Trong các giao thức lớp mạng truyền thống, khi một gói đi từ một router đến chặng kế tiếp thì quyết định chuyển tiếp phải được đưa ra độc lập ở mỗi chặng. Việc chọn chặng kế dựa trên việc phân tích header của gói và kết quả chạy giải thuật định tuyến. Một router xem hai gói là thuộc cùng một luồng nếu chúng có cùng prefix địa chỉ mạng bằng cách áp dụng luật “longest prefix match” cho địa chỉ đích của từng gói. Khi gói di chuyển qua mạng, ở mỗi chặng đến lượt mình sẽ lại kiểm tra gói và gán lại vào một luồng.
Công nghệ chuyển mạch nhãn cho phép thay thế chuyển tiếp gói truyền thống theo kiểu chặng đến chặng dựa trên địa chỉ đích bằng kỹ thuật chuyển tiếp hoán đổi nhãn. Kỹ thuật này dựa vào các nhãn có độ dài cố định,
cải thiện được năng lực định tuyến lớp 3, đơn giản hóa việc chuyển gói, cho phép dễ dàng mở rộng và đặc biệt là hỗ trợ kỹ thuật lưu lượng.
Chƣơng 2: ĐỊNH TUYẾN VÀ BÁO HIỆU MPLS 2.1 Định tuyến trong MPLS
MPLS hỗ trợ cả hai kỹ thuật định tuyến: định tuyến từng chặng (hop-by-hop) và định tuyến ràng buộc (constrain-based routing). Định tuyến từng chặng cho phép mỗi nút nhận dạng các FEC và chọn chặng kế cho mỗi FEC một cách độc lập, giống như định tuyến trong mạng IP. Tuy nhiên, nếu muốn triển khai kỹ thuật lưu lượng với MPLS, bắt buộc phải sử dụng kiểu định tuyến ràng buộc.
2.1.1 Định tuyến ràng buộc (Constrain-based Routing)
Định tuyến ràng buộc là một phương tiện để thực hiện xử lý tự động hóa kỹ thuật lưu lượng, khắc phục được các hạn chế của định tuyến theo đích (destination-based routing). Nó xác định các route không chỉ dựa trên topology mạng (thuật toán chọn đường ngắn nhất SPF) mà còn sử dụng các độ đo đặc thù khác như băng thông, trễ, cost và biến động trễ. Giải thuật chọn đường có khả năng tối ưu hóa theo một hoặc nhiều độ đo này, thông thường người ta dùng độ đo dựa trên số lượng chặng và băng thông[3].
Để đường được chọn có số lượng chặng nhỏ nhất nhưng phải đảm bảo băng thông khả dụng trên tất cả các chặng liên kết, quyết định cơ bản như sau: chọn đường ngắn nhất trong số tất cả các đường có băng thông khả dụng thỏa mãn yêu cầu.
Để minh họa hoạt động của định tuyến ràng buộc, xét cấu trúc mạng “con cá” kinh điển như hình 20. Giả sử rằng định tuyến ràng buộc sử dụng số chặng (hop-count) và băng thông khả dụng làm các độ đo. Lưu lượng 600 Kbps được định tuyến trước tiên, sau đó là lưu lượng 500 Kbps và 200 Kbps. Cả 3 loại lưu lượng này đều hướng đến cùng router R4. Ta thấy rằng:
Vì lưu lượng 600 Kbps được định tuyến trước nên nó đi theo đường ngắn nhất là R8-R2-R3-R4-R5.Vì băng thông khả dụng là như nhau trên tất cả các chặng kênh (1 Mbps), nên lưu lượng 600 Kbps chiếm 60% băng thông.
Sau đó, vì băng thông khả dụng của đường ngắn nhất không đủ cho cả 2 lưu lượng 600Kbps và 500 Kbps, nên lưu lượng 500 Kbps được định tuyến đi theo đường mới qua R6 và R7 mặc dù nhiều hơn một chặng so với đường cũ.
Với lưu lượng 200 Kbps tiếp theo, vì vẫn còn băng thông khả dụng trên đường ngắn nhất nên đường này được chọn để chuyển lưu lượng 200 Kbps.
Định tuyến ràng buộc có 2 kiểu online và offline. Kiểu online cho phép các router tính đường cho các LSP bất kỳ lúc nào. Trong kiểu offline, một server tính đường cho các LSP theo định kỳ (chu kỳ có thể được chọn bởi nhà quản trị, thường là vài giờ hoặc vài ngày). Các LSP được báo hiệu thiết lập theo các đường đã được chọn.
2.1.2 Định tuyến tƣờng minh (Explicit Routing)
Định tuyến tường minh (Explicit Routing) là một tập con của định tuyến ràng buộc, trong đó sự ràng buộc là đối tượng tuyến tường minh ER (explicit route)[3].
Tuyến tường minh ER là một danh sách các “nút trừu tượng” (abstract node) mà một đường chuyển mạch nhãn ràng buộc CR-LSP phải đi qua. Nút trừu tượng có thể là một nút (địa chỉ IP) hoặc một nhóm nút (như IP prefix hoặc một AS). Nếu ER chỉ quy định một nhóm trong số các nút mà CR-LSP đi qua thì nó được gọi là tuyến tường minh thả lỏng (loose ER). Ngược lại, nếu ER quy định toàn bộ các nút trên CR-LSP thì được gọi là tuyến tường
minh nghiêm ngặt (strict ER). CR-LSP được mã hóa như là một chuỗi các ER-Hop (chặng tường minh) chứa trong một cấu trúc Type-Length-Value ràng buộc (constraint-based route TLV). Mỗi ER-Hop có thể xác định một nhóm các nút. CR-LSP khi đó bao gồm tất cả các nhóm nút đã được xác định theo thứ tự xuất hiện trong cấu trúc TLV.
2.2 Các chế độ báo hiệu MPLS
2.2.1 Chế độ phân phối nhãn
MPLS cho phép hai chế độ hoạt động của các LSR để phân phối các ánh xạ nhãn, đó là phân phối không cần yêu cầu (Downstream Unsolicited) và phân phối theo yêu cầu (Downstream on Demand). Thuật ngữ downstream ở đây ngụ ý rằng phía downstream sẽ thực hiện gán kết nhãn và thông báo gán kết đó cho phía upstream.
2.2.1.1 Phân phối nhãn không cần yêu cầu (Downstream Unsolicited)
Downstream-LSR phân phối các gán kết nhãn đến upstream-LSR mà không cần có yêu cầu thực hiện việc kết nhãn. Nếu downstream-LSR chính là chặng kế đối với định tuyến IP cho một FEC cụ thể thì upstream-LSR có thể sử dụng kiểu kết nhãn này để chuyển tiếp các gói trong FEC đó đến downstream-LSR.
Hình 21: Phân phối nhãn không cần yêu cầu
2.2.1.2 Phân phối nhãn theo yêu cầu (Downstream on Demand)
Upstream-LSR phải yêu cầu rõ ràng một gán kết nhãn cho một FEC cụ thể thì downstream-LSR mới phân phối. Trong phương thức này, downstream-router không nhất thiết phải là chặng kế đối với định tuyến IP cho FEC đó, điều này rất quan trọng đối với các LSP định tuyến tường minh.
Hình 22: Phân phối nhãn theo yêu cầu
2.2.2 Chế độ duy trì nhãn
Một upstream-LSR có thể nhận các gán kết nhãn cho cùng một FEC X từ nhiều downstream-LSR. Có hai chế độ duy trì các gán kết nhãn nhận được là duy trì nhãn tự do (liberal label retention) và duy trì nhãn bảo thủ (conservative label retention).
2.2.2.1 Duy trì nhãn tự do (liberal label retention)
Phía upstream (LSR1) lưu giữ tất cả các gán kết nhãn nhận được, bất chấp việc downstream-LSR có phải là chặng kế đối với định tuyến IP hay không. Ưu điểm chính của duy trì nhãn tự do là có thể phản ứng nhanh với sự thay đổi định tuyến vì các gán kết nhãn đã có sẵn. Nhược điểm là LSR phải duy trì nhiều gán kết nhãn không dùng và có thể gây ra loop định tuyến tạm thời khi thay đổi định tuyến.
Hình 23: Duy trì nhãn tự do
2.2.2.2 Duy trì nhãn bảo thủ (conservative label retention)
Upstream-LSR hủy tất cả các gán kết nhãn khác, chỉ giữ lại gán kết nhãn gởi từ downstream-LSR đang là chặng kế hiện hành. Chế độ này có ưu
điểm là LSR chỉ cần duy trì số gán kết FEC-nhãn ít hơn, nhưng đáp ứng chậm khi thay đổi định tuyến vì gán kết nhãn mới phải được yêu cầu và phân phối lại. Đây là chế độ thích hợp cho các LSR chỉ hỗ trợ một số lượng nhãn hạn chế (như các chuyển mạch ATM)[3].
Hình 24: Duy trì nhãn bảo thủ
2.2.3 Chế độ điều khiển LSP
Khi một FEC ứng với một prefix địa chỉ được phân phối bởi định tuyến IP, việc thiết lập mối kết hợp giữa các gán kết nhãn tại một LSR có thể thực hiện theo hai cách sau đây:
2.2.3.1 Điều khiển độc lập (independent control)
Khi mỗi LSR nhận dạng ra một FEC thì nó quyết định gán kết ngay một nhãn cho FEC đó và công bố luôn gán kết đó cho các đối tác phân phối nhãn (label distribution peers). Điều này tương tự như định tuyến IP thông thường, ở đó mỗi router ra quyết định độc lập về nơi cần chuyển gói đi. Điều khiển độc lập có ưu điểm là thiết lập LSP nhanh vì việc kết nhãn diễn ra song song giữa nhiều cặp LSR và dòng lưu lượng có thể bắt đầu truyền mà không cần đợi cho tất cả các gán kết nhãn thiết lập xong.
2.2.3.2 Điều khiển tuần tự (odered control)
Một downstream-LSR thực hiện kết nhãn cho một FEC và thông báo gán kết đó chỉ nếu nó là LSR lối ra hoặc nếu nó đã nhận được một gán kết nhãn cho FEC đó từ router hướng downstream của nó. Việc thiết lập LSP tuần tự bắt đầu ở LSR lối ra và diễn ra nối tiếp theo hướng ngược về LSR lối vào. Các LSP định tuyến tường minh bắt buộc phải sử dụng kiểu điều khiển tuần tự và quá trình phân phối nhãn theo chuỗi có thứ tự sẽ tạo ra thời gian trễ trước khi dòng lưu lượng đi trên LSP có thể bắt đầu. Tuy nhiên, điều khiển tuần tự cung cấp phương tiện tránh loop và đạt được mức độ thu gom chắc chắn hơn[1].
Hình 26: Điều khiển tuần tự
2.2.4 Các giao thức phân phối nhãn MPLS
Giao thức phân phối nhãn là một tập các thủ tục mà nhờ nó một LSR có thể thông báo cho một LSR khác biết về các mối gán kết nhãn-FEC mà nó đã tiến hành. Kiến trúc MPLS không chỉ định một giao thức phân phối nhãn duy nhất nào, do đó có thể có nhiều lựa chọn, mỗi giao thức có ưu và nhược điểm riêng. Trong các phần tiếp theo giới thiệu một số giao thức phân phối nhãn được dùng phổ biến.
Bảng 1: Một số giao thức phân phối nhãn trong MPLS
2.3 Giao thức phân phối nhãn LDP (Label Distribution Protocol) Protocol)
LDP được chuẩn hóa trong RFC 3036, nó được thiết kế để thiết lập và duy trì các LSP định tuyến không ràng buộc (unconstraint routing). Vùng hoạt động của LDP có thể là giữa các LSR láng giềng (neighbor) trực tiếp hoặc gián tiếp[1].
Hình 27: Vùng hoạt động của LDP
2.3.1 Hoạt động của LDP
LDP có 4 chức năng chính là phát hiện LSR láng giềng (Neighbor discovery), thiết lập và duy trì phiên, quảng bá nhãn (label advertisement) và thông báo (Notification).Tương ứng với các chức năng trên, có 4 lớp thông điệp LDP sau đây[1]:
Discovery: Để trao đổi định kỳ bản tin Hello nhằm loan báo và kiểm tra một LSR kết nối gián tiếp hoặc trực tiếp.
Session: Để thiết lập, thương lượng các thông số cho việc khởi tạo, duy trì và chấm dứt các phiên ngang hàng LDP. Nhóm này bao gồm bản tin Initialization, KeepAlive.
Advertisement: Để tạo ra, thay đổi hoặc xóa các ánh xạ FEC tới nhãn. Nhóm này bao gồm bản tin Label Mapping, Label Withdrawal, Label Release, Label Request, Label Request Abort.
Notification: Để truyền đạt các thông tin trạng thái, lỗi hoặc cảnh báo. Các thông điệp Discovery được trao đổi trên UDP. Các kiểu thông điệp còn lại đòi hỏi phân phát tin cậy nên dùng TCP. Trường hợp hai LSR có kết nối lớp 2 trực tiếp thì thủ tục phát hiện neighbor trực tiếp như sau:
Một LSR định kỳ gửi đi bản tin Hello tới các cổng UDP 646 địa chỉ multicast (tất cả các router trong subnet).
Tất cả các LSR tiếp nhận bản tin Hello này trên cổng UDP. Đến một thời điểm nào đó LSR sẽ biết được tất cả các LSR khác mà nó có kết nối trực tiếp.
Khi LSR nhận biết được địa chỉ của LSR khác bằng cơ chế này thì nó sẽ thiết lập kết nối TCP đến LSR đó. Khi đó phiên LDP được thiết lập giữa 2 LSR.
Phiên LDP là phiên song hướng nên mỗi LSR ở hai đầu kết nối đều có thể yêu cầu và gửi liên kết nhãn.
Trong trường hợp hai LSR không có kết nối lớp 2 trực tiếp (neighbor gián tiếp) thì LSR định kỳ gửi bản tin Hello đến cổng UDP đã biết tại địa chỉ IP xác định được khai báo khi lập cấu hình. Đầu nhận bản tin này có thể trả lời lại bằng bản tin Hello khác và việc thiết lập các phiên LDP được thực hiện như trên.
2.3.2 Cấu trúc thông điệp LDP
Trao đổi thông điệp LDP thực hiện bằng cách gởi các LDP-PDU (Protocol Data Unit) thông qua các phiên LDP trên kết nối TCP. Mỗi LDP- PDU có thể mang một hoặc nhiều thông điệp, và các thông điệp này không nhất thiết phải có liên quan với nhau.
2.3.2.1 LDP PDU
Mỗi PDU của LDP bao gồm một header LDP và theo sau là một hoặc nhiều thông điệp LDP. Phần header LDP có dạng như sau:
Hình 29: LDP header
PDU Length (2 octet): số nguyên chỉ chiều dài của PDU theo octet, không tính trường Version và PDU Length. LDP Identifier (6 octet): xác định không gian nhãn được cấp phát. Bốn octet đầu là giá trị duy nhất toàn cục nhận dạng LSR, như địa chỉ IP (router ID) được gán cho LSR. Hai octets sau xác định một không gian nhãn bên trong LSR. Hai octets này được set về 0 cho không gian nhãn “per-platform”.
2.3.2.2 Định dạng thông điệp LDP [1]
Hình 30: Format thông điệp LDP
Bit U: Bit “Unknown”, luôn là 0 vì đặc tả LDP không có kiểu bản tin Unknown.
Bảng sau là các giá trị định nghĩa trường Message Type:
Bảng 2: Các loại bản tin LDP
Message Length : Chiều dài của các trường sau Message Length tính theo octet (gồm Message ID, các tham số bắt buộc và tùy chọn). Message ID đôi khi được dùng để liên kết một số bản tin với các bản tin khác, ví dụ một bản tin đáp ứng sẽ có cùng Message ID với bản tin yêu cầu tương ứng. Các tham số bắt buộc và tùy chọn phụ thuộc vào các loại bản tin được gởi, chúng thường dùng kiểu mã hóa TLV (Type-Length-Value) . Nói chung, mọi thứ xuất hiện trong một thông điệp LDP có thể được mã hóa kiểu TLV, tuy nhiên đặc tả LDP không phải lúc nào cũng sử dụng lược đồ TLV.
2.3.3 Các bản tin LDP [1]
- Hello : Được trao đổi trong suốt quá trình hoạt động LDP như trình bày ở trên.
- Initialization : Được gửi khi bắt đầu một phiên LDP giữa 2 LSR để trao đổi các tham số, các tùy chọn cho phiên. Các tham số này bao gồm:
Chế độ phân bổ nhãn.
Các giá trị bộ định thời.
Phạm vi các nhãn sử dụng trong kênh giữa 2 LSR đó.
Cả 2 LSR đều có thể gửi các bản tin Initialization và LSR nhận sẽ trả lời bằng KeepAlive nếu các tham số được chấp nhận. Nếu có một tham số nào đó không được chấp nhận thì LSR trả lời thông báo có lỗi và phiên kết thúc. - KeepAlive : Được gửi định kỳ khi không còn bản tin nào cần gửi để đảm bảo cho mỗi thành phần LDP biết rằng thành phần LDP khác đang hoạt động tốt. Trường hợp không xuất hiện bản tin KeepAlive hay một số bản tin LDP khác trong khoảng thời gian nhất định thì LSR sẽ xác định đối tác LDP hỏng hoặc kết nối có sự cố và phiên LDP chấm dứt.
- Label Mapping : Được sử dụng để quảng bá gán kết giữa FEC và nhãn. - Label Withdrawal : Thực hiện quá trình ngược lại với bản tin Label Mapping.
Nó được sử dụng để xóa bỏ gán kết đã thực hiện trong Label Mapping. Bản tin này được sử dụng trong trường hợp :
Khi có sự thay đổi trong bảng định tuyến (thay đổi prefix địa chỉ), lúc đó LSR không còn nhận ra FEC này nữa.
Thay đổi trong cấu hình LSR làm tạm dừng việc chuyển nhãn các gói trong FEC đó.
- Label Release : Được sử dụng bởi LSR khi nhận được chuyển đổi nhãn mà nó không cần thiết nữa. Điều đó thường xảy ra khi LSR giải phóng nhận thấy nút tiếp theo cho FEC không phải là LSR quảng bá liên kết nhãn/FEC đó. - Label Request : Sử dụng trong chế độ hoạt động gán nhãn theo yêu cầu, LSR sẽ yêu cầu gán nhãn từ LSR kế cận phía downstream bằng bản tin này.
- Label Request Abort : Nếu bản tin Label Request cần phải hủy bỏ trước khi được chấp nhận (do nút kế tiếp trong FEC yêu cầu đã thay đổi), thì LSR yêu cầu sẽ loại bỏ yêu cầu trước đó bằng bản tin Label Request Abort.
2.3.4 LDP điều khiển độc lập và phân phối theo yêu cầu
Ví dụ dưới đây minh họa việc sử dụng bản tin Label Request và Label Mapping trong chế độ công bố nhãn theo yêu cầu và điều khiển LSP độc lập. Trình tự thời gian trao đổi các bản tin LDP giữa các đối tác (peer) thiết lập một