Luận văn thạc sỹ ngành điện tử viễn thông

THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT AAA Authentication, Authorization and Accounting Xác thực, Phân quyền, tính cước ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line Đường dây thuê bao số bất đối xứng AG Ac

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

TS NGUYỄN ĐỨC MINH

HÀ NỘI – 2010

LỜI CAM ĐOAN

Kính gửi : Trung tâm Đào tạo và Bồi dưỡng sau Đại học

Trường Đại học Bách khoa Hà nội

Tên tôi là : Nguyễn Thị Thanh Thúy

Sinh ngày: 13 – 03 – 1984

Học viên cao học khóa 2008 – 2010

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

của mình là các kiến thức tự nghiên cứu từ các tài liệu tham khảo trong và

ngoài nước, không có sự sao chép hay vay mượn dưới bất kỳ hình thức nào

để hoàn thành bản luận văn tốt nghiệp cao học chuyên ngành Điện tử Viễn

thông

Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về nội dung của luận văn này

trước Trung tâm Đào tạo và Bồi dưỡng sau Đại học – Trường Đại học

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè, tới các thầy cô giáo

của Trung tâm đào tạo và bồi dưỡng sau Đại Học, Khoa Điện tử - Viễn thông,

Ban Giám hiệu Trường Đại học Bách Khoa Hà nội đã hết sức tạo điều kiện,

động viên và truyền thụ các kiến thức bổ ích Đặc biệt tôi xin gửi lời cám ơn

chân thành đến thầy giáo – T.S Nguyễn Đức Minh cùng các đồng nghiệp đã tận

tình giúp đỡ để tôi có thể hoàn thành tốt bài luận văn này

Mặc dù hết sức cố gắng và nỗ lực hoàn thiện đề tài, tuy nhiên trong quá trình

thực hiện bản luận văn khó tránh khỏi những hạn chế, thiếu sót nhất định Kính

mong được sự chỉ bảo, đóng góp chân thành của các quý thầy cô, các bạn bè, đồng

nghiệp để bản luận văn được hoàn thành tốt hơn

Học viên

Nguyễn Thị Thanh Thúy

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU 10

LỜI NÓI ĐẦU 12

CHƯƠNG 1 13

TỔNG QUAN VỀ MPLS 13

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 13

1.2 KHÁI NIỆM VÀ HOẠT ĐỘNG CƠ BẢN TRONG MPLS 14

1.2.1 Tính thông minh phân tán 14

1.2.2 Các thành phần cơ bản của mạng MPLS 16

1.2.3 Giao thức phân phối nhãn LDP (Label Distribution Protocol) 25

1.2.4 Giao thức CR – LDP (Constraint-Based Routing-LDP) 30

1.2.5 Giao thức dành trước tài nguyên RSVP (Resource Reservation Protocol) 31

1.2.6 Giao thức RSVP mở rộng 33

1.3 TỔNG KẾT CHƯƠNG 36

CHƯƠNG 2 37

ĐỊNH TUYẾN TRONG MPLS 37

2.1 GIỚI THIỆU 37

2.2 THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN CHUYỂN MẠCH NHÃN 38

2.2.1 Tính toán và thiết lập tuyến với thuật toán CSPF 40

2.2.2 Định tuyến ràng buộc MPLS với chức năng kỹ thuật lưu lượng 42

2.2.3 Vai trò của định tuyến trong việc cung cấp chất lượng dịch vụ 47

2.3 CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN 52

2.3.1 Giao thức thông tin định tuyến RIP (Routing Information Protocol) 52

2.3.2 Giao thức định tuyến cổng nội IGRP (Interior Gateway Routing Protocol) 54

2.3.3 Giao thức định tuyến cổng nội cao cấp EIGRP (Enhanced Interior Gateway Routing Protocol) 55

2.3.4 Giao thức OSPF (Open Shortest Path First) 57

2.3.5 Giao thức cổng biên BGP (Border Gateway Protocol) 59

2.4 MÔ PHỎNG ĐỊNH TUYẾN RÀNG BUỘC TRONG MPLS 61

2.4.1 Phân tích 61

2.4.2 Mô hình và kết quả mô phỏng 61

2.5 TỔNG KẾT CHƯƠNG 65

CHƯƠNG 3 66

ỨNG DỤNG MPLS TRÊN MẠNG VN2 CỦA VNPT 66

3.1 CẤU TRÚC CHỨC NĂNG MẠNG NGN CỦA VNPT 66

3.1.1 Lớp truy nhập và truyền dẫn của mạng NGN 66

3.1.2 Lớp truyền thông của mạng NGN 66

3.1.3 Các thành phần của NGN 68

3.1.4 Sơ đồ tổng thể mạng NGN của tập đoàn VNPT 70

3.2 CÁC MÔ HÌNH TRIỂN KHAI MẠNG ĐƯỜNG TRỤC ỨNG DỤNG MPLS 72

3.2.1 Mô hình 1: MPLS trong mạng lõi 73

3.2.2 Mô hình 2: ATM lõi, MPLS ở các tổng đài đa dịch vụ 74

3.2.3 Mô hình 3: Mạng MPLS hoàn toàn: 76

3.3 MPLS TRONG MẠNG VN2 CỦA VNPT 79

3.3.1 Các phần tử trong mạng: 79

3.3.2 Các dịch vụ VNPT cung cấp trên VN2 81

3.3.3 Các giao thức định tuyến và điều khiển trong mạng VN2 83

3.3.4 Các giai đoạn chuyển sang mạng VN2 86

KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG 88

ABSTRACT OF MASTER THESIS 89

TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT

AAA Authentication, Authorization

and Accounting

Xác thực, Phân quyền, tính cước

ADSL Asymmetric Digital Subscriber

Line

Đường dây thuê bao số bất đối xứng

AG Access Gateway Cổng truy nhập

ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền dẫn không đồng

bộ

AS Application Server Máy chủ ứng dụng

ASON Automatically switched optical

network

Mạng tự động chuyển mạch quang

BGP Border Gateway Protocol Giao thức cổng đường biên B-ISDN Broadband Integrated Services

Digital Network

Mạng tổ hợp dịch vụ số băng rộng

BRAS Broadband Remote Access

Server

Máy chủ quản lý truy cập từ xa băng thông rộng

BSS Business Support System Các hệ thống hỗ trợ kinh doanh

CE Customer Edge Mạng biên của khách hàng CESoPSN Circuit Emulation Service over

Packet Switching Networks

Dịch vụ nhái mạch thông qua mạng chuyển mạch gói CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã CMTS Cable Modem Terminal System Hệ thống modem cáp đầu cuối CR-LDP Constrained Routing-LDP Định tuyến cưỡng bức-LDP CR-LSP Constrained Routing-LSP Định tuyến cưỡng bức-LSP CSPF Constrained Shortest Path First Đường dẫn ngắn nhất bắt buộc DeffServ Differentiated Service Mô hình dịch vụ phân biệt DSP Digital signal processing Xử lý Tín hiệu Số

EGP Edge Gateway Protocol Giao thức định tuyến cổng biên EIGRP Enhanced Interior Gateway Giao thức định tuyến nội cao cấp

Routing Protocol

FS Feature Server Máy chủ chức năng

DWDM Dense Wavelength Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo bước sóng với mật độ cao

FEC Fowarding Equivalent Class Lớp chuyển tiếp tương đương GMPLS Generalized Multiprotocol Label

IDSL ISDN Digital Subscriber Line Mạng số tích hợp đa dịch vụ

đường dây thuê bao số IETF Internet Engineering Task Force Nhóm tác vụ kỹ thuật Internet IntServ Integrated Service Mô hình tích hợp dịch vụ

IGP Interior Gateway Protocol Giao thức cổng nội

IP Internet Protocol Giao thức Internet

IPSec Internet Protocol Security Giao thức mạng về bảo mật ISDN Integrated Service Digital

LDP Label Distribution Protocol Giao thức phân bổ nhãn

LER Label Edge Router Router biên nhãn

LFIB Label Forwarding Information

Base

Cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn

LIB Label Information Base Cơ sở thông tin nhãn

LSP Label Switched Path Đường dẫn chuyển mạch nhãn LSA Link-state advertisement Quảng bá trạng thái kết nối LSR Label Switch Router Router chuyển mạch nhãn

MGC Media Gateway Controller Điều khiển cổng phương tiện MGCP Media Gateway Controller

Protocol

Giao thức điều khiển cổng phương tiện

MNS MPLS Network Simulation Mô phỏng mạng MPLS

MPLS Multiprotocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức

MS Media Server Máy chủ phương tiện

NGN Next Generation Network Mạng thế hệ kế tiếp

OSI Open Systems Interconnection Mô hình tham chiếu kết nối các

hệ thống mở OSPF Open Shortest Path First Giao thức đường đi ngắn nhất

đầu tiên OSS Operations Support System Các hệ thống hỗ trợ vận hành

PE Provider Edge Mạng biên của nhà cung cấp PDH Plesiochronous Digital

Hierarchy

Phân cấp số cận đồng bộ

PON Passive Optical Networks Mạng quang thụ động

PSTN Public Switch Telephone

Network

Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng

PVC Permanent virtual circuit Mạch ảo cố định

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

RESV Resevation Bản tin dành trước

RFC Request For Comment Yêu cầu ý kiến

RIP Routing Information Protocol Giao thức định tuyến thông tin

RG Residential Gateway Cổng kết nối riêng

RSVP Resource Resevation Protocol Giao thức dành trước tài nguyên RTP Real-time Transport Protocol Giao thức Vận chuyển Thời gian

Thực RTCP Real-Time Transport Control

Protocol

Giao thức điều khiển Vận chuyển Thời gian Thực PVC Permanent virtual circuit Kênh ảo

SAToP Structure Agnostic TDM over

SVC Switched Virtual Circuit Mạch ảo chuyển mạch

SWG Signaling Gateway Cổng báo hiệu

TCP Transission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn TGW Traffic Gateway Cổng lưu lượng

TMN Telecommunications

Management Network

Mạng điều hành viễn thông

TLV Type-Leng-Value Kiểu-Chiều dài-Giá trị

UDP User Datagram Protocol Giao thức lược đồ dữ liệu

UMTS Universal Mobile

Telecommunications System

Hệ thống viễn thông di động toàn cầu

VCI Virtual Circuit Identifier Nhận dạng kênh ảo

VNPT Vietnam Post &

Telecommunications

Tổng công ty BCVT Việt Nam

VLL Virtual Leased Line Kênh thuê riêng ảo

VPN Virtual Private Network Mạng riêng ảo

VPLS Virtual Private LAN Service Dịch vụ mạng LAN riêng ảo VPRN Virtual Private Routed Networks Mạng định tuyến riêng ảo

VPI Virtual Path Identifier Nhận dạng đường ảo

xDSL x Digital Subcriber Line Kênh thuê bao số

WAN Wide Area Network Mạng diện rộng

WDM Wavelength Division

Multiplexing

Ghép kênh quang theo bước sóng

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU

Hình 1 1: Phân loại mạng viễn thông 13

Hình 1 2: MPLS domain, LSR, MPLS node 16

Hình 1 3: Cấu trúc nút của MPLS 16

Hình 1 4: Mặt phẳng điều khiển và dữ liệu: a) IP; b) MPLS 18

Hình 1 5: Các thành phần mặt phẳng dữ liệu và mặt phẳng điều khiển của MPLS 19

Hình 1 6: Định dạng cấu trúc nhãn 20

Hình 1 7: Ngăn xếp nhãn 21

Hình 1 8: Ví dụ về sử dụng ngăn xếp nhãn 22

Hình 1 9: LSP qua mạng MPLS 24

Hình 1 10: Mô hình LSP Nested 24

Hình 1 11: Thủ tục phát hiện LSR lân cận 26

Hình 1 12: Định dạng LDP PDU và TLV 29

Hình 1 13: Quá trình xây dựng LSP bằng giao thức CR – LDP 30

Hình 1 14: Cơ chế hoạt động của RSVP 34

Hình 2 1: Đường dẫn chuyển mạch nhãn 37

Hình 2 2: Ví dụ về thuật toán CSPF 41

Hình 2 3: OSPF và định tuyến ràng buộc 45

Hình 2 4: Luồng thông điệp PATH và RESV 49

Hình 2 5: E-LSP 51

Hình 2 6: L - LSP 51

Hình 2 7: Các khu vực trong một hệ thống tự trị 57

Hình 2 8: Ví dụ về mô hình mạng của các AS 60

Hình 2 9: Topology vật lý mạng thực hiện mô phỏng 61

Hình 2 10: Mô phỏng mạng IP không hỗ trợ MPLS 62

Hình 2 11: Băng thông sử dụng bởi các luồng lưu lượng khi mô phỏng mạng IP không hỗ trợ MPLS 63

Hình 2 12: Mô phỏng định tuyến ràng buộc trong MPLS 64

Hình 2 13: Băng thông sử dụng bởi các luồng lưu lượng khi mô phỏng định tuyến ràng buộc trong MPLS 65

Hình 3 1: Cấu trúc chức năng của NGN 68

Hình 3 2: Các thành phần của NGN 69

Hình 3 3: Sơ đồ tổng thể mạng NGN của VNPT 71

Hình 3 4: Cấu hình tổ chức mạng MPLS phương án 1 73

Hình 3 5: Cấu hình tổ chức mạng MPLS phương án 2 75

Hình 3 6: Cấu hình tổ chức mạng MPLS phương án 3 77

Hình 3 7: Sơ đồ mạng VN2 của VNPT 79

Hình 3 8: VN2 MPLS Topology 85

Hình 3 9: Mức độ ưu tiên giữa các gói dịch vụ trong mạng 83

Bảng 2 1: Kiến trúc định tuyến truyền thống 39

Bảng 2 2: Kiến trúc định tuyến chuyển mạch nhãn 39

Bảng 2 3: So sánh hai mô hình chất lượng dịch vụ 48

Bảng 2 4: Các loại lớp dịch vụ phân biệt 50

Bảng 2 5: Kết quả mô phỏng mạng IP không hỗ trợ MPLS 62

Bảng 2 6: Kết quả mô phỏng định tuyến ràng buộc trong MPLS domain 64

Bảng 3 2: Khả năng cung cấp dịch vụ của ALU 7750 82

LỜI NÓI ĐẦU

Khi mạng Internet ngày càng mở rộng, các vấn đề về mạng bắt đầu bộc lộ Các nhà cung cấp mạng và các nhà cung cấp dịch vụ cũng đã có nhiều nỗ lực để nâng cấp cũng như xây dựng hạ tầng mạng mới Nhiều công nghệ mạng và công nghệ chuyển mạch đã được phát triển, trong số đó chúng ta phải kể đến công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức (Multi Protocol Label Switching)

Chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS) được tổ chức quốc tế IETF chính thức đưa ra vào cuối năm 1977 và đã phát triển nhanh chóng trên toàn cầu MPLS có thể phối hợp và nâng cấp từ các mạng ATM hoặc Frame Relay đã có sẵn Là công nghệ

đề xuất cho mạng lõi nên yêu cầu đối với các cơ chế định tuyến trong MPLS cần phải đảm bảo tốc độ tính toán nhanh nhất và đạt hiệu năng tổng thể cho nhiều luồng lưu lượng khác nhau Hơn nữa việc cải thiện hiệu năng định tuyến luôn là một bài toán được quan tâm hàng đầu trong mạng

Hiện nay VNPT đang tiến hành xây dựng mạng thế hệ mới VN2 và sử dụng công nghệ MPLS trong mạng lõi, luận văn “Định tuyến trong MPLS - Ứng dụng MPLS trên mạng VN2 - VNPT” đã nghiên cứu về MPLS, các giao thức định tuyến trong MPLS và ứng dụng trong mạng lõi của mạng truyền tải VN2.

Luận văn gồm 3 chương:

™ Chương 1 : Tổng quan về MPLS: Trình bày tổng quan về công nghệ chuyển

mạch nhãn đa giao thức MPLS gồm khái niệm, ưu điểm và những ứng dụng của MPLS

™ Chương 2 : Định tuyến trong MPLS: Trình bày về các thuật toán và giao thức

định tuyến trong MPLS Mô phỏng định tuyến ràng buộc trong MPLS bằng phần mềm NS2

™ Chương 3: Ứng dụng MPLS trên mạng VN2 của VNPT: Trình bày về cấu

trúc mạng của VNPT, các mô hình triển khai MPLS trên mạng đường trục và

ứng dụng trên mạng truyền tải VN2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MPLS 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Mạng viễn thông được phân thành mạng chuyển mạch (Switched communication networks) và mạng quảng bá (Broadcast communition networks) Mạng chuyển mạch với hai kỹ thuật chuyển mạch kênh (Circuit – Switched networks) và chuyển mạch gói (Packet – Switched networks) đã được phát triển từ rất lâu, trong đó chuyển mạch gói ngày càng chiếm ưu thế với sự ra đời lần lượt của các kỹ thuật: X.25, ATM, Frame Relay, MPLS và GMPLS Hình 1.1 mô tả cụ thể phân loại mạng viễn thông

Circuit - Switched networks Packet - Switched networks

- Telephone network

- Wavelength routing network

Connection – oriented networks Connectionless networks

Hình 1 1: Phân loại mạng viễn thông

Chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS) là kết quả của quá trình phát triển nhiều giải pháp chuyển mạch IP, được chuẩn hóa bởi IETF MPLS đưa ra cấu trúc

hướng liên kết cho mạng phi liên kết IP Tên gọi của nó bắt nguồn từ thực tế đó là hoán đổi nhãn được sử dụng như là kỹ thuật chuyển tiếp nằm ở bên dưới, “đa giao thức” có nghĩa là MPLS có thể hỗ trợ nhiều giao thức lớp mạng, không chỉ riêng IP

“Nhãn” ở đây là một số được gán tại bộ định tuyến IP ở biên của miền MPLS hoặc chuyển mạch nhãn xác định tuyến qua mạng để các gói được định tuyến một cách nhanh chóng không cần phải tìm kiếm địa chỉ đích trong gói IP

Kỹ thuật chuyển mạch nhãn không phải là kỹ thuật mới Với các kỹ thuật lớp liên kết như Frame relay và ATM , nhãn có thể được mang như một phần tiêu đề (header) của lớp liên kết của nó để chuyển các khung (frame) hoặc các cell qua mạng Cụ thể, với ATM, nhãn có thể được mang trong trường VCI hay VPI của tiêu

đề ATM Còn với Frame Relay, nhãn có thể được mang trong trường DLCI của tiêu

đề Frame Relay

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 duy trì một không gian cấu hình mạng và một không gian địa chỉ

Trong chương này, chúng ta sẽ nghiên cứu các khái niệm và hoạt động cơ bản của MPLS: Giao thức phân phối nhãn LDP (Label Distribution Protocol) và mở rộng là giao thức phân phối nhãn định tuyến dựa trên ràng buộc CR – LDP (Constraint - Base Routing LDP); Giao thức dành trước tài nguyên mạng RSVP (Resource Reservation Protocol) và mở rộng là RSVP – TE (RSVP Traffic Engineering)

1.2 KHÁI NIỆM VÀ HOẠT ĐỘNG CƠ BẢN TRONG MPLS

1.2.1 Tính thông minh phân tán

Trong mạng chuyển mạch kênh, tính thông minh chủ yếu tập trung ở mạng lõi (core), tất cả những thiết bị thông minh nhất đều đặt trong mạng lõi như: các tổng đài toll, transit, MSC, Các thiết bị kém thông minh hơn đặt ở mạng biên (edge),

ví dụ như các tổng đài nội hạt, truy nhập,

Trong mạng IP, tính thông minh gần như chia đều cho các thiết bị trong mạng Tất cả các router đều phải làm hai nhiệm vụ là định tuyến và chuyển mạch Đây là

ưu điểm và cũng là nhược điểm của IP

Quan điểm của MPLS là tính thông minh càng đưa ra biên thì mạng hoạt động càng tốt Lý do là những thành phần ở mạng lõi phải chịu tải rất cao nên năng lực chuyển tải cần được ưu tiên hơn độ thông minh MPLS phân tách hai chức năng định tuyến và chuyển mạch: các router ở biên thực hiện định tuyến và gắn nhãn (label) cho gói, còn các router ở mạng lõi chỉ tập trung làm nhiệm vụ chuyển tiếp gói với tốc độ cao dựa vào nhãn Tính thông minh được đẩy ra ngoài biên là một trong những ưu điểm lớn nhất của MPLS

Để hiểu rõ về cấu trúc MPLS, trước hết chúng ta phải hiểu hoạt động của IP router Một IP router bao gồm thành phần điều khiển và thành phần chuyển tiếp Thành phần điều khiển bao gồm các giao thức định tuyến như: Open Shortest Path First (OSPF), Border gateway protocol (BGP) và Protocol Independent multicast (PIM) dùng để cấu hình định tuyến cho các IP router Các thông tin về định tuyến được lưu trong bảng FIB (Forwarding Information Base)

Thành phần chuyển tiếp bao gồm các thủ tục để IP router chuyển tiếp các gói IP Router chuyển gói IP dựa vào tiền tố của địa chỉ IP (tiêu đề của gói) Các địa chỉ có cùng tiền tố được xếp vào cùng một lớp chuyển tiếp tương đương FEC Các gói IP

có cùng FEC sẽ có cùng giao diện đầu ra Còn trong MPLS, mỗi FEC được liên kết tới một nhãn khác nhau Nhãn này được dùng để xác định giao diện đầu ra của gói

IP mà không cần tham chiếu đến địa chỉ của nó trong FIB Như vậy, MPLS có thể phân biệt các giao diện khác nhau, các thông tin khác nhau để xác định chính sách

xử lý thích hợp, đôi khi gói được định tuyến theo một đường biết trước khi gói đi vào mạng

Một mạng MPLS gồm các bộ định tuyến chuyển mạch nhãn Label Switching Routers (LSR) và MPLS nodes Hình 1.2 mô tả MPLS domain, LSR và MPLS node (LSR) Một LSR là một IP router chạy các giao thức của MPLS, tách nhãn ra khỏi FEC, chuyển các gói IP dựa trên thông tin nhãn và chuyển tiếp gói IP thông thường

bằng cách tra bảng FIB dựa trên tiêu đề gói Một MPLS node là một LSR không cần thiết phải có khả năng chuyển tiếp gói IP dựa trên tiêu đề của gói IP đó

Hình 1 2: MPLS domain, LSR, MPLS node

1.2.2 Các thành phần cơ bản của mạng MPLS

Một nút của MPLS có hai mặt phẳng: mặt phẳng chuyển tiếp MPLS và mặt phẳng điều khiển MPLS Nút MPLS có thể thực hiện định tuyến lớp ba hoặc chuyển mạch lớp hai Hình sau mô tả cấu trúc cơ bản của một nút MPLS

Hình 1 3: Cấu trúc nút của MPLS

a Mặt phẳng chuyển tiếp, mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu

Mặt phẳng chuyển tiếp (Forwarding plane):

Chuyển tiếp (forwarding) là hoạt động chuyển (switch) và định tuyến (route) một gói: nhận gói ở một ngõ vào, xác định nó cần đi đến đâu bằng cách xem xét trường thông tin trong nó và gửi nó ra đúng ngõ ra thích hợp

Mặt phẳng chuyển tiếp có trách nhiệm chuyển tiếp gói dựa trên giá trị chứa trong nhãn Mặt phẳng chuyển tiếp sử dụng một cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn LFIB (Label Forwading Information Base) để xác định cách xử lý các gói MPLS đến, chẳng hạn xem xét nút kế tiếp nhận gói là nút nào

Thuật toán mà được sử dụng bởi phần tử chuyển tiếp chuyển mạch nhãn sử dụng thông tin chứa trong LFIB như là các thông tin chứa trong giá trị nhãn 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 cục bộ đánh dấu và ánh xạ của các nhãn này đến các nhãn được nhận từ láng giềng (MPLS neighbor) của nó LFIB sử dụng một tập con các nhãn chứa trong LIB để thực hiện chuyển tiếp gói

Mặt phẳng điều khiển (control plane) và mặt phẳng dữ liệu (data plane):

Một mặt phẳng điều khiển là một tập hợp phần mềm và/hoặc phần cứng trong một thiết bị, chẳng hạn như router, được dùng để điều khiển hoạt động thiết yếu trong mạng như: phân phối nhãn, tìm tuyến mới, khắc phục lỗi Nhiệm vụ của mặt phẳng điều khiển là cung cấp các dịch vụ cho mặt phẳng dữ liệu Mặt phẳng dữ liệu chịu trách nhiệm chuyển tiếp lưu lượng người dùng qua router Các thuật ngữ mặt phẳng người dùng (user plane), mặt phẳng truyền dẫn (transport plane) cũng được dùng để mô tả mặt phẳng dữ liệu

Hình 1.4a mô tả mặt phẳng điều khiển và dữ liệu IP Đối với các giao thức Internet, các ví dụ của mặt phẳng điều khiển là các giao thức định tuyến như OSPF, IS-IS, BGP Nó cho phép IP chuyển tiếp lưu lượng một cách chính xác Các bản tin điều khiển được trao đổi giữa các router để thực hiện nhiều hoạt động khác nhau, bao gồm:

- Trao đổi các bản tin giữa các nút để thiết lập một tuyến liên kết

- Trao đổi các bản tin theo chu kỳ (gọi là bản tin hello) để chắc rằng các nút

gần kề hoạt động tốt

- Trao đổi các bản tin quảng cáo (advertisment) về địa chỉ và tuyến để xây

dựng các bảng định tuyến được sử dụng bởi IP để chuyển tiếp lưu lượng

Hình 1.4b mô tả hoạt động của MPLS với các mặt phẳng điều khiển và dữ liệu

Trong đó nhiệm vụ chính của mặt phẳng điều khiển là quảng cáo các nhãn, địa chỉ

và liên kết chúng Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn là một router được cấu hình để

hỗ trợ MPLS

a) b)

Hình 1 4: Mặt phẳng điều khiển và dữ liệu: a) IP; b) MPLS

Các bản tin điều khiển được trao đổi giữa các LSR để thực hiện nhiều hoạt động

khác nhau, bao gồm thiết lập liên kết Sau khi hoạt động này hoàn thành, các nút

được gọi là các LSR ngang hàng (peer), trao đổi các bản tin chu kỳ (bản tin hello)

để chắc rằng các nút gần kề hoạt động tốt, trao đổi các bản tin địa chỉ và nhãn để

liên các địa chỉ với nhãn và xây dựng bảng chuyển tiếp cho mặt phẳng dữ liệu

MPLS Mặt phẳng dữ liệu MPLS sẽ chuyển tiếp lưu lượng bằng cách kiểm tra nhãn

trong tiêu đề gói MPLS, địa chỉ IP không cần kiểm tra Tiêu đề nhãn sau đó bị bỏ

đi, và địa chỉ IP lại được dùng để phân phối lưu lượng đến người dùng cuối

Hình 1.5 mô tả các thành phần mặt phẳng dữ liệu và mặt phẳng điều khiển của

MPLS

Hình 1 5: Các thành phần mặt phẳng dữ liệu và mặt phẳng điều khiển

của MPLS

Các module điều khiển MPLS bao gồm:

• Định tuyến Unicast (Unicast Routing)

• Định tuyến Multicast (Multicast Routing)

• Kỹ thuật lưu lượng (Traffic Engineering)

• Mạng riêng ảo (VPN – Virtual Private Network)

• Chất lượng dịch vụ (QoS – Quality of Service)

b Lớp chuyển tiếp tương đương FEC

Thuật ngữ lớp chuyển tiếp tương đương FEC( Forwarding Equivalence Class) được sử dụng trong chuyển mạch nhãn để mô tả sự liên hệ giữa các gói với địa chỉ đích người nhận cuối, cho phép nhóm các gói vào các lớp khác nhau

Đối với các lớp dịch vụ khác nhau, người ta sử dụng các FEC và các nhãn liên kết khác nhau Với Internet, các giá trị sau được sử dụng để thành lập một FEC: địa chỉ IP nguồn/ đích, số cổng nguồn/ đích, nhận diện giao thức (Protocol ID), điểm

mã (code point) của các dịch vụ khác biệt IPv4, dòng nhãn IPv6

c Định dạng cấu trúc nhãn

Nhãn (label) là một khung nhận dạng có chiều dài cố định dùng để định tuyến

các gói Một thiết bị chuyển mạch nhãn sẽ thay nhãn trong gói bằng một giá trị mới trước khi chuyển tiếp nó tới điểm tiếp theo, do đó chúng ta gọi thuật toán định tuyến

là thuật toán trao đổi nhãn

Đối với những kỹ thuật lớp liên kết dữ như ATM, thông tin thẻ được mang trong header và vì thế, cho phép sử dụng lại những chức năng chuyển mạch có sẵn (ví dụ như phần cứng của chuyển mạch ATM) Trong MPLS, thông tin nhãn được ghi trong một thẻ riêng gọi là “Shim label”, chèn vào giữa tiêu đề lớp mạng và lớp liên kết dữ liệu của gói dữ liệu Cấu trúc của “Shim label” được mô tả trong hình 1.6

- Vùng chồng Stack (S) có 1 bít Nếu S=1, thẻ này là thẻ cuối cùng (hay mực nhãn thấp nhất) trong chồng thẻ Ngược lại, S=0

- Vùng TTL (Time – to – Live) có chiều dài 8 bít, tương tự như vùng TTL trong tiêu đề IP và các TSR chỉ xử lý vùng TTL của mức thẻ cao nhất

d Ngăn xếp nhãn (label stack)

Một trong những điều thú vị khi đưa ra chuyển mạch nhãn đó là ngăn xếp nhãn hay còn gọi là chồng nhãn Hình 1.7 mô tả ngăn xếp nhãn S=1 cho biết thẻ này là thẻ cuối cùng (hay mực nhãn thấp nhất) trong chồng thẻ

Nhãn (20 bits) CoS (3 bits) S = 0 TTL (8 bits)

Nhãn (20 bits) CoS (3 bits) S = 0 TTL (8 bits)

Nhãn (20 bits) CoS (3 bits) S = 1 TTL (8 bits)

Hình 1 7: Ngăn xếp nhãn

Đó là kỹ thuật sử dụng trong việc đóng gói IP cho phép một gói có thể mang nhiều hơn một nhãn Nó được cung cấp bởi việc đưa vào một nhãn mới (mức 2) bên trên nhãn đã tồn tại (mức 1) Gói được chuyển tiếp qua mạng trên cơ sở các nhãn ở mức 2, sau khi qua mạng này thì các nhãn mức 2 bị loại ra và việc chuyển tiếp này hoạt động dựa trên các nhãn mức 1 Do vậy, cấu trúc chồng nhãn cho phép MPLS

hỗ trợ định tuyến phân cấp và tích hợp nhiều LSP vào một trung kế LSP (trunk LSP)

Một ví dụ về cách sử dụng ngăn xếp nhãn được chỉ ra trong hình 1.7 Có 3 domains MPLS (A, B, C), xét tuyến LSR1 (trong MPLS domain A) đến LSR 6 (trong MPLS domain C) Nhãn ra tại LSR 1 là 60, tại LSR2 nhãn ra được thay thành nhãn ra của MPLS domain B (70) và nhãn vào của MPLS domain B (40) được thêm vào bên trên ngăn xếp nhãn Từ LSR 3 đến LSR 4, nhãn trên đỉnh ngăn xếp lần lượt được thay bởi các giá trị 22, 54, 66 Tại LSR 4, nhãn 66 được lấy ra khỏi ngăn xếp nhãn, gói được chuyển đến LSR 5 rồi tới LSR 6 Gói tới LSR 6 với nhãn 30

e Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn LSR

LSR (Label Switching Router) là thiết bị có khả năng định tuyến gói tại lớp 3 (lớp mạng) và chuyển mạch gói tại lớp 2 (lớp liên kết dữ liệu), thực hiện quá trình

chuyển gói dữ liệu trong mạng bằng kỹ thuật chuyển mạch nhãn: gỡ nhãn cũ và gắn nhãn mới cho gói Ở chặng đầu tiên trong MPLS, router chuyển tiếp gói dựa vào địa chỉ đích (hoặc bất cứ thông tin nào ở phần tiêu đề theo chính sách cục bộ); sau đó

nó xác định một nhãn thích hợp – giá trị này được xác định cho một lớp chuyển tiếp tương đương FEC, gán nhãn cho gói và chuyển nó tới nút tiếp theo Ở chặng tiếp theo, router dùng giá trị của nhãn như một chỉ mục của một bảng để xác định nhãn mới LSR gán nhãn mới rồi chuyển gói đến nút tiếp theo

Cấu trúc cơ bản của một thiết bị LSR gồm 2 thành phần chính: Thành phần điều khiển còn gọi là mặt phẳng điều khiển và thành phần chuyển tiếp còn được gọi là thành phần dữ liệu

Mặt phẳng điều khiển sử dụng các giao thức định tuyến IP để xây dựng nên bảng định tuyến Từ những thông tin này, mặt phẳng điều khiển sẽ tiến hành quá trình ấn định nhãn với các nút mạng lân cận

Thành phần chuyển tiếp sử dụng thông tin của quá trình này để tạo bảng cơ sở thông tin nhãn LIB Khi nhận được gói dữ liệu, LSR sẽ sử dụng giá trị nhãn của gói

và bảng định tuyến nhãn để tìm ra và gắn một giá trị nhãn mới thích hợp cho gói dữ liệu

f LSR biên:

Có 2 loại LSR biên là igress LSR và egress LSR Trong cấu trúc LSR biên, thành phần chuyển tiếp có thêm bảng định tuyến IP, do đó LSR biên có thể định tuyến các gói dữ liệu IP truyền thống

Gói dữ liệu đến igress LSR là gói dữ liệu IP truyền thống Căn cứ vào thông tin trong tiêu đề IP và bảng định tuyến nhãn LIB, LSR sẽ ấn định một giá trị nhãn thích hợp cho gói dữ liệu và chuyển nó đến LSR tiếp theo Nhiệm vụ của egress LSR thì ngược lại Egress LSR tháo bỏ nhãn cuối cùng của gói dữ liệu và từ đây, gói dữ liệu

sẽ được định tuyến như một gói IP thông thường

g Đường chuyển mạch nhãn LSP (Label Switching Path)

Về cơ bản, LSP là một đường dẫn qua mạng MPLS hoặc một phần mạng mà gói đi qua LSR đầu tiên của LSP là một LSR vào, ngược lại LSR cuối cùng của

LSP là một LSR ra Tất cả các LSR ở giữa LSR vào và ra chính là các LSR trung gian LSP được xây dựng bằng các giao thức như LDP, RSVP,

thứ hai bây giờ đã có 2 nhãn Nhãn trên cùng sẽ phụ thuộc vào LSP nested và nhãn dưới cùng sẽ phụ thuộc vào LSP trải rộng trên toàn mạng MPLS Đường hầm điều khiển lưu lượng dự phòng là một ví dụ cho LSP nested

1.2.3 Giao thức phân phối nhãn LDP (Label Distribution Protocol)

Giao thức phân phối nhãn được nhóm nghiên cứu MPLS của IETF xây dựng và ban hành dưới tên RFC 3036 Phiên bản mới nhất được công bố năm 2001 đưa ra những định nghĩa và nguyên tắc hoạt động của giao thức LDP

Giao thức phân phối nhãn được sử dụng trong quá trình gán nhãn cho các gói tin yêu cầu Đặc tính cơ bản của LDP là cung cấp kỹ thuật giúp cho các LSR có kết nối trực tiếp nhận ra nhau và thiết lập liên kết cơ chế khám phá (Discovery mechanism) Giao thức này hoạt động kết nối trên UDP và được xem là giai đoạn nhận biết nhau của hai LSR trước khi chúng thiết lập kết nối TCP

a Các tính chất cơ bản của giao thức phân phối nhãn LDP:

- Cung cấp cơ chế nhận biết LSR cho phép các LSR ngang cấp tìm kiếm nhau và thiết lập kết nối

loại đối tượng chỉ định, một trường độ dài thông báo độ dài của đối tượng và một trường giá trị phụ thuộc vào trường kiểu Hai trường đầu tiên có độ dài cố định và được đặt tại vị trí đầu tiên của đối tượng cho phép dễ dàng thực hiện việc loại bỏ kiểu đối tượng mà nó không nhận ra Trường giá trị có một đối tượng có thể gồm nhiều đối tượng mã hóa TLV hơn

phiên LDP là phiên hai chiều có nghĩa là mỗi LSR ở hai đầu kết nối đều có thể yêu cầu và gửi ràng buộc nhãn

c Các bản tin LDP:

• Bản tin thông báo ( Notification Message ): Bản tin này được sử dụng bởi

một LSR để thông báo với các LSR đồng cấp khác về trạng thái mạng là đang trong điều kiện bình thường hay bị lỗi Khi LSR nhận được một bản tin thông báo về một lỗi, nó sẽ ngắt phiên truyền ngay lập tức bằng việc đóng phiên kết nối TCP lại và xoá bỏ các trạng thái liên quan đến phiên truyền này Ví dụ về lỗi: hỏng sự khởi động phiên LSP, các bản tin xấu…

• Bản tin Hello: Bản tin này dùng để trao đổi giữa 2 LDP đồng cấp

• Initialization: Khi bắt đầu thiết lập kết nối LDP, hai LSR sẽ thỏa thuận các

thông số và lựa chọn cho ketes nối này thông qua bản tin khởi tạo

“initialization message” Các thông số này bao gồm: phương thức cấp phát nhãn, phạm vi giá trị nhãn được sử dụng cho kết nối của hai LSR này, giá trị timer Cả hai LSR đều có thể gửi đi bản tin khởi tạo và LSR nhận sẽ phúc đáp lại bằng bản tin Keepalive nếu như chấp nhận những thông số đó Nếu như không chấp nhận, LSR nhận sẽ gửi một thông báo lỗi và kết thúc quá trình khởi tạo

• Keepalive: Bản tin này được gửi tuần tự theo chu kỳ trong khoảng thời gian

không có các bản tin nào khác được gửi đi Bản tin này giúp LSR nhận biết LSR gửi vẫn đang hoạt động bình thường Nếu không nhận được bản tin này hay bất cứ một bản tin nào khác trong một khoảng thời gian được ấn định trước thì kết nối LDP giữa hai LSR sẽ bị cắt

• Bản tin Address: Bản tin này được gửi đi bởi một LSR tới các LDP đồng

cấp để thông báo các địa chỉ giao diện của nó Một LSR khác nhận bản tin mang địa chỉ này để duy trì cơ sở dữ liệu để ánh xạ trường nhận dạng và các địa chỉ chặng tiếp theo giữa các LDP đồng cấp

• Bản tin Address Withdraw (Bản tin huỷ bỏ địa chỉ): Bản tin này dùng để

xoá địa chỉ đã được thông báo trước đó Danh sách địa chỉ LTV chứa một loạt các địa chỉ đang được yêu cầu cần xoá bỏ bởi LSR

• Label mapping (bản tin ánh xạ nhãn): Được các LSR sử dụng để truyền

các thông tin ánh xạ từ một FEC sang một nhãn

• Label withdraw: Bản tin này dùng để hủy bỏ các thông tin ánh xạ đã gửi đi

Lý do của việc hủy bỏ giá trị nhãn bao gồm cả việc xóa bỏ một địa chỉ ra khỏi bảng định tuyến do sự thay đổi trong thông tin định tuyến hoặc do cấu hình của LSR

• Label release: Sau khi nhận được bản tin Label Mapping, nếu không sử

dụng bản tin này, LSR sẽ gửi đi bản tin Label release

• Bản tin Lable Request: Bản tin yêu cầu nhãn được LSR sử dụng để yêu cầu

một LDP đồng cấp cung cấp một sự kết hợp nhãn (Binding) cho một FEC Một LSR có thể phát bản tin yêu cầu nhãn dưới bất kỳ một trong những trường hợp sau:

• LSR nhận ra một FEC mới thông qua bảng chuyển tiếp và Hop tiếp theo là một thực thể LDP đồng cấp nhưng LSR không có ánh xạ từ Hop tiếp theo cho FEC đã cho

• Có sự thay đổi FEC của chặng tiếp theo nhưng LSR không có sự ánh xạ từ chặng tiếp theo đối với FEC đã cho

• LSR nhận một yêu cầu nhãn đối với một FEC từ một LDP đồng cấp lên (Upstream LDP peer) FEC Hop tiếp theo là một LDP đồng cấp và LSR không ánh xạ nhãn cho chặng tiếp theo

• Label request abort (bản tin bỏ dở nhãn): Bản tin này được sử dụng để

loại bỏ các bản tin yêu cầu nhãn bất thường

d LDP PDU format: bao gồm LDP header và các LDP message (hình 1.12)

Hình 1 12: Định dạng LDP PDU và TLV

LDP dùng TLV để mã hóa cá thông tin mang trong LDP message:

• U (Unknown TLV bit): dùng khi LSR không nhận ra loại TLV này:

+ U = 0: một thông báo được gửi về nới phát bản tin và toàn bộ bản tin bị từ chối

+ U=1: TLV bị từ chối một cách im lặng và phần còn lại của bản tin được xử

lý như không có sự có mặt của TLV này

• F (Forward unknown TLV bit): bit F chỉ được áp dụng khi bít U = 1 và bản tin LDP chứa “unknown TLV” được chuyển đi

+ F = 0: TLV không được chuyển cùng với phần còn lại của bản tin

+ F = 1: TLV được chuyển cùng với phần còn lại của bản tin

• Type: 14 bit, mô tả làm cách thức làm rõ trường giá trị

• Length: 16 bit, cho biết độ dài của trường giá trị trong các byte

• Value: mang thông tin được làm rõ trong “type field”

1.2.4 Giao thức CR – LDP (Constraint-Based Routing-LDP)

Giao thức phân phối nhãn định tuyến dựa trên ràng buộc CR-LDP Based Routing-LDP) được sử dụng để điều khiển cưỡng bức LDP Giao thức này là phần mở rộng của LDP nhằm hỗ trợ lưu lượng TE Cũng giống như LDP, nó sử dụng các phiên TCP giữa các LSR đồng cấp để gửi các bản tin phân phối nhãn

(Constraint-Để xây dựng LSP trên tuyến xác định, CR-LDP đưa vào một thành phần mới,

được gọi là ER (Explicit Route) Thông tin trong thành phần này là đường đi của

bản tin Path trong mạng Các LSR căn cứ vào thành phần này để chuyển bản tin đến đích nhận tiếp theo trong mạng

Hình 1 13: Quá trình xây dựng LSP bằng giao thức CR – LDP

Hình 1.13 trình bày cách thức xây dựng LSP trên một tuyến định tuyến xác định

sử dụng giao thức CR-LDP Giả sử LSR1 muốn xây dựng LSP đến LSR4 và đi qua LSR2, LSR3: LSR1 -> LSR2 -> LSR3 -> LSR4 Để thực hiện điều này, LSR1 tạo

ra thành phần ER bao gồm ba nút mạng, còn được gọi là abstract nodes: LSR2, LSR3, LSR4 Mỗi nút mạng được đặc trưng bởi một địa chỉ IP, mỗi địa chỉ IP đó có thể là địa chỉ của một giao diện nào đó trên LSR hoặc là địa chỉ của toàn bộ LSR

(trong trường hợp này, địa chỉ IP gắn liền với một giao diện của LSR) Kèm theo thành phần ER, LSR1 sẽ xây dựng bản tin LDP Label Request

Sau khi có được bản tin hoàn chỉnh, LSR1 xác định LSR2 là nút mạng đầu tiên trong thành phần ER nên sẽ gửi bản tin này đến LSR2 Nhận được bản tin, LSR2 biết mình là nút mạng đầu tiên và nút mạng tiếp theo là LSR3 trong thành phần ER LSR2 sẽ hiệu chỉnh lại thông tin thành phần ER bằng cách xoá đi thông tin liên quan đến nó và gửi bản tin Label Request đến LSR3 Tại thời điểm này, trong ER chỉ còn hai nút mạng là LSR3 và LSR4 Cách hiệu chỉnh ER và cách thức xử lý bản tin LDP Label Request tại LSR3 hoàn toàn tương tự như tại LSR2 Khi bản tin này đến LSR4, LSR4 nhận ra nó là nút cuối cùng trong thành phần ER LSR4 tạo ra bản tin Label Mapping gửi đến LSR3, bản tin này bao gồm thành phần nhãn Sau khi nhận, LSR3 sử dụng giá trị nhãn trong bản tin ấn định cho đường liên kết giữa nó và LSR4 cho lưu lượng Tiếp theo, LSR3 gửi bản tin Label Mapping đến LSR2, bản tin này cũng có chứa thông tin nhãn Tại LSR2, cách thức xử lý bản tin này giống như tại LSR3 Cuối cùng, khi LSR1 nhận được bản tin này thì quá trình xây dựng LSP kết thúc

1.2.5 Giao thức dành trước tài nguyên RSVP (Resource Reservation Protocol)

Giao dành trước tài nguyên RSVP (Resource Reservation Protocol) là giao thức báo hiệu dùng để thiết lập dự phòng về chất lượng dịch vụ trong mạng Internet RSVP hỗ trợ chất lượng dịch vụ bằng cách yêu cầu các router phải thống nhất dành riêng tài nguyên (ví dụ như băng thông) cho mỗi liên kết giữa một cặp điển đầu cuối Do vậy, trước khi dữ liệu được gửi đi, các điểm đầu cuối phải gửi yêu cầu xác định lượng tài nguyên cần thiết và tất cả các router dọc theo con đường phải cùng thống nhất cung cấp tài nguyên này, cơ chế này được xem như là một dạng của báo hiệu

Khi gói tin di chuyển, router cần theo dõi và kiểm soát việc di chuyển này để đảm bảo lưu lượng gửi đi không vượt quá lưu lượng đã xác định và thiết lập chính sách hàng đợi để đảm bảo cho việc gửi gói đều đặn (do giao thông trên mạng

thường trồi sụt thất thường, ví dụ một luồng có tốc độ trung bình 1Mbps có thể có lưu lượng 2Mp trong vài ms và kế tiếp không có dữ liệu nào Router có thể ổn định

độ trồi sụt bằng các hàng đợi tạm thời cho các gói tin và gửi chúng theo mức ổn định là 1Mbps)

RSVP phải mang các thông tin sau:

- Thông tin phân loại, nhờ nó mà các luồng lưu lượng với các yêu cầu QoS cụ thể

có thể được phân biệt trong mạng Thông tin này bao gồm địa chỉ IP phía gửi và phía nhận, số cổng UDP

- Chỉ tiêu kỹ thuật của luồng lưu lượng và các yêu cầu QoS, theo khuôn dạng TSpec và RSpec, bao gồm các dịch vụ yêu cầu (có bảo đảm hoặc tải điều khiển)

RSVP mang các thông tin trong hai loại bản tin cơ bản là: PATH và RESV Các bản tin PATH truyền từ bộ gửi tới một hoặc nhiều bộ nhận có chứa TSpec và các thông tin phân loại do bộ gửi cung cấp Một lý do cho phép có nhiều bộ nhận là RSVP được thiết kế để hỗ trợ multicast Một bản tin PATH bao giờ cũng được gửi tới một địa chỉ được gọi là địa chỉ phiên, nó có thể là địa chỉ unicast hoặc multicast Chúng ta thường xem phiên đại diện cho một ứng dụng đơn, nó được xác nhận bằng một địa chỉ đích và số cổng đích sử dụng riêng cho ứng dụng Trong phần tiếp theo chúng ta sẽ thấy rằng không có lý do nào

để xem xét một phiên theo cách hạn chế như vậy

Khi bộ nhận nhận được bản tin PATH, nó có thể gửi bản tin RESV trở lại cho bộ gửi Bản tin RESV xác nhận phiên có chứa thông tin về số cổng dành riêng và RSpec xác nhận mức QoS mà bộ nhận yêu cầu Nó cũng bao gồm một vài thông tin xem xét những bộ gửi nào được phép sử dụng tài nguyên đang được cấp phát

Ở đây chúng ta lưu ý rằng các cổng dành riêng là đơn công Nếu cần sử dụng các cổng dành riêng song công (ví dụ như phục vụ cho thoại truyền thống) thì phải

có các bản tin bổ sung theo chiều ngược lại Cũng chú ý rằng các bản tin được nhận

và chuyển tiếp bởi tất cả các bộ định tuyến dọc theo đường truyền thông tin, do đó việc cấp phát tài nguyên có thể được thực hiện tại tất cả các nút mạng cần thiết Khi

các cổng dành được thiết lập, các bộ định tuyến nằm giữa bộ gửi và bộ nhận sẽ xác định các gói tin thuộc cổng dành riêng nào nhờ việc kiểm tra năm trường trong phần mào đầu của IP và giao thức truyền tải đó là: địa chỉ đích, số cổng đích, số giao thức (ví dụ UDP), địa chỉ nguồn và cổng nguồn Chúng ta gọi tập các gói tin được nhận dạng theo cách này là luồng dành riêng Các gói tin trong luồng dành riêng thường bị khống chế (đảm bảo cho luồng không phát sinh lưu lượng vượt quá

so với thông báo trong TSpec) và xếp vào hàng đợi để phù hợp với yêu cầu về QoS

Ví dụ một cách để có dịch vụ bảo đảm là sử dụng các hàng đợi có trọng số (WFQ),

ở đây mỗi cổng dành riêng khác nhau được xem như một luồng đối với các hàng đợi, và trọng số được ấn định cho mỗi luồng phù hợp với tốc độ dịch vụ yêu cầu trong Rspec của nó

Đối với các luồng unicast thì RSVP là khá đơn giản Nó trở nên phức tạp hơn trong môi trường multicast, bởi vì có thể có rất nhiều bộ phận dành riêng cổng cho một phiên đơn và các bộ phận khác nhau có thể yêu cầu các mức QoS khác nhau Hiện nay MPLS chủ yếu tập trung vào các ứng dụng unicast của RSVP, chúng ta sẽ không đi sâu vào khía cạnh multicast của RSVP

Điểm cuối cùng phải chú ý về RSVP: đây là giao thức “trạng thái mềm” Đặc tính để phân biệt giao thức trạng thái mềm với các giao thức khác là trạng thái sẽ tự động hết hiệu lực sau một thời gian trừ khi nó được refresh liên tục theo chu kỳ Điều đó có nghĩa RSVP sẽ định kỳ gửi đi các bản tin PATH và RESV để làm tươi các cổng dành riêng Nếu chúng không được gửi trong một khoảng thời gian xác định thì các cổng dành riêng tự động bị hủy bỏ

1.2.6 Giao thức RSVP mở rộng

RSVP mở rộng được phát triển từ giao thức RSVP Với giao thức RSVP, LSP được xây dựng trên đường dẫn mà giao thức định tuyến IP truyền thống xác định Khi một router nhận được bản tin PATH, router sẽ kết hợp thông tin trong bảng định tuyến, được xây dựng bằng các giao thức định tuyến như: OSPF, RIP, IS – IS

và địa chỉ trên gói dữ liệu IP để xác định bộ định tuyến tiếp theo nhận bản tin này

Giao thức RSVP mở rộng vẫn dùng hai bản tin PATH và RESV để xây dựng LSP với mức chất lượng dịch vụ theo yêu cầu nhưng đường đi của bản tin PATH và RESV là đường định tuyến xác định (explicit route)

Hình 1 14: Cơ chế hoạt động của RSVP

Hình 1.14 mô tả cơ chế hoạt động của RSVP Trong hình 1.14, bộ điều khiển lưu lượng RSVP gồm bộ phân loại, điều khiển chấp nhận, điều phối gói (hay một cơ chế phụ thuộc tầng liên kết để xác định khi nào gói được chuyển tiếp), điều khiển chính sách

- Bộ phân loại xác định lớp QoS và tuyến cho mỗi gói dựa trên tiêu đề lớp IP và chuyển vận Với mỗi giao tiếp ngõ ra, bộ điều phối hay cơ chế phụ thuộc tầng liên kết sẽ thực hiện cam kết QoS theo các mô hình phục vụ được định nghĩa bởi các nhóm làm việc IntServ

- Bộ điều khiển chấp nhận bao gồm thuật toán định tuyến mà router sử dụng để xác định xem có đủ tài nguyên để chấp nhận QoS được yêu cầu cho một luồng mới Nếu không có đủ nguồn định tuyến rỗi thì luồng mới sẽ bị từ chối Nếu luồng được chấp nhận thì router sẽ phân công cho bộ phân loại gói và bộ điều phối gói

- Bộ điều phối gói quản lý việc chuyển tiếp các luồng gói khác nhau trong các host và router dựa vào các lớp dịch vụ của chúng, sử dụng các cách quản lý hàng đợi và các thuật toán phân loại khác nhau Điều phối gói đảm bảo sự phân phối gói tin phù hợp với QoS của mỗi luồng, được thực hiện khi các gói đã được xếp hàng Đặc tính này phù hợp với giao thức mức liên kết

Trong giai đoạn thiết lập, yêu cầu chất lượng dịch vụ được chuyển qua hai module quyết định cục bộ là bộ điều khiển và điều khiển chính sách Bộ điều khiển cho phép xác định nút có đủ tài nguyên sẵn có cho QoS được yêu cầu hay không

Bộ điều khiển chính sách xác định luồng đó có được chấp nhận hay không dựa vào các quy luật quản trị như: một số địa chỉ IP được (hoặc không được) dự phòng băng thông, một số protocol ID được (hoặc không được) dự phòng băng thông …

Mở rộng RSVP để hỗ trợ chuyển mạch nhãn thiết lập LSP cùng với việc dự phòng tài nguyên Các host vừa hỗ trợ RSVP và MPLS có thể liên hệ các nhãn với các luồng RSVP Một khi LSP được thiết lập, lưu lượng qua con đường đó được xác định bởi nhãn gán tại nút ngõ vào LSP

Ban đầu giao thức RSVP được sử dụng là giao thức báo hiệu yêu cầu tài nguyên mạng cho riêng từng dòng dữ liệu, mỗi dòng dữ liệu như vậy được xác định bằng 5 thành phần trong tiêu đề IP: giao thức lớp giao vận (transport), địa chỉ nguồn, địa chỉ đích, chỉ số cổng nguồn (source port number), chỉ số cổng đích (destination port number) Vì thế RSVP không thích hợp triển khai một mạng lớn như mạng đường trục của nhà cung cấp dịch vụ ISP và có nhiều dữ liệu trao đổi trong mạng

Với RSVP mở rộng, một LSP có thể sử dụng cho nhiều dòng dữ liệu, chỉ cần dòng dữ liệu phù hợp với LSP, ví dụ như có cùng địa chỉ đích Như vậy khi triển khai giao thức RSVP mở rộng trong một mạng không còn phải đắn đo khi quy mô mạng ngày càng phát triển

Bên cạnh dó RSVP là giao thức thuộc trạng thái mềm (soft state) nên sau một khoảng thời gian nhất định, RSVP phải gửi lại bản tin PATH để duy trì hoạt động của LSP Quá trình này được gọi là quá trình “làm tươi lại” (refresh) LSP Nếu số lượng lưu lượng có yêu cầu dành sẵn tài nguyên lớn, số lượng thông tin refresh cần

xử lý trong mạng sẽ tăng theo Mặt khác, việc trao đổi bản tin RSVP được thực hiện trên giao thức UDP nên nếu chu kỳ gửi bản tin refresh dài thì khả năng mất thông tin sẽ rất lớn Việc này dẫn đến bộ định tuyến phải xử lý một lượng lớn các bản tin refresh làm giảm hiệu suất hoạt động của bộ định tuyến Để hạn chế lượng thông tin refresh trao đổi trong mạng, có 2 phương pháp:

- Phương pháp 1: Cung cấp chế độ trao đổi tin cậy cho quá trình trao đổi thông

tin refresh bằng cách định nghĩa thêm hai thành phần: MessageID và MessageID_ACK Khi nút A gửi cho nút B một bản tin PATH mới, đồng thời sẽ tạo ra một mã nhận diện (MessageID) cho bản tin này Nút B sau khi nhận đúng

sẽ hồi đáp lại cho nút A một bản tin với thành phần MessageID_ACK chứa mã nhận diện này Với chế độ này, chu kỳ gửi bản tin duy trì trạng thái đanh trước tài nguyên sẽ dài hơn, dẫn đến giảm hiện tượng quá tải thông tin refresh

- Phương pháp 2: gọi là phương pháp Summary refresh Trong phương pháp

này, để duy trì trạng thái dành trước tài nguyên mạng cho kết nối, mỗi bộ định tuyến không cần phải gửi hết toàn bộ bản tin RSVP mà chỉ cần gửi đi mã nhận diện được ấn định cho bản tin ấy Mặt khác, trong một lần gửi bộ định tuyến có thế gửi đi cùng lúc nhiều mã nhận diện của nhiều bản tin khác nhau Như vậy, nhiều yêu cầu dành trước tài nguyên được “làm tươi” nhưng vẫn giảm thiểu

được lượng thông tin refresh được xử lý

1.3 TỔNG KẾT CHƯƠNG

Chương 1 giới thiệu tổng quan về thành phần và hoạt động cơ bản của MPLS Trình bày về các giao thức cơ bản: Giao thức phân phối nhãn LDP và mở rộng là giao thức phân phối nhãn định tuyến dựa trên ràng buộc CR – LDP; Giao thức dành trước tài nguyên mạng RSVP và mở rộng là RSVP – TE

MPLS đã mở rộng bộ giao thức IP nhằm cải thiện quá trình phát chuyển của các router MPLS là một công nghệ mới xuất hiện nhưng đã chiếm được lòng tin của người sử dụng, nhờ sự tích hợp mô hình phát chuyển trao đổi nhãn với định tuyến lớp mạng

CHƯƠNG 2 ĐỊNH TUYẾN TRONG MPLS 2.1 GIỚI THIỆU

Trong các mạng dựa trên bộ giao thức IP (Internet Protocol), bộ định tuyến (router) là một trong các thành phần quan trọng nhất Nhiệm vụ cơ bản của một router là xác định đường đi của các gói IP hoặc datagram qua mạng Trong khi router là thiết bị lớp 3 (nó định tuyến các gói IP) thì switch là thiết bị lớp 2 (nó định tuyến các gói của giao thức lớp 2) Như chúng ta đã biết, MPLS là một công nghệ lai kết hợp giữa định tuyến lớp 3 và chuyển mạch lớp 2 cho phép chuyển tải các gói rất nhanh trong mạng lõi và định tuyến tốt ở các mạng biên bằng cách dựa vào nhãn Điều quan trọng chúng ta phải chú ý ở đây là chuyển mạch nhãn không chỉ nhằm biến một phần cứng ATM hoạt động giống như một router mà nó còn cung cấp những chức năng mới mà các kỹ thuật định tuyến IP hiện tại không cho phép Việc định tuyến trong mạng IP chỉ dựa vào địa chỉ đích, trong khi đó phương pháp trao đổi nhãn lại có thể cung cấp các phương pháp định tuyến khác nhau Để hiểu chuyển mạch nhãn hỗ trợ những kỹ thuật mới như thế nào, ta xét mạng có trúc như trong hình 2.1:

Hình 2 1: Đường dẫn chuyển mạch nhãn

Trường hợp khi router B là một router kiểu truyền thống, định tuyến các gói bằng cách sử dụng địa chỉ IP đích Khi một gói đến B từ một trong các router lân

cận , quyết định định tuyến chỉ dựa vào địa chỉ đích mà không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác Giả sử ta muốn những gói đi từ router A để đến router F thì đi qua router D, còn những gói khác đến router F đi qua router E, rõ ràng cơ chế định tuyến dựa vào địa chỉ đích không thể thực hiện được điều này Nếu định tuyến gói bằng kỹ thuật chuyển mạch nhãn, A và C sử dụng các nhãn khác nhau, giả sử nhãn của A có giá trị 3, nhãn của C có giá trị 5 Khi đó tại B, ta sẽ định tuyến gói có nhãn

3 đến D và gói có nhãn 5 đến E

2.2 THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN CHUYỂN MẠCH NHÃN

Khi LSR nhận một gói tin, nó sẽ lấy nhãn trong gói làm chỉ mục để xác định trong bảng định tuyến Trường hợp mục trong bảng định tuyến được tìm thấy (mục này có nhãn vào bằng với nhãn chứa trong gói tin), trong mỗi mục con sẽ thay thế nhãn trong gói tin bằng với nhãn ra của nó và gửi gói tin ra giao diện ngõ ra để đến trạm kế tiếp được xác định bởi mục con đó

Khi nhãn được mang trong tiêu đề ATM (header) hay Frame Relay, nhãn phải mang cả thông tin định tuyến và tài nguyên dành riêng Còn khi nhãn được mang trong một tiêu đề riêng, thông tin về tài nguyên mà gói tin có thể sử dụng có thể bị

mã hóa như là một phần của tiêu đề đó nên nhãn chỉ mang thông tin về định tuyến Một tính chất quan trọng của thuật toán định tuyến được sử dụng bởi chuyển mạch nhãn là một LSR có thể lấy tất cả các thông tin cần thiết cho việc định tuyến một gói tin cũng như phải quyết định tài nguyên nào mà gói tin có thể sử dụng chỉ trong một lần truy cập bộ nhớ Bởi vì một mục trong bảng định tuyến có chứa tất cả các thông tin cần thiết và nhờ có nhãn mà ta sẽ xác định đúng mục cần tìm Chính đặc điểm này làm cho chuyển mạch nhãn thích hợp như là một kỹ thuật cho hiệu quả định tuyến cao

Việc trao đổi nhãn kết hợp với khả năng mang nhãn trong các kỹ thuật lớp liên kết sẽ cho phép nhiều thiết bị khác nhau có thể được sử dụng để làm LSR Ví dụ, mang nhãn trong trường VCI của tế bào ATM cho phép biên phần cứng của chuyển mạch ATM thành LSR với việc cung cấp thêm phần mềm điều khiển thích hợp

Tương tự, việc mang nhãn trong tiêu đề riêng trong gói tin làm cho các router truyền thống có thể xử lý nó bằng phần mềm, do đó với một phần mềm thích hợp, một router truyền thống có thể trở thành LSR

Trong kiến trúc định tuyến truyền thống, những chức năng khác nhau được cung cấp bởi thành phần điều khiển yêu cầu những thuật toán khác nhau trong thành phần định tuyến

Chức năng

định tuyến

Định tuyến unicast

Định tuyến unicast với loại dịch vụ

Định tuyến multicast

Thuật toán

định hướng

Kết hợp dài nhất với địa chỉ đích

Kết hợp dài nhất với địa chỉ đích + kết hợp chính xác với loại dịch vụ

Kết hợp dài nhất với địa chỉ nguồn + kết hợp chính xác với địa chỉ đích và giao diện ngõ vào

Bảng 2 1: Kiến trúc định tuyến truyền thống

Một tính chất quan trọng của chuyển mạch nhãn là sẽ không có nhiều thuật toán định tuyến khác nhau trong thành phần định tuyến của nó Thành phần định tuyến chỉ gồm một thuật toán dựa trên việc trao đổi nhãn Đây là điểm phân biệt quan trọng giữa hai kiểu kiến trúc định tuyến

Chức năng

định tuyến

Định tuyến unicast

Định tuyến unicast với loại dịch vụ

Bảng 2 2: Kiến trúc định tuyến chuyển mạch nhãn

Giống như bất kỳ chức năng nào khác của MPLS, chức năng hỗ trợ định tuyến xác định được chia làm hai thành phần: thành phần chuyển tiếp (forwarding component) và thành phần điều khiển (control component) Thành phần điều khiển thực hiện việc ấn định nhãn, xây dựng đường chuyển mạch nhãn LSP trên tuyến định tuyến đã được xác định trước đó Để thực hiện nhiệm vụ này ta sử dụng hai giao thức chính là: RSVP (Resource Reservation Protocol) mở rộng và CR-LDP (Constrained Label Distribution Protocol)