BÁO CÁO Đề tài Khái niệm cơ bản MPLS

Tất cả các yêu cầu đó có thể được đáp ứng bởi chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS, nó không bị hạn chế bởi các giao thức lớp 2 và lớp 3.. Cùng với kĩ thuật điều khiển lưu lượng, MPLS là m

CoS Class of Service Cấp độ dịch vụ

FEC Forwarding Equivalency

Class

Lớp chuyển tiếp tương đương

IP Internet Protocol Giao thức Internet

LIB Label Information Base Bảng cơ sở dữ liệu

nhãn LSP Label Switch Path Tuyến chuyển

mạch nhãn LSR Label Switch Router Bộ định tuyến

chuyển mạch nhãn MPLS Multiprotool Label

Identifier Định danh kênh ảo VPI Virtual Packet

Indentifier Định danh gói ảo OSPF Open Shortest Path First Giao thức OSPF

RSVP Resource Reservation

Protocol

Giao thức dành sẵn tài nguyên

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 3

CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC MPLS 4

1 Tổng quan chuyển mạch nhãn đa giao thức 4

1.1Giới thiệu 4

1.2.Định tuyến và chuyển mạch gói truyền thống 5

2 Các khái niệm cơ bản trong MPLS 6

2.1 LSR (Label Switching Router) 6

2.2 FEC (Forwarding Equavilency class) 6

2.3 Nhãn (Label) 7

2.4 Tuyến chuyển mạch nhãn (LSPs) 12

2.5 Giao thức phân phối nhãn (LDP) 13

2.6 Kĩ thuật điều khiển lưu lượng 13

2.7 Định tuyến ràng buộc 14

3 Hoạt động của MPLS 14

4 Đường hầm trong MPLS 18

5 Kiến trúc hệ thống giao thức MPLS 19

6 Các ứng dụng của MPLS 20

TÀI LIỆU THAM KHẢO 22

LỜI MỞ ĐẦU

Để đáp ứng nhu cầu phát triển không ngừng của người sử dụng, nhà cung cấp dịch vụ cần phải có các thiết bị định tuyến và chuyển mạch tốc độ cao Mặc dù vậy, mạng lõi của nhà điều hành và nhà cung cấp dịch vụ thường chạy trên mạng đường trục ATM, nhưng phần lớn các kết nối tới nhà cung cấp vẫn duy trì tốc độ chuyển mạch chậm và các kiểu kết nối điểm-điểm, dẫn tới trễ và tắc nghẽn tại các điểm truy cập biên Các bộ định tuyến lõi cũng góp phần vào trễ đường đi, vì mỗi bộ định tuyến phải thực hiện các giải pháp độc lập trên đường tốt nhất để chuyển tiếp gói Thông thường IP phải được định tuyến trên ATM bằng việc sử dụng IP qua ATM qua các kênh ảo hoặc các giao thức trên ATM Các phương thức chuyển tiếp này đã được chứng minh là không thuận tiện và phức tạp

Nhu cầu về một mạng hội tụ với phương thức chuyển tiếp đơn giản, thông minh mà có các đặc tính quản lý lưu lượng và chất lượng dịch vụ là một nhu cầu cấp thiết Tất cả các yêu cầu đó có thể được đáp ứng bởi chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS, nó không bị hạn chế bởi các giao thức lớp 2 và lớp 3 Cùng với kĩ thuật điều khiển lưu lượng, MPLS là một giải pháp quan trọng trong việc định tuyến, chuyển mạch và cung cấp chất lượng dịch vụ để đáp ứng được sự phát triển của các ứng dụng cũng như các nhu cầu dịch vụ của khách hàng

Đề tài của em sẽ trình bày những kiến thức cơ bản về công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS và ứng dụng của nó

CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC MPLS

(Muti-Protocol Label Switching)

1 Tổng quan chuyển mạch nhãn đa giao thức

1.1Giới thiệu

MPLS là viết tắt của “Muti-Protocol Label Switching” Thuật ngữ Muti-Protocol

để nhấn mạnh rằng công nghệ này áp dụng cho được tất cả các giao thức lớp mạng chứkhông phải chỉ riêng cho IP MPLS hoạt động tốt trên bất kì các giao thức lớp liên kết nào Đây là một công nghệ lai kết hợp những đặc tính tốt nhất của định tuyến lớp 3 (Layer 3 routing) và chuyển mạch lớp 2 (Layer 2 swithching) (hình 1.1)

Trong mạng chuyển mạch kênh, tính thông minh chủ yếu tập trung ở mạng lõi (core) Tất cả những thiết bị thông minh đều đặt trong mạng lõi như các tổng đài toll, transit, MSC…Các thiết bị kém thông minh hơn thì đặt bên trong mạng biên(egde), ví

dụ như các tổng đài nội hay, truy nhập…

Trong mạng gói IP, tính thông minh càng đưa ra biên thì mạng càng hoạt động tốt.Tất cả các bộ định tuyến đều phải làm hai nhiệm vụ là định tuyến và chuyển mạch Đây

là ưu điểm nhưng cũng là nhược điểm của IP

Hình 1.1: MPLS và mô hình tham chiếu OSI

MPLS được xem như là một công nghệ lớp đệm (shim layer), nó nằm trên lớp 2 những dưới lớp 3 vì vậy đôi khi người ta còn gọi là lớp 2,5 (hình 1.1).

Nguyên lý chung của MPLS là tất cả các gói IP sẽ được gắn nhãn (label) và chuyển tiếp theo một đường dẫn LSP (Label Switch Path) Các bộ định tuyến 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 tiêu đề IP

Hình 1.2: So sánh giữa chuyển tiếp IP và chuyển tiếp MPLS

1.2.Định tuyến và chuyển mạch gói truyền thống

Bước phát triển khởi đầu của mạng Internet chỉ quan tâm tới những yêu cầu truyền dữ liệu qua mạng Internet chỉ cung cấp các ứng dụng đơn giản như truyền file hay remote login Để thực hiện những yêu cầu này , môt định tuyến nền dựa trên phần mền đơn giản, với giao diện mạng để hỗ trợ mạng đường trục dựa trên T1/E1- hay T3/E3 đã có là đủ

Với những yêu cầu đòi hỏi tốc độ cao và băng thông lớn, các thiết bị có khả năng chuyển mạch ở lớp 2 ( Lớp liên kết dữ liệu ) và lớp 3 ( Lớp mạng ) ở ngay mức phần cứng phải được phát triển Thiết bị chuyển mạch lớp 2 quan tâm đến vấn đề nghẽn trong mạng con của môi trường mạng cục bộ

2 Các khái niệm cơ bản trong MPLS

2.1 LSR (Label Switching Router)

 Trong MPLS, các router gọi là router chuyển mạch nhãn LSR

 Nhiệm vụ LSR:chuyển tiếp các gói tin đã được dán nhãn

 LSR biên (còn gọi là LER: Label Edge Router) cung cấp giao tiếp giữa mạng IP với LSP

Hình 2.1 : Vị trí của LSR và LER trong mạng MPLS

2.2 FEC (Forwarding Equavilency class)

FEC: biểu diễn một nhóm các gói chia sẻ những yêu cầu như nhau về việc truyền tải Trong FEC, tất cả các gói được đối xử như nhau bởi router Trong MPLS viêc gán một nhãn nhất định cho một FEC nhất định chỉ được thực hiện một lần khi gói vào mạng

Hình 2.2 : Lớp chuyển tiếp tương đương FEC trong mạng MPLS

2.3 Nhãn (Label)

Là một bộ phận nhận dạng gói tin có độ dài ngắn nhất định, mang ý nghĩa cục bộ

để nhận dạng một FEC Nhãn được gắn lên một gói tin để báo lên cho LSR biết gói nàycần đi đâu

Một nhãn, dạng đơn giản nhất, phân biệt con đường một gói sẽ đi Nhãn được mang hoặc đóng gói ở tiêu đề lớp 2 của gói Bộ định tuyến nhận được sẽ kiểm tra nội dung nhãn của gói để xác định chặng kế tiếp Khi một gói được gán nhãn , cuộc hành trình của gói qua mạng đường trục sẽ dựa trên chuyển mạch nhãn Giá trị của nhãn chỉ

có giá trị địa phương, nghĩa là chỉ gắn liền với chặng giữa các LSR

Một khi một gói được xếp vào một FEC đã có hay mới, thì nhãn sẽ được gán cho gói Giá trị nhãn được lấy từ lớp liên kết dữ liệu Với lớp liên kết dữ liệu ( như Frame Relay hay ATM), định danh lớp 2, như DLCI trong trường hợp mạng Frame Relay hay VPIs/VCIs trong trường hợp mạng ATM có thể được sử dụng trực tiếp như nhãn Các gói được chuyển dựa trên giá trị nhãn

Nhãn được ràng buộc tới một FEC theo một vài sự kiện hoặc một vài cách thức chỉ ra sự cần thiết đối với sự ràng buộc.Những sự kiện có thể là ràng buộc data-driven hay ràng buộc control-driven

Gán nhãn có thể được quyết định dựa trên cơ sở tiêu chuẩn chuyển tiếp như:

o Định tuyến đơn hướng

o Công nghệ điều khiển lưu lượng (TE)

o Multicast

o Chất lượng dịch vụ (QoS)

Định dạng thông thường của nhãn được cho như hình 2.3 Nhãn có thể được nhúng trong tiêu đề của lớp liên kết dữ liệu ( ATM VCI/VPI như hình 2.4 và Frame Relay DLCI như hình 2.5) hoặc được chèn vào ( giữa tiêu đề lớp 2 và tiêu đề lớp 3 nhưtrong hình 2.6)

Hình 2.3: Định dạng chung của nhãn MPLS

Hình 2.4: ATM với lớp liên kết dữ liệu

Hình 2.5: Frame Relay với lớp liên kết dữ liệu

Hình 2.6: Nhãn được chèn vào giữa lớp 2 và lớp 3

2.3.1 Tạo nhãn

Có một vài phương pháp để tạo nhãn:

o Phương pháp dựa trên giao thức ( topology-base method) sử dụng quá trình của các giao thức định tuyến ( như OSPF và BGP)

o Phương pháp dựa trên yêu cầu (Request-base method) sử dụng quá trình yêu cầu dựa trên điều khiển lưu lượng

o Phương pháp dựa trên lưu lượng (Traffic-base method) sử dụng một gói đểkích hoạt sự gán và phân phối nhãn

Phương pháp dựa trên giao thức và dựa trên yêu cầu là ví dụ của ràng buộc nhãn control-driven, trong khi phương pháp dựa trên lưu lượng là ví dụ của ràng buộc data-driven

2.3.2 Phân phối nhãn

Kiến trúc MPLS không giao chỉ một phương pháp báo hiệu cho việc phân phối nhãn Các giao thức định tuyến đang tồn tại, như BGP đã được nâng cao để có thể

“cõng” thông tin nhãn trong nội dung của giao thức RSVP cũng đã được mở rộng để

hỗ trợ chuyển giao nhãn IETF đã định nghĩa một giao thức mới gọi là giao thức phân phối nhãn (LDP) để thực hiện báo hiệu và quản lý không gian nhãn Mở rộng dựa trên

cơ sở giao thức LDP có thể hỗ trợ thực hiện định tuyến dựa trên các yêu cầu QoS và CoS Sự mở rộng này tạo ra giao thức CR-LDP

2.3.3 Không gian nhãn

Nhãn được sử dụng bởi một LSR cho ràng buộc nhãn-FEC có thể được phân chia như sau:

o per platform : Giá trị nhãn là độc nhất qua toàn bộ LSR Nhãn được cấp phát từ

một quỹ chung Không có hai nhãn trên hai giao diện khác nhau có cung giá trị

o per interface : Phạm vi của nhãn kết hợp với giao diện Những quỹ nhãn được

định nghĩa cho mỗi giao diện, và các nhãn được cung cấp ở những giao diện đó được cấp phát từ những quỹ tách biệt Giá trị nhãn ở các giao diện khác nhau có thể giống nhau

2.3.4 Kết hợp nhãn

Luồng đầu vào của lưu lượng từ các giao diện khác nhau có thể được kết hợp lại với nhau và thực hiện chuyển mạch dựa trên một nhãn chung nếu nó được truyền qua mạng tới cùng đích cuối cùng

Nếu mạng truyền tải lớp dưới là mạng ATM, các LSR có thể thực hiện việc kết hợp VP

và VC

2.3.5 Cầm giữ nhãn

MPLS định nghĩa cách đối xử với ràng buộc nhãn nhận được từ các LSR mà không có chặng tiếp với một FEC đã cho Có hai mode được định nghĩa:

o Conservative : Trong mode này, ràng buộc giữa nhãn và FEC nhận được từ

các LSR mà không có chặng tiếp với một FEC đã cho sẽ bị bỏ Mode này

yêu cầu các LSR duy trì ít nhãn hơn Đây là mode được khuyến cáo cho

ATM-LSRs

o Liberal : Trong mode này, ràng buộc giữa nhãn và FEC nhận được từ các

LSR mà không có chặng tiếp với một FEC đã cho được giữ lại Mode này đòi hỏi thích ứng nhanh hơn với sự thay đổi topo mạng và cho phép chuyển lưu lượng tới các LSP khác trong trường hợp thay đổi

2.3.6 Điều khiển nhãn

MPLS định nghĩa các mode cho việc phân phối nhãn tới các LSR bên cạnh

o Độc lập (Independent) : Trong mode này, một LSR nhận một FEC nào đó và

quyết định ràng buộc một nhãn tới một FEC độc lập với với sự phân phối ràng buộc FEC mới được nhận ra khi nào tuyến mới trở nên xác định đối với router

o Thứ tự (Ordered) : Trong mode này, một LSR ràng buộc một nhãn tới một FEC

nào đó khi và chỉ khi nó là router phía biên vào hay nó nhận một ràng buộc nhãnvới FEC từ LSR chặng tiếp theo Mode này được khuyến cáo dùng cho ATM-LSR

2.3.7 Quá trình báo hiệu

o Yêu cầu nhãn : Sử dụng quá trình này, LSR yêu cầu nhãn từ luồng xuống cạnh nó vì thế nó có thể ràng buộc tới một FEC nhất định Quá trình này có thể được giao xuống cho một chuỗi các LSR cho tới khi tới LER biên ra

o Ánh xạ nhãn : Để đáp ứng lại yêu cầu nhãn, luồng xuống LSR sẽ gửi một nhãn tới khởi đầu luồng lên sử dụng quá trình ánh xạ nhãn

Hình 2.7 : Quá trình báo hiệu

2.3.8 Ngăn xếp nhãn

Quá trình ngăn xếp nhãn cho phép hoạt động một cách phân cấp trong miền MPLS Nó cho phép MPLS được sử dụng đồng thời cho việc định tuyến ở mức nhân (ví dụ giữa các router riêng biệt trong một ISP và ở mức domain-by-domain cao hơn) Mỗi mức trong ngăn xếp nhãn gắn liền với mức phân cấp nào đó Nó tạo điều kiện thuận lợi cho chế độ đường hầm trong MPLS

2.4 Tuyến chuyển mạch nhãn (LSPs)

Tập hợp các thiết bị MPLS biểu diễn một miền MPLS Trong miền MPLS, mộttuyến được tạo cho một gói có sẵn dựa trên một FEC LSP được thiết lập theo chu kì đểtruyền dữ liệu MPLS cung cấp 2 tùy chọn cho việc thiết lập một LSP

o Định tuyến chặng tiếp chặng (hop-by-hop): Mỗi LSR chọn chặng tiếp theomột cách độc lập với một FEC đã cho Phương pháp này tương tự như

phương pháp đang được sử dụng trong mạng IP LSR sử dụng bất kì giaothức định tuyến nào như OSPF, PNNI…

o Định tuyến hiện (explicit routing) : Định tuyến hiện tương tự như định tuyếnnguồn LSR đầu vào sẽ quyết định các danh sách các node mà ER-LSRqua.Con đường được chọn có thể không tối ưu Dọc theo tuyến, các tài nguyên

có thể được phục vụ để đảm bảo QoS với lưu lượng dữ liệu Cách này dễ dàngđiều khiển lưu lượng qua mạng, và các dịch vụ khác có thể được cung cấp sửdụng các luồng dựa trên các điều kiện hay phương pháp quản lý mạng

LSP được thiết lập với FEC chỉ theo một chiều Lưu lượng trở lại phải do LSP khác

2.5 Giao thức phân phối nhãn (LDP)

LDP là một giao thức mới cho việc phân phối thông tin ràng buộc nhãn tới cácLSR trong mạng MPLS Nó được sử dụng để ánh xạ các FEC tới nhãn, tạo các LSP.Các phiên LDP được thiết lập giữa các LDP ngang hàng trong mạng MPLS (khôngnhất thiết kề nhau) Các LDP ngang hàng trao đổi các loại thông báo LDP sau :

o Discovery message : Thông báo và duy trì sự có mặt của một LSR trong mạng

o Session message : Thiết lập, duy trì, kết thúc phiên giữa các LDP ngang hàng

o Advertisement message : Tạo, thay đổi, và xoá ánh xạ nhãn cho các FEC

o Notification message : Cung cấp thông tin tham khảo và thông tin báo hiệu

lỗi

2.6 Kĩ thuật điều khiển lưu lượng

Kĩ thuật điều khiển lưu lượng là một quá trình nâng cao, tận dụng toàn bộ khả năng của mạng bằng cách cố gắng tạo một sự đồng đều hoặc phân bố thông lượng lưu lượng khác nhau qua mạng Một kết quả quan trọng của quá trình này là tránh được tắcnghẽn ở bất kì tuyến nào Một chú ý quan trọng là điều khiển lưu lượng không nhất thiết phải chọn con đường ngắn nhất giữa hai thiết bị Có thể với hai luồng tải các gói

dữ liệu, các gói có thể theo những con đường khác nhau thậm chí qua điểm gốc của chúng và điểm đích cuối cùng là như nhau Theo cách này các phân đoạn mạng ít sửdụng hay ít biết tới có thể được sử dụng và có thể cung cấp các dịch vụ khác nhau

3 Hoạt động của MPLS

Hình 3.1 : Tạo LSP và chuyển tiếp gói tin qua miền MPLS

Phải tiến hành những bước sau đây để có thể truyền gói tin quan miền MPLS

o Tạo nhãn và phân phối

o Tạo bảng ở mỗi router

o Tạo LSP

o Chèn nhãn/ tìm kiếm bảng

o Chuyển tiếp gói

Nguồn gửi dữ liệu của nó tới đích Trong miền MPLS, không phải tất cả các nguồn lưu lượng phải nhất thiết truyền qua cùng một đường Phụ thuộc vào đặc tính lưu lượng, các LSP khác nhau có thể được tạo ra cho các gói với các yêu cầu cấp độ dịch vụ khác nhau

Bảng 1 biểu diễn từng bước hoạt động của mạng MPLS xảy ra khi có gói dữ liệu trong miền MPLS

Bảng1: Các bước hoạt động

Hoạt động MPLS Mô tả

Tạo nhãn và phân phối nhãn Trước khi bắt đầu truyền bất cứ lưu

lượng nào, router tạo quyết định ràngbuộc nhãn với một FEC nhất định vàxây dựng bảng của nó

Trong LDP, luồng xuống router khởiphát sự phân bố nhãn và ràng buộcFEC/nhãn

Ngoài ra, các đặc tính liên quan tớilưu lượng và khả năng MPLS đượcdàn xếp sử dụng LDP

Một giao thức truyền tải tin cậy vàtrật tự được sử dụng để làm giao thứcbáo hiệu LDP sử dụng TCP

Tạo bảng Khi nhận được ràng buộc nhãn, mỗi

LSRs tạo các đầu vào trong bảng cơ

sở dữ liệu nhãn (LIB) Nội dung của bảng sẽ xác định ánh xạgiữa nhãn và FEC

Ánh xạ giữa port lối vào và bảng nhãn

đầu vào tới port lối ra và bảng nhãnđầu ra

Các lối vào được cập nhật bất cứ khinào nhận ra có ràng buộc nhãn xảy ra Tạo tuyến chuyển mạch nhãn Như đường đứt đoạn trong hình 3.1,

các LSP được tạo theo hướng ngược lại với sự tạo thành các lối vào trong LIB

Chèn nhãn/tìm kiếm bảng Router đầu tiên (LER1 trong hình 3.1)

sử dụng bảng LIB để tìm chặng tiếp theo và yêu cầu nhãn với một FEC nhất định

Chuỗi router con sử dụng nhãn để tìmchặng tiếp theo

Khi một gói tới LSR biên lối ra (LSR4), nhãn sẽ bị bỏ và gói được cấp tới đích

Chuyển tiếp gói Từ hình 3.1 chúng ta hãy xem con

đường của một gói khi nó đi tới đích

từ LSR1, LSR biên lối vào, tới LSR4, LSR biên lối ra

LER1 có thể không có bất kì nhãn nàocho gói này khi xảy ra yêu cầu này lần đầu tiên Trong mạng IP, nó sẽ tìmđịa chỉ dài nhất để tìm các bước tiếp theo LSR1 là bước tiếp theo của LER1

LER1 sẽ khởi phát các yêu cầu nhãntới LSR1

Yêu cầu này sẽ được phát trên toànmạng như hình 3.1 LDP sẽ xác địnhđường dẫn ảo đảm bảo QoS, CoS

Mỗi bộ định tuyến trung gian LSR2