)}

2.1.3.1. Phân loại các thuật toán QoS



Với một vài metric, metric của tuyến đường bị ảnh hưởng bởi các liên kết

với metric tối thiểu (băng thông, không gian bộ đệm). Chúng được gọi là các liên

kết nghẽn cổ chai. Chúng ta có thuật toán định tuyến tối ưu liên kết (link optimize)

(tìm một tuyến đường tối ưu tại liên kết bị nghẽn cổ chai) và định tuyến ràng buộc

liên kết (link constrained) (tìm tuyến đường tốt nhất mà liên kết bị nghẽn cổ chai

thỏa mãn một vài ràng buộc metric).

Với một vài metric, metric của tuyến đường là sự kết hợp của metric của tất

cả liên kết dọc theo tuyến đường đó. Chúng ta có định tuyến tối ưu tuyến đường

(path optimize routing) (tìm tuyến đường với metric tuyến đường tối ưu) và định

tuyến ràng buộc tuyến đường (path constrained routing) (tìm tuyến đường thỏa mãn

một vài ràng buộc metric).

2.1.3.2. Thuật toán định tuyến có thể giải được với thời gian đa

thức

•



Định tuyến ràng buộc liên kết, tối ưu tuyến đường (Link-constrained,



path-optimization routing).

•



Định tuyến tối ưu liên kết, ràng buộc liên kết (Link-constrained, link-



optimization routing).

•



Định tuyến ràng buộc nhiều liên kết (Multi-link-constrained routing).



•



Định tuyến ràng buộc liên kết, ràng buộc tuyến đường (Link-



constrained, path-constrained routing).

•



Định tuyến ràng buộc tuyến đường, tối ưu liên kết (Path-constrained,



link-optimimization routing).



 SVTH: Phạm Thanh Hải



Trang 39



GVHD: ThS. Đào Minh Hưng



 Chương 2: Định tuyến và báo hiệu trong MPLS

Với các bài toán trên, đầu tiên phải giải bài toán ràng buộc liên kết hoặc tối

ưu liên kết, sẽ có một tập giới hạn các kết quả phụ thuộc vào số liên kết, và sau đó

giải bài toán ràng buộc tuyến đường hoặc tối ưu tuyến đường.

2.1.4. Định tuyến dựa trên lưu lượng

Với thuật toán tìm đường ngắn nhất, nhược điểm của các thuật toán này là khi

một cung là tốt với nhiều cặp nguồn – đích, thì các cặp nguồn – đích sẽ chọn cung

đó cho tuyến đường của chúng và dẫn đến tắc nghẽn trên cung đó. Thuật toán định

tuyến dựa trên lưu lượng không chỉ tối ưu tài nguyên mạng tại thời điểm hiện tại,

nhưng cũng cho yêu cầu của tương lai. Thuật toán định tuyến dựa trên lưu lượng sẽ

tiên đoán liên kết nào sẽ bị tắc nghẽn khi định tuyến quá nhiều lưu lượng qua chúng

và sẽ giảm định tuyến lưu lượng qua các liên kết đó.

Phân loại :

- Dựa trên thông tin của mạng hiện tại, tính toán và chọn ra những liên kết

làm tối thiểu khả năng tắc nghẽn của mạng trong tương lai.

- Dựa trên thông tin thống kê bởi server hoặc router sẽ có thông tin gần đúng

về yêu cầu trong tương lai. Các thông tin thống kê đó gọi là "thông tin mô tả

(profile)". Sau khi có các thông tin mô tả, sẽ sử dụng quy hoạch tuyến tính để tìm ra

giải pháp tối ưu trong tương lai.

Sau đây là một vài thuật toán định tuyến dựa trên lưu lượng, các thuật toán

này gợi ý ra các lý thuyết cơ bản và các ý tưởng tổng quát cho các thuật toán định

tuyến dựa trên lưu lượng.

*) Thuật toán định tuyến với điểm giao tối thiểu MIRA (Minimum Interference

Routing Algorithm)

Để đảm bảo yêu cầu cài đặt LSP, giá trị maxflow càng nhỏ sau khi mọi cặp

nguồn – đích chọn được tuyến đường thì khả năng của mạng đáp ứng cho yêu cầu

của tương lai càng lớn. Vấn đề này có thể được mô tả bởi công thức toán học. Đặt

θ là maxflow của cặp nguồn – đích (s,d) được tính toán sau khi thỏa mãn yêu cầu

sd

thiết lập LSP, bài toán đặt ra là cực đại tổng θsd của mọi cặp nguồn – đích. Mục



tiêu tối ưu là:

Maximize



θ

∑



sd



( s , d )eP ( a ,b )



Bên cạnh đó, phải tìm ra lưu lượng của mỗi cặp nguồn – đích, thiết lập tuyến

đường với băng thông D và đảm bảo ràng buộc: tổng băng thông của mọi lưu lượng



 SVTH: Phạm Thanh Hải



Trang 40



GVHD: ThS. Đào Minh Hưng



 Chương 2: Định tuyến và báo hiệu trong MPLS

đi qua mỗi liên kết phải nhỏ hơn băng thông dự trữ của liên kết đó, và tổng lưu

lượng đi vào bằng tổng lưu lượng đi ra mỗi nút của mạng.

Để giải quyết hoàn toàn vấn đề là một bài toán NP khó. Để giải quyết vấn đề

trên, mô tả bởi thuật toán MIRA: từ thông tin về dung lượng dự trữ của mọi cung,

có thể tính toán ra maxflow của mọi cặp nguồn – đích. Với mỗi cặp nguồn – đích,

tìm ra tập mincut, và những liên kết thuộc về các tập đó được gọi là các liên kết tới

hạn (critical links). Các liên kết tới hạn này có tính chất là nếu định tuyến lưu lượng

của cặp nguồn – đích sẽ bị giảm. Do đó, mục tiêu của thuật toán MIRA là tránh đến

tối đa việc đi qua các liên kết tới hạn.

Ý tưởng:

Ý tưởng của thuật toán là các đường đi sẽ không ảnh hưởng quá nhiều để

thỏa mãn yêu cầu tương lai. Thuật toán phát triển dựa trên heuristic " critical link ".

" critical link " được chỉ định bởi thuật toán, và là các kết nối với các thuộc tính mà

một LSP được định tuyến qua các kết nối này giá trị luồng lớn nhất (maxflow) của

một hoặc nhiều đôi ngõ vào – ngõ ra (ingress – egress) giảm đi. Nếu " critical link "

có tải nặng thì mạng không có khả năng thỏa mãn cho tương lai.

1

1



1

0

6



1



2



9



8



7



3



4



5



Hình 2.2 : Các ý tưởng chính

Ví dụ :

Nếu thuật toán ít trạm nhất (min – hop) được sử dụng, tuyến từ S 3 tới D3 là 17-8-5 và nó sẽ khóa các tuyến giữa (S 1, D1) và (S2, D2). Trong ví dụ này, sự lựa chọn

tốt nhất là 1-2-3-4-5.

Thiết lập luồng cực đại (maxflow) giữa một cặp ngõ vào – ngõ ra (S 1, D1).

Giá trị này là giới hạn trên của tổng băng thông có thể đi từ ngõ vào đến ngõ ra. Giá



 SVTH: Phạm Thanh Hải



Trang 41



GVHD: ThS. Đào Minh Hưng



 Chương 2: Định tuyến và báo hiệu trong MPLS

trị luồng cực đại sẽ giảm D đơn vị khi băng thông yêu cầu của D đơn vị được định

tuyến giữa (S1, D1).

Chọn đường đi bằng tính toán đường đi ngắn nhất: Sau khi xác định các "

critical link " sẽ tránh được định tuyến LSP trên các " critical link ". Sử dụng

Dijkstra hay Bellman-Ford để tính đường đi. Thực hiện điều đó bằng cách xây dựng

ma trận trọng số (matrix weight) làm tăng chi phí khi các tuyến LSP đi qua " critical

link ". Sau đó ta chọn đường đi theo thuật toán đường đi ngắn nhất.

MIRA (Minimum Interference Routing Algorithm):

Sau đây là kết quả mô hình của MIRA. Với mô hình và băng thông giống

như trong tập tin đoạn mã thì lưu lượng từ nguồn 0 sẽ đi thông qua con đường 0-67-4 nhưng với MIRA, sau khi tính toán cho các critical link, lưu lượng từ nguồn 0

sẽ đi qua con đường 0-1-2-3-4, vì thế 5, 9 và 8, 10 có nhiều cơ hội để thiết lập một

LSP thông qua kết nối 6-7.

1

0



5



8

7

9



6

4

0

3

1



2



Hình 2.3 : MIRA 1



Với thuật toán MIRA, đường đi từ nút 1 đến 5 là 1-3-5, từ nút 1 đến 4 là 1-24 và con đường từ nút 2 đến 3 là 2-4-3. Sau đó ta sử dụng định tuyến tường minh để

thiết lập ER-LSP dọc theo các nút này. Với MIRA, mạng có thể tối ưu tài nguyên

cho các yêu cầu tương lai.



 SVTH: Phạm Thanh Hải



Trang 42



GVHD: ThS. Đào Minh Hưng



 Chương 2: Định tuyến và báo hiệu trong MPLS



4

2



0



5



3



1



Hình 2.4 : MIRA 2



*) Thuật toán định tuyến động trực tuyến DORA (Dynamic On Routing

Algorithm):

Thuật toán DORA cũng dựa trên thông tin hiện tại của mạng để tiên đoán

ra các liên kết có khả năng bị tắc nghẽn để tránh đi qua chúng. DORA khác biệt với

MIRA ở chỗ MIRA thì dựa trên maxflow, trong khi DORA xem xét về số tuyến

đường đi qua một liên kết (xem xét đến mọi cặp nguồn – đích). Đặt n là số tuyến

đường (của mọi cặp nguồn – đích) đi qua một liên kết, giá trị của n càng lớn, khả

năng tắc nghẽn trên liên kết đó trong tương lai càng lớn, do đó DORA chọn n làm

trọng số cho mỗi liên kết và sử dụng thuật toán tìm đường ngắn nhất để tìm ra tuyến

đường có trọng số tối thiểu. Ngoài ra, kết hợp n với các điều kiện tối ưu metric khác

(ví dụ m), thuật toán DORA xây dựng giá trị trọng số bằng công thức:

w = αn′ + (1 − α ) m ′



(2.1)



n′, m′ là các giá trị được chuẩn hóa của n, m trong phạm vi [0, 100].



0 ≤ α ≤ 1, chọn giá trị α dựa trên thực nghiệm (thông thường α = 0,5 ).

2.2. Các chế độ báo hiệu MPLS

2.2.1. Chế độ phân phối nhãn

MPLS sử dụng hai chế độ hoạt động của các LSR để phân phối các ánh xạ

nhãn, đó là phân phối không cần yêu cầu (Downstream Unsolicited) và phân phối

theo yêu cầu (Downstream on Demand). Thuật ngữ downstream ở đây ngụ ý rằng



 SVTH: Phạm Thanh Hải



Trang 43



GVHD: ThS. Đào Minh Hưng



 Chương 2: Định tuyến và báo hiệu trong MPLS

phía downstream sẽ thực hiện gán kết nhãn và thông báo gán kết đó cho phía

upstream.

2.2.1.1. Phân phối nhãn không cần yêu cầu (Downstream

Unsolicited)

Downstream-LSR phân phối các gán kết nhãn đến upstream-LSR mà không

cần có yêu cầu thực hiện việc kết nhãn. Nếu downstream-LSR chính là hop kế đối

với định tuyến IP cho một FEC cụ thể thì upstream-LSR có thể sử dụng kiểu gán

kết nhãn này để chuyển tiếp các gói trong FEC đó đến downstream-LSR.



Hình 2.5 : Phân phối nhãn không cần yêu cầu



2.2.1.2. Phân phối nhãn theo yêu cầu (Downstream on

Demand)

Upstream-LSR phải yêu cầu rõ ràng một gán kết nhãn cho một lớp chuyển

tiếp tương đương (FEC) cụ thể thì downstream-LSR mới phân phối. Trong phương

thức này, downstream-router không nhất thiết phải là hop kế đối với định tuyến IP

cho FEC đó, điều này rất quan trọng đối với các LSP định tuyến tường minh.



Hình 2.6 : Phân phối nhãn theo yêu cầu



2.2.2. Chế độ duy trì nhãn

Một upstream-LSR có thể nhận các gán kết nhãn cho cùng một FEC X từ

nhiều downstream-LSR. Có hai chế độ duy trì các gán kết nhãn nhận được là duy trì

nhãn tự do (liberal label retention) và duy trì nhãn bảo thủ (conservative label

retention).



 SVTH: Phạm Thanh Hải



Trang 44



GVHD: ThS. Đào Minh Hưng



 Chương 2: Định tuyến và báo hiệu trong MPLS

2.2.2.1. Duy trì nhãn tự do (liberal label retention)

Phía upstream (LSR1) lưu giữ tất cả các gán kết nhãn nhận được, bất chấp

việc downstream-LSR có phải là hop kế đối với định tuyến IP hay không.



Hình 2.7 : Duy trì nhãn tự do



- Ưu điểm chính của duy trì nhãn tự do là có thể phản ứng nhanh với sự thay

đổi định tuyến vì các gán kết nhãn đã có sẵn.

- Nhược điểm là LSR phải duy trì nhiều gán kết nhãn không dùng và có thể

gây ra vòng lặp (loop) định tuyến tạm thời khi thay đổi định tuyến.

2.2.2.2. Duy trì nhãn bảo thủ (conservative label retention)

Upstream-LSR hủy tất cả các gán kết nhãn khác, chỉ giữ lại gán kết nhãn gởi

từ downstream-LSR đang là hop kế hiện hành.

- Chế độ này có ưu điểm là LSR chỉ cần duy trì số gán kết FEC-nhãn ít hơn.

- Nhược điểm chính là đáp ứng chậm khi thay đổi định tuyến vì gán kết nhãn

mới phải được yêu cầu và phân phối lại.

Đây là chế độ thích hợp cho các LSR chỉ hỗ trợ một số lượng nhãn hạn chế

(như các chuyển mạch ATM).



Hình 2.8 : Duy trì nhãn bảo thủ



 SVTH: Phạm Thanh Hải



Trang 45



GVHD: ThS. Đào Minh Hưng



 Chương 2: Định tuyến và báo hiệu trong MPLS

2.2.3. Chế độ điều khiển LSP

Khi một FEC ứng với một prefix địa chỉ được phân phối bởi định tuyến IP,

việc thiết lập mối kết hợp giữa các gán kết nhãn tại một LSR có thể thực hiện theo

hai cách: điều khiển độc lập hoặc điều khiển tuần tự.

2.2.3.1. Điều khiển độc lập (independent control)

Khi mỗi LSR nhận dạng ra một FEC thì nó quyết định gán kết ngay một

nhãn cho FEC đó và công bố luôn gán kết đó cho các đối tác phân phối nhãn (label

distribution peers). Điều này tương tự như định tuyến IP thông thường, ở đó mỗi

router ra quyết định độc lập về nơi cần chuyển gói đi. Điều khiển độc lập có ưu

điểm là thiết lập LSP nhanh vì việc kết nhãn diễn ra song song giữa nhiều cặp LSR

và dòng lưu lượng có thể bắt đầu truyền mà không cần đợi cho tất cả các gán kết

nhãn thiết lập xong.



Hình 2.9 : Điều khiển độc lập



2.2.3.2. Điều khiển tuần tự (ordered control)

Một downstream-LSR thực hiện kết nhãn cho một FEC và thông báo gán kết

đó chỉ nếu nó là LSR lối ra hoặc nếu nó đã nhận được một gán kết nhãn cho FEC đó

từ router hướng downstream của nó. Việc thiết lập LSP tuần tự bắt đầu ở LSR lối ra

và diễn ra nối tiếp theo hướng ngược về LSR lối vào. Các LSP định tuyến tường

minh bắt buộc phải sử dụng kiểu điều khiển tuần tự và quá trình phân phối nhãn

theo chuỗi có thứ tự sẽ tạo ra thời gian trễ trước khi dòng lưu lượng đi trên LSP có

thể bắt đầu. Tuy nhiên, điều khiển tuần tự cung cấp phương tiện tránh vòng lặp

(loop) và đạt được mức độ thu gom chắc chắn hơn.



Hình 2.10 : Điều khiển tuần tự



 SVTH: Phạm Thanh Hải



Trang 46



GVHD: ThS. Đào Minh Hưng



 Chương 2: Định tuyến và báo hiệu trong MPLS

2.2.4. Các giao thức phân phối nhãn MPLS

Giao thức phân phối nhãn là một tập các thủ tục mà nhờ nó một LSR có thể

thông báo cho một LSR khác biết về các mối gán kết nhãn-FEC mà nó đã tiến hành.

Kiến trúc MPLS không chỉ định một giao thức phân phối nhãn duy nhất nào, do đó

có thể có nhiều lựa chọn. Mỗi giao thức có ưu và nhược điểm riêng. Trong các phần

tiếp theo giới thiệu một số giao thức phân phối nhãn được dùng phổ biến.

Bảng 2.1 : Một số giao thức phân phối nhãn MPLS

Giao thức



LDP



RSVP-TE



x



CR-LDP



x



BGP



Hỗ trợ các

chế độ



Định tuyến

từng chặng

(hop by hop)

Định tuyến

tường minh



x



x (*)



x



Phân phối

không cần yêu

cầu



x



x



Phân phối theo

yêu cầu



x



Điều khiển

độc lập



x



Điều khiển

tuần tự



x



x



x



Point-to-poing

LSP



x



x



x



Multipoint-topoing LSP



x



x



x



x

x



x



(*): Mỗi hop là một hệ tự trị (Autonomous System)



 SVTH: Phạm Thanh Hải



Trang 47



GVHD: ThS. Đào Minh Hưng