của MPLS
2.3.1 Các khái niệm cơ bản:
Nhãn (Label): Nhãn là một thực thể có độ dài ngắn và cố định khơng có cấu trúc bên trong. Nhãn khơng trực tiếp mã hố thơng tin của mào đầu lớp mạng nh địa chỉ lớp mạng. Nhãn đợc gán vào một gói tin cụ thể sẽ đại diện cho nhóm chuyển tiếp tơng đơng FEC (Forwarding Equivalence Classes) mà gói tin đó đợc ấn định.
Một gói tin đợc ấn định một FEC (hồn tồn hoặc một phần) dựa trên địa chỉ đích lớp mạng của nó. Tuy nhiên nhãn khơng bao giờ là mã hố của địa chỉ đó.
Dạng của nhãn phụ thuộc vào phơng thức truyền tin mã gói tin đợc đóng gói. Các gói ATM (tế bào) sử dụng giá trị VPI/VCI nh nhãn, FR sử dụng DLCI làm nhãn. Đối với các phơng tiện gốc khơng có cấu trúc nhăn, một đoạn đệm đợc chèn thêm để sử dụng cho nhãn. Khuôn dạng đoạn đệm 4 byte có cấu trúc nh trong hình vẽ 2.1:
Hình 2.1: Cấu trúc mào đầu MPLS Ngăn xếp nhãn (Label stack):
Ngăn xếp là một tập hợp có thứ tự các nhãn gắn theo gói để chuyển tải thơng tin về nhiều FEC và về các LSP tơng ứng mà gói sẽ đi qua. Ngăn xếp nhãn cho phép MPLS hỗ trợ định tuyến phân cấp (một nhãn cho EGP – Edge Gateway Protocol và một nhãn cho IGP – Interior Gateway Protocol) và tổ chức đa LSP trong một trung kế LSP.
Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn LSR (Label Switch Router) sử dụng trong mạng MPLS để chuyển các
gói tin bằng thủ tục phân phối nhãn. LSR gồm các loại : LSR biên, ATM-LSR, ATM-LSR biên.
Nhóm chuyển tiếp tơng đơng FEC (Forwarding
Equivalence Classes): Là khái niệm đợc dùng để chỉ một
Trường Độ dài Giải thớch
Label 20 bit Nhón: Giỏ trị thực sự của nhón MPLS được ấn
định cho gúi.
CoS 1 bit Lớp dịch vụ: xỏc định thuật toỏn xếp hàng và
loại bỏ ỏp dụng cho gúi khi gúi đi qua mạng. S 1 bit Trường ngăn xếp: xỏc định sử dụng ngăn xếp
nhón cú cấu trỳc.
TTL 8 bit Thời gian tồn tại: giống như trường TTL của
nhóm các gói đợc đối xử nh nhau qua mạng MPLS ngay cả khi có sự khác biệt giữa các gói tin này thể hiện trong mào đầu lớp mạng.
Bảng chuyển tiếp chuyển mạch nhãn (LSF- Label
Switching Forwarding Table): Là bảng chuyển tiếp nhãn có
chứa thơng tin về nhãn đầu vào, nhãn đầu ra, giao diện đầu ra và địa chỉ điểm tiếp theo.
Tuyến chuyển mạch nhãn (LSP- Label Switching Path):
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 chuyển đổi nhãn (Label - swapping forwarding).
Cơ sở thông tin nhãn (LIB-Label Information Base): Là
bảng kết nối trong LSR có chứa giá trị nhãn/FEC đợc gán vào cổng ra cũng nh thơng tin về đóng gói phơng thức truyền tin.
Gói tin dán nhãn: Gói tin dán nhãn là một gói tin mà
nhãn đợc mã hố trong đó. Trong một số trờng hợp, nhãn nằm trong mào đầu của gói tin dành riêng cho mục đích dán nhãn. Trong các trờng hợp khác, nhãn có thể đợc đặt chung trong mào đầu lớp mạng và lớp liên kết dữ liệu miễn là ở đây có trờng tin có thể dùng đợc cho mục đích dán nhãn. Cơng nghệ mã hố đợc sử dụng phải phù hợp với cả thực thể mã hoá nhãn và thực thể giải mã nhãn.
ấn định và phân phối nhãn: Trong MPLS, quyết
định để kết hợp một nhãn Label cụ thể với một FEC F cụ thể là do LSR phía trớc thực hiện. LSR phía trớc sau khi kết hợp sẽ
thơng báo với LSR phía sau về sự kết hợp đó. Do vậy các nhãn đợc LSR phía trớc ấn định và các kết hợp nhãn đợc phân phối theo hớng từ LSR phía trớc tới LSR phía sau.
2.3.2 Các thành phần cơ bản của MPLS: 2.3.2.1 Thiết bị LSR - Topo mạng MPLS:
a. Topo mạng MPLS:
Hình 2.2: Tơpơ mạng MPLS
Miền MPLS ( MPLS domain) là một tập kế tiếp các node hoạt động định tuyến cà chuyển tiếp MPLS. Miền MPLS có thể chia thành MPLS lõi (core) và MPLS biên (edge)
Khi một gói tin IP đi qua miền MPLS, nó đi theo một tuyến đợc xác định phụ thuộc vào FEC mà nó đợc ấn định khi đi vào miền. Tuyến này đợc gọi là đờng chuyển mạch nhãn LSP (Label Switched Path). LSP chỉ có tính chất một chiều, tức là cần hai LSP cho một truyền thông song công.
Thành phần cơ bản của mạng MPLS là thiết bị định tuyến chuyển mạch nhãn LSR. Thiết bị này thực hiện chức năng chuyển tiếp gói thông tin trong phạm vi mạng MPLS bằng thủ tục phân phối nhãn. Dựa vào vị trí và chức năng của LSR có thể chia thành các loại chính sau đây:
- LSR biên (Edge LSR): Nằm ở biên của mạng MPLS. LSR này tiếp nhận hay gửi đi các gói thơng tin từ mạng khác hay đến mạng khác (IP, Frame, Relay...). LSR biên gán hay loại bỏ nhãn cho các gói thơng tin đến hoặc đi khỏi mạng MPLS.
- LSR lối vào (Ingress LSR): xử lý lu lợng đi vào miền MPLS
- LSR chuyển tiếp (Transit LSR) xử lý lu lợng bên trong miền MPLS
- LSR lối ra (Egress LSR): xử lý lu lợng rời khỏi LSR
- ATM-LSR: là các tổng đài ATM có thể thực hiện chức năng nh LSR. Các ATM-LSR thực hiện chức năng định tuyến gói IP và gán nhãn trong mảng điều khiển và chuyển tiếp số liệu theo cơ chế chuyển mạch tế bào ATM trong mảng số liệu. Nh vậy các tổng đài chuyển mạch ATM truyền thống có thể nâng cấp phần mềm để thực hiện chức năng của LSR.
2.3.2.2 Hoạt động của MPLS
MPLS có hai chế độ hoạt động: Chế độ khung (Frame mode) và chế độ tế bào (Cell mode).
a. Chế độ hoạt động khung MPLS
Chế độ hoạt động này xuất hiện khi sử dụng MPLS trong môi trờng các thiết bị định tuyến chỉ điều khiển các
gói tin IP điểm-điểm. Các gói tin gán nhãn đợc chuyển tiếp trên cơ sở khung lớp 2.
Hình 2.3: Mạng MPLS trong chế độ hoạt động khung
Cấu trúc của LSR biên trong chế độ hoạt động khung đ- ợc thể hiện ở hình trên
Trao đổi thơng tin định tuyến với bộ định tuyến khác Trao đổi gán nhãn với bộ định tuyến khác Mảng số liệu tại nút Mảng điều khiển tại nút
Giao thức định tuyến IP
Bảng định tuyến IP Điều khiển định tuyến IP
MPLS
Cơ sở dữ liệu chuyển tiếp (FIB)
Cơ sở dữ liệu nhãn chuyển tiếp (LFIB) Cơ sở dữ liệu nhãn
Q trình chuyển tiếp một gói IP qua mạng MPLS
đợc thực hiện qua một số bớc cơ bản sau đây:
- LSR biên lối vào nhận gói IP, phân loại gói vào nhóm chuyển tiếp tơng đơng FEC và gán nhãn cho gói với ngăn xếp nhãn tơng ứng FEC đã xác định. Trong trờng hợp định tuyến một địa chỉ đích, FEC sẽ tơng ứng với mạng con đích và việc phân loại gói sẽ đơn giản là việc so sánh bảng định tuyến lớp 3 truyền thống.
- LSR lõi nhận gói có nhãn và sử dụng bảng chuyển tiếp nhãn để thay đổi nhãn lối vào của gói đến với nhãn lối ra t- ơng ứng cùng với vùng FEC ( trong trờng hợp này là mạng con IP).
- Khi LSR biên lối ra của vùng FEC này nhận đợc gói có nhãn nó loại bỏ nhãn và thực hiện việc chuyển tiếp gói IP theo bảng định tuyến lớp 3 truyền thống.
Để minh hoạ hoạt động của MPLS trong chế độ khung, chúng ta xem xét quá trình chuyển đổi nhãn trong mạng MPLS sau khi nhận đợc một gói IP trên hình 2.1
- Sau khi nhận khung PPP lớp 2 từ router biên LSR số 1, LSR lõi 1 lập tức nhận dạng gói nhận đợc là gói có nhãn dựa tên giá trị trờng 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 đợc thay bằng nhãn ra 28 tơng ứng với việc gói tin sẽ đợc chuyển tiếp đến LSR lõi 3.
- Tại LSR lõi 3, nhãn đợc kiểm tra, nhãn số 28 đợc thay bằng nhãn số 37 và cổng ra đợc xác định. Gói tin đợc 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 đợc thực hiện, gói tin đợc chuyển tiếp đến bộ định tuyến tiếp theo ngoài mạng MPLS.
Nh vậy quá trình chuyển đổi nhãn đợc thực hiện trong các LSR lõi dựa trên bảng định tuyến nhãn. Bảng định tuyến này phải đợc cập nhật đầy đủ để đảm bảo mỗi LSR (hay bộ định tuyến) trong mạng MPLS có đầy đủ thơng tin về tất cả các hớng chuyển tiếp. Q trình này xảy ra trớc khi thơng tin đợc truyền trong mạng và thơng thờng gọi là q trình liên kết nhãn (label binding).
Các bớc chuyển mạch trên đợc thực hiện đối với các gói tin có một nhãn hay gói tin có nhiều nhãn (trong trờng hợp sử dụng VPN thơng thờng một nhãn đợc gán cố định cho máy chủ VPN).
Hình 2.4: Bảng định tuyến nhãn LFIB 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 có liên lạc với nhau trong quá trình khai báo thơng qua bản tin Hello. Sau khi bản tin này đợc gửi một phiên giao dịch giữa 2 LSR đợc thực hiện. Thủ tục trao đổi là giao thức LDP.
Ngay sau khi LIB ( cơ sở dữ liệu nhãn) đợc tạo ra trong LSR, nhãn đợc gán cho mỗi FEC mà LSR nhận biết đợc. Đối với trờng hợp chúng ta đang xem xét (định tuyến dựa trên đích unicast) FEC tơng đơng với prefix trong bảng định tuyến IP và bảng chuyển đổi chứa trong LIB. Bảng chuyển đổi định tuyến này đợc cập nhật liên tục khi xuất hiện những tuyến nội vùng mới, nhãn mới sẽ đợc gán cho tuyến mới.
Do LSR gán nhãn cho mỗi tiền tố IP (IP prix) trong bảng định của chúng ngay sau khi tiền tố xuất hiện tronng bảng định tuyến và nhãn là phơng tiện đợc LSR khác nhau sử dụng khi gửi gói tin có nhãn đến chính LSR đó nên phơng pháp gán và phân phối nhãn này đợc gọi là gán nhãn điều khiển độc lập với quá trình phân phối ngợc không yêu cầu.
b. Chế độ hoạt động tế bào MPLS
Là chế độ hoạt động khi triển khai MPLS qua ATM, khi này xuất hiện một số khó khăn sau:
- Hiện tại không tồn tại một cơ chế nào cho việc trao đổi trực tiếp các gói IP giữa 2 nút MPLS cận kề qua giao diện
ATM. Tất cả các số liệu trao đổi qua giao diện ATM phải đợc thực hiện qua kênh ảo ATM .
- Các tổng đài ATM không thể thực hiện việc kiểm tra nhãn hay địa chỉ lớp 3. Khả năng duy nhất của tổng đài ATM là chuyển VC đầu vào sang VC đầu ra của giao diện ra
Nh vậy cần thiết phải xây dựng một số cơ chế để đảm bảo thực thi MPLS qua ATM nh sau:
- Các gói IP trong mảng điều khiển không thể trao đổi trực tiếp qua giao diện ATM. Một kênh ảo VC phải đợc thiết lập giữa 2 nút MPLS cận kề để trao đổi gói thơng tin điều khiển.
- Nhãn trên cùng trong ngăn xếp nhãn phải đợc sử dụng cho các giá trị VPI/VCI.
- Các thủ tục gán và phân phối nhãn phải đợc sửa đổi để đảm bảo các tổng đài ATM không phải kiểm tra địa chỉ lớp 3.
Kết nối trong mảng điều khiển qua giao diện LC-ATM
Cấu trúc MPLS đòi hỏi liên kết thuần IP giữa các mảng điều khiển của các LSR cận kề để trao đổi liên kết nhãn cũng nh các gói điều khiển khác. Cơ cấu trao đổi thông tin đợc thể hiện trong hình 2.6.
ở chế độ hoạt động MPLS khung yêu cầu này đáp ứng một cách đơn giản bởi các thiết bị định tuyến có thể gửi, nhận các gói IP và các gói có nhãn qua bất cứ giao diện chế độ khung nào dù là Lan hay Wan. Tuy nhiên tổng đài ATM khơng có khả năng đó. Để cung cấp kết nối thuần IP giữa các ATM-LSR có 2 cách sau đây:
- Thơng qua kết nối ngồi băng nh kết nối Ethernet giữa các tổng đài. LSR LSR Gói có nhãn đến Giao thức định tuyến IP Bảng định tuyến IP Giao thức báo hiệu MPLS Mảng số liệu Giao thức báo hiệu MPLS Giao thức định tuyến IP Bảng định tuyến IP Giao thức báo hiệu MPLS Mảng số liệu Giao thức báo hiệu MPLS Trao đổi thông tin định tuyến
Trao đổi liên kết nhãn
Các gói nhãn
Gói có nhãn đi
Hình 2.6: Trao đổi thông tin giữa các LSR cận kề
- Thông qua kênh ảo quản lý trong băng tơng tự nh cách mà giao thức ATM Forum thực hiện. Phơng án này có cấu trúc nh hình dới đây.
Hình 2.7: Cơ chế thiết lập kênh ảo điều khiển MPLS
Kênh ảo điều khiển MPLS VC thông thờng sử dụng giá trị VPI/VCI là 0/32 và bắt buộc phải sử dụng phơng pháp đóng gói LLC/SNAP cho các gói IP theo chuẩn RFC 1483. Khi triển khai MPLS trong tổng đài ATM (ATM-LSR) phần điều khiển trung tâm của tổng đài ATM phải hỗ trợ thêm báo hiệu MPLS và giao thức thiết lập kênh VC. Hai loại giao thức này hoạt động song song. Một số loại tổng đài có khả năng hỗ trợ ngay cho những chức năng mới này (nh của Cisco), một số loại khác có thể nâng cấp với phần sụn (Firmware) mới. Trong tr- ờng hợp này, bộ điều khiển MPLS bên ngồi có thể đợc bổ sung vào tổng đài để đảm đơng chức năng mới. Liên lạc giữa tổng đài và bộ điều khiển ngoài này chỉ hỗ trợ các hoạt động đơn giản nh thiết lập kênh VC cịn tồn bộ báo
ATM-LSR biên Mảng điểu khiển MPLS ATM-LSR Mảng điều khiển MPLS trong tổng đài Mảng số liệu Ma trận chuyển mạch ATM ATM-LSR Mảng điều khiển MPLS trong tổng đài Mảng số liệu Ma trận chuyển mạch ATM ATM-LSR biên Mảng điểu khiển MPLS Kênh ảo điều
hiệu MPLS giữa các nút đợc thực hiện bởi bộ điều khiển bên ngoài.
Bảng định tuyến nhãn trong mạng ATM đợc thể hiện trong hình 2.7
Hình 2.8: Bảng định tuyến nhãn LFIB trong mạng ATM
Chuyển tiếp các gói có nhãn qua miền ATM-LSR
Việc chuyển tiếp các gói nhãn qua miền ATM-LSR đợc thực hiện trực tiếp qua các bớc sau:
- ATM-LSR biên lối vào nhận gói có nhãn hoặc không nhãn, thực hiện việc kiểm tra cơ sở dữ liệu chuyển tiếp FIB hay sơ sở dữ liệu chuyển tiếp nhãn LFIB và tìm ra giá trị VPI/VCI đầu ra để sử dụng nh nhãn lối ra. Các gói có nhãn đợc phân chia thành các tế bào ATM và gửi đến ATM-LSR tiếp theo. Giá trị VPI/VCI nội vùng và ngoại vùng là chính xác.
- ATM-LSR tại biên lối ra (khỏi miền ATM-LSR) tái tạo lại các gói có 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 không dựa vào nhãn trên đỉnh của 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 không thay đổi nhãn bên trong các tế bào ATM.
Phân bổ và phân phối nhãn trong miền ATM-LSR
Việc phân bổ và phân phối nhãn trong chế độ hoạt động này có thể sử dụng cơ chế giống nh trong chế độ hoạt động khung.Tuy nhiên nếu triển khai nh vậy sẽ dẫn đến một loạt các hạn chế bởi mỗi nhãn đợc gán qua giao diện LC-ATM t- ơng ứng với một ATM-VC. Vì số lợng kênh VC qua giao diện ATM là hạn chế nên cần giới hạn số lợng VC phân bổ qua LC- ATM ở mức thấp nhất. Để đảm bảo đợc điều đó, các LSR phía sau sẽ đảm nhận trách nhiệm yêu cầu phân bổ và phân phối nhãn qua giao diện LC-ATM. LSR phía sau cần nhãn để gửi gói đến nút tiếp theo phải yêu cầu nhãn từ LSR phía