Khác với cách định tuyến truyền thống, MPLS sử dụng nhãn để di chuyển qua các miền MPLS. Khi các gói đi vào domain MPLS, các nhãn được gán vào các gói tin và chính các nhãn đó sẽ xác định chặng tiếp theo cho các gói tin.
MPLS domain: Là tập hợp của các node mạng MPLS được quản lý và điều
khiển bởi cùng một quản trị mạng, hay nói một cách đơn giản hơn là một MPLS domain, có thể coi như hệ thống mạng của một tổ chức nào đó (chẳng hạn nhà cung cấp dịch vụ).
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 3.2 Miền MPLS
Khi một gói đi đến một LSR ( Label Switching Router ),nhãn sẽ xác định đường dẫn của các gói tin này trong mạng MPLS. Việc hướng đi theo nhãn MPLS sẽ thay thế nhãn bằng một nhãn ra thích hợp và gửi gói tin đến chặng tiếp theo.
Hình 3.3 Mô hình mạng MPLS
Nhãn được gán vào mổi gói tin dựa vào việc phân nhóm theo các lớp tương đương FEC (Forwarding Equivalence Class ) . Lớp chuyển tiếp tương đương FEC là một nhóm hoặc luồng các gói được chuyển tiếp dọc theo cùng một tuyến và được xử
Hình 3.4 Lớp chuyển tiếp tương đương (FEC)
Nhãn: Được định nghĩa là một thực thể có độ dài cố định không có cấu trúc
bên trong và chỉ có ý nghĩa cục bộ. Nhãn không mã hóa trực tiếp bất kỳ một thông tin nào từ tiêu đề lớp mạng. Ví dụ, nhãn không mã hóa trực tiếp địa chỉ mạng (kể cả địa chỉ nguồn và địa chỉ đích). Vì vậy, nhãn không phải là địa chỉ. Nhãn được gán vào một gói tin cụ thể sẽ đại diện cho một lớp chuyển tiếp tương đương (FEC) mà gói tin đó được ấn định.
Nhãn tổng hợp thông tin cần thiết về gói tin. Thông tin này có thể bao gồm địa chỉ đích, quyền ưu tiên, thành viên VPN, CoS, và tuyến điều khiển lưu lượng. Dạng của nhãn phụ thuộc vào phương tiện truyền mà gói tin được đóng gói. Ví dụ các gói ATM sử dụng giá trị VPI/VCI như nhãn, FR sử dụng DLCI làm nhãn. Đối với các phương tiện gốc không có cấu trúc nhãn, một đoạn đệm được chèn thêm để sử dụng cho nhãn. Khuôn dạng đoạn đệm 4 byte có cấu trúc như trong hình 3.5.
Hình 3.5: Khuôn dạng mào đầu MPLS LSP
LER (ingress) LSR LSR LER (egress)
IP1 IP2 IP1 L1 IP1 L2 L2 IP2 L1 IP2 IP1 L3 L3 IP2 IP1 IP2
Bảng 3.1: Các trường của mào đầu MPLS
Trường Độ dài Ý nghĩa
Label 20 bit Nhãn: Giá trị thực sự của nhãn MPLS được gán cho gói. CoS
(EXP)
1 bit Lớp dịch vụ: xác định thuật toán xếp hàng và loại bỏ áp dụng cho gói khi gói đi qua mạng.
S 1 bit Trường ngăn xếp: xác định sử dụng ngăn xếp nhãn có cấu trúc TTL 8 bit Thời gian tồn tại: giống như trường TTL của IPv4 hay Hop
Limit của IPv6.
Ngăn xếp nhãn: Một tập hợp có thứ tự các nhãn gắn theo gói để truyền tải
thông tin về nhiều FEC mà gói nằm trong 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 và một nhãn cho IGP) và tổ chức nhiều LSP trong một trung kế LSP.
Các phương pháp gán nhãn và liên kết nhãn
Khi xuất hiện một LSR mới trong mạng MPLS hay bắt đầu khởi tạo mạng MPLS, các thành viên LSR trong mạng MPLS phải có liên lạc với nhau trong quá trình khai báo thông qua bản tin Hello. Sau khi bản tin này được gửi một phiên giao dịch giữa 2 LSR được thực hiện. Thủ tục trao đổi là giao thức LDP.
Ngay sau khi LIB (cơ sở dữ liệu nhãn) được tạo ra trong LSR, nhãn được gán cho mỗi FEC mà LSR nhận biết được. Đối với trường hợp chúng ta đang xem xét (định tuyến dựa trên đích unicast) FEC tương đương với prefix trong bảng định tuyến IP. Như vậy, nhãn được gán cho mỗi prefix trong bảng định tuyến IP và bảng chuyển đổi chứa trong LIB. Bảng chuyển đổi định tuyến này được cập nhật liên tục khi xuất hiện những tuyến nội vùng mới, nhãn mới sẽ được gán cho tuyến mới.
Do LSR gán nhãn cho mỗi IP prefix trong bảng định tuyến của chúng ngay sau khi prefix xuất hiện trong bảng định tuyến và nhãn là phương tiện được LSR khác sử dụng khi gửi gói tin có nhãn đến chính LSR đó nên phương pháp gán và phân phối nhãn này được gọi là gán nhãn điều khiển độc lập với quá trình phân phối ngược không yêu cầu.
Việc liên kết các nhãn được quảng bá ngay đến tất cả các router thông qua phiên LDP. Chi tiết hoạt động của LDP được mô tả trong phần sau.
Khi hoạt động ở chế độ duy trì bảo thủ, nó chỉ giữ lại những giá trị nhãn/FEC mà nó cần tại thời điểm hiện tại. Các giá trị khác được giải phóng. Ngược lại trong chế độ duy trì tiên tiến, LSR giữ tất cả các giá trị mà nó được thông báo ngay cả khi một số không được sử dụng tại thời điểm hiện tại. Hoạt động của chế độ này như sau: - LSR1gửi liên kết nhãn vào một số FEC đến một trong các LSR lân cận (LSR 2) cho FEC đó.
- LSR 2 nhận thấy LSR1 hiện tại không phải là nút tiếp theo đối với FEC đó và nó không thể sử dụng liên kết này cho mục đích chuyển tiếp tại thời điểm hiện tại nhưng nó vẫn lưu việc liên kết này lại.
- Tại thời điểm nào đó sau này có sự xuất hiện thay đổi định tuyến và LSR1 trở thành nút tiếp theo của LSR2 đối với FEC đó thì LSR2 sẽ cập nhật thông tin trong bảng định tuyến tương ứng và có thể chuyển tiếp các gói có nhãn đến LSR1 trên tuyến mới của chúng. Việc này được thực hiện một cách tự động mà không cần đến báo hiệu LDP hay quá trình phân bổ nhãn mới.
Ưu điểm lớn nhất của chế độ duy trì tiên tiến đó là khả năng phản ứng nhanh hơn khi có sự thay đổi định tuyến. Nhược điểm lớn nhất là lãng phí bộ nhớ và nhãn. Điều này đặc biệt quan trọng và có ảnh hưởng rất lớn đối với những thiết bị lưu trữ bảng định tuyến trong phần cứng như ATM-LSR. Thông thường chế độ duy trì bảo thủ nhãn được sử dụng trong các ATM-LSR.
Đường chuyển mạch nhãn (LSP): Là tuyến tạo ra từ đầu vào đến đầu ra của mạng MPLS dùng để chuyển tiếp gói của một FEC nào đó sử dụng cơ chế hoán đổi nhãn. LSP chỉ một chiều, tức là cần hai LSP cho một truyền thông song công.
Hình 3.6: Đường chuyển mạch nhãn (LSP)
Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn (LSR): Là thiết bị sử dụng trong mạng MPLS để chuyển tiếp các gói tin bằng thủ tục phân phối nhãn. Có một số loại LSR cơ bản sau: LSR lõi, LSR biên, ATM-LSR lõi, ATM-LSR biên...
Bảng chuyển mạch chuyển tiếp nhãn: Là bảng chuyển tiếp nhãn có chứa thông tin về nhãn đầu vào, nhãn đầu ra, giao diện đầu ra và địa chỉ điểm tiếp theo.
LER (push L1) LSR (swap L1,L2) LER (pop L3) IP IP #L1 IP #L2 IP #L3 IP
LSP (label switched path) LSR
Cơ sở thông tin nhãn (LIB): Là bảng kết nối trong LSR có chứa giá trị nhãn/FEC được gán vào cổng ra cũng như thông tin về đóng gói phương tiện truyền.
Gói tin dán nhãn: Một gói tin dán nhãn là một gói tin mà nhãn được mã hóa trong đó. Trong một số trường hợp, nhãn nằm trong mào đầu của gói tin dành riêng cho mục đích dán nhãn. Trong các trường hợp khác, nhãn có thể được đặt chung trong mào đầu lớp mạng và lớp liên kết dữ liệu miễn là ở đây có trường có thể dùng được cho mục đích dán nhãn
Ấn định và phân phối nhãn: Trong mạng MPLS, quyết định để kết hợp một nhãn cụ thể với một FEC cụ thể là do LSR phía trước thực hiện. LSR phía trước sau khi kết hợp sẽ thông báo với LSR phía sau về sự kết hợp đó. Do vậy các nhãn được LSR phía trước ấn định và các kết hợp nhãn được phân phối theo hướng từ LSR phía trước tới LSR phía sau.
3.2.2 Hoạt động của MPLS
Có hai chế độ hoạt động tồn tại với MPLS: chế độ khung (Frame- mode) và chế độ tế bào (Cell-mode). Trong phần này chỉ nghiên cứu hoạt động theo chế độ khung, chế độ hoạt động này xuất hiện khi sử dụng MPLS trong môi trường các thiết bị định tuyến thuần điều khiển các gói tin IP điểm-điểm. Các gói tin gán nhãn được chuyển tiếp trên cơ sở khung lớp 2. Cơ chế hoạt động của mạng MPLS trong chế độ hoạt động này được mô tả trong hình 3.7
được một gói IP như sau:
• Sau khi nhận khung PPP lớp 2 từ router biên LSR biên số 1, LSR lõi 1 lập tức nhận dạng gói nhận được là gói có nhãn dựa trên giá trị trường giao thức PPP và thực hiện việc kiểm tra nhãn trong cơ sở dữ liệu chuyển tiếp nhãn (LFIB).
• Kết quả cho thấy nhãn vào là 30 được thay bằng nhãn ra 28 tương ứng với việc gói tin sẽ được chuyển tiếp đến LSR lõi 3.
• Tại đây, nhãn được kiểm tra, nhãn số 28 được thay bằng nhãn số 37 và cổng ra được xác định. Gói tin được chuyển tiếp đến LSR biên số 4.
• Tại LSR biên số 4, nhãn 37 bị loại bỏ và việc kiểm tra địa chỉ lớp 3 được thực hiện, gói tin được chuyển tiếp đến nút router tiếp theo ngoài mạng MPLS.
Như vậy quá trình chuyển đổi nhãn được thực hiện trong các LSR lõi dựa trên bảng định tuyến nhãn. Bảng định tuyến này phải được cập nhật đầy đủ để đảm bảo mỗi LSR (hay router) trong mạng MPLS có đầy đủ thông tin về tất cả các hướng chuyển tiếp. Quá trình này xảy ra trước khi thông tin được truyền trong mạng và thông thường được gọi là quá trình liên kết nhãn (label binding).
Các bước chuyển mạch trên được áp dụng đối với các gói tin có một nhãn hay gói tin có nhiều nhãn (trong trường hợp sử dụng VPN thông thường một nhãn được gán cố định cho VPN server).
3.2.2.1 Thành phần chuyển tiếp LSR
Thuật toán được sử dụng trong thành phần chuyển tiếp để tạo ra quyết định chuyển tiếp dựa trên bảng chuyển tiếp và nhãn trong gói tin. Bảng chuyển tiếp trong LSR gồm một dãy các đầu mục, trong đó mỗi đầu mục gồm một nhãn vào và một hay nhiều đầu mục con. Mỗi đầu mục con chứa một nhãn ra, giao diện ra và địa chỉ chặng kế tiếp. Một LSR có thể duy trì một bảng chuyển tiếp duy nhất cho bộ định tuyến hay một bảng chuyển tiếp cho mỗi giao diện bộ định tuyến.
Hình 3.8: Các thành phần điều khiển và chuyển mạch.
Thuật toán được sử dụng bởi thành phần chuyển tiếp được gọi là thuật toán hoán đổi nhãn. Khi một LSR trung gian nhận được một gói tin, bộ định tuyến tách nhãn từ gói tin và sử dụng nó như một chỉ mục trong bảng chuyển tiếp, sau đó thay thế nhãn vào trong gói tin bằng một nhãn ra và gửi gói tin đến giao diện ra theo chặng kế tiếp. MPLS cho phép ánh xạ rất linh hoạt các luồng IP với LSP dựa trên khái niệm FEC. Trong MPLS, việc gán FEC cho một gói tin cụ thể chỉ được thực hiện một lần khi gói tin đi vào miền MPLS. Điều này đảm bảo rằng một khi gói tin được gán FEC, các bộ định tuyến sau đó không phân tích thêm mào đầu nữa. Nhiều luồng IP có thể được ánh xạ vào cùng một FEC mà sau đó được hợp nhất bởi các LSR trung gian.
Do vậy, thành phần chuyển tiếp sử dụng một thuật toán chuyển tiếp đơn đối lập với định tuyến lớp mạng truyền thống. Các bảng minh họa sự khác biệt:
Bảng 3.2: Cấu trúc định tuyến truyền thống Chức năng
định tuyến Định tuyến đơn hướng hướng với các loại Định tuyến đơn Định tuyến đa hướng
Gói tin được gán nhãn ngõ ra Gói tin được gán
nhãn ngõ vào
Gói tin IP ngõ ra Gói tin IP ngõ vào
Khối điều khiển
Giao thức định tuyến IP
Giao thức phân phối nhãn
Khối chuyển tiếp
Bảng định tuyến IP hoặc CEF FIB
Cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn
Trao đổi thông tin định tuyến Trao đổi thông tin liên kết nhãn
Bảng 3.3: Cấu trúc chuyển mạch nhãn Chức năng định tuyến Định tuyến đơn hướng (unicast) Định tuyến đơn hướng với các loại
dịch vụ
Định tuyến đa hướng
Thuật toán chuyển tiếp
Trao đổi nhãn
Thành phần chuyển tiếp chịu trách nhiệm sử dụng cơ chế hoán đổi nhãn để chuyển tiếp các gói tin giữa các LSR.
3.2.2.2 Thành phần điều khiển LSR
Thành phần điều khiển có các giao thức định tuyến lớp mạng để phân phối thông tin định tuyến giữa các LSR và các thủ tục liên kết nhãn để chuyển đổi các thông tin định tuyến vào bảng chuyển tiếp cần thiết cho chuyển mạch nhãn. Giống như thành phần điều khiển của bất kỳ một hệ thống định tuyến nào, thành phần điều khiển chuyển mạch nhãn phải cung cấp thông tin định tuyến giữa các LSR. Trên cơ sở thông tin định tuyến, LSR thiết lập các thủ tục để tạo ra các bảng chuyển tiếp. Việc phân phối thông tin định tuyến có thể được thực hiện bởi các giao thức định tuyến hiện tại như RIP, OSPF.
3.2.2.3 Các chế độ phân phối nhãn
Việc quyết định liên kết giữa nhãn và FEC được thực hiện bởi LSR hướng xuống đối với liên kết đó. LSR hướng xuống thông báo cho LSR hướng lên về nhãn được gán cho FEC cụ thể.
Kiến trúc MPLS định nghĩa hai chế độ phân phối nhãn:
Phân phối nhãn hướng xuống theo yêu cầu: cho phép một LSR yêu cầu LSR
hướng xuống về liên kết nhãn cho một FEC cụ thể. Nhãn được yêu cầu bởi LSR hướng lên và LSR hướng xuống xác định nhãn được sử dụng (hình 3.9).
Hình 3.9: Phân phối nhãn hướng xuống theo yêu cầu
Phân phối nhãn hướng xuống không theo yêu cầu: cho phép LSR phân phối
Upstream LSR Downstream LSR
Yêu cầu gán nhãn Binding
LSR này. LSR hướng xuống xác định nhãn và thông báo nhãn này cho LSR hướng lên (hình 3.10).
Hình 3.10: Phân phối nhãn hướng xuống không theo yêu cầu.
Có hai chế độ điều khiển phân phối nhãn được sử dụng để thiết lập LSP là:
Điều khiển phân phối nhãn độc lập
Trong chế độ này, mỗi LSR quyết định liên kết nhãn với FEC cụ thể và phân phối liên kết đó đến LSR lân cận một cách độc lập. Điều này tương đương với cách thức định tuyến gói tin IP truyền thống. Nếu sử dụng chế độ phân phối nhãn độc lập hướng xuống theo yêu cầu, LSR có thể trả lời cho yêu cầu liên kết nhãn mà không cần thiết chờ nhận liên kết nhãn tương ứng từ LSR chặng kế tiếp. Đối với chế độ phân phối nhãn độc lập hướng xuống không do yêu cầu, LSR thông báo liên kết nhãn với FEC cụ thể cho LSR lân cận mỗi khi nhãn đã sẵn sàng cho FEC đó.
Điều khiển phân phối nhãn theo trình tự
Trong trường hợp này, LSR chỉ liên kết nhãn với FEC cụ thể để phúc đáp yêu cầu liên kết nhãn. E-LSR gửi trực tiếp nhãn cho FEC đó bởi vì nó là nút cuối cùng trong miền MPLS. Nếu là LSR trung gian, nó phải nhận nhãn liên kết với FEC đó từ chặng kế tiếp của nó trước khi nó gửi nhãn đến LSR hướng lên. Trong chế độ điều khiển này, ngoại trừ E-LSR, trước khi gửi nhãn cho LSR hướng lên, một LSR phải chờ để nhận nhãn cho yêu cầu của nó từ LSR hướng xuống.