CHƯƠNG II : CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC MPLS
2.1 Giới thiệu về MPLS
Chuyển mạch nhãn đa giao thức là một giải pháp chuyển mạch IP và được chuẩn hoá bởi IETF.
MPLS gồm hai chức năng quan trọng :
Chức năng chuyển tiếp gói tin: sử dụng cơ chế hốn đổi nhãn, tìm
chặng kế tiếp của gói tin trong một bảng chuyển tiếp nhãn, sau đó thay thế giá trị nhãn của gói rồi chuyển ra cổng ra của bộ định tuyến.
Chức năng điều khiển: gồm các giao thức định tuyến lớp mạng có
nhiệm vụ phân phối thơng tin giữa các LSR và các thủ tục gán nhãn để chuyển thông tin định tuyến thành bảng định tuyến chuyển mạch nhãn. Các đặc điểm chính của MPLS :
Tốc độ và trễ: Chuyển mạch nhãn nhanh hơn nhiều do giá trị nhãn được
đặt ở tiêu đề của gói và được sử dụng để tìm kiếm trong bảng. Việc tìm kiếm này chỉ yêu cầu một lần truy nhập tới bảng, khác với truy nhập bảng định tuyến truyền thống có thể cần hàng ngàn lần truy nhập. Kết quả là lưu lượng người sử dụng trong gói được gửi qua mạng nhanh hơn nhiều so với chuyển tiếp IP truyền thống.
Jitter: Là sự thay đổi độ trễ của lưu lượng người sử dụng do việc
chuyển gói tin qua nhiều nút trong mạng để chuyển tới đích của nó. Tại từng nút, địa chỉ đích trong gói phải được kiểm tra và so sánh với danh sách địa chỉ đích khả dụng trong bảng định tuyến của nút, do đó trễ và biến thiên trễ phụ thuộc vào số lượng gói và khoảng thời gian mà bảng tìm kiếm phải xử lý trong khoảng thời gian xác định. Kết quả là tại nút cuối cùng, Jitter là tổng cộng tất cả các biến thiên độ trễ tại mỗi nút giữa bên gửi và bên thu. Với gói là là lưu lượng thoại thì cuộc thoại bị mất đi tính liên tục. Do chuyển mạch nhãn hiệu quả hơn, lưu lượng người dùng được gửi qua mạng nhanh hơn và ít Jitter hơn so với định tuyến IP truyền thống.
Khả năng mở rộng mạng: Chuyển mạch nhãn cung cấp các giải pháp
phép một lượng lớn các địa chỉ IP được kết hợp với một hay vài nhãn. Giải pháp này giảm đáng kể kích cỡ bảng địa chỉ và cho phép bộ định tuyến hỗ trợ nhiều người sử dụng hơn.
Tính đơn giản: Chuyển mạch nhãn là giao thức chuyển tiếp cơ bản,
chuyển tiếp gói chỉ dựa vào nhãn. Do tách biệt giữa điều khiển và chuyển tiếp nên kỹ thuật điều khiển dù phức tạp cũng không ảnh hưởng đến hiệu quả của dòng lưu lượng người sử dụng. Cụ thể là, sau khi ràng buộc nhãn được thực hiện, các hoạt động chuyển mạch nhãn để chuyển tiếp lưu lượng là đơn giản, có thể được thực hiện bằng phần mềm, bằng mạch tích hợp chuyên dụng hay bằng các bộ xử lý đặc biệt.
Sử dụng tài nguyên: Các mạng chuyển mạch nhãn không cần nhiều tài
nguyên mạng để thực hiện các công cụ điều khiển trong việc thiết lập các đường đi chuyển mạch nhãn cho lưu lượng người sử dụng.
Điều khiển đường đi: Chuyển mạch nhãn cho phép các đường đi qua
một liên mạng được điều khiển tốt hơn. Nó cung cấp một cơng cụ để bố trí các nút và liên kết lưu lượng phù hợp hơn, thuận lợi hơn, cũng như phân lớp lưu lượng dựa trên các yêu cầu về QoS khác nhau của dịch vụ.
2.2 Các thành phần của MPLS
2.2.1 Các thiết bị trong mạng MPLS
LSR là một thiết bị định tuyến tốc độ cao trong lõi của một mạng MPLS, nó
tham gia trong việc thiết lập các đường dẫn chuyển mạch nhãn LSP bằng việc sử dụng giao thức báo hiệu nhãn thích ứng và thực hiện chuyển mạch tốc độ cao lưu lượng số liệu dựa trên các đường dẫn được thiết lập.
LER là một thiết bị hoạt động tại biên của mạng truy nhập và mạng lõi MPLS.
Các LER hỗ trợ đa cổng được kểt nối tới các mạng không giống nhau (chẳng hạn FR, ATM và Ethernet). LER đóng vai trị quan trọng trong việc chỉ định và huỷ bỏ nhãn, khi lưu lượng vào trong hay đi ra khỏi mạng MPLS. Sau đó, tại lối vào nó thực hiện việc chuyển tiếp lưu lượng vào mạng MPLS sau khi đã thiết lập LSP nhờ các giao thức báo hiệu nhãn và phân bổ lưu lượng trở lại mạng truy nhập tại lối ra.
2.2.2 Đường chuyển mạch nhãn
LSP: là một đường đi để gói tin qua mạng chuyển mạch nhãn trọn vẹn từ điểm
bắt đầu dán nhãn đến điểm nhãn bị loại bỏ khỏi gói tin. Các LSP được thiết lập trước khi truyền dữ liệu
Đường hầm LSP: LSP từ đầu tới cuối được gọi là đường hầm LSP, nó là
chuỗi liên tiếp các đoạn LSP giữa hai nút kề nhau. Các đặc trưng của đường hầm LSP, chẳng hạn như phân bổ băng tần, được xác định bởi sự thoả thuận giữa các nút, nhưng sau khi đã thoả thuận, nút lối vào (bắt đầu của LSP) xác định dòng lưu lượng bằng việc chọn lựa nhãn của nó. Khi lưu lượng được gửi qua đường hầm, các nút trung gian không kiểm tra nội dung của tiêu đề mà chỉ kiểm tra nhãn. Do đó, phần lưu lượng còn lại được xuyên hầm qua LSP mà không phải kiểm tra. Tại cuối đường hầm LSP, nút lối ra loại bỏ nhãn và chuyển lưu lượng IP tới nút IP.
Các đường hầm LSP có thể sử dụng để thực hiện các chính sách kỹ thuật lưu lượng liên quan tới việc tối ưu hiệu năng mạng. Chẳng hạn, các đường hầm LSP có thể được di chuyển tự động hay thủ công ra khỏi vùng mạng bị lỗi, tắc nghẽn, hay là nút mạng bị nghẽn cổ chai. Ngồi ra, nhiều đường hầm LSP song song có thể được thiết lập giữa hai nút, và lưu lượng giữa hai nút đó có thể được chuyển vào trong các đường hầm này theo các chính sách cục bộ.
Trong mạng MPLS các LSP được thiết lập bằng một trong ba cách đó là: Định tuyến từng chặng, định tuyến hiện (ER) và định tuyến cưỡng bức (CR).
Một số khái niệm liên quan tới đường chuyển mạch nhãn :
Đường lên (Upstream): Hướng đi dọc theo đường dẫn từ đích đến nguồn. Một
bộ định tuyến đường lên có tính chất tương đối so với một bộ định tuyến khác, nghĩa là nó gần nguồn hơn bộ định tuyến được nói đến đó dọc theo đường dẫn chuyển mạch nhãn.
Đường xuống (Downstream): Hướng đi dọc theo đường dẫn từ nguồn đến
đích. Một bộ định tuyến đường xuống có tính chất tương đối so với một bộ định tuyến khác, nghĩa là nó gần đích hơn bộ định tuyến được nói đến đó dọc theo đường dẫn chuyển mạch nhãn.
2.2.3 Nhãn và các vấn đề liên quan
a. Nhãn, ngăn xếp nhãn, không gian nhãn
Tiêu đề MPLS: MPLS định nghĩa một tiêu đề có độ dài 32 bit, được đặt ngay
Hình 2.1 : Khn dạng tiêu đề nhãn
Ý nghĩa các trường :
Nhãn : là một thực thể có chiều dài cố định (20 bit) dùng làm cơ sở cho
việc chuyển tiếp.
Exp (Experimental) : Các bit Exp được dự trữ về mặt kỹ thuật cho sử
dụng thực tế. Chẳng hạn sử dụng những bit này để chỉ thị QoS - thường là một bản sao trực tiếp của các bit chỉ thị độ ưu tiên trong gói IP. Khi các gói MPLS bị xếp hàng, có thể sử dụng các bit Exp như cách sử dụng các bit chỉ thị độ ưu tiên IP.
BS (Bottom of stack) : Có thể có hơn một nhãn với một gói. Bit này
dùng để chỉ thị cho nhãn ở cuối ngăn xếp nhãn. Nhãn ở đáy của ngăn xếp nhãn có giá trị BS bằng 1. Các nhãn khác có giá trị bit BS bằng 0.
TTL (Time To Live) : Thông thường các bit TTL là một bản sao trực
tiếp của các bit TTL trong tiêu đề gói IP. Chúng giảm giá trị đi một đơn vị khi gói đi qua mỗi chặng để tránh lặp vịng vơ hạn. TTL cũng có thể được sử dụng khi các nhà điều hành mạng muốn dấu cấu hình mạng nằm bên dưới.
Ngăn xếp nhãn là một tập các nhãn có thứ tự được chỉ định cho gói. Việc xử
Hình 2.2 : Cấu trúc ngăn xếp nhãn
Nếu ngăn xếp nhãn của gói có độ sâu m, nhãn tại đáy của ngăn xếp được xem như là nhãn mức 1, nhãn trên nó là nhãn mức 2, và nhãn trên cùng là nhãn mức m.
Mục đích của ngăn xếp nhãn là để tăng cường các dịch vụ như VPN, CoS và cho mở rộng mạng.
Không gian nhãn: Thuật ngữ không gian nhãn dùng để chỉ ra cách thức mà
một nhãn được kết hợp với một LSR. Có hai phương pháp để phân nhãn giữa các LSR, tương ứng với hai dạng khơng gian nhãn, đó là khơng gian nhãn theo từng giao diện và không gian nhãn theo từng nút.
Không gian nhãn theo từng giao diện: Nhãn được kết hợp với một giao diện
đặc trưng ở một LSR, ví dụ như DS3 hoặc giao diện SONET. LSR sẽ dùng một giá trị giao diện để giữ dấu vết của các nhãn ở mỗi giao diện, nên nhãn có thể được dùng lại tại mỗi giao diện, miễn là thoả mãn điều kiện một nhãn là duy nhất trong không gian nhãn. Và khi này định danh giao diện này trở thành một nhãn nội bộ trong LSR đối với nhãn bên ngoài được gửi đi giữa các LSR.
Không gian nhãn theo từng nút (theo tất cả các giao diện): Ở đây, các nhãn
đầu vào được xẻ dọc theo tất cả các giao diện tham gia vào một nút. Nghĩa là, nút này phải chỉ định không gian nhãn dọc theo tất cả các giao diện,
b. Ràng buộc FEC và nhãn
Khái niệm FEC: 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. 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 thơng tin nhãn LIB, 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.
Lý do dùng FEC: Thứ nhất, nó cho phép nhóm các gói vào các lớp. Từ nhóm
này, giá trị FEC trong một gói có thể được dùng để thiết lập độ ưu tiên cho việc xử lý các gói. Thứ hai, FEC có thể được dùng để hỗ trợ hiệu quả hoạt động QoS. Ví dụ, FEC có thể liên kết với độ ưu tiên cao, lưu lượng thoại thời gian thực, lưu lượng nhóm mới ưu tiên thấp…
Sự kết hợp một FEC với một gói được thực hiện bởi việc dùng một nhãn để định danh một FEC đặc trưng. Với các lớp dịch vụ khác nhau, phải dùng các FEC khác nhau và các nhãn liên kết khác nhau. Đối với lưu lượng Internet, các định danh sử dụng là các tham số ứng cử cho việc thiết lập một FEC. Trong một vài hệ thống, chỉ địa chỉ đích IP được sử dụng.
c. Tạo, phân bổ, hợp nhất , duy trì và điều khiển nhãn
Tạo nhãn
Có một số phương pháp được sử dụng trong việc tạo nhãn:
Phương pháp dựa trên đồ hình (topology-based): sử dụng các giao thức
định tuyến thông thường như OSPF và BGP.
Phương pháp dựa trên yêu cầu (request-based): sử dụng giao thức điều
khiển lưu lượng dựa trên yêu cầu như RSVP.
Phương pháp dựa trên lưu lượng (trafic-based): sử dụng sự tiếp nhận
của gói để phân bổ thơng tin nhãn.
Các phương pháp dựa trên đồ hình và dựa trên yêu cầu là các ví dụ về các ràng buộc nhãn điều khiển, trong khi phương pháp dựa trên lưu lượng là một ví dụ về các ràng buộc dữ liệu.
Phân bổ nhãn
Kiến trúc MPLS không sử dụng một phương pháp báo hiệu riêng nào để phân
bổ nhãn. Các giao thức định tuyến đang tồn tại đã được tăng cường để mang thông tin nhãn trong nội dung của giao thức:
LDP: ánh xạ các đích IP đơn hướng vào các nhãn.
RSVP, CP-LDP: được sử dụng cho kĩ thuật lưu lượng và đặt trước tài
Multicast độc lập giao thức: được sử dụng cho việc ánh xạ nhãn các
trạng thái đa hướng.
BGP: các nhãn bên ngồi (VPN).
Hợp nhất nhãn
Dịng lưu lượng đến từ các giao diện khác nhau có thể được kết hợp cùng nhau và được chuyển mạch bằng cách sử dụng một nhãn chung nếu chúng đang đi qua mạng hướng tới cùng một đích cuối cùng. Điều này được gọi là sự hợp nhất luồng hay kết hợp các luồng.
Nếu mạng truyền tải nằm bên dưới là một mạng ATM, các LSR có thể sử dụng hợp nhất đường ảo (VP) hay kênh ảo (VC).
Sự duy trì nhãn
MPLS định nghĩa cách xử lý các ràng buộc nhãn nhận được từ các LSR, mà các LSR đó khơng phải là chặng kế tiếp với một FEC đã cho. Hai chế độ được định nghĩa:
Bảo toàn (conservative): Trong chế độ này, các ràng buộc giữa một
nhãn và một FEC nhận được từ các LSR không là chặng kế tiếp cho một FEC cho trước bị huỷ bỏ. Chế độ này dùng để một LSR duy trì số nhãn ít hơn. Đây là chế độ được khuyến khích sử dụng cho các LSR ATM.
Tự do (liberal): Trong chế độ này, các ràng buộc giữa một nhãn và một
FEC nhận được từ các LSR không là chặng kế tiếp với một FEC cho trước được giữ nguyên. Chế độ này cho phép tương thích nhanh hơn với các thay đổi cấu hình và cho phép chuyển mạch lưu lượng tới các LSP khác trong trường hợp có sự thay đổi.
Điều khiển nhãn
MPLS định nghĩa các chế độ cho việc phân bổ nhãn tới các LSR lân cận như sau:
Độc lập (Independent): Trong chế độ này, một LSR nhận dạng một
FEC nào đó và ra quyết định ràng buộc một nhãn với một FEC một cách độc lập để phân bổ ràng buộc đến các thực thể đồng mức của nó. Các FEC mới được nhận dạng bất cứ khi nào các tuyến (route) trở nên rõ ràng với bộ định tuyến.
Có thứ tự (ordered): Trong chế độ này, một LSR ràng buộc một nhãn
với một FEC nào đó nếu và chỉ nếu nó là bộ định tuyến lối ra hay nó đã nhận được một ràng buộc nhãn cho FEC từ LSR chặng kế tiếp của nó. Chế độ này được khuyến nghị sử dụng cho các LSR ATM.
2.3 Hoạt động MPLS
Khi một gói tin vào mạng MPLS: LSR lối vào kiểm tra nhiều trường trong tiêu đề của gói để xác định xem gói thuộc FEC nào:
Nếu chưa có một ràng buộc nhãn/FEC thì: gói được phân loại gói tin vào trong các FEC, sau đó nhãn được ánh xạ vào trong FEC. Nhiệm vụ ấn định và phân bổ các ràng buộc FEC/nhãn cho các LSR do LDP đảm nhiệm.Khi LDP hoàn thành nhiệm vụ , một LSP được xây dựng từ lối vào đến lối ra.
Nếu đã có một ràng buộc nhãn/FEC thì: LSR lối vào gán nhãn cho gói và định hướng gói tới giao diện đầu ra tương ứng.
Sau đó gói được hốn đổi nhãn qua mạng cho đến khi nó đến LSR đầu ra. Lúc này nhãn được loại bỏ và gói được xử lý tại lớp 3.
Như vậy, với một gói dữ liệu để đi qua một miền MPLS, cần phải thực hiện các bước sau:
Tạo và phân bổ nhãn.
Tạo bảng tại mỗi bộ định tuyến.
Tạo các đường dẫn chuyển mạch nhãn.
Chèn/tìm kiếm bảng nhãn.
Chuyển tiếp gói.
Phân tích cụ thể các bước như sau:
Tạo & phân bổ nhãn
Trước khi lưu lượng bắt đầu, các bộ định tuyến quyết định để ràng buộc một nhãn với một FEC xác định và xây dựng bảng của chúng.
Trong LDP, các bộ định tuyến đường xuống khởi tạo sự phân bổ các nhãn và ràng buộc nhãn/FEC.
Ngoài ra, các đặc tính liên quan đến lưu lượng và khả năng MPLS được thoả thuận bằng việc sử dụng LDP.
Hình 2 3 : Hoạt động của mạng MPLS