Một cách tổng quát, cấu trúc mạng MPLS gồm cĩ hai phần Lõi MPLS (MPLS Core) và Biên MPLS (MPLS Edge) như trong Hình 2.3. Cả hai phần này đều chứa thành phần quan trọng cơ bản của mạng MPLS là thiết bị định tuyến chuyển mạch nhãn LSR (Label Switch Router). Thiết bị này thực hiện chức năng chuyển tiếp gĩi thơng tin trong phạm vi mạng MPLS bằng thủ tục phân phối nhãn.
Hình 2.3: Cấu trúc và các thành phần cơ bản của mạng MPLS
Căn cứ vào vị trí và chức năng của LSR cĩ thể phân thành các loại chính sau đây:
− LER (Lable Edge Router): là các LSR nằm ở biên của mạng MPLS. LER này tiếp nhận hay gửi đi các gĩi thơng tin đến mạng khác (IP, Frame Relay,...). LER gán hay loại bỏ nhãn cho các gĩi thơng tin đến hoặc đi khỏi mạng MPLS. Các LSR này cịn được gọi là Ingress Router (router lối vào) xử lý lưu lượng đi vào miền MPLS hay egress router (router lối ra) xử lý lưu lượng rời khỏi miền MPLS.
− LSR chuyển tiếp (Triansit LSR): là các LSR nằm ở vùng lõi của mạng MPLS và xử lý lưu lượng bên trong miền MPLS
2.2.3 Hoạt động của MPLS
Để truyền gĩi tin qua mạng MPLS, hệ thống thực hiện các bước sau:
− Tạo và phân phối nhãn: Trước khi bắt đầu truyền bất cứ lưu lượng nào, router tạo quyết định ràng buộc nhãn với một FEC nhất định và xây dựng bảng của nĩ. Trong LDP, luồng xuống router khởi phát sự phân bố nhãn và ràng buộc FEC/nhãn. Ngồi ra, các đặc tính liên quan tới lưu lượng và khả năng MPLS được dàn xếp sử dụng LDP. Một giao thức truyền tải tin cậy và trật tự được sử dụng để làm giao thức báo hiệu. LDP sử dụng TCP.
− Tạo bảng cho mỗi bộ định tuyến:
Khi nhận được ràng buộc nhãn, mỗi LSRs tạo các đầu vào trong bảng cơ sở dữ liệu nhãn (LIB). Nội dung của bảng sẽ xác định ánh xạ giữa nhãn và FEC
Ánh xạ giữa cổng lối vào và bảng nhãn đầu vào tới cổng lối ra và bảng nhãn đầu ra. Các lối vào được cập nhật bất cứ khi nào nhận ra cĩ ràng buộc nhãn xảy ra.
− Tạo đường chuyển mạch nhãn: Các LSP được tạo theo hướng ngược lại với sự tạo thành các lối vào trong LIB
− Gán nhãn dựa trên tra cứu bảng: Router đầu tiên sử dụng bảng LIB để tìm chặng tiếp theo và yêu cầu nhãn với một FEC nhất định. Chuỗi router con sử dụng nhãn để tìm chặng tiếp theo. Khi một gĩi tới LSR biên lối ra, nhãn sẽ bị bỏ và gĩi được cấp tới đích.
− Truyền gĩi tin: Khi một gĩi tin đến LSR biên vào, LSR biên lối vào này sẽ gửi một yêu cầu nhãn đến các LSR trong miền lõi. Yêu cầu này sẽ được phát trên tồn mạng như hình 2.4. LDP sẽ xác định đường dẫn ảo đảm bảo QoS, CoS. Mỗi một LSR sẽ nhận được một nhãn từ LSR sau nĩ. Tương tự, LSR biên lối vào cũng nhận được một nhãn và gán nhãn này vào rồi chuyển tiếp gĩi tin đến LSR tiếp theo. Mỗi bộ định tuyến trung gian LSR sẽ kiểm tra nhãn trong gĩi tin nhận được, thay nĩ với nhãn lối ra và truyền gĩi tin đi. Đến LSR biên lối ra, nhãn sẽ bị loại bỏ và gĩi tin được chuyển tới đích.
Cĩ hai chế độ hoạt động đối với MPLS: chế độ hoạt động khung ( Frame- mode) và chế độ tế bào ( Cell-mode ).
Chế độ hoạt động này xuất hiện khi sử dụng MPLS trong mơi trường các thiết bị định tuyến thuần điều khiển các gĩi tin IP điểm-điểm. Các gĩi tin dán nhãn được chuyển tiếp trên cơ sở khung lớp 2.
Cơ chế hoạt động của MPLS trong chế độ này được mơ tả hình dưới đây.
LSR biên 1 LSR biên 2 LSR biên 3 LSR lõi 2 LSR lõi 1 LSR lõi 3 LSR biên 4 Bước1: nhận gĩi
tin IP tại LSR biên
Bước2: Kiểm tra lớp 3 gán nhãn, nhuyển gĩi IP đến LSR lõi 1
Bước3:Kiểm tra nhãn chuyển đổi nhãn chuyển gĩi IP đến
LSR lõi 3
Bước4: Kiểm tra nhãn chuyển đổi nhãn chuyển gĩi IP đến
LSR biên 4 Bước5:Kiểm tra nhãn xố bỏ nhãn đi chuyển gĩi IP đến đích
Hình 2.4: Mạng MPLS trong hoạt động chế độ khung
− Các hoạt động trong mảng số liệu:
Quá trình chuyển tiếp một gĩi IP qua mạng MPLS được thực hiện qua một bước cơ bản sau đây:
+ LSR biên lối vào nhận gĩi IP, phân loại gĩi vào nhĩm chuyển tiếp tương đương FEC và gán nhãn cho gĩi với ngăn xếp nhãn tương ứng với FEC đã xác định. Trong trường hợp định tuyến một địa chỉ đích, FEC sẽ tương ứng với mạng con đích và việc phân loại gĩi sẽ đơn giản hơn là việc so sánh bảng định tuyến lớp 3 truyền thống.
+ LSR lõi nhận gĩi tin cĩ nhãn và sử dụng bảng chuyển tiếp nhãn để thay đổi nhãn lối vào của gĩi đến với nhãn lối ra tương ứng với cùng FEC ( trong trường hợp mạng con là mạng IP ).
+ Khi LSR biên lối ra của vùng FEC này nhận được gĩi tin cĩ nhãn, nĩ loại bỏ nhãn và thực hiện chuyển tiếp gĩi tin IP theo bản định tuyến lớp 3 truyền thống.
− Mào đầu nhãn MPLS.
Nhãn MPLS được chèn trước số liệu cần gán nhãn ở chế độ hoạt động khung. Tức là nhãn MPLS được chèn vào giữa mào đầu lớp 2 và nội
dung thơng tin lớp 3 của khung lớp 2, vị trí của nhãn MPLS trong khung lớp 2 được thể hiện trong hình vẽ.
Do nhãn MPLS được chèn vào vị trí như vậy nên bộ định tuyến gửi thơng tin phải cĩ phương tiện gì đĩ thơng báo cho bộ đinh tuyến nhận biết rằng gĩi đang được gửi đi khơng phải là gĩi IP thuần mà là gĩi cĩ nhãn. Để đơn giản chức năng này, một số dạng giao thức mới được định nghĩa trong lớp 2 như sau:
+ Trong mơi trường LAN các gĩi cĩ nhãn truyền tải gĩi lớp 3 hướng hay đa hướng sử dụng giá trị 8847H và 8848H cho dạng Ethernet. Các giá trị này được sử dụng trực tiếp trên phương tiện Ethernet ( bao gồm cả Ethernet và Gigabit Ethernet ).
+ Trên kênh điểm-điểm sử dụng giao thức PPP, sử dụng giao thức mới được gọi này MPLS ( giao thức điều khiển ). Các gĩi MPLS được đánh dấu bởi giá trị 8281H trong trường giao thức PPP
+ Các gĩi MPLS truyền qua chuyển dịch khung DLCI giữa một cặp thiết bị định tuyến được đánh dấu bởi nhận dạng giao thức SNAP của chuyển dạng khung, tiếp theo mào đầu SNAP với giá trị 8847H cho Ethernet như trong mạng LAN.
− Chuyển mạch nhãn trong chế độ khung:
Ta sẽ xét quá trình chuyển đổi nhãn như hình trên trong mạng MPLS sau khi nhận được một gĩi tin IP.
+ Sau khi nhận khung PPP lớp 2 từ bộ định tuyến biên số 1, LSR lõi lập tức nhận dạng gĩi nhận được là gĩi cĩ nhãn dựa trên giá trị trường giao thức PPP và thực hiện việc kiểm tra nhãn trong cơ sở dữ liệu chuyển tiếp nhãn. Kết quả nhãn 30 được thay bằng nhãn ra 28 tương ứng với việc gĩi tin sẽ chuyển tiếp đến LSR3 lõi 3.
+ Tại lõi 3, nhãn được kiểm tra, nhãn số 28 được thay bằng hãn số 37 và cổng ra được xác định. Gĩi 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 IP địa chỉ lớp 3 được thực hiện, gĩi tin được chuyển tiếp đến bộ định tuyến ngồi mạng MPLS.
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 mọi LSR trong mạng MPLS cĩ đầy đủ thơng tin về tất cả các hướng chuyển tiếp. Quá trình này xảy ra trước khi thơng tin được
truyền trong mạng và được gọi là quá trình liên kết nhãn ( Lable Binding ).
− Quá trình liên kết và lan truyền 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 cĩ liên lạc với nhau trong quá trình khai báo qua bản tin Hello. Sau khi bản tin này được gửi, một phiên giao dịch giữa hai LSR được thực hiện thủ tục trao đổi là LDP.
Sau khi cơ sở dữ liệu nhãn LIB được tạo ra trong LSR, nhãn được gán cho mỗi FEC mà LSR nhận biết được. Đối với định tuyến đơn hướng, FEC tương đương với tiền tố trong bảng định tuyến IP và bản chuyển đổi chứa trong LIB. Vậy nhãn được gán trong mỗi tiền tố trong bảng định tuyến này được cập nhật liên tục khi xuất hiện những tuyến trong miền mới.
Do LSR gán nhãn cho mỗi tiền tố IP trong bảng định tuyến của chúng ngay sau khi tiền tố xuất hiện trong bảng định tuyến và nhãn là phương tiện được LSR khác sử dụng, khi gửi gĩi tin cĩ nhãn này được gọi là gán nhãn điều khiển độc lập với quá trình phân phối ngược khơng yêu cầu.
Việc quảng bá các nhãn được quảng bá ngay đến tất cả các bộ định tuyến thơng qua phiên LDP.
2.2.3.2 Chế độ hoạt động tế bào MPLS.
Khi xem xét triển khai MPLS qua ATM cần phải giải quyết một số trở ngại sau:
− Hiện tại khơng tồn tại cơ chế nào cho việc trao đổi trực tiếp các gĩi IP giữa 2 nút MPLS cận kề qua giao diện ATM. Tất cả các số liệu trao đổi qua giao diện ATM phải được thực hiện qua kênh ảo ATM.
− Các tổng đài ATM khơng thể thực hiện việc kiểm tra nhãn hay địa chỉ lớp 3. Khả năng duy nhất của tổng đài ATM là chuyển đỗi VC đầu vào sang VC đầu ra của giao diện ra.
Như vậy cần thiết phải xây dựng một cơ chế đảm bảo thực thi MPLS qua ATM như sau:
− Các gĩi IP trong mảng điều khiển khơng thể trao đổi trực tiếp qua giao diện ATM, một kênh ảo VC phải được thiết lập giứa 2 nút MPLS cận kề để trao đổi gĩi thơng tin điều khiển.
− Nhãn trên cùng trong ngăn xếp nhãn phải được sử dụng cho các giá trị VPI/VCI.
− Các thủ tục gán nhãn và phân phối nhãn phải được sửa đổi để đảm bảo các tổng đài ATM khơng phải kiểm tra địa chỉ lớp 3.
Các thành phần của MPLS qua ATM:
Trong hình 2.5 sẽ minh hoạ các thành phần MPLS qua mạng ATM.
Hình 2.5. Các thành phần trong mạng ATM-MPLS
− Router chuyển mạch nhãn (LSR): là thiết bị mà thực hiện việc điều khiển MPLS và chuyển tiếp gĩi tin như đã được phân tích ở trên.
− Giao diện ATM điều khiển nhãn (LC-ATM): là giao diện ATM điều khiển bằng thành phần MPLS.
− ATM-LSR: là thiết bị LSR dựa trên cơ sở chuyển mạch ATM và nĩ cĩ giao diện LC-ATM.
Quá trình chuyển tiếp các gĩi cĩ nhãn trong ATM-MPLS, được thực hiện như sau:
− ATM-LSR biên lối vào nhận gĩi cĩ nhãn hoặc khơng cĩ nhãn và thực hiện việc kiểm tra cơ sở dữ liệu chuyển tiếp nhãn LFIB để tìm giá trị VCI/VPI đầu ra để sử dụng như nhãn lối ra. Các gĩi cĩ nhãn được phân chia thành các tế bào ATM và gửi đến ATM-LSR tiếp theo. Giá trị VCI/VPI được gán vào mào đầu của từng tế bào.
− Các nút ATM-LSR chuyển mạch tế bào theo giá trị VPI/VCI trong mào đầu của tế bào theo cơ chế chuyển mạch của ATM truyền thống. Cơ chế phân bổ và phân phối nhãn phải đảm bảo việc chuyển đổi giá trị VPI/VCI nội vùng và ngoại vùng là chính xác.
− ATM-LSR biên lối ra tái tạo lại các gĩi cĩ nhãn từ các tế bào, thực hiện việc kiểm tra nhãn và chuyển tiếp tế bào đến LSR tiếp theo. Việc kiểm tra nhãn dựa vào giá trị VPI/VCI của tế bào đến mà khơng dựa vào nhãn trên đỉnh ngăn xếp trong mào đầu nhãn MPLS do ATM-LSR giữa các biên của miền ATM-LSR chỉ thay đổi giá trị VPI/VCI mà khơng thay đổi nhãn bên trong các tế bào ATM. Lưu ý rằng nhãn đỉnh của ngăn xếp được lập giá trị bằng 0 bởi ATM-LSR biên lối vào trước khi gĩi cĩ nhãn được phân chia thành tế bào.
Hình 2.6. LFIB trong mơi trường ATM
Trong ví dụ trên ta thấy rằng, một gĩi IP khơng cĩ nhãn đến với địa chỉ IP đích là 128.89.25.4 đến Router biên RTA. RTA sẽ kiểm tra cơ sở dữ liệu chuyển tiếp nhãn LFIB và so khớp với đích với prefix 128.89.0.0/16. Sau khi đã hồn thành việc so khớp, RTA gửi frame AAL5 như một chuỗi các cell trên VCI 40. RTB nhận được các cell đến và thực hiện chuyển mạch thơng thường như trong mạng ATM truyền thống với cell đến là giao diện 2/VCI40 ra giao diện 0/VCI 50. Các cell được gửi đến Router biên lối ra RTC. RTC thực hiện việc kiểm tra FLIB và loại bỏ nhãn cũng như gửi gĩi tin đến địa chỉ IP đích.
Hình 2.7. Quá trình thiết lập nhãn trong MPLS qua ATM.
Sau khi nhận được gĩi tin đến, RTA gửi yêu cầu liên kết nhãn đến RTB để liên kết 128.89.0.0/16 với một VCI cụ thể. RTB phân phối VCI 40 và tao ra trong FLIB tương ứng với VCI 40 như một nhãn lối vào. Sau đĩ RTB sẽ gửi yêu cầu liên kết nhãn đến RTC. RTC phát VCI 50 như nhãn lối vào. Khi đĩ RTB đặt nhãn lối ra trong FLIB là VCI 50. Thơng tin này được sử dụng bởi RTB để chuyển mạch các cell đến từ VCI 40 ra VCI 50. RTB gửi trả lời RTA với liên kết giứa prefix 128.89.0.0/16 và VCI 40. RTA sẽ tạo ra VCI 40 và đưa vào FLIB với VCI 40 như là một nhãn lối ra.
2.2.3.3 Hoạt động của MPLS khung trong mạng ATM-LSR.
Do việc chuyển đổi cơng nghệ mạng tác động đến rất nhiều mặt trong mạng khai thác từ vấn đề ghép nối mạng cũng như quan niệm và cách thức vận hành khai thác.
Quá trình chuyển đổi sang mạng MPLS cĩ thể được thực hiện theo nhiều cách: hoặc là thực hiện qua một số giai đoạn nhất định hoặc triển khai đồng loạt từ đầu.
MPLS cĩ hai chế độ hoạt động cơ bản là chế độ hoạt động khung và chế độ hoạt động tế bào. Đối với hạ tầng cơ sở như Frame-Relay hoặc ATM-PVC thì rất khĩ triển khai chế độ hoạt động tế bào của MPLS, thơng thường thì chế độ khung sẽ được sử dụng trong mơi trường như vậy để thực hiện kết nối MPLS xuyên suốt mạng.
Trong một số điều kiện nhất định như trong giai đoạn chuyển dịch sang mạng IP+ATM=( MPLS ) hoặc chuyển mạch ATM chuyển tiếp khơng hỗ trợ MPLS thì cần thiết phải sử dụng chế độ hoạt động khung qua mạng ATM-PVC.
Cấu hình này phải phù hợp, tuy nhiên nĩ cũng gặp khĩ khăn khi sử dụng IP qua ATM trong chế độ chuyển dịch ( do số lượng lớn các VC ).