Kĩ thuật lưu lượng trong mạng IP

Tổng quan về mạng IP, MPLS, Kĩthuật lưu lượng

Đồ án tốt nghiệp Mục lục

MỤC LỤC

THUẬT NGỮ VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC HÌNH VẼ vi

MỞ ĐẦU viii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG IP 1

1.1 Chồng giao thức TCP/IP 1

1.1.1 Mô hình chồng giao thức TCP/IP 1

1.1.2 Các gói dữ liệu 3

1.2 Các công nghệ lớp truy cập mạng 4

1.2.1 Chức năng lớp truy cập mạng 4

1.2.2 Đánh địa chỉ vật lý 4

1.2.3 Các công nghệ LAN 5

1.2.3.1 Ethernet 5

1.2.3.2 Token Ring 6

1.2.3.3 FDDI 7

1.3 Địa chỉ IP 7

1.4 Định tuyến IP 10

1.4.1 Khái quát về định tuyến IP 10

1.4.2 Phân loại định tuyến 12

1.4.2.1 Định tuyến tĩnh 12

1.4.2.2 Định tuyến động 12

1.4.3 Các thuật toán định tuyến động 12

1.4.3.1 Định tuyến Vector khoảng cách 12

1.4.3.2 Định tuyến theo trạng thái liên kết 14

1.4.3.3 Giao thức định tuyến RIP 15

1.4.3.4 Giao thức OSPF 16

1.5 Tổng kết chương 17

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ MPLS 18

2.1 Khái niệm cơ bản về MPLS 18

2.2 Phương thức hoạt động của MPLS 19

2.3 Mô hình chuyển mạch nhãn 25

2.4 Các thành phần trong MPLS 26

2.4.1 Các khái niệm cơ bản trong MPLS 26

2.4.1.1 Nhãn 27

2.4.1.2 Ngăn xếp nhãn 28

2.4.1.3 LSR Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn 29

2.4.1.4 FEC Lớp chuyển tiếp tương đương 29

2.4.1.5 Bảng chuyển mạch chuyển tiếp nhãn 30

2.4.1.6 Đường chuyển mạch nhãn LSP 30

2.4.1.7 Cơ sở dữ liệu nhãn LIB 30

2.4.1.8 Gói tin dán nhãn 30

2.4.1.9 Ấn định phân phối nhãn 30

2.4.2 Thành phần cơ bản củaMPLS 31

2.4.2.1 Thiết bị LSR 31

2.4.2.2 Thiết bị LER- Bộ định tuyến biên nhãn 33

2.5 Tổng kết chương 33

CHƯƠNG 3 KĨ THUẬT LƯU LƯỢNG 34

3.1 Vấn đề lưu lượng trong mạng IP 34

3.1.1 Xu hướng phát triển mạng IP 34

3.1.2 Bài toán lưu lượng 34

3.2 Điều khiển lưu lượng dựa trên IP 38

3.3 Điều khiển lưu lượng dựa trên ATM 41

3.4 Điều khiển lưu lượng dựa trên MPLS 44

3.4.1 Tổng quan điều khiển lưu lượng trong MPLS 44

3.4.2 Cơ chế điều khiển lưu lượng trong MPLS 46

3.4.3 Các giao thức phân bổ nhãn 49

3.4.3.1 Giao thức phân phối nhãn LDP 50

3.4.3.2 Giao thức dự trữ tài nguyên RSVP 53

3.4.3.3 Giao thức BGP với việc phân bổ nhãn 59

3.4.4 Định tuyến trong mạng MPLS 60

3.4.4.1 Định tuyến dựa trên sự ràng buộc 61

3.4.4.1.1 Enhanced Link-State IGP 62

3.4.4.1.2 Giải pháp kỹ thuật lưu lượng 63

3.4.4.2 Giao thức phân phối nhãn định tuyến dựa trên sự ràng buộc 65

Đồ án tốt nghiệp Mục lục

3.4.4.2.1 Sự thiết lập và duy trì CR-LDP 65

3.4.4.2.2 Định tuyến hiện (ER) và định tuyến cưỡng bức (CR) 67

3.4.4.2.3 LDP và định tuyến cưỡng bức (CR) 68

3.4.4.2.4 Thuật toán định tuyến cưỡng bức 68

3.4.4.3 So sánh giữa RSVP và CR-LDP 72

3.4.5 Kĩ thuật điều khiển tắc nghẽn FATE 74

3.4.5.1 Phương pháp FATE 74

3.4.5.2 Giám sát luồng lưu lượng và phát hiện tắc nghẽn trong LSP 74

3.5 Tổng kết chương 77

KẾT LUẬN 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

THUẬT NGỮ VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT

APIs Application Programming Interfaces Giao diện lập trình ứng dụng

ARP Address Resolution Protocol Giao thức phân giải địa chỉ

ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền dẫn không đồng

bộ BGP Border Gateway Protocol Giao thức cổng đường biên

CR Constrained Routing Định tuyến cưỡng bức

CR-LDP Constrained Routing-LDP Định tuyến cưỡng bức-LDP

CR-LSP Constrained Routing-LSP Định tuyến cưỡng bức-LSP

EGP Exterior Gateway Protocol Giao thức cổng ngoài

FATE Fast Acting Traffic Engneering

FDDI Fiber Distributed Data Interface Giao diện phân bố sợi

FEC Fowarding Equivalent Class Lớp chuyển tiếp tương đương

FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền tệp

ICMP Internet Control Message Protocol Giao thức thông điệp điều khiển

Internet IETF Internet Engineering Task Force Nhóm đặc trách kĩ thuật

Internet

IGP Interior Gateway Protocol Giao thức cổng nội

IP Internet Protocol Giao thức Internet

ISPs Internet Service Providers Nhà cung cấp dịch vụ Internet

LDP Label Distribute Protocol Giao thức phân bổ nhãn

LER Label Edge Router Router biên nhãn

LIB Label Information Base Cơ sở thông tin nhãn

Đồ án tốt nghiệp Thuật ngữ viết tắt

LSA Link State Advertisement Gói quảng cáo trạng thái liên

kết LSP Label Switched Path Đường dẫn chuyển mạch nhãn LSP Link State Packet Gói trạng thái đường

LSR Label Switch Router Router chuyển mạch nhãn

MAC Media Access Control Điều khiển truy xuất môi trường MPLS Multiprotocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức NGN Next Generation Network Mạng thế hệ tiếp theo

OSI Open Systems Interconnection Mô hình liên kết hệ thống đấu

nối mở OSPF Open Shortest Path First Giao thức ưu tiên đường đi ngắn

nhất PDU Protocol Data Unit Đơn vị số liệu giao thức

PPP Point to Point Protocol Giao thức điểm điểm

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

RARP Reverse Address Resolution Protocol Giao thức phân giải địa chỉ

ngược RIP Routing Information Protocol Giao thức thông tin định tuyến

RSVP Resource Resevation Protocol Giao thức dành trước tài nguyên SPF Shortest Path First Thuật toán ưu tiên đường đi

ngắn nhất TCP Transport Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn

UDP User Datagrame Protocol Giao thức dữ liệu người dùng

VLSM Variable Length Subnet Mask Mặt nạ mạng con có chiều dài

biến đổi

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mô hình TCP/IP và mô hình OSI……… 2

Hình 1.2 Dữ liệu được đóng gói lại với phần tiêu đề tại mỗi……… 3

Hình 1.3 Mạng Ethernet……… 6

Hình 1.4 Mạng Token Ring……… 6

Hình 1.5 Mạng FDDI……… 7

Hình 1.6 Địa chỉ IP……… 8

Hình 1.7 Định tuyến vector khoảng cách……….13

Hình 2.1 Định tuyến, chuyển mạch, chuyển tiếp……… 23

Hình 2.2 Đường nhanh và đường chậm……… 24

Hình 2.3 Lớp chèn MPLS……… 25

Hình 2.4 Mô hình chuyển mạch nhãn……… 26

Hình 2.5 Định dạng cấu trúc nhãn……… 28

Hình 2.6 Cấu trúc hoạt động khung trong mạng MPLS……… 32

Hình 3.1 Mô hình mạng đơn giản……….35

Hình 3.2 Lựa chọn đường sử dụng phương pháp định tuyến tĩnh……… 35

Hình 3.3 Lựa chọn đường sử dụng phương pháp định tuyến OSPF……….37

Hình 3.4 Lựa chọn đường sử dụng phương pháp định tuyến RIP……… 37

Hình 3.5 Phân chia lưu lượng dựa theo định tuyến tĩnh……… 38

Hình 3.6 Chia lưu lượng thành hai phần……… 39

Hình 3.7 Phân loại lưu lượng dựa trên địa chỉ nguồn……… 40

Hình 3.8 Phân loại lưu lượng dựa trên ToS hoặc kích cỡ gói PS………….40

Hình 3.9 The fish problem……… 41

Hình 3.10 Xây dựng PVC……… 42

Hình 3.11 So sánh giữa chuyển tiếp MPLS và chuyển tiếp IP……… 46

Hình 3.12 Tắc nghẽn gây ra bởi kỹ thuật chon đường ngắn nhất………… 48

Hình 3.13 Giải pháp cho vấn đề sử dụng kỹ thuật lưu lượng……… 48

Hình 3.14 Vị trí giao thức LDP trong bộ giao thức MPLS……… 50

Hình 3.15 Thủ tục phát hiện LSR lân cận……… 52

Đồ án tốt nghiệp Danh mục hình vẽ

Hình 3.16 Tiêu đề LDP……… 53

Hình 3.17 Khuôn dạng các bản tin LDP……… 54

Hình 3.18 Sự mở rộng cho RSVP để thiết lập một ER-LDP……… 55

Hình 3.19 Các thực thể hoạt động RSVP……… 56

Hình 3.20 Các bản tin Path và Reservation……… 57

Hình 3.21 Bộ mô tả lưu lượng……… 59

Hình 3.22 Đối tượng Session và Explicit Route 63

Hình 3.23 Định tuyến dựa trên sự ràng buộc 63

Hình 3.24 Tránh tắc nghẽn 64

Hình 3.25 Sự chia sẻ tải 65

Hình 3.26 Thiết lập đường dẫn CR-LDP……… 67

Hình 3.27 Định dạng bản tin Label Request CR-LDP 68

Hình 3.28 Định tuyến hiện……… 68

Hình 3.29 Ví dụ về CSPF……… 71

Hình 3.30 So sánh RSVP và CR-LDP……… 73

Hình 3.31 Sự thiết lập lưu lượng……… 75

Hình 3.32 Cấu hình các bộ đệm dọc theo LSP……… 76

Hình 3.33 Lưu lượng truyền tải giữa nguồn phát và nguồn đích………… 76

MỞ ĐẦU

Khi mạng Internet ngày càng phát triển, thì số lượng khách hàng sử dụng ngày càng tăng lên một cách mạnh mẽ Hơn nữa, các nhu cầu đối với các dịch vụ đa phương tiện cũng tăng lên, yêu cầu đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS trong trễ gói, lỗi tốc độ, và băng tần tối thiểu Mạng Internet truyền thống không thể đáp ứng các yêu cầu của khách hàng vì nó dựa trên các dịch vụ IP “best – effort”, trong khi các dịch vụ này không có bất cứ một cơ chế điều khiển lưu lượng nào

Cùng với sự phát triển của mạng IP, các nhà nghiên cứu cố gắng tìm ra một phương pháp điều khiển lưu lượng trong mạng một cách tối ưu để đáp ứng được nhu cầu người sử dụng Các phương pháp điều khiển lưu lượng truyền thống như

IP, ATM cũng phần nào giải quyết được bài toán lưu lượng trong mạng IP, tuy nhiên các phương pháp này biểu lộ một số hạn chế nhất định Chuyển mạch nhãn

đa giao thức MPLS, một công nghệ chuyển mạch nhãn định hướng kết nối cung cấp các khả năng mới trong các mạng IP, trong khi khả năng điều khiển lưu lượng được

đề cập đến bằng cách cho phép thực hiện các cơ chế điều khiển lưu lượng một cách tinh xảo

MPLS không thay thế cho định tuyến IP, nhưng nó sẽ hoạt động song song với các phương pháp định tuyến đang tồn tại và các công nghệ định tuyến trong tương lai với mục đích cung cấp tốc độ dữ liệu rất cao giữa các bộ định tuyến chuyển mạch nhãn LSP đồng thời với việc hạn chế băng tần của các luồng lưu lượng với các yêu cầu chất lượng dịch vụ QoS khác nhau

Vì vậy, em xin nhận đề tài “Kĩ thuật lưu lượng trong mạng IP” để tìm hiểu rõ sâu sắc hơn bản chất của kĩ thuật lưu lượng Luận văn tốt nghiệp “Kĩ thuật lưu lượng trong mạng IP” bao gồm các nội dung chính sau:

™ Chương I : Tổng quan về mạng IP

™ Chương II : Tổng quan về MPLS

™ Chương III : Kĩ thuật lưu lượng

Kĩ thuật lưu lượng là một kĩ thuật tương đối khó, việc tìm hiểu về các vấn đề của kĩ thuật lưu lượng đòi hỏi phải có kiển thức sâu rộng, và lâu dài Do vậy đồ án không tránh khỏi những 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 Thầy giáo Nguyễn Đình Long, người đã

tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình làm đồ án này

Đồ án tốt nghiệp Mở đầu

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

em trong thời gian qua

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 22 tháng 10 năm 2006

Sinh viên

Vũ Văn Trung

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG IP 1.1 Chồng giao thức TCP/IP

1.1.1 Mô hình chồng giao thức TCP/IP

TCP/IP là một bộ giao thức mở được xây dựng cho mạng Internet mà tiền thân của nó là mạng ARPnet của bộ quốc phòng Mỹ Do đây là một giao thức mở, nên nó cho phép bất kỳ một đầu cuối nào sử dụng bộ giao thức này đều có thể được kết nối vào mạng Internet Chính điều này đã tạo nên sự bùng nổ của Internet toàn cầu trong thời gian gần đây Trong bộ giao thức này, hai giao thức được sử dụng chủ yếu đó là giao thức truyền tải tin cậy TCP và IP Chúng cùng làm việc với nhau

để cung cấp phương tiện truyền thông liên mạng

Điểm khác nhau cơ bản của TCP/IP so với OSI đó là tầng liên mạng sử dụng giao thức không kết nối (connectionless) IP, tạo thành hạt nhân hoạt động của mạng Internet Cùng với các giao thức định tuyến như RIP, OSPF, BGP,… tầng liên mạng

IP cho phép kết nối một cách mềm dẻo và linh hoạt các loại mạng vật lý khác nhau như: Ethernet, Token Ring, X25…

TCP/IP có những đặc điểm sau đây đã làm cho nó trở nên phổ biến:

9 Độc lập với kến trúc mạng: TCP/IP có thể sử dụng trong các kiến trúc Ethernet, Token Ring, trong mạng cục bộ LAN cũng như mạng diện rộng WAN

9 Chuẩn giao thức mở: vì TCP/IP có thể thực hiện trên bất kỳ phần cứng hay hệ điều hành nào Do đó, TCP/IP là tập giao thức lý tưởng để kết hợp phần cứng cũng như phần mềm khác nhau

9 Sơ đồ địa chỉ toàn cầu: mỗi máy tính trên mạng TCP/IP có một địa chỉ xác định duy nhất Mỗi gói dữ liệu được gửi trên mạng TCP/IP có một Header gồm địa chỉ của máy đích cũng như địa chỉ của máy nguồn

9 Khung Client - Server: TCP/IP là khung cho những ứng dụng client - server mạnh hoạt động trên mạng cục bộ và mạng diện rộng

9 Chuẩn giao thức ứng dụng: TCP/IP không chỉ cung cấp cho người lập trình phương thức truyền dữ liệu trên mạng giữa các ứng dụng mà còn cung cấp nhiều phương thức mức ứng dụng (những giao thức thực hiện các chức năng dùng như E-mail, truyền nhận file)

Hệ thống giao thức TCP/IP được phân thành các lớp, mỗi lớp thực hiện các nhiệm vụ riêng biệt

Đồ án tốt nghiệp Chương 1 Tổng quan về mạng IP

Hình 1.1 Mô hình TCP/IP và mô hình OSI

Chức năng các lớp:

Lớp truy cập mạng: Cung cấp một giao tiếp với mạng vật lý Các định dạng

dữ liệu cho môi trường truyền và các địa chỉ dữ liệu cho mạng con (subnet) được dựa trên các địa chỉ phần cứng vật lý Cung cấp kiểm soát lỗi cho dữ liệu phân bố trên mạng vật lý Định nghĩa các hàm, thủ tục, phương tiện truyền dẫn đảm bảo

sự truyền dẫn an toàn các khung thông tin trên bất kỳ một phương tiện truyền dẫn nào như Ethernet, ATM, Token-Ring, Frame-Relay,…

Lớp Internet: Cung cấp chức năng đánh địa chỉ luận lý, độc lập phần cứng

mà nhờ đó dữ liệu có thể di chuyển giữa các mạng con có các kiến trúc vật lý khác nhau Cung cấp các chức năng định tuyến để giảm lưu lượng và hỗ trợ phân bố dọc theo Liên mạng (Internetwork-Thuật ngữ liên mạng nói đến một mạng lớn hơn, liên kết giữa các LAN) Liên kết các địa chỉ vật lý (sử dụng ở lớp Truy cập mạng) với các địa chỉ luận lý Chuyển tiếp các gói tin từ nguồn tới đích Mỗi gói tin chứa địa chỉ đích và IP sử dụng thông tin này để truyền gói tin tới đích của nó

Lớp vận chuyển: Cung cấp các chức năng điều khiển luồng, kiểm soát lỗi và

dịch vụ báo nhận cho liên mạng Hoạt động như một giao tiếp cho các ứng dụng mạng Chịu trách nhiệm truyền thông điệp (message) từ một số tiến trình tới một tiến trình khác Lớp vận chuyển sẽ đảm bảo thông tin truyền đến nơi nhận không bị lỗi và đúng theo trật tự Nó có 2 giao thức rất khác nhau là giao thức điều khiển truyền dẫn TCP và giao thức dữ liệu đồ người sử dụng UDP

Lớp ứng dụng: Cung cấp các ứng dụng cho việc xử lý sự cố mạng, truyền

tập tin, điều khiển từ xa, và các hoạt động Internet Lớp này cũng hỗ trợ cho các

giao tiếp lập trình ứng dụng APIs cho phép các chương trình viết trên một môi trường cụ thể để truy cập mạng Điều khiển chi tiết từng ứng dụng cụ thể Nó tương ứng với các lớp ứng dụng, trình diễn trong mô hình OSI Nó gồm các giao thức mức cao, mã hóa, điều khiển hội thoại Các dịch vụ ứng dụng như SMTP, FTP, TFTP…Hiện nay có hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn các giao thức thuộc lớp này Các chương trình ứng dụng giao tiếp với các giao thức ở lớp vận chuyển để truyền và nhận dữ liệu Chương trình ứng dụng truyền dữ liệu ở dạng yêu cầu đến lớp vận chuyển để xử lý trước khi chuyển xuống lớp Internet để tìm đường đi

1.1.2 Các gói dữ liệu

Điều quan trong cần nhớ về chồng giao thức TCP/IP là mỗi lớp đóng một vai trò trong toàn bộ quá trình truyền thông Mỗi lớp đòi hỏi các dịch vụ cần thiết để thực hiện vai trò của nó Khi truyền, dữ liệu đi xuyên qua từng lớp của chồng giao thức từ trên xuống dưới, mỗi lớp sẽ có một số thông tin thích hợp gọi là tiêu đề (header) gắn vào dữ liệu, tạo thành đơn vị dữ liệu giao thức PDU của lớp tương ứng Khi PDU được đưa xuống các lớp thấp hơn, nó lại trở thành dữ liệu đối với lớp này và lại được đóng gói cùng phần tiêu đề của lớp này

Application layer

Network access layer Internet layer Transport layer

01010101….

Data

Header

Hình 1.2 Dữ liệu được đóng gói lại với phần tiêu đề tại mỗi lớp

Tiến trình này được thể hiện trong hình 1.2, khi gói dữ liệu đến máy nhận thì tại đây sẽ có một tiến trình ngược lại Khi dữ liệu đi lên qua tứng lớp của chồng giao thức thì các lớp sẽ bỏ phần tiên đề tương ứng và sử dụng phần dữ liệu

Lớp Internet trên máy nhận sẽ sử dụng thông tin trong phần tiêu đề lớp Internet Lớp Vận chuyển sẽ sử dụng thông tin trong phần tiêu đề lớp Vận chuyển

Ở mỗi lớp, gói dữ liệu ở dưới dạng thích hợp sẽ cung cấp thông tin cần thiết cho lớp

Đồ án tốt nghiệp Chương 1 Tổng quan về mạng IP

tương ứng trên máy nhận Bởi vì mỗi lớp đảm nhận những chức năng khác nhau nên định dạng của gói dữ liệu cơ bản khác nhau ở mỗi lớp

1.2 Các công nghệ lớp truy cập mạng

1.2.1 Chức năng lớp truy cập mạng

Lớp Truy cập mạng quản lý tất cả các dịch vụ và các chức năng cần thiết để chuẩn bị dữ liệu cho mạng vật lý Các nhiệm vụ này bao gồm :

9 Giao tiếp với bộ tương thích mạng (card mạng) của máy tính

9 Phối hợp việc truyền dữ liệu với các quy ước của phương thức truy cập thích hợp

9 Định dạng dữ liệu vào một đơn vị được gọi là một khung và chuyển đổi khung đó thành luồng các xung điện hoặc tương tự để đi qua môi trường truyền

9 Kiểm tra lỗi trong các khung đến

9 Thêm thông tin kiểm tra lỗi vào các khung đi để máy tính nhận có thể kiểm tra các lỗi của khung

9 Báo nhận các khung dữ liệu và truyền lại các khung nếu không nhận được báo nhận

Lớp Truy cập mạng định nghĩa các thủ tục để giao tiếp với phần cứng mạng

và truy cập môi trường truyền Trong lớp Truy cập mạng của TCP/IP, có thể thấy sự tác động qua lại phức tạp giữa phần cứng, phần mềm và các chi tiết kỹ thuật môi trường truyền Không may có nhiều loại mạng vật lý khác nhau mà đều có những quy ước riêng của chúng, và bất kỳ mạng vật lý nào cũng có thể trở thành nền tảng cho lớp Truy cập mạng, ví dụ :

nguồn và đích, nhưng địa chỉ vật lý dài dòng (48 bit trong trường hợp sử dụng Ethernet) không được thân thiện với con người Ngoài ra, việc mã hoá địa chỉ vật lý

ở các mức cao hơn làm ảnh hưởng đến kiến trúc module linh hoạt của TCP/IP, nó đòi hỏi các lớp trên duy trì các chi tiết vật lý liên quan TCP/IP sử dụng giao thức phân giải địa chỉ ARP và giao thức phân giải địa chỉ ngược RARP để liên kết các địa chỉ IP với các địa chỉ vật lý của các bộ tương thích mạng trên mạng cục bộ ARP và RARP cung cấp một liên kết giữa các địa chỉ IP luận lý mà người dùng nhìn thấy và các địa chỉ phần cứng (thực sự không thể trông thấy được) được sử dụng trên LAN

Ethernet truyền thống làm việc tốt trong trường hợp tải bình thường nhưng tỉ

lệ đụng độ sẽ cao khi mức độ sử dụng tăng Một số biến thể của Ethernet có thể bao gồm các hub thông mình hoặc switch, hỗ trợ cho các mức lưu lượng cao hơn

Ethernet có khả năng hoạt động trong nhiều môi trường khác nhau Các mạng Ethernet tiêu biểu hoạt động ở các tốc độ bằng tần cơ sở 10Mbps, hay 100Mbps Các hệ thống Ethernet 1000Mbps (Gigabit) hiện nay đã sẵn sàng và có thể sớm trở nên phổ biến Ethernet không dây cũng đang trở nên phổ biến

Kiến trúc Ethernet linh hoạt thậm chí thích hợp với hoạt động mạng không dây Ethernet không dây đang trở nên phổ biến, và sẽ trở nên phổ biến hơn nữa trong những năm sắp tới khi phần cứng mạng phát triển hỗ trợ cho cuộc cách mạng không dây Bạn có thể tự hỏi làm thế nào một kiến trúc quá tập trung trong việc đặc

tả các loại, chiều dài, và cấu hình cáp của Ethernet lại có thể hoạt động trong môi

Đồ án tốt nghiệp Chương 1 Tổng quan về mạng IP

trường không dây Khi nghĩ về Ethernet thì ta thấy tính chất thông tin quảng bá khá tương thích với hệ thống không dây có đặc tính là truyền dẫn tự do và lưu động

Với phương thức truy cập chuyển token, các máy tính trên LAN được kết nối với nhau sao cho dữ liệu được truyền vòng quanh mạng trong một vòng luận lý Việc cấu hình Token ring đòi hỏi các máy tính phải được nối vào một hub trung tâm được gọi là MAU hay MSAU Chỉ máy tính giữ token mới có thể truyền một thông điệp lên vòng

Token ring điển hình hoạt động ở tốc độ 4Mbps hoặc 16Mbps Nó cũng có thể hoạt động ở tốc độ 100Mbps

Token ring đã không còn phổ biến trong những năm gần đây, mặc dù vậy cấu trúc liên kết mạng vùng trong token ring vẫn được sử dụng trong các kỹ thuật đỉnh cao như FDDI

1.2.3.3 FDDI

Fiber Distributed Data Interface (FDDI) là một kỹ thuật LAN đắt tiền hai vòng cáp quang Một vòng được coi là vòng chính và vòng thứ hai để thay thế vòng chính nếu xảy ra sự cố

có thể là một trạm máy tính hay một gateway Các gói tin IP được truyền từ thực thể này đến thực thể kia nhờ vào địa chỉ liên mạng IP (IP Internet) Do đó, một trong những vấn đề quan trọng nhật của giao thức IP là địa chỉ Địa chỉ IP là địa chỉ lớp

Đồ án tốt nghiệp Chương 1 Tổng quan về mạng IP

mạng, được sử dụng để định danh các máy trạm (host) trong liên mạng Địa chỉ IP

có độ dài 32 bit với IPv4 và 48 bit với IPv6 Nó có thể biểu diễn dưới dạng thập phân, bát phân, thập lục phân, và nhị phân

Có hai cách cấp phát địa chỉ IP phụ thuộc vào cách thức kết nối mạng Nếu mạng kết nối vào mạng Internet, địa chỉ mạng được xác nhận bởi NIC (Network Information Center) Nếu mạng không kết nối với mạng Internet, nhà quản trị mạng

sẽ cấp phát địa chỉ IP cho mạng này

Về cơ bản, khuôn dạng địa chỉ IP gồm hai phần: NET ID + HOST ID

9 Phần NET ID cho phép định tuyến gói tin đến mạng đích trong môi trường liên mạng Phần này do tổ chức ARIN (American Registry for Internet Numbers) cấp cho nhà quản trị

9 Phần HOST ID cho phép định tuyến đến HOST cụ thể trong một mạng Phần này do nhà quản trị mạng quy hoạch cho các HOST trong mạng của

họ

Hình 1.6 Địa chỉ IP

Địa chỉ IP gồm 4 phần, mỗi phần một byte (một octet), chúng thường được biểu diễn dưới dạng thập phân có ngăn cách

Người ta chia thành các lớp địa chỉ IP A, B, C, D, E Thông thường địa chỉ

IP được biểu diễn dưới dạng thập phân Ví dụ 155.123.122.32

Sơ đồ địa chỉ hoá để định danh các trạm trong liên mạng được gọi là địa chỉ

IP Mục đích của địa chỉ IP là để định danh duy nhất cho một host bất kì trong liên mạng

Các dải địa chỉ lớp A, B, C được sử dụng cho gán các phần tử môi trường liên mạng

Dải địa chỉ lớp D được sử dụng vào mục đích multicast

Dải địa chỉ lớp E được sử dụng vào mục đích nghiên cứu

Các bit đầu tiên của byte đầu tiên được dùng để định danh lớp địa chỉ:

0 - lớp A, 10 - lớp B, 110 - lớp C, 1110 - lớp D, 11110 - lớp E

Địa chỉ lớp A có bit đầu tiên là ‘0’ Địa chỉ lớp A có subnetmask mặc định là 255.0.0.0 Dải địa chỉ lớp đầu tiên 0.0.0.0 sử dụng vào mục đích Default network và Default route Dải địa chỉ cuối cùng 127.0.0.0/8 sử dụng vào mục đích loopback

Tất cả các địa chỉ IP của lớp A dùng 8 bit đầu tiên để định danh phần mạng của địa chỉ Ba octet còn lại có thể dùng cho phần host của địa chỉ Mỗi mạng dùng một địa chỉ lớp A có thể gán 16.777.214 địa chỉ host khả dụng Các địa chỉ lớp A luôn có giá trị nằm trong khoảng từ 0 đến 126 trong octet đầu tiên

Địa chỉ lớp B có hai bit đầu tiên là ‘10’ Địa chỉ lớp B có subnetmask mặc định là 255.255.0.0 Tất cả địa chỉ của lớp B dùng 16 bit đầu tiên để định danh phần mạng của địa chỉ Hai octet còn lại dùng cho phần host của địa chỉ Mỗi mạng dùng địa chỉ lớp B có thể gán 65.534 địa chỉ host khả dụng Các địa chỉ IP lớp B luôn có giá trị nằm trong khoảng 128 đến 191 trong octet đầu tiên

Địa chỉ lớp C có 3 bit đầu tiên là ‘110’ Địa chỉ lớp C có subnetmask mặc định là 255.255.255.0 Tất cả địa chỉ của lớp B dùng 24 bit đầu tiên để định danh phần mạng của địa chỉ Octet còn lại dùng cho phần host của địa chỉ Mỗi mạng dùng địa chỉ lớp C có thể gán 254 địa chỉ host khả dụng Các địa chỉ IP lớp C luôn

có giá trị nằm trong khoảng 192 đến 223 trong octet đầu tiên

Địa chỉ lớp D dùng để gửi IP Datagram tới một nhóm các host trên một mạng Tất cả các số lớn hơn 223 trong trường đầu là thuộc lớp D

Lớp E dự phòng để dùng trong tương lai

Một số địa chỉ đặc biệt

9 Loopback (Lặp ngược): 127.x.x.x, với x= 0-255 Bất kì một gói dữ liệu nào được truyền đi bởi một ứng dụng TCP/IP đến địa chỉ 127.x.x.x thì gói dữ liệu được truyền trở lại ứng dụng đó mà không quan tâm đến một thiết bị trung gian mạng Gói dữ liệu sao chép nơi truyền đến bộ đệm trên cùng một máy Địa chỉ Loopback được ứng dụng kiểm tra nhanh phần mềm TCP/IP có được cấu hình thích hợp không

9 Nếu trong một địa chỉ IP, giá trị của host chứa tất cả bit 0, đây là địa chỉ mạng Ví dụ 137.53.0.0 là địa chỉ mạng lớp B 137.53

9 Nếu trong một địa chỉ IP, giá trị của host chứa tất cả bit 1, đây là địa chỉ Broadcast có định hướng Một địa chỉ Broadcast định hướng được nhìn thấy bởi tất cả các node trên mạng đó Ví dụ, với nhóm mạng B: 137.53.255.255 là địa chỉ Broadcast định hướng của nhóm

9 Địa chỉ IP 255.255.255.255 được gọi là Local Broadcast hay Limite Broadcast, được sử dụng trong các mạng LAN

9 Địa chỉ 0.0.0.0 sử dụng bảng định tuyến để trỏ vào mạng cho bộ địch tuyến mặc định

Đồ án tốt nghiệp Chương 1 Tổng quan về mạng IP

Trong mỗi lớp địa chỉ IP có một số địa chỉ nhất định không được định tuyến trên Internet, như mô tả chi tiết ở RFC 1597 Những địa chỉ này rất thông dụng trong phạm vi các tổ chức Chúng cung cấp các biện pháp bảo mật nhằm ngăn chặn

kẻ xâm nhập trái phép từ bên ngoài, giúp tránh tình trạng sơ ý đặt nhầm dữ liệu của

tổ chức đó lên mạng Những địa chỉ này là:

9 Lớp A: 10.0.0.0 đến 10.255.255.255

9 Lớp B: 172.16.0.0 đến 172.31.255.255

9 Lớp C: 192.168.0.0 đến 192.168.255.255

1.4 Định tuyến IP

1.4.1 Khái quát về định tuyến IP

Định tuyến trên Internet được thực hiện dựa trên các bảng định tuyến (Routing table) được lưu tại các trạm (Host) hay trên các thiết bị định tuyến (Router) Thông tin trong các bảng định tuyến được cập nhật tự động hoặc do người dùng cập nhật

Các phạm trù dùng trong định tuyến là:

9 Tính có thể được (Reachability) dùng cho các giao thức EGP như BGP

9 Vectơ kkoảng cách (Vector-Distance) giữa nguồn và đích dùng cho RIP

9 Trạng thái kết nối (Link state) như thông tin về kết nối dùng cho OSPF

Nguyên tắc định tuyến:

Trong hoạt động định tuyến, người ta chia làm hai loại là định tuyến trực tiếp

và định tuyến gián tiếp Định tuyến trực tiếp là định tuyến giữa hai máy tính nối với nhau vào một mạng vật lý Định tuyến gián tiếp là định tuyến giữa hai máy tính ở các mạng vật lý khác nhau nên chúng phải thực hiện thông qua các Gateway

Để kiểm tra xem máy đích có nằm trên cùng một mạng vật lý với máy nguồn không thì người gửi phải tách lấy địa chỉ mạng của máy đích trong phần tiêu đề của gói dữ liệu và so sánh với phần địa chỉ mạng trong phần địa chỉ IP của nó Nếu trùng thì gói tin sẽ được truyền trực tiếp nếu không cần phải xác định một Gateway

để truyền các gói tin này thông qua nó để ra mạng ngoài thích hợp

Hoạt động định tuyến bao gồm hai hoạt động cơ bản sau:

9 Quản trị cơ sở dữ liệu định tuyến: Bảng định tuyến (bảng thông tin chọn

đường) là nơi lưu thông tin về các đích có thể tới được và cách thức để tới được đích đó Khi phần mềm định tuyến IP tại một trạm hay một cổng truyền nhận được yêu cầu truyền một gói dữ liệu, trước hết nó phải tìm

trong bảng định tuyến, để quyết định xem sẽ phải gửi Datagram đến đâu Tuy nhiên, không phải bảng định tuyến của mỗi trạm hay cổng đều chứa tất cả các thông tin về các tuyến đường có thể tới được Một bảng định tuyến bao gồm các cặp (N,G) Trong đó:

+ N là địa chỉ của IP mạng đích

+ G là địa chỉ cổng tiếp theo dọc theo trên đường truyền đến mạng N

Bảng 1.1 Minh hoạ bảng định tuyến của một cổng truyền

Đến Host trên mạng Bộ định tuyến Cổng vật lý 10.0.0.0 Direct 2 11.0.0.0 Direct 1 12.0.0.0 11.0.0.2 1 13.0.0.0 Direct 3 13.0.0.0 13.0.0.2 3 15.0.0.0 10.0.02 5 Như vậy, mỗi cổng truyền không biết được đường truyền đầy đủ để đi đến đích Trong bảng định tuyến còn có những thông tin về các cổng có thể tới đích nhưng không nằm trên cùng một mạng vật lý Phần thông tin này được che khuất đi và được gọi là mặc định (default) Khi không tìm thấy các thông tin về địa chỉ đích cần tìm, các gói dữ liệu được gửi tới cổng truyền mặc định

9 Thuật toán định tuyến: Được mô tả như sau:

+ Giảm trường TTL của gói tin

+ Nếu TTL=0 thì

• Huỷ gói dữ liệu

• Gửi thông điệp ICMP báo lỗi cho thiết bị gửi

+ Nếu địa chỉ đích là một trong các địa chỉ IP của các kết nối trên mạng thì xử lý gói dữ liệu IP tại chỗ

+ Xác định địa chỉ mạng đích bằng cách nhân (AND) mặt nạ mạng (Network Mask) với địa chỉ IP đích

+ Nếu địa chỉ đích không tìm thấy trong bảng định tuyến thì tìm tiếp trong tuyến đường mặc định, sau khi tìm trong tuyến đường mặc định

Đồ án tốt nghiệp Chương 1 Tổng quan về mạng IP

mà không tìm thấy các thông tin về địa chỉ đích thì huỷ bỏ gói dữ liệu này và gửi thông điệp ICMP báo lỗi “mạng đích không đến được” cho thiết bị gửi

+ Nếu địa chỉ mạng đích bằng địa chỉ mạng của hệ thống, nghĩa là thiết

bị đích đến được kết nối trong cùng mạng với hệ thống, thì tìm địa chỉ mức liên kết tương ứng với bảng tương ứng địa chỉ IP-MAC, nhúng gói IP trong gói dữ liệu mức liên kết và chuyển tiếp gói tin trong mạng

+ Trong trường hợp địa chỉ mạng đích không bằng địa chỉ mạng của

hệ thống thì chuyển tiếp gói tin đến thiết bị định tuyến cùng mạng

1.4.2 Phân loại định tuyến

1.4.2.1 Định tuyến tĩnh

Ở phương pháp này, thông tin định tuyến được cung cấp từ nhà quản trị mạng thông qua các thao tác bằng tay vào trong cấu hình của Router Nhà quản trị mạng phải cập nhật bằng tay đối với các mục chỉ tuyến tĩnh này bất cứ khi nào topo liên mạng bị thay đổi

1.4.2.2 Định tuyến động

Ở phương pháp này, thông tin định tuyến được cập nhật một cách tự động Công việc này được thực hiện bởi các giao thức định tuyến được cài đặt trong Router Chức năng của giao thức định tuyến là định đường dẫn mà một gói tin truyền qua một mạng từ nguồn đến đích Ví dụ giao thức thông tin định tuyến RIP, OSPF

1.4.3 Các thuật toán định tuyến động

1.4.3.1 Định tuyến Vector khoảng cách

Định tuyến vector khoảng cách dựa trên thuật toán định tuyến Bellman Ford

là một phương pháp định tuyến đơn giản, hiệu quả và được sử dụng trong nhiều giao thức định tuyến như RIP, OSPF

Vector khoảng cách được thiết kế để giảm tối đa sự liên lạc giữa các Router cũng như lượng dữ liệu trong bảng định tuyến Bản chất của định tuyến vector khoảng cách là một Router không cần biết tất cả các đường đi đến các phân đoạn mạng, nó chỉ cần biết phải truyền một datagram được gán địa chỉ đến một phân đoạn mạng đi theo hướng nào Khoảng cách giữa các phân đoạn mạng được tính bằng số lượng Router mà datagram phải đi qua khi được truyền từ phân đoạn mạng này đến phân đoạn mạng khác Router sử dụng thuật toán vector khoảng cách để tối

ưu hoá đường đi bằng cách giảm tối đa số lượng Router mà datagram đi qua Tham

số khoảng cách này chính là số chặng phải qua (hop count)

Định tuyến vector khoảng cách dựa trên quan niệm rằng một router sẽ thông báo cho các router lân cận nó về tất cả các mạng nó biết và khoảng cách đến mỗi mạng này Một router chạy giao thức định tuyến vector khoảng cách sẽ thông báo đến các router kế cận được kết nối trực tiếp với nó một hoặc nhiều hơn các vector khoảng cách Một vector khoảng cách bao gồm một bộ (network, cost) với network

là mạng đích và cost là một giá trị có liên quan nó biểu diễn số các router hoặc link trong đường dẫn giữa router thông báo và mạng đích Do đó cơ sở dữ liệu định tuyến bao gồm một số các vector khoảng cách hoặc cost đến tất cả các mạng từ router đó

Khi một router thu được bản tin cập nhật vector khoảng cách từ router kế cận

nó thì nó bổ xung giá trị cost của chính nó (thường bằng 1) vào giá trị cost thu được trong bản tin cập nhật Sau đó router so sánh giá trị cost tính được này với thông tin thu được trong bản tin cập nhật trước đó Nếu cost nhỏ hơn thì router cập nhật cơ sở

dữ liệu định tuyến với các cost mới, tính toán một bảng định tuyến mới,nó bao gồm các router kế cận vừa thông báo thông tin vector khoảng cách mới như next-hop

Hình 1.7 Minh hoạ hoạt động của định tuyến vector khoảng cách

Hình 1.7 Định tuyến véc tơ khoảng cách

Router C thông báo một vecto khoảng cách (net1,1hop) cho mạng đích net1 được nối trực tiếp với nó Router B thu được véc tơ khoảng cách này thực hiện bổ sung cost của nó (1hop) và thông báo nó cho router A (net1,2hop) Nhờ đó router A biết rằng nó có thể đạt tới net1 với 2 hop và qua router B

Mặc dù định tuyến véc tơ khoảng cách đơn giản nhưng một số vấn đề phổ biến có thể xảy ra Ví dụ liên kết giữa 2 router B và C bị hỏng thì router B sẽ cố gắng tái định tuyến các gói qua router A vì router A theo một đường nào đó thông báo cho router B một véc tơ khoảng cách là (net1,4hop) Router B sẽ thu véc tơ khoảng cách này và gửi ngược lại cho router A véc tơ khoảng cách (net1,5hop) Đây là sự cố đếm vô hạn có thể làm cho thời gian cần thiết để hội tụ kéo dài hơn

Net1 Router C Router B Router A

(net1,1hop) (net1,2hop)

Đồ án tốt nghiệp Chương 1 Tổng quan về mạng IP

Giải pháp cho sự cố này được gọi là “trượt ngang” với nguyên tắc: không bao giờ thông báo khả năng đạt tới một đích cho next-hop của nó Như vậy router A sẽ không bao giờ thông báo véc tơ khoảng cách (net1,4) cho router B vì router B là next-hop của net1

1.4.3.2 Định tuyến theo trạng thái liên kết

Định tuyến vector khoảng cách sẽ không còn phù hợp đối với một mạng lớn gồm rất nhiều Router Khi đó mỗi Router phải duy trì một mục trong bảng định tuyến cho mỗi đích, và các mục này chỉ đơn thuần chứa các giá trị vector và hop count Router cũng không thể tiết kiệm năng lực của mình khi đã biết nhiều về cấu trúc mạng Hơn nữa, toàn bộ bảng giá trị khoảng cách và hop count phải được truyền giữa các Router cho dù hầu hết các thông tin này không thực sự cần thiết

trao đổi giữa các Router

Định tuyến trạng thái liên kết ra đời là đã khắc phục được các nhược điểm

của định tuyến vector khoảng cách

Bản chất của định tuyến trạng thái liên kết là mỗi Router xây dựng bên trong

nó một sơ đồ cấu trúc mạng Định kỳ, mỗi Router cũng gửi ra mạng những thông điệp trạng thái Những thông điệp này liệt kê những Router khác trên mạng kết nối trực tiếp với Router đang xét và trạng thái của liên kết Các Router sử dụng bản tin trạng thái nhận được từ các Router khác để xây dựng sơ đồ mạng Khi một Router chuyển tiếp dữ liệu, nó sẽ chọn đường đi đến đích tốt nhất dựa trên những điều kiện

hiện tại

Giao thức trạng thái liên kết đòi hỏi nhiều thời gian xử lí trên mỗi Router, nhưng giảm được sự tiêu thụ băng thông bởi vì mỗi Router không cần gửi toàn bộ bảng định tuyến của mình Hơn nữa, Router cũng dễ dàng theo dõi lỗi trên mạng vì bản tin trạng thái từ một Router không thay đổi khi lan truyền trên mạng (ngược lại, đối với phương pháp vector khoảng cách, giá trị hop count tăng lên mỗi khi thông tin định tuyến đi qua một Router khác)

Định tuyến trạng thái liên kết làm việc trên quan điểm rằng một router có thể thông báo với mọi router khác trong mạng trạng thái của các tuyên được kết nối đến

nó, cost của các tuyến đó và xác định bất kỳ router kế cận nào được kết nối với các tuyến này Các router chạy một giao thức định tuyến trạng thái đường sẽ truyền bá các gói trạng thái đường LSP (Link State Paket) khắp mạng Một LSP nói chung chứa một xác định nguồn, xác định kế cận và cost của tuyến giữa chúng Các LSP được thu bởi tất cả các router được sử dụng để tạo nên một cơ sở dữ liệu cấu hình của toàn bộ mạng Bảng định tuyến sau đó được tính toán dựa trên nội dung của cơ

sở dữ liệu cấu hình Tất cả các router trong mạng chứa một sơ đồ của cấu hình mạng và từ đó chúng tính toán đường ngắn nhất (least-cost path) từ nguồn bất kỳ đến đích bất kỳ Giá trị gắn với các link giữa các router là cost của link đó Các router truyền bá các LSP đến tất cả các router khác trong mạng, nó được sử dụng để xây dựng cơ sở dữ liệu trạng thái đường Tiếp theo, mỗi router trong mạng tính toán một cây bắt nguồn từ chính nó và phân nhánh đến tất cả các router khác dựa trên tiêu chí đường ngắn nhất hay đường có chi phí ít nhất

1.4.3.3 Giao thức định tuyến RIP

RIP sử dụng một thuật toán Vector khoảng cách mà đường xác định đường tốt nhất bằng sử dụng metric bước nhảy Khi được sử dụng trong những mạng cùng loại nhỏ, RIP là một giao thức hiệu quả và sự vận hành của nó là khá đơn giản RIP duy trì tất cả bảng định tuyến trong một mạng được cập nhật bởi truyền những lời nhắn cập nhật bảng định tuyến sau mỗi 30s Sau một thiết bị RIP nhận một cập nhật, nó so sánh thông tin hiện tại của nó với những thông tin được chứa trong thông tin cập nhật

Vào giữa năm 1988, IETF đã phát hành RFC 1058 mô tả hoạt động của hệ thống sử dụng RIP Tuy nhiên RFC này ra đời sau khi rất nhiều hệ thống RIP đã được triển khai thành công Do đó, một số hệ thống sử dụng RIP không hỗ trợ tất cả những cải tiến của thuật toán vector khoảng cách cơ bản

Các đặc tính chức năng cơ bản của RIP

9 Sử dụng thuật toán định tuyến véc tơ khoảng cách

9 Sử dụng tham số host-count

9 Các router broadcast toàn bộ cơ sở dữ liệu định tuyến 30s một lần

9 Đường kính mạng cực đại mà RIP hỗ trợ là 15hop

9 Nó không hỗ trợ VLSM (Variable Length Subnet Mask)

Hạn chế của RIP:

9 Giới hạn độ dài tuyến đường: Trong RIP, cost có giá trị lớn nhất được đặt

là 16 Do đó, RIP không cho phép một tuyến đường có cost lớn hơn 15 Tức là, những mạng có kích thước lớn hơn 15 bước nhảy phải dùng thuật toán khác Lưu lượng cần thiết cho việc trao đổi thông tin định tuyến lớn

9 Tốc độ hội tụ khá chậm

9 Không hỗ trợ mặt nạ mạng con có độ dài thay đổi (VLSM): Khi trao đổi thông tin về các tuyến đường, RIP không kèm theo thông tin gì về mặt nạ

Đồ án tốt nghiệp Chương 1 Tổng quan về mạng IP

mạng con Do đó, mạng sử dụng RIP không thể hỗ trợ mặt nạ mạng con

có độ dài thay đổi

Giao thức thông tin định tuyến phiên bản 2 (RIP-2)

Tổ chức IETF đưa ra hai phiên bản RIP-2 để khắc phục những hạn chế của RIP-1 RIP-2 có những cải tiến sau so với RIP:

9 Cân bằng tải giữa các tuyến cùng cost: Việc sử dụng cùng lúc nhiều tuyến cho phép tận dụng có hiệu quả tài nguyên mạng

9 Phân chia mạng một cách logic: điều này làm giảm bớt các thông tin phát

ra trong những điều kiện bất lợi Nó cũng giúp kết hợp các thông báo về định tuyến, hạn chế việc phát đi những thông tin không cần thiết về mạng

9 Hỗ trợ nhận thực: OSPF hỗ trợ nhận thực cho tất cả các node phát thông tin quảng cáo định tuyến Điều này hạn chế được nguy cơ thay đổi bảng định tuyến với mục đích xấu

9 Thời gian hội tụ nhanh hơn: OSPF cho phép truyền các thông tin về thay đổi tuyến một cách tức thì Điều đó giúp rút ngắn thời gian hội tụ cần thiết để cập nhật thông tin cấu hình mạng

9 Hỗ trợ CIDR và VLSM: Điều này cho phép nhà quản trị mạng có thể phân phối nguồn địa chỉ IP một cách có hiệu quả hơn

OSPF là một giao thức dựa theo trạng thái liên kết Giống như các giao thức trạng thái liên kết khác, mỗi bộ định tuyến OSPF đều thực hiện thuật toán SPF để

xử lý các thông tin chứa trong cơ sở dữ liệu trạng thái liên kết Thuật toán tạo ra một cây đường đi ngắn nhất mô tả cụ thể các tuyến đường nên chọn dẫn tới mạng đích

Tuy nhiên, mục đích của việc định tuyến trong mạng IP là phân bố lưu lượng lưu thông trên mạng một cách hiệu quả nhưng việc định tuyến có thể gây ra tắc nghẽn cục bộ trên một số đường truyền Để giải quyết hạn chế này chương 3 đưa ra phương pháp điều khiển lưu lượng dựa trên MPLS Việc tìm hiểu về MPLS sẽ được

mô tả khái quát trong chương 2

Đồ án tốt nghiệp Chương 2 Tổng quan về MPLS

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ MPLS

2.1 Khái niệm cơ bản về MPLS

Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS là kết quả của quá trình phát triển nhiều giải pháp chuyển mạch IP, đây là công nghệ chuyển mạch được đưa ra bởi IETF và đã nhận được các quan tâm đặc biệt từ các nhà cung cấp dịch vụ Internet ISP

MPLS là một công nghệ tích hợp tốt nhất các khả năng hiện tại để phân phát gói tin từ nguồn tới đích qua mạng Internet Có thể định nghĩa MPLS là một tập các công nghệ mở dựa vào chuẩn Internet mà kết hợp chuyển mạch lớp 2 và định tuyến lớp 3 để chuyển tiếp gói tin bằng cách sử dụng các nhãn ngắn có chiều dài cố định

MPLS cho phép các ISP hợp nhất các mạng sử dụng các công nghệ khác nhau vào trong một mạng duy nhất, và đặc biệt quan trọng là cho các nhà ISP đạt được việc điều khiển lưu lượng một cách chính xác tại lớp IP MPLS sử dụng định tuyến cưỡng bức để xác định các đường mà luồng lưu lượng sẽ đi ngang qua đó và xác định đích tới của các gói chuyển mạch nhãn sử dụng các đường các đường được xác định trước đó

Bằng cách sử dụng các giao thức điều khiển và định tuyến Internet, MPLS cung cấp chuyển mạch hướng kết nối ảo qua các tuyến Internet bằng cách sử dụng các nhãn và trao đổi nhãn MPLS bao gồm việc thực hiện các đường chuyển mạch nhãn LSP, nó cũng cung cấp các thủ tục và các giao thức cần thiết để phân phối các nhãn giữa các chuyển mạch và các bộ định tuyến

Nghiên cứu MPLS đang được thực hiện dưới sự bảo trợ của nhóm làm việc MPLS trong IETF MPLS vẫn là một sự phát triển tương đối mới, nó mới chỉ được tiêu chuẩn hoá theo Internet vào đầu năm 2001 Sử dụng MPLS để trao đổi khe thời gian TDM, chuyển mạch không gian và các bước sóng quang là những phát triển mới nhất Các nỗ lực này được gọi là GMPLS (Generalized MPLS)

Nhóm làm việc MPLS đưa ra danh sách với 8 bước yêu cầu để xác định MPLS, đó là:

9 MPLS phải làm việc với hầu hết các công nghệ liên kết dữ liệu

9 MPLS phải thích ứng với các giao thức định tuyến lớp mạng và các công nghệ Internet có liên quan khác

9 MPLS cần hoạt động một cách độc lập với các giao thức định tuyến

9 MPLS phải hỗ trợ mọi khả năng chuyển tiếp của bất kỳ nhãn cho trước nào

9 MPLS phải hỗ trợ vận hành quản lý và bảo dưỡng (OA&M)

9 MPLS cần xác định và ngăn chặn chuyển tiếp vòng

9 MPLS cần hoạt động trong mạng phân cấp

9 MPLS phải có tính kế thừa

Các yêu cầu này chính là các nỗ lực phát triển cần tập trung Liên quan tới các yêu cầu này, nhóm làm việc cũng đưa ra 8 mục tiêu chính mà MPLS cần đạt được:

9 Chỉ rõ các giao thức được tiêu chuẩn hoá nhằm duy trì và phân phối nhãn

để hỗ trợ định tuyến dựa vào đích unicast mà việc chuyển tiếp được thực hiện bằng cách trao đổi nhãn (Định tuyến unicast chỉ ra một cách chính xác một giao diện, định tuyến dựa vào đích ngụ ý là định tuyến dựa vào địa chỉ đích cuối cùng của gói tin)

9 Chỉ rõ các giao thức được tiêu chuẩn hoá nhằm duy trì và phân phối nhãn

để hỗ trợ định tuyến dựa vào đích multicast mà việc chuyển tiếp được thực hiện bằng cách trao đổi nhãn

9 Chỉ rõ các giao thức được tiêu chuẩn hoá nhằm duy trì và phân phối nhãn

để hỗ trợ phân cấp định tuyến mà việc chuyển tiếp được thực hiện bằng cách trao đổi nhãn

9 Chỉ rõ các giao thức được tiêu chuẩn hoá nhằm duy trì và phân phối nhãn

để hỗ trợ các đường riêng dựa vào trao đổi nhãn Các đường này có thể khác so với các đường đã được tính toán trong định tuyến IP thông thường Các đường riêng rất quan trọng trong các ứng dụng TE

9 Chỉ ra các thủ tục được tiêu chuẩn hoá để mang thông tin về nhãn qua các công nghệ lớp 2

9 Chỉ ra một phương pháp tiêu chuẩn nhằm hoạt động cùng với ATM ở mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người dùng

9 Phải hỗ trợ cho các công nghệ QoS

9 Chỉ ra các giao thức tiêu chuẩn cho phép các host sử dụng MPLS

2.2 Phương thức hoạt động của MPLS

Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS là kết quả của quá trình phát triển nhiều giải pháp chuyển mạch IP, được chuẩn hoá bởi IETF Tên gọi của nó bắt

Đồ án tốt nghiệp Chương 2 Tổng quan về MPLS

nguồn từ thực tế đó là hoán đổi nhãn được sử dụng như là kỹ thuật chuyển tiếp nằm

ở bên dưới Sự sử dụng từ “đa giao thức” trong tên của nó có nghĩa là nó có thể hỗ trợ nhiều giao thức lớp mạng, không chỉ riêng IP Ngoài ra các nhà cung cấp mạng

có thể cấu hình và chạy MPLS trên các công nghệ lớp 2 khác nhau như PPP, Fram Relay … không chỉ riêng ATM Về mặt kiến trúc điều này là đúng, nhưng trong thực tế MPLS thường tập trung vào việc vận chuyển các dịch vụ IP trên ATM

Bất kể kỹ thuật ATM từng được coi là nền tảng của mạng số đa dịch vụ băng rộng (B-ISDN), hay là IP đạt thành công lớn trên thị trường hiện nay, đều tồn tại nhược điểm khó khắc phục được Sự xuất hiện của MPLS - kỹ thuật chuyển mạch nhãn đa giao thức đã giúp chúng ta có được sự chọn lựa tốt đẹp cho cấu trúc mạng thông tin tương lai Phương pháp này đã dung hợp một cách hữu hiệu năng lực điều khiển lưu lượng của thiết bị chuyển mạch với tính linh hoạt của bộ định tuyến Hiện nay, càng có nhiều người tin tưởng một cách chắc chắn rằng MPLS sẽ là phương án

lý tưởng cho mạng đường trục trong tương lai

MPLS là giải pháp nhằm liên kết định tuyến lớp mạng và cơ chế hoán đổi nhãn thành một giải pháp đơn nhất để đạt được các mục tiêu sau:

9 Cải thiện hiệu năng định tuyến

9 Cải thiện tính mềm dẻo của định tuyến trên các mô hình xếp chồng truyền thống

9 Tăng tính mềm dẻo trong quá trình đưa và phát triển các loại hình dịch vụ mới

Mạng MPLS có khả năng chuyển các gói tin tại lớp 3 bằng việc sử dụng xử

lý từng gói và chuyển tiếp gói tin tại lớp 2 sử dụng cơ chế hoán đổi nhãn MPLS dựa trên mô hình ngang cấp, vì vậy mỗi một thiết bị MPLS chạy một giao thức định tuyến IP, trao đổi thông tin định tuyến với các thiết bị lân cận, và chỉ duy trì một không gian cấu hình mạng và một không gian địa chỉ

MPLS chia tách chức năng bộ định tuyến IP thành hai phần riêng biệt:

9 Chức năng chuyển gói tin

9 Chức năng điều khiển

Phần chức năng chuyển gói tin: Với nhiệm vụ gửi gói tin giữa các bộ định

tuyến, sử dụng cơ chế hoán đổi nhãn tương tự như ATM Trong MPLS, nhãn là một

số có độ dài cố định và không phụ thuộc vào lớp mạng Kỹ thuật hoán đổi nhãn về bản chất là việc tìm nhãn của một gói tin trong một bảng các nhãn để xác định tuyến của gói và tìm nhãn mới của nó Hay nói cách khác kỹ thuật hoán đổi nhãn là việc

tìm chặng kế tiếp của gói tin trong một bảng chuyển tiếp nhãn, sau đó thay thế giá trị nhãn của gói rồi chuyển ra cổng ra của bộ định tuyến Việc này đơn giản hơn nhiều so với việc xử lý gói tin thông thường và do vậy cải tiến khả năng của thiết bị Các bộ định tuyến sử dụng thiết bị này gọi là bộ định tuyến chuyển mạch nhãn LSR

Phần chức năng điều khiển của MPLS: Bao gồm các giao thức định tuyến

lớp mạng với nhiệm vụ phân phối thông tin định tuyến giữa các LSR, và thủ tục gán nhãn để chuyển thông tin định tuyến thành các bảng định tuyến cho việc chuyển mạch nhãn MPLS có thể hoạt động được với các giao thức định tuyến Internet khác như OSPF và BGP Do MPLS hỗ trợ việc điều khiển lưu lượng và cho phép thiết lập tuyến cố định, việc đảm bảo chất lượng dịch vụ của các tuyến là hoàn toàn khả thi Đây là một điểm vượt trội của MPLS so với các định tuyến cổ điển

Khi một gói tin vào mạng MPLS, các bộ định tuyến chuyển mạch nhãn không thực hiện chuyển tiếp theo từng gói mà thực hiện phân loại gói tin vào trong các lớp tương đương chuyển tiếp FEC, sau đó các nhãn được ánh xạ vào trong các FEC Một giao thức phân bổ nhãn LDP được xác định và chức năng của nó là để ấn định và phân bổ các ràng buộc FEC/nhãn cho các bộ định tuyến chuyển mạch nhãn LSR Khi LDP hoàn thành nhiệm vụ của nó, một đường dẫn chuyển mạch nhãn LSP được xây dựng từ lối vào tới lối ra Khi các gói vào mạng, LSR lối vào kiểm tra nhiều trường trong tiêu đề gói để xác định xem gói thuộc về FEC nào Nếu đã có một ràng buộc nhãn/FEC thì LSR lối vào gắn nhãn cho gói và định hướng nó tới giao diện đầu ra tương ứng Sau đó gói được hoán đổi nhãn qua mạng cho đến khi

nó đến LSR lối ra, lúc đó nhãn bị loại bỏ và gói được xử lý tại lớp 3 Hiệu năng đạt được ở đây là nhờ việc đưa quá trình xử lý lớp 3 tới biên của mạng và chỉ thực hiện

1 lần tại đó thay cho việc xử lý tại từng node trung gian như của IP Tại các node trung gian việc xử lý chỉ là tìm sự phù hợp giữa nhãn trong gói và thực thể tương ứng trong bảng kết nối LSR và sau đó hoán đổi nhãn - quá trình này thực hiện bằng phần cứng

Mặc dù hiệu năng và hiệu quả là 2 kết quả quan trọng, song chúng không phải là các lợi ích duy nhất mà MPLS cung cấp Trong mắt của những nhà cung cấp các mạng lớn, thì khả năng để thực hiện kỹ thuật lưu lượng tiên tiến mà không phải trả giá về hiệu năng của MPLS được quan tâm đặc biệt

Ngoài ra MPLS còn có cơ chế chuyển tuyến (Fast rerouting) Do MPLS là công nghệ chuyển mạch hướng kết nối, khả năng bị ảnh hưởng bởi lỗi đường truyền thường cao hơn các công nghệ khác Trong khi đó, các dịch vụ tích hợp mà MPLS

Đồ án tốt nghiệp Chương 2 Tổng quan về MPLS

phải hỗ trợ lại yêu cầu dung lượng cao Do vậy, khả năng phục hồi của MPLS đảm bảo khả năng cung cấp dịch vụ của mạng không phụ thuộc vào cơ cấu khôi phục lỗi của lớp vật lý bên dưới

Bên cạnh độ tin cậy, công nghệ MPLS cũng khiến cho việc quản lý mạng được dễ dàng hơn Do MPLS quản lý việc chuyển tin theo các luồng thông tin, các gói tin thuộc một FEC có thể được xác định bởi một giá trị của nhãn Do vậy, trong miền MPLS, các thiết bị đo lưu lượng mạng có thể dựa trên nhãn để phân loại các gói tin Lưu lượng đi qua các tuyến chuyển mạch nhãn LSP được giám sát một cách

dễ dàng dùng RTFM (Real Time Flow Measurement) Bằng cách giám sát lưu lượng tại các LSR, nghẽn lưu lượng sẽ được phát hiện và vị trí xảy ra nghẽn lưu lượng có thể được xác định nhanh chóng Tuy nhiên, giám sát lưu lượng theo phương pháp này không đưa ra được toàn bộ thông tin về chất lượng dịch vụ (ví dụ như trễ từ điểm đầu đến điểm cuối của miền MPLS)

Tóm lại, MPLS là một công nghệ chuyển mạch IP có nhiều triển vọng Với tính chất 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 sẽ được cải thiện một cách rõ rệt Tuy nhiên, độ tin cậy là một vấn đề thực tiễn có thể khiến việc triển khai MPLS trên mạng Internet bị chậm lại

MPLS là kỹ thuật chuyển tiếp và trao đổi nhãn, nhưng có kết hợp trao đổi nhãn với định tuyến lớp mạng Việc trao đổi nhãn nghĩa là thay đổi giá trị nhãn trong mào đầu gói khi gói di chuyển từ một nút tới nút khác

Ý tưởng này của MPLS cải thiện hoạt động của định tuyến lớp mạng và độ đáp ứng của lớp mạng Một mục đích hơn nữa là cung cấp độ linh hoạt lớn hơn trong việc phân phối dịch vụ định tuyến (bởi việc cho phép thêm vào các dịch vụ định tuyến mới mà không thay đổi mô hình chuyển tiếp) MPLS không tạo ra một quyết định chuyển tiếp với mỗi dữ liệu đồ lớp 3 nhưng dùng một khái niệm là lớp tương đương chức năng (FEC) Một FEC được kết hợp với một lớp dữ liệu đồ, lớp này phụ thuộc vào một số nhân tố như địa chỉ đích và loại lưu lượng trong dữ liệu

đồ (voice, data, fax…) Dựa vào FEC, một nhãn khi ấy sẽ thương lượng với các LSR lân cận nhau từ lối vào đến lối ra của miền định tuyến Nhãn cũng được dùng

để chuyển lưu lượng qua mạng

Tư tưởng nền tảng không giới hạn MPLS với bất cứ kĩ thuật lớp liên kết đặc biệt nào, giống như ATM hoặc Frame Relay Cho đến nay, mọi nỗ lực đã được thi hành để kết hợp MPLS và ATM nhưng trong tương lai MPLS có thể hoạt động trực tiếp với IP thông qua lớp vật lý mà không cần dùng ATM chút nào

Thêm vào đó, MPLS không yêu cầu một giao thức phân phối nhãn riêng biệt (chấp nhận việc dùng của các giá trị nhãn giữa các LSR cạnh nhau) Các giao thức

đó là RSVP, BGP, LDP Trong đó LDP được chú ý nhất ngay từ khi nó được thiết

kế để cho mạng MPLS, các giao thức còn lại cũng là các phương thức tốt cho việc phân bổ nhãn

MPLS là công nghệ chuyển mạch cho phép các nhà cung cấp dịch vụ hợp nhất các mạng sử dụng các công nghệ khác nhau vào trong một mạng duy nhất để phân phát gói tin từ nguồn tới đích một cách hiệu quả và có thể điều khiển được MPLS sử dụng các đường chuyển mạch nhãn LSP để chuyển tiếp ở lớp 2 mà đã được thiết lập báo hiệu bởi các giao thức định tuyến lớp 3 Tìm hiểu rõ về chuyển tiếp, chuyển mạch và định tuyến là các vấn đề quan trọng để hiểu MPLS hoạt động như thế nào, do vậy cần phải xem xét kĩ các khái niệm này

Mỗi bộ định tuyến đều có chức năng chuyển gói tin từ nguồn tới đích bằng cách thu hoặc nhận, chuyển mạch và chuyển tiếp nó tới thiết bị mạng khác cho tới khi nó tới được đích cuối cùng

Hình 2.1 sau đây mô tả mô hình chung Mặt bằng điều khiển quản lý tập các tuyến mà một gói có thể sử dụng, trong mô hình này một gói đi vào thiết bị mạng qua giao diện đầu vào, được xử lý bởi một thiết bị mà nó chỉ xử lý thông tin về gói

để đưa ra quyết định logic Quyết định logic này có thông tin được cung cấp từ mặt bằng điều khiển chứa các tuyến, cho các thông tin về gói được cập nhật tới thiết bị khác để chuyển tiếp gói thông qua giao diện đầu ra để tới đích của gói tin đó

Hình 2.1 Định tuyến, chuyển mạch, chuyển tiếp

Đồ án tốt nghiệp Chương 2 Tổng quan về MPLS

Đây là mô hình đơn giản nhất trong các công nghệ mạng, nhưng nó là sự bắt đầu cho sự thảo luận về MPLS được thực hiện như thế nào Các công nghệ MPLS đưa ra mô hình mới cho việc định tuyến, chuyển mạch và chuyển tiếp để chuyển các gói tin trong mạng Internet

Hình 2.2 Đường nhanh và đường chậm

Một mô hình khác thường gặp mô tả luồng các gói tin giữa các thiết bị mạng (ví dụ như là các Bộ định tuyến) được trình bày trên hình 2.2

Lưu lượng trong mạng bao gồm hai loại: Lưu lượng điều khiển và Lưu lượng

dữ liệu

Lưu lượng điều khiển bao gồm các thông tin về quản lý định tuyến

Lưu lượng dữ liệu thì đi theo “đường nhanh” và được xử lý bởi các thiết bị mạng Trong hầu hết các thiết bị mạng hiện đại, đường nhanh được thực hiện bởi phần cứng Bất cứ thiết bị mạng nào nhận một gói tin không phải là dữ liệu thì nó được xem như tiêu đề của gói, thông tin về gói được gửi lên đường điều khiển để xử

lý Các gói điều khiển bao gồm các thông tin yêu cầu cho việc định tuyến gói, bất

cứ một gói nào đều có thể chứa thông tin điều khiển, ví như các gói dữ liệu ưu tiên và các gói điều khiển được xử lý chậm, bởi vì chúng cần được kiểm tra bởi phần mềm Vì lý do này đường xử lý thường được gọi là “đường chậm”

Mô hình này rất quan trọng để hiểu MPLS hoạt động như thế nào bởi vì nó chỉ ra đường điều khiển và đường chuyển tiếp là riêng biệt MPLS có thể phân biệt các chức năng quan trọng này để tạo ra một phương pháp mới làm thay đổi phương thức truyền các gói dữ liệu qua mạng Internet

MPLS chủ yếu làm việc với các giao thức lớp 2 và lớp 3, và cũng hoạt động trong nhiều kiểu thiết bị mạng khác “Công nghệ lớp 2.5” là một khía cạnh khác, thường được dùng để mô tả MPLS thực ra là gì? Hình 2.3 trình bày MPLS được xem như là một lớp trung gian mà nó được chèn vào giữa lớp mạng và lớp liên kết

dữ liệu

Hình 2.3 Lớp chèn MPLS

Mô hình này ban đầu xuất hiện như là một mô hình không đồng nhất với OSI, mô hình này chỉ ra rằng MPLS không phải là một lớp mới riêng, mà nó là một phần ảo của mặt phẳng điều khiển ở dưới lớp mạng với mặt phẳng chuyển tiếp ở đỉnh của lớp liên kết dữ liệu MPLS không phải là một giao thức tầng mạng mới bởi

vì nó không có khả năng tự định tuyến hoặc có sơ đồ địa chỉ, mà yêu cầu phải có trong giao thức lớp 3 MPLS sử dụng các giao thức định tuyến và cách đánh địa chỉ của IP (với sự điều chỉnh và mở rộng cần thiết), MPLS cũng không phải là một giao thức tầng liên kết dữ liệu bởi vì nó được thiết kế để hoạt động trong nhiều công nghệ liên kết dữ liệu phổ biến mà cung cấp yêu cầu chức năng và địa chỉ lớp

2.3 Mô hình chuyển mạch nhãn

Mô hình chuyển mạch nhãn là cơ chế chủ yếu được triển khai trong mặt phẳng chuyển tiếp dữ liệu từ nguồn tới đích Mạng MPLS chủ yếu dựa vào mô hình ATM, Frame Relay và kĩ thuật nhãn, các nhãn được gán cho mỗi gói khi chúng vào mạng, được trao đổi nhãn khi chúng qua mạng và sau đó được chuyển tới cổng đầu

ra của mạng Hình 2.4 chỉ ra mô hình trao đổi nhãn Trong một mạng có một cổng vào, một nút trung gian được gọi là nút chuyển tiếp, và một cổng ra Tập hợp các nút tham gia vào quá trình trao đổi nhãn được gọi là miền trao đổi nhãn

Chú ý rằng các giá trị của nhãn có thể được gán và phân bố trước khi bất cứ quá trình trao đổi nhãn của dữ liệu xảy ra hoặc các nhãn có thể được tạo ra khi các

gói thuộc về một luồng đặc biệt Hai kiểu gán nhãn được gọi là “control driven” và

“traffic driven” Sau khi vùng chuyển mạch nhãn được cấu hình để xử lý lưu lượng

gói được chuyển tiếp bởi trao đổi nhãn, tất cả các gói được xử lý theo cùng một cách đơn giản và trực tiếp

Đồ án tốt nghiệp Chương 2 Tổng quan về MPLS

Hình 2.4 Mô hình chuyển mạch nhãn

Một nhãn ngắn, chiều dài cố định được mang trong tiêu đề của gói Nhãn nhận dạng đường chuyển tiếp nào mà một gói sẽ đi qua, dựa vào tập các tham số đầu vào (địa chỉ đích, tiền tố, QoS,…) Quá trình xử lý ở đầu vào xác định bất cứ một giá trị nhãn của gói tới dựa vào thông tin về gói để ánh xạ nó tới đường chuyển tiếp của nó Nút ở cổng đầu vào gán giá trị nhãn ban đầu cho mỗi gói sau đó gửi nó vào trong mạng Các nhãn chỉ có ý nghĩa cục bộ và giá trị thực tế của một nhãn chỉ được hiểu giữa hai nút thông tin với nhau Sau khi một nhãn được thêm vào bởi nút cổng và được trao đổi ở nút chuyển tiếp dựa vào bảng nhãn đã được cấu hình của nó tới khi nào gói tới được đích Chú ý rằng bảng nhãn-Label Table hướng dẫn gói qua LSP đã được thiết lập trước khi gói bắt đầu hành trình

Do đó, các đường nhãn tương đương với một kênh ảo (VC) Các đường nhãn luôn luôn không đồng nhất Nếu muốn lưu lượng gói đi theo hướng ngược lại của cùng một tuyến thì phải thiết lập hai đường nhãn

Trao đổi nhãn có nhiều ưu điểm so với định tuyến “từng chặng” đã được triển khai trong mạng IP thông thường Nó đơn giản và hiệu quả hơn Việc phân tích gói chỉ được thực hiện ở nút cổng Trao đổi nhãn trong vùng trao đổi nhãn nhanh hơn bởi vì việc hoạt động đơn giản là nhận ra nhãn và ánh xạ nó vào giá trị nhãn tiếp theo Nút đầu ra nhận ra rằng gói đã đến biên sau đó nó thực hiên xoá nhãn và chuyển tiếp gói tin dựa vào các thông tin khác như là header ở tầng mạng,

và đưa vào vùng đích Trao đổi nhãn là quá trình chủ yếu của MPLS và nó thể hiện nhiều khái niệm cần thiết để hiểu công nghệ này hoàn chỉnh hơn và để biết tại sao

MPLS không chỉ là sự trao đổi nhãn

2.4 Các thành phần trong MPLS

2.4.1 Các khái niệm cơ bản trong MPLS

Về nguyên tắc, mỗi nhãn với khuôn dạng cố định được gán vào phía trước mỗi gói dữ liệu trên đường vào trong mạng MPLS Tại mỗi vị trí Hop ngang qua mạng, gói tin được định tuyến dựa trên giá trị của giao diện đầu vào và nhãn, và

được gửi đi tới giao diện bên trong với một giá trị nhãn mới Tại các bộ định tuyến, nơi xảy ra việc gán các nhãn cho các gói tin được gọi là các bộ định tuyến biên nhãn LERs, và đối với các bộ định tuyến thay đổi và hệ thống chuyển mạch mà sử dụng các nhãn đó để truyền lưu lượng đi được gọi là các bộ định tuyến chuyển mạch nhãn LSRs Đường chuyển mạch nhãn LSP là một đường cụ thể mà gói tin hoặc luồng lưu lượng truyền qua mạng dựa vào các nhãn đã được gán cho các gói tin hoặc luồng trước đó MPLS mang lại những lợi ích to lớn hỗ trợ cho các phương pháp định tuyến đang tồn tại trong mạng được chỉ ra dưới đây:

9 Chuyển tiếp đơn giản: chuyển mạch nhãn cho phép chuyển tiếp gói tin một cách chính xác dựa trên sự tương hợp đối với từng nhãn có chiều dài

cố định hiệu quả hơn so với dựa trên sự tương hợp về thuật toán áp dụng cho địa chỉ như đã được sử dụng trong cơ chế chuyển tiếp dữ liệu thông thường

9 Khả năng định tuyến hiệu suất cao: MPLS cho phép bộ định tuyến hiện được thực hiện tại thời điểm mà đường chuyển tiếp nhãn được thiết lập

và không áp dụng cho từng gói tin riêng biệt

9 Điều khiển lưu lượng: MPLS có khả năng điều khiển tải dựa trên các đường truyền và các bộ định tuyến luôn cân bằng thông suốt trong mạng Đây là chức năng quan trọng trong mạng MPLS, nơi đường truyền luân phiên luôn luôn khả dụng

9 Sắp xếp các gói tin IP trong các lớp chuyển tiếp tương đương FEC: MPLS cho phép sắp xếp các gói tin IP trong các FEC chỉ thực hiện tại đầu vào của MPLS Trong trường hợp định tuyến dữ liệu, các gói tin IP

sẽ được sắp xếp theo mức dịch vụ và yêu cầu thâm nhập gói tin sẽ dựa trên địa chỉ nguồn và địa chỉ đích và giao diện phía đầu vào

2.4.1.1 Nhãn

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

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

Đồ án tốt nghiệp Chương 2 Tổng quan về MPLS

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

Ví dụ các gói ATM (tế bào) sử dụng giá trị VPI/VCI như nhãn, FR sử dụng DLCI làm nhãn Đối với các phương tiện gốc không có cấu trúc nhãn, một đoạn đệm được chèn thêm để sử dụng cho nhãn Khuôn dạng đoạn đệm 4 byte có cấu trúc như sau:

Hình 2.5 Định dạng cấu trúc nhãn

MPLS định nghĩa một tiêu đề có độ dài 32 bit và được tạo nên tại LSR vào

Nó phải được đặt ngay sau tiêu đề lớp 2 bất kì và trước một tiêu đề lớp 3, ở đây là

IP và được sử dụng bởi LSR lối vào để xác định một FEC, lớp này sẽ được xét lại trong vấn đề tạo nhãn Sau đó các nhãn được sử lí bởi LSR chuyển tiếp

Khuôn dạng và tiêu đề MPLS được chỉ ra trong hình 2.5 Nó bao gồm các trường sau:

9 Nhãn: Giá trị 20 bit, giá trị này chứa nhãn MPLS

9 S: bit ngăn xếp, sử dụng để xắp xếp đa nhãn

9 TTL: Thời gian sống, 8bit, đặt ra một giới hạn mà các gói MPLS có thể

đi qua

Đối với các khung PPP hay Ethernet giá trị nhận dạng giao thức P-ID (hoặc Ethertype) được chèn thêm vào mào đầu khung tương ứng để thông báo khung là MPLS unicast hay multicast

2.4.1.2 Ngăn xếp nhãn

Một tập hợp có thứ tự các nhãn gắn theo gói để truyền tải thông tin về nhiều FEC mà gói nằm trong đó để nói về các LSP tương ứng mà gói sẽ đi qua Ngăn xếp nhãn cho phép MPLS hỗ trợ định tuyến phân cấp (một nhãn cho EGP và một nhãn cho IGP) và tổ chức đa LSP trong một trung kế LSP

Chuyển mạch nhãn được thiết kế để co dãn các mạng lớn và MPLS hỗ trợ chuyển mạch nhãn với hoạt động phân cấp, hoạt động phân cấp này dựa trên khả năng của MPLS có thể mang nhiều hơn một nhãn trong gói Ngăn xếp nhãn cho phép thiết kế các LSR trao đổi thông tin với nhau và hành động này giống như việc

tạo đường viền node để tạo ra một miền mạng rộng lớn và các LSR khác Có thể nói rằng các LSR này là các node bên trong một miền và không liên quan đến đường viền node Sự xử lí một gói nhãn được hoàn thành độc lập với từng mức của sự phân cấp

2.4.1.3 LSR Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn

Là thiết bị (Bộ định tuyến hay Switch) sử dụng trong mạng MPLS để chuyển các gói tin bằng thủ tục phân phối nhãn Có một số loại LSR cơ bản sau: LSR biên, ATM–LSR, ATM-LSR biên

2.4.1.4 FEC Lớp chuyển tiếp tương đương

Là khái niệm được dùng để chỉ một nhóm các gói được đối xử như nhau qua mạng MPLS ngay cả khi có sự khác biệt giữa các gói tin này thể hiện trong mào đầu lớp mạng

Thuật ngữ FEC được sử dụng trong hoạt động chuyển mạch nhãn FEC được dùng để miêu tả sự kết hợp của các gói riêng biệt với một địa chỉ đích thường

là điểm nhận lưu lượng cuối cùng chẳng hạn như một tổng đài host FEC cũng có thể liên kết một giá trị FEC với một địa chỉ đích và một lớp lưu lượng Lớp lưu lượng được liên kết với một chỉ số cổng đích

Tại sao phải dùng FEC? Thứ nhất, nó cho phép nhóm các gói vào các lớp

Từ nhóm này, giá trị FEC trong một gói có thể được dùng để thiết lập độ ưu tiên cho việc xử lý các gói FEC cũng có thể được dùng để hỗ trợ hiệu quả hoạt động QoS Ví dụ, FEC có thể liên kết với độ ưu tiên cao, lưu lượng thoại thời gian thực, lưu lượng nhóm mới ưu tiên thấp…

Sự kết hợp một FEC với một gói được thực hiện bởi việc dùng một nhãn để định danh một FEC đặc trưng Với các lớp dịch vụ khác nhau, phải dùng các FEC khác nhau và các nhãn liên kết khác nhau Đối với lưu lượng Internet, các định danh

sử dụng là các tham số ứng cử cho việc thiết lập một FEC Trong một vài hệ thống, chỉ địa chỉ đích IP được sử dụng

FEC là một sự biểu diễn của nhóm các gói, các nhóm này chia sẻ cùng yêu cầu trong sự vận chuyển của chúng Tất cả các gói trong một nhóm như vậy được cung cấp cùng một cách chọn đường tới đích Ngược với chuyển tiếp IP truyền thống, trong MPLS việc gán một gói cụ thể vào một FEC cụ thể được thực hiện chỉ một lần khi các gói vào trong mạng Các FEC dựa trên các yêu cầu dịch vụ đối với một tập các gói cho trước hay đơn giản chỉ là đối với địa chỉ cho trước Mỗi LSR xây dựng một bảng để xác định xem gói được chuyển tiếp như thế nào Bảng này

Đồ án tốt nghiệp Chương 2 Tổng quan về MPLS

được gọi là bảng thông tin nhãn cơ bản LIB, nó là tổ hợp ràng buộc FEC với nhãn ( FEC- to- label)

2.4.1.5 Bảng chuyển mạch chuyển tiếp nhãn

Label Switching Forwarding Table, là bảng chuyển tiếp nhãn có chứa thông tin về nhãn đầu vào, nhãn đầu ra, giao diện đầu ra và địa chỉ điểm tiếp theo

2.4.1.6 Đường chuyển mạch nhãn LSP

Là tuyến tạo ra từ đầu vào đến đầu ra của mạng MPLS dùng để chuyển tiếp gói của một FEC nào đó sử dụng cơ chế chuyển đổi nhãn (label-swapping forwarding)

Đường đi qua một mạng chuyển mạch nhãn được quyết định bởi một trong hai cách Thứ nhất, các giao thức định tuyến truyền thống (như OSPF hay BGP) được sử dụng để phát hiện các địa chỉ IP Thông tin này, từ nút tiếp theo đến địa chỉ

là tương đương với một nhãn, một đường chuyển mạch nhãn mềm dẻo Thứ hai, LSP có thể được thiết lập dựa trên ý tưởng của định tuyến cưỡng bức Cách này có thể dùng một giao thức định tuyến để hỗ trợ việc thiết lập LSP nhưng LSP cũng bị cưỡng bức bởi một số nhân tố khác như sự cần thiết phải cung cấp một mức độ QoS tốt Thực vậy, lưu lượng nhạy cảm với thời gian thực là thử thách đầu tiên của định tuyến cưỡng bức

2.4.1.7 Cơ sở dữ liệu nhãn LIB

Là bảng kết nối trong LSR có chứa các giá trị nhãn/FEC được gán vào cổng

ra cũng như thông tin về đóng gói phương tiện truyền

2.4.1.8 Gói tin dán nhãn

Một gói tin dán nhãn là một gói tin mà nhãn được mã hoá Trong một vài trường hợp, nhãn nằm trong mào đầu của gói tin dành riêng cho mục đích dán nhãn Trong các trường hợp khác, nhãn có thể được đặt chung trong mào đầu lớp mạng và lớp liên kết dữ liệu miễn là ở đây có trường có thể dùng được cho mục đích dãn nhãn Công nghệ mã hoá được sử dụng phải phù hợp với cả thực thể mã hoá nhãn

và thực thể giải mã nhãn

2.4.1.9 Ấn định phân phối nhãn

Trong mạng MPLS, quyết định để kết hợp một nhãn L cụ thể với một FEC F

cụ thể là do LSR phía trước thực hiện LSR phía trước sau khi kết hợp sẽ thông báo với LSR phía sau về kết hợp đó Do vậy các nhãn được LSR phía trước ấn định và kết hợp nhãn được phân phối theo hướng từ LSR phía trước tới LSR phía sau

2.4.2 Thành phần cơ bản củaMPLS

Các thiết bị tham gia trong một mạng MPLS có thể được phân loại thành các

bộ định tuyến biên nhãn LER và các bộ định tuyến chuyển mạch nhãn LSR

2.4.2.1 Thiết bị LSR

Thành phần quan trọng nhất của mạng MPLS là thiết bị định tuyến chuyển mạch nhãn LSR (Label Switch Router) Thiết bị này thực hiện chức năng chuyển tiếp gói thông tin trong phạm vi mạng MPLS bằng thủ tục phân phối nhãn

LSR là 1 thiết bị định tuyến tốc độ cao trong lõi của 1 mạng MPLS, nó tham

gia trong việc thiết lập các đường dẫn chuyển mạch nhãn LSP bằng việc sử dụng giao thức báo hiệu nhãn thích ứng và thực hiện chuyển mạch tốc độ cao lưu lượng

số liệu dựa trên các đường dẫn được thiết lập

Căn cứ vào vị trí và chức năng của LSR có thể phân thành các loại chính sau đây:

9 LSR biên: nằm ở biên của mạng MPLS LSR tiếp nhận hay gửi đi các thông tin từ hay đến mạng khác (IP, Frame Relay,…) LSR biên gán hay loại bỏ nhãn cho các gói thông tin đến hoặc đi khỏi mạng MPLS Các LSR có thể là Ingress Bộ định tuyến (Bộ định tuyến lối vào ) hay Egress

Bộ định tuyến (bộ định tuyến lối ra)

9 ATM-LSR: là các tổng đài ATM có thể thực hiện chức năng như LSR Các ATM-LSR thực hiện chức năng định tuyến gói IP và gán nhãn trong mảng điều khiển và chuyển tiếp số liệu trên cơ chế chuyển mạch tế bào ATM trong mảng số liệu Như vậy các tổng đài chuyển mạch ATM truyền thống có thể nâng cấp phần mềm để thực hiện chức năng của LSR