Công nghệ MPLS với hoạt động phân phối nhãn và chuyển mạch gói tin_Full Code

1.1 Tổng quan về MPLSMPLS đó là từ viết tắt của MultiProtocol label Switching hay còn gọi là chuyển mạch nhãn đa giao thức. MPLS là một công nghệ lai kết hợp những đặc điểm tốt nhất giữa định tuyến lớp 3 (layer 3 routing) và chuyển mạch lớp 2 (layer 2 switching) cho phép chuyển tải các gói rất nhanh trong mạng lõi (core) và định tuyến tốt ở các mạng biên (edge) bằng cách dựa vào nhãn (label)..1.2 Các công nghệ nền tảng1.2.1 Công nghệ IPIP là chữ viết tắt của Internet Protocol (giao thức Internet). Là giao thức chuyển tiếp gói tin. Việc chuyển tiếp thực hiện theo cơ chế phi kết nối. IP định nghĩa cơ cấu đánh số, cơ cấu chuyển tin, cơ cấu định tuyến và các chức năng điều khiển ở mức thấp (giao thức bản tin điều khiển internet ICMP)1.2.2 Công nghệ ATMATM là viết tắt của từ Asychronous Transfer Mode còn gọi là phương thức truyền tin không đồng bộ. ATM là một kỹ thuật truyền tin tốc độ cao, nó có thể nhận thông tin ở nhiều dạng khác nhau như thông tin thoại, số liệu video … và cắt nhỏ tín hiệu này thành các phần nhỏ riêng biệt gọi là tế bào, sau khi được chia nhỏ các tế bào này được chuyển qua một kết nối ảo gọi là virtual connection (VC). 1.3 Ưu điểm và ứng dụng của MPLS1.3.1 Ưu điểmMặc dù thực tế rằng MPLS ban đầu được phát triển với mục đích để giải quyết việc chuyển tiếp gói tin, nhưng ưu điểm chính của MPLS trong môi trường mạng hiện tại lại từ khả năng điều khiển lưu lượng của nó. Một số ưu điểm của MPLS là:Chuyển tiếp đơn giản.Tích hợp định tuyến và chuyển mạch.Thuận lợi trong tích hợp IP+ATM.Cho phép định tuyến tường minh trong IP.Di chuyển xử lý gói về biên, đơn giản họat động trong mạng lõi.Quản lý chung cho hai lớp mạng và tuyến dữ liệu, kỹ thuật đơn giản.Chuyển tiếp nhanh, đơn giản, rẻ tiền.Mạng hội tụ ngày càng được tiến gần hơn.1.3.2 Ứng dụng của MPLSTích hợp IP và ATMDịch vụ mạng riêng ảo (VPN)Điều khiển lưu lượngChương 2: Cấu trúc gói tin cấu trúc nhãn trong MPLS2.1 Cấu trúc gói tin trong công nghệ IPCác gói tin IP bao gồm dữ liệu từ lớp trên đưa xuống và thêm vào một IP header2.2 Nhãn trong MPLSNhãn là một thực thể có độ dài ngắn và cố định. Nhãn không trực tiếp mã hoá thông tin của mào đầu lớp mạng như địa chỉ mạng. Nhãn được gắn vào một gói tin cụ thể sẽ đại diện cho một FEC (Forwarding Equivalence ClassesNhóm chuyển tiếp tương đương) mà gói tin được ấn định.2.2.1 Nhãn trong chế độ khungTrong chế độ khung này Khi một router cạnh – edge router (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.Router sẽ chèn thêm vào giữa frame header và IP header thành phần nhãn sử dụng trong MPLS. Trong thành phần Frame Header sẽ có thành phần PID để xác định thành phần nhãn phía sau. Trong thành phần nhãn cũng có các bit S để xác định thứ tự nhãn và vị trí bắt đầu của một IP Header.Edge router sẽ chuyển gói tin đến hop kế tiếp.2.2.2 Nhãn trong chế độ dùng CellỞ chế độ này dùng khi có một mạng gồm các ATMLSR dùng MPLS trong mặt phẳng điều khiển để trao đổi thông tin VPIVCI thay vì dùng báo hiệu ATM. Trong chế độ này nhãn chính là VPIVCI. 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 VPIVCI để chuyển gói tin đi qua mạng lõi theo đường mạch ảo (ở đây là LSP) để chuyển gói tin đi.Chương 3: Hoạt động phân phối nhãn và chuyển mạch gói tin trong MPLS3.1 Các giao thức phân phối nhãn của MPLS 3.1.1 Giao thức phân phối nhãn LDP(Label Distribution protocol)LDP là từ viết tắt của Label Distribution protocol. LDP có thể hoạt động giữa các LSR kết nối trực tiếp hay không được kết nối trực tiếp. Các LSR sử dụng LDP để hoán đổi thông tin ràng buộc FEC và nhãn được gọi là các thực thể đồng cấp LDP, chúng hoán đổi thông tin này bằng việc xây dựng các phiên LDP.3.1.2 Giao thức dành trước tài nguyên (RSVP)RSVP là giao thức báo hiệu đóng vai trò quan trọng trong mạng MPLS, nó được sử dụng để dành trước tài nguyên cho một phiên truyền trong mạng. Nó cho phép các ứng dụng thông báo về yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS) với mạng và mạng sẽ đáp ứng bằng các thông báo thành công hay thất bại3.1.3 Giao thức phân phối nhãn dựa trên ràng buộc CRLDPGiao thức phân phối nhãn dựa trên ràng buộc CRLDP (Constraintbased RoutingLDP) được sử dụng để điều khiển cưỡng bức LDP. Giao thức này là phần mở rộng của LDP cho quá trình định tuyến cưỡng bức của LSP. Cũng giống như LDP, nó sử dụng các phiên TCP giữa các LSR đồng cấp để gửi các bản tin phân phối nhãn.3.1.4 Giao thức BGP với việc phân phối nhãnBGP (Border Gateway Protocol) là giao thức tìm đường nòng cốt trên Internet. Nó hoạt động dựa trên việc cập nhật một bảng chứa các địa chỉ mạng cho biết mối liên kết giữa các hệ thống tự trị AS (Autonomous System tập hợp các hệ thống mạng dưới cùng sự điều hành của một nhà quản trị mạng, thông thường là một nhà cung cấp dịch vụ Internet, ISP). 3.2 Hoạt động của MPLSĐể gói tin truyền qua mạng MPLS phải thực hiện các bước sau:1.Tạo và phân phối nhãn2.Tạo bảng cho mỗi bộ định tuyến 3.Tạo đường chuyển mạch nhãn4. Gán nhãn dựa trên tra cứu bảng5. Truyền gói tin.Chương 4 Mô phỏng ứng dụng mạng riêng ảo VPN MPLS trên phần mềm GNS34.1 Tổng quan về mạng riêng ảo MPLSVPNVPN là mạng riêng ảo của khách hàng dựa trên cơ sở hạ tầng mạng công cộng internet. VPN bùng nổ vào năm 1997 và ngày càng được nhiều nhà cung cấp đưa ra nhưng giải pháp riêng về VPN cho khách hàng của họ. VPN cho phép thành lập các kết nối riêng với nhưng người dùng ở xa, các văn phòng chi nhanh của doanh nghiệp và đối tác sử dụng chung một mạng công cộng. Các router LER sử dụng các bảng định tuyến ảo (vitual routing table) cho từng khách hàng nhằm cung cấp khả năng kết nối vào mạng của nhà cung cấp cho nhiều khách hàng. Khách hàng hoàn toàn có thể dùng các địa chỉ IP trùng nhau(overlap addresses).4.2 Phần mềm GNS3GNS3 là phần mềm dùng để giả lập cisco router do Cristophe Fillot viết ra, nó tương tự như VMWare. Tuy nhiên nó sử dụng IOS thực của Cisco để giả lập router.Phần mềm này được viết ra nhằm:Giúp mọi người làm quen với thiết bị Cisco.Kiểm tra và thử nghiệm những tính năng trong cisco IOS.Test các mô hình mạng trước khi đi vào cấu hình thực tế.4.3 Nội dung mô phỏngBài lab mô phỏng mạng đồng trục gồm có 4 router lõi LSR1,2,3,4 sử dụng công nghệ MPLS và 2 router biên LER1,2 với LER1 kết nối trực tiếp với LSR1 và LER2 kết nối trưc tiếp với LSR3. 2 router biên dùng để chuyển tiếp từ mang IP hay bất cứ mạng nào khác từ khách hàng vào mạng MPLS. Mạng khách hàng ở bài lab này chúng ta mô phỏng cho khách hàng đó là khách hàng 1 và 2, tương ứng với KH1A,KH1B là router của khách hàng 1. KH2A,KH2B tương ứng là router của khách hàng 2.Trong bài lab chúng ta sử dụng dải IP là 192.168.0.0

1.3 Ưu điểm và ứng dụng của MPLS

1.3.1 Ưu điểm

Mặc dù thực tế rằng MPLS ban đầu được phát triển với mục đích để giải quyết việc chuyển tiếp gói tin, nhưng ưu điểm chính của MPLS trong môi trường mạng hiện tại lại từ khả năng điều khiển lưu lượng của nó Một số ưu điểm của MPLS là:

 Chuyển tiếp đơn giản

 Tích hợp định tuyến và chuyển mạch

 Thuận lợi trong tích hợp IP+ATM

 Cho phép định tuyến tường minh trong IP

 Di chuyển xử lý gói về biên, đơn giản họat động trong mạng lõi

 Quản lý chung cho hai lớp mạng và tuyến dữ liệu, kỹ thuật đơn giản

 Chuyển tiếp nhanh, đơn giản, rẻ tiền

 Mạng hội tụ ngày càng được tiến gần hơn

1.3.2 Ứng dụng của MPLS

 Tích hợp IP và ATM

TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN

 Dịch vụ mạng riêng ảo (VPN)

 Điều khiển lưu lượng

Chương 2: Cấu trúc gói tin cấu trúc nhãn trong MPLS 2.1 Cấu trúc gói tin trong công nghệ IP

Các gói tin IP bao gồm dữ liệu từ lớp trên đưa xuống và thêm vào một IP header

2.2 Nhãn trong MPLS

Nhãn là một thực thể có độ dài ngắn và cố định Nhãn không trực tiếp mã hoá thông tin của mào đầu lớp mạng như địa chỉ mạng Nhãn được gắn vào một gói tin cụ thể

sẽ đại diện cho một FEC (Forwarding Equivalence Classes-Nhóm chuyển tiếp tương

đương) mà gói tin được ấn định

2.2.1 Nhãn trong chế độ khung

Trong chế độ khung này Khi một router cạnh – edge router (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

 Router sẽ chèn thêm vào giữa frame header và IP header thành phần nhãn sử dụng trong MPLS Trong thành phần Frame Header sẽ có thành phần PID để xác định thành phần nhãn phía sau Trong thành phần nhãn cũng có các bit S để xác định thứ tự nhãn và vị trí bắt đầu của một IP Header

 Edge router sẽ chuyển gói tin đến hop kế tiếp

ảo (ở đây là LSP) để chuyển gói tin đi

Chương 3: Hoạt động phân phối nhãn và chuyển mạch gói tin trong MPLS

3.1 Các giao thức phân phối nhãn của MPLS

3.1.1 Giao thức phân phối nhãn LDP(Label Distribution protocol)

LDP là từ viết tắt của Label Distribution protocol LDP có thể hoạt động giữa các LSR kết nối trực tiếp hay không được kết nối trực tiếp Các LSR sử dụng LDP để hoán đổi thông tin ràng buộc FEC và nhãn được gọi là các thực thể đồng cấp LDP, chúng hoán đổi thông tin này bằng việc xây dựng các phiên LDP

TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN

3.1.2 Giao thức dành trước tài nguyên (RSVP)

RSVP là giao thức báo hiệu đóng vai trò quan trọng trong mạng MPLS, nó được

sử dụng để dành trước tài nguyên cho một phiên truyền trong mạng Nó cho phép các ứng dụng thông báo về yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS) với mạng và mạng sẽ đáp ứng bằng các thông báo thành công hay thất bại

3.1.3 Giao thức phân phối nhãn dựa trên ràng buộc CR-LDP

Giao thức phân phối nhãn dựa trên ràng buộc CR-LDP (Constraint-based LDP) được sử dụng để điều khiển cưỡng bức LDP Giao thức này là phần mở rộng của LDP cho quá trình định tuyến cưỡng bức của LSP Cũng giống như LDP, nó sử dụng các phiên TCP giữa các LSR đồng cấp để gửi các bản tin phân phối nhãn

Routing-3.1.4 Giao thức BGP với việc phân phối nhãn

BGP (Border Gateway Protocol) là giao thức tìm đường nòng cốt trên Internet Nó hoạt động dựa trên việc cập nhật một bảng chứa các địa chỉ mạng cho biết mối liên kết giữa các hệ thống tự trị AS (Autonomous System - tập hợp các hệ thống mạng dưới cùng

sự điều hành của một nhà quản trị mạng, thông thường là một nhà cung cấp dịch vụ Internet, ISP)

3.2 Hoạt động của MPLS

Để gói tin truyền qua mạng MPLS phải thực hiện các bước sau:

1.Tạo và phân phối nhãn

2.Tạo bảng cho mỗi bộ định tuyến

3.Tạo đường chuyển mạch nhãn

4 Gán nhãn dựa trên tra cứu bảng

5 Truyền gói tin

Chương 4 Mô phỏng ứng dụng mạng riêng ảo VPN MPLS trên phần mềm GNS3 4.1 Tổng quan về mạng riêng ảo MPLS-VPN

VPN là mạng riêng ảo của khách hàng dựa trên cơ sở hạ tầng mạng công cộng internet VPN bùng nổ vào năm 1997 và ngày càng được nhiều nhà cung cấp đưa ra nhưng giải pháp riêng về VPN cho khách hàng của họ VPN cho phép thành lập các kết nối riêng với nhưng người dùng ở xa, các văn phòng chi nhanh của doanh nghiệp và đối tác sử dụng chung một mạng công cộng Các router LER sử dụng các bảng định tuyến ảo (vitual routing table) cho từng khách hàng nhằm cung cấp khả năng kết nối vào mạng của

 Phần mềm này được viết ra nhằm:

 Giúp mọi người làm quen với thiết bị Cisco

 Kiểm tra và thử nghiệm những tính năng trong cisco IOS

 Test các mô hình mạng trước khi đi vào cấu hình thực tế

4.3 Nội dung mô phỏng

Bài lab mô phỏng mạng đồng trục gồm có 4 router lõi LSR1,2,3,4 sử dụng công nghệ MPLS và 2 router biên LER1,2 với LER1 kết nối trực tiếp với LSR1 và LER2 kết nối trưc tiếp với LSR3 2 router biên dùng để chuyển tiếp từ mang IP hay bất cứ mạng nào khác từ khách hàng vào mạng MPLS Mạng khách hàng ở bài lab này chúng ta mô phỏng cho khách hàng đó là khách hàng 1 và 2, tương ứng với KH1A,KH1B là router của khách hàng 1 KH2A,KH2B tương ứng là router của khách hàng 2

Trong bài lab chúng ta sử dụng dải IP là 192.168.0.0

TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN

Hình 4.3: Bảng forwarding-table của router LSR1 Hình 4.4: Bảng forwarding-table của router LSR2

Hình 4.5: Bảng forwarding-table của router LSR3 Hình 4.6: Bảng forwarding-table của router LSR4

4.4.2 Bảng định tuyến router khách hàng

Hình 4.7 Bảng định tuyến route KH1A Hình 4.8 Bảng định tuyến route KH1B

Hình 4.9 Bảng định tuyến route KH2A Hình 4.10 Bảng định tuyến route KH2B

TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN

4.4.3 Ping để kiểm tra kết nối của khách hàng

Hình 4.11 Bảng kiểm tra kết nối mạng khách hàng 1 Hình 4.12 Bảng kiểm tra kết nối mạng khách hàng 1

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất

cứ đồ án hoặc công trình đã có từ trước

Đà Nẵng, ngày 6 tháng 1 năm 2012

Người cam đoan

Trịnh Xuân Đại

MỤC LỤC

CÁC TỪ VIẾT TẮT …… 1

LỜI MỞ ĐẦU …… 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MPLS …… 6

1.1 Giới thiệu chương …… 6

1.2 Giới thiệu về MPLS …… 6

1.2.1 Khái niện MPLS …… 6

1.2.2 Lịch sử ra đời của MPLS …… 7

1.3 Công nghệ chuyển mạch nền tảng …… 7

1.3.1Công nghệ IP …… 7

1.3.2 Công nghệ ATM …… 9

1.3.3 Công nghệ MPLS là sự kết hợp giữa hai công nghệ IP và ATM …… 9

1.4 MPLS trong mô hình OSI …….10

1.4.1 Mô Hình OSI …….10

1.4.2 MPLS trong mô hình OSI …….11

1.5 Một số khái niệm thường gặp trong MPLS …….12

1.5.1 FEC Chuyển tiếp tương đương …….12

1.5.2 Đường dẫn chuyển mạch nhãn (LSP) …….12

1.5.3 Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn (LSR) …….13

1.5.4 Miền MPLS (MPLS domain) …….13

1.5.5 Nhãn và stack nhãn …….14

1.5.6 Upstream và Downstream …….14

1.6 Cấu trúc nút của MPLS …….15

1.6.1 Bảng tra FIB và LFIB …….16

1.6.2 Mặt phẳng chuyển tiếp …….16

1.6.3 Mặt phẳng điều khiển …….16

1.7 Ưu điểm và ứng dụng của MPLS …….17

1.7.1 Ưu điểm của MPLS …….17

1.7.2 Một số ứng dụng của MPLS …….17

1.8 Kết Luận chương …….18

MỤC LỤC

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC GÓI TIN TRONG MPLS …….19

2.1 Giới thiệu chương …….19

2.2 Cấu trúc gói tin trong công nghệ IP …….19

2.2.2 Phân mảnh …….20

2.2.3 Cấu trúc gói tin Ipv4 …….22

2.3 Nhãn trong MPLS …….28

2.3.1 Nhãn trong chế độ dùng frame …….29

2.3.2 Nhãn trong chế độ dùng Cell …….31

2.4 Ngăn xếp nhãn(Label stack) …….32

2.5 Kết luận chương …….33

CHƯƠNG 3: HOẠT ĐỘNG PHÂN PHỐI NHÃN VÀ CHUYỂN MẠCH GÓI TIN TRONG MPLS …….34

3.1 Giới thiệu chương …….34

3.2 Các giao thức phân phối nhãn của MPLS …….34

3.2.1 Giao thức phân phối nhãn LDP(Label Distribution Protocol) …….34

3.2.1.1 Các bản tin LDP …….35

3.2.1.2 Cấu trúc bản tin LDP …….36

3.2.1.3 Phát hiện LSR lân cận …….38

3.2.1.4 Thiết lập và duy trì phiên LDP …….39

3.2.2 Giao thức dành trước tài nguyên (RSVP) …….40

3.2.2 1 Bản tin Path …….41

3.2.2.2 Bản tin RESV …….44

3.2.2.3 Quá trình xây dựng LSP …….45

3.2.3 Giao thức phân phối nhãn dựa trên ràng buộc CR-LDP …….48

3.2.4 Giao thức BGP với việc phân phôi nhãn …….48

3.3 Hoạt động của MPLS …….49

3.3.1 Các hoạt động của MPLS …….49

3.3.2 Chế độ hoạt động khung …….51

3.3.3 Chế độ hoạt động tế bào MPLS …….53

MỤC LỤC

3.3.4 Hoạt động của MPLS khung trong mạng ATM-LSR …….57

3.4 Kết luận chương …….59

CHƯƠNG 4 : MÔ PHỎNG ỨNG DỤNG MẠNG RIÊNG ẢO MPLS-VPN TRÊN PHẦN MỀM GNS3 …….60

4.1 Giới thiệu chương …….60

4.2 Tổng quan về mạng riêng ảo MPLS-VPN …….60

4.3 Phần mềm GNS3 …….62

4.4 Nội dung và kết quả mô phỏng …….63

4.4.1 Nội dung mô phỏng …….63

4.4.2 Các bước cấu hình …….64

4.4.3 Kết quả mô phỏng …….65

4.4.3.1 Bảng forwarding-table …….65

4.4.3.2 Bảng định tuyến router khách hàng …….68

4.4.3.3 Ping để kiểm tra kết nối của khách hàng …….70

4.5 Kết luận chương …….72

Kết luận và hướng phát triển đề tài …….73

Tài liệu tham khảo …….74

CÁC TỪ VIẾT TẮT

BGP Border Gateway Protocol Giao thức cổng biên

CR Constraint-based Routing Định tuyến ràng buộc

CR-LDP Constraint-based Routing LDP Giao thức phân phối nhãn ràng buộc CSPF Constrained Shortest Path First Giao thức chọn đường ngắn nhất

ràng buộc

FDDI Fiber Distributed Data Interface Giao diện phân bố sợi

FEC Forwarding Equivalence Class Lớp chuyển tiếp tương đương

FIB Forwarding Information Base Bảng chuyển tiếp gói

IETF Internet Engineering Task Force Nhóm đặc trách kĩ thuật Internet

IGP Interior Gateway Protocol Giao thức cổng nội

CÁC TỪ VIẾT TẮT

ISP Internet Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ internet

LDP Label Distribution Protocol Giao thức phân phối nhãn

LER Label Edge Router Bộ định tuyến biên

LFIB Label Forwarding Information

Base

Bảng chuyển tiếp nhãn

LIB Label Information Base Bảng nhãn

LSP Label Switched Path Đường dẫn chuyển mạch nhãn

LSR Label Switching Router Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn

MTU Maximun Tranfer Unit Kích thức tối đa mạng bên dưới xử lí MPLS Multi-Protocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức

OSI Open Systems Interconnection Mô hình kết nối các hệ thống mở

OSPF Open Shortest Path First Giao thức chọn đường ngắn nhất

mở rộng

PDU Protocol Data Unit Dữ liệu giao thức

PPP Point-to-Point Protocol Giao thức điểm nối điểm

PE Provider Edge router Route biên của nhà cung cấp dịch vụ

CÁC TỪ VIẾT TẮT

PVC Permanent Virtual Circuit Kênh ảo vĩnh viễn

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

RRO Record Route Object hồ sơ tuyến đường các đối tượng

RIB Routing Information Base Bảng định tuyến

RIP Routing Information Protocol Giao thức thông tin định tuyến

RSVP Resource Resevation Protocol Giao thức dành trước tài nguyên

TCP Transmistion Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn

TLV Type Length Value Mã hoá kiểu độ dài giá trị

UDP User Datagram Protocol Giao thức dữ liệu người dùng

VCI Virtual Circuit Indentifier Định danh kênh ảo

VRF Virtual Routing and Forwarding Định tuyến và chuyển tiếp ảo

VPI Virtual Path Indentifier Định danh đường ảo

VPN Virtual Private Network Mạng riêng ảo

LỜI NÓI ĐẦU LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay Khoa học công nghệ ngày càng phát triển hiện đại và đạt được nhiều thành tựu tiên tiến giúp cho con người chúng ta ngày càng thuận tiện cho việc thông tin liên lạc và trao đổi thông tin Khi Internet ra đời và phát triển mạnh mẽ đã giúp chúng ta rất nhiều trong công cuộc phát triển của mình, và nhu cầu sự dụng ngày càng tăng với các dịch vụ đa phương tiện không ngừng dược phát triển mà gia tăng đòi hỏi có một công nghệ đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ, truyền dẫn tốt, trễ gói thấp cũng như băng thông đảm bảo với chi phí vừa phải

Công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS multiprotocol label switching) là một công nghệ lai kết hợp những đặc điểm tốt nhất giữa định tuyến lớp 3 (layer 3 routing) và chuyển mạch lớp 2 (layer 2 switching) cho phép chúng ta tải các gói nhanh hơn với việc sử dụng một mạng lõi (core) và việc định tuyến hoàn tàn thực hiện ở mạng biên (edge) bằng cách sử dụng nhãn (label) Sự ra đời của MPLS là một giải pháp quan trọng đối với sự bùng nổ công nghệ thông tin và truyền thông ngày nay, nó đã mang lại rất nhiều lợi ích cũng như ứng dụng cụ thể mà chúng ta có thể khai thác triệt để tài nguyên mạng với chi phí chấp nhận được

Vậy MPLS là gì? Nó có cấu trúc gói tin, hoạt động chuyển mạch và phân phối nhãn như thế nào? Cách thức để cấu hình một trong những ứng dụng tiêu biểu nhất đó là mạng riêng ảo MPLS VPN như thế nào? Tất cả nhưng vấn đề trên sẽ được trình bày cụ

thể trong đồ án tốt nghiệp “Công nghê MPLS với hoạt động phân phối nhãn và chuyển

mạch gói tin”

Bố cục của đồ án gồm có 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về MPLS

Chương 2: Cấu trúc gói tin và cấu trúc nhãn trong MPLS

Chương 3: Hoạt động phân phối nhãn và chuyển mạch gói tin trong MPLS

LỜI NÓI ĐẦU

Chương 4: Mô phỏng ứng dụng mạng riêng ảo MPLS-VPN trên phần mềm GNS3

Công nghệ MPLS là một công nghệ rộng lớn và mới mẻ, việc tìm hiểu hiểu sâu về các vấn đề cụ thể của công nghệ đòi hỏi phải có một kiếm thức chuyên ngành sâu rộng, cùng một thời gian tìm hiểu dài lâu Do vậy đồ án của em không tránh khỏi những thiếu sót Kính mong thầy cô nhận xét và đánh giá, giúp e hoàn thiện đồ án này

Em xin chân thành cảm ơn thầy Huỳnh Thanh Tùng đã giúp đỡ e tận tình trong suốt quá trình e hoàn thành đồ án này

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MPLS

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MPLS (CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC) 1.1 Giới thiệu chương

Ngày nay khoa học công nghệ phát triển ngày càng hiện đại, việc trao đổi thông tin giữa con người ngày càng tăng lên không ngừng, ở mọi khoảng cách địa

lí xa cũng như gần các công nghệ chuyển mạch truyền thống như X25, ATM… ngày càng quá tải và trở nên lạc hậu theo thời gian với những vấn để khó khăn trong mạng hiện nay như tốc độ, quy mô, chất lượng dịch vụ, quản trị và kỹ thuật lưu lượng Chính vì vậy sự ra đời của công nghệ chuyển mạch mới là một xu hướng tất yếu Và MPLS ra đời đáp ứng do nhu cầu ngày càng tăng về chất lượng cũng như quy mô của người dùng Ở chương 1 này chúng ta sẽ tìm hiểu về tổng quan công nghệ MPLS cũng như lịch sử hình thành, các ứng dụng tiêu biểu cũng như ưu nhược điểm của công nghệ này

1.2 Giới thiệu về MPLS

1.2.1 Khái niện MPLS

MPLS đó là viết tắt của Multi-Protocol Label Switching hay còn gọi là chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS là một công nghệ lai kết hợp những đặc điểm tốt nhất giữa định tuyến lớp 3 (layer 3 routing), và chuyển mạch lớp 2 (layer

2 switching) cho phép chuyển tải các gói rất nhanh trong mạng lõi (core) và định tuyến tốt ở các mạng biên (edge) bằng cách dựa vào nhãn (label) Giống như các mạng chuyển mạch, Nó là một biện pháp linh hoạt để giải quyết những vấn để khó khăn trong mạng hiện nay như tốc độ, quy mô, chất lượng dịch vụ, quản trị và kỹ thuật lưu lượng

MPLS là cơ chế chuyển mạch nhãn do Cissco phát triển và được IETF chuẩn hóa trong khuyến nghị RFC 3031

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MPLS

1.2.2 Lịch sử ra đời của MPLS

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 bộ định tuyến (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 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 trong thời kỳ mới

1.3 Công nghệ chuyển mạch nền tảng

1.3.1 Công nghệ IP

IP là chữ viết tắt của Internet Protocol (giao thức Internet) Là giao thức chuyển tiếp gói tin Việc chuyển tiếp thực hiện theo cơ chế phi kết nối IP định nghĩa cơ cấu đánh số, cơ cấu chuyển tin, cơ cấu định tuyến và các chức năng điều khiển ở mức thấp (giao thức bản tin điều khiển Internet – ICMP)

Mỗi gói tin IP sẽ bao gồm một địa chỉ IP nguồn và một địa chỉ IP đích Nó giống với việc đánh số nhà vậy Tất nhiên, hệ thống “số nhà” trên Internet phức tạp và thú vị hơn nhiều so với nhà cửa trong thực tế

Mỗi thiết bị trong một mạng IP được chỉ định bằng một địa chỉ vĩnh viễn (IP tĩnh) bởi nhà quản trị mạng hoặc một địa chỉ tạm thời, có thể thay đổi (IP động) thông qua công cụ DHCP (giao thức cấu hình hoạt động sẽ tự động xác định địa chỉ IP tạm thời) ngay trên Windows Server Các Router (bộ định tuyến), Firewall (tường lửa) và máy chủ proxy dùng địa chỉ IP tĩnh còn máy khách có thể dùng IP tĩnh hoặc động

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MPLS

Cơ cấu định tuyến có nhiệm vụ tính toán đường đi tới các nút trong mạng

Do vậy, cơ cấu định tuyến phải được cập nhật các thông tin về mô hình mạng và

nó phải có khả năng hoạt động trong môi trường mạng gồm nhiều nút Kết quả tính toán của cơ cấu định tuyến được lưu trong các bảng chuyển tin chứa thông tin

về chặng tiếp theo để có thể gửi gói tin tới hướng đích

Dựa trên các bảng chuyển tin, cơ cấu chuyển tin chuyển mạch các gói IP hướng tới đích Phương thức chuyển tin truyền thống là theo từng chặng một Ở cách này mỗi nút mạng phải tính toán bảng chuyển tin một cách độc lập Do vậy phương thức này yêu cầu kết quả tính toán của phần định tuyến tại tất cả các nút phải nhất quán với nhau Sự không thống nhất của kết quả này đồng nghĩa với việc mất gói tin

Kiểu chuyển tin theo từng chặng hạn chế khả năng của mạng Ví dụ với phương thức này, nếu các gói tin chuyển tới cùng một địa chỉ mà đi qua cùng một nút thì chúng sẽ được quyền qua cùng một tuyến tới điểm đích Điều này khiến mạng không thể thực hiện một số chức năng khác như định tuyến theo đích, theo loại hình dịch vụ …

Tuy nhiên, bên cạnh đó, phương thức định tuyến và chuyển tin này nâng cao

độ tin cậy cũng như khả năng mở rộng của mạng Giao thức định tuyến mở rộng cho phép mạng phản ứng lại với sự cố bằng việc thay đổi tuyến khi bộ định tuyến biết được sự thay đổi về đồ hình mạng thông qua việc cập nhật thông tin về trạng thái kết nối Với các phương thức như định tuyến liên miền không phân cấp (Classless Interdomain Routing – CIDR), kích thước của bảng chuyển tin được duy trì ở mức chấp nhận được và việc tính toán định tuyến đều do các nút để thực hiện, mạng có thể được mở rộng mà không cần thực hiện bất kỳ sự thay đổi nào Như vậy IP là một giao thức chuyển mạch gói có độ tin cậy và khả năng mở rộng cao Nhưng việc điều khiển lưu lượng rất khó thực hiện do phương thức định tuyến theo từng chặng

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MPLS

1.3.2 Công nghệ ATM

ATM là viết tắt của từ Asychronous Transfer Mode còn gọi là phương thức gọi là virtual connection (VC) Do ATM sử dụng công nghệ truyền tin hiệu thoại, truyền tin không đồng bộ ATM là một kỹ thuật truyền tin tốc độ cao, nó có thể nhận thông tin ở nhiều dạng khác nhau như thông tin thoại, số liệu video …, và cắt nhỏ tín hiệu này thành các phần nhỏ riêng biệt gọi là tế bào, sau khi được chia nhỏ các tế bào này được chuyển qua một kết nối ảo video, dữ liệu, … nên nó được coi

là công nghệ chuyển mạch hàng đầu và thu hút được sự quan tâm hàng đầu hiện nay

Công nghệ chuyển mạch trong ATM đó là chuyển mạch hướng kết nối, kết nối từ điểm đầu tới điểm cuối phải được thiết lập trước khi gói tin được chuyển đi ATM yêu cầu kết nối phải được thực hiện bằng công nhân hoặc thiết lập một cách

tự động thông qua báo hiệu ATM không sử dụng định tuyến tại các nút trung gian như ở công nghệ IP Tuyến kết nối xuyên suốt được trước khi trao đổi dữ liệu và được giữ cố định trong thời gian kết nối Trong quá trình thiết lập kết nối, các tổng đài ATM trung gian cấp cho kết nối một nhãn Việc này thực hiện hai điều: Thứ nhất dành cho kết nối một số tài nguyên, thứ hai xây dựng bảng chuyển tế bào tại mỗi tổng đài Bảng chuyển tế bào này có tính cục bộ và chỉ chứa thông tin về các kết nối đang hoạt động đi qua tổng đài Điều này khác với thông tin về toàn mạng chứa trong bảng chuyển tin của router dùng IP

1.3.3 Công nghệ MPLS là sự kết hợp giữa hai công nghệ IP và ATM

Từ những ưu điểm và hạn chế của cả 2 công nghệ IP và MPLS các nhà khoa học đã tập trung được nhưng mặt ưu của cả 2 công nghệ này và tạo nên một công nghê lai đó là MPLS, MPLS ra đời có lẽ là giải pháp kỳ vọng cho mạng viễn thông tương lai- mạng thế hệ sau NGN

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MPLS

MPLS đáp ứng được nhu cầu mà mạng trước đó là IP và ATM không thể làm được như sự linh hoạt cho việc giải quyết các vấn đề đó là tốc độ, khả năng

mở rộng cấp độ mạng, quản lí chất lượng dịch vụ (QoS) và kỹ thuật lưu lượng

MPLS là kết quả phát triển của nhiều công nghệ chuyển mạch IP sử dụng công nghệ hoán đổi nhãn như của ATM để tăng tốc độ truyền gói tin mà không cần thay đổi các giao thức định tuyến của IP Tư tưởng khi đưa ra MPLS là định tuyến tại biển chuyển mạch tại lõi Các gói được gián nhãn tại biên của mạng và chúng được định tuyến xuyên qua mạng dựa trên các nhãn đơn giản

1.4 MPLS trong mô hình OSI

1.4.1 Mô Hình OSI

Mô hình OSI (Open System Interconnection): là mô hình được tổ chức ISO

đề xuất từ 1977 và công bố lần đầu vào 1984 Để các máy tính và các thiết bị mạng có thể truyền thông với nhau phải có những qui tắc giao tiếp được các bên chấp nhận Mô hình OSI là một khuôn mẫu giúp chúng ta hiểu dữ liệu đi xuyên qua mạng như thế nào đồng thời cũng giúp chúng ta hiểu được các chức năng mạng diễn ra tại mỗi lớp Trong mô hình OSI có bảy lớp, mỗi lớp mô tả một phần chức năng độc lập

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MPLS

Sự tách lớp của mô hình này mang lại những lợi ích sau

 Chia hoạt động thông tin mạng thành nhưng phần nhỏ hơn, giúp chúng ta dễ khảo sát và tìm hiểu hơn

 Chuẩn hóa các thành phần mạng để cho phép phát triển mạng từ nhiều nhà cung cấp sản phẩm

 Ngăn chặn tình trạng sự thay đổi của một lớp ảnh hưởng đến các lớp còn lại, như vậy giúp các lớp có thể phát triển độc lập và nhanh chóng hơn

Mô hình tham chiếu OSI định nghĩa các qui tắc cho các nội dung sau

 Cách thức các thiết bị giao tiếp và truyền thông được với nhau

 Các phương pháp để các thiết bị trên mạng khi nào thì được truyền dữ liệu, khi nào thì không được

 Các phương pháp để đẩm bảo truyền đúng dữ liệu và đúng bên nhận

 Cách thức vận tải, truyền, sắp xếp và kết nối với nhau

 Các thức đảm bảo các thiết bị mạng duy trì tốc độ truyền dữ liệu thích hợp

Mô hình tham chiếu OSI được chia thành bảy lớp với các chức năng sau

 Application layer (lớp ứng dụng): Giao diện giữa ứng dụng và mạng

 Presentation layer(Lớp trình bày): Thỏa thuận khuôn dnagj trao đổi dữ liệu

 Session Layer (Lớp phiên): Cho phép người dùng thiết lập các kết nôi

 Transport Layer (Lớp vận chuyển): Đảm bảo truyền thông giữa 2 hệ thống

 Network Layer (Lớp mạng): Định hướng dữ liệu truyền trong môi trường liên mạng

 Data link Layer (Lớp liên kết dữ liệu): Xác định việc truy suất đến các thiết

bị

 Physical Layer (Lớp vật lí): Chuyển đổi dữ liệu thành các bit và truyền đi

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MPLS

1.4.2 MPLS trong mô hình OSI

Trong mô hình OSI MPLS nằm trên lớp 2 nhưng ở dưới lớp 3 nên đôi khi chúng ta có thể gọi là lớp 2,5

Hình 1.1 MPLS trong mô hình OSI

1.5 Một số khái niệm thường gặp trong MPLS

1.5.1 FEC Chuyển tiếp tương đương

Lớp chuyển tiếp tương đương FEC (Forwarding Equivalence Class) là tập hợp các gói tin được ưu tiên như nhau trong quá trình vận chuyển Tất cả các gói trong một nhóm được đối xử như nhau trên đường tới đích Trong MPLS các gói tin riêng biệt được gán vào các FEC riêng ngay sau khi chúng vào mạng

1.5.2 Đường dẫn chuyển mạch nhãn (LSP)

Hình 1.2: Đường chuyển mạch nhãn LSP

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MPLS

Đường dẫn chuyển mạch nhãn LSP (Label Switch Path) là một đường nối giữa router ngỏ vào và router ngỏ ra, được thiết lập bởi các nút MPLS để truyền các gói đi xuyên qua mạng Đường dẫn của một LSP qua mạng được định nghĩa bởi sự chuyển đổi các giá trị nhãn ở các router dọc theo LSP bằng cách dùng thủ tục hoán đổi nhãn

1.5.3 Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn (LSR)

Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn LSR (Label Switching Router) là bộ định tuyến có hỗ trợ MPLS, bao gồm các giao thức điều khiển MPLS, các giao thức định tuyến lớp mạng và cách thức xử lý nhãn MPLS LSR gồm 2 loại:

- LSR biên (hay LER: Label Edge Router): Cung cấp giao tiếp giữa mạng IP với LSP, gồm có LER vào (ingress-LER) và LER ra (egress-LER)

- Router trung tâm(Core LSR): Cung cấp dịch vụ chuyển tiếp qua miền MPLS sử dụng LSP được thiết lập trước

1.5.4 Miền MPLS (MPLS domain)

Miền MPLS là tập các nút mạng thực hiện hoạt động định tuyến và chuyển tiếp MPLS

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MPLS

Miền MPLS được chia thành 2 phần : Phần mạng lõi (core) và phần mạng biên (edge) Trên ngõ vào của miền MPLS, LER dán nhãn vào các gói IP và truyền trên LSP, LER ngõ ra sẽ gỡ nhãn này để khôi phục lại gói IP ban đầu

1.5.5 Nhãn và stack nhãn

Nhãn là một bộ nhận dạng có độ dài ngắn và cố định, mạng ý nghĩa cục bộ dùng để nhận biết một FEC Nhãn sẽ được dán lên một gói để báo cho LSR biết gói này cần đi đâu Phần nội dung nhãn có độ dài 20 bit Giá trị nhãn định nghĩa chỉ mục để dùng trong bảng chuyển tiếp

Một gói có thể được dán chồng nhiều nhãn, các nhãn này chứa trong một nơi gọi là stack nhãn (label stack) Stack nhãn được tổ chức theo nguyên tắc LIFO (Last In First Out) Tại mỗi hop trong mạng chỉ xử lý nhãn hiện hành trên đỉnh stack Chính nhãn này sẽ được LSR sử dụng để chuyển tiếp gói Mỗi entry nhãn có thể được thêm vào (push) hoặc lấy ra (pop) khỏi stack nhãn

1.5.6 Upstream và Downstream

Upstrem và downstream là các khái niệm then chốt để hiểu hoạt động của

sự phân phối nhãn và chuyển tiếp dữ liệu trong MPLS Dữ liệu mà router định gửi

đi cho một mạng xác định gọi là downstream, còn việc cập nhập thông tin (giao thức định tuyến hoặc phân phối nhãn) từ một router khác gọi là upstream Có thể hiểu là thông tin về nhãn của một router được chính nó gửi đi cho các LSR kế cận được gọi là downstream Còn thông tin định tuyến thì gọi là upstream

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MPLS

1.6.1 Bảng tra FIB và LFIB

Bảng tra FIB (Forwarding Information Based): Bảng này sẽ ánh xạ từ một

gói tin IP không nhãn thành gói tin MPLS có nhãn ở ngõ vào của router biên hoặc

từ gói tin IP không nhãn thành gói tin IP không nhãn ở ngõ ra của router biên, bảng này được hình thành từ bảng định tuyến, từ giao thức phân phối nhãn LDP và

từ bảng tra LFIB

Bảng tra LFIB (Label Forwarding Information Based): Là bảng chứa đựng

thông tin các nhãn đến các mạng đích, một gói tin có nhãn khi đi vào một router

nó sẽ sử dụng bảng tra LFIB để tìm ra hop kế tiếp, ngõ ra của gói tin này có thể là gói tin có nhãn cũng có thể là gói tin không nhãn

1.6.2 Mặt phẳng chuyển tiếp

Mặt phẳng chuyển tiếp sử dụng một cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn LFIB

để chuyển tiếp các gói Mỗi nút MPLS có hai bảng liên quan đến việc chuyển tiếp

là cơ sở thông tin nhãn LIB và LFIB LIB chứa tất cả các nhãn được nút MPLS đánh dấu cục bộ 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 trong LIB để thực hiện chuyển tiếp gói

1.6.3 Mặt phẳng điều khiển

Mặt phẳng điều khiển MPLS chịu trách nhiệm tạo ra và lưu trữ LIB (Label Information Base) 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

Các giao thức định tuyến nội như OSPF, RIP điều khiển việc quảng bá thông tin trong mạng để mỗi router mang thông tin về sơ đồ mạng Quá trình này

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MPLS

hình thành bảng định tuyến, gọi là bảng RIB Tương tự như việc cập nhập các giao thức định tuyến, các giao thức phân phối nhãn như LDP làm công việc hình thành nên bảng LIB Tóm lại RIB và LIB chứa thông tin về định tuyến chung nhất cho mạng

1.7 Ưu điểm và ứng dụng của MPLS

1.7.1 Ưu điểm của MPLS

Mặc dù thực tế rằng MPLS ban đầu được phát triển với mục đích để giải quyết việc chuyển tiếp gói tin, nhưng ưu điểm chính của MPLS trong môi trường mạng hiện tại lại từ khả năng điều khiển lưu lượng của nó Một số ưu điểm của MPLS là:

 Chuyển tiếp đơn giản

 Tích hợp định tuyến và chuyển mạch

 Thuận lợi trong tích hợp IP+ATM

 Cho phép định tuyến tường minh trong IP

 Di chuyển xử lý gói về biên, đơn giản họat động trong mạng lõi

 Quản lý chung cho hai lớp mạng và tuyến dữ liệu, kỹ thuật đơn giản

 Chuyển tiếp nhanh, đơn giản, rẻ tiền

 Mạng hội tụ ngày càng được tiến gần hơn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MPLS

toàn IP trên mạch ATM, MPLS cho phép chuyển mạch ATM hỗ trợ tối ưu các dịch vụ IP như IP đa hướng (multicast), lớp dịch vụ IP, RSVP (Resource Reservation Protocol) và mạng riêng ảo

 Dịch vụ mạng riêng ảo (VPN)

VPN (Virtual Private Network) cho phép khách hảng thiết lập mạng riêng giống như thuê kênh riêng nhưng với chi phí thấp hơn bằng cách sử dụng hạ tầng mạng công cộng dùng chung Kiến trúc MPLS đáp ứng tất cả các yêu cầu cần thiết

để hỗ trợ VPN bằng cách thiết lập các LSP sử dụng định tuyến tường minh Điều này cho phép các nhà khai thác cung cấp dịch vụ VPN theo cách tích hợp trên cùng hạ tầng mà họ cung cấp dịch vụ Internet Hơn nữa, cơ chế xếp chồng nhãn cho phép cấu hình nhiều VPN lồng nhau trên hạ tầng mạng

 Điều khiển lưu lượng

MPLS 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

1.8 Kết Luận chương

Trong chương 1 chúng ta đã tìm hiểu tổng quan về mô hình OSI, công nghệ

IP, ATM cũng như MPLS, chúng ra cũng tìm hiểu sơ qua về cấu trúc bên trong của một nút MPLS tạo cơ sở tiền đề để có thể tìm hiểu sâu hơn về cấu trúc gói tin, hoạt động phân phối nhãn và quá trình chuyển mạch trong công nghệ MPLS, tất cả nhưng vẫn đề này sẽ được tìm hiểu rỏ hơn ở các chương sau

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC GÓI TIN TRONG MPLS

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC GÓI TIN TRONG MPLS

2.1 Giới thiệu chương

Ở chương 1 chúng ta đã tìm hiểu tổng quan về MPLS và một số khái niệm thường gặp trong lĩnh vực này Ở chương 2 này chúng ta sẽ đi cụ thể hơn vào công nghệ MPLS với sự tìm hiểu về cấu trúc gói tin trong MPLS, khái niệm nhãn, việc

sử dụng nhãn trong chế độ dùng frame và trong chế độ dùng cell và một vài vấn đề liên quan khác

2.2 Cấu trúc gói tin trong công nghệ IP

2.2.1 MTU (Maximun Tranfer Unit)

Công nghệ IP có nhiệm vụ truyền gói tin đi qua cơ sở hạ tầng của mạng, khi mà một đơn vị dữ liệu truyền qua các host trên mạng nó phải đi qua từng router, trên nhiều kết nối vật lí Các gói này được đóng vào các khung (Frame) ở Datalink Layer

Để có thể truyền thành công được gói tin cần gửi thì kích thước mỗi đơn vị

dữ liệu phải phù hợp với kích thước tối đa mà hạ tầng mạng bên dưới có thể xử lí được Giới hạn này còn được gọi là MTU (Maximun Tranfer Unit) Mỗi liên kết trên mạng đặc trưng bởi giá trị MTU này

Hình 2.1 Các MTU khác nhau của mỗi liên kết

Hình trên là ví dụ về các MTU khác nhau của mỗi liên kết Máy chủ H2 chỉ

có thể truyền tải các gói tin chứa 1000 octet hoặc ít hơn, mà bộ định tuyến R có thể chuyển tiếp qua mạng 1 Tuy nhiên, nếu máy chủ H1 gửi đi một gói 1500 octet,

bộ định tuyến R không thể gửi nó qua mạng 2

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC GÓI TIN TRONG MPLS

2.2.2 Phân mảnh

Công nghệ IP sử dụng một kỹ thuật gọi là phân mảnh để giải quyết vấn đề của việc không đồng nhất các MTU Khi gói tin lớn hơn MTU của mạng mà nó phải đi qua thì nó được chia thành các mảnh nhỏ hơn và được gửi riêng biệt Quá

trình này được minh họa trong hình sau:

Hình 2.2 : Phân mảnh

Để phân mảnh gói tin, một máy chủ hoặc router sử dụng MTU và kích thước tiêu đề gói tin để tính toán xem gói tin được phân mảnh thành bao nhiêu gói tin khác (phải là bội số của 8 octet) Sau đó, tiêu đề của gói tin ban đầu được sao chép vào các tiêu đề của mỗi gói tin nhỏ được phân mảnh Có các trường sau đây

bị thay đổi :

 Tổng độ dài gói tin ngắn hơn

 Thêm cờ trong tất cả các mảnh cuối cùng

 Fragment offset để xác định vị trí của đoạn trong gói tin gốc

 Header checksum

Từng phân đoạn trở thành các gói tin riêng lẽ và được định tuyến độc lập như bất kì gói tin khác Điều này có thể làm cho các phân đoạn của gói tin ban đầu

đi tới đích không đúng trật tự

Tại đích quá trình xây dựng lại gói tin ban đầu được gọi là reassembly Xác định các phân đoạn thành một nhóm lại với nhau, thậm chí từ cùng một nguồn

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC GÓI TIN TRONG MPLS

Fragment offset giúp cho việc xác định vị trí của các phân đoạn

Ví dụ :

1 gói tin IP datagram chiều dài là 4000 byte , nó sẽ có 20 byte header +

3980 byte dữ liệu Mà trên đường truyền chỉ cho phép truyền tối đa là 1500 byte , cho nên gói tin sẽ phần thành 3 mảnh nhỏ Mỗi mảnh đều có header là 20 byte , còn phần dữ liệu lần lượt của 3 mảnh là 1480 byte , 1480 byte , 1020 byte Nên offset của 3 mảnh lần lượt là 0 , 1480 , 2960 Dựa vào offset để ráp lại thành mảnh lớn ở bên nhận Cuối cùng là trường Flag bên nhận xác định được mảnh cuối cùng

ID ở mỗi mảnh nhỏ = x , nghĩa là cùng thuộc 1 mảnh lớn

Hình 2.3 : Phân mảnh gói tin

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC GÓI TIN TRONG MPLS

2.2.3 Cấu trúc gói tin Ipv4

Hình 2.4 : Cấu trúc gói tin IP

Các gói tin IP bao gồm dữ liệu từ lớp trên đưa xuống và thêm vào một IP header

IP header bao gồm các thành phần sau :

Hình 2.5 : Cấu trúc header

 Trường phiên bản

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC GÓI TIN TRONG MPLS

Version chỉ ra phiên bản của trình nghị thức IP đang được dùng là Ipv4 (0100) hoặc Ipv6 (0110), có 4 bít Nếu trường này khác với phiên bản IP của thiết

bị nhận thì thiết bị nhận sẽ từ chối và loại bỏ gói tin này

 Độ Dài Tiêu Đề IP (HLEN)

Chỉ ra độ dài của tiêu đề, mỗi đơn vị là 1 word = 32bit = 4byte Ở đây trường độ dài tiêu đề có 4bit, nên độ dài tiêu đề tối đa là 60 byte (đó là bao gồm cả chiều dài trường Options và Padding, độ dài tối đa khi không bao gồm độ dài của trường Options và Padding là 24 byte ) Giá trị bình thường của trường này khi không có Options được sử dụng là 5 ( độ dài tiêu đề là 20 byte ) Đây là chiều dài của tất cả các thông tin tiêu đề Trường này cũng giúp ta xác định byte đầu tiên của dữ liệu nằm ở đâu trong gói tin IP datagram

 Các Dạng Dịch Vụ ( Type of Services –TOS )

Đặc tả các tham số về dịch vụ nhằm thông báo cho mạng biết dịch vụ nào

mà gói tin muốn được sử dụng, chẳng hạn ưu tiên, thời hạn chậm trễ, năng suất truyền và độ tin cậy

 Precedence

3 bit chỉ thị về quyền ưu tiên gửi datagram, nó có giá trị từ 0 (gói tin bình thường) đến 7 (gói tin kiểm soát mạng)

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC GÓI TIN TRONG MPLS

Chỉ độ tin cậy yêu cầu

R = 0 độ tin cậy bình thường

R = 1 độ tin cậy cao

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC GÓI TIN TRONG MPLS

Bảng 2.6 : Bảng giá trị khuyến nghị của trường TOS

 Tổng độ dài (Total Length )

Chỉ ra chiều dài của toàn bộ gói tin tính theo byte, bao gồm dữ liệu và header Vì trường này rộng 16 bit, nên chiều dài gói tin dữ liệu IP là 65.535 byte, mặc dù hầu hết là nhỏ hơn Hiện nay giới hạn trên là rất lớn nhưng trong tương lai với những mạng Gigabit thì các gói tin có kích thước lớn là cần thiết Để biết chiều dài của dữ liệu chỉ cần lấy tổng chiều dài này trừ đi HLEN

 Nhận dạng (Identification)

Tham số này dùng để định danh duy nhất cho một IP datagram trong khoảng thời gian nó vẫn còn trên liên mạng, giúp bên nhận có thể ghép các mảnh của một IP datagram lại với nhau vì IP datagram phân thành các mảnh và các mảnh thuộc cùng một IP datagram sẽ có cùng Identification Đây là chỉ số tuần tự

Nó gia tăng khi mỗi lần gói tin dữ liệu gửi đi Trường Identification rộng 16 byte,

vì vậy sẽ có 65 535 định danh có thể sử dụng

 Cờ (Flag)

Một field có 3 bit, trong đó có 2 bit có thứ tự thấp điều khiển sự phân mảnh Một bit cho biết gói có bị phân mảnh hay không và bit kia cho biết gói có phải là mảnh cuối cùng của chuỗi gói bị phân mảnh hay không

Flags : 3 bits

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC GÓI TIN TRONG MPLS

 R (reserved ) 1 bit

Nên để giá trị là 0

 DF( Don't fragment ) 1 bit:

Quản lý việc phân mảnh của gói tin dữ liệu

DF = 0: Phân mảnh, nếu cần thiết

DF=1: Không được phân mảnh

Bit DF được biểu thị chính là mệnh lệnh cho các router không được phân mảnh datagram bởi gói tin đó biết chắc sẽ đủ nhỏ để đi qua các Router, và gói tin

đó cần đi nhanh hoặc sử dụng cho mục đích đặc biệt nào đó nên cần đặt DF = 0

Điều này có ý nghĩa các datagram phải tránh mạng có kích thước packet nhỏ trên đường đi, nói cách khác nó phải chọn được đường đi tối ưu Các máy không yêu cầu nhận một gói tin dữ liệu lớn hơn 576 byte

 MF ( More fragments) 1 bit

MF=0 : Phân mảnh cuối

MF =1 : Có nhiều phân mảnh

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC GÓI TIN TRONG MPLS

Bit này có ý nghĩa: Nếu gói IP datagram bị phân mảnh thì mảnh này cho biết mảnh này có phải là mảnh cuối không Tất cả mảnh (trừ mảnh cuối) phải có bit này thiết lập bằng 1 Điều này cần thiết để xác định tất cả các mảnh của datagram đã đến đích hay chưa

 Fragment Offset Có 13 bit

Báo bên nhận vị trí offset của các mảnh so với gói IP datagram gốc để có thể ghép lại thành IP datagram gốc

 Time To Live (TTL)

TTL chỉ ra số bước nhảy (hop) mà một gói có thể đi qua Con số này sẽ giảm đi một khi một gói tin đi qua một router Khi bộ đếm đạt tới 0 gói này sẽ bị loại Trường TTL rộng 8 bit do người gửi khởi tạo Giá trị đề nghị khởi tạo được xác định trong Assigned Numbers RFC và hiện tại là 64 Các hệ thống cũ hơn thường khởi tạo là từ 15-32 Chúng ta có thể nhận thấy trong 1 số lệnh Ping, gói ICMP echo replies thường được gửi với TTL được thiết lập với giá trị lớn nhất của

nó là 255 Đối với máy tính cài Windows, mặc định TTL = 124, máy Linux là 64, máy Sun Scolari là 256 Đây là giải pháp nhằm ngăn chặn tình trạng lặp vòng vô hạn của gói nào đó

 Giao thức (Protocol ) 8bit

Chỉ ra giao thức nào của tầng trên (tầng Transport) sẽ nhận phần data sau khi công đoạn xử lí IP diagram ở tầng Network hoàn tất hoặc chỉ ra giao thức nào của tầng trên gởi segment xuống cho tầng Network đóng gói thành IP Diagram, mỗi giao thức có 1 mã

 Header CheckSum

Giúp bảo dảm sự toàn vẹn của IP Header, có 16 bit

Check sum ( kiểm tổng) Dữ liệu truyền gồm 1 dãy các byte d1,d2,…dn

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC GÓI TIN TRONG MPLS

Check sum =

 Source Address

Chỉ ra địa chỉ của node truyền IP diagram, có 32 bit Chú ý rằng mặc dù các thiết bị trung gian như Router có thể xử lý gói tin dữ liệu, nhưng chúng thường không đặt địa chỉ của chúng vào trường này, mà trường này luôn là địa chỉ của thiết bị ban đầu gửi gói tin dữ liệu

 Destination Address

Chỉ ra địa chỉ IP của Node dự định được nhận IP diagram, có 32 bit Một lần nữa, mặc dù các thiết bị như router có thể là điểm tới trung gian của các gói dữ liệu này, nhưng trường này luôn luôn là địa chỉ của điểm đến cuối cùng

2.3 nhãn trong MPLS

Công nghệ MPLS nổi bật với “nhãn” vậy nhãn là gì? Chúng ta hay tìm hiểu

nó Nhãn là một thực thể có độ dài ngắn và cố định không có cấu trúc bên trong Nhãn không trực tiếp mã hoá thông tin của mào đầu lớp mạng như địa chỉ mạng Nhãn được gắn vào một gói tin cụ thể sẽ đại diện cho một FEC (Forwarding

Equivalence Classes-Nhóm chuyển tiếp tương đương) mà gói tin được ấn định

Thông thường thì một gói tin được ấn định một FEC (hoàn toàn hoặc một phần) dựa trên địa chỉ đích lớp mạng của nó Tuy nhiên nhãn không phải là mã hoá của địa chỉ đó

Nhãn trong dạng đơn giản nhất xác định đường đi mà gói tin có thể truyền qua Nhãn được mang hay được đóng gói trong tiêu đề lớp 2 cùng với gói tin Bộ định tuyến kiểm tra các gói tin qua nội dung nhãn để xác định các bước chuyển kế tiếp Khi gói tin được gán nhãn, các chặng đường còn lại của gói tin thông qua mạng đường trục dựa trên chuyển mạch nhãn Giá trị nhãn chỉ có ý nghĩa cục bộ nghĩa là chúng chỉ liên quan đến các bước chuyển tiếp giữa các LSR

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC GÓI TIN TRONG MPLS

Dạng của nhãn phụ thuộc vào phương thức truyền tin mà gói tin được đóng gói 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

2.3.1 Nhãn trong chế độ dùng frame

Hình 2.7 : Nhãn trong chế độ khung

Trong chế độ khung này Khi một router cạnh – edge router (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

- Router sẽ chèn thêm vào giữa frame header và IP header thành phần nhãn sử dụng trong MPLS Trong thành phần Frame Header sẽ có thành phần PID để xác định thành phần nhãn phía sau Trong thành phần nhãn cũng có các bit S để xác định thứ tự nhãn và vị trí bắt đầu của một IP Header

- Edge router sẽ chuyển gói tin đến hop kế tiếp

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC GÓI TIN TRONG MPLS

Cấu trúc nhãn Shim :

20 bit 3 bit 1bit 8bit

Hình 2.7 : Cấu trúc nhãn Shim

 Label : Có 20 bit Là giá trị của nhãn, giá trị này có thể từ 0 đến -1 Tuy nhiên giá trị từ 0-15 dành riêng cho các chức năng không dùng đến Chỉ sử dụng các giá trị từ 16-> -1 CISCO IOS chỉ cho phép từ 16->100000 vì

không có một router nào có thể phát sinh 100000 nhãn cả

 EXP (Experimental ) Có 3 bit Những bit chỉ dùng cho mục đích chất lượng

dịch vụ (QoS)

 BoS (Bottom of Stack) Có 1 bit Cho biết đây có phải là nhãn cuối cùng

trong chồng nhãn hay không Nếu BoS=1 thì đây là nhãn cuối cùng còn nếu

BoS=0 thì nhãn này phía sau nó còn nhãn nữa

 TTL (Time to live) TTL này có chức năng tương tự như TTL trong tiêu đề

IP, nó chỉ đơn giản là giảm 1 tại mỗi hop, và chức năng chính của nó là để tránh một gói bị mắc kẹt trong một vòng lặp định tuyến Nếu lặp vòng định tuyến xảy ra và không có TTL, các gói sẽ lặp vòng mãi mãi Nếu TTL của nhãn đạt 0, gói dữ liệu được bỏ đi

2.3.2 Nhãn trong chế độ dùng Cell

Ở 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