LUẬN VĂN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG KỸ THUẬT LƯU LƯỢNG TRONG MPLS

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
CƠ SỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
oOo







KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Ngành: Điện Tử - Viễn Thông Hệ: Tại chức
Niên khóa: 2005 - 2007



Đề tài
:

KỸ THUẬT LƯU LƯNG TRONG MPLS

Mã số:
40536007006

Giáo viên hướng dẫn : ThS. NGUYỄN XUÂN KHÁNH
Sinh viên thực hiện : VÕ MINH ĐỨC
Lớp : D05VTH1







Năm 2007
MSĐT: 40536007006 Đề tài: Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS

- i -
MỞ ĐẦU
Sự phát triển nhanh chóng các dòch vụ IP và sự bùng nổ Internet đã dẫn đến một loạt
thay đổi trong nhận thức kinh doanh của các nhà khai thác. Lưu lượng lớn nhất hiện nay
trên mạng trục là lưu lượng IP. Giao thức IP thống trò toàn bộ các giao thức lớp mạng, hệ
quả là tất cả các xu hướng phát triển công nghệ lớp dưới đều hỗ trợ cho IP. Nhu cầu thò
trường cấp bách cho mạng tốc độ cao với chi phí thấp là cơ sở cho một loạt các công nghệ
mới ra đời, trong đó có MPLS.
Trong 5 năm gần đây là khoảng thời gian mà công nghệ MPLS đã chứng minh được
tính ứng dụng thực tiễn các tính năng vượt trội của nó so với các công nghệ chuyển mạch
truyền thống khác như ATM. Tập đoàn BCVT Việt Nam đã lựa chọn IP/MPLS làm công
nghệ cho lớp chuyển tải mạng NGN đang triển khai trên phạm vi toàn quốc. Một trong
những ưu điểm lớn nhất của MPLS là ở khả năng thực hiện kỹ thuật lưu lượng. Đây cũng

là đối tượng nghiên cứu chính của sinh viên khi thực hiện đề tài này.
Đề tài được tổ chức thành 4 chương với các nội dung chính như sau:
Chương 1 - Chuyển mạch nhãn đa giao thức : Giới thiệu tổng quan công nghệ
MPLS, các khái niệm cơ bản, kiến trúc chức năng và cơ chế hoạt động của MPLS.
Chương 2 - Đònh tuyến và báo hiệu MPLS : Trình bày các kỹ thuật đònh tuyến được
hỗ trợ bởi MPLS, các chế độ báo hiệu và một số giao thức báo hiệu phân phối nhãn của
MPLS.
Chương 3 - Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS : Trình bày các khái niệm và mục tiêu
của kỹ thuật lưu lượng, khả năng và các cơ chế thực hiện kỹ thuật lưu lượng của MPLS.
Nội dung tập trung vào vấn đề ánh xạ lưu lượng lên topology vật lý, tức là tính toán
đường đi tốt nhất qua mạng của lưu lượng sao cho mạng hoạt động hiệu quả và tin cậy.
Các vấn đề bảo vệ khôi phục đường - một trong những nhiệm vụ của kỹ thuật lưu lượng
cũng được trình bày trong chương này.
Chương 4 - Mô phỏng MPLS-TE và đánh giá : Sinh viên báo cáo kết quả thực hiện
mô phỏng MPLS-TE trên máy tính với phần mềm NS-2 để làm rõ cơ chế thực hiện kỹ
thuật lưu lượng của MPLS. Các mô hình bảo vệ khôi phục lưu lượng của MPLS cũng được
mô phỏng trong phần này.
Sản phẩm giao nộp kèm theo đề tài gồm 07 chương trình viết bằng tập lệnh NS-2
(tương ứng với 07 bài mô phỏng MPLS-TE). Mã nguồn của các chương trình này có in
trong phần phụ lục của đề tài và trong CD-ROM sản phẩm.
Sinh viên rất mong nhận được các ý kiến đóng góp của quý thầy cô, đồng nghiệp để
hoàn thiện thêm kiến thức trong lónh vực này. Qua đây, sinh viên bày tỏ sự tri ân sâu sắc
đến ThS. Nguyễn Xuân Khánh, giáo viên hướng dẫn đã giúp đỡ trong suốt quá trình thực
hiện đề tài.


MSĐT: 40536007006 Đề tài: Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS

- ii -

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC MPLS 1
1.1 Tổng quan 1
1.1.1 Tính thông minh phân tán 1
1.1.2 MPLS và mô hình tham chiếu OSI 1
1.2 Các khái niệm cơ bản trong MPLS 2
1.2.1 Miền MPLS (MPLS domain) 2
1.2.2 Lớp chuyển tiếp tương đương (FEC) 3
1.2.3 Nhãn và Stack nhãn 4
1.2.4 Hoán đổi nhãn (Label Swapping) 4
1.2.5 Đường chuyển mạch nhãn LSP (Label Switched Path) 4
1.2.6 Chuyển gói qua miền MPLS 5
1.3 Mã hóa nhãn và các chế độ đóng gói nhãn MPLS 6
1.3.1 Mã hóa stack nhãn 6
1.3.2 Chế độ Frame 7
1.3.3 Chế độ Cell 8
1.4 Cấu trúc chức năng MPLS 9
1.4.1 Kiến trúc một nút MPLS (LER và LSR) 9
1.4.2 Mặt phẳng chuyển tiếp (mặt phẳng dữ liệu) 10
1.4.3 Mặt phẳng điều khiển 11
1.5 Hoạt động chuyển tiếp MPLS 12
1.5.1 Hoạt động trong mặt phẳng chuyển tiếp 12
1.5.2 Gỡ nhãn ở hop áp cuối PHP (Penultimate Hop Popping) 13
1.5.3 Một ví dụ hoạt động chuyển tiếp gói 13
1.6 Ưu điểm và ứng dụng của MPLS 14
1.6.1 Đơn giản hóa chức năng chuyển tiếp 14
1.6.2 Kỹ thuật lưu lượng 14
1.6.3 Đònh tuyến QoS từ nguồn 14
1.6.4 Mạng riêng ảo VPN 14
1.6.5 Chuyển tiếp có phân cấp (Hierachical forwarding) 15

1.6.6 Khả năng mở rộng (Scalability) 15
1.7 Tổng kết chương 15
CHƯƠNG 2: ĐỊNH TUYẾN VÀ BÁO HIỆU MPLS 16
2.1 Đònh tuyến trong MPLS 16
2.1.1 Đònh tuyến ràng buộc (Constrain-based Routing) 16
2.1.2 Đònh tuyến tường minh (Explicit Routing) 17
2.2 Các chế độ báo hiệu MPLS 17
2.2.1 Chế độ phân phối nhãn 17
2.2.2 Chế độ duy trì nhãn 18
MSĐT: 40536007006 Đề tài: Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS

- iii -

2.2.3 Chế độ điều khiển LSP 19
2.2.4 Các giao thức phân phối nhãn MPLS 20
2.3 Giao thức LDP (Label Distribution Protocol) 21
2.3.1 Hoạt động của LDP 21
2.3.2 Cấu trúc thông điệp LDP 22
2.3.3 Các bản tin LDP 24
2.3.4 LDP điều khiển độc lập và phân phối theo yêu cầu 24
2.4 Giao thức CR-LDP (Constrain-based routing LDP) 25
2.4.1 Mở rộng cho đònh tuyến ràng buộc 25
2.4.2 Thiết lập một CR-LSP (Constrain-based routing LSP) 26
2.4.3 Tiến trình dự trữ tài nguyên 27
2.5 Giao thức RSVP-TE (RSVP Traffic Engineering) 28
2.5.1 Các bản tin thiết lập dự trữ RSVP 28
2.5.2 Các bản Tear Down, Error và Hello của RSVP-TE 29
2.5.3 Thiết lập tuyến tường minh điều khiển tuần tự theo yêu cầu 29
2.5.4 Giảm lượng overhead làm tươi RSVP 30
2.6 Giao thức BGP 31

2.6.1 BGPv4 và mở rộng cho MPLS 31
2.6.2 Kết nối MPLS qua nhiều nhà cung cấp dòch vụ 32
2.7 Tổng kết chương 33
CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT LƯU LƯNG TRONG MPLS 34
3.1 Kỹ thuật lưu lượng (Traffic Engineering) 34
3.1.1 Các mục tiêu triển khai kỹ thuật lưu lượng 34
3.1.2 Các lớp dòch vụ dựa trên nhu cầu QoS và các lớp lưu lượng 35
3.1.3 Hàng đợi lưu lượng 35
3.1.4 Giải thuật thùng rò và thùng token 37
3.1.5 Giải pháp mô hình chồng phủ (Overlay Model) 39
3.2 MPLS và kỹ thuật lưu lượng 40
3.2.1 Khái niệm trung kế lưu lượng (traffic trunk) 40
3.2.2 Đồ hình nghiệm suy (Induced Graph) 40
3.2.3 Bài toán cơ bản của kỹ thuật lưu lượng trên MPLS 41
3.3 Trung kế lưu lượng và các thuộc tính 41
3.3.1 Các hoạt động cơ bản trên trung kế lưu lượng 41
3.3.2 Thuộc tính tham số lưu lượng (Traffic Parameter) 42
3.3.3 Thuộc tính lựa chọn và quản lý đường (chính sách chọn đường) 42
3.3.4 Thuộc tính ưu tiên / lấn chiếm (Priority/Preemption) 43
3.3.5 Thuộc tính đàn hồi (Resilience) 43
3.3.6 Thuộc tính khống chế (Policing) 43
3.4 Các thuộc tính tài nguyên 44
3.4.1 Bộ nhân cấp phát cực đại (maximum allocation multiplier) 44
3.4.2 Lớp tài nguyên (Resource-Class) 44
3.4.3 TE Metric 44

MSĐT: 40536007006 Đề tài: Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS

- iv -

3.5 Tính toán đường ràng buộc 45
3.5.1 Quảng bá các thuộc tính của link 45
3.5.2 Tính toán LSP ràng buộc (CR-LSP) 46
3.5.3 Giải thuật chọn đường 46
3.5.4 Ví dụ về chọn đường cho trung kế lưu lượng 46
3.5.5 Tái tối ưu hóa (Re-optimization) 48
3.6 Bảo vệ và khôi phục đường 49
3.6.1 Phân loại các cơ chế bảo vệ khôi phục 49
3.6.2 Mô hình Makam 50
3.6.3 Mô hình Haskin (Reverse Backup) 51
3.6.4 Mô hình Hundessa 51
3.6.5 Mô hình Shortest-Dynamic 51
3.6.6 Mô hình Simple-Dynamic 52
3.6.7 Mô hình Simple-Static 52
3.7 Tổng kết chương 53
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG MPLS-TE VÀ ĐÁNH GIÁ 54
4.1 Phương pháp và công cụ mô phỏng 54
4.1.1 Phương pháp phân tích 54
4.1.2 Chuẩn bò công cụ mô phỏng 55
4.2 Nội dung và kết quả mô phỏng 55
4.2.1 Mô phỏng mạng IP không hỗ trợ MPLS 56
4.2.2 Mô phỏng đònh tuyến ràng buộc trong mạng MPLS 57
4.2.3 Mô phỏng hoạt động lấn chiếm (Preemption) với các độ ưu tiên 60
4.2.4 Mô phỏng khôi phục đường theo cơ chế Makam 61
4.2.5 Mô phỏng khôi phục đường theo cơ chế Haskin (Reverse Backup) 63
4.2.6 Mô phỏng khôi phục đường theo cơ chế Shortest-Dynamic 64
4.2.7 Mô phỏng khôi phục đường theo cơ chế Simple-Dynamic 66
4.3 Tổng kết chương 67
KẾT LUẬN 68
PHỤ LỤC: MÃ NGUỒN CÁC CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
TÀI LIỆU THAM KHẢO

MSĐT: 40536007006 Đề tài: Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS

- v -

DANH MỤC HÌNH

Hình 1: MPLS và mô hình tham chiếu OSI 1
Hình 2: So sánh giữa chuyển tiếp IP và chuyển tiếp MPLS 2
Hình 3: Miền MPLS 2
Hình 4: Upstream và downstream LSR 3
Hình 5: Lớp chuyển tiếp tương đương trong MPLS 3
Hình 6: Stack nhãn 4
Hình 7: Đường chuyển mạch nhãn LSP 5
Hình 8: Phân cấp LSP trong MPLS 5
Hình 9: Gói IP đi qua mạng MPLS 6
Hình 10: Đònh dạng một entry trong stack nhãn MPLS 6
Hình 11: Shim header được “chêm” vào giữa header lớp 2 và lớp 3 7
Hình 12: Nhãn trong chế độ cell ATM 8
Hình 13: Đóng gói (encapsulation) gói có nhãn trên link ATM 8
Hình 14: Cấu trúc của LER và transit-LSR 9
Hình 15: FTN, ILM và NHLFE 10
Hình 16: Quá trình chuyển tiếp một gói đến hop kế 11
Hình 17: Một ví dụ NHLFE 11
Hình 18: Bên trong mặt phẳng chuyển tiếp MPLS 12
Hình 19: Ví dụ hoạt động chuyển tiếp gói 13
Hình 20: Một ví dụ đònh tuyến ràng buộc 16
Hình 21: Phân phối nhãn không cần yêu cầu 18

Hình 22: Phân phối nhãn theo yêu cầu 18
Hình 23: Duy trì nhãn tự do 18
Hình 24: Duy trì nhãn bảo thủ 19
Hình 25: Điều khiển độc lập 19
Hình 26: Điều khiển tuần tự 20
Hình 27: Vùng hoạt động của LDP 21
Hình 28: Trao đổi thông điệp LDP 22
Hình 29: LDP header 22
Hình 30: Format thông điệp LDP 23
Hình 31: Ví dụ LDP chế độ điều khiển độc lập theo yêu cầu 25
Hình 32: Thiết lập LSP với CR-LDP 26
Hình 33: Tiến trình dự trữ tài nguyên 27
Hình 34: Thiết lập LSP với RSVP-TE 30
Hình 35: Nội dung bản tin BGP Update 31
Hình 36: BGP phân phối nhãn qua nhiều Autonomous System 32
Hình 37: Nhiều luồng cho mỗi lớp lưu lượng 36
Hình 38: Hàng đợi CQ 36
Hình 39: Hàng đợi PQ 37
Hình 40: Giải thuật thùng rò 38


MSĐT: 40536007006 Đề tài: Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS

- vi -

Hình 41: Giải thuật thùng token 38
Hình 42: Mô hình chồng phủ (Overlay Model) 39
Hình 43: Các trung kế lưu lượng 40
Hình 44: Một ví dụ băng thông dự trữ cho từng mức ưu tiên 44
Hình 45: Minh họa cách dùng bit Affinity và Resource-Class 44

Hình 46: Băng thông khả dụng ứng với từng mức ưu tiên 45
Hình 47: Xem xét các ràng buộc khống chế 47
Hình 48: Xem xét tài nguyên khả dụng 47
Hình 49: Chọn đường tốt nhất 48
Hình 50: Mô hình Makam 50
Hình 51: Mô hình Haskin 51
Hình 52: Mô hình Shortest-Dynamic 52
Hình 53: Mô hình Simple-Dynamic 52
Hình 54: Dữ liệu đầu vào và kết xuất của NS 54
Hình 55: Topology vật lý mạng thực hiện mô phỏng 55
Hình 56: Kết quả băng thông nhận được ở bài 1 56
Hình 57: Mô phỏng trực quan bài 1 trong cửa sổ NAM 57
Hình 58: Kết quả băng thông nhận được ở bài 2 58
Hình 59: Mô phỏng trực quan bài 2 trong cửa sổ NAM 58
Hình 60: Xuất nội dung bảng LIB ở các LSR ra màn hình console 59
Hình 61: Kết quả băng thông nhận được ở bài 3 60
Hình 62: Mô phỏng trực quan bài 3 trong cửa số NAM 61
Hình 63: Kết quả băng thông nhận được ở bài 4 62
Hình 64: Đường đi của lưu lượng trước thời điểm sự cố 62
Hình 65: Đường đi của lưu lượng sau thời điểm sự cố (Makam) 63
Hình 66: Kết quả băng thông nhận được ở bài 5 64
Hình 67: Đường đi của lưu lượng sau thời điểm sự cố (Haskin) 64
Hình 68: Kết quả băng thông nhận được ở bài 6 65
Hình 69: Đường đi của lưu lượng sau thời điểm sự cố (Shortest-Dynamic) 65
Hình 70: Kết quả băng thông nhận được ở bài 7 66
Hình 71: Đường đi của lưu lượng sau thời điểm sự cố (Simple-Dynamic) 67



MSĐT: 40536007006 Chương 1: Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS

Trang 1
Chương 1:
CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC MPLS
1.1 Tổng quan
MPLS là viết tắt của “Multi-Protocol Label Switching”. Thuật ngữ multi-protocol
để nhấn mạnh rằng công nghệ này áp dụng được cho tất cả các giao thức lớp mạng
chứ không chỉ riêng có IP. MPLS cũng hoạt động tốt trên bất kỳ các giao thức lớp liên
kết. Đây là một công nghệ lai kết hợp những đặc tính tốt nhất của đònh tuyến lớp 3
(Layer 3 routing) và chuyển mạch lớp 2 (Layer 2 switching).
1.1.1 Tính thông minh phân tán
Trong mạng chuyển mạch kênh, tính thông minh chủ yếu tập trung ở mạng lõi
(core). Tất cả những thiết bò thông minh nhất đều đặt trong mạng lõi như các tổng đài
toll, transit, MSC… Các thiết bò kém thông minh hơn thì đặt ở mạng biên (edge), ví dụ
như các tổng đài nội hạt, truy nhập…
Trong mạng gói IP, tính thông minh gần như chia đều cho các thiết bò trong mạng.
Tất cả các router đều phải làm hai nhiệm vụ là đònh tuyến và chuyển mạch. Đây là ưu
điểm nhưng cũng là nhược điểm của IP.
Quan điểm của MPLS là tính thông minh càng đưa ra biên thì mạng càng hoạt
động tốt. Lý do là những thành phần ở mạng lõi phải chòu tải rất cao. Thành phần
mạng lõi nên có độ thông minh thấp và năng lực chuyển tải cao. MPLS phân tách hai
chức năng đònh tuyến và chuyển mạch: Các router ở biên thực hiện đònh tuyến và gắn
nhãn (label) cho gói. Còn các router ở mạng lõi chỉ tập trung làm nhiệm vụ chuyển
tiếp gói với tốc độ cao dựa vào nhãn. Tính thông minh được đẩy ra ngoài biên là một
trong những ưu điểm lớn nhất của MPLS.
1.1.2 MPLS và mô hình tham chiếu OSI


Hình 1: MPLS và mô hình tham chiếu OSI

Network Access

Internet / Networking
Transport

Application
TCP/IP model

Network Access
Internet / Networking
Transport

Application
IP/MPLS model

Label switching

Physical
DataLink
Network
Transport
Session
Presentation
Application
OSI model

Layer 7
Layer 6
Layer 5
Layer 4
Layer 3

Layer 1
MSĐT: 40536007006 Chương 1: Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS
Trang 2
MPLS được xem như là một công nghệ lớp đệm (shim layer), nó nằm trên lớp 2
nhưng dưới lớp 3, vì vậy đôi khi người ta còn gọi nó là lớp 2,5.


Hình 2: So sánh giữa chuyển tiếp IP và chuyển tiếp MPLS
Nguyên lý của MPLS là tất cả các gói IP sẽ được gắn nhãn (label) và chuyển tiếp
theo một đường dẫn LSP (Label Switched Path). Các router trên đường dẫn chỉ căn cứ
vào nội dung của nhãn để thực hiện quyết đònh chuyển tiếp gói mà không cần phải
kiểm tra header IP.
1.2 Các khái niệm cơ bản trong MPLS
1.2.1 Miền MPLS (MPLS domain)
RFC 3031 mô tả miền MPLS là “một tập hợp các nút mạng thực hiện hoạt động
đònh tuyến và chuyển tiếp MPLS”. Một miền MPLS thường được quản lý và điều khiển
bởi một nhà quản trò.

Hình 3: Miền MPLS
LER
LER
LER
LER
LER
LSR
LSR
LSR
L
abel Switching Router
(core LSR)

CORE

Label Egde

Router (LER)
MSĐT: 40536007006 Chương 1: Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS
Trang 3
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 4: Upstream và downstream LSR
Thuật ngữ upstream-LSR và downstream-LSR cũng được dùng, phụ thuộc vào chiều
của luồng lưu lượng. Các tài liệu MPLS thường dùng ký hiệu Ru để biểu thò cho
upstream-LSR và dùng ký hiệu Rd để biểu thò cho downstream-LSR.
1.2.2 Lớp chuyển tiếp tương đương (FEC)
Lớp chuyển tiếp tương đương FEC (Forwarding Equivalence Class) là một tập hợp
các gói được đối xử như nhau bởi một LSR. Như vậy, FEC là một nhóm các gói IP
được chuyển tiếp trên cùng một đường chuyển mạch nhãn LSP, được đối xử theo cùng
một cách thức và có thể ánh xạ vào một nhãn bởi một LSR cho dù chúng có thể khác
nhau về thông tin header lớp mạng. Hình dưới cho thấy cách xử lý này.

Hình 5: Lớp chuyển tiếp tương đương trong MPLS

A là upstream
của B

C

B là downstream của A

và là upstream của C

C là downstream
của B

Chiều l
uồng gói


C

B

A

A

B
C
D
Egress LER

IP1 L1

IP2 L1

IP1
IP2
Các gói tin đến v
ới
pre
fix khác nhau nhưng có
thể gộp chung một FEC

D

IP1 L2

IP2 L2

IP1 L3

IP2 L3

IP1
IP2

C

B

A

LSR

Ingress LER

LSR

MSĐT: 40536007006 Chương 1: Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS
Trang 4
1.2.3 Nhãn và Stack nhãn
RFC 3031 đònh nghóa nhãn là “một bộ nhận dạng có độ dài ngắn và cố đònh, mang
ý nghóa cục bộ dùng để nhận biết một FEC”. Nhãn được “dán” lên một gói để báo cho
LSR biết gói này cần đi đâu. Phần nội dung nhãn có độ dài 20 bit không cấu trúc, như
vậy số giá trò nhãn có thể có là 2
20
(hơn một triệu giá trò). Giá trò nhãn đònh nghóa chỉ
mục (index) để dùng trong bảng chuyển tiếp.
Một gói lại có thể được “dán chồng” nhiều nhãn, các nhãn này chứa trong một nơi
gọi là stack nhãn (label stack). Stack nhãn là một tập hợp gồm một hoặc nhiều entry
nhãn tổ chức theo nguyên tắc LIFO. Tại mỗi hop trong mạng chỉ xử lý nhãn hiện hành
trên đỉnh stack. Chính nhãn này sẽ được LSR sử dụng để chuyển tiếp gói.

Hình 6: Stack nhãn
Nếu gói tin chưa có nhãn thì stack nhãn là rỗng (độ sâu của stack nhãn bằng 0).
Nếu stack có chiều sâu là d thì mức 1 sẽ ở đáy stack (bit S trong entry nhãn đặt lên 1)
và mức d sẽ ở đỉnh của stack. Một entry nhãn có thể được đặt thêm vào (push) hoặc
lấy ra (pop) khỏi stack.
1.2.4 Hoán đổi nhãn (Label Swapping)
Hoán đổi nhãn là cách dùng các thủ tục để chuyển tiếp gói. Để chuyển tiếp gói có
nhãn, LSR kiểm tra nhãn trên đỉnh stack và dùng ánh xạ ILM (Incoming Label Map)
để ánh xạ nhãn này tới một entry chuyển tiếp nhãn NHLFE (Next Hop Label

Forwarding Entry). Sử dụng thông tin trong NHLFE, LSR xác đònh ra nơi để chuyển
tiếp gói và thực hiện một tác vụ trên stack nhãn. Rồi nó mã hóa stack nhãn mới vào
gói và chuyển gói đi.
Chuyển tiếp gói chưa có nhãn cũng tương tự nhưng xảy ra ở ingress-LER. LER
phải phân tích header lớp mạng để xác đònh FEC rồi sử dụng ánh xạ FTN (FEC-to-
NHLFE) để ánh xạ FEC vào một NHLFE.
1.2.5 Đường chuyển mạch nhãn LSP (Label Switched Path)
Đường chuyển mạch nhãn LSP là một đường nối giữa router ngỏ vào và router ngỏ
ra, được thiết lập bởi các nút MPLS để chuyển các gói đi xuyên qua mạng. Đường dẫn
của một LSP qua mạng được đònh nghóa bởi sự chuyển đổi các giá trò nhãn ở các LSR
dọc theo LSP bằng cách dùng thủ tục hoán đổi nhãn. Khái niệm LSP tương tự như
khái niệm mạch ảo (VC) trong ATM.
Label-Stack Entry
Label-Stack Entry
Label-Stack Entry
Label-Stack Entry
Mức d

Mức 1

Mức 2

Mức d
-
1

Đỉnh stack

Đáy stack

(bit S=1)
MSĐT: 40536007006 Chương 1: Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS
Trang 5

Hình 7: Đường chuyển mạch nhãn LSP
Kiến trúc MPLS cho phép phân cấp các LSP, tương tự như ATM sử dụng VPI và
VCI để tạo ra phân cấp kênh ảo (VC) nằm trong đường ảo (VP). Tuy nhiên ATM chỉ
có thể hỗ trợ 2 mức phân cấp, trong khi với MPLS thì số mức phân cấp cho phép rất
lớn nhờ khả năng chứa được nhiều entry nhãn trong stack nhãn. Về lý thuyết, giới hạn
số lượng nhãn trong stack phụ thuộc giá trò MTU (Maximum Transfer Unit) của các
giao thức lớp liên kết được dùng dọc theo một LSP.


Hình 8: Phân cấp LSP trong MPLS
1.2.6 Chuyển gói qua miền MPLS
Sau đây là một ví dụ đơn giản minh họa quá trình truyền gói IP đi qua miền MPLS.
Gói tin IP khi đi từ ngoài mạng vào trong miền MPLS được router A đóng vai trò là
một ingress-LER sẽ gán nhãn có giá trò là 6 cho gói IP rồi chuyển tiếp đến router B.
Router B dựa vào bảng hoán đổi nhãn để kiểm tra nhãn của gói tin. Nó thay giá trò
nhãn mới là 3 và chuyển tiếp đến router C. Tại C, việc kiểm tra cũng tương tự như ở B
và sẽ hoán đổi nhãn, gán cho gói tin một nhãn mới là 9 và tiếp tục được đưa đến
router D.
Ingress LER

push L1
LSR

swap L1, L2
LSR

swap L2, L3
Egress LER

pop L3
LSP (Label Switched Path)
A

B
C
D
D


C

B

A

IP L1

IP IP L2

IP L3

IP
IP 1
L1

LSP3

LSP1

LSP2
IP 2
L2

IP 1
L1

IP 2
L2

IP 1
L1

L3

IP 2
L2

L3

MSĐT: 40536007006 Chương 1: Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS
Trang 6

Hình 9: Gói IP đi qua mạng MPLS
Router D đóng vai trò egress-LER sẽ kiểm tra trong bảng hoán đổi nhãn và gỡ bỏ
nhãn 9 ra khỏi gói tin rồi đònh tuyến gói IP một cách bình thường đi ra khỏi miền
MPLS. Với kiểu làm việc này thì các LSR trung gian như router B và C sẽ không phải
thực hiện kiểm tra toàn bộ header IP của gói tin mà nó chỉ việc kiểm tra các giá trò

của nhãn, so sánh trong bảng và chuyển tiếp. Vì vậy tốc độ xử lý trong miền MPLS sẽ
nhanh hơn nhiều so với đònh tuyến IP truyền thống. Đường đi từ router A đến router D
được gọi là đường chuyển mạch nhãn LSP (Label Switched Path).
1.3 Mã hóa nhãn và các chế độ đóng gói nhãn MPLS
1.3.1 Mã hóa stack nhãn
Khi nhãn được gắn lên gói, bản thân giá trò nhãn 20 bit sẽ được mã hoá cùng với
một số thông tin cộng thêm để phụ trợ trong quá trình chuyển tiếp gói để hình thành
một entry nhãn. Hình 10 minh họa đònh dạng một entry nhãn trong stack nhãn.

Hình 10: Đònh dạng một entry trong stack nhãn MPLS
Nhóm 32 bit ở hình trên là một entry trong stack nhãn, trong đó phần giá trò nhãn
thực sự chỉ có 20 bit. Tuy nhiên người ta thường gọi chung cho cả entry 32 bit nói trên
MPLS network

Ingress

Egress
Transit LSRs
IP Payload

IP Payload

6

IP Payload

3

IP Payload

9

IP Payload

A

B

D

LSP
C
LSR

LSR

LSR

LER

LER



Router
Router
MSĐT: 40536007006 Chương 1: Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS
Trang 7
là một nhãn. Vì vậy khi thảo luận về nhãn cần phân biệt là đang xem xét giá trò nhãn
20 bit hay nói về entry 32 bit trong stack nhãn. Phần thông tin 12 bit cộng thêm gồm

các trường sau đây:
 EXP (một số tài liệu gọi là CoS - Class of Service ) – Gồm 3 bit, có thể là một
hàm của trường TOS (Type of Service) hoặc Diffserv trong gói IP. Đa số các
nhà sản xuất sử dụng các bit này để mang chỉ thò QoS, thường là copy trực tiếp
từ các bit TOS trong gói IP. Khi gói MPLS vào hàng đợi, có thể sử dụng các bit
EXP theo cách giống như các bit ưu tiên trong IP.
 S – Gồm 1 bit, chỉ thò đáy của stack nhãn. Khi một nhãn nằm ở đáy stack nhãn,
thì bit S đặt lên 1; còn các nhãn khác có bit S đặt về 0. Bit S là phương tiện để
xác đònh đáy của stack nhãn nằm ở đâu.
 TTL – Gồm 8 bit, thường là copy trực tiếp từ trường TTL của header IP, được
giảm đi 1 qua mỗi hop để chặn loop đònh tuyến giống như IP. Tuy nhiên, các bit
TTL cũng có thể được đặt khác với TTL trong gói IP, thường dùng khi nhà khai
thác mạng muốn che giấu topology mạng MPLS.
MPLS có thể hoạt động ở các chế độ: chế độ frame và chế độ cell.

1.3.2 Chế độ Frame
Các kỹ thuật lớp 2 như Ethernet, Token Ring, FDDI, PPP không có trường nào phù
hợp trong header của frame có thể mang nhãn. Vì vậy, stack nhãn sẽ được chứa trong
header chêm (shim header). Shim header được “chêm” vào giữa header lớp liên kết
và header lớp mạng, như trong hình 11. Đỉnh stack nằm liền sau header lớp 2 và đáy
stack nằm liền trước header lớp mạng.


Hình 11: Shim header được “chêm” vào giữa header lớp 2 và lớp 3
Router gởi frame phải có cách để báo cho router nhận biết rằng frame này có chứa
shim header, cách thức này khác nhau giữa các kỹ thuật lớp 2. Ethernet sử dụng cặp
giá trò ethertype 0x8847 và 0x8848 để chỉ thò frame đang mang gói MPLS unicast và
multicast tương ứng. PPP sử dụng NCP (Network Control Program) sửa đổi gọi là
MPLSCP (MPLS Control Protocol) và đánh dấu tất cả các gói có chứa shim header
bằng giá trò 0x8281 trong trường PPP Protocol.

MSĐT: 40536007006 Chương 1: Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS
Trang 8
1.3.3 Chế độ Cell
Chế độ Cell được dùng khi ta có một mạng gồm các ATM-LSR (là các chuyển
mạch ATM có hỗ trợ MPLS), trong đó nó sử dụng các giao thức phân phối nhãn
MPLS để trao đổi thông tin VPI/VCI thay cho báo hiệu ATM. Nhãn được mã hoá
trong trường gộp VPI/VCI, trong VPI hoặc VCI của header cell ATM (RFC 3035).


Hình 12: Nhãn trong chế độ cell ATM
Cell ATM gồm có 5 byte header và 48 byte payload. Để chuyển tải gói tin có kích
thước lớn hơn 48 byte từ lớp trên đưa xuống (ví dụ gói IP), ATM phải chia gói tin
thành nhiều phần nhỏ hơn, việc này gọi là phân đoạn (fragmentation). Quá trình phân
đoạn do lớp AAL (ATM Adaptation Layer) đảm trách. Cụ thể, AAL5 PDU sẽ được
chia thành nhiều đoạn 48 byte, mỗi đoạn 48 byte này được thêm header 5 byte để tạo
ra một cell ATM.

Hình 13: Đóng gói (encapsulation) gói có nhãn trên link ATM
Khi đóng gói có nhãn MPLS trên ATM, toàn bộ stack nhãn được đặt trong AAL5
PDU. Giá trò thực sự của nhãn đỉnh được đặt trong trường VPI/VCI, hoặc đặt trong
trường VCI nếu 2 ATM-LSR kết nối nhau qua một đường ảo ATM (VP). Entry đỉnh
stack nhãn phải chứa giá trò 0 (coi như entry “giữ chỗ”) và được bỏ qua khi nhận. Lý
do các nhãn phải chứa ở cả trong AAL5 PDU và header ATM là để mở rộng độ sâu
stack nhãn. Khi các cell ATM đi đến cuối LSP, nó sẽ được tái hợp lại. Nếu có nhiều
nhãn trong stack nhãn, AAL5 PDU sẽ bò phân đoạn lần nữa và nhãn hiện hành trên
đỉnh stack sẽ được đặt vào trường VPI/VCI.
Network layer packet

AAL5 trailer

Label stack

AAL5 PDU

Payload Payload Payload
48 byt
e

48 byte

48 byte

Giá trò thực sự của nhãn đỉnh chứa trong trường
VCI/VPI của header các cell ATM
mang

Cell 53 byte

MSĐT: 40536007006 Chương 1: Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS
Trang 9
1.4 Cấu trúc chức năng MPLS
1.4.1 Kiến trúc một nút MPLS (LER và LSR)
Hình 14 minh họa mặt phẳng điều khiển và chuyển tiếp của LSR và LER. Mặt
phẳng điều khiển có chức năng đònh tuyến IP dùng để giao tiếp với các LSR, LER
khác hoặc các router IP thông thường bằng các giao thức đònh tuyến IP. Kết quả là
một cơ sở thông tin đònh tuyến RIB (Routing Information Base) được tạo lập gồm các
thông tin miêu tả các các route khả thi để tìm đến các prefix đòa chỉ IP. LER sẽ sử
dụng các thông tin này để xây dựng cơ sở thông tin chuyển tiếp FIB (Forwarding
Information Base) trong mặt phẳng chuyển tiếp.

Hình 14: Cấu trúc của LER và transit-LSR
Mặt phẳng điều khiển còn có chức năng báo hiệu MPLS dùng để giao tiếp với các
LSR khác bằng một giao thức phân phối nhãn. Kết quả là một cơ sở thông tin nhãn
LIB (Label Information Base) gồm các thông tin liên quan đến các gán kết nhãn đã
được thương lượng với các router MPLS khác. Thành phần báo hiệu MPLS nhận thông
tin từ chức năng đònh tuyến IP và LIB để xây dựng cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn
LFIB (Label Forwarding Information Base) trong mặt phẳng chuyển tiếp. Một LER có
thể có thể chuyển tiếp các gói IP, gắn nhãn vào gói (label push), hoặc gỡ nhãn ra khỏi
gói (label pop), trong khi đó một transit-LSR chỉ có khả năng chuyển tiếp gói có nhãn,
thêm hoặc bỏ bớt nhãn.
IP
Packets
MPLS Signaling
P
r
otocol

Labeled

Pack
ets

Labeled

Packets

IP Routing
Protocol


IP Packets



Labeled
Packets


FIB



Label
Push

Label
Pop


LFIB


LFIB




Forwarding Plane

Forwarding Plane
Label

Edge

Router

(LER)

Label

Switching

Router

(LSR)

RIB
=
Routing Information Base FIB
=
Forwarding Information Base
LIB

=

Label

Information

Base

LFIB

=

Label

Forwa
r
ding

Information

Base

Cont
r
ol

Plane


IP
Routing


LIB

RIB

IP
Routing


MPLS

Signalling

LIB

RIB

MPLS

Signalling

Cont
r
ol

Plane


MSĐT: 40536007006 Chương 1: Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS
Trang 10
1.4.2 Mặt phẳng chuyển tiếp (mặt phẳng dữ liệu)
Mặt phẳng chuyển tiếp MPLS chòu trách nhiệm chuyển tiếp dữ liệu của user. Nó
sử dụng LFIB để thực hiện chuyển tiếp các gói có gắn nhãn căn cứ vào giá trò của
nhãn nằm trên đỉnh stack nhãn.
1.4.2.a Cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn LFIB
Trong mạng IP, quyết đònh chuyển tiếp gói được xác lập bằng cách thực hiện tra
cứu đòa chỉ đích trong bảng FIB để xác đònh hop kế và giao diện ra. Trong mạng
MPLS, mỗi LSR duy trì một bảng LFIB riêng rẽ và tách biệt với FIB. Bảng LFIB có
hai loại entry là ILM (incoming label map) và FTN (FEC-to-NHLFE).
NHLFE (next hop label forwarding entry) là subentry chứa các trường như đòa chỉ
hop kế, các tác vụ stack nhãn, giao diện ra và thông tin header lớp 2. ILM ánh xạ một
nhãn đến một hoặc nhiều NHLFE. Nhãn trong gói đến sẽ dùng để chọn ra một entry
ILM cụ thể nhằm xác đònh NHLFE. Còn FTN ánh xạ mỗi FEC vào một hoặc nhiều
NHLFE. Nhờ các entry FTN, gói chưa có nhãn được chuyển thành gói có nhãn.

NHLFE n
Nhãn mới (đặt vào, lấy ra, thay thế) ?
Hop kế (chặng tiếp theo)
Phương thức đóng gói

Các qui luật mã hóa
Các NHLFE
Hop kế
Hop kế
FTN
ILM
FEC
Label
NHLFE 1
Nhãn mới (đặt vào, lấy ra, thay thế) ?
Hop kế (chặng tiếp theo)
Phương thức đóng gói
Các qui luật mã hóa

Hình 15: FTN, ILM và NHLFE
Như vậy, khi một gói không nhãn thuộc một FEC đi vào miền MPLS, ingress-LER
sẽ sử dụng một entry LFIB loại FTN để chuyển gói không nhãn thành gói có nhãn.
Sau đó, tại các transit-LSR sử dụng một entry LFIB loại ILM để hoán đổi nhãn vào
bằng nhãn ra. Cuối cùng, tại egress-LER sử dụng một entry LFIB loại ILM để gỡ bỏ
nhãn đến và chuyển tiếp gói không nhãn đến router kế tiếp.
1.4.2.b Thuật toán chuyển tiếp nhãn
Các nút MPLS sử dụng giá trò nhãn trong các gói đến làm chỉ mục để tra bảng
LFIB. Khi tìm thấy entry tương ứng với nhãn đến, nút MPLS thay thế nhãn trong gói
bằng nhãn ra và gởi gói đi qua giao diện ra để đến hop kế được đặc tả trong subentry
NHLFE. Nếu subentry có chỉ đònh hàng đợi ra, nút MPLS sẽ đặt gói trên hàng đợi đã
MSĐT: 40536007006 Chương 1: Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS
Trang 11
chỉ đònh. Trường hợp nút MPLS duy trì một LFIB riêng cho mỗi giao diện, nó sẽ dùng
LFIB của giao diện mà gói đến để tra cứu chuyển tiếp gói.

Hình 16: Quá trình chuyển tiếp một gói đến hop kế
Nút MPLS có thể lấy đònh vò được các thông tin chuyển tiếp cần thiết trong LFIB
chỉ trong một lần truy xuất bộ nhớ, tốc độ thực thi rất cao nhờ các chip ASIC.
1.4.2.c NHLFE (Next Hop Label Forwarding Entry)
NHLFE là subentry của ILM hoặc FTN, nó chứa các thông tin sau:
- Hop kế (chặng tiếp theo) của gói
- Tác vụ sẽ được tiến hành trên stack nhãn của gói như sau:
- Swap: Thay nhãn ở đỉnh của stack nhãn bằng một nhãn mới được chỉ đònh.
- Pop: Bóc một nhãn ra khỏi stack.
- Push: Chồng thêm một nhãn vào trong stack nhãn.


LSP ID
Input

Label

Input

port
Destination

Operation

Output

Label
Ingress ID

Value

Output

port
0:54 3 138.43 Replace 0:81 1 10 2
Hình 17: Một ví dụ NHLFE
Ngoài ra, NHLFE cũng có thể chứa những thông tin sau:
- Đóng gói lớp datalink để sử dụng khi truyền gói
- Cách thức mã hóa stack nhãn khi truyền gói
- Bất kỳ các thông tin khác cần thiết để xử lý gói một cách chính xác.
1.4.3 Mặt phẳng điều khiển
Nhiệm vụ của các giao thức trong mặt phẳng điều khiển là phân phối các thông tin
cần thiết cho mỗi LER và LSR để cấu hình bảng FIB và LFIB. Trong hình 14, một
giao thức đònh tuyến sử dụng bảng thông tin đònh tuyến RIB hoạt động kết hợp với
một giao thức báo hiệu MPLS sử dụng bảng thông tin nhãn LIB để phân phối các
Ki
ểm tra nhãn
của gói
ILM
Huỷ gói
Hop kế
Xác đònh
FEC

FTN
NHLFE
Có nhãn

Không nhãn

K
hông

hợp lệ

Nhãn

Không có
đường ra
MSĐT: 40536007006 Chương 1: Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS
Trang 12
nhãn. Việc phân tách mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng chuyển tiếp cho phép cài
đặt một giao thức điều khiển MPLS trên một ATM switch.
Tại sao MPLS cần giao thức báo hiệu, trong khi các router IP cổ điển chỉ cần đònh
tuyến IP? Một lý do quan trọng phải dùng giao thức báo hiệu MPLS kết hợp với một
giao thức đònh tuyến xuất phát từ sự cần thiết phải thực hiện đònh tuyến ràng buộc của
đường chuyển mạch nhãn MPLS.
1.5 Hoạt động chuyển tiếp MPLS
1.5.1 Hoạt động trong mặt phẳng chuyển tiếp
FEC là một tập con các gói căn cứ theo một số thông tin trong header IP được
dùng bởi FIB. Một FEC được dùng thường dựa theo luật “longest prefix match” trên
đòa chỉ IP đích. Ví dụ: các đòa chỉ IP so trùng 16 bit đầu có dạng “a.b.*.*” (trong đó *
đại diện cho giá trò hợp lệ bất kỳ) được biểu diễn là “a.b/16” cho entry FEC đầu tiên
trong bảng FIB. FEC còn có thể căn cứ bổ sung theo các trường khác trong header IP
như ToS hay Diffserv. FIB sử dụng FEC để xác đònh ra giao tiếp đi đến hop kế cho
các gói IP, cách thực hiện giống như các router cổ điển.

Hình 18: Bên trong mặt phẳng chuyển tiếp MPLS
Cho các ví dụ từng hoạt động LFIB ở hình 18. Phần ILM (incoming label map) của
LFIB thao tác trên một gói có nhãn và ánh xạ một nhãn vào (incoming label) tới một

tập các entry NHLFE. ILM được thể hiện trong hình bởi các cột IN-IF và IN-LBL,
nhưng cũng có thể là một bảng riêng rẽ cho một giao tiếp. FTN (FEC-to-NHLFE) của
E

F

f.g.h.i

D


f.g.h.i



D

e.f.g.h

C

e.f.g.h



B

a.b.c.d

A

d.e.f.g

A

b.c.d.e



IF IN LBL OUT IF

OUT NHLFE

r A - Pop
s B x Pop
t C w Replace D


u D w
Push
E,

Replace F

a.b.c.d

d.e.f.g

b.c.d.e

a.b.c.d

a.b.c.d


FEC OUT IF OUT NHLFE

a.b/16 x -
b.c.d/24

x -
d.e/16 z Push A
IP

Packets

IP

Packets

Labeled

Packets

Labeled

Packets

Forwarding Information Base (FIB)

Label F
orwarding Information Base (FIB)

MSĐT: 40536007006 Chương 1: Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS
Trang 13
FIB ánh xạ một FEC tới một tập hợp gồm một hoặc nhiều NHLFE. Như ví dụ trong
hình, nhãn A được gắn (push) lên các gói IP thuộc FEC “d.e/16”. Lưu ý là ILM hoặc
FTN có thể ánh xạ tới nhiều NHLFE, chẳng hạn để dùng trong cân bằng tải.
1.5.2 Gỡ nhãn ở hop áp cuối PHP (Penultimate Hop Popping)
Một tối ưu hóa quan trọng mà MPLS hỗ trợ là tránh việc tra cứu nhãn (label
lookup) phải xử lý ở egress-LER trong trường hợp một gói đi trên một LSP mà yêu
cầu tra cứu IP (IP lookup) tiếp ngay sau đó. Ở trong hình 18, một gói đến có nhãn A
được gỡ nhãn (pop) và chuyển sang FIB để tra cứu tiếp trên header IP. Để tránh việc
xử lý phát sinh thêm này, MPLS đònh nghóa một tiến trình gọi là gỡ nhãn ở hop áp
cuối PHP (penultimate hop popping), trong đó router áp cuối trên LSP sẽ gỡ nhãn thay
vì egress-LER phải làm việc đó. Nhờ vậy cắt giảm được việc xử lý ở router cuối cùng
trên LSP.
1.5.3 Một ví dụ hoạt động chuyển tiếp gói
Trong ví dụ này thể hiện đường đi và các hoạt động chuyển tiếp được thực hiện ở
mỗi nút cho 2 LSP là LSP-1 và LSP-2.
LSP-1 bắt đầu từ LER E1, tại đó có một gói IP đến với đòa chỉ đích là “a.b.c.d”.
LER E1 kiểm tra bảng FIB của nó và xác đònh rằng gói này thuộc về FEC “a.b.c/24”,
nó gắn nhãn A lên gói và xuất ra trên giao tiếp số 2. Tiếp theo, LSR S1 thấy có gói
gắn nhãn A đến trên giao tiếp số 1, LFIB của nó chỉ thò rằng gói sẽ xuất ra trên giao
tiếp số 4 và nhãn sẽ được thay thế bằng nhãn D. Gói có nhãn đi ra trên giao tiếp số 4
trên LSR S1 nối đến giao tiếp số 1 trên LSR S4.

Hình 19: Ví dụ hoạt động chuyển tiếp gói

a.b.c.d

a.b.c.d

a.b.c.d

C

e.f.g.h

D

a.b.c.d


B

e.f.g.h

A

a.b.c.d

e.f.g.h

e.f.g.h

a.b.c /24


2


FEC
OUT

IF
OUT
NHLFE

1
2

A
C
IN

IF

IN
LBL
Rep. D
Rep. B
OUT
NHLFE

OUT

IF
e.g.f /24


3

FEC
OUT

IF
OUT
NHLFE

Push A


- 4


3
1

B

IN

IF

IN
LBL
Pop

OUT
NHLFE

OUT

IF
2


E1
1
2
3

LER

E2
L
S
R

S1
2
LSP
-
1

L
S
R

S2
4

1

LSP
-
2

3

L
S
R

S3
L
S
R

S4
2

3

1

2

LER

E3
3
4

1

2

3

3

4

2

1

1
2

E1 FIB

S
1

L
FIB

S3

L
FIB

E
3
FIB

E
2
F
IB

S2

L
FIB

S4

L
FIB

E
4
FIB

e.f.g /24


2



FEC
OUT

IF
OUT
NHLFE





IN

IF

IN
LBL


OUT
NHLFE

OUT

IF
a.b.c /24


3

FEC
OUT

IF
OUT
NHLFE

Push
C


-



1

D

IN

IF

IN
LBL
Pop

OUT
NHLFE

OUT

IF
4

e.f.g.h

LER

E4
1

MSĐT: 40536007006 Chương 1: Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS
Trang 14

Vì LSR S4 là hop áp cuối của LSP-1 nên thao tác được chỉ thò trong LFIB của nó là
gỡ nhãn (pop) và gởi gói đi ra trên giao tiếp số 4. Cuối cùng, ở đích là LER E4, entry
FIB thao tác trên FEC “a.b.c/24” và chuyển phát gói đến hop kế trên giao tiếp ra số 3.
Đối với ví dụ ở LSP-2, các entry trong FIB và LFIB cũng được thể hiện tương tự
như đã trình bày đối với LSP-1.
1.6 Ưu điểm và ứng dụng của MPLS

1.6.1 Đơn giản hóa chức năng chuyển tiếp
MPLS sử dụng cơ chế chuyển tiếp căn cứ vào nhãn có độ dài cố đònh nên quyết
đònh chuyển tiếp có thể xác đònh ngay chỉ với một lần tra cứu chỉ mục trong LFIB. Cơ
chế này đơn giản và nhanh hơn nhiều so với giải thuật “longest prefix match” dùng
trong chuyển tiếp gói datagram thông thường.
1.6.2 Kỹ thuật lưu lượng
Ưu điểm lớn nhất của MPLS là ở khả năng thực hiện kỹ thuật lưu lượng (TE:
Traffic Engineering), nó đảm bảo lưu lượng được đònh tuyến đi qua một mạng theo
một cách thức tin cậy và hiệu quả nhất. Kỹ thuật lưu lượng cho phép các ISP đònh
tuyến lưu lượng theo cách họ có thể cung cấp dòch vụ tốt nhất cho khách hàng ở khía
cạnh thông lượng và độ trễ. MPLS-TE cho phép lưu lượng được phân bố hợp lý qua
toàn bộ hạ tầng mạng, tối ưu hóa hiệu suất sử dụng mạng. Đây cũng là đối tượng
nghiên cứu chính của đề tài này và sẽ được trình bày kỹ ở các chương tiếp theo.
1.6.3 Đònh tuyến QoS từ nguồn
Đònh tuyến QoS từ nguồn là một cơ chế trong đó các LSR được xác đònh trước ở
nút nguồn (LSR lối vào) dựa vào một số thông tin về độ khả dụng tài nguyên trong
mạng cũng như yêu cầu QoS của luồng lưu lượng. Nói cách khác, nó là một giao thức
đònh tuyến có mở rộng chỉ tiêu chọn đường để bao gồm các tham số như băng thông
khả dụng, việc sử dụng link và đường dẫn end-to-end, độ chiếm dụng tài nguyên của
nút, độ trễ và biến động trễ.
1.6.4 Mạng riêng ảo VPN
VPN là cho phép khách hàng thiết lập mạng riêng giống như thuê kênh riêng
nhưng với chi phí thấp hơn bằng cách sử dụng hạ tầng mạng công cộng dùng chung.
Kiến trúc MPLS đáp ứng tất cả các yêu cầu cần thiết để hỗ trợ VPN bằng cách thiết
lập các đường hầm LSP sử dụng đònh tuyến tường minh. Do đó, MPLS sử dụng các
đường hầm LSP cho phép nhà khai thác cung cấp dòch vụ VPN theo cách tích hợp trên
cùng hạ tầng mà họ cung cấp dòch vụ Internet. Hơn nữa, cơ chế xếp chồng nhãn cho
phép cấu hình nhiều VPN lồng nhau trên hạ tầng mạng.
MSĐT: 40536007006 Chương 1: Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS
Trang 15

1.6.5 Chuyển tiếp có phân cấp (Hierachical forwarding)
Thay đổi đáng kể nhất được MPLS đưa ra không phải ở kiến trúc đònh tuyến mà là
kiến trúc chuyển tiếp. Sự cải tiến trong kiến trúc chuyển tiếp có tác động đáng kể đến
khả năng cung cấp chuyển tiếp phân cấp. Chuyển tiếp phân cấp cho phép lồng một
LSP vào trong một LSP khác (xếp chồng nhãn hay còn gọi là điều khiển gói đa cấp).
Thực ra chuyển tiếp phân cấp không phải là kỹ thuật mới; ATM đã cung cấp cơ chế
chuyển tiếp 2 mức với khái niệm đường ảo (VP) và kênh ảo (VC). Tuy nhiên MPLS
cho phép các LSP được lồng vào nhau một cách tùy ý, cung cấp điều khiển gói đa cấp
cho việc chuyển tiếp.
1.6.6 Khả năng mở rộng (Scalability)
Chuyển mạch nhãn cung cấp một sự tách biệt toàn diện hơn giữa đònh tuyến liên
miền (inter-domain) và đònh tuyến nội miền (intra-domain), điều này cải thiện đáng
kể khả năng mở rộng của các tiến trình đònh tuyến. Hơn nữa, khả năng mở rộng của
MPLS còn nhờ vào FEC (thu gom luồng), và xếp chồng nhãn để hợp nhất (merging)
hoặc lồng nhau (nesting) các LSP. Ngoài ra, nhiều LSP liên kết với các FEC khác
nhau có thể được trộn vào cùng một LSP. Sử dụng các LSP lồng nhau cũng cải thiện
khả năng mở rộng của MPLS.
1.7 Tổng kết chương
Trong các giao thức lớp mạng truyền thống, khi một gói đi từ một router đến hop
kế tiếp thì quyết đònh chuyển tiếp phải được đưa ra độc lập ở mỗi hop. Việc chọn hop
kế dựa trên việc phân tích header của gói và kết quả chạy giải thuật đònh tuyến. Một
router xem hai gói là thuộc cùng một luồng nếu chúng có cùng prefix đòa chỉ mạng
bằng cách áp dụng luật “longest prefix match” cho đòa chỉ đích của từng gói. Khi gói
di chuyển qua mạng, ở mỗi hop 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 hop-by-hop dựa trên đòa chỉ đích bằng kỹ thuật chuyển tiếp hoán đổi nhãn.
Kỹ thuật này dựa vào các nhãn có độ dài cố đònh, cải thiện được năng lực đònh 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.

MSĐT: 40536007006 Chương 2: Đònh tuyến và báo hiệu MPLS
Trang 16
Chương 2:
ĐỊNH TUYẾN VÀ BÁO HIỆU MPLS
2.1 Đònh tuyến trong MPLS
MPLS hỗ trợ cả hai kỹ thuật đònh tuyến: đònh tuyến từng chặng (hop-by-hop) và
đònh tuyến ràng buộc (constrain-based routing). Đònh tuyến từng chặng cho phép mỗi
nút nhận dạng các FEC và chọn hop kế cho mỗi FEC một cách độc lập, giống như
đònh tuyến trong mạng IP. Tuy nhiên, nếu muốn triển khai kỹ thuật lưu lượng với
MPLS, bắt buộc phải sử dụng kiểu đònh tuyến ràng buộc.
2.1.1 Đònh tuyến ràng buộc (Constrain-based Routing)
Đònh 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 đònh tuyến theo đích (destination-based
routing). Nó xác đònh các route không chỉ dựa trên topology mạng (thuật toán chọn
đường ngắn nhất SPF) mà còn sử dụng các metric 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 metric này, thông thường người ta dùng metric dựa trên số lượng hop và băng
thông,
Để đường được chọn có số lượng hop nhỏ nhất nhưng phải đảm bảo băng thông
khả dụng trên tất cả các chặng liên kết, quyết đònh cơ bản như sau: chọn đường ngắn
nhất trong số tất cả các đường có băng thông khả dụng thỏa mãn yêu cầu.

Hình 20: Một ví dụ đònh tuyến ràng buộc
Để minh họa hoạt động của đònh tuyến ràng buộc, xét cấu trúc mạng “con cá”
kinh điển như hình trên. Giả sử rằng đònh tuyến ràng buộc sử dụng số hop (hop-count)
và băng thông khả dụng làm các metric. Lưu lượng 600 Kbps được đònh tuyến trước
tiên, sau đó là lưu lượng 500 Kbps và 200 Kbps. Cả 3 loại lưu lượng này đều hướng
đến cùng một egress-router. Ta thấy rằng:

R6

R7

R4

R3

R2

R5

R8

R1

Kênh 1Mbps

600 Kbps

500 Kbps
200 Kbps
Egress Router

MSĐT: 40536007006 Chương 2: Đònh tuyến và báo hiệu MPLS
Trang 17
 Vì lưu lượng 600 Kbps được đònh 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 đònh tuyến đi theo
đường mới qua R6 và R7 mặc dù nhiều hơn một hop 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.
Đònh 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 đònh kỳ (chu kỳ có thể được chọn bởi nhà quản trò, thường là vài giờ
hoặc vài ngày). Các LSP được báo hiệu thiết lập theo các đường đã được chọn.
2.1.2 Đònh tuyến tường minh (Explicit Routing)
Đònh tuyến tường minh (Explicit Routing) là một tập con của đònh tuyến ràng buộc,
trong đó sự ràng buộc là đối tượng tuyến tường minh ER (explicit route).
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 (đòa chỉ IP) hoặc một nhóm nút (như IP prefix hoặc một AS). Nếu ER chỉ quy
đònh 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 đònh 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 đònh một nhóm các nút. CR-LSP khi đó bao gồm tất cả các nhóm
nút đã được xác đònh 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.a 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 hop kế đối với

đònh 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.
MSĐT: 40536007006 Chương 2: Đònh tuyến và báo hiệu MPLS
Trang 18

Hình 21: Phân phối nhãn không cần yêu cầu
2.2.1.b 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 hop kế đối với đònh tuyến IP cho FEC đó, điều này rất quan trọng
đối với các LSP đònh 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.a 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 hop kế đối với đònh tuyến IP hay không. Ưu điểm chính
của duy trì nhãn tự do là có thể phản ứng nhanh với sự thay đổi đònh 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 đònh tuyến tạm thời khi thay đổi đònh tuyến.

Hình 23: Duy trì nhãn tự do
LSR4

LSR5

LSR3

LSR2

LSR1

FEC X

Kết FEC X

vào nhãn B

Kết FEC X

vào nhãn A

Các entry trong LIB:

Gán kết FEC X - nhãn A

Gán kết FEC X
-
nhãn B

Downstream
-
LSR

Rd
Upstream
-

LSR

Ru
Phân phối gán kết Nhãn
-
FEC

Yêu cầu kết nhãn cho FEC

Rd
Upstream
-
LSR

Ru
Phân phối gán kết Nhãn
-
FEC

Downstream
-
LSR