Công nghệ chuyển mạch nhãn MPLS

IP và ATM là hai công nghệ hoàn toàn khác nhau, được thiết kế cho những môi trường mạng khác nhau

ðề tài nghiên cứu: Công nghệ chuyển mạch nhãn MPLS

Sinh viên : Hoàng Xuân Diệu

Mã số : 20707006

Email : hoangxudi@gmail.com

Lớp : C6ðTVT

Email của lớp : SVC6DTVT1@gmail.com

1, Sơ lược lịch sử

Khi mạng Internet phát triển và mở rộng, lưu lượng Internet bùng nổ Các ISP xử lý bằng cách tăng dung lượng các kết nối và nâng cấp bộ ñịnh tuyến (router) nhưng vẫn không tránh khỏi nghẽn mạch Lý do là các giao thức ñịnh tuyến thường hướng lưu lượng vào cùng một số các kết nối nhất ñịnh dẫn ñến kết nối này bị quá tải trong khi một số tài nguyên khác không

ñược sử dụng ðây là tình trạng phân bố tải không ñồng ñều và sử dụng lãng phí tài nguyên

mạng Internet

Vào thập niên 90, các ISP phát triển mạng của họ theo mô hình chồng lớp (overlay) bằng cách ñưa ra giao thức IP ứng dụng trong ATM (IP over ATM)

ATM là công nghệ ñịnh hướng kết nối (connection-oriented), thiết lập các kênh ảo (Virtual Circuit), tuyến ảo (Virtual Path) tạo thành một mạng logic nằm trên mạng vật lý giúp ñịnh tuyến, phân bố tải ñồng ñều trên toàn mạng

Tuy nhiên, IP và ATM là hai công nghệ hoàn toàn khác nhau, ñược thiết kế cho những môi trường mạng khác nhau, khác nhau về giao thức, cách ñánh ñịa chỉ, ñịnh tuyến, báo hiệu, phân

bổ tài nguyên Khi các ISP càng mở rộng mạng theo hướng IP over ATM, họ càng nhận rõ nhược ñiểm của mô hình này, ñó là sự phức tạp của mạng lưới do phải duy trì hoạt ñộng của hai hệ thống thiết bị

Sự bùng nổ của mạng Internet dẫn tới xu hướng hội tụ các mạng viễn thông khác như mạng thoại, truyền hình dựa trên Internet, giao thức IP trở thành giao thức chủ ñạo trong lĩnh vực mạng

Xu hướng của các ISP là thiết kế và sử dụng các bộ ñịnh tuyến chuyên dụng, dung lượng chuyển tải lớn, hỗ trợ các giải pháp tích hợp, chuyển mạch ña lớp cho mạng trục Internet Nhu cầu cấp thiết trong bối cảnh này là phải ra ñời một công nghệ có khả năng kết hợp những ñặc

ñiểm tốt của chuyển mạch kênh ATM và chuyển mạch gói IP

Công nghệ MPLS (Multiprotocol Label Switching) ra ñời trong bối cảnh này ñáp ứng ñược

nhu cầu của thị trường ñúng theo tiêu chí phát triển của Internet ñã mang lại những lợi ích thiết thực, ñánh dấu một bước phát triển mới của mạng Internet trước xu thế tích hợp công nghệ

thông tin và viễn thông (ICT - Information Communication Technology) trong thời kỳ mới

2, MPLS và mô hình tham chiếu OSI

- MPLS là một công nghệ kết hợp ñặc ñiểm tốt nhất giữa ñịnh tuyến lớp ba và chuyển mạch lớp hai cho phép chuyển tải các gói rất nhanh trong mạng lõi (core) và ñịnh tuyến tốt

ở mạng biên (edge) bằng cách dựa vào nhãn (label) MPLS là một phương pháp cải tiến

việc chuyển tiếp gói trên mạng bằng các nhãn ñược gắn với mỗi gói IP, tế bào ATM, hoặc frame lớp hai Phương pháp chuyển mạch nhãn giúp các Router và MPLS-enable ATM switch ra quyết ñịnh theo nội dung nhãn tốt hơn việc ñịnh tuyến phức tạp theo ñịa chỉ IP

ñích MPLS kết nối tính thực thi và khả năng chuyển mạch lớp hai với ñịnh tuyến lớp ba

Cho phép các ISP cung cấp nhiều dịch vụ khác nhau mà không cần phải bỏ ñi cơ sở hạ tầng sẵn có Cấu trúc MPLS có tính mềm dẻo trong bất kỳ sự phối hợp với công nghệ lớp hai nào

MPLS hỗ trợ mọi giao thức lớp hai, triển khai hiệu quả các dịch cụ IP trên một mạng chuyển mạch IP MPLS hỗ trợ việc tạo ra các tuyến khác nhau giữa nguồn và ñích trên một

ñường trục Internet Bằng việc tích hợp MPLS vào kiến trúc mạng, Các ISP có thể giảm chi

phí, tăng lợi nhuận, cung cấp nhiều hiệu quả khác nhau và ñạt ñược hiệu quả cạnh tranh cao

mô hình tham chiếu OSI

Hình 1.1

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

Hình 1.2

Nguyên lý của MPLS ñược thể hiện ở hình 1.2 Tất cả các gói IP sẽ ñược gắn nhãn (label) và chuyển tiếp theo một ñường dẫn LSP (Label Switched Path) Các bộ ñịnh tuyến (router) trên ñường dẫn chỉ căn cứ vào nội dung của nhãn ñể thực hiện quyết ñịnh chuyển tiếp gói mà không cần phải kiểm tra phần ñầu (header) của IP

3 Các khái niệm trong MPLS

• LDP(Label Distribution Protocol): Giao thức phân bố nhãn

• LSP(Label Switched Path): ðường dẫn chuyển mạch nhãn

• FEC(Forwarding Equivalence Class): Lớp chuyển tiếp tương ñương

• LSR(Label Switching Router) Bộ ñịnh tuyến chuyển mạch nhãn

• LER(Label Edge Router): Bộ ñịnh tuyến nhãn biên

• NHLFE(Next Hop Label Forwarding Entry): Mục chuyển tiếp chặng tiếp theo

• FTN(FEC to NHLFE): Ánh xạ FEC sang NHLFE

• LIB(Label Information Base): Cơ sở thông tin nhãn

Miền MPLS (MPLS Domain)

Miền MPLS là một tập hợp các nút mạng thực hiện hoạt ñộng ñịnh tuyến và chuyển tiếp MPLS Một miền MPLS thường ñược quản lý và ñiều khiển bởi một nhà quản trị

Miền MPLS ñược chia thành hai phần: phần mạng lõi (core) và phần mạng biên (edge) Các nút thuộc miền MPLS ñược gọi là bộ ñịnh tuyến (router) chuyển mạch nhãn LSR (Label Switch Router) Các nút ở phần mạng lõi ñược gọi là LSR chuyển tiếp (transit-LSR) hay LSR lõi (core-LSR) (thường ñược gọi tắt là LSR) Các nút ở biên ñược gọi là bộ ñịnh tuyến nhãn biên LER (Label Edge Router) Nếu một LER là nút ñầu tiên trên ñường ñi của một gói xuyên qua miền MPLS thì nó ñược gọi là LER lối vào (ingress-LER), còn nếu là nút cuối cùng thì nó ñược gọi là LER lối ra (egress-LER) Lưu ý là các thuật ngữ này ñược

áp dụng tuỳ theo chiều của luồng lưu lượng trong mạng, do vậy một LER có thể là LER lối vào vừa là LER lối ra tuỳ theo các luồng lưu lượng ñang xét

Hình 1.3

Lớp chuyển tiếp tương ñương FEC

Lớp chuyển tiếp tương ñương FEC (Forwarding Equivalence Class) là một tập hợp các gói ñược ñối xử như nhau bởi một LSR Như vậy, FEC là một nhóm các gói IP ñược chuyển tiếp trên cùng một ñường chuyển mạch nhãn LSP, ñược ñối 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 ñầu (header) lớp mạng Hình 1.4 cho thấy cách xử lý này

Hình 1.4

Hoán ñổi nhãn (Label Swapping)

Hoán ñổi nhãn là cách dùng các thủ tục ñể chuyển tiếp gói ðể chuyển tiếp gói có nhãn, LSR kiểm tra nhãn trên ñỉnh ngăn xếp và dùng ánh xạ ILM (Incoming Label Map) ñể ánh

xạ nhãn này tới một mục chuyển tiếp nhãn NHLFE (Next Hop Label Forwarding Entry)

Sử dụng thông tin trong NHLFE, LSR xác ñịnh ra nơi ñể chuyển tiếp gói và thực hiện một tác vụ trên ngăn xếp nhãn Rồi nó mã hoá ngăn xếp nhãn mới vào gói và chuyển gói

ñi

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

ðường chuyển mạch nhãn LSP (Label Switched Path)

ðường chuyển mạch nhãn LSP là một ñường nối giữa bộ ñịnh tuyến ngõ vào và bộ ñịnh

tuyến ngõ ra, ñược thiết lập bởi các nút MPLS ñể chuyển các gói ñi xuyên qua mạng

ðường dẫn của một LSP qua mạng ñược ñịnh nghĩa bởi sự chuyển ñổi các giá trị nhãn ở

các LSR dọc theo LSP bằng cách dùng thủ tục hoán ñổi nhãn

ðặc điểm mạng MPLS:

- Không có MPLS API, cũng không có thành phần giao thức phía host

- MPLS chỉ nằm trên các router

- MPLS là giao thức ñộc lập nên có thể hoạt ñộng cùng với giao thức khác IP như IPX, ATM, Frame Relay,…

- MPLS giúp ñơn giản hoá quá trình ñịnh tuyến và làm tăng tính linh ñộng của các tầng trung gian

Phương thức hoạt động:

- Thay thế cơ chế ñịnh tuyến lớp ba bằng cơ chế chuyển mạch lớp hai MPLS hoạt ñộng trong lõi của mạng IP Các Router trong lõi phải enable MPLS trên từng giao tiếp Nhãn

ñược gắn thêm vào gói IP khi gói ñi vào mạng MPLS Nhãn ñược tách ra khi gói ra khỏi

mạng MPLS Nhãn (Label) ñược chèn vào giữa header lớp ba và header lớp hai Sử dụng nhãn trong quá trình gửi gói sau khi ñã thiết lập ñường ñi MPLS tập trung vào quá trình hoán ñổi nhãn (Label Swapping) Một trong những thế mạnh của khiến trúc MPLS là tự

ñịnh nghĩa chồng nhãn (Label Stack)

- Công thức ñể gán nhãn gói tin là:

Network Layer Packet + MPLS Label Stack

- Không gian nhãn (Label Space): có hai loại

 Một là, các giao tiếp dùng chung giá trị nhãn (per-platform label space)

 Hai là, mỗi giao tiếp mang giá trị nhãn riêng, (Per-interface Label Space)

- Bộ ñịnh tuyến chuyển nhãn (LSR – Label Switch Router): ra quyết ñịnh chặng kế tiếp dựa trên nội dung của nhãn, các LSP làm việc ít và hoạt ñộng gần giống như Switch

- Con ñường chuyển nhãn (LSP – Label Switch Path): xác ñịnh ñường ñi của gói tin MPLS Gồm hai loại: Hop by hop signal LSP - xác ñịnh ñường ñi khả thi nhất theo kiểu best effort

và Explicit route signal LSP - xác ñịnh ñường ñi từ nút gốc

Một số ứng dụng của MPLS:

- Internet có ba nhóm ứng dụng chính: voice, data, video với các yêu cầu khác nhau Voice yêu cầu ñộ trễ thấp, cho phép thất thoát dữ liệu ñể tăng hiếu quả Video cho phép thất thoát

dữ liệu ở mức chấp nhận ñược, mang tính thời gian thực (realtime) Data yêu cầu ñộ bảo mật và chính xác cao MPLS giúp khai thác tài nguyên mạng ñạt hiệu quả cao

Một số ứng dụng ñang ñược triển khai là:

- MPLS VPN: Nhà cung cấp dịch cụ có thể tạo VPN lớp 3 dọc theo mạng ñường trục cho nhiều khách hàng, chỉ dùng một cơ sở hạ tầng công cộng sẵn có, không cần các ứng dụng encrytion hoặc end-user

- MPLS Traggic Engineer: Cung cấp khả năng thiết lập một hoặc nhiều ñường ñi ñể ñiều khiển lưu lượng mạng và các ñặc trưng thực thi cho một loại lưu lượng

- MPLS QoS (Quality of service): Dùng QoS các nhà cung cấp dịch vụ có thể cung cấp nhiều loại dịch vụ với sự ñảm bảo tối ña về QoS cho khách hàng

MPLS Unicast/Multicast IP routing

3,ðiểm vượt trội của MPLS so với mô hình IP over ATM:

- Khi hợp nhất với chuyển mạch ATM, chuyển mạch nhãn tận dụng những thuận lợi của các tế bào ATM - chiều dài thích hợp và chuyển với tốc ñộ cao Trong mạng ña dịch vụ chuyển mạch nhãn cho phép chuyển mạch BPX/MGX nhằm cung cấp dịch vụ ATM, Frame, Replay và IP Internet trên một mặt phẳng ñơn trong một ñường ñi tốc ñộ cao Các mặt phẳng (Platform) công cộng hỗ trợ các dịch vụ này ñể tiết kiệm chi phí và ñơn giản hóa hoạt ñộng cho nhà cung cấp ña dịch vụ ISP sử dụng chuyển mạch ATM trong mạng lõi, chuyển mạch nhãn giúp các các dòng Cisco, BPX8600, MGX8800, Router chuyển mạch ña dịch vụ 8540 và các chuyển mạch Cisco ATM giúp quản lí mạng hiệu quả hơn xếp chồng (overlay) lớp IP trên mạng ATM Chuyển mạch nhãn tránh những rắc rối gây ra do có nhiều router ngang hàng và hỗ trợ cấu trúc phân cấp (hierarchical structure) trong một mạng của ISP

Sự tích hợp:

MPLS xác nhập tính năng của IP và ATM chứ không xếp chồng lớp IP trên ATM MPLS giúp cho cơ sở hạ tầng ATM thấy ñược ñịnh tuyến IP và loại bỏ các yêu cầu ánh xạ giữa các ñặc tính IP và ATM MPLS không cần ñịa chỉ ATM và kỹ thuật ñịnh tuyến (như

PNNI)

ðộ tin cậy cao hơn:

Với cơ sở hạ tầng ATM, MPLS có thể kết hợp hiệu quả với nhiều giao thức ñịnh tuyến IP over ATM thiết lập một mạng lưới (mesh) dịch vụ công cộng giữ các router xung quanh một ñám mây ATM Tuy nhiên có nhiều vấn ñề xảy ra do các PCV link giữa các router xếp chồng trên mạng ATM Cấu trúc mạng ATM không thể thấy bộ ñịnh tuyến Một link ATM

bị hỏng làm hỏng nhiều router-to-router link, gây khó khăn cho lượng cập nhật thông tin

ñịnh tuyến và nhiều tiến trình xử lí kéo theo

Trực tiếp thực thi các loại dịch vụ:

MPLS sử dụng hàng ñợi và bộ ñếm của ATM ñể cung cấp nhiều loại dịch vụ khác nhau

Nó hỗ trợ quyền ưu tiên IP và loại dịch vụ (class of service – cos) trên chuyển mạch ATM

mà không cần chuyển ñổi phức tạp sang các lớp ATM Forum Service

Hỗ trợ hiệu quả cho Mulicast và RSVP:

Khác với MPLS, xếp lớp IP trên ATM nảy sinh nhiều bất lợi, ñặc biệt trong việc hỗ trợ các dịch vụ IP như IP muticast và RSVP( Resource Reservation Protocol - RSVP) MPLS hỗ

trợ các dịch vụ này, kế thừa thời gian và công việc theo các chuẩn và khuyến khích tạo nên ánh xạ xấp xỉ của các ñặc trưng IP&ATM

Sự ño lường và quản lí VPN:

MPLS có thể tính ñược các dịch vụ IP VPN và rất dễ quản lí các dịch vụ VPN quan trọng

ñể cung cấp các mạng IP riêng trong cơ sở hạ tầng của nó Khi một ISP cung cấp dịch vụ

VPN hỗ trợ nhiều VPN riêng trên một cơ sở hạ tầng ñơn.Với một ñường trục MPLS, thông tin VPN chỉ ñược xử lí tại một ñiểm ra vào Các gói mang nhãn MPLS ñi qua một ñường trục và ñến ñiểm ra ñúng của nó Kết hợp MPLS với MP-BGP (Mutiprotocol Broder Gateway Protocol) tạo ra các dịch vụ VNP dựa trên nền MPLS (MPLS-based VNP) dễ quản lí hơn với sự ñiều hành chuyển tiếp ñể quản lí phía VNP và các thành viên VNP, dịch

vụ MPSL-based VNP còn có thể mở rộng ñể hỗ trợ hàng trăm nghìn VPN

Giảm tải trên mạng lõi:

Các dịch vụ VPN hướng dẫn cách MPLS hỗ trợ mọi thông tin ñịnh tuyến ñể phân cấp Hơn nữa,có thể tách rời các ñịnh tuyến Internet khỏi lõi mạng cung cấp dịch vụ Giống như dữ liệu VPN, MPSL chỉ cho phép truy suất bảng ñịnh tuyến Internet tại ñiểm ra vào của mạng Với MPSL, kĩ thuật lưu lượng truyền ở biên của AS ñược gắn nhãn ñể liên kết với ñiểm tương ứng Sự tách rời của ñịnh tuyến nội khỏi ñịnh tuyến Internet ñầy ñủ cũng giúp hạn chế lỗi, ổn ñịnh và tăng tính bảo mật

Khả năng ñiều khiển lưu lượng:

MPLS cung cấp các khả năng ñiều khiển lưu lượng ñể sửng dụng hiệu quả tài nguyên mạng Kỹ thuật lưu lượng giúp chuyển tải từ các phần quá tải sang các phần còn rỗi của mạng dựa vào ñiểm ñích, loại lưu lượng, tải, thời gian,…

4,Các hình thức hoạt ñộng của MPLS:

Mạng MPLS dùng các nhãn ñể chuyển tiếp các gói Khi một gói ñi vào mạng, Node MPLS ở lối vào ñánh dấu một gói ñến lớp chuyển tiếp tương ñương (FEC –Forwarding Equivalence Class) cụ thể

Trong mạng MPLS nhãn ñiều khiển mọi hoạt ñộng chuyển tiếp ðiều này có nhiều thuận lợi hơn sự chuyển tiếp thông thường:

Sự chuyển tiếp MPLS có thể thực hiện bằng các bộ chuyển mạch (switch), có thể tra cứu (lookup) thay thế nhãn mà không ảnh hưởng ñến header lớp mạng Các bộ chuyển ATM thực hiệc các chức năng chuyển các tế bào dựa trên giá trị nhãn ATM-switch cần ñược

ñiều khiển bởi một thành phần ñiều khiển MPLS dựa vào IP (IP-base MPLS control

element) như bộ ñiều khiển chuyển mạch nhãn (LSC - Label Switch Controller) ðây là dạng cơ bản của sự kết hợp IP với ATM

- Khi một gói vào mạng nó ñược chuyển ñến lớp chuyển tiếp tương ñương (FEC -

Forwarding Equivalence Class) Router có thể sử dụng thông tin gói, như cổng vào

(ingress) hay giao tiếp (interface) Các gói ñi vào mạng ñược gán các nhãn khác nhau Quyết ñịnh chuyển tiếp ñược thực hiện dễ dàng bởi router ngõ vào ðiều này không có trong sự chuyển tiếp thông thường, vì sự xác ñịnh lộ trình của router khác với thông tin lộ trình trên gói

- Mạng ñược quản lý lưu lượng buộc gói ñi theo một con ñường cụ thể, một con ñường chưa ñược sử dụng Con ñường ñó ñược chọn trước hoặc ngay khi gói ñi vào mạng tốt hơn

sự lựa chọn bởi các thuật toán ñịnh tuyến thông thường Trong MPLS, một nhãn có thể

ñược dùng ñể ñại diện cho tuyến, không cần kèm trong gói ðây là dạng cơ bản của MPLS

Traffic Engineering

- "Lớp dịch vụ (Class of service)" của gói ñược xác ñịnh bởi nút MPLS vào (ingress MPLS node) Một nút MPLS vào có thể huỷ tuyến hay sửa ñổi lịch trình ñể ñiều khiển các gói khác nhau Các trạm sau có thể ñịnh lại ràng buộc dịch vụ bằng cách thiết lập PBH (per-hop behavior) MPLS cho phép (không yêu cầu) ñộ ưu tiên một phần hoặc hoàn toàn của lớp dịch vụ từ nhãn Trường lợp này nhãn ñại diện cho sự kết hợp của một FEC với ñộ ưu tiên hoặc lớp dịch vụ ðây là dạng cơ bản của MPLS QoS

Chuyển gói qua miền MPLS

Hình dưới ñây là một ví dụ ñơn giản minh hoạ quá trình truyền gói IP ñi qua miền MPLS Gói tin IP khi ñi từ ngoài mạng vào trong miền MPLS ñược bộ ñịnh tuyến (router) A ñóng vai trò là một LER ngõ vào sẽ gán nhãn có giá trị là 6 cho gói IP rồi chuyển tiếp ñến bộ

ñịnh tuyến B Bộ ñịnh tuyến B dựa vào bảng hoán ñổi nhãn ñể kiểm tra nhãn của gói tin

Nó thay giá trị nhãn mới là 3 và chuyển tiếp ñến router C Tại C, việc kiểm tra cũng tương

tự như ở B và sẽ hoán ñổi nhãn, gán cho gói tin một nhãn mới là 9 và tiếp tục ñược ñưa ñến

bộ ñịnh tuyến D

Bộ ñịnh tuyến D ñóng vai trò LER ngõ ra sẽ kiểm tra trong bảng hoán ñổi nhãn và gỡ bỏ nhãn 9 ra khỏi gói tin rồi ñịnh tuyến gói IP một cách bình thường ñi ra khỏi miền MPLS Với kiểu làm việc này thì các LSR trung gian như bộ ñịnh tuyến B và C sẽ không phải thực