TÌM HIẾU VỀ CÁC CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG MPLS (QoS-MPLS)

Các gói này được định tuyến qua mạng một cách riêng lẻ, vì vậy hai gói của cùng một đường truyền thông sẽ được quản lý một cách độc lập..  Định tuyến và chuyển mạch chỉ sử dụng LSR Labe

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

TÌM HIỂU VỀ CÁC CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG MPLS

( QoS – MPLS )

Giảng viên hướng dẫn: PGs.Ts PHẠM HỒNG LIÊN

Sinh viện thực hiện: NGUYỄN ĐẮC ANH KHOA

Lớp: 08DD2N

Khóa: 08

TP.Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2009

LỜI CÁM ƠN

Để hoàn thành luận văn, ngoài những nỗ lực không

ngừng của bản thân, người viết đã nhận được sự giúp đỡ

lớn lao từ phía thầy cô, bạn bè và gia đình

Xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý thầy cô thuộc bộ môn Viễn thông-Khoa

Điện-Điện tử-Trường ĐH Tôn Đức Thắng

TP.HCM, những người đã tận tình dạy dỗ,

truyền đạt những kiến thức quý báu Đặc biệt,

tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phạm Hồng

Liên, đã hết lòng hướng dẫn, cung cấp tài liệu

cũng như những lời khuyên hữu ích, giúp đỡ tôi

trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Xin cảm ơn tất cả bạn bè đã chia sẻ những kiến thức và động viên tôi hoàn thành luận văn Cảm ơn gia đình luôn là chỗ dựa tinh thần và là nguồn động lực giúp tôi vượt qua những khó khăn trên con đường tích lũy tri thức

NGUYỄN ĐẮC ANH KHOA

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

AAL Asynchronous Transfer Mode Adaptation Layer

AS Autonomous System

ASIC Application-Specific Integrated Circuit

ATM Asynchronous Transfer Mode

BGP Border Gateway Protocol

CBQ Class Based Queueing

CBR Constant Bit Rate

CBS Committed Burst Size

CDR Committed Data Rate

CQ Custom Queuing

CR Constraint-based Routing

CR-LDP Constraint-based Routing Label Distribution Protocol

CR-LSP Constraint-based Routing Label Switched Path

CSPF Constrained Shortest Path First

Diffserv Differentiated Service

DLCI Data Link Connection Identifier

DSCP Service Code Point

eBGP exterior Border Gateway Protocol

EBS Excess Burst Size

EGP External (Exterior) Gateway Protocol

ER Explicit Route

ERB Explicit Route Information Base

ERO Explicit Route Object

EXP Experimental field

FDDI Fibre Distributed Data Interface

FEC Forwarding Equivalence Class

FIB Forwarding Infomation Base

FIFO First-in First-out

FIS Fault Information Signal

HEC Header Error Control (ATM)

iBGP interior Border Gateway Protocol

IETF Internet Engineering Task Force

IGP Interior Gateway Protocol

ILM I ncoming Label Map

IP Internet Protocol

ISDN Intergrated Service Digital Network

IS-IS Intermediate System - to - Intermediate System

IS-IS TE IS-IS with Traffic Engineering

LC-ATM Label Controlled ATM Interface

LDP Label Distribution Protocol

LER Label Edge Router

LFIB Label Forwarding Information Base

LIB Label Information Base

LIFO Last-in First-out

LSA Link State Advertisements

LSP Label Switched Path

LSR Label Switching Router

MNS MPLS module for Network Simulator

MPLS MultiProtocol Label Switching

MPLSCP MPLS Control Protocol

MPLS-TE MPLS Traffic Engineering

MPOA Multiprotocol over ATM

MSC Mobile Switching Centre

MTU Maximum Transfer Unit

NAM Network Animator

NGN Next Generation Network

NHLFE Next Hop Label Forwarding Entry

NHRP Next Hop Resolution Protocol

NLRI Network Layer Reachability Information

NS Network Simulator

OSI Open System Interconnection

OSPF Open Shortest Path First

PDR Peak Data Rate

PDU Protocol Data Unit

PHP Penultimate Hop Popping

POR Point of Repair

PPP Point to Point Protocol

PQ Priority Queuing

PSL Path Switch LSR

PTI Payload Type Identifier (ATM)

PVC Permanent Virtual Connection

QoS Quality of Service

RED Random Early Detection (Discard)

RFC Transmission Control Protocol

RIB Routing Information Base

RNT Reverse Notification Tree

RSVP Resource reSerVation Protocol

RSVP-TE RSVP with Traffic Engineering

SDH Synchronous Digital Hierarchy

SLA Service Level Agreement

SONET Synchronous Optical Network

SPF Shortest Path First

TCP Transmission Control Protocol

TE Traffic Engneering

TLV Type-Length-Value

ToS Type of Service

TTL Time To Liv

UBR Unspecified Bit Rate

UDP User Datagram Protocol

VC Virtual Circuit

VCI Virtual Circuit Identifier

VPI Virtual Path Identifier

VPN Virtual Private Network

WFQ Weighted Fair Queuing

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

truyền vật lý thông qua kỹ thuật gọi là chuyển mạch mạch Điều này thích hợp cho việc truyền tín hiệu thoại hoặc dữ liệu thời gian thực từ một nơi gửi đến nơi nhận Đối với loại đường truyền này, chỉ cần xảy ra lỗi trên một đuờng truyền vật lý nào

đó cũng sẽ dẫn đến những hậu quả khôn lường, làm gián đoạn tất cả các truyền thông có sử dụng đường truyền bị lỗi Ngày nay, Internet là một mạng chuyển mạch gói đã giải quyết hạn chế trên bằng cách chia nhỏ dữ liệu thành những gói tin Các gói này được định tuyến qua mạng một cách riêng lẻ, vì vậy hai gói của cùng một đường truyền thông sẽ được quản lý một cách độc lập Do đó, nếu một đường truyền bị lỗi, các gói tin có thể được tái định tuyến để tránh đường truyền lỗi và truyền thông không bị gián đoạn Việc quản lý luồng dữ liệu trong một mạng chuyển mạch gói sẽ khó hơn trong mạng chuyển mạch mạch bởi vì mỗi gói được quản lý độc lập nhau

Người ta đã tiến hành nhiều nghiên cứu về chất lượng dịch vụ (QoS) nhằm đưa

ra các độ ưu tiên về lưu lượng trong một mạng Vấn đề ở đây, không phải tất cả các lưu lượng trong một mạng đều cần được xử lý giống nhau Một số lưu lượng có thể cần độ trễ ít hơn, trong khi các lưu lượng khác lại yêu cầu băng thông nhiều hơn Bằng cách phân loại lưu lượng thành những lớp phân biệt, các lớp lưu lượng này có thể được xử lý khác nhau bởi các bộ định tuyến

Đề tài sẽ đánh giá một số mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS), chính là một trong những yếu tố quan trọng nhất để thúc đẩy MPLS Nó luôn là một vấn đề lớn đối với kỹ thuật định tuyến, không chỉ trong mạng MPLS mà MPLS còn giải quyết bài toán QoS tương tự như mô hình phân biệt dịch vụ (Differserv) trong IP, bằng cách hỗ trợ chất lượng dịch vụ trên cơ sở phân loại các luồng lưu lượng tại biên mạng Các tham số ràng buộc về QoS của kết nối thường được đánh giá qua mức độ đảm bảo băng thông tối thiểu, độ trễ / trượt và tỉ lệ mất thông tin Mục tiêu

cơ bản của kỹ thuật định tuyến QoS là tìm ra một đường có khả năng đảm bảo các điều kiện ràng buộc của đấu nối và thậm chí để loại bỏ một số đấu nối

1.2 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

1.2.1 Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu chính của đề tài là đưa ra và đánh giá một số giải pháp cho việc đảm bảo chất lượng dịch vụ trong một mạng MPLS khi truyền tải các gói tin

1.2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đề tài tập trung nghiên cứu xây dựng các mô hình quản lý chất lượng mạng, đồng thời cũng nghiên cứu một chiến lược được đề xuất, đó là khắc phục các nhược điểm hiện thời và nâng cao khả năng tiềm ẩn của công nghệ MPLS đang được áp dụng vào mạng đường trục tại Việt Nam

Qua thực nghiệm mô phỏng dựa trên phần mềm GNS-3 (Graphical Network Simmulator) và phần mềm giám sát lưu lượng luồng NetFlow sẽ rút ra những nhận xét và đánh giá ưu khuyết của chất lượng dịch vụ

1.3 BỐ CỤC CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài gồm các phần chính sau:

Chương 1: Giới thiệu đề tài

Chương này trình bày tổng quan, mục đích và yêu cầu của các phần được nghiên cứu trong luận văn

Chương 2: Sơ lược về các công nghệ X.25, Frame Relay,TCP/IP và ATM

Giới thiệu sơ lược về các công nghệ X.25, FR, TCP/IP, ATM, để nhận ra nhược điểm và lấy đó làm tiền đề phát triển cho MPLS

Chương 3: Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS

Giới thiệu tổng quan công nghệ MPLS, các khái niệm cơ bản, kiến trúc chức năng và cơ chế hoạt động của MPLS

Chương 4: Tổng quan về quản lý chất lượng dịch vụ QoS

Cải thiện hiệu năng định tuyến luôn là một bài toán được quan tâm hàng đầu trong mạng Phần này giới thiệu một số hướng tiếp cận nhằm cải thiện hiệu năng định tuyến QoS

Chương 5: QoS trên MPLS

Chất lượng dịch vụ (QoS) chính là một trong những yếu tố quan trọng nhất

để thúc đẩy MPLS và nó luôn là một vấn đề lớn đối với kỹ thuật định tuyến không

chỉ trong mạng MPLS Phần này phân tích MPLS đã giải quyết bài toán QoS như thế nào

Chương 6: Thiết kế và Thực hành QoS trên MPLS cho mang TuT

Thiết kế một mô hình mạng thực tế và áp dụng QoS để cải thiện chất lượng cho mạng này

Chương 7: Triển khai MPLS trên cơ sở hạ tầng Việt Nam

1.4 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI

Hiện nay, công nghệ MPLS đã được triển khai tại nhiều nước trên thế giới vì những ưu điểm vượt bậc của nó Tuy nhiên vấn đề lỗi mạng là không thể tránh khỏi đối với bất kỳ một loại hình mạng hay một công nghệ mạng nào

Chúng ta xem xét về việc xây dựng các giao thức mới để hỗ trợ QoS trên nền IP cũ để đưa ra các giải pháp cung cấp QoS cho lớp mạng lõi

Mạng có trạng thái lưu trạng thái của mỗi luồng trên rouer ở cả router biên

và lõi Trong mạng lõi, việc router sử dụng thông tin về luồng sẽ cung cấp dịch vụ tốt hơn và hiệu quả hơn Tuy nhiên phương pháp này gặp khó khăn khi số lượng luồng lớn Việc xử lý để báo hiệu thiết lập một tuyến đường rất phức tạp nhất là thao tác phân loại gói

Ở khía cạnh khác, mạng không trạng thái lưu thông tin của một luồng tại biên mạng nhưng không có tại lõi Mỗi router biên phân phối mỗi luồng cho một hoặc một tập các luồng và router biên chỉ việc phân biệt giữa các tập đó Với mạng không trạng thái, mạng không cung cấp dịch vụ tốt nhất như trong mạng lưu trạng thái nhưng nó đơn giản và linh động hơn Giao thức báo hiệu không cần sử dụng và

cơ chế phân loại đơn giản

Để giải quyết mâu thuẫn trên, giải pháp trung hòa được đưa ra, MPLS tận dụng những ưu điểm của cả hai giải pháp để đưa ra giải pháp tốt hơn cho vấn đề đảm bảo QoS cho lớp mạng lõi Một khuynh hướng mới được đưa ra là việc phát triển các router thế hệ mới hỗ trợ QoS dựa vào việc quản lý thông tin của từng luồng dữ liệu

sự ra đời của MPLS

2.1 Mạng truyền số liệu chuyển mạch gói X.25

Telephone và Telegraph) công bố đầu tiên và được đặc biệt chú ý Mục đích của X.25 là cung cấp một số giải pháp cho vô số các giao thức riêng mà các hãng đặt ra Telnet ở Mỹ là một trong những mạng chuyển mạch gói đầu tiên ứng dụng X.25 đã nhanh chóng phát triển từ mạng truyền số liệu riêng thành một mạng toàn cầu

2.1.1 Đặc điểm của X.25 :

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 trong kênh truyền dẫn)

- Ghép kênh các mạch ảo được thực hiện ở lớp 3 – lớp network

- Cả hai lớp 2 và 3 đều có cơ chế điều khiển luồng (flow control) và điều khiển lõi

(error control)

2.2 Frame Relay

thống thiết bị đầu cuối cũng như trên mạng chuyển mạch gói

2.2.1 Các đặc điểm của FR khác với X.25:

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 được thực hiện tại lớp 2 để giảm bớt 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 lõi đầu cuối đến đầu cuối ( end-to-end flow control and error control) là trách nhiệm của các lớp cao

2.2.2 Ưu và nhược điểm của FR:

Ưu điểm của FR là đã tổ chức tốt hơn các quá trình truyền thông Các hoạt động

về giao thức đòi hỏi ở giao diện người sử dụng – mạng được giảm bớt Kết quả là

độ trễ nhỏ, lượng tải đưa vào mạng trong một đơn vị thời gian có thể đạt như mong muốn (có thể dùng ở tốc độ truy xuất là 2Mbps)

Nhược điểm chính của FR so với X.25 là mất đi khả năng điều khiển luồng, điều

khiển liên kết vật lý đến vật lý (link-by-link) FR không cung cấp điều khiển luồng, điều khiển lõi đầu cuối tới đầu cuối, tuy nhiên chức năng này dễ dàng được cung cấp ở các lớp cao

2.3 Mô hình TCP/IP:

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

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:

Ứng dụng và dịch vụ

Úng dụng Trình diễn Phiên

2.3.1.1 Phương thức truyền dữ liệu trong mạng IP:

Dữ liệu trong mạng IP không được truyền liên tục mà được phân thành các gói, hay còn gọi là các datagram Mỗi datagram có hai phần chính là header và data Header chứa địa chỉ nguồn, đích và các thông số khác để giúp cho packet đi đến đích Các thông số còn lại giúp hạn chế lỗi xảy ra khi packet đi đến đích như thời gian sống (time to live), kiểm tra lỗi (checksum), cờ báo, độ dài tổng cộng của của datagram…

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 vẫn gồm hai thành 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

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 , với 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)

Hình 2.3 - Định tuyến IP

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

2.3.2 Các nhược điểm của TCP/IP:

thường chậm hơn trong switch Quá trình định tuyến được thực hiện trên tất cả các router mà nó đi qua

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

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

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

2.4 Mô hình 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

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

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 2.4 Định dạng tế bào ATM

2.4.1.2 Các thiết bị trong mạng ATM

Mạng ATM gồm có hai thiết bị chính là ATM switch 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

2.4.1.3 Các dịch vụ trong mạng ATM:

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

2.4.2 Các nhược điểm của ATM:

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 định tuyến 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

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 2.5 - 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 gọi 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:

Hình 2.6 - Lớp MPLS trong mô hình OSI

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

hình OSI và các router phải được cài đặt các phần mềm để có thể hiểu được MPLS

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 3:

TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN MẠCH NHÃN

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

3.1 SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN MPLS.

3.1.1 Các động lực ra đời của MPLS

- Điểm thành công của Internet ở chỗ các công nghệ của Internet được triển khai

và phát triển theo nhu cầu của thị trường Internet không đưa ra các tiêu chuẩn

theo kiểu Recommendation như của ITU-T mà đưa ra các RFC (Request For

Comments) với mục đích công bố các giải pháp công nghệ đã đạt được và thu thập những đóng góp thêm nhằm hoàn thiện, phát triển sản phẩm đó chứ không bắt buộc phải tuân thủ

Khi mạng Internet phát triển và mở rộng, lưu lượng Internet bùng nổ Các ISP

xử lý bằng cách tăng dung lượng các kết nối và nâng cấp router nhưng vẫn không tránh khỏi nghẽn mạch Lý do là các giao thức định tuyến thường hướng lưu lượng vào cùng một số các kết nối nhất định dẫn đến kết nối này bị quá tải trong khi một số tài nguyên khác không được sử dụng Đây là tình

trạng phân bố tải không đồng đều và sử dụng lãng phí tài nguyên mạng Internet

Vào thập niên 90, các ISP phát triển mạng của họ theo mô hình chồng lớp

(overlay) bằng cách đưa ra giao thức IP over ATM

 ATM là công nghệ connection-oriented, thiết lập các kênh ảo (Virtual Circuit), tuyến ảo (Virtual Path) tạo thành một mạng logic nằm trên mạng vật lý giúp định tuyến, phân bố tải đồng đều trên toàn mạng

 Tuy nhiên, IP và ATM là hai công nghệ hoàn toàn khác nhau, được thiết

kế cho những môi trường mạng khác nhau, 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 over ATM, họ càng nhận

rọ 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 các 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 chuyển tải lớn, hỗ trợ các giải pháp tích hợp, chuyển mạch đa lớp cho mạng trục Internet

Nhu cầu cấp thiết trong bối cảnh này là phải ra đời một công nghệ lai có khả năng kết hợp những đặc điểm tốt của chuyển mạch kênh ATM và chuyển mạch gói IP

- Công nghệ MPLS ra đời trong bối cảnh này đáp ứng được nhu cầu của thị

trường đúng theo tiêu chí phát triển của Internet đã mang lại những lợi ích thiết

thực, đánh dấu một bước phát triển mới của mạng Internet trước xu thế tích hợp công nghệ thông tin và viễn thông (ICT-Information Communication Technology)

trong thời kỳ mới

3.1.2 Lịch sử phát triển của MPLS

thông tin trong triển lãm về công nghệ thông tin - viễn thông tại Texas Sau đó Cisco và hàng loạt hãng khác như IBM, Toshiba v.v…công bố các sản phẩm công nghệ chuyển mạch của họ dưới những tên khác nhau nhưng đều cùng chung bản chất công nghệ chuyển mạch nhãn

Thiết bị định tuyến chuyển mạch tế bào của Toshiba năm 1994 là tổng đài ATM đầu tiên được điều khiển bằng giao thức IP thay cho báo hiệu ATM Tổng đài của Ipsilon cũng là ma trận chuyển mạch ATM được điều khiển bởi khối xử lý sử dụng công nghệ IP Công nghệ chuyển mạch thẻ của Cisco cũng tương tự nhưng có

bổ xung thêm một vài kỹ thuật như lớp chuyển tiếp tương đương FEC, giao thức phân phối nhãn Đến năm 1998 nhóm nghiên cứu IETF đã tiến hành các công việc

để đưa ra tiêu chuẩn và khái niệm về chuyển mạch nhãn đa giao thức

Khái niệm chuyển mạch nhãn xuất phát từ hai khái niệm: Tổng đài chuyển mạch và bộ định tuyến

MPLS thực hiện một số chức năng sau:

 Hỗ trợ các giải pháp mạng riêng ảo VPN

 Định tuyến hiện (điều khiển lưu lượng)

 Hỗ trợ cục bộ cho định tuyến IP trong các tổng đài chuyển mạch ATM

lượng tổng đài chuyển mạch sẽ tốt hơn bộ định tuyến Song bộ định tuyến lại có khả năng định tuyến mềm dẻo mà tổng đài chuyển mạch không có được Do đó, chuyển mạch nhãn ra đời là sự kết hợp và kế thừa các ưu điểm trên cũng như khắc phục những nhược điểm của cả tổng đài và bộ định tuyến truyền thống

3.2 TỔNG QUAN CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC (MPLS)

3.2.1 So sánh giữa chuyển mạch trong mạng IP truyền thống và mạng MPLS:

3.2.1.1 Chuyển mạch trong mạng IP:

Hình 3.1 Chuyển mạch trong mạng IP

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 về 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

3.2.1.2 Chuyển mạch trong mạng MPLS:

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

Bảng định tuyến

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:

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 thể nhãn L2 bằng nhãn L1 và gửi gói đến R1

Hình 3.2 Chuyển mạch trong mạng MPLS

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

Nguyên lý của MPLS là tất cả các gói IP sẽ được gắn nhãn (label) và chuyển tiếp

theo một đường dẫn LSP (Label Switched Path) Các router trên đường dẫn chỉ căn

cứ vào nội dung của nhãn để thực hiện quyết định chuyển tiếp gói mà không cần phải kiểm tra header IP

Hình 3.3 - So sánh giữa chuyển tiếp IP và chuyển tiếp MPLS

3.2.1.3 Tính thông minh phân tán của MPLS

lõi (core) 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 (edge), ví dụ như các tổng đài nội hạt, truy nhập…

mạng Tất cả các router đều phải làm hai nhiệm vụ là định tuyến và chuyển mạch Đây là ưu điểm nhưng cũng là nhược điểm của IP

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 (label) cho gói Còn các router ở mạng lõi chỉ tập trung làm nhiệm vụ chuyển tiếp gói với tốc độ cao dựa vào nhãn Tính thông minh được đẩy

ra ngoài biên là một trong những ưu điểm lớn nhất của MPLS

3.2.2 Các khái niệm cơ bản trong MPLS

3.2.2.1 Miền MPLS (MPLS domain)

RFC 3031 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 (core) và phần mạng

biên (edge) 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 LSR (thường được gọi tắt là LSR) Các nút ở biên được gọi là router biên nhãn LER (Label Edge Router)

core-3.2.2.2 Router chuyển mạch nhãn MPLS (MPLS LSR):

đổi nhãn đó với một nhãn của nó và gửi gói đi tới interface router tương ứng LSR, dựa trên vị trí của nó trong miền MPLS để thực hiện chức năng gắn nhãn, bóc nhãn hoặc hoán đổi nhãn LSR cũng dựa vào vị trí để gắn hoặc tách chồng nhãn Và trong suốt quá trình hoán đổi nhãn, chỉ có nhãn trên cùng của chồng nhãn được thay thế, các nhãn khác không bị ảnh hưởng

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

Một LSR ở biên của một miền MPLS gọi là E-LSR, nó sẽ gắn nhãn khi gói tin 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 đã chỉ rõ E-LSR, LSR trong miền MPLS:

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

Hình 3.6 - Upstream và download LSR

Nếu một LER là nút đầu tiên trên đường đi của một gói xuyên qua miền

MPLS thì nó được gọi là LER ngõ vào (ingress-LER), còn nếu là nút cuối cùng thì

nó được gọi là LER ngõ ra (egress-LER) Lưu ý là các thuật ngữ này được áp dụng

tùy theo chiều của luồng lưu lượng trong mạng, do vậy một LER có thể là LER vừa là egress-LER tùy theo các luồng lưu lượng đang xét

Thuật ngữ upstream-LSR và downstream-LSR cũng được dùng, phụ thuộc vào chiều của luồng lưu lượng Các tài liệu MPLS thường dùng ký hiệu Ru để biểu thị cho upstream-LSR và dùng ký hiệu Rd để biểu thị cho downstream-LSR

3.2.2.5 Lớp chuyển tiếp tương đương (FEC)

Lớp chuyển tiếp tương đương FEC (Forwarding Equivalence Class) được

định nghĩa bởi RFC 3031 như sau: “Là một nhóm các gói tin IP được chuyển tiếp theo cùng cách thức (nghĩa là trên cùng một đường với cùng việc xử lý chuyển

tiếp)” Như vậy, FEC là một nhóm các gói IP được chuyển tiếp trên cùng một

đường chuyển mạch nhãn LSP, được đối xử theo cùng một cách thức và có thể ánh

xạ vào một nhãn bởi một LSR cho dù chúng có thể khác nhau về thông tin header lớp mạng Hình dưới cho thấy cách xử lý này

Trong MPLS, việc gán một gói tin đặc biệt cho một FEC đặc biệt được thực hiện chỉ một lần khi gói tin đó đi vào mạng qua LSP ngõ vào Đây là sự khác nhau chủ yếu đối với việc định tuyến IP truyền thống ở đó phần đầu gói được phân tích khi đi qua mỗi nút mạng

3.2.2.6 Đường chuyển mạch nhãn (LSP)

Khi một gói IP đi ngang qua một mạng MPLS, nó theo sau một đường đi đã được quyết định trước tùy thuộc lớp FEC trong đó nó được chỉ định bởi LSP ngõ vào Đường đi mà gói tin tuân theo khi đi qua mạng MPLS được gọi là đường

chuyển mạch nhãn LSP (Label Switched Path)

Hình 3.8 - Đường chuyển mạch nhãn LSP

Các LSP đều là đơn hướng cho nên để xây dựng đường truyền song công cần

có hai LSP 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

Khi các gói tin lớp 3 đi vào LSR ngõ vào, chúng được phân lớp thành một FEC FEC đóng vai trò như một bộ lọc mà định nghĩa gói IP nào được chuyển tiếp trên các LSP đặc biệt Một LSP có thể tải hơn một FEC

FEC cho phép một gói tin chỉ được gắn một lần tại LSR ngõ vào khi gói tin

đi vào khu vực mạng MPLS Sau khi gói được gán cho một FEC, một MPLS header được chèn vào gói và gói tin này được chuyển đến địa chỉ kế tiếp Các LSR trung gian không cần phân tích thông tin header khác trong gói tin ngoại trừ phần u MPLS header để quyết định chuyển tiếp gói Gói tin được chuyển tiếp một cách đơn

lẻ dựa trên thông tin trong phần MPLS header

Có ba tác vụ cơ bản có thể áp dụng đối với gói tin:

 Đẩy vào ngăn xếp nhãn

 Hoán đổi nhãn trên cùng với một nhãn mới

 Lấy ra khỏi ngăn xếp nhãn

Kiến trúc MPLS cho phép phân cấp các LSP, tương tự như ATM sử dụng VPI và VCI để tạo ra phân cấp kênh ảo (VC) nằm trong đường ảo (VP) Tuy nhiên

ATM chỉ có thể hỗ trợ 2 mức phân cấp, trong khi với MPLS thì số mức phân cấp cho phép rất lớn nhờ khả năng chứa được nhiều entry nhãn trong stack nhãn Về lý

thuyết, giới hạn số lượng nhãn trong stack phụ thuộc giá trị MTU (Maximum

Transfer Unit) của các giao thức lớp liên kết được dùng dọc theo một LSP

3.2.2.7 Nhãn (Label)

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 đâu 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

3.2.2.8 Stack nhãn

Một gói lại có thể được “dán chồng” nhiều nhãn, các nhãn này chứa trong

một nơi gọi là stack nhãn (label stack) Stack nhãn là một tập hợp gồm một hoặc nhiều entry nhãn tổ chức theo nguyên tắc LIFO (Last-In, First-Out) Tại mỗi hop

việc xử lý nhãn chỉ thực hiện trên đỉnh stack Chính nhãn này sẽ được LSR sử dụng

để chuyển tiếp gói

Hình 3.10 - Stack nhãn

với một số thông tin cộng thêm để phụ trợ trong quá trình chuyển tiếp gói để hình thành một entry nhãn Hình sau minh họa định dạng một entry nhãn trong stack nhãn

Hình 3.11 - Định dạng một entry trong stack nhãn MPLS

Ngăn xếp nhãn là một tập các nhãn, trong đó phân chia ra 3 loại nhãn: nhãn

đầu, giữa và nhãn cuối ngăn xếp

Hình 3.12 – Cấu trúc một ngăn xếp nhãn

Protocol ID (PID) là thành phần xác định dữ liệu (payload) có kèm một hay nhiều nhãn và theo sau các nhãn này là IP header

và nhãn cuối (Bottom) Thứ tự của các nhãn này được xác định bởi bit S trong các nhãn trên 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 1) và mức d sẽ ở đỉnh của stack Một entry nhãn có thể được đặt thêm vào (push) hoặc lấy ra (pop) khỏi stack

(top label), các nhãn sau do các router kế tiếp xử lý

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

3.2.2.9 Hoán đổi nhãn (Label Swapping)

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 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 xác định FEC rồi sử dụng ánh xạ FTN (FEC-to-NHLFE) để ánh xạ FEC vào một NHLFE

3.2.2.10 Minh họa việc chuyển gói qua miền MPLS

MPLS.Gói tin IP khi đi từ ngoài mạng vào trong miền MPLS được router A đóng vai trò là một ingress-LER sẽ gán nhãn có giá trị là 6 cho gói IP rồi chuyển tiếp đến router B Router B dựa vào bảng hoán đổi nhãn để kiểm tra nhãn của gói tin Nó thay giá trị nhãn mới là 3 và chuyển tiếp đến router C Tại C, việc kiểm tra cũng tương tự như ở B và sẽ hoán đổi nhãn, gán cho gói tin một nhãn mới là 9 và tiếp tục được đưa đến router D

Hình 3.13 - Gói IP đi qua mạng MPLS

Router D đóng vai trò egress-LER sẽ kiểm tra trong bảng hoán đổi nhãn và

gỡ bỏ nhãn 9 ra khỏi gói tin rồi định tuyến gói IP một cách bình thường đi ra khỏi miền MPLS Với kiểu làm việc này thì các LSR trung gian như router B và C sẽ không phải thực hiện kiểm tra toàn bộ header IP của gói tin mà nó chỉ việc kiểm tra các giá trị của nhãn, so sánh trong bảng và chuyển tiếp Vì vậy tốc độ xử lý trong miền MPLS sẽ nhanh hơn nhiều so với định tuyến IP truyền thống Đường đi từ router A đến router D được gọi là đường chuyển mạch nhãn LSP

3.2.3 Các giao thức báo hiệu trong MPLS

Tại sao MPLS cần giao thức báo hiệu, trong khi các router IP cổ điển chỉ cần

định tuyến IP? Một lý do quan trọng phải dùng giao thức báo hiệu MPLS kết 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

quan Đối với mạng MPLS, kiểu thông tin trao đổi giữa các bộ định tuyến phụ thuộc vào giao thức báo hiệu được sử dụng Tại mức nền, các nhãn phải được phân phối đến các bộ định tuyến để chuyển tiếp dữ liệu cho một FEC (Forward Equivalence Class) và các LSP (Label Switch Path) được tạo

Có bốn phương pháp được sử dụng cho việc phân phối nhãn:

 Giao thức phân phối nhãn LDP

 Định tuyến bắt buộc với LDP (CR-LDP)

 Sự mở rộng giao thức dành tài nguyên cho MPLS (RSVP-TE)

 Phân phối nhãn với BGP-4

3.2.3.1 Giao thức phân phối nhãn LDP

trong MPLS, không hỗ trợ TE Ngày nay, nó không được dùng nhiều cho việc phân phối nhãn Tuy nhiên, nó được bổ sung và mở rộng chức năng qua giao thức CR-LDP

3.2.3.2 Giao thức phân phối nhãn định tuyến bắt buộc CR-LDP

Đây là giao thức mở rộng của LDP để hỗ trợ cho các LSP được định tuyến dựa trên sự bắt buộc Sự bắt buộc ở đây có nghĩa là trong một mạng và đối với mỗi tập hợp các nút mạng có tồn tại một sự bắt buộc mà phải thỏa mãn cho đường kết nối giữa hai nút được chọn cho các LSP

3.2.3.3 Giao thức RSVP-TE

RSVP-TE là sự mở rộng của RSVP, nó sử dụng cơ chế RSVP để thiết lập các LSP, phân phối nhãn và tiến hành các tác vụ liên quan đến nhãn khác, thỏa mãn

các yêu cầu về kỹ thuật lưu lượng RSVP-TE hỗ trợ cả các LSP được định tuyến chặt và lỏng Khi một đường đi được thiết lập bởi RSVP-TE, nó phải được cập nhật liên tục để giữ phần tài nguyên dành riêng RSVP-TE là một giao thức hướng phía thu, nghĩa là các yêu cầu về dành riêng băng thông được thực hiện bởi đầu cuối phía thu của đường đi RSVP-TE bổ sung một số đối tượng mới so với RSVP, như:

- ERO (Explicit Route Object): đối tượng định tuyến tường minh

- RRO (Record Route Object): ghi nhận mỗi LSP và thứ tự mà mỗi LSR được ghé qua

- Session Attribute Object: định danh các giao tác và mô tả những đặc tính cho LSP

3.2.3.4 Giao thức BGP-4

phối nhãn Nó là một giao thức định tuyến giữa các hệ thống tự trị khác nhau để trao đổi các thông tin định tuyến.Các thông điệp cập nhật trong BGP-4 được sử dụng để phân phối các lộ trình BGP, có thể tải thêm các nhãn MPLS thích hợp mà được ánh tới cùng lộ trình BGP

3.2.4 Thành phần và cấu trúc của MPLS

3.2.4.1 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 cũng có giới hạn 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

3.2.4.2 Kỹ thuật chuyển mạch thông thường:

Quy trình fast switching diễn ra theo những bước sau:

Hình 3.14 - Sự liên kết cơ sở dữ liệu trong chuyển mạch thông thuờng

 Bước 1: Khi thông tin định tuyến của giao thức BGP được cập nhật và được

xử lý trong bảng BGP Nếu lựa chọn được tuyến tốt nhất thì một đường dẫn mới được thêm vào bảng định tuyến

 Bước 2: Khi gói dữ liệu đầu tiên muốn tới đích, router sẽ tìm địa chỉ đích

trong nơi cơ sở dữ liệu chứa thông tin chuyển mạch nhanh (fast switching cache) Vì địa chỉ đích không có trong fast switching cache, một quá trình xử

lý phải được thực hiện để chuyển gói tin đi Quá trình này được thực hiện một cách đệ quy thông qua các interface Trong ví dụ trên nếu địa chỉ 10.0.0.0/8 không tìm thấy trong bộ nhớ lưu trữ cache, tín hiệu ARP sẽ được gửi đi trong mạng nội bộ của interface tương ứng để tìm địa chỉ MAC Trong trường hợp này, muốn tới mạng 10.0.0.0/8 địa chỉ hop kế phải tới là 1.2.3.4/24, và để tới được mạng 1.2.3.0/24 thì phải chuyển gói qua interface E0

 Bước 3: tất cả các gói tiếp theo tới cùng một đích sẽ sử dụng chuyển mạch

nhanh dựa vào Switching cache gồm địa chỉ mạng layer2 header tương ứng Một phần cấu tạo của layer2 header gồm địa chỉ của interface cần đến 1.5.4.1

và địa chỉ MAC của nó

Khi một router cần chuyển mạch nhanh nhưng địa chỉ đích không có trong switching cache thì quá trình định tuyến cho gói tin đó diễn ra bình thường nhằm thiết lập bảng switching cache để các gói sau đó dựa vào để thực hiện chuyển mạch nhanh

3.2.4.3 Kỹ thuật chuyển mạch CEF:

Hình 3.14 - Sự liên kết cơ sở dữ liệu trong chuyển mạch CEF

bảng FIB Bất cứ sự thay đổi nào xảy ra trong bảng định tuyến đều được cập nhật trực tiếp đến bảng FIB

Nếu một router nhận được một gói tin được yêu cầu chuyển tới đích bằng phương thức chuyển mạch CEF nhưng desIP không có trong FIB, gói tin đó sẽ bị loại

Bảng FIB khác với bảng chuyển mạch nhanh (fast switching) ở chỗ nó không trực tiếp chứa địa chỉ interface kế và địa chỉ MAC, thay vào đó những thông số này

sẽ được lưu trữ trong một bảng riêng biệt gọi là bảng “kế cận”(Adjacency Table) Bảng này gần giống với ARP cache nhưng thay vì chứa địa chỉ MAC, nó chứa MAC Header

Adjacency pointer trong bảng FIB là một con trỏ tham chiếu trực tiếp đến cơ

sở dữ liệu của bảng định tuyến IP, Adjacency table và ARP cache Nếu có sự thay đổi về cơ sở dữ liệu trong các bảng trên thì FIB cũng sẽ lập tức thay đổi.Chính nhờ

kỹ thuật CEF mà cấu trúc của một router MPLS được phân thành hai phần là mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu mà ta sẽ xét ngay sau đây

3.2.4.4 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

Hình 3.15 - Mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu

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

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

Với bảng RIB 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 3.16 - 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

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

3.2.5 Các chế độ đóng gói nhãn 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 MPLS trên nền hệ thống mạng cũ Do đó các cấu trúc của frame hay cell dùng trong 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

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

số VPI/VCI làm nhãn cho mình

3.2.5.1 Chế độ Frame

Hình 3.17 - Nhãn trong chế độ dùng Frame

Khi một router cạnh (edge router) là router tiếp giáp giữa MPLS và mạng ngoài, nhận một gói tin IP gồm thành phần frame header, edge router sẽ xử lý theo các bước sau:

 Xác định interface ngõ ra để tới hop kế

 Các kỹ 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 Đỉnh stack nằm liền sau header lớp 2 và đáy stack nằm liền trước header lớp mạng

 Edge router sẽ chuyển gói tin đến hop kế

3.2.5.2 Chế độ Cell

Hình 3.18 - 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

 GFC (Generic Flow Control): Điều khiển luồng chung

 VPI (Virtual Path Identifier): Nhận dạng đường ảo

 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

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

trong mạng MPLS là các router cạnh (edge router) và các router chuyển mạch nhãn (label switch router)

Hình 3.19 - Việc gán nhãn khi qua LSR và LER

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

3.2.6.1 Thành phần và chức năng của một LSR:

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 3.20 - Hoạt động của LSR trong mạng MPLS

trong toàn mạng MPLS

3.2.6.2 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:

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

Hình 3.21 - Hoạt động của LER trong mạng MPLS

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 bảng FIB, bảng LFIB chưa được giao thức LDP cập nhật

 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

3.2.7 Hoạt động của mạng 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

Hình 3.22 – Hoạt động của MPLS

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

3.2.7.1 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, 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

3.2.7.1.1 Quá trình hình thành bảng định tuyến:

Mô hình sau mô tả các router hình thành bảng định tuyến thông qua các giao thức định tuyến IP như: OSPF, EIGRP, IS-IS, BGP v.v…

Hình 3.23 - Xây dựng bảng định tuyến

Trong quá trình hình thành bảng định tuyến, việc xác định bảng định tuyến là bước đầu tiên khi bảng định tuyến đã hình thành, tại mỗi router, một desIP sẽ tương ứng với một interface mà qua đó nó sẽ tới được hop kế Nếu gói tin IP đi vào mạng MPLS tại thời điểm này, thì gói tin sẽ được chuyển đi dựa vào bảng định tuyến như trong mô hình định tuyến IP

3.2.7.1.2 Gán nhãn Local cho DesIP tương ứng:

Sau khi thiết lập xong bảng định tuyến IP, các LSR sẽ gắn nhãn local cho các desIP tương ứng Việc gắn nhãn giữa các LSR là hoàn toàn độc lập nhau

Mặc dù có thể có nhiều LSR cùng phát sinh nhãn local cùng lúc nhưng việc này xảy ra độc lập, tức là có thể có nhiều LSR cùng ghép chung một desIP với một nhãn local Tuy nhiên trong cùng một LSR thì sự ràng buộc này là duy nhất tức một desIP chỉ tương ứng với một nhãn local

Hình 3.24 - Gán nhãn local cho desIP tương ứng

3.2.7.1.3 Thiết lập bảng LIB và LFIB:

được lưu trữ trong 2 bảng: LIB và LFIB

 Bảng LIB dùng để gán tương ứng một desIP (địa chỉ mạng cần đến ) với một nhãn local do LSR đó phát sinh trong ví dụ này là nhãn 25

 Bảng LFIB chứa nhãn local, nhãn remote nhận từ phía router kế trên đường