Công nghệ MPLS và ứng dụng trong thiết kế mạng lõi

Công nghệ MPLS Multiprotocol label switching là kết quả phát triển của nhiều công nghệ chuyển mạch IP IP switching sử dụng cơ chế hoán đổi nhãn như của ATM để tăng tốc độ truyền gói tin

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

-O0O -

NGUYỄN THANH HÙNG

CÔNG NGHỆ MPLS VÀ ỨNG DỤNG TRONG THIẾT KẾ MẠNG LÕI

Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện tử viễn thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS PHẠM VĂN BÌNH

HÀ NỘI – NĂM 2011

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ 9

LỜI MỞ ĐẦU 13

Chương 1 -CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC MPLS 15

1.1 Tổng quan về Công nghệ MPLS 15

1.1.1 Giới thiệu về MPLS 15

1.1.2 MPLS và mô hình tham chiếu OSI 16

1.1.3 Cơ bản về hoạt động của MPLS 17

1.1.4 Tính thông minh phân tán 19

1.2 Các thành phần cơ bản trong MPLS 20

1.2.1 Miền MPLS (MPLS domain) 20

1.2.2 Lớp chuyển tiếp tương đương (FEC) 21

1.2.3 Cấu trúc nhãn MPLS 21

1.2.4 Vị trí của nhãn MPLS 22

1.2.5 Nhãn và ngăn xếp nhãn 23

1.2.6 Hoán đổi nhãn (Label Swapping) 24

1.2.7 Đường chuyển mạch nhãn LSP (Label Switched Path) 25

1.2.8 Chuyển gói qua miền MPLS 26

1.3 Hoạt động của MPLS 27

1.3.1 Các chế độ hoạt động của MPLS 27

1.3.2 Cấu trúc chức năng MPLS 28

1.3.3 Hoạt động chuyển tiếp MPLS 32

1.4 Ưu điểm của MPLS 36

1.4.1 Đơn giản hóa chức năng chuyển tiếp 36

1.4.2 Kỹ thuật lưu lượng 36

1.4.3 Định tuyến QoS từ nguồn 36

1.4.4 Mạng riêng ảo VPN 37

1.4.5 Chuyển tiếp có phân cấp (Hierachical forwarding) 37

1.4.6 Khả năng mở rộng (Scalability) 37

1.5 Ứng dụng và triển khai MPLS ở Việt Nam 38

1.5.1 Mạng NGN của Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam (VNPT) 38

1.5.2 Mạng NGN của Cục Bưu điện Trung ương 39

1.6 Tổng kết chương 40

Chương 2 - ĐỊNH TUYẾN VÀ BÁO HIỆU MPLS 41

2.1 Định tuyến trong MPLS 41

2.1.1 Định tuyến ràng buộc (Constrain-based Routing) 41

2.1.2 Định tuyến tường minh (Explicit Routing) 42

2.2 Các chế độ báo hiệu MPLS 43

2.2.1 Chế độ phân phối nhãn 43

2.2.2 Chế độ duy trì nhãn 44

2.2.3 Chế độ điều khiển LSP 45

2.2.4 Các giao thức phân phối nhãn MPLS 46

2.3 Giao thức LDP (Label Distribution Protocol) 47

2.3.1 Hoạt động của LDP 47

2.3.2 Cấu trúc thông điệp LDP 48

2.4 Giao thức CR-LDP (Constrain-based routing LDP) 53

2.4.1 Mở rộng cho định tuyến ràng buộc 54

2.4.2 Thiết lập một CR-LSP (Constrain-based routing LSP) 54

2.4.3 Các tham số trong CR-LDP 55

2.4.4 Tiến trình dự trữ tài nguyên 56

2.5 Giao thức RSVP-TE (RSVP Traffic Engineering) 57

2.5.1 Giao thức RSVP và RSVP-TE 57

2.5.2 Các bản tin thiết lập dự trữ RSVP 59

2.5.3 Các bản Tear Down, Error và Hello của RSVP-TE 60

2.5.4 Thiết lập tuyến tường minh điều khiển tuần tự theo yêu cầu 60

2.5.5 Giảm lượng overhead làm tươi RSVP 62

2.6 Giao thức BGP 62

2.6.1 BGPv4 và mở rộng cho MPLS 62

2.6.2 Kết nối MPLS qua nhiều nhà cung cấp dịch vụ 65

2.7 Tổng kết chương 66

Chương 3 –THIẾT KẾ MẠNG LÕI CHO EVNTELECOM SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ MPLS 67

3.1 Tổng quan 67

3.1.1 Hiện trạng hệ thống 67

3.1.2 Giải pháp mạng NGN 68

3.2 Thiết bị mạng Core 70

3.2.1 Juniper T1600 Router 70

3.2.2 Juniper MX960 Router 72

3.2.3 Juniper EX8208 Switch 73

3.3 Kết nối vật lý 74

3.3.1 Sơ đồ tổng quan 74

3.3.2 Kết nối vật lý trong mỗi Site 76

3.3.3 Kết nối vật lý CORE Hà Nội – Hồ Chí Minh – Đà Nẵng 79

3.3.4 Kết nối vật lý Cần Thơ – Hồ Chí Minh 80

3.3.5 Quy cách đặt tên 81

3.4 Thiết kế giao thức nội tuyến (IGP Design) 83

3.4.1 Tổng quan 83

3.4.2 Metric 85

3.4.3 OSPF Timer 86

3.4.4 Cấu hình OSPF thực tế 87

3.5 Thiết kế giao thức ngoại tuyến (BGP design) 87

3.5.1 Tổng quan 87

3.5.2 AS Number 88

3.5.3 Route Reflector 88

3.5.4 Kết nối Internet 94

3.5.5 BGP Timer 96

3.5.6 Cấu hình BGP thực tế 96

3.6 Thiết kế MPLS (MPLS Design) 97

3.6.1 Tổng quan 97

3.6.2 Tham số LDP 98

3.6.3 Cấu hình MPLS và LDP thực tế 99

3.7 Thiết kế QoS (QoS Design) 100

3.7.1 Tổng quan 100

3.7.2 Yêu cầu QoS 104

3.7.3 Phân loại và đánh dấu 105

3.7.4 Cấu hình Qos thực tế 107

3.8 Thiết kế an ninh mạng (Network Security) 109

3.8.1 Tổng quan 109

3.8.2 Kiếm soát việc truy cập vào thiết bị 110

3.8.3 Hạn chế tấn công từ chối dịch vụ 110

3.8.4 Xác thực 111

3.8.5 Cấu hình phân quyền quản trị trên hệ thống 112

3.9 Tổng kết chương 114

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 115

TÀI LIỆU THAM KHẢO 116

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

TỪ VIẾT

TẮT

CR-LDP Constraint-based Routing Label Distribution Protocol Giao thức phân bố nhãn - định tuyến ràng buộc CR-LSP Constraint-based Routing Label Switched Path Đường chuyển mạch nhãn -định tuyến ràng buộc

FEC Forwarding Equivalence Class Lớp chuyển tiếp tương đương

LIB Label Information Base Bảng cơ sở dữ liệu nhãn

nhãn

Entry

Phương thức gửi chuyển tiếp gói tin gán nhãn

POR Point of Repair Điểm phục hồi

Management Protocol

Giao thức quản lý mạng đơn giản

ngắn nhất

TTL Time To Live Thời gian tồn tại

trong tế bào

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ

A-BẢNG BIỂU:

Bảng 2-1: Một số giao thức phân phối nhãn 46

Bảng 2-2: Các loại bản tin LDP 50

Bảng 2-3: Bảng tùy chọn cho tham số của TLV 51

Bảng 2-4: Bảng tham số của CR-LDP trong TLV 56

Bảng 3-1: Kết nối vật lý Site Hà Nội 76

Bảng 3-2: Kết nối vật lý Site HCM 77

Bảng 3-3: Kết nối vật lý Site Đà Nẵng 78

Bảng 3-4: Kết nối vật lý Site Cần Thơ 79

Bảng 3-5: Kết nối vật lý core 3 miền 79

Bảng 3-6 Kết nối vật lý Cần Thơ- Hồ Chí Minh 81

Bảng 3-7 Quy cách đặt tên thiết bị 81

Bảng 3-8: Thống kê tên thiết bị 82

Bảng 3-9: Mô tả kết nối 83

Bảng 3-10: OSPF Metric 85

Bảng 3-11: OSPF Timer 86

Bảng 3-12 : OSPF timer trong hệ thống cũ 86

Bảng 3-13 Hệ thống RR Level 1 90

Bảng 3-14: Hệ thống RR Level 2 91

Bảng 3-15: Hệ thống các peering IBGP non-cluster full-mesh 92

Bảng 3-16: BGP Timer 96

Bảng 3-17: Cấu hình LDP 99

Bảng 3-18: Yêu cầu QoS 104

Bảng 3-19: Phân loại traffic 106

Bảng 3-20: Lớp chuyển tiếp 106

Bảng 3-21: Phân loại Diffserv 107

Bảng 3-22: Mapping lớp chuyển tiếp và EXP 107

Bảng 3-23 : Tham số xác thực OSPF 111

Bảng 3-24: Tham số xác thực BGP 112

Bảng 3-25: Tham số xác thực LDP 112

B- HÌNH VẼ:

Hình 1-1 MPLS và mô hình tham chiếu OSI 16

Hình 1-2: So sánh giữa chuyển tiếp IP và chuyển tiếp MPLS 17

Hình 1-3: Sơ đồ mạng MPLS 17

Hình 1-4: Miền MPLS 20

Hình 1-5: Up Stream và downstream LSR 20

Hình 1-6: Lớp chuyển tiếp tương đương trong MPLS 21

Hình 1-7: Nhãn MPLS 22

Hình 1-8: Vị trí của nhãn MPLS 23

Hình 1-9: Ngăn xếp nhãn 24

Hình 1-10: Đường chuyển mạch nhãn LSP 25

Hình 1-11: Phân cấp LSP trong MPLS 25

Hình 1-12: Chuyển gói IP qua mạng MPLS 26

Hình 1-13: Shim header được chêm vào giữa header lớp 2 và lớp 3 27

Hình 1-14: Nhãn trong chế độ cell ATM 27

Hình 1-15: Đóng gói (encapsulation) - gói có nhãn trên link ATM 28

Hình 1-16: Cấu trúc của LER và transit-LER 29

Hình 1-17: FTN, ILM và NHLFE 30

Hình 1-18: Quá trình chuyển tiếp một gói đến hop kế 31

Hình 1-19: Một ví dụ về NHLFE 32

Hình 1-20: Bên trong mặt phẳng chuyển tiếp MPLS 34

Hình 1-21: Ví dụ về hoạt động chuyển tiếp gói 35

Hình 1-22: Sơ đồ mạng NGN của VNPT 39

Hình 1-23: Sơ đồ phân cấp mạng Cục bưu điện Trung ương 40

Hình 2-1: Một ví dụ về định tuyến ràng buộc 41

Hình 2-2: Phân phối nhãn không cần yêu cầu 43

Hình 2-3:Phân phối nhãn theo yêu cầu 44

Hình 2-4: Duy trì nhãn tự do 44

Hình 2-5: Duy trì nhãn bảo thủ 45

Hình 2-6: Điều khiển độc lập 45

Hình 2-7: Điều khiển tuần tự 46

Hình 2-8: Vùng hoạt động của LDP 47

Hình 2-9: Trao đổi thông điệp LDP 48

Hình 2-10: LDP Header 49

Hình 2-11: LDP Message 49

Hình 2-12: Mã hóa LTV 50

Hình 2-13: LDP trong chế độ điều khiển độc lập theo yêu cầu 53

Hình 2-14: Thiết lập LSP với CR-LDP 55

Hình 2-15: Tiến trình dự trữ tài nguyên 56

Hình 2-16: Giao thức RSVP 58

Hình 2-17: Thiết lập LSP với RSVP-TE 61

Hình 2-18: Cấu trúc tiêu đề của BGP 62

Hình 2-19: Nội dung bản tin BGP Update 64

Hình 2-20: BGP phân phối nhãn qua nhiều Autonomus System 65

Hình 3-1 Sơ đồ mạng lõi cũ của EVNTELECOM 67

Hình 3-2: Kiến trúc mạng thế hệ mới (NGN) 68

Hình 3-3: Định hướng thiết kế mạng MPBP 70

Hình 3-4: Juniper Networks T1600 Routing Node 71

Hình 3-5: Juniper Networks MX960 72

Hình 3-6: Juniper Networks EX8208 Switch 74

Hình 3-7: Sơ đồ tổng quan hệ thống mạng MPBN mới 75

Hình 3-8: Sơ đồ site Hà Nội 76

Hình 3-9: Sơ đồ kết nối site HCM 77

Hình 3-10: Sơ đồ kết nối site Đà Nẵng 78

Hình 3-11 : Sơ đồ kết nối site Cần Thơ 78

Hình 3-12 : Kết nối vật lý core 3 miền 79

Hình 3-13: Sơ đồ kết nối core mới vào core cũ 80

Hình 3-14: Sơ đồ kết nối vật lý Cần Thơ – Hồ Chí Minh 80

Hình 3-15: OSPF domain trong mạng MPBN mới 84

Hình 3-16: OSPF domain sau khi kết nối với Router M20 Core hiện tại 84

Hình 3-17: Cấu hình interface OSPF 87

Hình 3-18: Cấu hình OSPF timer 87

Hình 3-19: Route Reflector trong BGP 89

Hình 3-20: Mô hình RRs trong hệ thống mạng hiện tại 90

Hình 3-21: Mô hình hệ thống RRs mới của EVNTelecom 93

Hình 3-24: Kết nối với hệ thống Internet hiện tại 94

Hình 3-25: Hướng lưu lượng Internet 95

Hình 3-26: Hướng dự phòng lưu lượng Internet 95

Hình 3-27: Cấu hình BGP 96

Hình 3-28: MPLS Domain của MPBN mới 98

Hình 3-29: MPLS Domain sau khi kết nối hệ thống IP Core hiện tại 98

Hình 3-30: Cấu hình MPLS 99

Hình 3-31: Cấu hình LDP 100

Hình 3-32: Trường Diffserv trong header gói IP 101

Hình 3-33: Hiện tượng Jitter 102

Hình 3-34: Tính năng QoS trên thiết bị của Juniper 103

Hình 3-35: Phân loại và đánh dấu gói tin sử dụng DSCP 105

Hình 3-36: Cấu hình Diffserv 108

Hình 3-37: Cấu hình tham số QoS 108

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp viễn thông đã và đang tìm một phương thức chuyển mạch có thể phối hợp ưu điểm của IP (như cơ cấu định tuyến) và của ATM (như thông lượng chuyển mạch) Mô hình IP-over-ATM của IETF coi IP như một lớp nằm trên lớp ATM và định nghĩa các mạng con IP trên nền mạng ATM Phương thức tiếp cận xếp chồng này cho phép IP và ATM hoạt động với nhau mà không cần thay đổi giao thức của chúng Tuy nhiên, cách này không tận dụng được hết khả năng của ATM Ngoài ra, cách tiếp cận này không thích hợp với mạng nhiều router và không thật hiệu quả trên một số mặt Tổ chức ATM-Forum, dựa trên mô hình này, đã phát triển công nghệ LANE và MPOA Các công nghệ này sử dụng các máy chủ để chuyển đổi địa chỉ nhưng đều không tận dụng được khả năng đảm bảo chất lượng dịch vụ của ATM

Công nghệ MPLS (Multiprotocol label switching) là kết quả phát triển của nhiều công nghệ chuyển mạch IP (IP switching) sử dụng cơ chế hoán đổi nhãn như của ATM để tăng tốc độ truyền gói tin mà không cần thay đổi các giao thức định tuyến của IP Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn, EVNTELECOM quyết định phát triển mạng lõi mới dựa trên công nghệ MPLS để nâng cao chất lượng dịch vụ và đón đầu

xu thế Từ đó nảy sinh yêu cầu thiết kế sử dụng IP/MPLS làm công nghệ cho lớp chuyển tải mạng NGN để triển khai cho mạng lõi Vì vậy, nội dung chính của luận văn tập trung vào việc nghiên cứu công nghệ MPLS và các thiết kế cho mạng lõi dựa trên hiện trạng, yêu cầu thực tế của hệ thống cùng các kĩ thuật trong MPLS

Luận văn “Công nghệ MPLS và ứng dụng trong thiết kế mạng lõi” được

nghiên cứu tại Trường Đại học Bách Khoa – Hà Nội, thời gian từ 02/2011 đến 09/2011 Luận văn trình bày về công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS)

và ứng dụng trong thiết kế mạng lõi đa dịch vụ cho Công ty Thông tin Viễn Thông Điện Lực (EVNTELECOM)

Luận văn gồm 03 chương :

Chương 1 - Chuyển mạch nhãn đa giao thức : Giới thiệu tổng quan công

nghệ MPLS, các khái niệm cơ bản, kiến trúc chức năng và cơ chế hoạt động của

MPLS

Chương 2 - Định tuyến và báo hiệu MPLS : Trình bày các kỹ thuật định

tuyến được hỗ trợ bởi MPLS, các chế độ báo hiệu và một số giao thức báo hiệu phân phối nhãn của MPLS

Chương 3 – Thiết kế mạng lõi cho EVNTELECOM sử dụng công nghệ MPLS : Trình bày hiện trạng hệ thống mạng lõi của EVNTELECOM và các yêu

cầu thiết kế hệ thống mạng mới sử dụng công nghệ MPLS Nội dung chính của chương tập trung vào việc trình bày các thiết kế vật lý, thiết kế các giao thức định tuyến, thiết kế MPLS và QoS cũng như thiết kế an ninh mạng Các kết quả thực tế của thiết kế thể hiện trên cấu hình thiết bị cũng được trình bày trong chương này

Cuối cùng, để có được bản luận văn này, tôi xin gửi lời cám ơn tới các thầy

cô giáo của Viện Đào tạo Sau đại học, Viện 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 – TS.Phạm Văn Bình cùng các đồng nghiệp tại Công ty Thông tin Viễn thông Điện lực đã tận tình giúp đỡ để tôi có thể hoàn thành tốt luận văn này

Chương 1 -CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC MPLS 1.1 Tổng quan về Công nghệ MPLS

MPLS là viết tắt của “Multi-Protocol Label Switching” Thuật ngữ protocol để nhấn mạnh rằng công nghệ này áp dụng được cho tất cả các giao thức lớp mạng chứ không chỉ riêng có IP MPLS cũng hoạt động tốt trên bất kỳ các giao thức lớp liên kết Đây là một công nghệ lai kết hợp những đặc tính tốt nhất của định tuyến lớp 3 (Layer 3 routing) và chuyển mạch lớp 2 (Layer 2 switching)

multi-1.1.1 Giới thiệu về MPLS

Trong một vài năm gần đây, Internet đã phát triển một cách rộng rãi và đáp ứng được sự phát triển đa dạng của các ứng dụng mới trong thương mại và thị trường khách hàng Các ứng dụng mới này cần có băng thông lớn trong mạng đường trục Ngoài ra, để các dịch vụ dữ liệu truyền thống hiện nay được cung cấp trên Internet, các dịch vụ đa phương tiện và thoại mới đã được phát triển và được triển khai Internet đã được chọn lựa như là một mạng cho việc cung cấp các dịch

vụ hội tụ này Tuy nhiên, về mặt tốc độ và độ rộng băng đã được đặt ra đối với mạng bởi các dịch vụ và các ứng dụng mới này, các yêu cầu này đã tận dụng hết tài nguyên cơ sở hạ tầng mạng Internet Thêm vào đó, vấn đề hạn chế tài nguyên và các yêu cầu khác liên quan tới việc truyền các bit và các byte trên đường trục để cung cấp các lớp dịch vụ khác nhau tới người sử dụng Sự phát triển không ngừng số lượng người sử dụng và lưu lượng làm tăng thêm các yêu cầu đối với vấn đề này Vấn đề chất lượng dịch vụ (QoS) và lớp dịch vụ (CoS) phải được tính đến để đáp ứng được các yêu cầu khác nhau của một số lượng lớn người sử dụng mạng

Với trên 250 triệu người sử dụng trong mười năm tới và với sự bổ sung của Ipv6, các nhà điều hành và nhà cung cấp dịch vụ mạng cố gắng mở rộng cơ sở hạ tầng để đáp ứng được các nhu cầu phát triển trên mạng của họ Để đáp ứng nhu cầu phát triển băng thông, nhà cung cấp dịch vụ (ISP) cần có thiết bị định tuyến và chuyển mạch tốc độ cao Mặc dù, mạng lõi của nhà điều hành và nhà cung cấp dịch

trì tốc độ chuyển mạch chậm và các kết nối theo kiểu điểm-điểm, dẫn đến trễ và tắc ghẽn tại các điểm truy nhập biên Các bộ định tuyến mạng lõi cũng góp phần vào trễ trên đường đi, vì mỗi bộ định tuyến phải thực hiện các giải pháp độc lập trên đường tốt nhất để chuyển tiếp mỗi gói đi vào.Thông thường IP phải được định tuyến trên ATM bằng việc sử dụng IP over ATM qua các kênh ảo hoặc đa giao thức trên ATM Các phương thức chuyển tiếp này đã được chứng minh là không thuận tiện

và phức tạp

Nhu cầu về một phương thức chuyển tiếp đơn giản mà các đặc tính quản lý lưu lượng và chất lượng chuyển mạch truyền thống được kết hợp với chuyển tiếp thông minh của một bộ đinh tuyến là rất rõ ràng Tất cả các nhu cầu đó có thể được đáp ứng bởi chuyển mạch nhãn đa giao thức, nó không bị hạn chế bởi mọi giao thức lớp 2 và lớp 3 Cụ thể là, MPLS có một vài ứng dụng và có thể được mở rộng qua các phân đoạn sản phẩm (như một bộ định tuyến MPLS, một bộ định tuyến/chuyển mạch dịch vụ IP, một chuyển mạch Ethernet quang cũng như chuyển mạch quang) MPLS là một giải pháp quan trọng trong việc định tuyến, chuyển mạch và chuyển tiếp các gói thông qua mạng thế hệ sau để đáp ứng các yêu cầu dịch vụ của người sử dụng mạng

1.1.2 MPLS và mô hình tham chiếu OSI

Hình 1-1 MPLS và mô hình tham chiếu OSI

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

Hình 1-2: So sánh giữa chuyển tiếp IP và chuyển tiếp MPLS

Nguyên lý của MPLS là tất cả các gói IP sẽ được gắn nhãn (label) và chuyển tiếp theo một đường dẫn LSP (Label Switched Path) Các router trên đường dẫn chỉ căn cứ vào nội dung của nhãn để thực hiện quyết định chuyển tiếp gói mà không cần phải kiểm tra header IP

1.1.3 Cơ bản về hoạt động của MPLS

Hình 1-3: Sơ đồ mạng MPLS

MPLS mở rộng bộ giao thức IP để Router đưa ra quyết định chuyển tiếp gói tin trong mạng Các Router sử dụng phương thức tìm kiếm tuyến đường và kiểm tra địa chỉ trong gói tin để xác định Router tiếp theo sẽ nhận gói tin, cơ bản là kiểm tra

địa chỉ đích trong phần tiêu đề của gói tin MPLS thực hiện đơn giản hóa việc này bằng cách đưa ra quyết định chuyển tiếp dựa vào một nhãn đơn giản Một tính năng quan trọng khác của MPLS là khả năng sắp xếp lưu lượng IP trên một đường xác định trước trong mạng Khả năng này không thể thực hiện được với lưu lượng IP Theo cách này, MPLS đảm bảo băng thông và cung cấp các chức năng dịch vụ khác nhau đối với mỗi ứng dụng của người dùng Các mạng MPLS dựa trên mạng IP hiện nay có khả năng cung cấp dịch vụ mức cao như dịch vụ đảm bảo băng thông, phân bổ băng thông dựa vào độ ưu tiên dịch vụ và các dịch vụ ưu tiên

Đối với mỗi dịch vụ, một bảng lớp chuyển tiếp tương đương (FEC) được tạo

ra để thể hiện một nhóm các luồng với cùng yêu cầu kỹ thuật lưu lượng, mỗi nhãn

xác định thuộc về một FEC Tại đầu vào của mạng MPLS, Router biên (LER) kiểm

tra và gán một nhãn cho gói tin IP Gói tin gán nhãn sau đó được chuyển tiếp theo

một đường LSP, mỗi Router chuyển mạch nhãn (LSR) thực hiện quyết định chuyển mạch dựa vào trường nhãn trong gói tin Khi đó Router LSR không phải kiểm tra phần tiêu đề IP của gói tin để xác định đầu ra hoặc Router chuyển tiếp tiếp theo

LSR mỗi khi nhận được gói tin sẽ thực hiện loại bỏ nhãn cũ và một gán nhãn mới

để xác định Router sẽ nhận và chuyển tiếp gói tin Cơ sở thông tin nhãn (LIB) cung

cấp một nhãn đầu ra (được chèn vào trong gói tin) và một giao diện đầu ra (dựa vào nhãn đầu vào và giao diện đầu vào)

Báo hiệu để thiết lập một đường LSP dựa vào kỹ thuật lưu lượng (TE) được thực hiện nhờ sử dụng giao thức phân bố nhãn hoạt động trên mỗi nhãn MPLS Có nhiều giao thức phân bố nhãn khác nhau, trong đó hai giao thức phổ biến là RSVP-

TE và CR-LDP RSVP-TE là giao thức mở rộng của giao thức RSVP có cung cấp khả năng kỹ thuật lưu lượng, CR-LDP được xây dựng đặc biệt cho mục đích này

Khung MPLS bao gồm các mở rộng của giao thức định tuyến IP theo trạng

thái (link-state) hiện thời Các giao thức này cung cấp sự kết hợp theo thời gian thực

của kiến trúc mạng hiện thời, bao gồm các đặc tính của mỗi tuyến MPLS mở rộng

đối với các giao thức OSPF và IS-IS cho phép các thiết bị trong mạng không chỉ

trao đổi thông tin về kiến trúc mạng (topo), mà còn trao đổi thông tin về tài nguyên

và các chính sách, ví dụ: địa chỉ IP, băng thông khả dụng và các chính sách cân

bằng tải Thuật toán định tuyến cưỡng bức (constraint-based) sử dụng những thông

tin này để tính toán các đường dẫn LSP tối ưu thông qua mạng và cho phép các quyết định kỹ thuật lưu lượng phức tạp được thực hiện tự động để chọn các tuyến đường thông qua mạng

1.1.4 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 thì đặt ở mạng biên (edge), ví dụ như các tổng đài nội hạt, truy nhập…

Trong mạng gói 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 nhưng cũng là nhược điểm của IP

Quan điểm của MPLS là tính thông minh càng đưa ra biên thì mạng càng hoạt động tốt Lý do là những thành phần ở mạng lõi phải chịu tải rất cao Thành phần mạng lõi nên có độ thông minh thấp và năng lực chuyển tải cao 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

Miền MPLS được chia thành 2 phần: phần mạng lõi (core) và phần mạng biên (edge) Các nút thuộc miền MPLS được gọi là router chuyển mạch nhãn LSR (Label Switch Router) Các nút ở phần mạng lõi được gọi là transit-LSR hay core LSR (thường được gọi tắt là LSR) Các nút ở biên được gọi là router biên nhãn LER (Label Edge Router)

Nếu một LER là nút đầu tiên trên đường đi của một gói xuyên qua miền MPLS thì nó được gọi là LER lối vào (ingress-LER), còn nếu là nút cuối cùng thì

nó được gọi là LER lối ra (egress-LER) Lưu ý là các thuật ngữ này được áp dụng tùy theo chiều của luồng lưu lượng trong mạng, do vậy một LER có thể là ingress-LER vừa là egress- LER tuỳ theo các luồng lưu lượng đang xét

Hình 1-5: Up Stream và downstream LSR

Thuật ngữ upstream-LSR và downstream-LSR cũng được dùng, phụ thuộc vào chiều của luồng lưu lượng Các tài liệu MPLS thường dùng ký hiệu Ru để biểu thị cho upstream-LSR và dùng ký hiệu Rd để biểu thị cho downstream-LSR

1.2.2 Lớp chuyển tiếp tương đương (FEC)

Lớp chuyển tiếp tương đương FEC (Forwarding Equivalence Class) là một tập hợp các gói được đối xử như nhau bởi một LSR Như vậy, FEC là một nhóm các gói IP được chuyển tiếp trên cùng một đường chuyển mạch nhãn LSP, được đối

xử theo cùng một cách thức và có thể ánh xạ vào một nhãn bởi một LSR cho dù chúng có thể khác nhau về thông tin header lớp mạng Hình dưới cho thấy cách xử

Hình 1-7: Nhãn MPLS

Nhóm 32 bit ở hình trên là một entry trong stack nhãn, trong đó phần giá trị nhãn thực sự chỉ có 20 bit Tuy nhiên người ta thường gọi chung cho cả entry 32 bit nói trên là một nhãn Vì vậy khi thảo luận về nhãn cần phân biệt là đang xem xét giá trị nhãn 20 bit hay nói về entry 32 bit trong stack nhãn Phần thông tin 12 bit cộng thêm gồm các trường sau đây:

- EXP (một số tài liệu gọi là CoS - Class of Service ) – Gồm 3 bit, có thể là một hàm của trường TOS (Type of Service) hoặc Diffserv trong gói IP Đa số các nhà sản xuất sử dụng các bit này để mang chỉ thị QoS, thường là copy trực tiếp từ các bit TOS trong gói IP Khi gói MPLS vào hàng đợi, có thể sử dụng các bit EXP theo cách giống như các bit ưu tiên trong IP

- S – Gồm 1 bit, chỉ thị đáy của stack nhãn Khi một nhãn nằm ở đáy stack nhãn, thì bit S đặt lên 1; còn các nhãn khác có bit S đặt về 0 Bit S là phương tiện để xác định đáy của stack nhãn nằm ở đâu

- TTL – Gồm 8 bit, thường là copy trực tiếp từ trường TTL của header IP, được giảm đi 1 qua mỗi hop để chặn loop định tuyến giống như IP Tuy nhiên, các bit TTL cũng có thể được đặt khác với TTL trong gói IP, thường dùng khi nhà khai thác mạng muốn che giấu topology mạng MPLS

1.2.4 Vị trí của nhãn MPLS

Nhãn xuất hiện sau lớp tiêu đề lớp liên kết dữ liệu, nhưng trước mọi tiêu đề lớp mạng Phần đầu của ngăn xếp nhãn xuất hiện sớm nhất trong gói (gần với tiêu

đề lớp mạng), và phần cuối cùng xuất hiện muộn nhất (gần với tiều đề lớp liên kết

dữ liệu) Gói dữ liệu lớp mạng đi theo cổng vào chồng nhãn mà có bit S đã lập Trong một khung liên kết dữ liệu, ví dụ như giao thức điểmđiểm (PPP), ngăn xếp

nhãn xuất hiện giữa tiêu đề IP và tiêu đề liên kết dữ liệu ối với khung IEEE 802, ngăn xếp nhãn xuất hiện giữa tiêu đề IP và tiêu đề điều khiển liên kết logic

Nếu MPLS được sử dụng trên dịch vụ mạng kết nối định hướng, một cách sắp xếp khác có thể được thực hiện, như trong hình 1-8 Đối với các tế bào ATM, giá trị nhãn trong phần ngăn xếp nhãn cao nhất được đặt vào trong trường nhận diện kênh ảo/đường ảo (VPI/VCI) trong phần tiêu đề tế bào ATM Giá trị nhãn đầu tiên duy trì tại phần đầu của ngăn xếp nhãn mà được chèn giữa tiêu đề tế bào và tiêu đề

IP Việc đặt giá trị nhãn trong tiêu đề tế bào ATM làm thuận tiện cho việc chuyển mạch được thực hiện bởi chuyển mạch ATM, mà như thường lệ sẽ có nhu cầu chỉ kiểm tra tại tiêu đề tế bào Tương tự như vậy, giá trị nhãn cao nhất có thể được đặt trong trường nhận diện kết nối liên kết dữ liệu của tiêu đề Frame relay Lưu ý rằng, trong cả hai trường hợp, trường thời gian sống TTL không xác định để chuyển mạch và vì vậy không bị giảm đi

Hình 1-8: Vị trí của nhãn MPLS

1.2.5 Nhãn và ngăn xếp nhãn

RFC 3031 định nghĩa nhãn là “một bộ nhận dạng có độ dài ngắn và cố định, mang ý nghĩa cục bộ dùng để nhận biết một FEC” Nhãn được “dán” lên một gói để báo cho LSR biết gói này cần đi đâu Phần nội dung nhãn có độ dài 20 bit không

cấu trúc, như vậy số giá trị nhãn có thể có là 220 (hơn một triệu giá trị) Giá trị nhãn định nghĩa chỉ mục (index) để dùng trong bảng chuyển tiếp

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

xử lý nhãn hiện hành trên đỉnh ngăn xếp Chính nhãn này sẽ được LSR sử dụng để chuyển tiếp gói

Hình 1-9: Ngăn xếp nhãn

Nếu gói tin chưa có nhãn thì ngăn xếp nhãn là rỗng (độ sâu của ngăn xếp nhãn bằng 0) Nếu ngăn xếp có chiều sâu là d thì mức 1 sẽ ở đáy ngăn xếp (bit S trong entry nhãn đặt lên 1) và mức d sẽ ở đỉnh của ngăn xếp Một entry nhãn có thể được đặt thêm vào (push) hoặc lấy ra (pop) khỏi ngăn xếp

1.2.6 Hoán đổi nhãn (Label Swapping)

Hoán đổi nhãn là cách dùng các thủ tục để chuyển tiếp gói Để chuyển tiếp gói có nhãn, LSR kiểm tra nhãn trên đỉnh ngăn xếp và dùng ánh xạ ILM (Incoming Label Map) để ánh xạ nhãn này tới một entry chuyển tiếp nhãn NHLFE (Next Hop Label Forwarding Entry) Sử dụng thông tin trong NHLFE, LSR xác định ra nơi để chuyển tiếp gói và thực hiện một tác vụ trên ngăn xếp nhãn Rồi nó mã hóa ngăn xếp nhãn mới vào gói và chuyển gói đi

Chuyển tiếp gói chưa có nhãn cũng tương tự nhưng xảy ra ở ingress-LER LER phải phân tích header lớp mạng để xác định FEC rồi sử dụng ánh xạ FTN (FEC-to- NHLFE) để ánh xạ FEC vào một NHLFE

1.2.7 Đường chuyển mạch nhãn LSP (Label Switched Path)

Đường chuyển mạch nhãn LSP là một đường nối giữa router ngỏ vào và router ngỏ ra, được thiết lập bởi các nút MPLS để chuyển các gói đi xuyên qua mạng Đường dẫn của một LSP qua mạng được định nghĩa bởi sự chuyển đổi các giá trị nhãn ở các LSR dọc theo LSP bằng cách dùng thủ tục hoán đổi nhãn Khái niệm LSP tương tự như khái niệm mạch ảo (VC) trong ATM

Hình 1-10: Đường chuyển mạch nhãn LSP

Kiến trúc MPLS cho phép phân cấp các LSP, tương tự như ATM sử dụng VPI và VCI để tạo ra phân cấp kênh ảo (VC) nằm trong đường ảo (VP) Tuy nhiên ATM chỉ có thể hỗ trợ 2 mức phân cấp, trong khi với MPLS thì số mức phân cấp cho phép rất lớn nhờ khả năng chứa được nhiều entry nhãn trong ngăn xếp nhãn Về

lý thuyết, giới hạn số lượng nhãn trong ngăn xếp phụ thuộc giá trị MTU (Maximum Transfer Unit) của các giao thức lớp liên kết được dùng dọc theo một LSP

1.2.8 Chuyển gói qua miền MPLS

Sau đây là một ví dụ đơn giản minh họa quá trình truyền gói IP đi qua miền MPLS Gói tin IP khi đi từ ngoài mạng vào trong miền MPLS được router A đóng vai trò là một ingress-LER sẽ gán nhãn có giá trị là 6 cho gói IP rồi chuyển tiếp đến router B Router B dựa vào bảng hoán đổi nhãn để kiểm tra nhãn của gói tin Nó thay giá trị nhãn mới là 3 và chuyển tiếp đến router C Tại C, việc kiểm tra cũng tương tự như ở B và sẽ hoán đổi nhãn, gán cho gói tin một nhãn mới là 9 và tiếp tục được đưa đến router D

Hình 1-12: Chuyển gói IP qua mạng MPLS

Router D đóng vai trò egress-LER sẽ kiểm tra trong bảng hoán đổi nhãn và

gỡ bỏ nhãn 9 ra khỏi gói tin rồi định tuyến gói IP một cách bình thường đi ra khỏi miền MPLS Với kiểu làm việc này thì các LSR trung gian như router B và C sẽ không phải thực hiện kiểm tra toàn bộ header IP của gói tin mà nó chỉ việc kiểm tra các giá trị của nhãn, so sánh trong bảng và chuyển tiếp Vì vậy tốc độ xử lý trong miền MPLS sẽ nhanh hơn nhiều so với định tuyến IP truyền thống Đường đi từ router A đến router D được gọi là đường chuyển mạch nhãn LSP (Label Switched Path)

1.3 Hoạt động của MPLS

1.3.1 Các chế độ hoạt động của MPLS

1.3.1.1 Chế độ hoạt động Frame của MPLS

Các kỹ thuật lớp 2 như Ethernet, Token Ring, FDDI, PPP không có trường nào phù hợp trong header của frame có thể mang nhãn Vì vậy, stack nhãn sẽ được chứa trong header chêm (shim header) Shim header được “chêm” vào giữa header lớp liên kết và header lớp mạng, như trong hình 1-13 Đỉnh stack nằm liền sau header lớp 2 và đáy stack nằm liền trước header lớp mạng

Hình 1-13: Shim header được chêm vào giữa header lớp 2 và lớp 3

Router gởi frame phải có cách để báo cho router nhận biết rằng frame này có chứa shim header, cách thức này khác nhau giữa các kỹ thuật lớp 2 Ethernet sử dụng cặp giá trị ethertype 0x8847 và 0x8848 để chỉ thị frame đang mang gói MPLS unicast và multicast tương ứng PPP sử dụng NCP (Network Control Program) sửa đổi gọi là MPLSCP (MPLS Control Protocol) và đánh dấu tất cả các gói có chứa shim header bằng giá trị 0x8281 trong trường PPP Protocol

1.3.1.2 Chế độ Cell

Chế độ Cell được dùng khi ta có một mạng gồm các ATM-LSR (là các

chuyển mạch ATM có hỗ trợ MPLS), trong đó nó sử dụng các giao thức phân phối nhãn MPLS để trao đổi thông tin VPI/VCI thay cho báo hiệu ATM Nhãn được mã hoá trong trường gộp VPI/VCI, trong VPI hoặc VCI của header cell ATM (RFC 3035)

Cell ATM gồm có 5 byte header và 48 byte payload Để chuyển tải gói tin có kích thước lớn hơn 48 byte từ lớp trên đưa xuống (ví dụ gói IP), ATM phải chia gói tin thành nhiều phần nhỏ hơn, việc này gọi là phân đoạn (fragmentation) Quá trình phân đoạn do lớp AAL (ATM Adaptation Layer) đảm trách Cụ thể, AAL5 PDU sẽ được chia thành nhiều đoạn 48 byte, mỗi đoạn 48 byte này được thêm header 5 byte

để tạo ra một cell ATM

Hình 1-15: Đóng gói (encapsulation) - gói có nhãn trên link ATM

Khi đóng gói có nhãn MPLS trên ATM, toàn bộ stack nhãn được đặt trong AAL5 PDU Giá trị thực sự của nhãn đỉnh được đặt trong trường VPI/VCI, hoặc đặt trong trường VCI nếu 2 ATM-LSR kết nối nhau qua một đường ảo ATM (VP) Entry đỉnh stack nhãn phải chứa giá trị 0 (coi như entry “giữ chỗ”) và được bỏ qua khi nhận Lý do các nhãn phải chứa ở cả trong AAL5 PDU và header ATM là để

mở rộng độ sâu stack nhãn Khi các cell ATM đi đến cuối LSP, nó sẽ được tái hợp lại Nếu có nhiều nhãn trong stack nhãn, AAL5 PDU sẽ bị phân đoạn lần nữa và nhãn hiện hành trên đỉnh stack sẽ được đặt vào trường VPI/VCI

1.3.2 Cấu trúc chức năng MPLS

1.3.2.1 Kiến trúc một nút MPLS (LER và LSR)

Hình 1-16: Cấu trúc của LER và transit-LER

Mặt phẳng điều khiển có chức năng định tuyến IP dùng để giao tiếp với các LSR, LER khác hoặc các router IP thông thường bằng các giao thức định tuyến IP Kết quả là một cơ sở thông tin định tuyến RIB (Routing Information Base) được tạo lập gồm các thông tin miêu tả các các route khả thi để tìm đến các prefix địa chỉ IP LER sẽ sử dụng các thông tin này để xây dựng cơ sở thông tin chuyển tiếp FIB (Forwarding Information Base) trong mặt phẳng chuyển tiếp

Mặt phẳng điều khiển còn có chức năng báo hiệu MPLS dùng để giao tiếp với các LSR khác bằng một giao thức phân phối nhãn Kết quả là một cơ sở thông tin nhãn LIB (Label Information Base) gồm các thông tin liên quan đến các gán kết nhãn đã được thương lượng với các router MPLS khác Thành phần báo hiệu MPLS nhận thông tin từ chức năng định tuyến IP và LIB để xây dựng cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn LFIB (Label Forwarding Information Base) trong mặt phẳng chuyển tiếp Một LER có thể có thể chuyển tiếp các gói IP, gắn nhãn vào gói (label push), hoặc gỡ nhãn ra khỏi gói (label pop), trong khi đó một transit-LSR chỉ có khả năng chuyển tiếp gói có nhãn, thêm hoặc bỏ bớt nhãn

1.3.2.2 Mặt phẳng chuyển tiếp (mặt phẳng dữ liệu)

Mặt phẳng chuyển tiếp MPLS chịu trách nhiệm chuyển tiếp dữ liệu của user

Nó sử dụng LFIB để thực hiện chuyển tiếp các gói có gắn nhãn căn cứ vào giá trị của nhãn nằm trên đỉnh stack nhãn

* Cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn LFIB

Trong mạng IP, quyết định chuyển tiếp gói được xác lập bằng cách thực hiện tra cứu địa chỉ đích trong bảng FIB để xác định hop kế và giao diện ra Trong mạng MPLS, mỗi LSR duy trì một bảng LFIB riêng rẽ và tách biệt với FIB Bảng LFIB

có hai loại entry là ILM (incoming label map) và FTN (FEC-to-NHLFE) NHLFE (next hop label forwarding entry) là subentry chứa các trường như địa chỉ hop kế, các tác vụ stack nhãn, giao diện ra và thông tin header lớp 2 ILM ánh xạ một nhãn đến một hoặc nhiều NHLFE

Hình 1-17: FTN, ILM và NHLFE

Nhãn trong gói đến sẽ dùng để chọn ra một entry ILM cụ thể nhằm xác định NHLFE Còn FTN ánh xạ mỗi FEC vào một hoặc nhiều NHLFE Nhờ các entry FTN, gói chưa có nhãn được chuyển thành gói có nhãn

Như vậy, khi một gói không nhãn thuộc một FEC đi vào miền MPLS, ingress-LER sẽ sử dụng một entry LFIB loại FTN để chuyển gói không nhãn thành gói có nhãn Sau đó, tại các transit-LSR sử dụng một entry LFIB loại ILM để hoán

đổi nhãn vào bằng nhãn ra Cuối cùng, tại egress-LER sử dụng một entry LFIB loại ILM để gỡ bỏ nhãn đến và chuyển tiếp gói không nhãn đến router kế tiếp

* Thuật toán chuyển tiếp nhãn

Các nút MPLS sử dụng giá trị nhãn trong các gói đến làm chỉ mục để tra bảng LFIB Khi tìm thấy entry tương ứng với nhãn đến, nút MPLS thay thế nhãn trong gói bằng nhãn ra và gởi gói đi qua giao diện ra để đến hop kế được đặc tả trong subentry NHLFE Nếu subentry có chỉ định hàng đợi ra, nút MPLS sẽ đặt gói trên hàng đợi đã chỉ định Trường hợp nút MPLS duy trì một LFIB riêng cho mỗi giao diện, nó sẽ dùng LFIB của giao diện mà gói đến để tra cứu chuyển tiếp gói

Hình 1-18: Quá trình chuyển tiếp một gói đến hop kế

Nút MPLS có thể lấy định vị được các thông tin chuyển tiếp cần thiết trong LFIB chỉ trong một lần truy xuất bộ nhớ, tốc độ thực thi rất cao nhờ các chip ASIC

* NHLFE (Next Hop Label Forwarding Entry)

NHLFE là subentry của ILM hoặc FTN, nó chứa các thông tin sau:

- Hop kế (chặng tiếp theo) của gói

- Tác vụ sẽ được tiến hành trên stack nhãn của gói như sau:

+ Swap: Thay nhãn ở đỉnh của stack nhãn bằng một nhãn mới được chỉ định + Pop: Bóc một nhãn ra khỏi stack

+ Push: Chồng thêm một nhãn vào trong stack nhãn

Hình 1-19: Một ví dụ về NHLFE

Ngoài ra, NHLFE cũng có thể chứa những thông tin sau:

- Đóng gói lớp datalink để sử dụng khi truyền gói

- Cách thức mã hóa stack nhãn khi truyền gói

- Bất kỳ các thông tin khác cần thiết để xử lý gói một cách chính xác

1.3.2.3 Mặt phẳng điều khiển

Nhiệm vụ của các giao thức trong mặt phẳng điều khiển là phân phối các thông tin cần thiết cho mỗi LER và LSR để cấu hình bảng FIB và LFIB Trong hình 1-16, một giao thức định tuyến sử dụng bảng thông tin định tuyến RIB hoạt động kết hợp với một giao thức báo hiệu MPLS sử dụng bảng thông tin nhãn LIB để phân phối các nhãn Việc phân tách mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng chuyển tiếp cho phép cài đặt một giao thức điều khiển MPLS trên một ATM switch

Tại sao MPLS cần giao thức báo hiệu, trong khi các router IP cổ điển chỉ cần định tuyến IP ? Một lý do quan trọng phải dùng giao thức báo hiệu MPLS kết hợp với một giao thức định tuyến xuất phát từ sự cần thiết phải thực hiện định tuyến ràng buộc của đường chuyển mạch nhãn MPLS

1.3.3 Hoạt động chuyển tiếp MPLS

1.3.3.1 Cấu trúc dữ liệu MPLS

Mỗi LSR duy trì ba cấu trúc dữ liệu quan trọng Thứ nhất là cơ sở dữ liệu thông tin nhãn LIB ( Lable Information Base) LIB lưu chữ tất cả các nhãn đã được quảng bá bởi các LSR khác trong mạng MPLS LSR cần thiết sự trao đổi ánh xạ của các nhãn đến các FEC của chúng Điều này được thực hiện nhờ các giao thức phân phối nhãn khác nhau như LDP (Label Ditribution Protocal), RSVP (Resource Reservation Protocal) hay MP-BGP (Multiprotocal BGP)

Cấu trúc dữ liệu thứ hai lưu trong bộ nhớ truy cập nhanh được gọi là LFIB (Lable Forwarding Information Base) LFIB được sử dụng trong quá trình xử lý

chuyển tiếp gói tin Quá trình này tương tự sử dụng cơ sở dữ liệu chuyển tiếp IP trong quá trình định tuyến IP, chỉ khác là nó chứa các thông tin liên quan đến MPLS LFIB chứa các thông tin như: giá trị nhãn vào, giá trị nhãn ra, Prefix/FEC, giao diện ra nó phải chuyển gói tin đến LFIB chứa tất cả các thông tin cần thiết để chuyển gói tin qua LSR

Cấu trúc dữ liệu thứ ba mà tất cả các MPLS LSR duy trì là bảng định tuyến

IP bình thường Nó được sử dụng để xác định nút mạng tiếp theo cho LFIB Nội dung của bảng định tuyến IP là kết quả của việc trao đổi thông tin về các tuyến đường có thể trong mạng thông qua một số giao thức định tuyến và các thông tin này được tính toán theo một số thuật toán định tuyến Kết quả tính toán được từ các thuật toán định tuyến là thông tin được lưu trong bảng định tuyến

Thông tin trong LFIB là kết quả kiểm tra bảng định tuyến IP và nội dung của LIB để xác định địa chỉ IP đích nào được ánh xạ đến nhãn MPLS

Sau khi các IGP (như là RIP, … OSPF hoặc IS-IS) hoàn thành việc trao đổi thông tin về các tuyến đường khả dụng giữa tất cả các nút mạng Chúng sẽ chạy trên tuyến đường ngắn nhất được tính toán ra nhờ các thông tin có được Khi quá trình này hoàn tất các giao thức định tuyến được gọi là hội tụ Tại những điểm này bảng định tuyến sẽ phản ánh Topology lớp 3 hiện thời của mạng, như là những tuyến đường ngắn nhất đi đến nút mạng mong muốn Bảng định tuyến lưu giữ thông tin về Prefix đích, Metric tương ứng với đích này, địa chỉ nút tiếp theo và giao diện mà gói tin phải được gửi ra để đến được nút tiếp theo Ví dụ LSR 1 có một lối vào trong bảng định tuyến của nó cho mạng B, nơi LSR2 lập một danh sách nút tiếp theo để đến mạng B Đi từ LSR1 đến mạng B có Metric là 10 Chúng ta thấy tồn tại trong bảng định tuyến một tuyến đường khác đến mạng B thông qua LSR3 Tuyến đường này có Metric là 20 lớn hơn tuyến đường đi qua LSR2 Giả sử chúng ta không sử dụng các kỹ thuật chia tải (Load balancing) Metric khác nhau thì LSR1 sẽ luôn chọn LSR2 là nút tiếp theo tối ưu để đến mạng B

Sau khi quá trình định tuyến hội tụ, LDP sẽ xây dựng các phiên giữa các LDP láng giềng hay LDP Peer đó là những kết nối trực tiếp đến LSR

1.3.3.2 Hoạt động trong mặt phẳng chuyển tiếp

FEC là một tập con các gói căn cứ theo một số thông tin trong header IP được dùng bởi FIB Một FEC được dùng thường dựa theo luật “longest prefix match” trên địa chỉ IP đích Ví dụ: các địa chỉ IP so trùng 16 bit đầu có dạng

“a.b.*.*” (trong đó * đại diện cho giá trị hợp lệ bất kỳ) được biểu diễn là “a.b/16” cho entry FEC đầu tiên trong bảng FIB FEC còn có thể căn cứ bổ sung theo các trường khác trong header IP như ToS hay Diffserv FIB sử dụng FEC để xác định ra giao tiếp đi đến hop kế cho các gói IP, cách thực hiện giống như các router cổ điển

Hình 1-20: Bên trong mặt phẳng chuyển tiếp MPLS

Xét hoạt động của LFIB ở hình 1-20 Phần ILM (incoming label map) của LFIB thao tác trên một gói có nhãn và ánh xạ một nhãn vào (incoming label) tới một tập các entry NHLFE ILM được thể hiện trong hình bởi các cột IN-IF và IN-LBL, nhưng cũng có thể là một bảng riêng rẽ cho một giao tiếp FTN (FEC-to-NHLFE) của FIB ánh xạ một FEC tới một tập hợp gồm một hoặc nhiều NHLFE Như ví dụ trong hình, nhãn A được gắn (push) lên các gói IP thuộc FEC “d.e/16” Lưu ý là ILM hoặc FTN có thể ánh xạ tới nhiều NHLFE, chẳng hạn để dùng trong cân bằng tải

1.3.3.3 Gỡ nhãn ở hop áp cuối PHP (Penultimate Hop Popping)

Một tối ưu hóa quan trọng mà MPLS hỗ trợ là tránh việc tra cứu nhãn (label lookup) phải xử lý ở egress-LER trong trường hợp một gói đi trên một LSP mà yêu cầu tra cứu IP (IP lookup) tiếp ngay sau đó Ở trong hình 1-20, một gói đến có nhãn

A được gỡ nhãn (pop) và chuyển sang FIB để tra cứu tiếp trên header IP Để tránh việc xử lý phát sinh thêm này, MPLS định nghĩa một tiến trình gọi là gỡ nhãn ở hop

áp cuối PHP (penultimate hop popping), trong đó router áp cuối trên LSP sẽ gỡ nhãn thay vì egress-LER phải làm việc đó Nhờ vậy cắt giảm được việc xử lý ở router cuối cùng trên LSP

1.3.3.4 Một ví dụ hoạt động chuyển tiếp gói

Hình 1-21: Ví dụ về hoạt động chuyển tiếp gói

Trong ví dụ này thể hiện đường đi và các hoạt động chuyển tiếp được thực hiện ở mỗi nút cho 2 LSP là LSP-1 và LSP-2 LSP-1 bắt đầu từ LER E1, tại đó có một gói IP đến với địa chỉ đích là “a.b.c.d” LER E1 kiểm tra bảng FIB của nó và xác định rằng gói này thuộc về FEC “a.b.c/24”, nó gắn nhãn A lên gói và xuất ra trên giao tiếp số 2 Tiếp theo, LSR S1 thấy có gói gắn nhãn A đến trên giao tiếp số

1, LFIB của nó chỉ thị rằng gói sẽ xuất ra trên giao tiếp số 4 và nhãn sẽ được thay thế bằng nhãn D Gói có nhãn đi ra trên giao tiếp số 4 trên LSR S1 nối đến giao tiếp

số 1 trên LSR S4

Vì LSR S4 là hop áp cuối của LSP-1 nên thao tác được chỉ thị trong LFIB của nó là gỡ nhãn (pop) và gởi gói đi ra trên giao tiếp số 4 Cuối cùng, ở đích là LER E4, entry FIB thao tác trên FEC “a.b.c/24” và chuyển phát gói đến hop kế trên giao tiếp ra số 3

Đối với ví dụ ở LSP-2, các entry trong FIB và LFIB cũng được thể hiện tương tự như đã trình bày đối với LSP-1

1.4 Ưu điểm của MPLS

1.4.1 Đơn giản hóa chức năng chuyển tiếp

MPLS sử dụng cơ chế chuyển tiếp căn cứ vào nhãn có độ dài cố định nên quyết định chuyển tiếp có thể xác định ngay chỉ với một lần tra cứu chỉ mục trong LFIB Cơ chế này đơn giản và nhanh hơn nhiều so với giải thuật “longest prefix match” dùng trong chuyển tiếp gói datagram thông thường

1.4.2 Kỹ thuật lưu lượng

Ưu điểm lớn nhất của MPLS là ở khả năng thực hiện kỹ thuật lưu lượng (TE: Traffic Engineering), nó đảm bảo lưu lượng được định tuyến đi qua một mạng theo một cách thức tin cậy và hiệu quả nhất Kỹ thuật lưu lượng cho phép các ISP định tuyến lưu lượng theo cách họ có thể cung cấp dịch vụ tốt nhất cho khách hàng ở khía cạnh thông lượng và độ trễ MPLS-TE cho phép lưu lượng được phân bố hợp

lý qua toàn bộ hạ tầng mạng, tối ưu hóa hiệu suất sử dụng mạng Đây cũng là đối tượng nghiên cứu chính của đề tài này và sẽ được trình bày kỹ ở các chương tiếp theo

1.4.3 Định tuyến QoS từ nguồn

Định tuyến QoS từ nguồn là một cơ chế trong đó các LSR được xác định trước ở nút nguồn (LSR lối vào) dựa vào một số thông tin về độ khả dụng tài nguyên trong mạng cũng như yêu cầu QoS của luồng lưu lượng Nói cách khác, nó

là một giao thức định tuyến có mở rộng chỉ tiêu chọn đường để bao gồm các tham

số như băng thông khả dụng, việc sử dụng link và đường dẫn end-to-end, độ chiếm dụng tài nguyên của nút, độ trễ và biến động trễ

1.4.4 Mạng riêng ảo VPN

VPN là cho phép khách hàng thiết lập mạng riêng giống như thuê kênh riêng nhưng với chi phí thấp hơn bằng cách sử dụng hạ tầng mạng công cộng dùng chung Kiến trúc MPLS đáp ứng tất cả các yêu cầu cần thiết để hỗ trợ VPN bằng cách thiết lập các đường hầm LSP sử dụng định tuyến tường minh Do đó, MPLS sử dụng các đường hầm LSP cho phép nhà khai thác cung cấp dịch vụ VPN theo cách tích hợp trên cùng hạ tầng mà họ cung cấp dịch vụ Internet Hơn nữa, cơ chế xếp chồng nhãn cho phép cấu hình nhiều VPN lồng nhau trên hạ tầng mạng

1.4.5 Chuyển tiếp có phân cấp (Hierachical forwarding)

Thay đổi đáng kể nhất được MPLS đưa ra không phải ở kiến trúc định tuyến

mà là kiến trúc chuyển tiếp Sự cải tiến trong kiến trúc chuyển tiếp có tác động đáng

kể đến khả năng cung cấp chuyển tiếp phân cấp Chuyển tiếp phân cấp cho phép lồng một LSP vào trong một LSP khác (xếp chồng nhãn hay còn gọi là điều khiển gói đa cấp)

Thực ra chuyển tiếp phân cấp không phải là kỹ thuật mới; ATM đã cung cấp

cơ chế chuyển tiếp 2 mức với khái niệm đường ảo (VP) và kênh ảo (VC) Tuy nhiên MPLS cho phép các LSP được lồng vào nhau một cách tùy ý, cung cấp điều khiển gói đa cấp cho việc chuyển tiếp

1.4.6 Khả năng mở rộng (Scalability)

Chuyển mạch nhãn cung cấp một sự tách biệt toàn diện hơn giữa định tuyến liên miền (inter-domain) và định tuyến nội miền (intra-domain), điều này cải thiện đáng kể khả năng mở rộng của các tiến trình định tuyến Hơn nữa, khả năng mở rộng của MPLS còn nhờ vào FEC (thu gom luồng), và xếp chồng nhãn để hợp nhất (merging) hoặc lồng nhau (nesting) các LSP Ngoài ra, nhiều LSP liên kết với các FEC khác nhau có thể được trộn vào cùng một LSP Sử dụng các LSP lồng nhau cũng cải thiện khả năng mở rộng của MPLS

1.5 Ứng dụng và triển khai MPLS ở Việt Nam

1.5.1 Mạng NGN của Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam (VNPT)

Hiện nay, VNPT đang đưa vào sử dụng mạng thế hệ sau NGN dùng công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS NGN là một nền tảng thống nhất cho phép nhiều loại thiết bị người sử dụng truy nhập và khai thác ứng dụng NGN là kiến trúc hội tụ của nhiều công nghệ: di động 2.5 & 3G, LAN không dây, điện thoại

IP, chuyển mạch thoại, hình ảnh, dữ liệu… Do vậy, việc nghiên cứu và chuẩn hoá NGN là đặc biệt quan trọng, giúp cho ngành kinh doanh viễn thông phát triển mà tiết kiệm chi phí, thông qua việc tăng hiệu suất kinh doanh, giảm bớt chi phí quản

lý, tái sử dụng hệ thống mạng viễn thông hiện tại và đem lại nhiều dịch vụ mới cũng như các lợi ích thiết thực cho khách hàng NGN có thể giúp các nhà cung cấp dịch

vụ thỏa mãn yêu cầu khách hàng Ngày nay, công nghệ chuyển mạch nhãn MPLS

đã được coi gần như một chuẩn tích hợp các dịch vụ, cho phép các nhà cung cấp dịch vụ không cần sử dụng nhiều mạng nhỏ khác nhau mà vẫn cung cấp được nhiều loại hình dịch vụ

Mạng NGN của VNPT được chia thành các giai đoạn triển khai và đến nay

đã triển khai đến giai đoạn thứ ba Mạng NGN đáp ứng được toàn bộ các dịch vụ của các mạng truyền thống hiện nay Những dịch vụ mà NGN mang lại: Chuyển tải VPN: Lớp 0 (WDM) Lớp 1, Lớp 2 (AToM, ATM, FR, MetroE, L2TP) và Lớp 3 (IPSecVPN, MPLS VPN, GRE VPN); Internet: truy nhập Internet chuyên dụng, thư

điện tử (Email), dịch vụ tên miền (DNS); Thoại: tổng đài độc lập IP, chuyển tải, các trung tâm cuộc gọi IP (IP centrex); Trung tâm số liệu: tiếp nhận, lưu trữ, CDN; Bảo

mật: tường lửa, chống xâm nhập, Virus, mã hoá, xác nhận quyền truy nhập, kiểm tra lỗi; Truyền hình: VOD, quảng bá, giám sát, hội nghị truyền hình; Di động: không dây và các dịch vụ cung cấp theo địa hình

Hình 1-22: Sơ đồ mạng NGN của VNPT

1.5.2 Mạng NGN của Cục Bưu điện Trung ương

Từ năm 2002, Cục Bưu điện Trung ương được Đảng, Nhà nước và Tổng

công ty Bưu chính Viễn thông Việt Nam giao nhiệm vụ xây dựng dự án "Xây dựng

mạng truyền số liệu chuyên dùng của các cơ quan Đảng và Nhà nước" với mục tiêu

nhằm xây dựng một mạng đường trục truyền số liệu chuyên dùng thống nhất cho mạng tin học diện rộng cũng như cung cấp một số cổng thoại cho các cơ quan Đảng

và Nhà nước Mạng được xây dựng phải có tốc độ cao, dung lượng đủ lớn, dựa trên công nghệ IP, có kết nối với Internet Đây chính là mạng viễn thông thế hệ sau của Cục Bưu điện Trung ương