- Chất lượng của dịch vụ (QoS)
2.2.3 Một số khái niệm cơ bản trong kiến trúc MPLS
2.2.3.1 Nhãn
Nhãn là một khung nhận dạng ngắn, chiều dài cố định . Nhãn không tực tiếp mã hóa thông tin của header như địa chỉ lớp mạng. Nhãn được gói vào một gói tin cụ thể sẽ đại diện cho một FEC mà gói tin đó đã được ấn định.
Có hai kiểu nhãn Kiểu khung:
Hình 2.3 Nhãn kiểu khung
Kiểu khung là thuật ngữ khi chuyển tiếp một gói với nhãn gắn trước tiêu đề lớp ba. Một nhãn được mã hoá với 20bit, nghĩa là có thể có 220 giá trị khác nhau. Một gói có nhiều nhãn, gọi là chồng nhãn (label stack). Ở mỗi chặng trong mạng chỉ có một nhãn bên ngoài được xem xét. Hình trên mô tả định dạng tiêu đề của MPLS
- Kiểu tế bào
Thuật ngữ này dùng khi có một mạng gồm các ATM LSR dùng MPLS trong mặt phẳng điều khiển để trao đổi thông tin VPI/VCI thay vì dùng báo hiệu ATM. Trong kiểu tế bào, nhãn là trường VPI/VCI của tế bào. Sau khi trao đổi nhãn trong mặt phẳng điều khiển, ở mặt phẳng chuyển tiếp, bộ định tuyến ngõ vào (ingress router) phân tách gói thành các tế bào ATM, dùng giá trị VCI/VPI tương ứng đã trao đổi trong mặt phẳng điều khiển và truyền tế bào đi. Các ATM LSR ở phía trong hoạt động như chuyển mạch ATM – chúng chuyển tiếp một tế bào dựa trên VPI/VCI vào và thông tin cổng ra tương ứng. Cuối cùng, bộ định tuyến ngõ ra (egress router) sắp xếp lại các tế bào thành một gói.
Hình 2.4 Nhãn kiểu tế bào
GFC(generic Flow Control): Điều khiển luồng chung VPI(Vitual Parth Identifier): Nhận dạng đường ảo
VCI ( Vitual Chanel Identifier): Nhận dạng kênh ảo
PT ( Payload Type) chỉ thị kiểu trường tin
CLP (Cell loss Priority) chức năng chỉ thị ưu tiên huỷ bỏ tế bào
HEC ( Header Error Check) : Kiểm tra lỗi tiêu đề
2.2.3.2 Chồng nhãn
Một tập hợp có thứ tự các nhãn gắn theo các gói tin để chuyển tải thông tin về nhiều FEC và về các LSP tương ứng mà gói sẽ đi qua. Ngăn xếp nhãn cho phép MPLS hỗ trợ định tuyến phân cấp (Một nhãn cho EGP – exterior gateway và một nhãn cho IGP – interior gateway protocol) và tổ chức đa LSP trong một trung kế LSP.
2.2.3.3 Lớp chuyển tiếp tương đương FEC ( Forward Equivalence Class)
FEC mô tả sự kết hợp các gói tin có cùng địa chỉ đích của người nhận cuối thành các lớp để có những chính sách xử lý tương ứng. Giá trị FEC trong gói tin có thể thiết lập mức độ ưu tiên cho việc điều khiển gói nhằm hỗ trợ hiệu quả hoạt động của QoS (Quality of Service). Đối với các dịch vụ khác nhau thì các FEC khác nhau với các thông số ánh xạ khác nhau. Việc ánh xạ một gói vào một FEC có thể đạt được nhờ vào một số thông số sau:
- Địa chỉ IP nguồn, đích. - Cổng nguồn, đích - Nhận dạng giao thức - Luồng
FEC được ấn định ngay từ đầu vào của mạng MPLS và phụ thuộc vào hoạt động của LSR ngõ vào, ra. Do đó thường thì các LSR ngõ vào và ra là các router có khả năng xử lý mạnh.
2.2.3.4 Đường chuyển mạch nhãn LSP ( label Switching Parth)
Đường chuyển mạch nhãn được thiết lập từ ingress LSR (ingress Label S=witching Router – dữ liệu đầu vào là gói IP truyền thống, ingress LSR sẽ ấn định nhãn cho gói thông tin này) đến egress LSR (egress Label Switching Router – gỡ bỏ nhãn cho gói dữ liệu khi ra khỏi mạng lõi MPLS). LSP được xây dựng bằng các giao thức như LDP (Label Distributed Protocol), RSVP (Resource Reservation Protocol),…
Một LSP nối từ đầu cuối đến đầu cuối gọi là đường hầm LSP (LSP tunnel) – liên kết các đoạn LSP giữa các nút.
2.2.3.5 Cơ sở thông tin nhãn LIB ( label Information Base)
Mỗi LSR phải xây dựng một bảng thông tin sử dụng cho việc định tuyến và chuyển tiếp các gói tin trong mạng. Trong bảng sẽ chứa những thông tin liên quan đến nhãn, địa chỉ, trạm kế,… để xác định rõ ràng cách thức chuyển tiếp của gói dữ liệu như thế nào.
2.2.3.6 Một số khái niệm khác
LSR - Label Switch Router là các router hoặc switch triển khai phân phối nhãn và có thể chuyển tiếp các gói dựa trên các nhãn. Chức năng cơ bản của quá trình phân phối nhãn này cho phép một LSR phân phối nhãn thông tin chuyển tiếp của nó tới các LSRs khác trong mạng MPLS.
Có một vài loại LSR khác nhau và chúng được phân biệt nhờ chức năng của chúng trong cơ sở hạ tầng mạng. Sự khác nhau giữa các loại LSR chỉ là cấu trúc bởi một loại có thể đóng nhiều vai trò khác nhau.
Chúng ta có thể tóm tắt các chức năng của các loại LSR. Chú ý rằng bất kỳ một thiết bị trên mạng nào có thể có nhiều hơn một chức năng (một thiết bị có thể vừa là LSR biên vừa là ATM LSR biên.
Kiểu LSR Chức năng
LSR Chuyển tiếp các gói tin đã được gán nhãn
LSR biên - Có thể nhận một gói tin IP, thực hiện kiểm tra lớp 3, và gán một ngăn xếp nhãn trước khi chuyển tiếp gói vào miền MPLS
- Có thể nhận một gói IP, thực hiện việc kiểm tra ở lớp 3, chuyển tiếp gói IP tới điểm tiếp theo (next-hop)
2.2.4 Phƣơng thức hoạt động của công nghệ MPLS
- MPLS hoạt động trong lõi của mạng IP. Các Router trong lõi phải kích hoạt MPLS trên từng giao tiếp. Nhãn được gắn thêm vào gói IP khi gói đi vào mạng MPLS. Nhãn được tách ra khi gói ra khỏi mạng MPLS. Nhãn (Label) được chèn vào giữa header lớp ba và header lớp hai. Sử dụng nhãn trong quá trình gửi gói sau khi đã thiết lập đường đi. MPLS tập trung vào quá trình hoán đổi nhãn. Một trong những thế mạnh của khiến trúc MPLS là tự định nghĩa chồng nhãn.
- Công thức để 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 định tuyến chuyển nhãn (LSR – Label Switch Router): ra quyết định chặng kế tiếp dựa trên nội dung của nhãn, các LSP làm việc ít và hoạt động gần giống như Switch.
- Con đường chuyển nhãn (LSP – Label Switch Path): xác định đường đi của gói tin MPLS. Gồm hai loại: Hop by hop signal LSP - xác định đường đi khả thi nhất và Explicit route signal LSP - xác định đường đi từ nút gốc.. Sự khác nhau cơ bản giữa MPLS và các công nghệ WAN truyền thống chính là cách mà các nhãn được gán và khả năng mang một ngăn xếp của các nhãn cho một gói tin. Khái niệm ngăn xếp nhãn cho phép chúng ta có nhiều ứng dụng mới ví dụ như Điều khiển lưu lượng (Traffic Engineering), Mạng riêng ảo (Virtual Private Network – VPN )….
các mạch ảo ATM, và chuyển tiếp các tế bào tới ATM-LSR ở điểm tiếp theo(next-hop)
ATM LSR- biên
- Có thể nhận 1 gói đã được gán nhãn hoặc chưa, chia nó thành các tế bào ATM và chuyển tiếp các tế bào tới ATM-LSR tiếp theo
- Có thể nhận các tế bào ATM từ một ATM-LSR kề cận, lắp ghép các tế bào này trở lại gói tin gốc và sau đó chuyển tiếp gói tin này dưới dạng đã được gán nhãn hoặc chưa.
Cấu trúc của một nút MPLS bao gồm 2 mặt thành phần: thành phần chuyển tiếp (hay còn được gọi là mặt phẳng dữ liệu) và thành phần điều khiển (còn được gọi là mặt phẳng điều khiển). Thành phần chuyển tiếp sử dụng một cơ sở dữ liệu chuyển tiếp nhãn để chuyển tiếp dữ liệu dựa trên các nhãn đi kèm với gói tin. Thành phần điều khiển chịu trách nhiệm tạo và duy trì các thông tin chuyển tiếp nhãn (còn được gọi là bindings ) giữa nhóm các chuyển mạch nhãn với nhau.
Tất cả các nút MPLS phải chạy một hoặc nhiều giao thức định tuyến IP (hoặc dựa trên định tuyến tĩnh) để có thể trao đổi thông tin định tuyến với các nút MPLS khác trên mạng. Theo đó, mỗi một nút MPLS (bao gồm cả chuyển mạch ATM) là một router trên mặt phẳng điều khiển.
Hình 2.5 Cấu trúc cơ bản của một nút MPLS
Tương tự như các router truyền thống, các giao thức định tuyến IP sẽ dùng để xây dựng nên bảng định tuyến. Bảng định tuyến IP được sử dụng để đẩy gói tin đi.
Tại một nút MPLS, bảng định tuyến được sử dụng để xác định việc trao đổi thông tin nhãn chuyển tiếp, nơi mà các nút MPLS kề cận với nó trao đổi các nhãn cho các mạng con (subnets) cụ thể được chứa trong bảng định tuyến.
Các quá trình điều khiển định tuyến MPLS IP (MPLS IP Routing Control) sử dụng các nhãn để trao đổi với các nút MPLS cạnh nó để tạo ra bảng chuyển tiếp nhãn (Label Forwarding Table), bảng này là vùng cơ sở dữ liệu được sử dụng để chuyển tiếp các gói được gán nhãn qua mạng MPLS
Tạo nhãn ở mạng biên
Các gói tin phải được đánh nhãn trước khi chuyển tiếp tới miền mạng MPLS. Để thực hiện được nhiệm vụ này, LSR biên phải biết nơi gói tin được đánh tiêu đề,
hoặc ngăn xếp nhãn, nó phải khai báo cho gói tin. Để chuyển tiếp gói tin IP lớp 3 tới chặng tiếp theo, nó kiểm tra trong bảng định tuyến địa chỉ IP đích được chứa trong tiêu đề lớp 3 của gói tin. Sau đó lựa chọn bước tiếp theo để chuyển tiếp gói tin. Và cứ như thế cho đến khi gói tin đi đến đích.
Có 2 cách để gói IP tới chặng tiếp theo. Cách thứ nhất là toàn bộ các gói được coi là như nhau khi chuyển qua mạng. Cách thứ hai là ánh xạ từng địa chỉ IP đích tới một IP của chặng tiếp theo. Trong mạng MPLS cách thứ nhất được gọi là nhóm chuyển tiếp tương đương – FECs (Forwarding Equivalence Classes). FEC là một nhóm các gói, nhóm các gói này chia sẻ cùng yêu cầu trong sự chuyển tiếp chúng qua mạng. Tất cả các gói trong một nhóm như vậy được cung cấp cùng cách chọn đường tới đích. Khác với chuyển tiếp IP truyền thống, trong MPLS việc gán một gói cụ thể vào một FEC cụ thể chỉ được thực hiện một lần khi các gói vào trong mạng. MPLS không ra quyết định chuyển tiếp với mỗi datagram ( một gói thông tin và cả thông tin bàn giao kết hợp thường là địa chỉ ) lớp 3 mà sử dụng khái niệm FEC. FEC phụ thuộc vào một số các yếu tố, ít nhất là phụ thuộc vào địa chỉ IP và có thể là phụ thuộc cả vào kiểu lưu lượng trong datagram (thoại, dữ liệu, fax…). Sau đó dựa trên FEC, nhãn được thoả thuận giữa các LSR lân cận từ lối vào tới lối ra trong một vùng định tuyến. Mỗi LSR xây dựng một bảng để xác định xem một gói phải được chuyển tiếp như thế nào. Bảng này được gọi là cơ sở thông tin nhãn (LIB: Label Information Base), nó là tổ hợp các ràng buộc FEC với nhãn (FEC-to-label). Và nhãn lại được sử dụng để chuyển tiếp lưu lượng qua mạng.
Một cách để phân chia lưu lượng vào trong các FEC là tạo một FEC riêng biệt cho mỗi tiền tố địa chỉ xuất hiện trong bảng định tuyến. Cách này có thể tạo ra một tập hợp các FEC cho phép cùng đi một đường tới đích. Theo cách này thì bên trong một miền MPLS, sẽ có nhiều FEC riêng biệt và như thế sẽ không hiệu quả. Trên thực tế MPLS hợp nhất những FEC đó thành một FEC duy nhất.
Egress Node Routing Table 172.16.10.5/16 172.16.17.3/16 172.16.12.8/16 192.168.14.7/24 192.168.14.20/24 Ingress Node 1 Prefix = 1 FEC
Hình 2.6 Các FEC riêng biệt cho mỗi tiền tố địa chỉ
Egress Node Routing Table 172.16.10.5/16 172.16.17.3/16 172.16.12.8/16 192.168.14.7/24 192.168.14.20/24 Ingress Node n Prefix = 1 FEC Hình 2.7 Tổng hợp các FEC
Hình 2.8 Sự tạo nhãn MPLS và chuyển tiếp
Với cơ chế chuyển tiếp IP truyền thống, thì mỗi gói tin được xử lý tại một chặng trong mạng. Tuy nhiên với MPLS, một gói tin cụ thể được gán tới một FEC cụ thể, và được thực hiện tại thiết bị mạng biên khi mà gói tin tham gia vào mạng. Nhóm chuyển tiếp tương đương cho mỗi gói được khai báo sau đó mã hóa thành một chỉ số định dạng ngắn có chiều dài cố định, được gọi là nhãn.
2.2.5 Chuyển tiếp gói MPLS và đƣờng chuyển mạch nhãn
Mỗi một gói tin khi tham gia mạng MPLS tại LSR vào và ra khỏi mạng MPLS tại một LSR ra. Cơ chế này tạo ra Đường chuyển mạch nhãn – Label Switched Path (LSP), được mô tả như là một nhóm các LSRs mà các gói được gán nhãn phải đi qua để tới LSR đầu ra cho một FEC cụ thể.
LSP là một hướng kết nối (connection-oriented) bởi vì đường dẫn được tạo ra trước khi có sự vận chuyển lưu lượng. Tuy nhiên, việc thiết lập kết nối này dựa trên thông tin về mô hình mạng hơn là yêu cầu về luồng lưu lượng.
Khi gói tin đi qua mạng MPLS, mỗi LSR sẽ hoán đổi nhãn đi vào với một nhãn đi ra cho đến LSR cuối cùng, được biết đến là LSR ra. (giống như cơ chế được sử dụng trong mạng ATM nơi mà một cặp VPI/VCI này được tráo đổi với một cặp VPI/VCI khác khi ra khỏi chuyển mạch ATM)
2.2.5.1 Các ứng dụng của MPLS
Hình 2.9 Các ứng dụng khác nhau của MPLS
MPLS được tạo ra để kết hợp của định tuyến truyền thống và chuyển mạch ATM trong một mạng lõi IP thống nhất ( IP-ATM cấu trúc). Tuy nhiên ưu thế thực sự của MPLS chính là các ứng dụng khác mà nó đem lại, từ điều khiển lưu lượng (Traffic Engineering) tới mạng riêng ảo (Virtual Private Networks). Tất cả các ứng dụng này sử dụng chức năng miền điều khiển để thiết lập một cơ sở dữ liệu chuyển mạch
2.2.5.2 Điều khiển lưu lượng
Vấn đề quan trọng trong các mạng IP là thiếu khả năng điều khiển linh hoạt các luồng lưu lượng IP để sử dụng hiệu quả dải thông mạng có sẵn. Do vậy, thiếu hụt này liên quan đến khả năng gửi các luồng được chọn xuống các đường được chọn ví dụ như chọn các đường trung kế được bảo đảm cho các lớp dịch vụ riêng. MPLS sử dụng các đường chuyển mạch nhãn LSP mà có thể được thiết lập trên cả ATM và thiết bị dựa trên gói tin. Khả năng kỹ thuật lưu lượng của MPLS sử dụng thiết lập các LSP để điều khiển một cách linh hoạt các luồng lưu lượng IP.
2.2.5.3 Tích hợp IP và ATM
Do “chuyển mạch nhãn” có thể thực hiện được bởi các chuyển mạch ATM, MPLS là một phương pháp tích hợp các dịch vụ IP trực tiếp trên chuyển mạch ATM. Sự tích hợp này cần phải đặt định tuyến IP và phần mềm LDP trực tiếp trên chuyển mạch ATM. Do tích hợp hoàn toàn IP trên chuyển mạch ATM, MPLS cho phép chuyển mạch ATM hỗ trợ tối ưu các dịch vụ IP như IP đa hướng (multicast), lớp dịch vụ IP, RSVP và mạng riêng ảo VPN
2.2.5.4 Hỗ trợ chất lượng dịch vụ
Một thiếu sót của mạng IP so với mạng Frame Relay và ATM, là sự bất lực của chúng để cung cấp dịch vụ thoả mãn nhu cầu lưu lượng. Ví dụ lưu lượng thời gian thực như voice hay video cần dịch vụ chất lượng cao (độ trễ luồng thấp, mất luồng thấp…) khi truyền qua mạng. Tương tự dữ liệu trong kinh tế thương mại phải được ưu tiên qua trình duyệt web thông thường.
Kết nối định hướng mang tính tự nhiên của MPLS cung cấp khung làm việc hợp lý để đảm bảo chất lượng lưu lượng IP. Trong khi QoS và lớp dịch vụ CoS (Class of Service) không phải là cơ sở đặc biệt của MPLS, chúng có thể ứng dụng trong mạng MPLS khi kỹ thuật lưu lượng được sử dụng. Điều này cho phép nhà cung cấp thiết lập hợp đồng mức dịch vụ SLA (Service Level Agreements) với khách hàng để đảm bảo dịch vụ như độ rộng băng thông, độ trễ, mức thất thoát. Dịch vụ giá trị gia tăng có thể được phân phối bổ sung như truyền tải dữ liệu cơ sở, tăng thu nhập và cuối cùng cho tiến tới mạng hội tụ.
Intserv and Diffserv, qua thời gian một số kỹ thuật được phát triển để thiết lập QoS/CoS trong một mạng. Trong mô hình dịch vụ tích hợp Intserv (Integrated Services), RSVP đã phát triển thủ tục báo hiệu QoS qua một mạng, cho phép thiết bị