Kỹ thuật lưu lượng trong mạng chuyển dịch nhãn đa giao thức

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ








VŨ VĂN TRƯỞNG








KỸ THUẬT LƯU LƯỢNG TRONG MẠNG
CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC









LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội- 2009
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ






VŨ VĂN TRƯỞNG

KỸ THUẬT LƯU LƯỢNG TRONG MẠNG
CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC



Nghành: Công nghệ Điện tử- Viễn Thông
Chuyên nghành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60.52.70





LUẬN VĂN THẠC SĨ




NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS Trần Quang Vinh

Hà Nội- 2009



Trang-2-
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan toàn bộ những nội dung và số liệu trong luận văn thạc
sĩ: “Kỹ thuật lưu lượng trong mạng chuyển mạch nhãn đa giao thức” là do tôi
tự nghiên cứu và thực hiện.
Học viên thực hiện luận văn
Vũ Văn Trƣởng

Trang-3-



LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành chương trình cao học và viết luận văn này,
Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn đến quí thầy cô
trường Đại học Công nghệ- Đại học Quốc gia Hà Nội, đặc
biệt là những thầy cô đã tận tình dạy bảo cho tôi suốt thời
gian học tập tại trường.
Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến Phó giáo sư – Tiến
sĩ Trần Quang Vinh đã dành rất nhiều thời gian và tâm
huyết hướng dẫn nghiên cứu và giúp tôi hoàn thành luận
văn tốt nghiệp.
Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn
bằng tất cả sự nhiệt tình và năng lực của mình, tuy
nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong
nhận được những đóng góp quí báu của quí thầy cô và các
bạn.

Hà Nội, tháng 12 năm 2009
Học viên
Vũ Văn Trƣởng











Trang-4-
MỤC LỤC
Trang phụ bìa 1
LỜI CAM ĐOAN 2
LỜI CẢM ƠN 3
MỤC LỤC 4
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 7
DANH SÁCH CÁC BẢNG 11
DANH SÁCH CÁC HÌNH MINH HỌA 11
MỞ ĐẦU 13
Chƣơng 1: CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC MPLS 15
1.1 Tổng quan 15
1.1.1 Tính thông minh phân tán 15
1.1.2 MPLS và mô hình tham chiếu OSI 16
1.2 Các khái niệm cơ bản trong MPLS 17

1.2.1 Miền MPLS (MPLS domain) 17
1.2.2 Lớp chuyển tiếp tƣơng đƣơng (FEC) 18
1.2.3 Nhãn và chồng nhãn 18
1.2.4 Hoán đổi nhãn (Label Swapping) 19
1.2.5 Đƣờng chuyển mạch nhãn LSP (Label Switched Path) 19
1.2.6 Chuyển gói qua miền MPLS 21
1.3 Mã hóa nhãn và các chế độ đóng gói nhãn MPLS 21
1.3.1 Mã hóa chồng nhãn 21
1.3.2 Chế độ Frame 23
1.3.3 Chế độ Cell 23
1.4 Cấu trúc chức năng MPLS 25
1.4.1 Kiến trúc một nút MPLS (LER và LSR) 25
1.4.2 Mặt phẳng chuyển tiếp (mặt phẳng dữ liệu) 26
1.4.3 Mặt phẳng điều khiển 28
1.5 Hoạt động chuyển tiếp MPLS 28
1.5.1 Hoạt động trong mặt phẳng chuyển tiếp 28
1.5.2 Gỡ nhãn ở chặng áp cuối PHP (Penultimate Hop Popping) 29
1.5.3 Một ví dụ hoạt động chuyển tiếp gói 30
1.6 Ƣu điểm và ứng dụng của MPLS 31
1.6.1 Đơn giản hóa chức năng chuyển tiếp 31
1.6.2 Kỹ thuật lƣu lƣợng 31
1.6.3 Định tuyến QoS từ nguồn 31
1.6.4 Mạng riêng ảo VPN 31
1.6.5 Chuyển tiếp có phân cấp (Hierachical forwarding) 32
1.6.6 Khả năng mở rộng (Scalability) 32
1.7 Tổng kết chƣơng 32
Chƣơng 2: ĐỊNH TUYẾN VÀ BÁO HIỆU MPLS 34
2.1 Định tuyến trong MPLS 34
2.1.1 Định tuyến ràng buộc (Constrain-based Routing) 34
2.1.2 Định tuyến tƣờng minh (Explicit Routing) 35

2.2 Các chế độ báo hiệu MPLS 36
2.2.1 Chế độ phân phối nhãn 36



Trang-5-
2.2.2 Chế độ duy trì nhãn 37
2.2.3 Chế độ điều khiển LSP 38
2.2.4 Các giao thức phân phối nhãn MPLS 39
2.3 Giao thức phân phối nhãn LDP (Label Distribution Protocol) 40
2.3.1 Hoạt động của LDP 40
2.3.2 Cấu trúc thông điệp LDP 42
2.3.3 Các bản tin LDP [1] 44
2.3.4 LDP điều khiển độc lập và phân phối theo yêu cầu 45
2.4 Giao thức CR-LDP (Constrain-based routing LDP) 46
2.4.1 Mở rộng cho định tuyến ràng buộc 46
2.4.2 Thiết lập một CR-LSP (Constrain-based routing LSP) 47
2.4.3 Tiến trình dự trữ tài nguyên 48
2.5 Giao thức RSVP-TE (RSVP Traffic Engineering) [3] 49
2.5.1 Các bản tin thiết lập dự trữ RSVP [1] 49
2.5.2 Các bản Tear Down, Error và Hello của RSVP-TE [1] 50
2.5.3 Thiết lập tuyến tƣờng minh điều khiển tuần tự theo yêu cầu 51
2.5.4 Giảm lƣợng overhead làm tƣơi RSVP 52
2.6 Tổng kết chƣơng 53
Chƣơng 3: KỸ THUẬT LƢU LƢỢNG TRONG MPLS 54
3.1 Kỹ thuật lƣu lƣợng (Traffic Engineering) 54
3.1.1 Các mục tiêu triển khai kỹ thuật lƣu lƣợng 54
3.1.2 Các lớp dịch vụ dựa trên nhu cầu QoS và các lớp lƣu lƣợng 55
3.1.3 Hàng đợi lƣu lƣợng 56
3.1.4 Giải thuật Leaky Bucket và Token Bucket 59

3.1.5 Giải pháp mô hình chồng phủ (Overlay Model) 62
3.2 MPLS và kỹ thuật lƣu lƣợng 62
3.2.1 Khái niệm trung kế lƣu lƣợng (traffic trunk) 63
3.2.2 Đồ hình nghiệm suy (Induced Graph) 64
3.2.3 Bài toán cơ bản của kỹ thuật lƣu lƣợng trên MPLS 64
3.3 Trung kế lƣu lƣợng và các thuộc tính 64
3.3.1 Các hoạt động cơ bản trên trung kế lƣu lƣợng 65
3.3.2 Thuộc tính tham số lƣu lƣợng (Traffic Parameter) 65
3.3.3 Thuộc tính lựa chọn và quản lý đƣờng (chính sách chọn đƣờng)
66
3.3.4 Thuộc tính ƣu tiên / lấn chiếm (Priority/Preemption) 67
3.3.5 Thuộc tính đàn hồi (Resilience) 68
3.3.6 Thuộc tính khống chế (Policing) 68
3.4 Các thuộc tính tài nguyên 68
3.4.1 Bộ nhân cấp phát cực đại (maximum allocation multiplier) 68
3.4.2 Lớp tài nguyên (Resource-Class) 69
3.4.3 Độ đo TE 69
3.5 Tính toán đƣờng ràng buộc 69
3.5.1 Quảng bá các thuộc tính của liên kết 69
3.5.2 Tính toán LSP ràng buộc (CR-LSP) 71
3.5.3 Giải thuật chọn đƣờng 71
3.5.4 Ví dụ về chọn đƣờng cho trung kế lƣu lƣợng 72



Trang-6-
3.5.5 Tái tối ƣu hóa (Re-optimization) 74
3.6 Bảo vệ và khôi phục đƣờng 75
3.6.1 Phân loại các cơ chế bảo vệ khôi phục 76
3.6.2 Mô hình Makam 77

3.6.3 Mô hình Haskin (Reverse Backup) 77
3.6.4 Mô hình Hundessa 78
3.6.5 Mô hình Shortest-Dynamic 79
3.6.6 Mô hình Simple-Dynamic 79
3.6.7 Mô hình Simple-Static 80
3.7 Tổng kết chƣơng 80
Chƣơng 4: MÔ PHỎNG MPLS-TE VÀ ĐÁNH GIÁ 81
4.1 Phƣơng pháp và công cụ mô phỏng 81
4.1.1 Phƣơng pháp phân tích 81
4.1.2 Chuẩn bị công cụ mô phỏng 82
4.2 Nội dung và kết quả mô phỏng 82
4.2.1 Mô phỏng mạng IP không hỗ trợ MPLS 83
4.2.2 Mô phỏng định tuyến ràng buộc trong mạng MPLS 84
4.2.3 Mô phỏng hoạt động lấn chiếm (Preemption) với các độ ƣu tiên
87
4.2.4 Mô phỏng khôi phục đƣờng theo cơ chế Makam 89
4.2.5 Mô phỏng khôi phục đƣờng theo cơ chế Haskin (Reverse
Backup) 91
4.2.6 Mô phỏng khôi phục đƣờng theo cơ chế Shortest-Dynamic 93
4.2.7 Mô phỏng khôi phục đƣờng theo cơ chế Simple-Dynamic 94
4.3 Tổng kết chƣơng 96
KẾT LUẬN 97
TÀI LIỆU THAM KHẢO 99
PHỤ LỤC: MÃ NGUỒN CÁC BÀI MÔ PHỎNG 100

Trang-7-
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

AAL ATM Adaptation Layer- Lớp thích ứng ATM
AS Autonomous System- Hệ thống tự trị
ASIC Application-Specific Integrated Circuit- Mạch tích hợp ứng
dụng riêng
ATM Asynchronous Transfer Mode- Chế độ chuyển tải không đồng
bộ
BGP Border Gateway Protocol- Giao thức cổng biên
CBQ Class Based Queueing- Hàng đợi theo lớp
CBR Constant Bit Rate- Tốc độ bít không đổi
CBS Committed Burst Size- Kích thƣớc chùm xung cam kết
CDR Committed Data Rate- Tốc độ dữ liệu cam kết
CLIP Classical IP- IP truyền thống
CQ Custom Queuing- Hàng đợi chỉ định
CR Constraint-based Routing- Định tuyến ràng buộc
CR-LDP Constraint-based Routing Label Distribution Protocol- Giao thức
phân phối nhãn dƣa trên định tuyến ràng buộc
CR-LSP Constraint-based Routing Label Switched Path- Đƣờng chuyển
mạch nhãn dựa trên định tuyến ràng buộc

CSPF Constrained Shortest Path First Diffserv Differentiated Service-
Dịch vụ phân biệt dựa trên đƣờng dẫn ngắn nhất có ràng
buộc
DLCI Data Link Connection Identifier- Nhận dạng kết nối liên kết dữ
liệu
DSCP Service Code Point- Điểm mã dịch vụ
eBGP exterior Border Gateway Protocol- Giao thức cổng biên ngoài
EBS Excess Burst Size- Kích thƣớc chùm xung tới hạn
EGP External (Exterior) Gateway Protocol- Giao thức cổng ngoài
ER Explicit Route- Định tuyến tƣờng minh
ERB Explicit Route Information Base- Cơ sở thông tin định tuyến
tƣờng minh
ERO Explicit Route Object- Đối tƣợng định tuyến tƣờng minh
EXP Experimental field- Trƣờng ƣu tiên
FDDI Fibre Distributed Data Interface- Giao diện dữ liệu phân phối
sợi
FEC Forwarding Equivalence Class- Lớp chuyển tiếp tƣơng đƣơng
FF Fixed Filter (RSVP reservation style)- Bộ lọc cố định



Trang-8-
FIB Forwarding Infomation Base- Cơ sở thông tin chuyển tiếp
FIFO First-in First-out- Vào trƣớc ra trƣớc
FIS Fault Information Signal- Tín hiệu thông tin lỗi
FR Frame Relay- Chuyển mạch khung
FRS Fault Recovery Signal- Tín hiệu khôi phục lỗi
FTN FEC to NHLFE Map- Ánh xạ FEC tới NHLFE
GFC Generic Flow Control (ATM)- Điều khiển luồng chung
GMPLS Generalized MPLS- MPLS tổng quan

HEC Header Error Control (ATM)- Điều khiển lỗi tiêu đề
iBGP interior Border Gateway Protocol- Giao thức cổng biên nội
IETF Internet Engineering Task Force- Nhóm đặc trách kỹ thuật
Internet
IGP Interior Gateway Protocol- Giao thức cổng nội
ILM Incoming Label Map- Ánh xạ nhãn đến
IP Internet Protocol- Giao thức Internet
ISDN Intergrated Services Digital Network- Mạng số tích hợp đa dịch
vụ
IS-IS Intermediate System - to - Intermediate System- Hệ thống
chuyển tiếp
IS-IS TE IS-IS with Traffic Engineering- IS-IS với kỹ thuật lƣu lƣợng
LC-ATM Label Controlled ATM Interface- Nhãn đƣợc điều khiển qua
giao tiếp
ATM Asynchronous Transfer Mode – Chế độ truyền không đồng bộ
LDP Label Distribution Protocol- Giao thức phân phối nhãn
LER Label Edge Router- Router biên nhãn
LFIB Label Forwarding Information Base- Cơ sở thông tin chuyển
tiếp nhãn
LIB Label Information Base- Cơ sở thông tin nhãn
LIFO Last-in First-out- Vào sau ra trƣớc
LSA Link State Advertisements- Quảng bá trạng thái liên kết
LSP Label Switched Path- Đƣờng chuyển mạch nhãn
LSR Label Switching Router- Router chuyển mạch nhãn
MNS MPLS module for Network Simulator- Mô đun mô phỏng mạng
MPLS MultiProtocol Label Switching- Chuyển mạch nhãn đa giao
thức
MPLSCP MPLS Control Protocol- Giao thức điều khiển MPLS
MPLS-TE MPLS Traffic Engineering- Kỹ thuật lƣu lƣợng trong MPLS
MPOA Multiprotocol over ATM- Đa giao thức trên ATM

MSC Mobile Switching Centre- Trung tâm chuyển mạch di động



Trang-9-
MTU Maximum Transfer Unit- Đơn vị truyền cƣc đại
NAM Network Animator- Mô phỏng mạng
NCP Network Control Program- Chƣơng trình điều khiển mạng
NGN Next Generation Network- Mạng thế hệ mới
NHLFE Next Hop Label Forwarding Entry- Mục nhập chuyển tiếp nhãn
ở chặng kế tiếp
NHRP Next Hop Resolution Protocol- Giao thức phân giải chặng kế
tiếp
NS Network Simulator- Mô phỏng mạng
OSI Open System Interconnection- Kết nối các hệ thống mở
OSPF Open Shortest Path First- Giao thức lựa chọn đƣờng dẫn ngắn
nhất
OSPF-TE OSPF with Traffic Engineering- OSPF với kỹ thuật lƣu lƣợng
PBS Peak Burst Size- Kích thƣớc chùm xung đỉnh
PDR Peak Data Rate- Tốc độ dữ liệu đỉnh
PDU Protocol Data Unit- Đơn vị dữ liệu giao thức
PHP Penultimate Hop Popping- Gỡ nhãn ở chặng áp cuối
PoR Point of Repair- Điểm sửa chữa
PPP Point to Point Protocol- Giao thức kết nối điểm điểm
PQ Priority Queuing- Hàng đợi ƣu tiên
PSL Path Switch LSR- LSR chuyển đổi đƣờng dẫn
PTI Payload Type Identifier (ATM)- Bộ nhận dạng gói
PVC Permanent Virtual Connection- Mạch ảo cố định
QoS Quality of Service- Chất lƣợng dịch vụ
RED Random Early Detection (Discard)- Sự phát hiện ngẫu nhiên

sớm
RFC Request for Comments - Đề nghị duyệt thảo và bình luận
RIB Routing Information Base- Cơ sở thông tin định tuyến
RSVP Resource reSerVation Protocol- Giao thức dự trữ tài nguyên
RSVP-TE RSVP with Traffic Engineering- RSVP với kỹ thuật lƣu lƣợng
SDH Synchronous Digital Hierarchy- Phân cấp số đồng bộ
SLA Service Level Agreement- Thỏa thuận mức dịch vụ
SONET Synchronous Optical Network- Mạng quang đồng bộ
SPF Shortest Path First- Tìm đƣờng ngắn nhất
TCP Transmission Control Protocol- Giao thức điều khiển truyền dữ
liệu
TE Traffic Engneering- Kỹ thuật lƣu lƣợng
TLV Type/Length/Value - Kiểu/ Độ dài/ Giá trị
ToS Type of Service- Loại dịch vụ



Trang-10-
TT Traffic Trunk- Trung kế lƣu lƣợng
TTL Time To Live- Thời gian sống
UBR Unspecified Bit Rate- Tốc độ bít không xác định
UDP User Datagram Protocol- Giao thức gói tin ngƣời dùng
VC Virtual Circuit- Kênh ảo
VCI Virtual Circuit Identifier- Bộ nhận dạng kênh ảo
VPI Virtual Path Identifier- Bộ nhận dạng đƣờng ảo
VPN Virtual Private Network- Mạng riêng ảo
WFQ Weighted Fair Queuing- Hàng đợi cân bằng có trọng số

Trang-11-
DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1: Một số giao thức phân phối nhãn trong MPLS 40
Bảng 2: Các loại bản tin LDP 43
Bảng 3: Các lớp dịch vụ kỹ thuật lƣu lƣợng 56

DANH SÁCH CÁC HÌNH MINH HỌA

Hình 1: MPLS và mô hình tham chiếu OSI 16
Hình 2: So sánh giữa chuyển tiếp IP và chuyển tiếp MPLS 16

Hình 3: Miền MPLS 17
Hình 4: Upstream và downstream LSR 17
Hình 5: Lớp chuyển tiếp tƣơng đƣơng trong MPLS 18
Hình 6: Chồng nhãn 19
Hình 7: Đƣờng chuyển mạch nhãn LSP 20
Hình 8: Phân cấp LSP trong MPLS 20
Hình 9: Gói IP đi qua mạng MPLS 21
Hình 10: Định dạng một entry trong stack nhãn MPLS 22
Hình 11: Shim header đƣợc “chêm” vào giữa header lớp 2 và lớp 3 23
Hình 12: Nhãn trong chế độ cell ATM 24
Hình 13: Đóng gói (encapsulation) gói có nhãn trên liên kết ATM 24
Hình 14: Cấu trúc của LER và transit-LSR 25
Hình 15: FTN, ILM và NHLFE 26
Hình 16: Quá trình chuyển tiếp một gói đến chặng kế 27
Hình 17: Một ví dụ NHLFE 28
Hình 18: Bên trong mặt phẳng chuyển tiếp MPLS 29
Hình 19: Ví dụ hoạt động chuyển tiếp gói 30
Hình 20: Một ví dụ định tuyến ràng buộc 34
Hình 21: Phân phối nhãn không cần yêu cầu 36
Hình 22: Phân phối nhãn theo yêu cầu 37
Hình 23: Duy trì nhãn tự do 37
Hình 24: Duy trì nhãn bảo thủ 38
Hình 25: Điều khiển độc lập 38
Hình 26: Điều khiển tuần tự 39
Hình 27: Vùng hoạt động của LDP 40
Hình 28: Trao đổi thông điệp LDP 41
Hình 29: LDP header 42
Hình 30: Format thông điệp LDP 43
Hình 31: Ví dụ LDP chế độ điều khiển độc lập theo yêu cầu 45
Hình 32: Thiết lập LSP với CR-LDP 47

Hình 33: Tiến trình dự trữ tài nguyên 48
Hình 34: Thiết lập LSP với RSVP-TE 52
Hình 35: Nhiều luồng cho mỗi lớp lƣu lƣợng 57
Hình 36: Hàng đợi CQ 58



Trang-12-
Hình 37: Hàng đợi PQ 59
Hình38: Giải thuật Leaky Bucket 60
Hình39: Giải thuật Token Bucket 61
Hình 40: Mô hình chồng phủ (Overlay Model) 62
Hình 41: Các trung kế lƣu lƣợng 63
Hình 42: Một ví dụ băng thông dự trữ cho từng mức ƣu tiên 68
Hình 43: Minh họa cách dùng bit Affinity và Resource-Class 69
Hình 44: Băng thông khả dụng ứng với từng mức ƣu tiên 70
Hình 45: Xem xét các ràng buộc khống chế 72
Hình 46: Xem xét tài nguyên khả dụng 73
Hình 47: Chọn đƣờng tốt nhất 74
Hình 48: Mô hình Makam 77
Hình 49: Mô hình Haskin 78
Hình 50: Mô hình Shortest-Dynamic 79
Hình 51: Mô hình Simple-Dynamic 80
Hình 52: Dữ liệu đầu vào và kết xuất của NS 81
Hình 53: Topology vật lý mạng thực hiện mô phỏng 82
Hình 54: Kết quả băng thông nhận đƣợc ở bài 1 83
Hình 55: Mô phỏng trực quan bài 1 trong cửa sổ NAM 84
Hình 56: Kết quả băng thông nhận đƣợc ở bài 2 85
Hình 57: Mô phỏng trực quan bài 2 trong cửa sổ NAM 86
Hình 58: Xuất nội dung bảng LIB ở các LSR ra màn hìn console 86

Hình 59: Kết quả băng thông nhận đƣợc ở bài 3 88
Hình 60: Mô phỏng trực quan bài 3 trong cửa số NAM 88
Hình 62 Đƣờng đi của lƣu lƣợng trƣớc thời điểm sự cố 90
Hình 63: Đƣờng đi của lƣu lƣợng sau thời điểm sự cố (Makam) 91
Hình 64: Kết quả băng thông nhận đƣợc ở bài 5 92
Hình 65: Đƣờng đi của lƣu lƣợng sau thời điểm sự cố (Haskin) 92
Hình 66: Kết quả băng thông nhận đƣợc ở bài 6 93
Hình 67: Đƣờng đi của lƣu lƣợng sau thời điểm sự cố (Shortest-Dynamic) 94
Hình 68: Kết quả băng thông nhận đƣợc ở bài 7 95
Hình 69: Đƣờng đi của lƣu lƣợng sau thời điểm sự cố (Simple-Dynamic) 95











Trang-13-
MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, với sự phát triển nhanh chóng các dịch 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 trị 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 thị 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.

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 học viên khi thực hiện luận
văn này.
Luận văn được tổ chức thành 4 chương với các nội dung chính như sau:
Chƣơng 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.
Chƣơng 2 - Định tuyến và báo hiệu MPLS : Trình bày các kỹ thuật định
tuyến được hỗ trợ bởi MPLS, các chế độ báo hiệu và một số giao thức báo hiệu
phân phối nhãn của MPLS.
Chƣơng 3 - Kỹ thuật lƣu lƣợng 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.



Trang-14-
Chƣơng 4 - Mô phỏng MPLS-TE và đánh giá : Học 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.

Trang-15-

Chƣơng 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 định tuyến lớp 3 (Layer 3 routing) và chuyển mạch lớp 2
(Layer 2 switching).[1]
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 bị thông minh nhất đều đặt trong mạng
lõi như các tổng đài chuyển tiếp hay các trung tâm chuyển mạch di động
MSC… Các thiết bị 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 bị
trong mạng. Tất cả các router đều phải làm hai nhiệm vụ là định 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
chịu 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 định tuyến và chuyển mạch:
Các router ở biên thực hiện định 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].

Trang-16-
1.1.2 MPLS và mô hình tham chiếu OSI

Hình 1: MPLS và mô hình tham chiếu OSI
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 định chuyển
tiếp gói mà không cần phải kiểm tra header IP[1].




Trang-17-
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 định tuyến và chuyển tiếp MPLS”. Một miền MPLS thường được
quản lý và điều khiển bởi một nhà quản trị[6].

Hình 3: Miền MPLS
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



Trang-18-
Thuật ngữ upstream-LSR và downstream-LSR cũng được dùng, phụ
thuộc vào chiều của luồng lưu lượng như chỉ ra trên hình 4. Các tài liệu
MPLS thường dùng ký hiệu Ru để biểu thị cho upstream-LSR và dùng ký
hiệu Rd để biểu thị cho downstream-LSR.
1.2.2 Lớp chuyển tiếp tƣơng đƣơng (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 5
dưới đây cho thấy cách xử lý này[1].

Hình 5: Lớp chuyển tiếp tương đương trong MPLS

1.2.3 Nhãn và chồng nhãn
RFC 3031 định nghĩa nhãn là “một bộ nhận dạng có độ dài ngắn và cố
định, mang ý nghĩa 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 trị nhãn có thể có là 220 (hơn một triệu
giá trị). Giá trị nhãn định nghĩa chỉ mục (index) để dùng trong bảng chuyển
tiếp[6].
Một gói lại có thể được “dán chồng” nhiều nhãn, các nhãn này chứa
trong một nơi gọi là chồng nhãn (label stack). Chồng nhãn là một tập hợp gồm



Trang-19-
một hoặc nhiều chỉ mục nhãn tổ chức theo nguyên tắc vào sau ra trước (LIFO).
Tại mỗi chặng trong mạng chỉ xử lý nhãn hiện hành trên đỉnh chồng nhãn.
Chính nhãn này sẽ được LSR sử dụng để chuyển tiếp gói.

Hình 6: Chồng nhãn
Nếu gói tin chưa có nhãn thì chồng nhãn là rỗng(độ sâu của chồng nhãn
bằng 0). Nếu chồng nhãn có chiều sâu là d thì mức 1 sẽ ở đáy của chồng nhãn
(bit S trong mục nhập nhãn đặt lên 1) và mức d sẽ ở đỉnh của chồng nhãn. Một
mục nhập nhãn có thể được đặt thêm vào (push) hoặc lấy ra (pop) khỏi chồng
nhãn.
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 chồng nhãn và dùng ánh xạ ILM
(Incoming Label Map) để ánh xạ nhãn này tới một mục nhập chuyển tiếp
nhãn NHLFE. Sử dụng thông tin trong NHLFE, LSR xác định ra nơi để
chuyển tiếp gói và thực hiện một tác vụ trên chồng nhãn. Rồi nó mã hóa chồng
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 định FEC rồi sử dụng ánh xạ FTN (FEC-to-NHLFE) để ánh xạ FEC vào
một NHLFE[1].

1.2.5 Đƣờng chuyển mạch nhãn LSP (Label Switched Path)
Đường chuyển mạch nhãn LSP là một đường nối giữa router lối vào và
router lối ra, được thiết lập bởi các nút MPLS để chuyển các gói đi xuyên qua
mạng. Đường dẫn của một LSP qua mạng được định nghĩa bởi sự chuyển đổi



Trang-20-
các giá trị 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.

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 mục nhập nhãn
trong chồng nhãn. Về lý thuyết, giới hạn số lượng nhãn trong chồng nhãn phụ
thuộc giá trị MTU (Maximum Transfer Unit) của các giao thức lớp liên kết
được dùng dọc theo một LSP[1].

Hình 8: Phân cấp LSP trong MPLS





Trang-21-
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 trị 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 trị 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.

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 định 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 trị của nhãn, so sánh trong bảng và chuyển
tiếp. Vì vậy tốc độ xử lý trong miền MPLS sẽ nhanh hơn nhiều so với định
tuyến IP truyền thống. Đường đi từ router A đến router D được gọi là đường
chuyển mạch nhãn LSP (Label Switched Path)[1].
1.3 Mã hóa nhãn và các chế độ đóng gói nhãn MPLS
1.3.1 Mã hóa chồng nhãn
Khi nhãn được gắn lên gói, bản thân giá trị nhãn 20 bit sẽ được mã hoá
cùng với một số thông tin cộng thêm để phụ trợ trong quá trình chuyển tiếp gói



Trang-22-
để hình thành một mục nhập nhãn. Hình 10 minh họa định dạng một mục nhập
nhãn trong chồng nhãn[1].

Hình 10: Định dạng một entry trong stack nhãn MPLS
Nhóm 32 bit ở hình trên là một mục nhập trong chồng nhãn, trong đó phần
giá trị nhãn thực sự chỉ có 20 bit. Tuy nhiên người ta thường gọi chung cho cả
mục nhập 32 bit nói trênlà một nhãn. Vì vậy khi thảo luận về nhãn cần phân

biệt là đang xem xét giá trị nhãn 20 bit hay nói về mục nhập 32 bit trong chồng
nhãn. Phần thông tin 12 bit cộng thêm gồm các trường sau đây:
 EXP (một số tài liệu gọi là CoS - Class of Service – Lớp dịch vụ) –
Gồm 3 bit, có thể là một hàm của trường TOS (Type of Service- Loại
dịch vụ) hoặc Diffserv- Dịch vụ phân biệt trong gói IP. Đa số các nhà
sản xuất sử dụng các bit này để mang chỉ thị 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 thị đáy của chồng nhãn. Khi một nhãn nằm ở đáy
chồng nhãn, thì bit S đặt lên 1; còn các nhãn khác có bit S đặt về 0. Bit
S là phương tiện để xác định đáy của chồng 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 chặng để chặn loop định 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.





Trang-23-
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, chồng 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 chồng
nhãn nằm liền sau header lớp 2 và đáy chồng nhãn 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 trị ethertype 0x8847 và 0x8848 để chỉ thị 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 trị
0x8281 trong trường PPP Protocol.
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).




Trang-24-

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[2].

Hình 13: Đóng gói (encapsulation) gói có nhãn trên liên kết ATM

Khi đóng gói có nhãn MPLS trên ATM, toàn bộ chồng nhãn được đặt
trong AAL5 PDU. Giá trị 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). Mục nhập đỉnh chồng nhãn phải chứa giá trị 0 (coi như
mục nhập “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 chồng nhãn. Khi các
cell ATM đi đến cuối LSP, nó sẽ được tái hợp lại. Nếu có nhiều nhãn trong
chồng nhãn, AAL5 PDU sẽ bị phân đoạn lần nữa và nhãn hiện hành trên đỉnh
chồng nhãn sẽ được đặt vào trường VPI/VCI.