Công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức không dây WMPLS Nguồn: khonggianit.vn Chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS – Multi Protocol Label Switching) công nghệ mới, bắt đầu nghiên cứu vào năm 1997 Nó thành phần mạng WAN nhờ cải thiện đáng kể hiệu mạng Tuy nhiên nhu cầu sử dụng mạng ngày tăng MPLS lại gặp phải vấn đề chất lượng dịch vụ tốc độ truyền dẫn Trong đó, cơng nghệ mạng khơng dây có xu hướng phát triển mạnh mẽ Do đó, việc mở rộng MPLS sang lĩnh vực mạng không dây xu hướng tất yếu Bài viết giới thiệu công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức không dây (Wireless MPLS – WMPLS), cấu trúc gói tin, hoạt động ứng dụng WMPLS Giới thiệu chung WMPLS Chuyển mạch nhãn đa giao thức không dây (WMPLS) công nghệ mở rộng MPLS sang lĩnh vực khơng dây, đó, trước tìm hiểu WMPLS, điểm lại vài đặc điểm quan trọng MPLS MPLS giải pháp nhằm liên kết định tuyến lớp mạng chế hoán đổi nhãn thành giải pháp đơn giản để đạt mục tiêu: cải thiện hiệu định tuyến, tính mềm dẻo định tuyến mơ hình xếp chồng truyền thống tăng tính mềm dẻo trình phát triển loại hình dịch vụ mới… Trong MPLS, nhãn sử dụng để truyền tải gói tin qua mạng Các nhãn gắn vào gói tin cho phép định tuyến chuyển tiếp lưu lượng theo nhãn mà không cần địa IP đích MPLS chia định tuyến làm hai phần chức riêng biệt chuyển tiếp gói tin điều khiển Phần chức chuyển tiếp gói sử dụng chế hoán đổi nhãn Kỹ thuật hoán đổi nhãn chất việc tìm chặng cho gói tin bảng chuyển tiếp nhãn, sau thay giá trị nhãn gói chuyển tới cổng định tuyến Việc đơn giản nhiều so với việc xử lý gói tin thông thường lớp mạng cải tiến lực thiết bị Phần chức điều khiển MPLS bao gồm giao thức định tuyến với nhiệm vụ phân phối thông tin định tuyến định tuyến, thủ tục gán nhãn để chuyển thông tin định tuyến thành bảng chuyển tiếp nhãn MPLS hoạt động với giao thức định tuyến Internet giao thức tìm đường ngắn OSPF (Open Shortest Path First) BGP (Border Gateway Protocol) hay PNNI (Private Network-to-Network Interface) ATM Khi gói tin vào mạng MPLS, định tuyến khơng chuyển gói mà thực phân loại chúng thành lớp chuyển tiếp FEC (Forwarding Equivalency Classes), sau liên kết lớp với giá trị nhãn Để ấn định phân bổ liên kết nhãn với lớp chuyển tiếp, MPLS sử dụng giao thức phân bổ nhãn LDP (Label Distribution Protocol) Khi giao thức LDP hoàn thành nhiệm vụ, đường dẫn chuyển mạch nhãn thiết lập từ đầu vào tới đầu Hình vị trí khn dạng nhãn MPLS gói liệu Hình 1: Định dạng cấu trúc nhãn MPLS Trong đó: CoS: Phân lớp dịch vụ (Class of Service) S: Ngăn xếp (Stack) TTL = Thời gian sống gói tin mạng (Time To Live) Nhu cầu phát triển WMPLS Các công ty Juniper, Nortel Cisco đầu tư thời gian tiền để nghiên cứu phát triển vấn đề tích hợp MPLS với cơng nghệ Internet lĩnh vực không dây Nguyên nhân do: IP lĩnh vực không dây gặp phải số thách thức, giao thức định tuyến IP khơng hồn tồn phù hợp với mạng khơng dây di động đem so sánh với cơng nghệ WMPLS Việc tích hợp MPLS với IP di động trở thành công nghệ hấp dẫn Nó cho phép quản lý cục bộ, hỗ trợ chuyển giao, cấp phát địa chỉ, định tuyến chuyển giao lưu lượng mơi trường khơng dây Có số công nghệ khác công nghệ ATM, công nghệ 3G, sửa đổi để hỗ trợ IP di động Tuy nhiên, MPLS cơng nghệ ưa thích đơn giản hóa việc điều khiển lưu lượng mạng lõi Hơn nữa, MPLS không cung cấp tốc độ xử lý nhanh để cải thiện hiệu cho IP với chi phí thấp mà cịn khơng gây ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ hạ tầng mạng thay đổi Hoạt động WMPLS 3.1 Cấu trúc gói tin WMPLS WMPLS sử dụng hai khuôn dạng tiêu đề hình Trong mạng WMPLS, bit số 20 bit trường nhãn (Label) đọc giống trường cờ (Flag) Trường định trường điều khiển (Control) trường CRC (Cyclic Redundancy Code) có sử dụng hay không, đồng thời cho biết độ dài trường điều khiển sử dụng hay byte, tương ứng với bit số thứ tự Trong mơ hình chồng lấn, giao thức lớp thấp hỗ trợ việc điều khiển luồng lỗi, khuôn dạng tiêu đề WMPLS khơng có trường điều khiển trường CRC Để xác định khn dạng cho nhãn hai bit trường nhãn thiết lập để biểu thị trường điều khiển trường CRC khơng sử dụng (Hình 2a) Cờ Nhãn CoS S TTL (2 bit) (18 bit) (1 bit) (1 bit) (8 bit) Hình 2a: Tiêu đề WMPLS khơng có trường điều khiển CRC Hình 2b: Tiêu đề WMPLS có trường điều khiển CRC Trong trường điều khiển, hình 2b, N(S) số thứ tự gói/khung gửi N(R) số thứ tự khung yêu cầu phát lại tự động số thứ tự khung báo nhận điều khiển luồng Số bit N(S) N(R) phụ thuộc vào giá trị cờ (bảng 1) Trong đó, dịch vụ tốc độ truyền tải thấp, N(R) N(S) có bit, ngược bit Bảng 1: Giá trị bit cờ tiêu đề gói tin WMPLS Các bit cờ (Flag) N(S), N(R) 0 Khơng có trường điều khiển CRC bit N(R) bit N(S) bit N(R) bit N(S) 1 Dự phòng cho ứng dụng tương lai 3.2 Giao thức WMPLS Hai giao thức sử dụng mạng MPLS giao thức phân bổ nhãn LDP giao thức giành trước tài nguyên (RSVP- Resource Reservation Protocol) Khi tiến hành mở rộng MPLS sang miền không dây, người ta tiến hành sửa đổi hai giao thức để hỗ trợ dịch vụ WMPLS Mạng WMPLS sử dụng giao thức định tuyến cưỡng LDP (CR-LDP - Constraint-based Label Distribution Protocol) để định nghĩa người sử dụng (NSD) đầu cuối giao thức RSVP mở rộng (E-RSVP) để thiết lập đường chuyển mạch nhãn LSP (Label Switched Path) Do đó, mơi trường mạng tế bào di động, thực chuyển giao từ trạm gốc sang trạm gốc khác khơng phải phá bỏ kết nối LSP 3.3 Hoạt động WMPLS Hình đưa mơ hình mạng WMPLS kết nối với kết nối với mạng MPLS có dây Mơ hình xây dựng cách kết nối cell tới điều khiển trung tâm Hình 3: Mạng gói WMPLS thơng thường mạng đường trục MPLS có dây Như nói trên, WMPLS dạng mở rộng MPLS có dây, sử dụng bước sóng vơ tuyến mở thay sử dụng cáp Tại Mỹ, Ủy ban Truyền thông liên bang Mỹ (FCC) quy định tần số/bước sóng vơ tuyến mở cấp giấy phép truyền dẫn WMPLS Những NSD không dây sử dụng băng tần đảm bảo QoS cho NSD WMPLS Các băng tần tập trung tần số 2,5; 5,8; 10,5; 24; 28; 38; 48 GHz Vì dịch vụ vệ tinh cố định sử dụng tần số thuộc băng Ka, nên WMPLS sử dụng tần số từ 18 đến 31 GHz Ở tần số cao băng thơng khả dụng lớn lúc tốc độ truyền dẫn nhanh Những tần số cao có độ rộng phổ hẹp có tính động so với tần số thấp Do đó, điều khiển truyền dẫn WMPLS thực dễ dàng WMPLS kết nối trực tiếp với phần băng tần ấn định cách sử dụng mặt phẳng quản lý mặt phẳng điều khiển không dây Sau có kết nối, thiết bị đầu cuối kết nối bắt đầu thông tin với thơng qua mạng đường trục MPLS có dây/khơng dây Khi q trình trao đổi thơng tin kết thúc, kết nối bị ngắt băng tần vô tuyến cấp phát giải phóng cho người dùng WMPLS khả dụng WMPLS hỗ trợ QoS mức so với MPLS có dây * Lựa chọn phổ tần cho WMPLS Với công nghệ truy nhập không dây băng rộng tốc độ cao vấn đề quan tâm phổ tần Có ba hệ thống phổ tần đưa đây: UNII (Unlicensed National Information Infrastructure): Hoạt động khơng có giấy phép dải tần 2,4GHz 5,8GHz Nó tốn so với dạng phổ tần khác lại nhạy cảm với nhiễu Nhiễu gây gói độ tin cậy thấp MMDS (Multichannel Multipoint Distribution Service): Hoạt động tần số 2,5GHz, hỗ trợ dịch vụ đa điểm, NSD truy nhập vào trạm gốc chia sẻ băng thông từ trạm thu phát hình Nhược điểm MMDS cần phải có tầm nhìn thẳng từ NSD đến trạm gốc Cây cối, tòa nhà cao tầng, địa hình cản trở đường liên kết mơi trường khơng khí Hình 4: Cấu trúc mạng MMDS với anten bao phủ vùng LMDS (Local Multipoint Distribution System): Hoạt động dải tần từ 28 đến 40GHz Hệ thống cho độ tin cậy cao ứng dụng mức cao băng thông rộng hơn, thiết bị lại đắt tiền Và phải có trạm thu phát nằm vùng phục vụ, miêu tả hình Một nhược điểm khác LMDS nhạy cảm với thời tiết bị hạn chế khoảng cách (tối đa khoảng 3,2 km tính từ trạm gốc) Hình 5: Cấu trúc mạng LMDS với nhiều anten bao phủ vùng * Lớp điều khiển truy nhập môi trường (MAC) Mặc dù mạng khơng dây có nhiều ưu điểm, quên tỉ lệ lỗi bit mơi trường khơng dây cao; cần thực điều chỉnh lỗi mức độ cao để có độ tin cậy ổn định mong muốn Để giảm thiểu thay đổi môi trường không dây, cần phải sử dụng lớp MAC, để thực việc điều chỉnh lỗi bit phải sử dụng lớp Liên kết liệu Hình mơ tả lớp WMPLS từ lớp mạng (Network Layer) đến lớp vật lý không dây (Wireless Physical Layer) Lớp liên kết vô tuyến (Radio Link Layer) lớp MAC không dây (Wireless MAC Layer) đặt lớp mạng lớp vật lý khơng dây Hình 6: Kiến trúc lớp WMPLS * Kỹ thuật WMPLS WMPLS sử dụng giao thức hội tụ truyền dẫn TCP để thiết lập giải phóng kết nối, để xóa bỏ tái thiết lập kết nối đầu cuối di động di chuyển Khi cần có quản lý cục kiến trúc mạng vững Để thực WMPLS cần phải có số thay đổi mặt kỹ thuật, bao gồm: quản lý cục bộ, định tuyến, chuyển giao lưu lượng không dây động, vài thay đổi kiến trúc mạng Những thay đổi giải thích cụ thể phần Quản lý cục Mạng phải có chức quản lý cục để biết đường di chuyển đầu cuối di động Do đó, mạng có thơng tin vị trí NSD cung cấp dịch vụ cho NSD Để định vị đầu cuối di động, mạng xác định vùng định tuyến RA (Routing Area) phục vụ đầu cuối thay tìm tất trạm gốc phục vụ đầu cuối Tất cần thiết để xác định thành cơng đầu cuối di động cập nhật thay đổi xảy trực tiếp với RA Mỗi đầu cuối di động (host) sử dụng ghi thường trú HA (Home Agent) HA chứa thông tin liên quan đến vị trí thời đầu cuối (vị trí vùng) Để biết xác vị trí mình, đầu cuối phải sử dụng đến ghi tạm trú FA (Foreign Agent) Trên thực tế FA định tuyến (router) gần với host Chuyển giao Để giải vấn đề di chuyển đầu cuối di động, cần thực bước sau đây: 1- định vị đầu cuối, 2- tái định tuyến: thiết lập kết nối cách xác định đường đến RA đầu cuối vào, 3- chuyển giao: chuyển luồng liệu qua đường vừa thiết lập thoát khỏi đường cũ mà không gây ảnh hưởng đến kết nối Ứng dụng WMPLS MPLS cơng nghệ mạng có khả tích hợp cấu hình, phần cứng, cáp sợi quang vào mạng diện rộng thống Nhờ đó, khách hàng truyền liệu với tốc độ nhanh hơn, độ tin cậy cao băng thông sử dụng hiệu MPLS hỗ trợ dịch vụ phân biệt nhà cung cấp mạng thu lợi nhuận cao Là phiên mở rộng MPLS, WMPLS kế thừa ưu điểm đó, ngồi cịn ứng dụng số lĩnh vực sau: - Hỗ trợ dịch vụ ảo cho kỹ sư thủy thủ trường hợp khẩn cấp - Hỗ trợ giáo dục, thể thao truyền thông du lịch - Quản lý thời gian thực đặt vé, truyền thông Dược học giám sát thiết bị công nghiệp - Trong lĩnh vực hàng hải- tìm tuyến đường đơng đến họp giờ… Kết luận Bài viết đưa điểm khái quát WMPLS: cấu trúc gói tin WMPLS, giao thức sử dụng mạng WMPLS, hoạt động mạng ứng dụng thực tế Được mở rộng từ công nghệ tiên tiến MPLS, WMPLS ứng cử viên lớn cho công nghệ mạng 4G UMTS Tuy nhiên, để mở rộng sang miền không dây, WMPLS gặp phải khơng khó khăn vấn đề quản lý cục bộ, định tuyến chuyển giao đầu cuối thiết bị di động Đó hướng nghiên cứu cho quan tâm đến WMPLS  ... trợ chuyển giao, cấp phát địa chỉ, định tuyến chuyển giao lưu lượng mơi trường khơng dây Có số công nghệ khác công nghệ ATM, công nghệ 3G, sửa đổi để hỗ trợ IP di động Tuy nhiên, MPLS công nghệ. .. từ công nghệ tiên tiến MPLS, WMPLS ứng cử viên lớn cho công nghệ mạng 4G UMTS Tuy nhiên, để mở rộng sang miền không dây, WMPLS gặp phải khơng khó khăn vấn đề quản lý cục bộ, định tuyến chuyển giao. .. MPLS giao thức phân bổ nhãn LDP giao thức giành trước tài nguyên (RSVP- Resource Reservation Protocol) Khi tiến hành mở rộng MPLS sang miền không dây, người ta tiến hành sửa đổi hai giao thức để