điều khiển lưu lượng trong chuyển mạch nhãn đa giao thức mpls

Công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS là kết quả phát triển củanhiều công nghệ chuyển mạch IP sử dụng cơ chế hoán đổi nhãn như của ATM đểtăng tốc độ truyền gói tin mà không cần th

Bé GI¸O DôC Vµ §µO T¹O TR¦êNG §¹I HäC B¸CH KHOA Hµ NéI



TRÇN PH¦¥NG NHUNG

M¹NG CHUYÓN M¹CH NH·N §A GIAO THøC MPLS

Vµ øNG DôNG T¹I VIÖT NAM

CHUY£N NGµNH : Kü THUËT §IÖN Tö

Ngêi híng dÉn:

ts NGUYÔN Vò S¥N

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là : Trần Phương Nhung

Sinh ngày: 04/01/1986

Học viên cao học khóa 2011-2013

Tôi xin cam đoan, toàn bộ kiến thức và nội dung trong bài luận văn của mình

là các kiến thức tự nghiên cứu từ các tài liệu tham khảo trong và ngoài nước, không

có sự sao chép hay vay mượn dưới bất kỳ hình thức nào để hoàn thành bản luậnvăn tốt nghiệp cao học chuyên ngành Điện tử Viễn thông Tôi xin chịu hoàn toàntrách nhiệm về nội dung của luận văn này trước Trung tâm Đào tạo và Bồi dưỡngsau Đại học – Trường Đại học Bách khoa Hà nội

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

THUẬT NGỮ VÀ VIẾT TẮT

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN MẠCH NHÃN MPLS 3

1.1 Giới thiệu MPLS 3

1.2 Phương thức hoạt động: 4

1.3 Các khái niệm cơ bản trong MPLS 5

1.4 Cấu trúc mạng và phương thức hoạt động 7

1.4.1 Cấu trúc nút của MPLS 7

1.4.2 Cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn (LFIB) 10

1.5 Thuật toán chuyển tiếp nhãn (Label Forwarding Algorithm) 11

1.5.1 Hoạt động chuyển tiếp của MPLS 11

1.5.2 Module điều khiển trong MPLS 13

1.6.1 Giao Thức TDP 14

1.6.2 Giao Thức LDP 15

1.6.3 Sự duy trì nhãn MPLS 15

1.6.4 Routing với nhãn 16

1.7 Các loại nhãn ra đặc biệt 203

1.8 Kết Luận Chương 21

CHƯƠNG 2: VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG VÀ BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG TRONG MPLS 22

2.1 Giới thiệu chung 22

2.2 Quản lý lưu lượng trong MPLS 24

2.2.1 Khái niệm trung kế lưu lượng MPLS 24

2.2.2 Hoạt động cơ bản của các trung kế lưu lượng 25

2.3 Bài toán điều khiển lưu lượng trong MPLS 26

2.3.1 Đặt vấn đề 26

2.3.2 Một số kĩ thuật điều khiển lưu lượng trong MPLS 34

2.4 Kết luận chương 40

CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT LƯU LƯỢNG VỚI MPLS TE 41

3.1 Tổng quan về Kỹ thuật MPLS TE 41

3.2 Bài toán minh họa 41

3.3 Thiết lập đường truyền thiết kế lưu lượng sử dụng MPLS-TE 43

3.3.1 Thuộc tính ưu tiên (priority) và sự chiếm trước (preemption) LSP 43

3.3.2 Phân phối thông tin – IGP mở rộng 43

3.3.3 Tính toán đường truyền – CSPF 44

3.3.4 Thiết lập đường truyền - RSVP mở rộng và điều khiển chấp nhận (admission control) 46

3.4 Sử dụng đường truyền thiết kế lưu lượng 47

3.5 Kết luận chương 50

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MPLS TẠI VIỆT NAM 51

4.1 Tại VNPT 51

4.2 Ứng Dụng MPLS tại tập đoàn Viettel 54

KẾT LUẬN 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

Asynchronous Transfer

BBRAS

BroadBand Remote Access

Data Link Connection

Cơ sở dữ liệu chuyển tiếp trong bộ định tuyến

FTN FEC - to – NHLFE Sắp xếp FEC vào NHLFE

IBM

International Bussiness

ICMP

Internet Control Message

IETF

International Engineering Task Force

Tổ chức tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế cho Internet

ISC

International Softswitch

ISDN

Intergrated Service Digital

ISIS

Intermediate System –

LC-ATM

Label Controlled ATM

LFIB

Label Forwarding

Thiết bị điều khiển truy nhập mức

Next Hop Resolution

NMS

Network Management

OSI

Open Systems

PSTN

Public switch telephone

Các tài liệu về tiêu chuẩn IP do IETF đưa ra

RIP Realtime Internet Protocol Giao thức báo hiệu IP thời gian thựcRSVP

Resource Reservation Protocol

Giao thức giành trước tài nguyên (hỗ trợ QoS)

Thoả thuận mức dịch vụ giữa nhà cung cấp và khác hàng

Simple Network

Synchronous Optical

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1:Cấu trúc mạng MPLS 6

Hình 1.2: Cấu trúc nhãn MPLS 6

Hình 1.3 : Mặt Phẳng điều khiển và chuyển tiếp trong MPLS 7

Hình 1.4: Định dạng tiêu đề của MPLS 9

Hình 1.5 : Cấu trúc nhãn dạng tế bào 9

Hình 1.6 : Cấu trúc bảng LFIB 10

Hình 1.7 : Sơ đồ thuật toán chuyển tiếp nhãn 11

Hình 1.8: Control Plane trong MPLS 12

Hình 1.9: Mạng MPLS 16

Hình 1.10: Nexthop trong MPLS 17

Hình 1.11 :Gán nhãn trong MPLS 17

Hình 1.12 :Quảng bá nhãn trong MPLS 17

Hình 1.13 :Bảng nhãn trong router MPLS 18

Hình 1.14 :LIB và LFIB trong Router MPLS 18

Hình 1.15 :FIB và LFIB trên các router 19

Hình 1.16 : Gán nhãn cho các gói tin đi vào 19

Hình 1.17 :Chuyển tiếp gói tin dựa vào nhãn 20

Hình 1.18 : POP nhãn tại router biên 20

Hình 2.1: So sánh giữa chuyển tiếp MPLS và chuyển tiếp IP 28

Hình 2.2.: Tắc nghẽn gây ra bởi kỹ thuật chon đường ngắn nhất 31

Hình 2.3: Giải pháp cho vấn đề sử dụng kỹ thuật lưu lượng 32

Hình 2.4: Cấu hình bộ đệm 36

Hình 3.1 : Đường đi LSP trong MPLS 42

Hình 3.2: LSP trong MPLS 45

Hình 3.3: Metric của LSP trong MPLS 48

Hình 4.1: Kết nối các văn phòng và trụ sở chính 51

Hình 4.2: Sơ đồ MPLS L2VPN 52

Hình 4.3 : Sơ Đồ MPLS L3VPN 53

Hình 4.4: Sơ đồ kết nối Mạng MPBN 54

Hình 4.5: Chi tiết kết nối mô hình mạng MPBN 54

Hình 4.6: Mô hình kết nối trong mạng IPBN 55

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển của đất nước, ngành công nghiệp viễn thông cũngphát triển không ngừng Số người sử dụng các dịch vụ mạng tăng đáng kể, theo dựđoán con số này đang tăng theo hàm mũ Ngày càng có nhiều các dịch vụ mới vàchất lượng dịch vụ cũng được yêu cầu cao hơn Trước tình hình này, các vấn đề vềmạng bắt đầu bộc lộ, các nhà cung cấp mạng và các nhà cung cấp dịch vụ cũng đã

có nhiều nỗ lực để nâng cấp cũng như xây dựng hạ tầng mạng mới Nhiều côngnghệ mạng đã ra đời nhằm đáp ứng tốt nhất nhu cầu của khách hàng và giải quyếtcác vấn đề nảy sinh Trong số đó chúng ta phải kể đến công nghệ chuyển mạchnhãn đa giao thức MPLS

Công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS là kết quả phát triển củanhiều công nghệ chuyển mạch IP sử dụng cơ chế hoán đổi nhãn như của ATM đểtăng tốc độ truyền gói tin mà không cần thay đổi các giao thức định tuyến của IP.MPLS tách chức năng của bộ định tuyến IP ra làm hai phần riêng biệt: Chức năngchuyển gói tin và chức năng điều khiển Phần chức năng chuyển gói tin, với nhiệm

vụ gửi gói tin giữa các bộ định tuyến IP, sử dụng cơ chế hoán đổi nhãn tương tựnhư của ATM Kĩ thuật hoán đổi nhãn về bản chất là việc tìm nhãn của một gói tintrong một bảng các nhãn để xác định tuyến của gói và nhãn mới của nó Việc nàyđơn giản hơn nhiều so với việc xử lý gói tin theo kiểu thông thường, và do vậy cảithiện khả năng của thiết bị MPLS có thể hoạt động được với các giao thức địnhtuyến Internet khác như OSPF (Open Shortest Path First) và BGP (Border GatewayProtocol) Do MPLS hỗ trợ việc điều khiển lưu lượng và cho phép thiết lập tuyến cốđịnh, nên việc đảm bảo chất lượng dịch vụ của các tuyến là hoàn toàn khả thi Đây

là một tính năng vượt trội của MPLS so với các giao thức định tuyến trước đây.Ngoài ra MPLS còn có cơ chế tái định tuyến lại (fast rerouting)

Bên cạnh độ tin cậy, công nghệ MPLS cũng hỗ trợ quản lý mạng dễ dàng vàđơn giản hơn Bằng cách giám sát lưu lượng tại các bộ định tuyến chuyển mạch

nhãn (LSR), nghẽn lưu lượng sẽ được phát hiện và vị trí xảy ra nghẽn lưu lượng cóthể được xác định nhanh chóng.

MPLS là một công nghệ chuển mạch IP có triển vọng ứng dụng rất cao Nhờđặc tính cơ cấu định tuyến của mình, MPLS có khả năng nâng cao chất lượng dịch

vụ của mạng IP truyền thống Bên cạnh đó, thông lượng của mạng cũng được cảithiện rõ rệt

Do MPLS có nhiều ưu điểm như vậy nên việc tìm hiểu các vấn đề về côngnghệ MPLS là vấn đề quan trọng đối với sinh viên ngành điện tử - viễn thông Nhậnthức được điều đó tôi đã lựa chọn đồ án tốt nghiệp “Điều khiển lưu lượng trongchuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS”

Nội dung đồ án được chia thành 4 chương

Chương 1: Tổng quan về công nghệ MPLS

Chương 2: Vấn đề điều khiển lưu lượng và bài toán điều khiển lưu lượng trong MPLS Chương 3: Kỹ thuật lưu lượng với MPLS TE

Chương 4: Ứng dụng công nghệ MPLS tại Việt Nam

Do công nghệ MPLS còn tương đối mới, việc tìm hiểu các vấn đề của công nghệMPLS đòi hỏi phải có kiến thức sâu rộng và lâu dài Do vậy đồ án không tránh khỏinhững sai sót Rất mong nhận được sự phê bình, góp ý của các thầy cô giáo và các bạn

Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Nguyễn Vũ Sơn đã tận tình hướng

dẫn em trong suốt quá trình làm đồ án

Xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Viễn thông đã giúp đỡ

em trong thời gian qua và xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè và người thân những người đã giúp đỡ động viên tôi trong quá trình học tập

Hà Nội, ngày 20 tháng 9 năm 2013 Học viên

MPLS – multi protocol lable switching MPLS là một công nghệ kết hợp đặcđiểm tốt nhất giữa định tuyến lớp ba và chuyển mạch lớp hai cho phép chuyển tảicác gói rất nhanh trong mạng lõi (core) và định tuyến tốt ở mạng biên (edge) bằngcách dựa vào nhãn (label) MPLS là một phương pháp cải tiến việc chuyển tiếp góitrên mạng bằng các nhãn được gắn với mỗi gói IP, tế bào ATM, hoặc frame lớp hai.Phương pháp chuyển mạch nhãn giúp các Router và MPLS-enable ATM switch raquyết định theo nội dung nhãn tốt hơn việc định tuyến phức tạp theo địa chỉ IP đích.MPLS kết nối tính thực thi và khả năng chuyển mạch lớp hai với định tuyến lớp ba.Cho phép các ISP cung cấp nhiều dịch vụ khác nhau mà không cần phải bỏ đi cơ sở

hạ tầng sẵn có Cấu trúc MPLS có tính mềm dẻo trong bất kỳ sự phối hợp với côngnghệ lớp hai nào

MPLS hỗ trợ mọi giao thức lớp hai, triển khai hiệu quả các dịch cụ IP trênmột mạng chuyển mạch IP MPLS hỗ trợ việc tạo ra các tuyến khác nhau giữa

mạng, Các ISP có thể giảm chi phí, tăng lợi nhuận, cung cấp nhiều hiệu quả khácnhau và đạt được hiệu quả cạnh tranh cao

MPLS là một công nghệ kết hợp đặc điểm tốt nhất giữa định tuyến lớp ba vàchuyển mạch lớp hai cho phép chuyển tải các gói rất nhanh trong mạng lõi (core) vàđịnh tuyến tốt ở mạng biên (edge) bằng cách dựa vào nhãn (label) MPLS là mộtphương pháp cải tiến việc chuyển tiếp gói trên mạng bằng các nhãn được gắn vớimỗi gói IP, tế bào ATM, hoặc frame lớp hai Phương pháp chuyển mạch nhãn giúpcác Router và MPLS-enable ATM switch ra quyết định theo nội dung nhãn tốt hơnviệc định tuyến phức tạp theo địa chỉ IP đích MPLS kết nối tính thực thi và khảnăng chuyển mạch lớp hai với định tuyến lớp ba Cho phép các ISP cung cấp nhiềudịch vụ khác nhau mà không cần phải bỏ đi cơ sở hạ tầng sẵn có Cấu trúc MPLS cótính mềm dẻo trong bất kỳ sự phối hợp với công nghệ lớp hai nào.MPLS hỗ trợ mọi giao thức lớp hai, triển khai hiệu quả các dịch cụ IP trên mộtmạng chuyển mạch IP MPLS hỗ trợ việc tạo ra các tuyến khác nhau giữa nguồn vàđích trên một đường trục Internet Bằng việc tích hợp MPLS vào kiến trúc mạng,Các ISP có thể giảm chi phí, tăng lợi nhuận, cung cấp nhiều hiệu quả khác nhau vàđạt được hiệu quả cạnh tranh cao

1.2 Phương thức hoạt động:

Thay thế cơ chế định tuyến lớp ba bằng cơ chế chuyển mạch lớp hai.MPLS hoạt động trong lõi của mạng IP Các Router trong lõi phải enable MPLStrên từng giao tiếp Nhãn được gắn thêm vào gói IP khi gói đi vào mạng MPLS.Nhãn được tách ra khi gói ra khỏi mạng MPLS Nhãn (Label) được chèn vào giữaheader lớp ba và header lớp hai Sử dụng nhãn trong quá trình gửi gói sau khi đãthiết lập đường đi MPLS tập trung vào quá trình hoán đổi nhãn (Label Swapping).Một trong những thế mạnh của khiến trúc MPLS là tự định nghĩa chồng nhãn(Label Stack)

- Không gian nhãn (Label Space): có hai loại Một là, các giao tiếp dùngchung giá trị nhãn (per-platform label space) Hai là, mỗi giao tiếp mang giá trịnhãn riêng, (Per-interface Label Space)

- Bộ định tuyến chuyển nhãn (LSR – Label Switch Router): ra quyết địnhchặng kế tiếp dựa trên nội dung của nhãn, các LSP làm việc ít và hoạt động gầngiống như Switch

- Con đường chuyển nhãn (LSP – Label Switch Path): xác định đường đi củagói tin MPLS Gồm hai loại: Hop by hop signal LSP – xác định đường đi khả thi nhấttheo kiểu best effort và Explicit route signal LSP – xác định đường đi từ nút gốc.Một số ứng dụng của MPLS:

- Internet có ba nhóm ứng dụng chính: voice, data, video với các yêu cầukhác nhau Voice yêu cầu độ trễ thấp, cho phép thất thoát dữ liệu để tăng hiếu quả.Video cho phép thất thoát dữ liệu ở mức chấp nhận được, mang tính thời gian thực(realtime) Data yêu cầu độ bảo mật và chính xác cao MPLS giúp khai thác tàinguyên mạng đạt hiệu quả cao

Một số ứng dụng đang được triển khai là:

- MPLS VPN: Nhà cung cấp dịch cụ có thể tạo VPN lớp 3 dọc theo mạngđường trục cho nhiều khách hàng, chỉ dùng một cơ sở hạ tầng công cộng sẵn có,không cần các ứng dụng encrytion hoặc end-user

- MPLS Traggic Engineer: Cung cấp khả năng thiết lập một hoặc nhiều đường

đi để điều khiển lưu lượng mạng và các đặc trưng thực thi cho một loại lưu lượng

- MPLS QoS (Quality of service): Dùng QoS các nhà cung cấp dịch vụ cóthể cung cấp nhiều loại dịch vụ với sự đảm bảo tối đa về QoS cho khách hàng MPLS Unicast/Multicast IP routing

1.3 Các khái niệm cơ bản trong MPLS

Để hiểu được nguyên tắc hoạt động của MPLS, trước hết ta phải làm quen với một số khái niệm mới được dùng trong MPLS

Hình 1.1:Cấu trúc mạng MPLS

• MPLS domain: Là tập hợp của các node mạng MPLS được quản lý và điềukhiển bởi cùng một quản trị mạng, hay nói một cách đơn giản hơn là một MPLS domain,

có thể coi như hệ thống mạng của một tổ chức nào đó (chẳng hạn nhà cung cấp dịch vụ)

• LSR (Label Switching Router): Là node mạng MPLS Có hai loại LSR chính:

- LSR cạnh (gồm LSR hướng vào, LSR hướng ra): LSR nằm ở biên củaMPLS domain và kết nối trực tiếp với mạng người dùng

- LSR chuyển tiếp (Transit LSR): LSR nằm bên trong MPLS domain, cácLSR này chính là các bộ định tuyến lõi (core router) của nhà cung cấp dịch vụ

• Nhãn (Label): Thường được tổ chức dưới dạng ngăn xếp nhãn (LabelStack), có độ dài 32 bit được thể hiện như sau:

Hình 1.2: Cấu trúc nhãn MPLS

Trường Label: Có độ dài 20 bit, đây chính là giá trị nhãn

Trường Exp (Experimental): Có độ dài 3 bit dùng cho mục đích dự trữnghiên cứu và phân chia lớp dịch vụ (COS – Class Of Service)

Trường TTL (Time To Live): Có mục đích như trường TTL trong gói tin IP.

• FEC: MPLS không thực hiện quyết định chuyển tiếp với gói dữ liệu lớp 3(datagram) mà sử dụng một khái niệm mới gọi là FEC (Forwarding EquivalenceClass) Mỗi FEC được tạo bởi một nhóm các gói tin có chung các yêu cầu về truyềntải hoặc dịch vụ (thoại, data, video, VPN…) hoặc cùng yêu cầu về QoS Hay nóimột cách khác, MPLS thực hiện phân lớp dữ liệu để chuyển tiếp qua mạng

• LSP (Label Switching Path): Là tuyến được bắt đầu tại một LSR hướng vàothông qua một hoặc nhiều hoặc thậm chí là không LSR chuyển tiếp nào và cuốicùng kết thúc tại một LSR hướng ra LSP chính là đường đi của các FEC thông quamạng MPLS Khái niệm về LSP tương tự như khái niệm về kênh ảo (VirtualChannel) trong mạng IP, ATM, Frame Relay …

• LDP (Label Distribution Protocol): Là các giao thức phân bổ nhãn đượcdùng trong MPLS để phân bổ nhãn và thiết lập các LSP thông qua mạng MPLS

1.4 Cấu trúc mạng và phương thức hoạt động

1.4.1 Cấu trúc nút của MPLS

Hình 1.3 : Mặt Phẳng điều khiển và chuyển tiếp trong MPLS

Một nút của MPLS có hai mặt phẳng: mặt phẳng chuyển tiếp MPLS vàmặt phẳng điều khiển MPLS Nút MPLS có thể thực hiện định tuyến lớp ba hoặcchuyển mạch lớp hai Kiến trúc cơ bản của một nút MPLS như sau:

●Mặt phẳng chuyển tiếp (Forwarding plane)

Mặt phẳng chuyển tiếp sử dụng một cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn(LFIB - Label Forwarding Information Base) để chuyển tiếp các gói Mỗi nútMPLS có hai bảng liên quan đến việc chuyển tiếp là: cơ sở thông tin nhãn (LIB -Label Information Base) và LFIB LIB chứa tất cả các nhãn được nút MPLS cục

bộ đánh dấu và ánh xạ của các nhãn này đến các nhãn được nhận từ láng giềng(MPLS neighbor) của nó LFIB sử dụng một tập con các nhãn chứa trong LIB đểthực hiện chuyển tiếp gói

● Nhãn (Label) trong MPLS

Nhãn là giá trị có chiều dài cố định dùng để nhận diện một FEC nào đó.Nhãn được “dán ” lên một gói để báo cho LSR biết gói này cần đi đâu Giá trịnhãn định nghĩa chỉ mục (index) để dùng trong bảng chuyển tiếp

Một gói lại có thể được “dán chồng” nhiều nhãn, các nhãn này chứa trongmột nơi gọi là stack nhãn (label stack) Stack nhãn là một tập hợp gồm một hoặcnhiều entry nhãn tổ chức theo nguyên tắc LIFO Tại mỗi hop trong mạng chỉ xử

lý nhãn hiện hành trên đỉnh stack Chính nhãn này sẽ được LSR sử dụng đểchuyển tiếp gói

+ Kiểu khung (Frame mode):

Kiểu khung là thuật ngữ khi chuyển tiếp một gói với nhãn gắn trước tiêu

đề lớp ba Một nhãn được mã hoá với 20bit, nghĩa là có thể có 220 giá trị khácnhau Một gói có nhiều nhãn, gọi là chồng nhãn (label stack) Ở mỗi chặng trongmạng chỉ có một nhãn bên ngoài được xem xét Hình 4 mô tả định dạng tiêu đềcủa MPLS

Hình 1.4: Định dạng tiêu đề của MPLS

Trong đó:

− EXP=Experimental (3 bit): dành cho thực nghiệm Cisco IOS sử dụng cácbit này để giữ các thông báo cho QoS; khi các gói MPLS xếp hàng có thể dùng cácbit EXP tương tự như các bit IP ưu tiên (IP Precedence)

− S=Bottom of stack (1 bit): là bít cuối chồng Nhãn cuối chồng bit này đượcthiết lập lên 1, các nhãn khác có bít này là 0

− TTL=Time To Live (8 bit): thời gian sống là bản sao của IP TTL Giá trịcủa nó được giảm tại mỗi chặng để tránh lặp (giống như trong IP) Thường dùng khingười điều hành mạng muốn che dấu cấu hình mạng bên dưới khi tìm đường từmạng bên ngoài

+ Kiểu tế bào (Cell mode):

Hình 1.5 : Cấu trúc nhãn dạng tế bào

Thuật ngữ này dùng khi có một mạng gồm các ATM LSR dùng MPLS trongmặt phẳng điều khiển để trao đổi thông tin VPI/VCI thay vì dùng báo hiệu ATM.Trong kiểu tế bào, nhãn là trường VPI/VCI của tế bào Sau khi trao đổi nhãn trongmặt phẳng điều khiển, ở mặt phẳng chuyển tiếp, bộ định tuyến ngõ vào (ingressrouter) phân tách gói thành các tế bào ATM, dùng giá trị VCI/CPI tương ứng đãtrao đổi trong mặt phẳng điều khiển và truyền tế bào đi Các ATM LSR ở phía tronghoạt động như chuyển mạch ATM – chúng chuyển tiếp một tế bào dựa trênVPI/VCI vào và thông tin cổng ra tương ứng Cuối cùng, bộ định tuyến ngõ ra(egress router) sắp xếp lại các tế bào thành một gói.

Trong đó:

GFC (Generic Flow Control): Điều khiển luồng chung

VPI (Virtual Path Identifier): nhận dạng đường ảo

VCI (Virtual Channel Identifier): nhận dạng kênh ảo

PT (Payload Type): Chỉ thị kiểu trường tin

CLP (Cell Loss Priority): Chức năng chỉ thị ưu tiên huỷ bỏ tế bào

HEC (Header error check): Kiểm tra lỗi tiêu đề

1.4.2 Cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn (LFIB)

Cấu trúc của LFIB được mô tả như hình sau:

Hình 1.6 : Cấu trúc bảng LFIB1.5 Thuật toán chuyển tiếp nhãn (Label Forwarding Algorithm)

Bộ chuyển tiếp nhãn sử dụng một thuật toán chuyển tiếp dựa vào việc hoánđổi nhãn nút MPLS lấy giá trị trong nhãn của gói vừa đến làm chỉ mục đến LFIB.Khi giá trị nhãn tương ứng được tìm thấy, MPLS sẽ thay thế nhãn trong gói đó bằngnhãn ra từ mục con và gửi gói qua giao tiếp ngõ ra tương ứng đến trạm kế đã đượcxác định Nếu nút MPLS chứa nhiều LFIB trên mỗi giao tiếp, nó sử dụng giao tiếpvật lí nơi gói đến để chọn một LFIB cụ thể phục vụ việc chuyển tiếp gói Các thuậttoán chuyển tiếp thông thường sử dụng nhiều cơ chế như Unicast, Multicast và cácgói Unicast có thiết lập bit ToS Tuy nhiên, MPLS chỉ dụng một thuật toán chuyểntiếp dựa trên sự hoán đổi nhãn (Label Swapping) Một nút MPLS truy xuất bộ nhớđơn để lấy ra các thong tin như quyết định tài nguyên cần thiết để chuyển tiếp gói.Khả năng chuyển tiếp và tra cứu tốc độ nhanh giúp chuyển nhãn trở thành côngnghệ chuyển mạch có tính thực thi cao

Hình 1.7 : Sơ đồ thuật toán chuyển tiếp nhãn

1.5.1 Hoạt động chuyển tiếp của MPLS

Thực hiện chuyển tiếp dữ liệu với MPLS gồm các bước sau:

●Gán nhãn MPLS trên LSR

●Giao thức phân phối nhãn (LDP hay TDP) thực hiện gán nhãn vả trao đổinhãn giữ các LSR trong miền MPLS để thiết lập phiên làm việc Việc gán nhãn cóthể gán cục bộ trên Router hoặc trên các giao tiếp của Router

Thiết lập LDP/TDP giữa LSR/ELSR

Mặc định trên cùng một Router Cisco có thể chạy ngẫu nhiên hai giao thứcLDP hay TDP, vì thế khi cấu hình điều cần thiết là gán cho các Router một giaothức phân phối nhãn chung nhất

Hình 1.8: Control Plane trong MPLS

Mặt phẳng điều khiển MPLS chịu trách nhiệm tạo ra và lưu trữ LFIB Tất cảcác nút MPLS phải chạy một giao thức định tuyến IP để trao đổi thông tin địnhtuyến đến các nút MPLS khác trong mạng Các nút MPLS enable ATM sẽ dùng một

bộ điều khiển nhãn (LSC – Label Switch Controller) như bộ định tuyến 7200, 7500hoặc dùng một mô đun xử lý tuyến (RMP – Route Processor Module) để tham gia

xử lý định tuyến IP

Các giao thức định tuyến Link-state như OSPF và IS-IS là các giao thứcđược chọn vì chúng cung cấp cho mỗi nút MPLS thông tin của toàn mạng Trongcác bộ định tuyến thông thường, bản định tuyến IP dùng để xây dựng bộ lưu trữchuyển mạch nhanh (Fast switching cache) hoặc FIB (dùng bởi CEF - CiscoExpress Forwarding) Tuy nhiên với MPLS, bản định tuyến IP cung cấp thông tincủa mạng đích và subnet prefix

Các giao thức định tuyến link-state gửi thông tin định tuyến (flood) giữa mộttập các bộ định tuyến nối trực tiếp (adjacent), thông tin liên kết nhãn chỉ được phânphối giữa các bộ định tuyến nối trực tiếp với nhau bằng cách dùng giao thức phânphối (LDP – Label Distribution Protocol) hoặc TDP (Cisco ‘s proproetary TagDistribution protocol)

Các nhãn được trao đổi giữa các nút MPLS kế cận để xây dựng nên LFIB MPLSdùng một mẫu chuyển tiếp dựa trên sự hoán đổi nhãn để kết nối với các mô đun điềukhiển khác nhau Mỗi mô đun điều khiển chịu trách nhiệm đánh dấu và phân phối mộttập các nhãn cũng như lưu trữ các thông tin điều khiển có liên quan khác Các giao thứccổng nội (IGPs – Interior Gateway Potocols) được dùng để xác nhận khả năng đến được,

sự liên kết, và ánh xạ giữa FEC và đia chỉ trạm kế (next-hop address)

1.5.2 Module điều khiển trong MPLS

Các module điều khiển trong mpls bao gồm

o Định tuyến Unicast (Unicast Routing)

o Định tuyến Multicast (Multicast Routing)

o Kỹ thuật lưu lượng (Traffic engineering)

o Mạng riêng ảo (VPN – Virtual private Network)

o Chất lượng dịch vụ (QoS – Quality of service)

Các thành phần data plane và control plane của MPLS:

Cisco Express Forwarding (CEF) là nền tảng cho MPLS và hoạt động trêncác router của Cisco Do đó, CEF là điều kiện tiên quyết trong thực thi MPLS trênmọi thiết bị của Cisco ngoại trừ các ATM switch chỉ hỗ trợ chức năng của mặtphẳng chuyển tiếp dữ liệu

CEF là một cơ chế chuyển mạch thuộc sở hữu của Cisco nhằm làm tăng tínhđơn giản và khả năng chuyển tiếp gói IP CEF tránh việc viết lại overhead của cache

nội dung của bảng định tuyến IP (IP routing table), ánh xạ 1-1 giữa FIB và bảngđịnh tuyến Khi router sử dụng CEF, nó duy trì tối thiểu 1 FIB, chứa một ánh xạ cácmạng đích trong bảng định tuyến với các trạm kế tiếp (next-hop adjacencies) tươngứng FIB ở trong mặt phẳng dữ liệu, nơi router thực hiện cơ chế chuyển tiếp và xử

lý các gói tin Trên router còn duy trì hai cấu trúc khác là cơ sở thông tin nhãn (LIB– Label Information Base) và cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn (LFIB – LabelForwarding Information Base) Giao thức phân phối sử dụng giữa các láng giềngMPLS có nhiệm vụ tạo ra các chỉ mục (entry) trong hai bảng này LIB thuộc mặtphẳng điều khiển và được giao thức phân phối nhãn sử dụng khi địa chỉ mạng đíchtrong bảng định tuyến được ánh xạ với nhãn nhận được từ router xuôi dòng LFIBthuộc mặt phẳng dữ liệu và chứa nhãn cục bộ (local label) đến nhãn trạm kế ánh xạvới giao tiếp ngõ ra (outgoing interface), được dùng để chuyển tiếp các gói đượcgán nhãn Như vậy, thông tin về các mạng đến được do các giao thức định tuyếncung cấp dùng để xây dựng bảng định tuyến (RIB - Routing Information Base) RIBcung cấp thông tin cho FIB LIB được tạo nên dựa vào giao thức phân phối nhãn và

từ LIB kết hợp với FIB tạo ra LFIB

1.6 Phân phối nhãn trong mpls

1.6.1 Giao Thức TDP

Trước đây, trong quá trình "thai nghén" ra MPLS, Cisco đưa ra công nghệtag-switching và hỗ trợ từ IOS 11.1CT MPLS được hỗ trợ bởi các router cisco từIOS 12.1(3)T

Tag-switching chính là tiền thân của mpls nên rất giống, chỉ có một số khácbiệt như: Giao thức sử dụng phân phối nhãn của tag-switching là TDP - sử dụngtcp/udp port 711, còn mpls là LDP sử dụng tcp/udp port 646 Để cho phép chuyểnmạch nhãn hoạt động thì IOS 11.1 là tag-switching ip, IOS 12.1 là mpls ip Cú pháplệnh tùy vào IOS

1.6.2 Giao Thức LDP

MPLS là thế hệ sau của tag-switching, nó sử dụng giao thức LDP đểphân phối nhãn, hoạt động như TDP chỉ khác là nó sử dụng LDP để phân phốinhãn, LDP phải được cấu hình trên từng interface chạy MPLS, các láng giềng củachúng sẽ tự động nhận ra các interface có chạy LDP kết nối với chúng Sử dụngUDP broadcast và mulicast để tìm ra các láng giềng của chúng.

Để kích hoạt LDP MPLS trên các router ta dùng các lệnh sau:

- Chế độ duy trì nhãn thường xuyên (conservative label retention mode): duy trìnhãn dựa vào hồi đáp LDP hay TDP của trạm kế Nó hủy các kết nối từ LSR xuôi dòng

mà không phải trạm kế của đích đến chỉ định nên giảm thiểu được bộ nhớ

1.6.4 Routing với nhãn

– Step 3: LSR lần lượt phân tán nhãn cho tất cả các router LSR kế cận.

– Step 4: Tất cả các LSR xây dựng các bảng LIB, LFIB, FIB dựa trên labelnhận được

Đầu tiên các router sẽ dùng các giải thuật định tuyến như OSPF hay IS IS…

để tìm đường đi cho gói tin giống như mạng IP thông thường và xây dựng nên bảngrouting- table cho mỗi router trong mạng Giả sử, ở đây router A muốn đến mạng Xthì phải qua router B, B chính là Next-hop của router A để đến mạng X

Hình 1.10: Nexthop trong MPLS

Sau khi bảng routing table đã hình thành, các router sẽ gán nhãn cho các đíchđến mà có trong bảng routing table của nó, ví dụ ở đây router B sẽ gán nhãn bằng 25cho mạng X, nghĩa là những nhãn vào có giá trị 25 router B sẽ chuyển nó đến mạng X

Hình 1.11 :Gán nhãn trong MPLS

Router B phân tán nhãn 25 cho tất cả các router LSR kế cận nó với ý nghĩa

“Nếu bạn muốn đến X thì hãy gán nhãn 25 rồi gửi đến tôi”, cùng lúc đó bảng traLIB hình thành trong router B và có entry như hình sau

Hình 1.12 :Quảng bá nhãn trong MPLS

Các router LSR nhận được nhãn được từ router hàng xóm sẽ cập nhập vàobảng LIB, riêng với router biên (Edge LSRs) sẽ cập nhập vào bảng LIB và cả FIBcủa nó

Hình 1.13 :Bảng nhãn trong router MPLS

Cũng giống như B, router C sẽ gán nhãn là 47 cho Network X và sẽ quảng bá nhãnnày cho các router kế cận, C không quảng bá cho router D vì D không chạy MPLS

Hình 1.14 :LIB và LFIB trong Router MPLS

Cùng lúc đó router C hình thành 2 bảng tra LIB và LFIB có các entry nhưtrên Sau khi nhận được quảng bá của router C, router B sẽ thêm nhãn 47 vừa nhậnđược vào trong bảng tra FIB và LIB đồng thời xây dựng bảng tra LFIB có các entrynhư hình vẽ, router E chỉ thêm nhãn 47 vào trong LIB và FIB

Hình 1.15 :FIB và LFIB trên các router

Như vậy ta đã có được đường đi từ biên router A đến mạng cần đến là mạng

X, hay nói cách khác một LSP đã hình thành Bây giờ gói tin có thể truyền theođường này tới đích như sau: Một gói tin IP từ mạng IP đến router biên Ingress,router A sẽ thực hiện tra bảng FIB của nó để tìm ra nexthop cho gói itn nay, ở đây

A sẽ gán nhãn 25 cho gói tin này theo entry có trong bảng FIB của nó và sẽ gởi tớinext hop là router B để đến mạng X

Hình 1.16 : Gán nhãn cho các gói tin đi vào

Gói tin với nhãn 25 được truyền đến cho router B, router B sẽ tra bảng LFIBcủa nó và tìm ra giá trị nhãn ngõ ra cho gói tin có nhãn ngõ vào 25 là 47, router B sẽswap nhãn thành 47 và truyền cho next hop là router C.

Hình 1.17 :Chuyển tiếp gói tin dựa vào nhãn

Gói tin với nhãn 47 được truyền đến router C, router C sẽ tra bảng LFIB của

nó và tìm ra hoạt động tiếp theo cho gói tin có nhãn vào 47 là sẽ pop nhãn ra khỏigói tin và truyền cho next hop là router D, như vậy gói tin đến D là gói tin IP bìnhthường không nhãn

Hình 1.18 : POP nhãn tại router biên

Gói tin IP này đến D, router D sẽ tra bảng routing table của nó và truyền cho mạng X

1.7 Các loại nhãn ra đặc biệt

- Untagged: gói MPLS đến được chuyển thành một gói IP và chuyển tiếp đếnđích Nó được dùng trong thực thi MPLS VPN

- Nhãn Implicit-null hay POP: Nhãn này được gán khi nhãn trên (top label)của gói MPLS đến bị bóc ra và gói MPLS hay IP được chuyển tiếp tới trạm kế xuôidòng Giá trị của nhãn này là 3 (trường nhãn 20 bit) Nhãn này được dùng trongmạng MPLS cho những trạm kế cuối.

- Nhãn Explicit-null: được gán để giữ giá trị EXP cho nhãn trên của gói đến.Nhãn trên được hoán đổi với giá trị 0 và chuyển tiếp như một gói MPLS tới trạm kếxuôi dòng Nhãn này sử dụng khi thực hiện QoS với MPLS

- Aggregate: với nhãn này, khi gói MPLS đến nó bị bóc tất cả nhãn trong chồngnhãn ra để trở thành một gói IP và thực hiện tra cứu trong FIB để xác định giao tiếpngõ ra cho nó

1.8 Kết Luận Chương

Trong chương này luận văn đã giới thiệu những thành phần chính trong kỹthuật chuyển mạch nhãn đa giao thức.Chức năng cơ bản nhất của MPLS là phục vụcho việc chuyển gói dữ liệu bằng thuật toán chuyển mạch nhãn trên đường dẫnđược xác định bằng kỹ thuật định tuyến dựa vào địa chỉ đích.Giao thức phân phốinhãn LDP sẽ xây dựng đường chuyển mạch nhãn, được gọi là đường chuyển mạchnhãn LSP trên đường định tuyến này.Giao thức LDP hoạt động trên kết nối TCP vàcung cấp nhiều hình thức phân bố nhãn khác nhau

CHƯƠNG 2: VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG

VÀ BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG TRONG MPLS

2.1 Giới thiệu chung

Do lưu lượng gửi từ nút nguồn đến nút đích có thể là lưu lượng TCP và UDPnên trước khi đi vào tìm hiểu điều khiển lưu lượng trong MPLS chúng ta cần đề cậpđến một số vấn đề về lưu lượng TCP và UDP

Lưu lượng TCP và UDP

Trong mạng WAN, UDP được sử dụng cho những ứng dụng thời gian thựcnhư video và audio Người cung cấp UDP tối thiểu trễ truyền dẫn nhờ bỏ qua quátrình thiết lập kết nối, điều khiển luồng và truyền lại Trong khi đó lớn hơn 80% tàinguyên mạng WAN bị chiếm bởi lưu lượng TCP Ngược lại với sự đơn giản củaUDP, thì TCP là đại diện cho một cơ cấu kiểm soát luồng độc nhất với cửa sổ trượt

Do đó, QoS của những ứng dụng thời gian thực sử dụng lưu lượng UDP là bị tácđộng bởi lưu lượng TCP và cơ cấu kiểm soát luồng của nó trong bất cứ trường hợpnào khi mà TCP và UDP cùng chia xẻ một node cổ chai

Theo truyền thống UDP chứ không phải TCP được sử dụng như một giaothức lớp truyền tải cho những ứng dụng thời gian thực UDP là giao thức đơn giảnhơn với không có trễ thiết lập kết nối, điều khiển luồng và sự truyền tải, cung cấpnhững ứng dụng mới với những giao diện thô cho mạng Từ sự đơn giản này, UDPlại gặp những yêu cầu và những ứng dụng thời gian thực mà có thể thi hành sự kiểmsoát luồng và kế hoạch truyền lại Hơn thế nữa UDP có khả năng truyền thông đađiểm, vì thế chúng có thể phát triển những ứng dụng như hội thoại mạng

Hiện tại có hơn khoảng 80% độ rộng băng tần Internet được dùng cho nhữngứng dụng dựa trên lưu lưọng TCP như HTTP và FTP TCP sử dụng cơ cấu kiểm soátluồng bằng cửa sổ trượt Dưới sự kiểm soát luồng TCP tắc nghẽn được nhận ra nhờphát hiện tổn thất gói Khi tắc nghẽn xảy ra, gói được truyền lại Cùng thời gian đó,TCP phải giảm kích cỡ cửa sổ, giảm hiệu quả tốc độ đầu ra của nó để tránh tắc nghẽnthêm nữa Khi không có tắc nghẽn, TCP tăng kích cỡ cửa sổ và tốc độ đầu ra của nó.

Mặt khác, UDP sử dụng một phần lớn độ rộng băng tần Internet còn lại màkhông có sự kiểm soát luồng UDP chỉ truyền những bản tin qua mạng tới một cổngđầu thu cụ thể Việc chia sẻ độ rộng băng tần giữa TCP và UDP là nguyên nhân củaviệc xuất hiện ảnh hưởng đến tính thực thi của TCP lên UDP và ngược lại Tổn thấtgói UDP bị ảnh hưởng bởi lưu lượng TCP và cơ cấu kiểm soát luồng của nó Điềunày là bởi vì kiểm soát luồng TCP tiếp tục tăng kích thước cửa sổ của nó cho đếnkhi tổn thất gói xuất hiện nếu kích thước cửa sổ đã thông báo là đủ lớn

Đặc điểm lưu lượng của TCP và UDP

Đầu tiên chúng ta nhấn mạnh trường hợp mà kết nối TCP sử dụng toàn bộ độrộng băng tần của mạng Cụ thể, xét khi trễ mạng của tất cả kết nối là giống nhau, tất

cả kích thước của sổ trượt bị tắc nghẽn của TCP thay đổi trong một cách đã đượcđồng bộ Trong trường hợp này chiều dài hàng đợi ở bộ đệm của node cổ chai sẽ tăngtheo định kỳ và có thể đầy hoặc hầu như rỗng trong một thời gian tương đối dài

Thứ hai chúng ta xét đến trường hợp mà những luồng UDP được thêm vàotrong trường hợp TCP đã đồng bộ Tổn thất gói UDP xảy ra thường xuyên và liêntục trong trường hợp đồng bộ TCP Điều này là bởi vì sự đồng bộ TCP có thể làm

bộ đệm đầy một cách có định kỳ và lặp lại trong những khoảng thời gian tương đốidài Thậm chí nếu node mạng đã đầy gói, gói UDP vẫn được truyền một cách liêntục và bị mất liên tiếp Vì thế luồng UDP chịu đựng ảnh hưởng xấu trên sự đồng bộcủa TCP

Thứ ba, về phần ảnh hưởng của kích cỡ gói UDP, tỉ lệ tổn thất gói UDP là

hiệu quả trong việc tổn thất gói xảy ra tương đối vừa phải phụ thuộc vào sự đồng bộcủa Tcl.

Thứ tư, đối với ảnh hưởng của tốc độ truyền dẫn của UDP, chúng ta thấyrằng tỉ lệ tổn thất gói là không giảm bởi sử dụng tốc độ truyền dẫn thấp Đặc điểmnày có thể được giảng giải như sau Kết nối Tcl là có khả năng chia sẻ tất cả độ rộngbăng tần có sẵn giữa chúng bởi sử dụng cơ cấu kiểm soát luồng Vì vậy, thậm chíluồng UDP giảm tốc độ truyền dẫn của nó, kết quả là độ rộng băng tần có sẵn được

sử dụng nhanh chóng bởi kết nối TCP Điều này giải thích lý do tại sao mà khi giảmtốc độ truyền dẫn của những gói UDP thì sẽ không đóng góp vào việc nâng cao tínhthực thi tổn thất gói của UDP

2.2 Quản lý lưu lượng trong MPLS

Để tăng cường những tính năng quản lý lưu lượng trong MPLS người ta bổxung thêm một số thuộc tính Những thuộc tính đó được đề xuất như sau:

- Những thuộc tính trung kế lưu lượng thể hiện tính chất ứng xử lưu lượng

- Những thuộc tính của tài nguyên gắn liền với việc sử dụng cho các trung kếlưu lượng

- Khung “định tuyến bắt buộc“ sử dụng để chọn đường cho các trung kế lưulượng được coi là bắt buộc phải thoả mãn hai yêu cầu thuộc tính trên

Trong mạng đang hoạt động các thuộc tính trên phải có khả năng thay đổiđộng trực tuyến bởi nhà quản trị mạng mà không ảnh hưởng đến hoạt động bìnhthường của mạng

Những vấn đề cơ bản của quản lý lưu lượng qua MPLS

Có 3 vấn đề cơ bản sau đây liên quan đến quản lý lưu lượng trong MPLS:

- Làm thế nào để chuyển đổi từ các gói thông tin sang FEC

- Làm thế nào để chuyển FEC sang các trung kế lưu lượng

- Làm thế nào để chuyển đổi các trung kế lưu lượng sang cấu hình topo mạngvật lý qua các LSP

2.2.1 Khái niệm trung kế lưu lượng MPLS

Là một phần của các luồng tải lưu lượng thuộc cùng một lớp trong đườngchuyển mạch nhãn LSP

Cần lưu ý sự khác biệt giữa trung kế lưu lượng, đường và LSP mà nó điqua.Việc sử dụng MPLS cho quản lý lưu lượng do một số thuộc tính hấp dẫn sau:

Các đường chuyển mạch nhãn hiện không bị trói buộc với nguyên tắc địnhtuyến dựa trên địa chỉ đích có thể được tạo ra một cách rất đơn giản bằng nhân cônghay tự động qua các giao thức điều khiển

LSP được quản lý một cách rất hiệu quả

Các trung kế lưu lượng được thiết lập và ghép vào LSP

Các thuộc tính của trung kế lưu lượng được mô tả bởi bộ thuộc tính

Một bộ thuộc tính có liên quan đến tài nguyên bắt buộc đối với LSP và cáctrung kế lưu lượng qua LSP

MPLS hỗ trợ tích hợp và phân tách lưu lượng trong khi định tuyến IP truyềnthống chỉ hỗ trợ tích hợp lưu lượng mà thôi

Dễ dàng tích hợp “định tuyến cưỡng bức“ vào MPLS

Triển khai tốt MPLS có thể giảm đáng kể mào đầu so với các công nghệcạnh tranh khác

Hơn nữa, dựa trên cơ sở các đường chuyển mạch nhãn hiện, MPLS cho phépkhả năng cùng triển khai mô phỏng chuyển mạch kênh trên mô hình mạng Internethiện nay

2.2.2 Hoạt động cơ bản của các trung kế lưu lượng

- Thiết lập: Tạo trung kế lưu lượng

- Kích hoạt: Kích hoạt trung kế lưu lượng để chuyển lưu lượng

- Giải kích hoạt: Dừng việc chuyển lưu lượng trên kênh trung kế lưu lượng