Đề tài Tìm hiểu các giao thức phát hiện và sữa lỗi trong mạch chuyển nhãn đa giao thức được tiến hành nghiên cứu nhằm cung cấp một một nền tảng mạng ổn định, có thể khai thác tối đa các lợi điểm của MPLS, nâng cao chất lượng dịch vụ. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.
CÔNG NGHỆ MPLS VÀ CÁC ĐẶC TÍNH
SỰ HÌNH THÀNH CÔNG NGHỆ MPLS
Định tuyến IP truyền thống có nhiều giới hạn, từ vấn đề khả năng mở rông cho đến việc quản lý lưu lượng và tích hợp mạng lớp 2 đã tồn tại trong mạng của các nhà cung cấp dịnh vụ lớn đã họat động từ lâu Nhưng với sự phát triển nahnh chóng của mạng internet và hầu hết trong các môi trường đều chọn IP là giao thức lớp 3 thì những nhược điểm của IP truyền thống ngày càng bộc lộ rõ, trong khi đó công nghệ ATM có tốc độ truyền tin cao, đảm bảo thời jan thực và chất lượng dịch vụ theo yêu cầu định trước Hơn nữa các dịch vụ thông tin thế hệ sau được chia thành hai xu hướng phát triển chính là: hoạt động kết nối định hướng và hoạt động không kết nối Hai xu hướng phát triển này dần tiệm cận và hội tụ nhau tiến tới ra đời công nghệ IP over ATM Sự kết hợp IP với ATM có thể là giải pháp kì vọng cho mạng viễn thông trong tương lai
Tuy nhiên, IP và ATM là hai công nghệ hoàn toàn khác nhau, được thiết kế cho những môi trường mạng khác nhau về giao thức, cách đánh địa chỉ, định tuyến , báo hiệu, phân bổ tài nguyên…khi các ISP càng mở rộng mạng theo hướng IP/MLPS/ATM (IP over ATM), họ càng nhận rõ nhược điểm của mô hình này, đó là sự phức tạp của mạng lưới do phải duy trì hoạt động của hai hệ thống thiết bị Sự bùng nổ của mạng Internet dẫn tới xu hướng hội tụ của mạng viễn thông khác như mạng thoại, truyền hình dựa trên Internet, giao thức IP trở thành giao thức chủ đạo trong lĩnh vực mạng
Xu hướng của các ISP là thiết kế và sử dụng các router chuyên dụng, dung lượng chuyên tải lớn, hỗ trợ các giải pháp tích hợp, chuyển mạch đa lớp cho mạng đường trục Internet Nhu cầu cấp thiết trong bối cảnh này là phải ra đời một công nghệ lai có khả năng kết hợp các những đặc điểm tốt của chuyển mạch kênh ATM và chuyển mạch gói IP Công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS ra đời đã đáp ứng được những nhu cầu của thị trường đúng theo tiêu chí páht triển của Internet đã mang lại những lợi ích thiết thực, đánh giấu một bước phát triển mới của mạng Internet trước xu thế tích hợp công nghệ thông tin và viễn thông MPLS liên kết các ưu điểm của định tuyến lớp 3 connectionless và chuyển mạch lớp 2 connection-oriented MPLS là một phương thức được cải tiến cho việc chuyển tiếp các gói tin trong bằng cách sử dụng các nhãn được gán thêm vào trong các gói tin IP Mục tiêu chính của MPLS là tạo ra một cấu trúc mạng mềm dẻo để cung cấp cho đặc tính mở rộng và ổn định mạng Điều này bao gồm kĩ thuật điều khiển lưu lượng và khả năng hoạt động của VPN và có liên quan đến chất lượng dịch vụ (QoS) và nhiều lớp dịch vụ (CoS).
TỔNG QUAN CÁC ĐẶC TÍNH CỦA MẠNG MPLS
1.2.1 Tính thông minh phân tán
Trong mạng chuyển mạch kênh, tính thông minh chủ yếu tập trung ở mạng lõi Tất cả những thiết bị thông minh nhất đều đặt trong mạng lõi như các tổng đài toll, transit, MSC…Các thiết bị kém thông minh hơn thì đặt ở mạng biên, ví dụ như các tổng đài nội hạt, truy nhập…
Trong mạng gói IP, tính thông minh phân tán gần như chia đều cho các thiết bị trong mạng Tất cả các router đều phải làm hai nhiệm vụ đó là định tuyến và chuyển mạch Đấy là ưu điểm nhưng cũng là nhược điểm của mạng IP Quan điểm của MPLS là tính thông minh càng đưa ra mạng biên thì mạng càng hoạt động tốt Lý do là những thành phần ở mạng lõi phải chịu tải rất cao Thành phần mạng lõi nên có độ thông minh thấp và năng lực chuyển tải cao MPLS phân tách hai chức năng định tuyến và chuyển mạch: các router ở biên thực hiện định tuyến và gắn nhãn cho gói Còn các router ở mạng lõi chỉ tập trung làm nhiệm vụ chuyển tiếp gói tin với tốc độ cao dựa vào các nhãn Tính thông minh được đẩy ra ngòai biên là một trong những ưu điểm lớn nhất của MPLS
1.2.2 MPLS và mô hình tham chiếu OSI
Hình 1.1: Mô hình tham chiếu của MPLS trong OSI
MPLS được xem như là một công nghệ lớp đệm, nó nằm trên lớp 2 nhưng dưới lớp 3, vì vậy đôi khi người ta còn gọi là lớp 2,5 Nguyên lý của MPLS là tất cả các gói
IP sẽ được gán nhãn và chuyển tiếp theo một đường chuyển mạch nhãn LSP (Label Swiched Path) Các router trên đường dẫn chỉ căn cứ vào nội dun của nhãn để thực hiện quyết định chuyển tiếp gói mà không cần phải kiểm tra Header IP
CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG MPLS
Chuẩn RFC3031 mô tả miền MPLS là “một tập hợp các nút mạng thực hiện hoạt động định tuyến và chuyển tiếp MPLS” Một miền MPLS thường được quản lý và điều khiển bởi một nhà quản trị
Miền MPLS được chia thành 2 phần: phần mạng lõi và phần mạng biên Các nút thuộc miền MPLS được gọi là router chuyển mạch nhãn LSR (Label Switch Router) Các nút ở phần mạng lõi được gọi là transit- LSR hay core-LSR, thường được gọi tắt là LSR Các nút ở biên được gọi là router biên nhãn LER (Label Edge Router) Nếu một LER là nút đầu tiên trên đường đi của một gói xuyên qua miền MPLS thì nó được gọi là LER lối vào, còn nếu là nút cuối cùng thì nó được gọi là LER lối ra
1.3.2 Lớp chuyển tiếp tương đương (FEC)
Lớp chuyển tiếp tương đương FEC (Forwarding Equivalence Class) là một tập hợp các gói được đối xử như nhau bởi một LSR, như vậy FEC là một nhóm các gói
IP được chuyển tiếp trên cùng một đường chủyển mạch nhẵn LSR cho dù chúng có thể khác nhau về thông tin header lớp mạng Hình dưới cho thấy cách xử lý này:
Hình 1.1 Lớp chuyển tiếp tương đương
RFC 3031 định nghĩa nhãn là “một bộ phận nhận dạng có độ dài ngắn và cố định mang ý nghĩa cục bộ dùng để nhận biết một FEC” Nhãn được dán lên một gói để báo cho LSR biết gói này cần đi đến đâu Phần nội dung nhãn có độ dài 20bit không cấu trúc, như vậy số giá trị nhãn có thể có là 2 Giá trị nhãn định nghĩa chỉ số để dùng trong bảng chuyển tiếp
Một gói lại có thể được “dán chồng” nhìều nhãn, các nhãn này chứa trong một nơi gọi là stack nhãn Stack nhãn là một tập hợp gồm một hoặc nhiều lối vào nhãn tổ chức theo nguyên tác LIFO Tại mỗi hop trong mạng chỉ xử lý nhãn hiện hành trên đỉnh stack Chính nhãn này sẽ được LSR sử dụng để chuyển tiếp gói tin
Nếu gói tin chưa có nhãn thì stack nhãn là rỗng (độ sâu của stack nhãn bằng 0) Nếu stack có chiều sâu là d thì mức 1 sẽ ở đáy stack (bit S trong entry nhãn đặt lên là
1) và mức d sẽ ở đỉnh của stack Một entry nhãn có thể được cất vào (push) hoặc lấy ra (pop) khỏi stack
1.3.4 Hoán đổi nhãn (Label Swapping)
Hoán đổi nhãn là cách dùng các thủ tục để chuyển tiếp gói tin Để chuyển tiếp gói có nhãn, LSR kiểm tra nhãn trên đỉnh stack và dùng ánh xạ ILM (Incoming Label Map) để ánh xạ nhãn này tới một entry chuyển tiếp nhãn NHLFE (Next Hop Label Forwarding Entry) Sử dụng thông tin trong NHLFE, LSR xác định ra nơi để chuyển tiếp gói tin và thực hiện một tác vụ trên stack nhãn Rồi nó mã hóa stack nhãn mới vào gói và chuyển gói đi
Chuyển tiếp gói chưa có nhãn cũng tương tự nhưng xảy ra ở ingress-LER LER phải phân tích header lớp mạng để sác định FEC rồi sử dụng ánh xạ FTN (FEC to NHLFE) để ánh xạ FEC vào một NHLFE
1.3.5 Đường chuyển mạch nhãn LSP (Label Switched Path) Đường chuyển mạch nhãn LSP là một đường nối giữa router ngõ vào và router ngõ ra, được thiết lập bởi các nút MPLS để chuyển các gói đi xuyên qua mạng Đường dẫn của một LSP qua mạng được định nghĩa bởi sự chuyển đổi các giá trị nhãn ở các LSR dọc theo LSP bằng cách dùng thủ tục hoán đổi nhãn Khái niệm LSP tương tự như khái niệm mạch ảo (VC) trong ATM
Hình 1.3: Đường chuyển mạch nhãn LSP
MÃ HÓA NHÃN VÀ CHẾ ĐỘ ĐÓNG GÓI NHÃN
Khi nhãn được gắn lên gói, bản thân giá trị nhãn là 20 bit sẽ được mã hóa cùng với một thông tin cộng thêm để phụ trợ trong quá trình chuyển tiếp gói để hình thành một entry nhãn Hình minh họa một dịnh dạng một entry nhãn trong stack nhãn
Hình 1.4: Định dạng một entry trong stack nhãn
Một chồng nhãn 32 bit bao gồm các trường sau:
Nhãn: là nhãn thực sự, có chiều dài là 20 bit Do đó ta có thể tạo ra được 2 20 giá trị nhãn khác nhau
Exp: trường Experimental có 3 bit, được dùng để định nghĩa lớp dịch vụ
S: bit S là bit bottom-of-stack (dưới cùng của chồng nhãn) Một gói tin có thể có nhiều nhãn, nếu nhãn thêm vào chồng nhãn là cuối cùng thì bit này được thiết lập lên 1
TTL: trường Time to live có 8 bit, trường này mang ý nghĩa giống như bên IP Tức là nó sẽ giảm đi 1 khi qua mỗi hop để ngăn chặn routing loop
Các kĩ thuật lớp 2 như Ethernet, Token Ring, FDDI, PPP không có trường nào phù hợp trong header của frame có thể mang nhãn Vì vậy stack nhãn sẽ được chứa trong header chêm (shim header) Shim header được chêm vào giữa header lớp liên kết và header lớp mạng, như trong hình 11 Đỉnh stack nằm liền sau header lớp 2 và đáy stack nằm liền trước header lớp mạng
Hình 1.5 : Shim header được chêm vào giữa header lớp 2 và lớp 3
Router gửi frame phải có cách để báo cho router nhận biết rằng frame này có chứa shim header, cách thức này khác nhau giữa các kĩ thuật lớp 2 Ethernet sử dụng cặp giá trị ethertype 0x8847 và 0x8848 để chỉ thị frame đang mang gói MPLS unicast và multicast tương ứng PPP sử dụng NCP (Network Control Program) sửa đổi gọi là MPLSCP (MPLS Control Protocol) và đánh dấu tất cả các gói có chứa shim header bằng giá trị 0x8281 trong trường PPP protocol
Chế độ cell được dùng khi ta có một mạng gồm cá ATM-LSR (là các chuyển mạch ATM có hỗ trợ MPLS), trong đó nó sử dụng các giao thức phân phối nhãn MPLS để trao đổi thông tin VPI/VCI, trong VPI hoặc VCI của header cell ATM
Hình 1.6 : Nhãn trong chế độ Cell ATM
Cell ATM gồm có 5 byte header và 48 byte payload Để chuyển tải gói tin có kích thước lớn hơn 48 byte từ lớp trên đưa xuống, ATM phải gói tin thành nhiều phần nhỏ hơn, việc này gọi là phân đoạn (fragmentation) Quá trình phân đoạn do lớp AAL (ATM Adaptation Layer) đảm trách Cụ thể AAL 5 PDU sẽ đựợc chia thành nhiều đoạn
48byte, mỗi đoạn 48byte này được thêm header 5byte để tạo ra một cell ATM
Hình 1.7 : Đóng gói (encapsulation) gói có nhãn trên link ATM
Khi đóng gói có nhãn MPLS trên ATM, toàn bộ stack nhãn được đặt trong AAL
5 PDU Giá trị thực sự của nhãn đỉnh được đặt trong trường VPI/VCI, hoặc đặt trong trường VCI nếu 2 ATM-LSR kết nối nhau qua một đường ảo ATM (VP) Entry đỉnh stack nhãn phải chứa giá trị 0 (coi như entry giữ chỗ) và được bỏ qua khi nhận
Lý do các nhãn phải chứa ở cả trong AAL5 PDU và header ATM là để mở rộng độ sâu stack nhãn Khi các cell ATM đi đến cuối LSP, nó sẽ được tái hợp lại Nếu có nhiều nhãn trong stack nhãn, AAL5 PDU sẽ bị phân đoạn lần nữa và nhãn hiện hành trên đỉnh stack sẽ được đặt vào trường VPI/VCI.
CHỨC NĂNG MPLS
1.5.1 Kiến trúc một nút MPLS (LER và LSR)
Hình dưới minh họa mặt phẳng điều khiển và chuyển tiếp của LSR và LER Mặt phẳng điều khiển có chức năng định tuyến IP dùng để giao tiếp với các LSR, LER khác họăc các router IP thông thường bằng các giao thức định tuyyến IP Kết quả là một cơ sở thông tin định tuyến RIB (Routing Information Base) được tạo lập gồm các thông tin miêu tả các route khả thi để tìm các prefix địa chỉ IP LER sẽ sử dụng các thông tin này để xây dựng cơ sở thông tin chuyển tiếp FIB (Fơrwarding Information Base) trong mặt phẳng chuyển tiếp
Hình 1.8 : Cấu trúc của LER và transit LSR
Mặt phẳng điều khiển còn có chức năng báo hiệu MPLS dùng để giao tiếp với các LSR khác bằng một giao thức phân phối nhãn Kết quả là một cơ sở thông tin nhãn LIB (Label Information Base) gồm các thông tin liên quan đến các gán kết nhãn đã được thương lượng với các router MPLS khác Thành phần báo hiệu MPLS nhận thông tin từ chức năng định tuyến IP và LIB để xây dựng cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn LFIB (Label Forwarding Information Base) trong mặt phẳng chuyển tiếp Một LER có thể chuyển tiếp các gói IP, gắn nhẵn vào gói (Label Push), hoặc gỡ nhãn ra khỏi gói (Label pop) trong khi đó một transit – LSR chỉ có khả năng chuyển tiếp gói có nhãn thêm hoặc bỏ bớt nhãn
1.5.2 Mặt phẳng chuyển tiếp (mặt phẳng dữ liệu)
Mặt phẳng chuyển tiếp MPLS chịu trách nhiệm chuyển tiếp dữ liệu của người dùng Nó sử dụng LFIB để thực hiện chuyển tiếp các gói có gắn nhãn căn cứ vào giá trị của nhãn nằm trên đỉnh stack nhãn
1.5.2.1 Cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn LFIB
Trong mạng IP, quyết định chuyển tiếp gói được sác lập bằng cách thực hiện tra cứu địa chỉ đích trong bảng FIB để sác định hop kế tiếp và giao diện ra Trong mạng MPLS mỗi LSR duy trì một bảng LFIB riêng rẽ và tách biệt với FIB Bảng LFIB có hai loại entry là ILM và FTN (FEC to NHLFE)
NHLFE (Next Hop Label Forwarding Entry) là subentry chứa các trường như địa chỉ hop kế, các tác vụ stack nhãn, giao diện ra và thông tin header lớp 2, ILM ánh xạ một nhãn đến một hoặc nhiều NHLFE Nhãn trong gói đến sẽ dùng để chọn ra một entry ILM cụ thể nhằm sác định NHLFE Còn FTN ánh xạ mỗi FEC vào một hoặc nhiều NHLFE Nhờ các entry FTN, gói chưa có nhãn được chuyển thành gói có nhãn FTN, ILM và NHLFE
Như vậy khi một gói không nhãn thuộc một FEC đi vào miền MPLS, ingress-LER sẽ sử dụng một entry LFIB loại FTN để chuyển gói không nhãn thành gói có nhãn Sau đó tại các transit-LSR sử dụng một entry LFIB loại ILM để hoán đổi nhãn vào bằng nhãn ra Cuối cùng, tại egress-LER sử dụng một entry LFIB loại ILM để gỡ bỏ nhãn đến và chuyển tiếp gói không có nhãn đến router kế tiếp
1.5.2.2 Thuật toán chuyển tiếp nhãn
Các nút MPLS sử dụng giá trị nhãn trong các gói đến là chỉ mục để tra bảng LFIB Khi tìm thấy entry tương ứng với nhãn đến, nút MPLS thay thế nhãn trong gói bằng nhãn ra và gởi gói đi qua giao diện ra để đến hop kế được đặc tả trong subentry NHLFE Nếu subentry có chỉ định hàng đợi ra, nút MPLS sẽ đặt gói trên hàng đợi đã chỉ định Trường hợp nút MPLS duy trì một LFIB riêng cho mỗi giao diện nõ sẽ dùng LFIB của giao diện mà gói đến để tra cứu chuyển tiếp gói tin
Hình 1.10 : Quá trình chuyển tiếp một gói đên next hop
Nút MPLS có thể lấy định vị được các thông tin chuyển tiếp cần thiết trong LFIB chỉ trong một lần truy xuất bộ nhớ, tốc độ thực thi rất cao nhờ các chip ASIC
1.5.2.3 NHLFE (Next Hop Label Fơrwarding Entry)
NHLFE là lối vào phụ của ILM hoặc FTN, nó chứa các thông tin sau:
- Tác vụ sẽ được tiến hành trên stack nhãn của gói như sau:
- Swap : thay nhãn ở đỉnh stack nhãn bằng một nhãn mới được chỉ định
- Pop : bóc một nhãn ra khỏi stack
- Pusch: chồng thêm một nhãn vào trong stack nhãn
Một ví dụ NHLFE cũng có thể chứa những thông tin sau:
- Đóng gói lớp datalink để sủ dụng khi truyền gói
- Cách thức mã hóa stack nhãn khi truyền gói
- Bất kì các thông tin khác cần thiết để xử lý gói một cách chính xác
Nhiệm vụ của các giao thức trong mặt phẳng điều khiển là phân phối cac thông tin cần thiết cho mỗi LER và LSR để cấu hình bảng FIB và LFIB Một giao thức định tuyến sử dụng bảng thông tin định tuyến RIB hoạt động kết hợp với một giao thức báo hiệu MPLS sử dụng bảng thông tin nhãn LIB để phân phối các nhãn Việc phân tách mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng chuyển tiếp cho phép cài đặt một giao thức điều khiển MPLS trên một ATM switch
Có vấn đề đặt ra là : Tại sao MPLS cần giao thức báo hiệu, trong khi router IP cổ điển chỉ cần định tuyến IP Một lý do quan trọng phải dùng giao thức báo hiệu MPLS kêt hợp với một giao thức định tuyến xuất phát từ sự cần thiết phải thực hiện định tuyến ràng buộc của đường chuyển mạch nhãn MPLS.
CHUYỂN TIẾP MPLS
1.6.1 Hoạt động trong mặt phẳng chuyển tiếp
FEC là một tập con các gói căn cứ theo một số thông tin trong header IP được dùng bởi FIB Một FEC được dùng thường dựa theo luật “longest prefix match” trên địa chỉ IP đích Ví dụ: các địa chỉ IP so trùng 16bit đầu có dạng “a.b.*.*” đựoc biểu diễn là a.b/16” cho entry FEC đầu tiên trong bảng FIB FEC còn có thể căn cứ bổ sung theo các trường khác trong header IP như ToS hay Diffserv, FIB sử dụng FEC để xác định ra giao tiếp đi đến hop kế cho các gói tin IP, cách thực hiện giống các router cổ điển
Hình 1.11: Bên trong mặt phẳng chuyển tiếp MPLS
Với các ví dụ về hoạt động LFIB ở hình trên, phần ILM của LFIB thao tác trên một gói có nhãn và ánh xạ một nhãn vào tới một tập các entry NHLFE ILM được thể hiện trong hình bởi các cột IN-IF và IN-LBL, nhưng cũng có thể là một bảng riêng rẽ cho một giao tiếp FTN (FEC to NHLFE) của FIB ánh xạ một FEC tới một tập hợp gồm môt hoặc nhiều NHLFE Như ví dụ trong hình, nhãn A được đẩy lên các gói IP thưộc FEC “d.e/16” Lưu ý ILM hoặc FTN có thể ánh xạ tới nhiều NHLFE, chẳng hạn để dùng trong cân bằng tải
1.6.2 Gỡ nhãn ở hop áp cuối PHP (Penultimate Hop Popping)
Một tối ưu hóa quan trọng mà MPLS hỗ trợ là tránh việc tra cứu nhãn (label lookup) phải xứ lý o ử egress-LER trong trường hợp một gói đi trên một LSP mà yêu cầu tra cứu IP (IP lookup) tiếp ngay sau đó Trong hình 2.11 một gói đến có nhãn
A được gỡ nhãn và chuyển sang FIB để tra cứu tiếp trên header IP Để tránh việc xử lý phát sinh thêm này, MPLS định nghĩa một tiến trình gọi là gỡ nhãn ở hop áp cuối PHP, trong đó router áp cuối trên LSP sẽ gỡ nhãn thay vì egress-LER phải làm việc này Nhờ vậy cắt giảm được việc xử lý ở router cuối cùng trên LSP
1.7 ƯU ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG CỦA MPLS
1.7.1 Đơn giản hóa chức năng chuyển tiếp
MPLS sử dụng cơ chế chuyển tiếp căn cứ vào nhãn có độ dài cố định nên quyết định chuyển tiếp có thể sác định ngay chỉ với một lần tra cứu chỉ mục trong LFIB Cơ chế này đơn giản và nhanh hơn nhiều so với giải thuật “longest prefix match” dùng trong chuyển tiếp gói datagram thông thường
1.7.2 Kỹ thuật lưu lượng Ưu điểm lớn nhất của MPLS là khả năng thực hiện kỹ thuật lưu lượng (TE- Traffic Engineering), nó đảm bảo lưu lượng được định tuyến đi qua một mạng theo một cách thức tin cậy và hiệu quả nhất Kỹ thuật lưu lượng cho phép các ISP định tuyến lưu lượng theo cách họ có thể cung cấp dịch vụ tốt nhất cho khách hàng ở khía cạnh thông lượng và độ trễ MPLS – TE cho phép lưu lượng được phân bố hợp lý qua toàn bộ hạ tầng mạng Tối ưu hóa hiệu suất sử dụng mạng
1.7.3 Định tuyến QoS từ nguồn Định tuyến QoS từ nguồn là một cơ chế trong đó các LSR được xác định trước ở nút nguồn (LSR lối vào) dựa vào một thông tin về độ khả dụng tài nguyên trong mạng cũng như yêu cầu QoS của luồng lưu lượng Nói cách khác, nó là một giao thức định tuyến có mở rộng chỉ tiêu chọn dường để bao gồm các tham số như băng thông khả dụng, việc sử dụng link và đường dẫn end to end, độ chiếm dụng tài nguyên của nút, độ trễ và biến động trễ
VPN là cho phép khách hàng thiết lập mạng riêng giống như thuê kênh riêng nhưng với chi phí thấp hơn bằng cách sử dụng mạng hạ tầng công cộng dùng chung Kiến trúc MPLS đáp ứng tất cả các yêu cầu cần thiết để hỗ trợ VPN bằng cách thiết lập các đường hầm LSP sử dụng định tuyến tường minh Do đó, MPLS sử dụng các đường hầm LSP cho phép nhà khai thác cung cấp dịch vụ VPN théo cách tích hợp trên cùng hạ tầng mà họ cung cấp dịch vụ Internet Hơn nữa, cơ chế xếp chồng nhãn cho phép cấu hình nhiều VPN lồng nhau trên cùng hạ tầng mạng
1.7.5 Chuyển tiếp có phân cấp (Hiearchical Forwarding)
Thay đổi đáng kể nhất được MPLS đưa ra không phải ở kiến trúc định tuyến mà là kiến trúc chuyển tiếp Sự cải tiến trong kiến trúc chuyển tiếp có tác động đáng kể đến khả năng cung cấp chuyển tiếp phân cấp Chuyển tiếp phân cấp cho phép lông một LSP vào trong một LSP khác (xếp chồng nhãn hay còn gọi là điều khiển gói đa cấp) Thực ra chuyển tiếp phân cấp không phải là kĩ thuật mới; ATM đã cung cấp cơ chế chuyển tiếp 2 mức với khái niệm đường ảo (VP) và kênh ảo (VC) Tuy nhiên MPLS cho phép các LSP được lồng nhau một cách tùy ý, cung cấp điều khiển gói đa cấp cho việc chuyển tiếp
1.7.6 Khả năng mở rộng Scalability
Chuyển mạch nhãn cung cấp một sự tách biệt tòan diện hơn giữa định tuyến liên miền (inter domain) và định tuyến nội miền (intra domain) điều này cải thiện đáng kể khả năng mở rộng của các tiến trình định tuyến Hơn nữa khả năng mở rông của MPLS còn nhờ vào FEC (thu gom luồng) và xếp chồng nhãn để hợp nhất (merging) hoặc lồng nhau (nesting) các LSP Ngoài ra nhiều LSP liên kết với các FEC khác nhau có thể được trộn vào cùng một LSP Sử dụng các LSP lồnhg nhau cũng cải thiện khả năng mở rộng của MPLS.
GIAO THỨC PHÁT HIỆN VÀ SỮA LỖI TRONG CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC
GIỚI THIỆU
Chúng ta có thể sử dụng vận hành và bảo dưỡng MPLS (MPLS Operation and Maintenance – OAM) để phát hiện các lỗi vận hành, cho việc tính toán và đo đạc hiệu suất trong mạng MPLS Các vấn đề trên mặt phẳng điều khiển có thể được báo cáo bởi các bẫy (traps) hoặc thấy được bởi sự lựa chọn (polling) cơ sở thông tin quản trị (Management Information Base – MIB) Điều này có thể đáp ứng nhu cầu cho các mạng IP, nhưng là khó khăn hơn để phát hiện các vấn đề ở trong mằt phẳng dữ liệu khi mạng chạy MPLS OAM MPLS là một tập hợp các giao thức được dùng để phát hiện các vấn đề trong mạng MPLS một cách dễ dàng, nhanh chóng hơn và giữ lại dấu vết (keeps track) của kết quả đo đạc là quan trọng trong các mạng mà có những thỏa thuận (aggreements) ở mức dịch vụ (SLAs) với các khách hàng hoặc các công ty khác Mục tiêu của OAM MPLS là để phát hiện, báo cáo, và vá lại vấn đề trước khi một người dùng gọi nó lên (user calls it in).
CÁC YÊU CẦU CỦA OAM - MPLS
Các yêu cầu của OAM MPLS được liệt kê dưới đây:
- Phát hiện và chẩn đoán (diagnosis) các lỗi của mặt phẳng điều khiển cũng như mặt phẳng dữ liệu
- Phát hiện lỗi trong một đường chuyển mạch nhãn (LSP)
- Các gói OAM di chuyển trên cùng một tuyến như là lưu lượng dữ liệu MPLS
- Mô tả đặc điểm của tuyến (path characterization)
- Sự ảnh hưởng lẫn nhau của OAM
2.2.1 Phát hiện và chẩn đoán các lỗi của mặt phẳng dữ liệu và điều khiển
Các vấn đề thông thường trong các mạng MPLS là việc nhận các gói tại một router chuyển mạch nhãn (label switching router – LSR) với một đỉnh nhãn đặc trưng cho nơi mà LSR không có thông tin chuyển tiếp hoặc thông tin chuyển tiếp không chính xác.Vấn đề này có thể được phát hiện bởi thông tin điều khiển mà giao thức phân bố nhãn (Label Distribution Protocol-LDP), giao thức Reser Vation tài nguyên (RSVP), giao thức định tuyến IP, bảng định tuyến, cơ sở thông tin nhãn (LIB), và cở sở thông tin chuyển tiếp nhãn (LFIB) cung cấp
Tuy nhiên, vấn đề chỉ trở nên rõ ràng nếu lưu lượng thực tế là đang lưu chuyển và bị lỗi tại LSR nào đó Tinh vi hơn và khó khăn để phát hiện là một LSR nào đó, nơi mà thông tin mặt phẳng điều khiển là chính xác nhưng thông tin mặt phẳng dữ liệu lại bị lỗi Phần mềm mặt phẳng điều khiển có thể cho phép sửa lại cho đúng, với các vấn đề mà không được phát hiện ra bởi các câu lệnh SHOW trên router, trong khi mạt phẳng dữ liệu làm rơi (drops) hoặc ngược đãi (mistreats) các gói, nơi mà kết quả có thể trong một lỗi chuyển tiếp
2.2.2 Sự phát hiện ra lỗi trong một tuyến chuyển mạch nhãn (LSP)
Một vấn đề thông thường là lỗi hoặc một quảng bá nhãn giữa hai LSR Ví dụ, LDP hàng xóm ngang hàng có thể bị down giữa hai LSR, nơi gây ra cho các gói bị rớt hoặc chuyển tiếp đi không có nhãn Nếu MPLS vận chuyển lưu lượng lớp 2 mà trở nên không có nhãn trên một router nhà cung cấp, nó sẽ bị rớt Tương tự, nêu lưu lượng Ipv4 trở nên không có nhãn, nó có thể bị chuyển tiếp đi đến bảng định tuyến toàn cầu Nếu không tồn tại tuyến nào cho địa chỉ IP đích, gói sẽ bị bỏ đi Nếu một entry định tuyến tồn tại, gói được chuyển tiếp đi Trong trường hợp này, hai vấn đề có thể xảy ra là: gói có thể được chuyển tiếp tới đúng đích, hoặc nó có thể được chuyển đi đến đích không đúng
Một vấn đề thông thường khác có thể thấy trong các mạng MPLS là các vấn đề về MTU Bởi vì chồng nhãn được thêm vào, kích thước của gói sẽ giảm đi n lần trong
4 bytes với n là số nhãn trong chồng nhãn Nếu từ điều khiển xuất hiện giữa stack nhãn và tải trọng MPLS, 4 bytes khác được thêm vào Điều này có thể gây nên vấn đề về MTU trên một router nào đó, bởi vì chúng không hỗ trợ kích thước lớn hơn của MTU hoặc bởi vì lỗi trong cấu hình Trong trường hợp khác, miễn là các gói nhỏ hơn được chuyển đi, sẽ không phát hiện được vấn đề xảy ra Vấn đề chỉ được phát hiện lần đầu khi các gói lớn hơn đựơc phát đi
Trong các mạng mà có nhiều tuyến có cost là như nhau (Equal Cost Multi Paths- ECMP), một vài vấn đề không ai để ý có thể đến một tuyến của các tuyến ECMP không được sử dụng Tuy nhiên, ngay lập tức lưu lượng lưu chuyển ngang qua một tuyến bị lỗi Sẽ là tốt nhất nếu phát hiện các vấn đề trước khi một khách hàng thông báo về chúng OAM MPLS được phát triển với ý định này
2.2.3 Các gói OAM lưu chuyển dữ liệu MPLS Đó là điều quan trọng vì các gói OAM di chuyển trên cùng một tuyến như là dữ liệu người dùng để phát hiện các lỗi trong mặt phẳng dữ liệu của LSR Bởi vậy, lưu lượng OAM MPLS là lưu lượng giao thức đơn vị dữ liệu người dùng (User Datagram Protocol – UDP) và không phải là một kiểu dữ liệu mà các router có thể đối xử khác Để lấy ví dụ, lưu lượng giao thức thông điệp điều khiển internet (Internet Control Message Protocol – ICMP) sẽ được chuyển đi theo một cách khác trên các router so với lưu lượng TCP hay UDP thông thường Một vài phần cứng chuyển tiếp gói phụ thuộc vào kiểu của lưu lượng
Lưu lượng OAM có thể chỉ ra các đặc trưng tuyến của lưu lượng MPLS Các đặc trưng này có thể bao gồm các vấn đề sau:
- Xử lý chất lượng của dịch vụ (Quality of Service – QoS)
- Xử lý thời gian sống của gói (Time To Live – TTL)
- Trạng thái ECMP (ECMP behavior)
- Đơn vị phát tối đa (Maximum transmission unit – MTU) dọc theo tuyến
- Mất gói Điều này là quan trọng khi nhìn vào sự xử lý lưu lượng dọc theo một LSP hoặc lưu lượng thuộc về một lớp chuyển tiếp tương đương (Forwarding Equivalence Class – FEC) mà bạn đo đạc các đặc tính chính xác Để lấy ví dụ, lưu lượng tiếng nói có một sự âm ỷ nhỏ (latency) và giá trị jitter dọc theo tuyến, nhưng trái lại, thông số này là không quan trọng trong lưu lượng dữ liệu Internet Một công cụ tuyệt vời để đăc trưng hóa tuyến dữ liệu là SLA IP, sẽ đựợc thảo luận sau đây
2.2.5 Sự đo đạc các SLA
Nếu các SLA áp dụng cho mạng MPLS, các đặc trưng của các LSP sẽ phủ hợp (correspond) với các SLA tiền định nghĩa (predefined) Ví dụ, OAM MPLS sẽ cung cấp các kĩ thuật để đo đạc các đặc trưng của các LSP Cho các SLA, latency, jitter, round trip time (RTT), và mất gói là các đặc trưng quan trọng để đo đạc cho mỗi LSP Bạn có thể thấy trong thông tin MIB để thu đựợc điều này, hoặc có thể tiến hành đo đạc nó bằng cách gửi đi các thăm dò vào trong các LSP SLA IP có thể gửi đi các gói thăm dò (probes) để đo đạc hiệu suất của mạng đặc biệt hoặc gửi đi theo các khoảng thường xuyên (regular)
Khi bạn chuyển phát các frames lớp 2 qua đám mây MPLS (AtoM), mỗi router biên của nhà cung cấp biên (PE) có các mạch gắn thêm vào (AC) Các AC này có thể có các giao thức lớp 2 với các thông điệp OAM của chúng và các gói lỗi OAM MPLS phải hỗ trợ việc chuyển sang hoặc ánh xạ của giao thức lớp 2, nơi sinh ra các thông điệp OAM (hoặc một tập hợp con tối thiểu của chúng) vào trong các thông điệp OAM MPLS được định nghiã mới Trong cách ngược lại, các trạng thái lỗi đặc trưng MPLS mà áp dụng pseudowires phải được ánh xạ đến nơi sinh ra các thông điệp OAM của các giao thức AC trên các router PE
Việc quản trị luôn luôn đóng một vai trò hết sức quan trọng trong networking Điều này là không khác cho các mạng MPLS Quản trị và các MIB đóng một vai trò quan trọng trong việc ghi lại dấu vết trạng thái của một mạng và cung cấp một cảch báosớm khi có một vài sự kiện không đúng xảy ra Các MIB đặc trưng cho MPLS đã và đang được phát triển
Việc tính toán là quan trọng cho các công việc đo đạc mạng và các mục đích tính cước (billing purposes) Lưu lượng (netflow) mạng có thể cung cấp việc tính toán trong IOS Cisco Netflow tạo ra cho MPLS aware để tính toán lưu lượng đã được đóng gói trên LSP và (and even finer than that) bởi vì nhiều nhãn trong stack nhãn có thể để lại dấu vết Netflow sẽ được giải thích sau.
GIAO THỨC PHÁT HIỆN VÀ SỮA LỖI
2.3.1 LSP connetivity (liên kết LSP)
Các công cụ OAM của mặt phẳng người dùng yêu cầu sác minh rằng các LSP được kết nối chính xác, và vì vậy có năng lực để phân phối dữ liệu khách hàng đến đích theo yêu cầu, có giá trị và bảo đảm chất lượng của dịch vụ QoS (Quality of Service), đem lại trong các SLA (Service Level Agreements)
Một số các yêu cầu mà chúng phải được hỗ trợ bởi các chức năng OAM MPLS là:
- Cả hai, theo yêu cầu và sự sắc minh kết nối liên tục của LSP để chắc chắn rằng các sai sót không tồn tại trên các LSP đến đích
- Một sai sót xuất hiện trong một tầng đã cho không nên gây ra các báo động nhiều lần (to be raised simultaneously), hoặc là gây nên các hành động thiếu chính xác không cần thiết được thực hiện trong các tầng client Tầng client là tầng ở trên hệ thống cấp bậc nhãn (label hierarchy) sử dùng tầng hiện hành như là một tầng server
- Khả năng để đo đạc tính sẵn sàng và sự thực hiện (hay kết quả) chất lượng dịch vụ (QoS) của một LSP
- Các lỗi tối thiểu sau đây của mặt phẳng người dùng MPLS phải được phát hiện :
+ Mất kết nối của LSP đến một tầng server bị mất hoặc một sự mất kết nối bên trong tầng MPLS
+ Sự tái tạo lại LSP không được định trước của một lưu lượng của LSP vào lưu lượng của một LSP khác
+ Sự tái tạo lại bản thân nó không định trước (unintended self-replication) 16 giá trị của 20 bít của trường Label được dự trữ trong tiêu đề của nhãn cho các chức năng đặc biệt, nhưng không phải tất cả đều được chỉ rõ Một trong các chức năng này được đưa ra là nhãn cảnh báo OAM (OAM Alert Label) và được mang đến giá trị số của 14
Layer 2 Header Label Header OAM Payload (44 octets →)
Có các loại tải trọng khác nhau phụ thuộc vào chức năng của OAM chứa trong các gói, nhưng vẫn có một cấu trúc chung cho các kiểu tải trọng Từ lúc bắt đầu, một gói có một trường kiểu chức năng OAM để chỉ rõ loại chức năng nào của tải trọng Trong mỗi một gói cũng chỉ rõ dữ liệu loại chức năng của OAM và ở cuối của mỗi gói chứa một bit (Bit Interleaved Parity – BIP16) kĩ thuật phát hiện lỗi Số dư BIP16 được tính toán qua tất cả các trường của tải trọng OAM bao gồm cả kiểu chức năng OAM và các vị trí BIP16 mà nó được đặt trước tới giá trị zero Tải trọng phải có độ dài tối thiểu là 44 octet bởi vì sẽ trở nên dễ dàng trong quá trình xử lý cũng như để hỗ trợ yêu cầu gói có kích thước nhỏ nhất trên các công ngệ lớp 2 Điều này đạt được bằng cách đệm các trường dữ liệu kiểu OAM chỉ định rõ với tất cả các bít là 0 khi cần thiết
Các gói OAM được làm cho trở nên khác nhau từ lưu lượng mặt phẳng người dùng thông thường bằng việc giảm một đi trong độ sâu của chồng nhãn tại một mức LSP đã cho tại vị trí mà chúng được chèn vào Để chắc chắn rằng các gói OAM có một Per Hop Behavior (PHB), phải chắc chắn rằng sác suất mất gói là thấp nhất, ta mã hóa trường EXP theo một cách chắc chắn Trường EXP nên được đặt tất cả là 0 trong tiêu đề OAM Alert Labeled và dù thể nào thì sác suất mất gói thấp nhất PHB là ở trước tiêu đề chuyển tiếp mặt phẳng người dùng thông thường cho các LSP này Trường TTL nên được đặt hoàn toàn là 1 trong tiêu đề OAM Alert Labeled Một lí do cho điều này là các gói OAM đó sẽ không bao giờ di chuyển vượt xa hơn Điều này là có thể bởi vì các tiêu đề không được xem xét bởi các LSR tráo đổi nhãn trung gian, và chỉ được quan sát tại các điểm chìm LSP
Vào tháng 5 năm 2002, được đề ngị 6 kiểu khác nhau của các chức năng OAM và được chỉ ra trên hình 2.2 và xa hơn trong các giới thiệu là có sự hỗ trợ cho các LSP đa điểm đến điểm, các LSP đơn hopbvà lấy nhãn ra ở hop áp chót
Hình 2.2: OAM Function Type Codepoints
Ta có thể chắc chắn rằng các gói CV OAM được phát ra trên tất cả các LSP theo thứ tự để phát hiện ra tất cả các sai sót và cung cấp khả năng bảo vệ để chống lại sự rò ri lưu lượng ở cả trong và ngòai các LSP Nó cũng được giới thiệu các gói FDI OAM được sử dụng để chặn các báo động một cách ồ ạt Các gói BDI là một công cụ hữu ích cho việc định lượng đơn điểm cuối (single-ended) của tất cả các hướng và trong cả một số trường hợp chuyển mạch bảo vệ Tuy nhiên, chỉ các giới thiệu (recommendations) và các nhà quản trị (điều hành mạng- operators) mới có thể chọn để sử dụng một vài hoặc tất cả các gói OAM khi họ cảm thấy đó là hợp lý
2.3.1.1 Connectivity Verification (CV) thẩm tra tính liên kết
Chức năng xác minh tính kết nối (CV) được sử dụng để phát hiện và chẩn đoán tất cả các loại lỗi kết nối của LSP có nguồn gốc dưới đây hoặc bên trong các mạng lớp MPLS Dòng CV được phát ra tại các ingress LSR của LSP với một tần số quy định của một gói trên một giây và phát tới các egress LSR của LSP Các gói CV OAM là trong suốt đối với các transit LSR, có nghiã là các gói là không bị nhận thấy bởi các LSR này Gói CV bao gồm đối tượng nhận dạng mạng duy nhất Trail Termination Source Identifier – TTSI và đối tượng nhận dạng này được sử dụng để phát hiện tất cả các kiểu lỗi đã được giải thích trong chương 0 Điều này đạt được bằng việc egress LSR kiểm tra các gói CV đến trên LSP Một LSP đi vào một trạng thái lỗi khi mà một trong các lỗi được miêu tả trong hình 2.2
Kiến trúc của LSP TTSI được định nghiã bằng cách sử dụng một địa chỉ 16 octet LSR ID Ipv6 theo sau bởi một ID LSP Tunel dài 4 octet ID LSP Tunel này được xây dựng lên bởi Local LSP_ID cho các đường hầm CR-LDP hoặc ID đường hầm (Tunel ID) cho các đường hầm RSVP Nó cũng có thể được cấu hình bằng tay 16 bit đâu tiên (2 octets) là các bit quan trọng nhất của ID LSP Tunel được độn vào với tất cả các bit là 0 để cho phép tăng một số đặc tính trong trường ID Tunel Để cho LSR không hỗ trợ việc đánh địa chỉ Ipv6, một địa chỉ Ipv4 có thể được sử dụng cho ID LSR sử dụng định dạng được miêu ta trong, kiến trúc việc đánh địa chỉ IP phiên bản 6:
Type Reserved LSP TTSI Padding BIP16
1 octet 3 octets 20 octets 18 octets 2 octets
Hình 2.3 : Kiến trúc của tải trọng CV (CV payload) 2.3.1.2 Dấu hiệu lỗi chuyển tiếp gói tin (Forward Deflect Indication – FDI)
Dấu hiệu lỗi chuyển tiếp (FDI) được phát ra bởi một egress LSR phát hiện lỗi Khi egress LSR phát hiện ra một lỗi, nó tạo ra một gói FDI và trace nó theo và hướng lên theo suốt một chồng LSP được đặt vào, chúng ta cũng biết rằng theo hệ thống thứ tự nhãn thì các gói FDI OAM được phát ra trên một danh nghĩa
Mục đích ban đầu của các gói FDI là để chặn các báo động trong các mạng theo lớp ở trên của lớp xuất hiện các lỗi Để có thể gửi các gói FDI đi lên, điều này là quan trọng rằng điểm lún LSP (the LSP sink point) ghi nhớ một vài ánh xạ nhãn LSP server- client mà trong sự tồn tại trước sự xuất hiện của lỗi Theo cách này, khi các LSP mức cao hơn phát hiện sự mất của luồng CV nguyên nhân do các lỗi trên các L
SP mức thấp hơn, chúng ta thu được sự nhận dạng chính xác của nguồn mà thực sự có các lỗi xảy ra Các client ở các lớp cao hơn có thể không trong cùng một vùng quản trị như là nguồn lỗi ban đầu Nó bao gồm các trường để chỉ ra bản chất của các lỗi và vị trí của chúng
Khi một FDI không đi qua được từ một LSP lớp server đến các LSP lớp client của chúng, thì vị trí của lỗi (Defect Location) và trường kiểu lỗi (Deflect Type field) sẽ được copy từ FDI LSP lớp server vào trong FDI LSP lớp client
1 octet 1 octet 2 octets 20 octets 4 octets 14 octets 2 octets
Hình 2.4: FDI và kiến trúc tải trọng của BDI
Trong hình 2.4, trường kiểu lỗi (Defect Type field) rộng 2 bytes và giá trị của trường này có thể được liệt kê ra Vị trí của lỗi (Defect Location) sẽ chứa nhận dạng của mạng mà tại đó lỗi được phát hiện thấy Nhận dạng sẽ ở trong hình thái của một số của hệ tự trị (Autonomuos System – AS)
2.3.1.3 Chỉ thị lỗi ngược (Backward Deflect Indication – BDI)