2.1.3.1. Mã hóa nhãn Stack nhãn
Khi nhãn được gắn lên gói, bản thân giá trị nhãn 20 bit sẽ được mã hoá cùng vớimột số thông tin cộng thêm để phụ trợ trong quá trình chuyển tiếp gói để hình thànhmột entry nhãn. Hình 10 minh họa định dạng một entry nhãn trong stack nhãn.
CHƯƠNG 2: Chuyển mạch nhãn MPLS
Hình 2.9: Định dạng một entry trong stack 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 ởđâu.
• 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 thểđược 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 chếđộ: chếđộ frame và chếđộ cell.
2.1.3.2. Chếđộ 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, 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 11. Đỉnh stack nằm liền sau header lớp 2 và đáy stack nằm liền trước header lớp mạng.
CHƯƠNG 2: Chuyển mạch nhãn MPLS
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.
2.1.3.3. Chếđộ Cell
Chếđộ 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 2.11: Nhãn trong chếđộ 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 sẽđược chia thành nhiều đoạn 48 byte, mỗi đoạn 48 byte này được thêm header 5 byte để tạo ra một cell ATM.
Hình 2. 12: 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 sẽđược tái hợp lại. Nếu có nhiều nhãn trong stack nhãn, AAL5 PDU sẽ bị phân đoạn lần nữa và
CHƯƠNG 2: Chuyển mạch nhãn MPLS
nhãn hiện hành trên đỉnh stack sẽđược đặt vào trường VPI/VCI.
2.1.4. Cấu trúc chức năng MPLS
2.1.4.1. Kiến trúc một nút MPLS (LER và LSR)
Hình 2.13 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, LERkhác hoặc các router IP thông thường bằng các giao thức định tuyến IP. Kết quả làmột 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.
Hình 2.13: 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.
2.1.4.2. 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 LFIB để thực hiện chuyển tiếp các gói có gắn nhãn căn cứ vào giá trị của nhãn nằm trên đỉnh stack nhãn.
CHƯƠNG 2: Chuyển mạch nhãn MPLS
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 nhưđịa 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. 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.
Hình 2.14: FTN, ILM và NHLFE
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
b. 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.
CHƯƠNG 2: Chuyển mạch nhãn MPLS
Hình 2.15: 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.
c. 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 sẽđược tiến hành trên stack nhãn của gói như sau:
• Swap: Thay nhãn ởđỉnh của stack nhãn bằng một nhãn mới được chỉđịnh. • Pop: Bóc một nhãn ra khỏi stack.
• Push: Chồng thêm một nhãn vào trong stack nhãn.
Hình 2.16: Một ví dụ 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.
2.1.4.3. 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 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 cổđiển 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 củađường chuyển mạch nhãn MPLS. Kiểm tra gói của nhãn Xác định FEC ILM NHLFE Hóp k FTN Hủy bỏ Không nhãn Không hợp lệ Không có Không có đường ra nhãn
CHƯƠNG 2: Chuyển mạch nhãn MPLS
2.1.5. Hoạt động chuyển tiếp MPLS
2.1.5.1. Hoạt động của 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 cổđiển.
Hình 2.17: 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 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.