kl le duy binh 811089d

Bên cạnh sự tồn tại của mạng điện thoại, ngày nay còn có các loại mạng thông tin khác nhau như mạng truyền số liệu chuyển mạch gói X25, mạng phát thanh truyền hình quảng bá, mạng truyền

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến cô Phạm Hồng Liên đã luôn luôn nhiệt tình hướng dẫn, giải đáp những thắc mắc và cung cấp rất nhiều tư liệu quí giá để chúng em có thể hoàn thành luận văn này

đã cung cấp cho chúng em các kiến thức cần thiết trong suốt những năm đại học, giúp chúng em có đủ kiến thức để hoàn thành luận văn và làm nền tảng cho công việc sau này

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

TPHCM,Tháng 7 năm 2009

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

TPHCM,Tháng 7 năm 2009

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 9

LỜI MỞ ĐẦU 12

NỘI DUNG TỔNG QUÁT 13

PHẦN MỘT 15

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 15

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN KỸ THUẬT X25,FRAME RELAY,TCP/IP VÀ ATM 16

1.1 Sơ lược tình hình các mạng truyền thông hiện nay 16

1.2 Giới thiệu các kỹ thuật chuyển mạch 16

1.2.1 Kỹ thuật X25 16

1.2.2 Kỹ thuật Frame Relay 17

1.2.3 Kỹ thuật TCP/IP 20

1.2.3.1 Các khái niệm cơ bản trong mạng IP 20

1.2.3.1.1 Phương thức truyền dữ liệu trong mạng IP 21

1.2.3.1.2 Chọn đường đi cho các gói dữ liệu trong mạng IP 22

1.2.3.1.3 Định tuyến 23

1.2.3.1.4 Các hành động trong quá trình định tuyến 23

1.2.3.2 Các nhược điểm của TCP/IP 23

1.2.4 Kỹ thuật ATM 24

1.2.4.1 Các thiết bị ATM và môi trường mạng 24

1.2.4.1.1 Định dạng tế bào ATM 25

1.2.4.1.2 Các thiết bị trong mạng ATM 25

1.2.4.1.3 Các dịch vụ trong mạng ATM 26

1.2.4.2 Các nhược điểm của ATM 26

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MPLS 28

2.1 So sánh giữa chuyển mạch trong mạng IP truyền thống và mạng MPLS 28

2.1.1 Chuyển mạch trong mạng IP 28

2.1.2 Chuyển mạch trong mạng MPLS 28

2.2 Các thuật ngữ và khái niệm trong MPLS 30

2.2.2 Router chuyển mạch nhãn MPLS (MPLS LSR) 30

2.2.3 Router biên chuyển mạch nhãn MPLS (E-LSR) 30

2.2.4 Đường dẫn trong mạch MPLS (LSP) 31

2.2.5 Upstream, downstream 31

2.2.6 Nhãn MPLS 32

2.2.7 Ngăn xếp nhãn: 32

2.3 Thành phần và cấu trúc của MPLS 33

2.3.1 Các phương pháp chuyển mạch trong MPLS 33

2.3.2 Mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu 34

2.3.3 Phân loại nhãn sử dụng trong MPLS 35

2.3.4 Hoạt động của LSR và E-LSR (LER) trên mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu 37

2.3.4.1 Thành phần và chức năng của một LSR 38

2.3.4.2 Thành phần và chức năng của một LER 39

2.4 Hoạt động của MPLS 40

2.4.1 Quá trình hình thành cơ sở dữ liệu 40

2.4.1.1 Quá trình hình thành bảng định tuyến 41

2.4.1.2 Gán nhãn Local cho desIP tương ứng 41

2.4.1.3 Thiết lập bảng LIB và LFIB 42

2.4.1.4 Quảng bá nhãn nội bộ-local cho toàn mạng 42

2.4.1.5 Cập nhật thông tin quảng bá 43

2.4.1.6 PHP 45

2.4.1.7 Xử lý thông tin quảng bá 46

2.4.1.8 Hình thành bảng LFIB trong toàn mạng 47

2.4.1.9 Hội tụ gói tin qua mạng MPLS 48

2.5 Tóm tắt 48

CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT LƯU LƯỢNG TRONG MPLS 50

3.1 Khái Niệm 50

3.2 Mục tiêu thực hiện kỹ thuật lưu lượng 51

3.3 Các khái niệm cơ bản trong điều khiển lưu lượng 51

3.3.1 Kỹ thuật hàng đợi 51

3.3.1.1 FIFO 51

3.3.1.2 PQ 52

3.3.1.3 FQ 53

3.3.1.4 WRR 55

3.3.1.5 WFQ (Weighted Fair Queuing) 56

3.3.1.6 WFQ (Class Based) 58

3.3.2 Trung kế lưu lượng 59

3.3.3 Giải thuật thùng rò và thùng Token 60

3.4 Động lực phát triển của MPLS TE 61

3.5 Thiết lập kênh truyền dẫn sử dụng MPLS-TE 64

3.5.1 Độ ưu tiên (LSP priorities) và sự chiếm giữ kênh truyền (preemption) 64

3.5.2 Quảng bá thông tin sử dụng giao thức IGP mở rộng 65

3.5.3 Tính toán đường dẫn sử dụng CSPF 66

3.5.4 Thiết lập đường dẫn sử dụng CR-LDP & RSVP-TE 68

3.5.4.1.CR-LDP 69

3.5.4.2 RSVP-TE 71

3.6 Sử dụng đường dẫn TE 75

3.7 Bảo vệ và khôi phục 77

3.7.1 Phát hiện lỗi 78

3.7.2 Bảo vệ và phục hồi 78

3.7.3 MPLS Recovery 79

3.7.3.1 Phân loại và cơ chế khôi phục và bảo vệ 79

3.7.3.1.1 Bảo vệ toàn cục và bảo vệ cục bộ 79

3.7.3.1.2 Tái định tuyến bảo vệ và chuyển mạch bảo vệ 80

3.7.3.1.3 Mô hình MAKAM (Bảo vệ toàn cục) 80

3.7.3.1.4 Mô hình Haskin (Reverse Backup) 81

3.7.3.1.6 Mô hình Simple Dynamic 82

3.7.3.1.7 Mô hình Shortest Dynamic 83

PHẦN HAI 85

MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 85

CHƯƠNG 4 : MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 86

4.1 Giới thiệu phần mềm NS2 86

4.2 Cài đặt NS2 để mô phỏng MPLS-TE 87

4.2 Nội dung và kết quả mô phỏng 90

4.2.1 Mô phỏng mạng IP không hỗ trợ MPLS 90

4.2.2 Mô phỏng định tuyến ràng buộc trong mạng MPLS 92

4.2.3 Mô phỏng khôi phục đường theo cơ chế Makam 95

4.2.4 Mô phỏng khôi phục đường theo cơ chế Haskin (Reverse backup) 97

4.2.5 Mô phỏng khôi phục đường theo cơ chế Shortest Dynamic 98

4.2.6 Mô phỏng và khôi phục đường theo cơ chế Simple Dynamic 100

KẾT LUẬN 102

TÀI LIỆU THAM KHẢO 103

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

CR-LDP Constrained Routing-Label Switching Path

CSPF Constrained Shortest Path First

DiffServ Differentiated Services

FEC Forwarding Equivalence Class

FIFO First In First Out

LFIB Label Forwarding Information Base

MPLS Multi Protocol Label Switching

OSPF Open Shortest Path First

PVC Permanent Virtual Connection

SVC Switched Virtual Circuit

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Chương 1 : Tổng quan kỹ thuật X25,Frame Relay,IP và ATM

Hình 1.1 Sự tương ứng giữa TCP/IP và OSI 21

Hình 1.2 Cấu trúc của datagram 22

Hình 1.3 Phân lớp địa chỉ IP 23

Hình 1.4 Định tuyến IP 24

Hình 1.5 Mô hình ứng dụng mạng ATM 25

Hình 1.6 Định dạng tế bào ATM 26

Hình 1.7 Giao thức mạng MPLS 27

Hình 1.8 Lớp MPLS trong mô hình OSI 27

Chương 2 : Tổng quan về kỹ thuật MPLS Hình 2.1 Chuyển mạch trong mạng IP 29

Hình 2.2 Chuyển mạch trong mạng MPLS 29

Hình 2.3 Vị trí của LSR và E-LSR trong miền MPLS 31

Hình 2.4 Upstream và downstream 31

Hình 2.5 Cấu trúc nhãn MPLS 32

Hình 2.6 Ngăn xếp nhãn 32

Hình 2.7 Mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu 34

Hình 2.8 Ví dụ xử lý nhãn trong một LSR 35

Hình 2.9 Nhãn trong chế độ dùng Frame 36

Hình 2.10 Nhãn trong chế độ dùng Cell 37

Hình 2.11 Việc gán nhãn khi qua LSR và LER 38

Hình 2.12 Hoạt động của LSR trong mạng MPLS 38

Hình 2.13 Hoạt động của LER trong mạng MPLS 39

Hình 2.14 Xây dựng bảng định tuyến 41

Hình 2.15 Gán nhãn local cho desIP tương ứng 41

Hình 2.16 Thiết lập bảng LIB và LFIB 42

Hình 2.17 Phân phối nhãn local 43

Hình 2.18 Cập nhập thông tin quảng bá 44

Hình 2.19 Quá trình quảng bá nhãn xảy ra ở tất cả Router trong mạng 44

Hình 2.20 Kỹ thuật PHP 45

Hình 2.21 Xử lý thông tin quảng bá 46

Hình 2.23 Hội tụ trong mạng MPLS 49

Chương 3 : Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS Hình 3.1 Kỹ thuật lưu lượng 50

Hình 3.2 Hàng đợi FIFO 52

Hình 3.3 Hàng đợi PQ 53

Hình 3.4 Hàng đợi FQ 54

Hình 3.5 Ví dụ phân bổ băng thông trong FQ 55

Hình 3.6 Hàng đợi WRR 56

Hình 3.7 Hàng đợi WFQ 57

Hình 3.8 Hàng đợi WFQ (Class Based) 58

Hình 3.9 Ví dụ xử lý phân bổ băng thông trong WFQ 59

Hình 3.10 Mô hình thùng rò 60

Hình 3.11 Mô hình thùng Token 61

Hình 3.12 Mạng IP truyền thống 62

Hình 3.13 Mạng điều khiển lưu lượng MPLS 63

Hình 3.14 Đặc tính màu của kênh truyền 67

Hình 3.15 Yêu cầu gán nhãn local từ nguồn 69

Hình 3.16 Nhãn phân bổ theo chiều Upstream 70

Hình 3.17 Đường Tunnel (dùng CR-LDP) được hình thành 71

Hình 3.18 Thông điệp Path Message từ nguồn 72

Hình 3.19 Các Router phân tích Path Message để đưa ra phản ứng 73

Hình 3.20 Thông điệp RESV giúp mạng thiết lập tài nguyên cần thiết 74

Hình 3.21 Tunnel (dùng RSVP-TE) được hình thành 75

Hình 3.22 Sử dụng đường dẫn LSP 76

Hình 3.23 Sử dụng thông số metric cho LSP 77

Hình 3.24 Cơ chế khôi phục toàn cục 81

Hình 3.25 Mô hình Haskin (Link Protection) 82

Hình 3.26 Cơ chế khôi phục Simple Dynamic (Link protection) 82

Hình 3.27 Cơ chế khôi phục Simple Dynamic (Node protection) 83

Hình 3.28 Cơ chế khôi phục Shortest Dynamic (Link protection) 84

Hình 3.29 Cơ chế khôi phục Shortest Dynamic (Node protection) 84

Chương 4 : Mô phỏng và đánh giá Hình 4.1 Topology vật lý của mạng thực hiện mô phỏng 90

Hình 4.2 Kết quả băng thông nhận được ở bài 1 91

Hình 4.3 Mô phỏng trực quan bài 1 trong cửa sổ NAM 91

Hình 4.5 Mô phỏng trực quan bài 2 trong cửa sổ NAM 93

Hình 4.6 Xuất nội dung bảng LIB ở các LSR ra màn hình console 94

Hình 4.7 Kết quả băng thông nhận được ở bài 3 95

Hình 4.8 Đường đi của lưu lượng trước thời điểm có sự cố 96

Hình 4.9 Đường đi của lưu lượng sau thời điểm sự cố (Makam) 96

Hình 4.10 Kết quả băng thông nhận được của bài 4 97

Hình 4.11 Đường đi của lưu lượng sau thời điểm sự cố (Haskin) 98

Hình 4.12 Kết quả băng thông nhận được của bài 5 99

Hình 4.13 Đường đi của lưu lượng sau thời điểm sự cố (Shortest Dynamic) 99

Hình 4.14 Kết quả băng thông nhận được của bài 6 100

Hình 4.15 Đường đi của lưu lượng sau thời điểm sự cố (Simple Dynamic) 101

vụ quan trọng đều được triển khai trên TCP/IP TCP/IP phát triển mạnh trong các năm cuối của thập kỷ 90, bởi nó cũng là một giao thức mạng thông minh và linh hoạt, đáp ứng được hầu hết các dịch vụ trước đây Tuy nhiên vấn đề là ở khả năng

mở rộng, điều khiển lưu lượng và QoS trong mạng TCP/IP không đáp ứng nổi nhu cầu của người sử dụng TCP/IP cũng có nhiều trở ngại trong việc phân tách các khách hàng và bảo mật trong ứng dụng VPN Nguyên nhân xuất phát từ cách thức chuyển mạch trên nền tảng địa chỉ IP Số điểm mạng càng lớn, các thiết bị phải xây dựng một bảng định tuyến dài và làm tăng quá trình xử lý

Xuất phát từ nguyên nhân đó, người ta đã nghĩ đến việc chuyển mạch không dựa trên nền tảng IP mà dựa vào một nhãn nào đó Ý tưởng thông minh đó đã được nhóm các nhà phân tích của IETF phát triển thành công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức, gọi tắt là MPLS (Multi Protocol Label Switching) MPLS phát triển trên nền tảng của ATM và TCP/IP, do đó là giao thức cầu nối của hai công nghệ này MPLS thích ứng được với nhiều giao thức mạng khác nhau, điều này mang lại nhiều lợi ích cho các nhà cung cấp dịch vụ và người sử dụng MPLS cũng đáp ứng tốt hơn các yêu cầu về QoS, điều khiển lưu lượng và VPN

Đề tài: "Tìm hiểu kỹ thuật lưu lượng MPLS " của em sẽ trình bày tổng

quan về các kỹ thuật chuyển mạch truyền thống, tổng quan về kỹ thuật MPLS, điều khiển lưu lượng trong MPLS (MPLS-TE) và các cơ chế bảo vệ và khôi phục trong MPLS Đây chưa phải là một bài luận văn nghiên cứu đầy đủ về

MPLS, nhưng chúng em hy vọng bài luận sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan giúp người đọc hình dung khá rõ về MPLS.Tuy đã cố gắng rất nhiều, bài viết chắc chắn vẫn còn nhiều thiếu sót Em kính mong quý thầy cô nhận xét và đánh giá để chúng

em hoàn thiện luận văn này Chúng em xin chân thành cảm ơn

NỘI DUNG TỔNG QUÁT  Phần một: Cơ sở lý thuyết

Chương 1: Tổng quan kỹ thuật X25,Frame Relay,IP và ATM

Nội dung phần này sẽ khái quát lại các công nghệ truyền thống là X25,Frame Relay,IP truyền thống và ATM, tập trung phân tích các ưu, nhược điểm của mô hình mạng cũ và nêu ra những tiền đề nhằm phát triển một công nghệ mới khắc phục những nhược điểm đó là MPLS

Chương 2: Tổng quan về kỹ thuật MPLS

Nội dung chương này sẽ tập trung phân tích cấu trúc và các thành phần của MPLS như mặt phẳng điều khiển, mặt phẳng dữ liệu, LSP, LSR, LER Đặc biệt nêu bật mối tương quan của những công nghệ mới trong MPLS với các công nghệ được

sử dụng trong IP, ATM như các kỹ thuật chuyển mạch, nội dung của trường nhãn

kế thừa từ Frame Relay hay ATM Chương này tập trung về các nguyên lý cơ bản trong hoạt động của MPLS

Chương 3: Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS

MPLS là một công nghệ tích hợp đa dịch vụ, là mạng lõi cho mô hình mạng viễn thông thế hệ mới NGN Điều này dẫn đến việc số lượng kênh truyền sẽ tăng lên rất lớn trong bối cảnh nhu cầu con người đòi hỏi sự liên lạc, chất lượng dịch vụ ngày càng cao Một điều tất yếu xảy ra là khi đáp ứng nhu cầu này thì sẽ làm phát sinh xung đột giữa các nhu cầu từ phía khách hàng Một mạng được xem là tốt khi

nó thoả mãn hai điều kiện, một là phải đáp ứng các nhu cầu dịch vụ từ phía khách hàng trong trường hợp này là tránh tắc nghẽn, hai là phải đem lại hiệu quả kinh tế cao nhất có thể Các kỹ thuật như ATM chỉ giải quyết được nhu cầu thứ nhất Trong khi đó “kỹ thuật điều khiển lưu lượng”, một kỹ thuật đã có ở mạng IP truyền thống lại có thể giãi quyết cho yêu cầu thứ hai Thật may mắn, với MPLS, bằng sự kết hợp những đặc điểm tối ưu nhất của cả ATM và IP đã giải quyết cả hai yêu cầu trên Với LSP một khái niệm tương tự như kênh ảo trong ATM cùng với việc mở rộng các giao thức định tuyến như OSPF nhằm thực hiện kỹ thuật định tuyến có điều kiện-CBR cùng với những khái niệm mới như “trung kế lưu lượng”, “FEC” đã mang lại cho MPLS một bộ mặt hoàn toàn mới

Nội dung chương này sẽ đi sâu phân tích những cải tiến của kỹ thuật lưu lượng trong MPLS từ cấp bậc thấp nhất như sự ra đời các hàng đợi WRR, WFQ (Class Based) so với công nghệ cũ như FIFO, PQ, FQ cho đến cấp bậc cao hơn là

sự cải tiến các giao thức định tuyến OSPF, cải tiến các giao thức phân phối nhãn LDP thành CR-LDP và đặc biệt là RSVP-TE nhằm mang lại khả năng cung cấp dịch vụ một cách tin cậy và điều khiển lưu lượng uyển chuyển khi có thay đổi xảy

ra trong mạng

Cuối chương sẽ trình bày một trong những tính ưu việt của MPLS là khả năng phục hồi và bảo vệ kênh truyền trong trường hợp xảy ra sự cố Không đi quá sâu vào việc cấu hình cho các trung kế lưu lượng nhằm phản ứng với sự cố trong mạng, phần này chủ yếu bàn về những ý tưởng hình thành mô hình bảo vệ và khôi phục cùng với ưu nhược do nó mang lại như mô hình bảo vệ toàn cục, cục bộ

Phần hai : Mô phỏng và đánh giá

Chương 4 : Mô phỏng và đánh giá

Phần này bao gồm phần giới thiệu chương trình NS2,cách cài đặt NS2 trong Windows và những bài mô phỏng bằng NS2 dựa trên nền Windows(Cywin) nhằm

mô tả và phân tích những đặc điểm của điều khiển lưu lượng trong MPLS, các mô hình bảo vệ và khôi phục nhằm làm sáng tỏ những điều đã trình bày trong lý thuyết

      PHẦN MỘT

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN KỸ THUẬT X25,FRAME RELAY,IP VÀ

ATM

1.1 Sơ lược tình hình các mạng truyền thông hiện nay

Trải qua một thời gian dài phát triển, ngành viễn thông đã và đang góp phần đáng kể vào công cuộc chinh phục khoa học phục vụ con người Trong đó truyền dữ liệu đã trở thành một phần cơ bản của công nghệ thông tin hiện đại Các mạng truyền thông đã lần lượt ra đời và không ngừng được sàn lọc, cải thiện , cho đến nay

nó đang được tồn tại rất phong phú và đa dạng Bên cạnh sự tồn tại của mạng điện thoại, ngày nay còn có các loại mạng thông tin khác nhau như mạng truyền số liệu chuyển mạch gói X25, mạng phát thanh truyền hình quảng bá, mạng truyền hình cáp… Các mạng thông tin này tồn tại độc lập với nhau, mỗi loại phục vụ một dịch

vụ truyền thông riêng

Nhu cầu truyền các loại thông tin khác nhau như tiếng nói, hình ảnh, số liệu cùng một lúc (như điện thoại,truyền hình) , nhu cầu truyền thông tin từ một điểm đến nhiều điểm, từ nhiều điểm đến nhiều điểm tốc độ cao cũng đang tăng lên mạnh

mẽ Thông tin ngày càng trở nên một phần không thể thiếu trong cuộc sống của mỗi người chúng ta và thông tin đa phương tiện vừa là ước mơ vừa là hiện thực của sự phát triển mạng thông tin hiện đại trong tương lai

1.2 Giới thiệu các kỹ thuật chuyển mạch

1.2.1 Kỹ thuật X25

Vào những năm 1970,X25 đã được CCITT (Tổ chức viễn thông quốc tế về Telephone và Telegraph) công bố đầu tiên và được đặt biệt chú ý Mục đích của X25 là cung cấp một số giải pháp cho vô số các nghi thức riêng (prorietary protocol) mà các hãng đặt ra Telnet ở Mỹ là một trong những mạng chuyển mạch gói đầu tiên ứng dụng X25 đã nhanh chóng phát triển từ một mạng truyền số liệu riêng thành một mạng toàn cầu

Đặc điểm của X25 là :

 Các gói điều khiển được sử dụng để thiết lập và xóa các mạch ảo (virtual circuit), sẽ được truyền trên cùng một kênh và cùng một mạch ảo của các gói

dữ liệu Nghĩa là ở đây cùng báo hiệu inband (báo hiệu trên kênh truyền dẫn )

 Ghép kênh các mạch ảo được thực hiện ở lớp 3, tức là lớp network (lớp mạng)

 Cả hai lớp 2 và 3 đều có cơ chế điều khiển luồng (flow control) và điều khiển lỗi (error control)

Hiện nay, giao thức X.25 là một bộ các qui tắc xác định cách thức thiết lập và duy trì kết nối giữa các DTE và DCE trong một mạng dữ liệu công cộng (PDN – public data network) Nó qui định các thiết bị DTE/DCE và PSE (Packet-swiching exchange) sẽ truyền dữ liệu như thế nào

Khi sử dụng mạng X.25, bạn có thể tạo kết nối tới PDN qua một đường dây dành riêng

Mạng X.25 hoạt động ở tốc độ 64 Kbit/s (trên đường tương tự)

Kích thước gói tin (gọi là frame) trong mạng X.25 không cố định

Giao thức X.25 có cơ chế kiểm tra và sửa lỗi rất mạnh nên nó có thể làm việc tương đối ổn định trên hệ thống đường dây điện thoại tương tự có chất lượng thấp Tất cả những overhead (việc dùng nhiều thông tin điều khiển cũng như việc thực hiện nhiều xử lý thông tin điều khiển) đã chứng tỏ hiệu lực vì không có xác xuất lỗi nào xảy ra trên các link (đường nối vật lý) trong mạng Tuy nhiên, phương cách này không thích hợp với các phương tiện truyền thông kỹ thuật số hiện đại Các mạng ngày nay dùng những kỹ thuật truyền dẫn số với chất lượng cao, các đường truyền đáng tin cậy, rất nhiều đường truyền là cáp quang và truyền dẫn số, tốc độ dữ liệu có thể lên rất cao Trong môi trường này,việc dùng nhiều thông tin điều khiển, kiểm tra của X25 như trên không còn cần thiết nữa mà còn giảm hiệu xuất sử dụng khả năng tốc độ dữ liệu mạng

1.2.2 Kỹ thuật Frame Relay

Frame-Relay bắt đầu được đưa ra như tiêu chuẩn của một trong những giao thức truyền số liệu từ nǎm 1984 trong hội nghị của tổ chức liên minh viễn thông thế giới ITU-T (lúc đó gọi là CCITT - Consultative Commitee for International Telegraph and Telephone) và cũng được viện tiêu chuẩn quốc gia Mỹ ANSY (American National Standard Institute) đưa thành tiêu chuẩn của ANSY vào nǎm đó

Frame Relay được thiết kế để giảm bớt những công việc kiểm tra mà X25 thực hiện tại thiết bị đầu cuối cũng như trên mạng chuyển mạch gói Sau đây là ba đặc điểm của Frame Relay khác so với X25 trước đây:

 Tín hiệu điều khiển cuộc gọi được truyền trên một kết nối logic (luận lý) riêng, tách biệt với thông tin người sử dụng Do vậy các nút mạng trung gian không cần duy trì các bảng trạng thái này hay các tiến trình xử lý liên quan tới điều khiển cuộc gọi cho từng kết nối riêng biệt nữa

 Ghép kênh và chuyển mạch các kết nối logic(luận lý) được thực hiện tại lớp

2 thay vì lớp 3, giảm hẳn một lớp xử lý

 Không có điều khiển luồng giữa các nút mạng mà gói đi qua (hop-by-hop flow control) Điều khiển luồng, điều khiển lỗi đầu cuối – đến đầu cuối (end-to-end flow control and error control) là trách nhiệm của các lớp cao

Theo số liệu của diễn đàn Frame-Relay thì nguyên nhân để người dùng chọn Frame-Relay là:

 Kết nối LAN to LAN: 31%

 Hội thảo video: 5%

Khuôn dạng gói dữ liệu Frame-Relay:

Do Frame-Relay được xây dựng bắt nguồn từ ý tưởng của HDLC (High Data Link Control) nên cấu trúc của gói tin Frame-Relay cũng tương tự như cấu trúc HDLC:

< trail > < header >

 Flag: Cờ

 Error check: Bit kiểm tra lỗi

 Data: Bit dữ liệu

 C&A: Bit địa chỉ và điều khiển

Để thực hiện nhiệm vụ truyền số liệu, mạng Frame-Relay sẽ phải giải quyết vấn đề tắc nghẽn thông tin trên mạng, thực chất đây là vấn đề của tầng mạng trong

mô hình 7 tầng Frame-Relay làm việc ở tầng liên kết nhưng cũng phải giải quyết vấn đề này để đảm bảo khả nǎng lưu chuyển thông tin Hầu hết các mạng truyền số liệu đều sử dụng kỹ thuật điều khiển luồng (flow-control) để giải quyết vấn đề tắc nghẽn

Nếu xét trên mô hình 7 tầng của OSI thì Frame-Relay làm việc chủ yếu ở tầng liên kết dữ liệu, do đó một số chức nǎng của tầng mạng coi như được chuyển xuống tầng này Hơn nữa, một số chức nǎng của tầng này cũng được loại bỏ bớt như các tham số về điều khiển luồng, ACK, NAK, nhằm làm giảm độ trễ trong

mạng Điều đó đưa đến khái niệm gọi là mạng không lỗi (error-free network) Đó là điểm khác nhau cơ bản giữa Frame-Relay với X.25

Kỹ thuật chuyển mạch gói X.25 hấp dẫn ở khả nǎng sử dụng chung cổng và đường truyền, do đó nó có khả nǎng sử dụng trong tình huống bùng nổ, l tình huống hay gặp ở mạng LAN và khi kết nối LAN to LAN Tuy nhiên, trong thực tế khả nǎng này không có ý nghĩa lớn do thông lượng của mạng X.25 thấp

Ngược lại, Kỹ thuật chuyển mạch kênh hay tách ghép kênh theo thời gian TDM (Time Divíion Multiplexer) có thông lượng cao và độ trễ trong mạng rất thấp

Vì thực chất Kỹ thuật này tạo ra các kênh trong suốt (transparency channel) tương ứng với tầng Vật lý trong mô hình 7 tầng Do không phải tính toán gì bên trong mạng nên hầu như không có trễ mềm mà chỉ có trễ do khoảng cách và bǎng tần hạn chế Tuy vậy, Kỹ thuật này tạo ra các kênh cố định về tốc độ nên không giải quyết được tình huống bùng nổ lưu lượng Do đó chỉ thích hợp với những dịch vụ sử dụng bǎng tần cố định kiểu như dịch vụ thoại

Kết hợp hai ưu điểm trên, Frame-Relay có thông lượng cao với độ trễ trong mạng thấp nhưng có khả nǎng kết nối sử dụng chung cổng và đường truyền nhằm tạo ra mạng ảo, ngoài ra nó còn sử dụng một vài kỹ thuật nhằm hỗ trợ việc tổ chức

tổ chức dữ liệu khi truyền dẫn để sử dụng trong tình huống bùng nổ lưu lượng

Dưới đây là bảng so sánh các Kỹ thuật trên:

Kỹ thuật Sử dụng khe thờigian cố định Độ trễ Thông lượng STDM

STDM: Tách ghép kênh theo thời gian có thống kê (Statistic time division multiplexing)

Thông thường, khi có nhu cầu xây dựng mạng truyền số liệu dùng riêng để phục vụ mục tiêu ứng dụng Kỹ thuật thông tin trong một công ty, cơ quan, yêu cầu đặt ra sẽ bao gồm:

 Dễ sử dụng

 Mạng lưới linh hoạt và độ sẵn sàng cao

 Giá thành hợp lý

Với những so sánh, rõ ràng Frame-Relay sẽ đáp ứng được phần lớn các yêu cầu trên Nói cách khác dùng mạng diện rộng với Kỹ thuật Frame-Relay để thiết kế mạng riêng chúng ta sẽ có một số ưu điểm:

 Thời gian thực hiện nhanh

 Khả nǎng dùng bǎng tần rộng: từ 2Mbps có thể tới 34Mbps

 Tận dụng tối đa hiệu suất của bǎng tần, khi khối lượng thông tin cần truyền lớn ta mới dùng đến bǎng tần rộng, còn bình thường ta chỉ cần giữ một bǎng tần nhỏ: 64 Kbps đến 256 Kbps

là đủ

 Với cùng giao diện vật lý ta có thể tạo nhiều kênh logic để dùng

 Tiết kiệm giá thành của thiết bị nối mạng diện rộng

Nhược điểm chính của Frame Relay so với X25 mất đi khả năng điều khiển

luồng,điều khiển lỗi liên kết vật lý-đến-liên kết vật lý (link by link) Frame Relay không cung cấp điều khiển luồng, điều khiển lỗi đầu cuối – đến đầu cuối (end-to-end), tuy nhiên chức năng này có thể dễ dàng được cung cấp ớ các lớp cao Trong mạng X25 nhiều mạch ảo cùng được truyền trên cùng một đường truyền vật lý và LAPB ở lớp data link (mức liên kết dữ liệu) sẵn sàng cung cấp một sự truyền đáng tin cậy từ thiết bị đầu cuối tới mạng và từ mạng đến nơi nhận Hơn nữa, mỗi nút mạng mà gói đi qua, độ tin cậy cũng được đảm bảo nhờ link protocol control (giao thức điều khiển kết nối) không còn Sử dụng Frame Relay, việc điều khiển hop-by-hop (từ nút mạng-đến-nút mạng) không còn Tuy nhiên,với độ nâng cao về độ tin cậy của các phương tiện truyền và chuyển mạch, đây không phải là khuyết điểm chủ yếu

1.2.3 Kỹ thuật IP:

1.2.3.1 Các khái niệm cơ bản trong mạng IP

TCP/IP là một bộ giao thức đựợc phát triển bởi Cục các dự án nghiên cứu cấp cao (ARPA) của bộ Quốc phòng Mỹ Trước đây, TCP/IP là giao thức chạy trên môi trường hệ điều hành UNIX và dùng chuẩn của Ethernet Khi máy tính cá nhân

ra đời, TCP/IP chay trên môi trường máy tính cá nhân với hệ điều hành DOS và các trạm làm việc chạy hệ điều hành UNIX Hiện nay TCP/IP được sử dụng rất phổ biến trong mạng Internet

TCP/IP ra đời trước chuẩn OSI Hai mô hình này không hoàn toàn trùng khớp nhau nhưng vẫn có sự tương thích nhất định Sự tương quan giữa mô hình TCP/IP và mô hình OSI được chỉ ra trong hình sau:

Úng dụng Trình diễn Ứng dụng và dịch vụ

VER IHL Type of service Total length

Time to live Protocol Header checksum

Khi gửi các datagram trên đường truyền vật lý, các datagram phải được đóng gói lại dưới dạng các frame do đường truyền vật lý không xác định được các frame Toàn bộ datagram sẽ nằm trong vùng dữ liệu của frame Đường truyền vật lý xử lý các frame dựa vào địa chỉ MAC và các giao thức lớp hai

Tuy nhiên trong mỗi loại mạng, người ta luôn qui định độ dài tối đa của một frame, gọi là MTU (maximun transfer unit) Kích thước của frame luôn phải nhỏ hơn kích thức của MTU Khi frame có kích thước lớn hơn MTU, nó phải được phân đoạn, mỗi đoạn có kích thước nhỏ hơn MTU của mạng Quá trình phân đoạn được thực hiện ở các Gateway giữa các mạng có kích thức MTU khác nhau trên đường truyền dữ liệu Các đoạn sau khi được phân chia sẽ vẫn gồm hai thành phần: phần header và data Các phân đoạn lần lượt được chuyển tới đích Trạm cuối dựa vào các thông số flag và fragment offset để thiết lập lại dữ liệu ban đầu

1.2.3.1.2 Chọn đường đi cho các gói dữ liệu trong mạng IP:

Địa chỉ IP là số nhận biết của một trạm trong mạng Các gói xác định đích đến dựa vào địa chỉ IP Trên thế giới hiên nay đang sử dụng IPv4 Đó là một chuỗi

số nhị phân dài 32 bit, được chia thành bốn Octet Để đơn giản người ta biểu diễn mỗi Octec dưới dạng thập phân Độ lớn mỗi Octec chạy từ 0 đến 255, các địa chỉ IP

cứ như vậy lấp đầy số 1 vào chuỗi nhị phân 32 bit

Để thuận tiện cho việc quản lý và sử dụng, người ta chia địa chỉ IP ra thành 4 lớp như sau:

Lớp A: là dãy địa chỉ với Octec đầu có dạng 0xxxxxxx,cho phép định danh

126 mạng,với tối đa 16 triệu host trên một mạng

Lớp B: là dãy địa chỉ với Octec đầu có dạng 10xxxxxx, cho phép định danh

16384 mạng với tối đa 65534 host trên mỗi mạng

Lớp C: là dãy địa chỉ với Octec đầu có dạng 110xxxxx,cho phép định danh khoảng 2 triệu mạng , mỗi mạng tối đa 254 host

Lớp D : các địa chỉ còn lại ,được dùng cho multicast hoặc broadcast (gửi một thông tin đến nhiều host)

Lớp A 1 Net ID Host ID

1.2.3.1.3 Định tuyến

Định tuyến là phương thức dịch chuyển thông tin trong liên mạng,từ nguồn đến đích Nó là một chức năng được thực hiện ở tầng mạng Chức năng này cho phép bộ định tuyến đánh giá đường đi sẵn có tới đích dựa vào topo mạng Topo mạng có thể do người quản trị thiết lập hoặc được thu thập thông qua các giao thức định tuyến Topo mạng mà router học được sẽ được ghi vào bảng định tuyến Bảng định tuyến chứa thông tin tìm đường mà router dựa vào đó để phân phát các gói tin đến đích cuối cùng

1.2.3.1.4 Các hành động trong quá trình định tuyến:

Xác định đường đi: chọn ra 1 đường đi tốt nhất đến đích theo một tiêu chí nào đó (cost, chiều dài đường đi ) dựa vào bảng định tuyến Khi có được đường đi tốt nhất từ bảng định tuyến, bước tiếp theo là gắn với đường đi này cho bộ định tuyến biết phải gởi gói tin đi đâu

Chuyển mạch: cho phép bộ định tuyến gởi gói tin từ cổng vào đến cổng ra tương ứng với đường đi tối ưu đã chọn

1.2.3.2 Các nhược điểm của TCP/IP:

Do tính chất của chuyển mạch lớp 3, quá trình định tuyến trong router thường chậm hơn trong switch Quá trình định tuyến được thực hiện trên tất cả các router mà nó đi qua

Hình 1.4 Định tuyến IP

Do sự phức tạp tính toán định tuyến các gói tin IP tại mỗi router mà tốc độ hội tụ sẽ chậm, cùng với đó là các phương thức giúp mô hình TCP/IP hoạt động đúng như chống lặp vòng (split horizon, spoison reverse v.v…), hay các thủ thuật điều khiển lưu lượng giúp mạng hoạt động có hiệu quả Nhưng đồng thời chúng cũng giới hạn kích cỡ của một mạng sử dụng định tuyến IP

Khi sử dụng kết nối qua mạng WAN, ta không thể sử dụng TCP/IP do tốc độ hội tụ chậm cùng với việc header IP lớn qua mạng đường dài sẽ làm tốn băng thông

Mặc dù các kỹ thuật TE (traffic engineering), Diffserv sử dụng trong IP đã giúp mô hình này hoạt động tốt hơn và cung ứng đa dịch vụ nhưng việc sử dụng những kỹ thuật này trong mạng TCP/IP rất phức tạp và hiệu quả chưa cao

Do đó, yêu cầu đặt ra là cần một giao thức mạng WAN giúp cho việc chuyển gói tin đi nhanh hơn qua WAN và cung ứng đa dịch vụ và chất lượng dịch vụ Và đây chính là cơ sở cho việc hình thành các giao thức mạng WAN như X25, FrameRelay, và đặc biệt là ATM

1.2.4 Kỹ thuật ATM:

ATM là mô hình mạng theo chuẩn của ITU-T cho chuyển mạch tế bào Với công nghệ ATM, thông tin đa dịch vụ như voice, video, data được chuyển đi trong các tế bào (cell) có kích thước nhỏ và cố định Do kích thước của các gói, việc chuyển phát dữ liệu cố tốc độ nhanh hơn so với mạng TCP/IP và giảm thiểu được thời gian trễ Một mạng ATM tư nhân hoặc mạng ATM công cộng đều có thể chuyển phát các dữ liệu đa dịch vụ

1.2.4.1 Các thiết bị ATM và môi trường mạng:

ATM là công nghệ chuyển mạch tế bào, kết hợp các ưu điểm của chuyển mạch mạch và chuyển mạch gói Mạng ATM cho phép mở rộng băng thông ở tầm Mbps đến tầm Gbps, là tốc độ lý tưởng cho các dịch vụ so với mạng TCP/IP Do tính không đồng bộ, ATM rõ ràng là hiệu quả hơn các công nghệ đồng bộ như TDM

Đối với TDM, việc truyền dữ liệu được chia thành các kênh theo thời gian, mỗi người sử dụng được gán vào một khe thời gian, và không ai khác có thể truyền trên khe thời gian đó Nếu một user có đủ dữ liệu để truyền, nó chỉ có thể truyền khi đến khe thời gian riêng của nó, trong khi các khe khác là trống Ngược lai, khi user không có dữ liệu, nó vẫn truyền dữ liệu rỗng trên khe của mình Với công nghệ ATM, do tính bất đồng bộ, khe thời gian được khả dụng theo yêu cầu từ nguồn gửi dựa vào thông tin trên mào đầu của ATM-cell

Hình 1.5 Mô hình ứng dụng mạng ATM 1.2.4.1.1 Định dạng tế bào ATM:

Thông tin chuyển đi trong mạng ATM dưới dạng các đơn vị có độ dài cố định gọi là các cell Năm byte đầu tiên chứa thông tin mào đầu của cell (cell-header), 48 byte còn lại là thành phần thông tin mà gói tin mạng đi Nhờ độ dài nhỏ

và không đổi, thông tin truyền đi trong mạng ATM thường ít trễ và phù hợp với chuyển phát âm thanh, hình ảnh

Hình 1.6 Định dạng tế bào ATM 1.2.4.1.2 Các thiết bị trong mạng ATM

Mạng ATM gồm có hai thiết bị chính là ATM swtich và ATM endpoint ATM switch có nhiệm vụ vận chuyển các cell qua mạng ATM ATM switch nhận các cell từ các endpoint hoặc ATM switch khác Sau đó, nó đọc và update thông tin

từ cell-header và quyết định gửi cell đi tại một giao tiếp của nó Còn ATM endpoint

thì có thể là các trạm cuối, các router hoặc LAN switch nhưng được gắn thêm một

bộ phận tương thích ATM Hình 1.5 mô tả các bộ phân trong một mạng ATM

1.2.4.1.3 Các dịch vụ trong mạng ATM:

Có ba loại dịch vụ trong mạng ATM là: mạch ảo cố định, mạch ảo tạm thời

và các dịch vụ không kết nối PVC cho phép kết nối trực tiếp giữa các vị trí của khách hàng, ở đây, giống như là một đường lease lined, nghĩa là đường thuê bao dành riêng Ưu điểm của dịch vụ này là giữ được kết nối cố định và không yêu cầu một thủ tục thiết lập đường truyền nào Tuy nhiên nhược điểm là các kết nối phải được thiết lập bằng tay và cố định, do đó vấn đề mở rộng mạng gặp nhiều khó khăn Hơn nữa, các kết nối không tự khôi phục khi bị hỏng

Đối với dịch vụ SVC (Switched Virtual Circuit), một SVC được tạo và ngắt

tự động khi có dữ liệu truyền đi, giống như là khi ta thiết lập một cuộc gọi Để thiết lập SVC, cần có các giao thức báo hiệu giữa các ATM endpoint và ATM switch Thuận lợi của SVC là tự động thiết lập kênh truyền bởi các thiết bị mạng, nhưng bất lợi của nó là mạng cần nhiều thời gian cho việc thiết lập và băng thông báo hiệu

1.2.4.2 Các nhược điểm của ATM:

Dù có nhiều thuận lợi trước mắt, nhưng ATM cũng tồn tại nhiều bất cập trong tương lai, khi nhu cầu sử dụng tăng đòi hỏi phải mở rộng mạng Công tác bảo trì trong mạng ATM cũng gặp nhiều khó khăn ATM có thể ra đời để đáp ứng những nhu cầu sử dụng hiện thời của con người nhưng xét về khả năng sử dụng lâu dài và mở rộng là hoàn toàn không hiệu quả

Hơn nữa, định tuyến IP thông thường và định tuyến ATM khác nhau do đó ATM làm gián đoạn định tuyến IP dẫn đến việc làm gián đoạn các chức năng phần mềm Các nhà cung cấp dịch vụ luôn gặp khó khăn khi kết hợp hai mô hình này, bởi

vì khó có sự trao đổi thông tin định tuyến và báo hiệu giữa ATM & định tuyến IP Bên cạnh đó, mô hình ATM khó có thể mở rộng mạng Sự triển khai ATM tốn kém nhiều chi phí do sự phức tạp của cấu trúc mạng

Yêu cầu đặt ra là cần có một giao thức kết hợp được các ưu điểm của mô hình TCP/IP và ATM Và các kỹ thuật trong TCP/IP và ATM chính là cơ sở hình thành nên giao thức mạng mới MPLS ( multi protocol label switching )

Hình 1.7 Giao thức mạng MPLS

Đối với mạng MPLS, cơ sở để chuyển tiếp gói tin không còn là IP header hay cell header nữa, mọi sự chuyển mạch đều dựa trên nhãn MPLS có thể được xây dựng trên một nền tảng TCP/IP hoặc ATM sẵn có Phát triển MPLS là khả thi trên một giao thức mạng bất kỳ, ATM hay TCP/IP Do đó MPLS goi là mạng chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS ra đời đã giải quyết hầu hết các khó khăn của các

mô hình mạng cũ và cùng cho những ưu điểm vượt trội:

IP

SDH, ODH, WDN, CSMA

ATM, FRAME RELAY, Ethernet, PPP

MPLS

Hình 1.8 Lớp MPLS trong mô hình OSI

 Định tuyến và chuyển mạch chỉ sử dụng LSR (Label Stack Router)

 Sử dụng chuyển mạch nhãn làm tăng tốc độ chuyển gói

 Giữ được ưu điểm của giao thức IP (định tuyến), ATM (chuyển mạch)

 Ẩn lớp liên kết dữ liệu & sự khác biệt giao thức lớp 2 của các gói tin

 Cung cấp khả năng QoS (Quality of service)

MPLS cũng có một số nhược điểm như một lớp mới phải được thêm vào mô hình OSI và các router phải được cài đặt các phần mềm để có thể hiểu được MPLS

Tóm lai sự ra đời của MPLS là một bước phát triển lớn trong ngành công nghiệp viễn thông, đáp ứng nhu cầu sử dụng ngày một cao của xã hôi Các chương tiếp theo sẽ trình bày về kỹ thuật và các ứng dụng trong MPLS

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MPLS

Mạng chuyển mạch nhãn đa giao thức là công nghệ kết hợp đặc điểm tốt nhất giữa định tuyến lớp ba và chuyển mạch lớp hai, cho phép chuyển tải các gói rất nhanh trong mạng lõi và định tuyến tốt ở mạng biên bằng cách dựa vào nhãn MPLS là một phương pháp cải tiến việc chuyển tiếp gói trên mạng, dựa trên việc gán nhãn vào mạng IP tương ứng Do đó mỗi gói IP, cell ATM hoặc frame lớp 2 đều được gắn nhãn Hiện nay mạng MPLS là giải pháp cho các nhu cầu về tốc độ, khả năng mở rộng, quản lý chất lượng dịch vụ và điều khiển lưu lượng MPLS cũng cung cấp một giải pháp hàng đầu để đáp ứng nhu cầu về băng thông và dịch

vụ yêu cầu cho các mạng IP thế hệ kế tiếp Chương này bao gồm lý thuyết về các

kỹ thuật, khái niệm và cách hoạt động của một mạng MPLS thông thường

2.1 So sánh giữa chuyển mạch trong mạng IP truyền thống và mạng MPLS: 2.1.1 Chuyển mạch trong mạng IP:

Trong mạng IP truyền thống, các giao thức định tuyến được sử dụng để phân phối thông tin định tuyến lớp ba Gói được chuyển đi dựa vào địa chỉ đích trong IP header Khi nhận được một gói IP, router dò tìm trong bảng định tuyến thông tin trong bản routing mạng đích của gói, từ đó xác định next-hop rồi chuyển gói đi Việc xác định next-hop được lặp lại tại mỗi hop từ nguồn đến đích

2.1.2 Chuyển mạch trong mạng MPLS:

Gói được chuyển đi dựa trên nhãn Các nhãn này có thể tương ứng với các địa chỉ IP đích hoặc các thông số khác như các lớp QoS và địa chỉ nguồn Nhãn được phát đi trên từng Router hoặc Router interface và được nhận biết một cách nội bộ trong chính Router đó Router gán nhãn đến các đường đi định trước gọi là LSP giữa các điểm cuối Vì vậy, chỉ có router ở biên mới làm nhiệm vụ dò tìm bảng định tuyến Các bước của quá trình chuyển mạch trong mạng MPLS:

Hình 2.1 Chuyển mạch trong mạng IP

1 R4 nhận gói có tiền tố địa chỉ đích IP là 172.16.10.0/24 và gửi gói tin qua miền MPLS R4 nhận biết đường đi của gói trong mạng bằng 1 bảng định tuyến theo nhãn R4 gán nhãn L3 nhận từ downstream R3 vào gói IP, chuyển gói đến next hop R3

2 R3 nhận gói, hoán đổi nhãn L3 bằng nhãn L2 nhận được từ router R2 và chuyển đến next hop R2

3 R2 nhận gói tin, tiếp tục thay thế nhãn L2 bằng nhãn L1 và gửi gói đến R1

Hình 2.2 Chuyển mạch trong mạng MPLS

Bảng định tuyến

R1 là router biên, kết nối giữa miền IP và miền MPLS R1 bóc tất cả các nhãn MPLS được gắn vào gói tin, trả lại địa chỉ IP nguyên thủy và gởi đến mạng 172.16.10.0/24

Nhờ chuyển mạch dựa trên nhãn ở mạng lõi, MPLS sẽ có tốc độ xử lý gói nhanh hơn so với mạng IP Thay vì dò tìm trong một bảng định tuyến dài, gói tin trong MPLS chỉ so sánh nhãn với bảng chuyển mạch nhãn mà nó học được Có thể liên tưởng quá trình chuyển mạch trong mạng lõi với việc gắn tag trong mạng lớp hai giữa các Vlan Đó là lý do người ta nói rằng MPLS là công nghệ kết hợp các đặc điểm tốt nhất giữa chuyển mạch lớp hai và định tuyến lớp 3

2.2 Các thuật ngữ và khái niệm trong MPLS:

Một mô hình MPLS tiêu biểu sẽ gồm các khái niệm sau:

2.2.1 Lớp chuyển tiếp tương đương (FEC):

RFC3031, nhóm gói được chuyển đi theo cùng một cách giống nhau (cùng một đường đi với cách chuyển phát như nhau)

2.2.3 Router biên chuyển mạch nhãn MPLS (E-LSR):

Một LSR ở biên của MPLS domain E-LSR gắn nhãn khi gói đi vào miền MPLS hoặc bóc nhãn khi gói ra khỏi miền Chỉ có những Router này mới thực hiên nhiệm vụ vừa định tuyến IP, vừa định tuyến theo nhãn

Hình sau chỉ rõ E-LSR, LSR trong miền MPLS:

- E- LSR: R1, R4

- LSR: R2, R3

Hình 2.3 Vị trí của LSR và E-LSR trong miền MPLS 2.2.4 Đường dẫn trong mạch MPLS (LSP) là đường dẫn từ nguồn đến đích của

gói tin trong miền MPLS Bản chất của LSP là đơn hướng LSP thường nhận thông tin từ IGP nhưng LSP cũng có thể đi khác hướng của IGP để đến đích khi

sử dụng điều khiển lưu lượng trong MPLS

2.2.5 Upstream, downstream: là các khái niệm then chốt để hiểu hoạt động của

sự phân phối nhãn (mặt phẳng dữ liệu) và chuyển phát dữ liệu trong MPLS Dữ liệu mà Router định gửi đi cho một mạng xác định gọi là downstream, còn việc cập nhập thông tin (giao thức định tuyến hoặc phân phối nhãn, LDP/TDP) gắn liền với một tiền tố gọi là upstream Có thể hiểu là thông tin về nhãn của 1 Router được chính nó gửi đi cho các LSR kế cận được gọi là downstream Còn thông tin định tuyến thì gọi là upstream Hình dưới đây cho ví dụ về downstream và upstream router

2.2.6 Nhãn MPLS: một nhãn MPLS dài 20 bit được gán cho một tiền tố IP Cấu

trúc của nhãn như sau:

 8 bit cuối ( 24 -> 31 ): TTL ( time to live ) có chức năng chống lặp vòng

bằng cách định thời gian tồn tại của gói tin trong mạng MPLS tương tự như

thành phần TTL trong header gói tin IP

Các thành phần nhãn gồm nhãn đầu tiên (Top), các nhãn trung tâm (Middle)

và nhãn cuối (Bottom) Thứ tự của các nhãn này được xác định bởi bit S trong các nhãn trên

Khi một router trong MPLS nhận frame trên, nó chỉ xử lý phần nhãn đầu tiên (top label), các nhãn sau do các router kế tiếp xử lý

Thông thường các gói dữ liệu khi vào MPLS chỉ được gán một nhãn Tuy nhiên trong một số trường hợp phải sử dụng nhiều nhãn để đáp ứng yêu cầu dịch vụ Một số dịch vụ có thể kể ra như:

 MPLS VPN: gồm 2 nhãn, trong đó nhãn thứ hai (không thay đổi khi qua

MPLS) dùng để hội tụ các tuyến sử dụng MP BGP qua mạng MPLS Nhãn đầu tiên được các router trong MPLS xử lý như trong mạng MPLS thông thường

 MPLS TE: sử dụng kỹ thuật traffic engineering và phương pháp phân phối

nhãn RSVP dùng để xác định LSP cần dùng Nhãn còn lại được dùng để hội

tụ đầu cuối với từng LSP

 MPLS VPN có dùng MPLS-TE: có thể dùng nhiều nhãn

2.3 Thành phần và cấu trúc của MPLS:

2.3.1 Các phương pháp chuyển mạch trong MPLS:

Có ba phương pháp dùng để chuyển gói tin trong MPLS :

Phương pháp đầu tiên gọi là “process switching”: mỗi gói tin được chuyển tới

đích nhờ vào bảng định tuyến được xây dựng ban đầu nhờ gói tin đầu tiên dựa trên giao thức định tuyến IP Các gói tin sau đó sẽ dựa vào bảng định tuyến mà quyết định đường đi tới đích Do bảng định tuyến có giới hạn nên việc định tuyến có thể xảy ra đệ quy Trong phương pháp này, tại mỗi router các gói tin được định nhãn một cách độc lập nên thới gian xử lý sẽ rất chậm Do đó phương pháp này không được sử dụng nhiều

Phương pháp thứ hai là “phương pháp chuyển mạch nhanh”: khi gói tin đến

router, gói tin sẽ được kiểm tra xem desIP đã có trong bảng định tuyến chưa, nếu chưa có desIP đó sẽ được thêm vào bộ nhớ lưu trữ (cache) trong router Điểm khác biệt so với phương pháp đầu tiên là ở chỗ việc xử lý nhãn trên gói tin đầu tiên (nội dung của khung header) sẽ được kế thừa cho những gói tin sau

Phương pháp thứ ba được phát triển bởi Cisco (CEF-Cisco Express Forwarding)

được khuyến nghị bởi IETF Phương pháp này sử dụng cơ sở dữ liệu là bảng FIB (Forwarding Information Base) thay cho bảng định tuyến Khác với phương pháp fast switching, khi quá trình xử lý nhãn đòi hỏi phải tham chiếu đến desIP, bằng cách sử dụng bảng FIB, phương pháp CEF sẽ tạo ra bảng LFIB (label forwarding information base) Quá trình chuyển gói tiếp sau đơn giản chỉ là tham chiếu nhãn khi vào router với LFIB mà chuyển gói tin ra interface thích hợp kèm nhãn thích hợp thay thế khi gói tin ra khỏi router

2.3.2 Mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu:

Cấu trúc của mạng MPLS được chia làm hai phần: mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu Tương tự như IP có hai cơ sở dữ liệu là RIB và FIB thì trong MPLS cũng có hai cơ sở dữ liệu là LIB và LFIB

LIB có vai trò giống như RIB, nó nằm trong mặt phẳng điều khiển LIB lưu các nhãn được đăng ký bởi LSR và các ánh xạ FEC-to-label mà LSR nhận được thông qua các giao thức phân phối nhãn Khi một giao thức phân phối nhãn muốn liên kết với một nhãn với FEC, nó sẽ yêu cầu nhãn ngõ vào từ LIB (tức là yêu cầu các nhãn cục bộ) Tương tự khi một giao thức phân phối nhãn học được nhãn từ một FEC nào đó, nó cung cấp nhãn ngõ ra cho LIB LIB được xem là cơ sở dữ liệu nhãn cho tất cả các giao thức phân phối nhãn

Hình 2.7 Mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu

Bảng LFIB nằm ngay trong mặt phẳng dữ liệu Bảng LFIB chỉ sử dụng các nhãn dùng cho chuyển mạch gói tin Việc xây dựng các entry LFIB yêu cầu thông tin cung cấp bởi cả các giao thức định tuyến IP và các giao thức phân phối nhãn (thông qua LIB) Ví dụ ánh xạ FEC đến next hop được cung cấp bởi các giao thức định tuyến IP ánh xạ FEC đến nhãn được cung cấp bởi các giao thức phân phối nhãn, và quan hệ kế cận tạo ra ARP

Việc xây dựng bảng FIB, LIB xảy ra trên mặt phẳng điều khiển Các giao

để mỗi router mang thông tin về sơ đồ mạng Quá trình này hình thành bảng định tuyến, gọi là bảng RIB Tương tự như việc cập nhập các giao thức định tuyến, các giao thức phân phối nhãn như LDP cũng làm công việc tương tự như các IGP, hình thành nên bảng LIB Tóm lại FIB và LIB chứa thông tin về định tuyến chung nhất cho mạng

Với bảng FIB và LIB, mạng vẫn chuyển tiếp gói tin đến đích được nhưng thời gian xử lý sẽ chậm hơn nhiều do phải dò tìm hết trong toàn bộ bảng định tuyến

Cơ chế chuyển mạch Cisco CEF cho phép chuyển phát nhanh các gói tin qua mạng bằng cách ghi nhớ đường đi của gói tin trong những lần chuyển phát tiếp theo Những dữ liệu này tồn tại trong bảng FIB và bảng LFIB trên mặt phẳng dữ liệu CEF là cơ chế chuyển mạch thông minh, nhờ vậy mà tiết kiệm được thời gian cũng như bộ nhớ của thiết bị

Ví dụ:

Hình 2.8 Ví dụ xử lý nhãn trong một LSR

Quá trình hình thành bảng chuyển mạch nhãn được hình thành qua ba giai đoạn: định tuyến IP, trao đổi và phân phối nhãn trong MPLS, cuối cùng là hình thành bảng chuyển mạch nhãn LFIB để chuyển gói tin dựa vào nhãn

Trong ví dụ trên ở giai đoạn đầu sử dụng giao thức OSPF để định tuyến Khi

đã có đường đi, giao thức LDP dùng để quyết định việc gói tin đi vào sẽ được gán nhãn gì và đi ra sẽ được gán nhãn gì Các yêu cầu này sẽ được ghi vào cơ sơ dữ liệu của router để hình thành bảng LFIB thuộc mảng dữ liệu

2.3.3 Phân loại nhãn sử dụng trong MPLS:

MPLS được tạo ra nhằm khắc phục những yếu kém của những mô hình WAN như ATM hay Frame Relay nhưng cũng đòi hỏi phải kế thừa, phát triển

các hệ thống mạng cũ cần được giữ nguyên, MPLS chỉ đóng gói các gói này cùng với những phần cần thiết cho hoạt động của MPLS

Chính vì lý do trên, trong cấu trúc nhãn của MPLS chia làm hai loại: chế độ dùng cho Frame và dùng cho cell

Nếu MPLS phát triển từ hệ thống mạng dùng Frame như Frame Relay thì cấu trúc nhãn đơn giản chỉ là thêm vào 32 bit giữa header của layer 2 và layer 3 trong gói tin

Trong mạng ATM, liên lạc giữa đầu-cuối thông qua các thông số là VPI/VCI, những thông số này được xem như những chỉ số đặc trưng cho một mạch

ảo Các gói dữ liệu kế tiếp (tới cùng một đích) sau khi mạch ảo được thiết lập sẽ được gán thông số này để truyền qua mạch ảo duy nhất, khác với Frame Relay khi các gói tin có thể theo nhiều đường khác nhau Đặc tính này của ATM giống với MPLS, do đó nếu sử dụng MPLS dựa trên ATM thì MPLS sẽ sử dụng lại các thông

 Xác định interface ngõ ra để tới hop kế

 Router sẽ chèn thêm vào giữa frame header và IP header thành phần nhãn sử dụng trong MPLS Trong thành phần Frame Header sẽ có thành phần PID

để xác định thành phần nhãn phía sau Trong thành phần nhãn cũng có các bit S để xác định thứ tự nhãn và vị trí bắt đầu của một IP Header

Nhãn trong chế độ dùng cell:

Chế độ này dùng khi có một mạng gồm các ATM-LSR dùng MPLS trong mặt phẳng điều khiển để trao đổi thông tin VPI/VCI thay vì dùng báo hiệu ATM Trong chế độ này nhãn chính là VPI/VCI Sau khi trao đổi nhãn trong mặt phẳng điều khiển, ở mặt phẳng chuyển tiếp tức là tại Ingress LER sẽ phân tách gói tin trở thành lại kiểu tế bào trong ATM và dùng giá trị VPI/VCI để chuyển gói tin đi qua mạng lõi theo đường mạch ảo (ở đây là LSP) để chuyển gói tin đi

Hình 2.10 Nhãn trong chế độ dùng Cell

GFC (Generic Flow Control): Điều khiển luồng chung

VPI (Virtual Path Identifier): Nhận dạng đườngảo

VCI (Virtual Cicuit Identifier): Nhận dạng kênh ảo

PT (Payload Type): Chỉ thị kiểu trường tin

CLP (Cell Loss Priority): Chỉ thị độ ưu tiên huỷ bỏ tế bào

HEC (Header Error Check): Khối bít dùng kiểm tra lỗi tiêu đề

2.3.4 Hoạt động của LSR và E-LSR (LER) trên mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu:

Trong phần này sẽ phân tích cấu tạo và chức năng của thành phần chính trong mạng MPLS là các router cạnh (edge router) và các router chuyển mạch nhãn (label switch router)

Trong mô hình MPLS tùy theo vị trí và chức năng tương ứng mà người ta chia làm hai loại router chuyển mạch nhãn: LSR được sử dụng trong lõi MPLS, LER nằm ở phía ngoài biên MPLS, nơi tiếp xúc với mạng ngoài

LSR (label switch router): là thành phần chính trong MPLS, có chức năng

chuyển gói tin dựa vào nhãn, đồng thời cũng có khả năng định tuyến IP thông thường

LER (label edge router): có chức năng phức tạp Phải đồng thời thực hiện

nhiệm vụ giao tiếp với mạng ngoài, vừa thực hiện chức năng chuyển mạch nhãn trong MPLS Quá trình nhãn được tạo ra đầu tiên và được tách ra để trở thành gói tin theo cấu trúc của mạng ngoài xảy ra tại đây Khi sử dụng một số dịch vụ cao cấp như MPLS VPN thì LER còn phải kiêm thêm một số chức năng phức tạp hơn

Hình 2.11 Việc gán nhãn khi qua LSR và LER 2.3.4.1 Thành phần và chức năng của một LSR:

Nhìn chung một LSRs bất kỳ có 3 chức năng chính sau: trao đổi thông tin

định tuyến, trao đổi nhãn và chuyển tiếp gói dữ liệu đi dựa vào nhãn Hoạt động

trao đổi thông tin định tuyến và trao đổi nhãn xảy ra trên mặt phẳng điều khiển, còn việc chuyển gói dữ liệu đi là hoạt động của mặt phẳng dữ liệu

Chức năng chính của một LSR là chuyển mạch nhãn Bởi vậy một LSR cần

có một giao thức định tuyến (OSPF, RIP, EIGRP, IS-IS) và một giao thức phân phối nhãn Sơ đồ nguyên lý chức năng của một LSR được cho ở hình dưới đây:

Hình 2.12 Hoạt động của LSR trong mạng MPLS

LDP dựa vào cơ sở dữ liệu là LIB để quảng bá thông tin chuyển mạch nhãn trong toàn mạng MPLS

2.3.4.2 Thành phần và chức năng của một LER:

Chức năng của một LER phức tạp hơn do phải thực hiện nhiều chức năng như đã nêu trên Sơ đồ nguyên lý khái quát hoạt động của một LER được cho mô hình sau:

Hình 2.13 Hoạt động của LER trong mạng MPLS

Những mối liên hệ giữa hai thành phần điều khiển và thành phần dữ liệu trong một LER ở hình trên cho phép LER thực hiện các chức năng sau:

Nhận một gói dữ liệu IP và gửi đến đích dựa trên desIP Gói dữ liệu ở ngõ ra

có cấu trúc như một gói dữ liệu IP thông thường

Nhận một gói dữ liệu IP và gửi đến đích dựa trên desIP: Gói dữ liệu ở ngõ ra

là gói dữ liệu IP được gán nhãn

Nhận một gói dữ liệu được gán nhãn: Sau khi xử lý nhãn đó sẽ gửi gói tin đi

ra interface theo bảng định tuyến với một nhãn mới thích hợp

Nhận một gói dữ liệu được gán nhãn: Sau khi xử lý nhãn sẽ bỏ nhãn khỏi gói tin và gửi gói tin với cấu trúc của gói dữ liệu IP thông thường ra interface thích hợp

Nếu những mối quan hệ ràng buộc theo mô hình trên không được đáp ứng, những tình huống sau sẽ có thể xảy ra:

 Một gói tin đã gán nhãn khi vào LER sẽ bị “drop” ngay cả khi desIP trong gói tin đã có trong FIB (Forwarding information base) Điều này xảy ra khi giai đoạn định tuyến IP mới hoàn thành và LER mới đặt nhãn “local” trong

 Một gói tin được gán nhãn khi vào LER sẽ bị “drop” khi desIP của gói tin không có trong bảng FIB mặc dù nhãn của nó tồn tại trong LFIB Cũng do nguyên nhân trên khi một gói tin được gửi theo LSP1 (label switch path 1) với desIP và nhãn tương ứng Khi gói tin đi đến đích nhưng tại LER phía đầu hoặc cuối đường dẫn xuất hiện gói tin IP khác tới một đích khác, quá trình định tuyến gói tin này có thể xảy ra nhanh trong khi bảng FIB đầy, do đó thông tin về desIP của gói tin ban đầu bị loại nhưng thành phần nhãn thì vẫn còn trong LFIB

2.4 Hoạt động của MPLS:

Nội dung phần này sẽ miêu tả cơ chế thực hiện việc thành lập các bảng FIB, LFIB trong thành phần dữ liệu (data plane) các quy tắc gán nhãn, trao đổi nhãn bằng giao thức LDP Nội dung cũng phân tích việc tại sao một gói IP nhận được lại được tham chiếu đến các bảng dữ liệu tương ứng (FIB hoặc LFIB), cũng như ý nghĩa của việc chuyển gói tin qua MPLS mà không qua nhãn (dùng định tuyến IP thông thường)

Do cấu trúc đặc thù của gói tin được gán nhãn trong mạng MPLS ở chế độ dùng frame phức tạp hơn so với chế độ dùng cell (MPLS dựa trên ATM), sẽ không làm mất đi tính tổng quát nếu ta phân tích việc xử lý nhãn ở chế độ dùng Frame

2.4.1 Quá trình hình thành cơ sở dữ liệu:

Quá trình xác định, thiết lập, phân phối và gán nhãn trong mạng MPLS có thể chia làm các bước sau:

 Bước 1: các router trao đổi thông tin định tuyến với nhau thông qua giao thức

IGP như OSPF, IS-IS, EIGRP

 Bước 2: Tại mỗi LSR tương ứng với mỗi địa chỉ đích nhận được sẽ phát sinh

một nhãn “local”, và nhãn này được lưu trữ trong LIB (label information base) Bảng LIB dùng làm cơ sở dữ liệu trong phương thức phân phối nhãn,

do đó bảng LIB thuộc thành phần điều khiển (control plane) trong sơ đồ chức năng của một LSR

 Bước 3: Các nhãn local được quảng bá đến các router lân cận, tại đây các

nhãn sẽ được đi kèm với địa chỉ IP cần đến trong bảng FIB và bảng LFIB Dựa vào các bảng này, gói tin sẽ được chuyển đi dựa vào nhãn

 Bước 4: Mỗi LSR (label switch router) xây dựng bảng LIB, FIB, LFIB dựa

trên nhãn mà nó nhận được từ các router kế cận