Kỹ thuật lưu lượng trong mạng chuyển dịch nhãn đa giao thức

bộ BGP Border Gateway Protocol- Giao thức cổng biên CBQ Class Based Queueing- Hàng đợi theo lớp CBR Constant Bit Rate- Tốc độ bít không đổi CBS Committed Burst Size- Kích thước chùm x

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

VŨ VĂN TRƯỞNG

KỸ THUẬT LƯU LƯỢNG TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC

Nghành: Công nghệ Điện tử- Viễn Thông

Chuyên nghành: Kỹ thuật Điện tử

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan toàn bộ những nội dung và số liệu trong luận văn thạc sĩ: “Kỹ thuật lưu lượng trong mạng chuyển mạch nhãn đa giao thức” là do tôi

tự nghiên cứu và thực hiện

Học viên thực hiện luận văn

Vũ Văn Trưởng

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành chương trình cao học và viết luận văn này, Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn đến quí thầy cô trường Đại học Công nghệ- Đại học Quốc gia Hà Nội, đặc biệt là những thầy cô đã tận tình dạy bảo cho tôi suốt thời gian học tập tại trường

Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến Phó giáo sư – Tiến

sĩ Trần Quang Vinh đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu và giúp tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp quí báu của quí thầy cô và các bạn

Hà Nội, tháng 12 năm 2009

Học viên

Vũ Văn Trưởng

MỤC LỤC

Trang phụ bìa 1

LỜI CAM ĐOAN 2

LỜI CẢM ƠN 3

MỤC LỤC 4

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 7

DANH SÁCH CÁC BẢNG 11

DANH SÁCH CÁC HÌNH MINH HỌA 11

MỞ ĐẦU 13

Chương 1: CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC MPLS 15

1.1 Tổng quan 15

1.1.1 Tính thông minh phân tán 15

1.1.2 MPLS và mô hình tham chiếu OSI 16

1.2 Các khái niệm cơ bản trong MPLS 17

1.2.1 Miền MPLS (MPLS domain) 17

1.2.2 Lớp chuyển tiếp tương đương (FEC) 18

1.2.3 Nhãn và chồng nhãn 18

1.2.4 Hoán đổi nhãn (Label Swapping) 19

1.2.5 Đường chuyển mạch nhãn LSP (Label Switched Path) 19

1.2.6 Chuyển gói qua miền MPLS 21

1.3 Mã hóa nhãn và các chế độ đóng gói nhãn MPLS 21

1.3.1 Mã hóa chồng nhãn 21

1.3.2 Chế độ Frame 23

1.3.3 Chế độ Cell 23

1.4 Cấu trúc chức năng MPLS 25

1.4.1 Kiến trúc một nút MPLS (LER và LSR) 25

1.4.2 Mặt phẳng chuyển tiếp (mặt phẳng dữ liệu) 26

1.4.3 Mặt phẳng điều khiển 28

1.5 Hoạt động chuyển tiếp MPLS 28

1.5.1 Hoạt động trong mặt phẳng chuyển tiếp 28

1.5.2 Gỡ nhãn ở chặng áp cuối PHP (Penultimate Hop Popping) 29

1.5.3 Một ví dụ hoạt động chuyển tiếp gói 30

1.6 Ưu điểm và ứng dụng của MPLS 31

1.6.1 Đơn giản hóa chức năng chuyển tiếp 31

1.6.2 Kỹ thuật lưu lượng 31

1.6.3 Định tuyến QoS từ nguồn 31

1.6.4 Mạng riêng ảo VPN 31

1.6.5 Chuyển tiếp có phân cấp (Hierachical forwarding) 32

1.6.6 Khả năng mở rộng (Scalability) 32

1.7 Tổng kết chương 32

Chương 2: ĐỊNH TUYẾN VÀ BÁO HIỆU MPLS 34

2.1 Định tuyến trong MPLS 34

2.1.1 Định tuyến ràng buộc (Constrain-based Routing) 34

2.1.2 Định tuyến tường minh (Explicit Routing) 35

2.2 Các chế độ báo hiệu MPLS 36

2.2.2 Chế độ duy trì nhãn 37

2.2.3 Chế độ điều khiển LSP 38

2.2.4 Các giao thức phân phối nhãn MPLS 39

2.3 Giao thức phân phối nhãn LDP (Label Distribution Protocol) 40

2.3.1 Hoạt động của LDP 40

2.3.2 Cấu trúc thông điệp LDP 42

2.3.3 Các bản tin LDP [1] 44

2.3.4 LDP điều khiển độc lập và phân phối theo yêu cầu 45

2.4 Giao thức CR-LDP (Constrain-based routing LDP) 46

2.4.1 Mở rộng cho định tuyến ràng buộc 46

2.4.2 Thiết lập một CR-LSP (Constrain-based routing LSP) 47

2.4.3 Tiến trình dự trữ tài nguyên 48

2.5 Giao thức RSVP-TE (RSVP Traffic Engineering) [3] 49

2.5.1 Các bản tin thiết lập dự trữ RSVP [1] 49

2.5.2 Các bản Tear Down, Error và Hello của RSVP-TE [1] 50

2.5.3 Thiết lập tuyến tường minh điều khiển tuần tự theo yêu cầu 51

2.5.4 Giảm lượng overhead làm tươi RSVP 52

2.6 Tổng kết chương 53

Chương 3: KỸ THUẬT LƯU LƯỢNG TRONG MPLS 54

3.1 Kỹ thuật lưu lượng (Traffic Engineering) 54

3.1.1 Các mục tiêu triển khai kỹ thuật lưu lượng 54

3.1.2 Các lớp dịch vụ dựa trên nhu cầu QoS và các lớp lưu lượng 55

3.1.3 Hàng đợi lưu lượng 56

3.1.4 Giải thuật Leaky Bucket và Token Bucket 59

3.1.5 Giải pháp mô hình chồng phủ (Overlay Model) 62

3.2 MPLS và kỹ thuật lưu lượng 62

3.2.1 Khái niệm trung kế lưu lượng (traffic trunk) 63

3.2.2 Đồ hình nghiệm suy (Induced Graph) 64

3.2.3 Bài toán cơ bản của kỹ thuật lưu lượng trên MPLS 64

3.3 Trung kế lưu lượng và các thuộc tính 64

3.3.1 Các hoạt động cơ bản trên trung kế lưu lượng 65

3.3.2 Thuộc tính tham số lưu lượng (Traffic Parameter) 65

3.3.3 Thuộc tính lựa chọn và quản lý đường (chính sách chọn đường) 66

3.3.4 Thuộc tính ưu tiên / lấn chiếm (Priority/Preemption) 67

3.3.5 Thuộc tính đàn hồi (Resilience) 68

3.3.6 Thuộc tính khống chế (Policing) 68

3.4 Các thuộc tính tài nguyên 68

3.4.1 Bộ nhân cấp phát cực đại (maximum allocation multiplier) 68

3.4.2 Lớp tài nguyên (Resource-Class) 69

3.4.3 Độ đo TE 69

3.5 Tính toán đường ràng buộc 69

3.5.1 Quảng bá các thuộc tính của liên kết 69

3.5.2 Tính toán LSP ràng buộc (CR-LSP) 71

3.5.3 Giải thuật chọn đường 71

3.5.4 Ví dụ về chọn đường cho trung kế lưu lượng 72

3.5.5 Tái tối ưu hóa (Re-optimization) 74

3.6 Bảo vệ và khôi phục đường 75

3.6.1 Phân loại các cơ chế bảo vệ khôi phục 76

3.6.2 Mô hình Makam 77

3.6.3 Mô hình Haskin (Reverse Backup) 77

3.6.4 Mô hình Hundessa 78

3.6.5 Mô hình Shortest-Dynamic 79

3.6.6 Mô hình Simple-Dynamic 79

3.6.7 Mô hình Simple-Static 80

3.7 Tổng kết chương 80

Chương 4: MÔ PHỎNG MPLS-TE VÀ ĐÁNH GIÁ 81

4.1 Phương pháp và công cụ mô phỏng 81

4.1.1 Phương pháp phân tích 81

4.1.2 Chuẩn bị công cụ mô phỏng 82

4.2 Nội dung và kết quả mô phỏng 82

4.2.1 Mô phỏng mạng IP không hỗ trợ MPLS 83

4.2.2 Mô phỏng định tuyến ràng buộc trong mạng MPLS 84

4.2.3 Mô phỏng hoạt động lấn chiếm (Preemption) với các độ ưu tiên 87

4.2.4 Mô phỏng khôi phục đường theo cơ chế Makam 89

4.2.5 Mô phỏng khôi phục đường theo cơ chế Haskin (Reverse Backup) 91

4.2.6 Mô phỏng khôi phục đường theo cơ chế Shortest-Dynamic 93

4.2.7 Mô phỏng khôi phục đường theo cơ chế Simple-Dynamic 94

4.3 Tổng kết chương 96

KẾT LUẬN 97

TÀI LIỆU THAM KHẢO 99

PHỤ LỤC: MÃ NGUỒN CÁC BÀI MÔ PHỎNG 100

bộ

BGP Border Gateway Protocol- Giao thức cổng biên

CBQ Class Based Queueing- Hàng đợi theo lớp

CBR Constant Bit Rate- Tốc độ bít không đổi

CBS Committed Burst Size- Kích thước chùm xung cam kết

CDR Committed Data Rate- Tốc độ dữ liệu cam kết

CLIP Classical IP- IP truyền thống

CQ Custom Queuing- Hàng đợi chỉ định

CR Constraint-based Routing- Định tuyến ràng buộc

CR-LDP Constraint-based Routing Label Distribution Protocol- Giao thức

phân phối nhãn dưa trên định tuyến ràng buộc CR-LSP Constraint-based Routing Label Switched Path- Đường chuyển

mạch nhãn dựa trên định tuyến ràng buộc CSPF Constrained Shortest Path First Diffserv Differentiated Service-

Dịch vụ phân biệt dựa trên đường dẫn ngắn nhất có ràng buộc

DLCI Data Link Connection Identifier- Nhận dạng kết nối liên kết dữ

liệu DSCP Service Code Point- Điểm mã dịch vụ

eBGP exterior Border Gateway Protocol- Giao thức cổng biên ngoài EBS Excess Burst Size- Kích thước chùm xung tới hạn

EGP External (Exterior) Gateway Protocol- Giao thức cổng ngoài

ER Explicit Route- Định tuyến tường minh

ERB Explicit Route Information Base- Cơ sở thông tin định tuyến

tường minh ERO Explicit Route Object- Đối tượng định tuyến tường minh

EXP Experimental field- Trường ưu tiên

FDDI Fibre Distributed Data Interface- Giao diện dữ liệu phân phối

sợi FEC Forwarding Equivalence Class- Lớp chuyển tiếp tương đương

FF Fixed Filter (RSVP reservation style)- Bộ lọc cố định

FIB Forwarding Infomation Base- Cơ sở thông tin chuyển tiếp

FIFO First-in First-out- Vào trước ra trước

FIS Fault Information Signal- Tín hiệu thông tin lỗi

FR Frame Relay- Chuyển mạch khung

FRS Fault Recovery Signal- Tín hiệu khôi phục lỗi

FTN FEC to NHLFE Map- Ánh xạ FEC tới NHLFE

GFC Generic Flow Control (ATM)- Điều khiển luồng chung

GMPLS Generalized MPLS- MPLS tổng quan

HEC Header Error Control (ATM)- Điều khiển lỗi tiêu đề

iBGP interior Border Gateway Protocol- Giao thức cổng biên nội IETF Internet Engineering Task Force- Nhóm đặc trách kỹ thuật

Internet IGP Interior Gateway Protocol- Giao thức cổng nội

ILM Incoming Label Map- Ánh xạ nhãn đến

IP Internet Protocol- Giao thức Internet

ISDN Intergrated Services Digital Network- Mạng số tích hợp đa dịch

vụ IS-IS Intermediate System - to - Intermediate System- Hệ thống

chuyển tiếp IS-IS TE IS-IS with Traffic Engineering- IS-IS với kỹ thuật lưu lượng LC-ATM Label Controlled ATM Interface- Nhãn được điều khiển qua

giao tiếp ATM Asynchronous Transfer Mode – Chế độ truyền không đồng bộ LDP Label Distribution Protocol- Giao thức phân phối 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

LIFO Last-in First-out- Vào sau ra trước

LSA Link State Advertisements- Quảng bá trạng thái liên kết

LSP Label Switched Path- Đường chuyển mạch nhãn

LSR Label Switching Router- Router chuyển mạch nhãn

MNS MPLS module for Network Simulator- Mô đun mô phỏng mạng MPLS MultiProtocol Label Switching- Chuyển mạch nhãn đa giao

thức MPLSCP MPLS Control Protocol- Giao thức điều khiển MPLS

MPLS-TE MPLS Traffic Engineering- Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS MPOA Multiprotocol over ATM- Đa giao thức trên ATM

MTU Maximum Transfer Unit- Đơn vị truyền cưc đại

NAM Network Animator- Mô phỏng mạng

NCP Network Control Program- Chương trình điều khiển mạng NGN Next Generation Network- Mạng thế hệ mới

NHLFE Next Hop Label Forwarding Entry- Mục nhập chuyển tiếp nhãn

ở chặng kế tiếp NHRP Next Hop Resolution Protocol- Giao thức phân giải chặng kế tiếp

NS Network Simulator- Mô phỏng mạng

OSI Open System Interconnection- Kết nối các hệ thống mở

OSPF Open Shortest Path First- Giao thức lựa chọn đường dẫn ngắn

nhất OSPF-TE OSPF with Traffic Engineering- OSPF với kỹ thuật lưu lượng PBS Peak Burst Size- Kích thước chùm xung đỉnh

PDR Peak Data Rate- Tốc độ dữ liệu đỉnh

PDU Protocol Data Unit- Đơn vị dữ liệu giao thức

PHP Penultimate Hop Popping- Gỡ nhãn ở chặng áp cuối

PoR Point of Repair- Điểm sửa chữa

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

PQ Priority Queuing- Hàng đợi ưu tiên

PSL Path Switch LSR- LSR chuyển đổi đường dẫn

PTI Payload Type Identifier (ATM)- Bộ nhận dạng gói

PVC Permanent Virtual Connection- Mạch ảo cố định

QoS Quality of Service- Chất lượng dịch vụ

RED Random Early Detection (Discard)- Sự phát hiện ngẫu nhiên

sớm RFC Request for Comments - Đề nghị duyệt thảo và bình luận RIB Routing Information Base- Cơ sở thông tin định tuyến

RSVP Resource reSerVation Protocol- Giao thức dự trữ tài nguyên RSVP-TE RSVP with Traffic Engineering- RSVP với kỹ thuật lưu lượng SDH Synchronous Digital Hierarchy- Phân cấp số đồng bộ

SLA Service Level Agreement- Thỏa thuận mức dịch vụ

SONET Synchronous Optical Network- Mạng quang đồng bộ

SPF Shortest Path First- Tìm đường ngắn nhất

TCP Transmission Control Protocol- Giao thức điều khiển truyền dữ

liệu

TE Traffic Engneering- Kỹ thuật lưu lượng

TLV Type/Length/Value - Kiểu/ Độ dài/ Giá trị

ToS Type of Service- Loại dịch vụ

TT Traffic Trunk- Trung kế lưu lượng

TTL Time To Live- Thời gian sống

UBR Unspecified Bit Rate- Tốc độ bít không xác định

UDP User Datagram Protocol- Giao thức gói tin người dùng

VC Virtual Circuit- Kênh ảo

VCI Virtual Circuit Identifier- Bộ nhận dạng kênh ảo

VPI Virtual Path Identifier- Bộ nhận dạng đường ảo

VPN Virtual Private Network- Mạng riêng ảo

WFQ Weighted Fair Queuing- Hàng đợi cân bằng có trọng số

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1: Một số giao thức phân phối nhãn trong MPLS 40

Bảng 2: Các loại bản tin LDP 43

Bảng 3: Các lớp dịch vụ kỹ thuật lưu lượng 56

DANH SÁCH CÁC HÌNH MINH HỌA Hình 1: MPLS và mô hình tham chiếu OSI 16

Hình 2: So sánh giữa chuyển tiếp IP và chuyển tiếp MPLS 16

Hình 3: Miền MPLS 17

Hình 4: Upstream và downstream LSR 17

Hình 5: Lớp chuyển tiếp tương đương trong MPLS 18

Hình 6: Chồng nhãn 19

Hình 7: Đường chuyển mạch nhãn LSP 20

Hình 8: Phân cấp LSP trong MPLS 20

Hình 9: Gói IP đi qua mạng MPLS 21

Hình 10: Định dạng một entry trong stack nhãn MPLS 22

Hình 11: Shim header được “chêm” vào giữa header lớp 2 và lớp 3 23

Hình 12: Nhãn trong chế độ cell ATM 24

Hình 13: Đóng gói (encapsulation) gói có nhãn trên liên kết ATM 24

Hình 14: Cấu trúc của LER và transit-LSR 25

Hình 15: FTN, ILM và NHLFE 26

Hình 16: Quá trình chuyển tiếp một gói đến chặng kế 27

Hình 17: Một ví dụ NHLFE 28

Hình 18: Bên trong mặt phẳng chuyển tiếp MPLS 29

Hình 19: Ví dụ hoạt động chuyển tiếp gói 30

Hình 20: Một ví dụ định tuyến ràng buộc 34

Hình 21: Phân phối nhãn không cần yêu cầu 36

Hình 22: Phân phối nhãn theo yêu cầu 37

Hình 23: Duy trì nhãn tự do 37

Hình 24: Duy trì nhãn bảo thủ 38

Hình 25: Điều khiển độc lập 38

Hình 26: Điều khiển tuần tự 39

Hình 27: Vùng hoạt động của LDP 40

Hình 28: Trao đổi thông điệp LDP 41

Hình 29: LDP header 42

Hình 30: Format thông điệp LDP 43

Hình 31: Ví dụ LDP chế độ điều khiển độc lập theo yêu cầu 45

Hình 32: Thiết lập LSP với CR-LDP 47

Hình 33: Tiến trình dự trữ tài nguyên 48

Hình 34: Thiết lập LSP với RSVP-TE 52

Hình 35: Nhiều luồng cho mỗi lớp lưu lượng 57

Hình 36: Hàng đợi CQ 58

Hình 37: Hàng đợi PQ 59

Hình38: Giải thuật Leaky Bucket 60

Hình39: Giải thuật Token Bucket 61

Hình 40: Mô hình chồng phủ (Overlay Model) 62

Hình 41: Các trung kế lưu lượng 63

Hình 42: Một ví dụ băng thông dự trữ cho từng mức ưu tiên 68

Hình 43: Minh họa cách dùng bit Affinity và Resource-Class 69

Hình 44: Băng thông khả dụng ứng với từng mức ưu tiên 70

Hình 45: Xem xét các ràng buộc khống chế 72

Hình 46: Xem xét tài nguyên khả dụng 73

Hình 47: Chọn đường tốt nhất 74

Hình 48: Mô hình Makam 77

Hình 49: Mô hình Haskin 78

Hình 50: Mô hình Shortest-Dynamic 79

Hình 51: Mô hình Simple-Dynamic 80

Hình 52: Dữ liệu đầu vào và kết xuất của NS 81

Hình 53: Topology vật lý mạng thực hiện mô phỏng 82

Hình 54: Kết quả băng thông nhận được ở bài 1 83

Hình 55: Mô phỏng trực quan bài 1 trong cửa sổ NAM 84

Hình 56: Kết quả băng thông nhận được ở bài 2 85

Hình 57: Mô phỏng trực quan bài 2 trong cửa sổ NAM 86

Hình 58: Xuất nội dung bảng LIB ở các LSR ra màn hìn console 86

Hình 59: Kết quả băng thông nhận được ở bài 3 88

Hình 60: Mô phỏng trực quan bài 3 trong cửa số NAM 88

Hình 62 Đường đi của lưu lượng trước thời điểm sự cố 90

Hình 63: Đường đi của lưu lượng sau thời điểm sự cố (Makam) 91

Hình 64: Kết quả băng thông nhận được ở bài 5 92

Hình 65: Đường đi của lưu lượng sau thời điểm sự cố (Haskin) 92

Hình 66: Kết quả băng thông nhận được ở bài 6 93

Hình 67: Đường đi của lưu lượng sau thời điểm sự cố (Shortest-Dynamic) 94

Hình 68: Kết quả băng thông nhận được ở bài 7 95

Hình 69: Đường đi của lưu lượng sau thời điểm sự cố (Simple-Dynamic) 95

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, với sự phát triển nhanh chóng các dịch vụ IP

và sự bùng nổ Internet đã dẫn đến một loạt thay đổi trong nhận thức kinh doanh của các nhà khai thác Lưu lượng lớn nhất hiện nay trên mạng trục là lưu lượng

IP Giao thức IP thống trị toàn bộ các giao thức lớp mạng, hệ quả là tất cả các

xu hướng phát triển công nghệ lớp dưới đều hỗ trợ cho IP Nhu cầu thị trường cấp bách cho mạng tốc độ cao với chi phí thấp là cơ sở cho một loạt các công nghệ mới ra đời, trong đó có MPLS

Công nghệ MPLS đã chứng minh được tính ứng dụng thực tiễn các tính năng vượt trội của nó so với các công nghệ chuyển mạch truyền thống khác như ATM Tập đoàn BCVT Việt Nam đã lựa chọn IP/MPLS làm công nghệ cho lớp chuyển tải mạng NGN đang triển khai trên phạm vi toàn quốc Một trong những ưu điểm lớn nhất của MPLS là ở khả năng thực hiện kỹ thuật lưu lượng Đây cũng là đối tượng nghiên cứu chính của học viên khi thực hiện luận văn này

Luận văn được tổ chức thành 4 chương với các nội dung chính như sau:

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

và mục tiêu của kỹ thuật lưu lượng, khả năng và các cơ chế thực hiện kỹ thuật lưu lượng của MPLS

Nội dung tập trung vào vấn đề ánh xạ lưu lượng lên topology vật lý, tức là tính toán đường đi tốt nhất qua mạng của lưu lượng sao cho mạng hoạt động hiệu quả và tin cậy Các vấn đề bảo vệ khôi phục đường - một trong những nhiệm vụ của kỹ thuật lưu lượng cũng được trình bày trong chương này

Chương 4 - Mô phỏng MPLS-TE và đánh giá : Học viên báo cáo kết quả thực hiện mô phỏng MPLS-TE trên máy tính với phần mềm NS-2 để làm

rõ cơ chế thực hiện kỹ thuật lưu lượng của MPLS Các mô hình bảo vệ khôi phục lưu lượng của MPLS cũng được mô phỏng trong phần này

Chương 1: CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC

MPLS 1.1 Tổng quan

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

multi-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).[1]

1.1.1 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 chuyển tiếp hay các trung tâm chuyển mạch di động 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[1]

1.1.2 MPLS và mô hình tham chiếu OSI

Hình 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 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]

1.2 Các khái niệm cơ bản trong MPLS

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 4: Upstream và downstream LSR

Thuật ngữ upstream-LSR và downstream-LSR cũng được dùng, phụ thuộc vào chiều của luồng lưu lượng như chỉ ra trên hình 4 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 5

dưới đây cho thấy cách xử lý này[1]

Hình 5: Lớp chuyển tiếp tương đương trong MPLS

1.2.3 Nhãn và chồng 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[6]

Một gói lại có thể được “dán chồng” nhiều nhãn, các nhãn này chứa trong một nơi gọi là chồng nhãn (label stack) Chồng nhãn là một tập hợp gồm

một hoặc nhiều chỉ mục nhãn tổ chức theo nguyên tắc vào sau ra trước (LIFO) Tại mỗi chặng trong mạng chỉ xử lý nhãn hiện hành trên đỉnh chồng nhãn Chính nhãn này sẽ được LSR sử dụng để chuyển tiếp gói

Hình 6: Chồng nhãn

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

1.2.4 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 chồng nhãn và dùng ánh xạ ILM (Incoming Label Map) để ánh xạ nhãn này tới một mục nhập chuyển tiếp nhãn NHLFE Sử dụng thông tin trong NHLFE, LSR xác định ra nơi để chuyển tiếp gói và thực hiện một tác vụ trên chồng nhãn Rồi nó mã hóa chồng 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]

1.2.5 Đường chuyển mạch nhãn LSP (Label Switched Path)

Đường chuyển mạch nhãn LSP là một đường nối giữa router lối vào và router lối 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 7: 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 mục nhập nhãn trong chồng nhãn Về lý thuyết, giới hạn số lượng nhãn trong chồng nhãn phụ thuộc giá trị MTU (Maximum Transfer Unit) của các giao thức lớp liên kết

được dùng dọc theo một LSP[1]

Hình 8: Phân cấp LSP trong MPLS

1.2.6 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 9: Gói IP đi 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]

1.3 Mã hóa nhãn và các chế độ đóng gói nhãn MPLS

1.3.1 Mã hóa chồng nhãn

Khi nhãn được gắn lên gói, bản thân giá trị nhãn 20 bit sẽ được mã hoá cùng với một số thông tin cộng thêm để phụ trợ trong quá trình chuyển tiếp gói

để hình thành một mục nhập nhãn Hình 10 minh họa định dạng một mục nhập

nhãn trong chồng nhãn[1]

Hình 10: Định dạng một entry trong stack nhãn MPLS

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

 EXP (một số tài liệu gọi là CoS - Class of Service – Lớp dịch vụ) – Gồm 3 bit, có thể là một hàm của trường TOS (Type of Service- Loại dịch vụ) hoặc Diffserv- Dịch vụ phân biệt 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 chồng nhãn Khi một nhãn nằm ở đáy chồng 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 chồng 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 chặng 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 MPLS có thể hoạt động ở các chế độ: chế độ frame và chế độ cell

1.3.2 Chế độ Frame

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, chồng 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 11 Đỉnh chồng

nhãn nằm liền sau header lớp 2 và đáy chồng nhãn nằm liền trước header lớp

mạng

Hình 11: 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

1.3.3 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)

Hình 12: Nhãn trong chế độ cell ATM

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[2]

Hình 13: Đóng gói (encapsulation) gói có nhãn trên liên kết ATM

Khi đóng gói có nhãn MPLS trên ATM, toàn bộ chồng 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) Mục nhập đỉnh chồng nhãn phải chứa giá trị 0 (coi như

mục nhập “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 chồng nhãn Khi các

cell ATM đi đến cuối LSP, nó sẽ được tái hợp lại Nếu có nhiều nhãn trong

chồng nhãn, AAL5 PDU sẽ bị phân đoạn lần nữa và nhãn hiện hành trên đỉnh

chồng nhãn sẽ được đặt vào trường VPI/VCI

1.4 Cấu trúc chức năng MPLS

1.4.1 Kiến trúc một nút MPLS (LER và LSR)

Hình 14 minh họa mặt phẳng điều khiển và chuyển tiếp của LSR

và 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[1]

Hình 14: Cấu trúc của LER và transit-LSR

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

1.4.2 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 cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn LFIB để thực hiện

chuyển tiếp các gói có gắn nhãn căn cứ vào giá trị của nhãn nằm trên đỉnh chồng nhãn

1.4.2.1 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 chặng 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 mục nhập là ILM (incoming label map) và FTN (FEC-to-NHLFE) NHLFE là mục nhập phụ chứa các trường như địa chỉ chặng kế, các tác vụ chồng nhãn, giao diện ra và thông tin header lớp 2 ILM ánh xạ một nhãn đến một hoặc nhiều NHLFE Nhãn trong gói đến sẽ dùng

để chọn ra một mục nhập ILM cụ thể nhằm xác định NHLFE Còn FTN ánh xạ mỗi FEC vào một hoặc nhiều NHLFE Nhờ các mục nhập FTN, gói chưa có

nhãn được chuyển thành gói có nhãn[1]

Hình 15: FTN, ILM và NHLFE

Như vậy, khi một gói không nhãn thuộc một FEC đi vào miền MPLS, ingress-LER sẽ sử dụng một mục nhập LFIB loại FTN để chuyển gói không nhãn thành gói có nhãn Sau đó, tại các transit-LSR sử dụng một mục nhập LFIB loại ILM để hoán đổi nhãn vào bằng nhãn ra Cuối cùng, tại egress-LER

sử dụng một mục nhập LFIB loại ILM để gỡ bỏ nhãn đến và chuyển tiếp gói không nhãn đến router kế tiếp

1.4.2.2 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 mục nhập 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 chặng kế được đặc tả trong mục nhập phụ NHLFE Nếu mục nhập phụ 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[1]

Hình 16: Quá trình chuyển tiếp một gói đến chặng 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

1.4.2.3 Mục nhập chuyển tiếp nhãn ở chặng kế tiếp (NHLFE )

NHLFE là mục nhập phụ của ILM hoặc FTN, nó chứa các thông tin sau:

- Hop kế (chặng tiếp theo) của gói

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

- Swap: Thay nhãn ở đỉnh của chồng nhãn bằng một nhãn mới được chỉ định

- Pop: Bóc một nhãn ra khỏi chồng nhãn

- Push: Chồng thêm một nhãn vào trong chồng nhãn

Hình 17: Một ví dụ NHLFE

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

- Đóng gói lớp liên kết dữ liệu để sử dụng khi truyền gói

- Cách thức mã hóa chồng nhãn khi truyền gói

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

1.4.3 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 14, 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 cácnhãn 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

1.5 Hoạt động chuyển tiếp MPLS

1.5.1 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 mục nhập 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 chặng kế cho các gói IP, cách thực hiện giống như các router cổ điển

Hình 18: Bên trong mặt phẳng chuyển tiếp MPLS

Cho các ví dụ từng hoạt động LFIB ở hình 18 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 mục nhập 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]

1.5.2 Gỡ nhãn ở chặng 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

18, 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 chặng 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

1.5.3 Một ví dụ 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

Hình 19: Ví dụ hoạt động chuyển tiếp gói

Vì LSR S4 là chặng 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 cung, ở đích là LER E4, mục nhập FIB thao tác trên FEC “a.b.c/24” và chuyển phát gói đến chặng kế trên giao tiếp ra số 3 Đối với ví dụ ở LSP-2, các mục nhập trong FIB và LFIB cũng được thể hiện tương tự như đã trình bày đối với LSP-1

1.6 Ƣu điểm và ứng dụng của MPLS

1.6.1 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

mạng, tối ưu hóa hiệu suất sử dụng mạng[4] Đây cũng là đối tượng

nghiên cứu chính của đề tài này và sẽ được trình bày kỹ ở các chương tiếp theo

1.6.3 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 liên kết và đường dẫn end-to-end, độ chiếm dụng tài nguyên của nút, độ trễ và biến động trễ

1.6.4 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

1.6.5 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[5]

1.6.6 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

1.7 Tổng kết chương

Trong các giao thức lớp mạng truyền thống, khi một gói đi từ một router đến chặng kế tiếp thì quyết định chuyển tiếp phải được đưa ra độc lập ở mỗi chặng Việc chọn chặng kế dựa trên việc phân tích header của gói và kết quả chạy giải thuật định tuyến Một router xem hai gói là thuộc cùng một luồng nếu chúng có cùng prefix địa chỉ mạng bằng cách áp dụng luật “longest prefix match” cho địa chỉ đích của từng gói Khi gói di chuyển qua mạng, ở mỗi chặng đến lượt mình sẽ lại kiểm tra gói và gán lại vào một luồng

Công nghệ chuyển mạch nhãn cho phép thay thế chuyển tiếp gói truyền thống theo kiểu chặng đến chặng dựa trên địa chỉ đích bằng kỹ thuật chuyển tiếp hoán đổi nhãn Kỹ thuật này dựa vào các nhãn có độ dài cố định,

cải thiện được năng lực định tuyến lớp 3, đơn giản hóa việc chuyển gói, cho phép dễ dàng mở rộng và đặc biệt là hỗ trợ kỹ thuật lưu lượng

Chương 2: ĐỊNH TUYẾN VÀ BÁO HIỆU MPLS

2.1 Định tuyến trong MPLS

MPLS hỗ trợ cả hai kỹ thuật định tuyến: định tuyến từng chặng (hop-by-hop) và định tuyến ràng buộc (constrain-based routing) Định tuyến từng chặng cho phép mỗi nút nhận dạng các FEC và chọn chặng kế cho mỗi FEC một cách độc lập, giống như định tuyến trong mạng IP Tuy nhiên, nếu muốn triển khai kỹ thuật lưu lượng với MPLS, bắt buộc phải sử dụng kiểu định tuyến ràng buộc

2.1.1 Định tuyến ràng buộc (Constrain-based Routing)

Định tuyến ràng buộc là một phương tiện để thực hiện xử lý tự động hóa

kỹ thuật lưu lượng, khắc phục được các hạn chế của định tuyến theo đích (destination-based routing) Nó xác định các route không chỉ dựa trên topology mạng (thuật toán chọn đường ngắn nhất SPF) mà còn sử dụng các độ đo đặc thù khác như băng thông, trễ, cost và biến động trễ Giải thuật chọn đường

có khả năng tối ưu hóa theo một hoặc nhiều độ đo này, thông thường người

ta dùng độ đo dựa trên số lượng chặng và băng thông[3]

Để đường được chọn có số lượng chặng nhỏ nhất nhưng phải đảm bảo băng thông khả dụng trên tất cả các chặng liên kết, quyết định cơ bản như sau: chọn đường ngắn nhất trong số tất cả các đường có băng thông khả dụng thỏa mãn yêu cầu

Hình 20: Một ví dụ định tuyến ràng buộc

Để minh họa hoạt động của định tuyến ràng buộc, xét cấu trúc mạng

“con cá” kinh điển như hình 20 Giả sử rằng định tuyến ràng buộc sử dụng số chặng (hop-count) và băng thông khả dụng làm các độ đo Lưu lượng 600 Kbps được định tuyến trước tiên, sau đó là lưu lượng 500 Kbps và 200 Kbps Cả 3 loại lưu lượng này đều hướng đến cùng router R4 Ta thấy rằng:

 Vì lưu lượng 600 Kbps được định tuyến trước nên nó đi theo đường ngắn nhất là R8-R2-R3-R4-R5.Vì băng thông khả dụng là như nhau trên tất cả các chặng kênh (1 Mbps), nên lưu lượng 600 Kbps chiếm 60% băng thông

 Sau đó, vì băng thông khả dụng của đường ngắn nhất không đủ cho cả

2 lưu lượng 600Kbps và 500 Kbps, nên lưu lượng 500 Kbps được định tuyến đi theo đường mới qua R6 và R7 mặc dù nhiều hơn một chặng so với đường cũ

 Với lưu lượng 200 Kbps tiếp theo, vì vẫn còn băng thông khả dụng trên đường ngắn nhất nên đường này được chọn để chuyển lưu lượng 200 Kbps

Định tuyến ràng buộc có 2 kiểu online và offline Kiểu online cho phép các router tính đường cho các LSP bất kỳ lúc nào Trong kiểu offline, một server tính đường cho các LSP theo định kỳ (chu kỳ có thể được chọn bởi nhà quản trị, thường là vài giờ hoặc vài ngày) Các LSP được báo hiệu thiết lập theo các đường đã được chọn

2.1.2 Định tuyến tường minh (Explicit Routing)

Định tuyến tường minh (Explicit Routing) là một tập con của định tuyến ràng buộc, trong đó sự ràng buộc là đối tượng tuyến tường minh ER (explicit

route)[3]

Tuyến tường minh ER là một danh sách các “nút trừu tượng” (abstract node) mà một đường chuyển mạch nhãn ràng buộc CR-LSP phải đi qua Nút trừu tượng có thể là một nút (địa chỉ IP) hoặc một nhóm nút (như IP prefix hoặc một AS) Nếu ER chỉ quy định một nhóm trong số các nút mà CR-LSP

đi qua thì nó được gọi là tuyến tường minh thả lỏng (loose ER) Ngược lại, nếu ER quy định toàn bộ các nút trên CR-LSP thì được gọi là tuyến tường

minh nghiêm ngặt (strict ER) CR-LSP được mã hóa như là một chuỗi các ER-Hop (chặng tường minh) chứa trong một cấu trúc Type-Length-Value ràng buộc (constraint-based route TLV) Mỗi ER-Hop có thể xác định một nhóm các nút CR-LSP khi đó bao gồm tất cả các nhóm nút đã được xác định theo thứ tự xuất hiện trong cấu trúc TLV

2.2 Các chế độ báo hiệu MPLS

2.2.1 Chế độ phân phối nhãn

MPLS cho phép hai chế độ hoạt động của các LSR để phân phối các ánh

xạ nhãn, đó là phân phối không cần yêu cầu (Downstream Unsolicited) và phân phối theo yêu cầu (Downstream on Demand) Thuật ngữ downstream ở đây ngụ ý rằng phía downstream sẽ thực hiện gán kết nhãn và thông báo gán kết đó cho phía upstream

2.2.1.1 Phân phối nhãn không cần yêu cầu (Downstream Unsolicited)

Downstream-LSR phân phối các gán kết nhãn đến upstream-LSR mà không cần có yêu cầu thực hiện việc kết nhãn Nếu downstream-LSR chính

là chặng kế đối với định tuyến IP cho một FEC cụ thể thì upstream-LSR có thể

sử dụng kiểu kết nhãn này để chuyển tiếp các gói trong FEC đó đến downstream-LSR

Hình 21: Phân phối nhãn không cần yêu cầu

2.2.1.2 Phân phối nhãn theo yêu cầu (Downstream on Demand)

Upstream-LSR phải yêu cầu rõ ràng một gán kết nhãn cho một FEC cụ thể thì downstream-LSR mới phân phối Trong phương thức này, downstream-router không nhất thiết phải là chặng kế đối với định tuyến IP cho FEC đó, điều này rất quan trọng đối với các LSP định tuyến tường minh

Hình 22: Phân phối nhãn theo yêu cầu

2.2.2 Chế độ duy trì nhãn

Một upstream-LSR có thể nhận các gán kết nhãn cho cùng một FEC X

từ nhiều downstream-LSR Có hai chế độ duy trì các gán kết nhãn nhận được là duy trì nhãn tự do (liberal label retention) và duy trì nhãn bảo thủ (conservative label retention)

2.2.2.1 Duy trì nhãn tự do (liberal label retention)

Phía upstream (LSR1) lưu giữ tất cả các gán kết nhãn nhận được, bất chấp việc downstream-LSR có phải là chặng kế đối với định tuyến IP hay không Ưu điểm chính của duy trì nhãn tự do là có thể phản ứng nhanh với sự thay đổi định tuyến vì các gán kết nhãn đã có sẵn Nhược điểm là LSR phải duy trì nhiều gán kết nhãn không dùng và có thể gây ra loop định tuyến tạm thời khi thay đổi định tuyến

Hình 23: Duy trì nhãn tự do

2.2.2.2 Duy trì nhãn bảo thủ (conservative label retention)

Upstream-LSR hủy tất cả các gán kết nhãn khác, chỉ giữ lại gán kết nhãn gởi từ downstream-LSR đang là chặng kế hiện hành Chế độ này có ưu

điểm là LSR chỉ cần duy trì số gán kết FEC-nhãn ít hơn, nhưng đáp ứng chậm khi thay đổi định tuyến vì gán kết nhãn mới phải được yêu cầu và phân phối lại Đây là chế độ thích hợp cho các LSR chỉ hỗ trợ một số lượng nhãn

hạn chế (như các chuyển mạch ATM)[3]

Hình 24: Duy trì nhãn bảo thủ

2.2.3 Chế độ điều khiển LSP

Khi một FEC ứng với một prefix địa chỉ được phân phối bởi định tuyến

IP, việc thiết lập mối kết hợp giữa các gán kết nhãn tại một LSR có thể thực hiện theo hai cách sau đây:

2.2.3.1 Điều khiển độc lập (independent control)

Khi mỗi LSR nhận dạng ra một FEC thì nó quyết định gán kết ngay một nhãn cho FEC đó và công bố luôn gán kết đó cho các đối tác phân phối nhãn (label distribution peers) Điều này tương tự như định tuyến IP thông thường, ở đó mỗi router ra quyết định độc lập về nơi cần chuyển gói đi Điều khiển độc lập có ưu điểm là thiết lập LSP nhanh vì việc kết nhãn diễn ra song song giữa nhiều cặp LSR và dòng lưu lượng có thể bắt đầu truyền mà không cần đợi cho tất cả các gán kết nhãn thiết lập xong

Hình 25: Điều khiển độc lập

2.2.3.2 Điều khiển tuần tự (odered control)

Một downstream-LSR thực hiện kết nhãn cho một FEC và thông báo gán kết đó chỉ nếu nó là LSR lối ra hoặc nếu nó đã nhận được một gán kết nhãn cho FEC đó từ router hướng downstream của nó Việc thiết lập LSP tuần tự bắt đầu ở LSR lối ra và diễn ra nối tiếp theo hướng ngược về LSR lối vào Các LSP định tuyến tường minh bắt buộc phải sử dụng kiểu điều khiển tuần tự và quá trình phân phối nhãn theo chuỗi có thứ tự sẽ tạo ra thời gian trễ trước khi dòng lưu lượng đi trên LSP có thể bắt đầu Tuy nhiên, điều khiển tuần tự cung cấp

phương tiện tránh loop và đạt được mức độ thu gom chắc chắn hơn[1]

Hình 26: Điều khiển tuần tự

2.2.4 Các giao thức phân phối nhãn MPLS

Giao thức phân phối nhãn là một tập các thủ tục mà nhờ nó một LSR có thể thông báo cho một LSR khác biết về các mối gán kết nhãn-FEC mà nó đã tiến hành Kiến trúc MPLS không chỉ định một giao thức phân phối nhãn duy nhất nào, do đó có thể có nhiều lựa chọn, mỗi giao thức có ưu và nhược điểm riêng Trong các phần tiếp theo giới thiệu một số giao thức phân phối nhãn được dùng phổ biến