Kỹ thuật điều khiển lưu lượng trong chuyển mạch nhãn đa giao thức

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ



Nguyễn Hoàng Chương




KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG
TRONG CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC (MPLS)





LUẬN VĂN THẠC SĨ







Hà nội – 2007

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ


Nguyễn Hoàng Chương



KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG
TRONG CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC (MPLS)

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật vô tuyến điện tử và thông tin liên lạc
Mã số: 2.07.00


LUẬN VĂN THẠC SĨ



NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS Nguyễn Kim Giao



Hà nội – 2007
1
Nguyễn Hoàng Chƣơng Luận văn tốt nghiệp cao học
MỤC LỤC
MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT 3
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 6
MỞ ĐẦU 8
CHƢƠNG I 9
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MPLS 9
1.1. Lịch sử phát triển 9
1.1.1. Lịch sử phát triển của Công nghệ MPLS 9
1.1.2. Một số ứng dụng của Công nghệ MPLS 12
1.2. Tổng quan về công nghệ MPLS 12
1.2.1. Định nghĩa 12
1.2.2. Lợi ích của MPLS 13
1.2.3. Nhược điểm của MPLS 13
1.2.4. Đặc điểm mạng MPLS 13
1.2.5. So sánh MPLS và IP 13
1.3. Kết luận 14
CHƢƠNG II 15
CẤU TRÚC CỦA MẠNG MPLS 15
2.1. Định nghĩa về nhãn trong MPLS 15
2.2. Cấu trúc khung của nhãn trong MPLS 15
2.3. Cấu trúc tế bào của nhãn trong MPLS 16
2.4. Mặt phẳng chuyển tiếp và Mặt phẳng điều khiển 17
2.5. Thuật toán chuyển tiếp nhãn 18
2.6. Phân phối nhãn 19
2.7. Duy trì nhãn 19
2.8. Các loại nhãn đặc biệt 19
2.9. Kết luận 20
CHƢƠNG III 22
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN LƢU LƢỢNG TRONG MPLS 22
3.1. Trung kế lƣu lƣợng trong MPLS 22
3.1.1. Khái niệm 22

3.1.2. Các thuộc tính của trung kế lưu lượng 22
3.1.3. Các hoạt động cơ bản của trung kế lưu lượng 22
3.2. Các bài toán cơ bản của kỹ thuật lƣu lƣợng trên MPLS 23
3.3. Thuộc tính tham số lƣu lƣợng 23
2
Nguyễn Hoàng Chƣơng Luận văn tốt nghiệp cao học
3.3.1. Thuộc tính chọn đường 23
3.3.2. Các thuộc tính tài nguyên 25
3.3.3. Bảo vệ và khôi phục đường 26
3.3.4. Các cơ chế bảo vệ khôi phục 27
3.4. Các mô hình khôi phục lƣu lƣợng trong MPLS 28
3.4.1. Mô hình Makam 28
3.4.2. Mô hình Haskin (Reverse Backup) 28
3.4.3. Mô hình Hundessa 29
3.4.4. Mô hình Shortest-Dynamic 30
3.4.5. Mô hình Simple-Dynamic 30
3.4.6. Mô hình Simple Static 30
3.5. Kết luận Chƣơng 3 31
CHƢƠNG IV 32
MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH VỚI NS2 32
4.1. Môi trƣờng mô phỏng 32
4.1.1. J-SIM 32
4.1.2. OMNeT++ 33
4.1.3. GLASS 33
4.1.4. NS2 34
4.2. Cài đặt và cấu hình phần mềm mô phỏng 34
4.3. Các tình huống mô phỏng trong NS2 35
4.3.1. Mô phỏng trong môi trường không sử dụng MPLS 35
4.3.2. Mô phỏng định tuyến bắt buộc trong MPLS 37
4.3.3. Mô phỏng lấn chiếm lưu lượng trong MPLS 41

4.3.4. Mô phỏng chuyển lưu lượng trong MPLS – Mô hình Makam 46
4.3.5. Mô phỏng chuyển lưu lượng trong MPLS – Mô hình Haskin 50
4.3.6. Mô phỏng chuyển lưu lượng trong MPLS – Mô hình SD 54
4.4. Kết luận Chƣơng 4 58
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO 61
PHỤ LỤC I 62
Các bước cài đặt phần mềm mô phỏng NS2 và RSVP-TE 62
PHỤ LỤC II 64
Mã nguồn mô phỏng NS2 và RSVP-TE 64
PHỤ LỤC III 101
Ý nghĩa câu lệnh trong phần mềm mô phỏng NS2 và RSVP-TE 101

3
Nguyễn Hoàng Chƣơng Luận văn tốt nghiệp cao học
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ATM
Asynchronous
Transfer Mode
Công nghệ chuyển mạch tế bào, công nghệ này
chia các gói tin thành những tế bào có kích thước
cố định là 53 byte, trong đó gồm 5 byte cho tiêu
đề và 48 byte cho dữ liệu.
ATM –LSR
ATM Label
Switching Router
Chạy giao thức MPLS trong mặt phẳng điều
khiển để thiết lập các kênh ảo ATM , thực hiện
chuyển tiếp các gói tin có gắn nhãn như là các tế

bào ATM .
BGP
Border Gateway
Protocol
Giao thức định tuyến vùng biên giữa các vùng tự
trị ( AS – Autonomous System).
CoS
Class of Service
Phân lớp các dịch vụ
DLCI
Data Link Circuit
Identifier
Định danh kênh kết nối dữ liệu là số thứ tự của
kênh được gắn vào các khung dữ liệu của mạng
Frame Relay để thông báo làm thế nào định
tuyến dữ liệu.
ELSR
Edge Label
Switching Router
Thiết bị định tuyến thực hiện hoặc là gắn nhãn
(push) hoặc là gỡ nhãn ra (hành động này gọi là
POP ) ở biên của mạng MPLS
FEC
Forwarding
Equivalence Class
Là khái niệm sử dụng trong chuyển mạch nhãn
đa giao thức nhằm mô tả việc thiết lập các gói có
đặc tính tương đương hoặc đồng nhất mà có thể
được chuyển đi theo cùng một đường.
FTN

FEC to NHLFE
Map

IGP
Interior Gateway
Protocol
Giao thức định tuyến sử dụng trong một vùng tự
trị ( AS – Autonomous System).
ILM
Incoming Label
Map

IP
Internet Protocol
Giao thức Internet trong mô hình TCP/IP
4
Nguyễn Hoàng Chƣơng Luận văn tốt nghiệp cao học
IPSec
IP Security
Là bộ giao thức bảo mật Internet được sử dụng
cho các giao tiếp bằng cách xác thực hoặc mã
hóa mỗi gói IP trong luồng dữ liệu.
ISP
Internet Service
Provider
Nhà cung cấp các dịch vụ Internet
IXP
Internet eXchange
Provider
Nhà cung cấp dịch vụ trao đổi lưu lượng Internet.

L2
Layer 2
Lớp 2 – Datalink trong mô hình OSI
L3
Layer 3
Lớp 3 – Network trong mô hình OSI
LDP
Label Distribution
Protocol
Giao thức phân phối nhãn.
LIB
Label Information
Base
Thông tin nhãn cơ sở
LSP
Label Switched
Path
Đường chuyển nhãn, xác định đường đi của gói
tin MPLS.
LSC
Label Switch
Controler
Bộ điều khiển chuyển mạch nhãn

Hop by Hop signal
LSP
Xác định đường đi khả thi nhất theo kiểu best
effort.

Explicit route signal

LSP
Xác định đường đi từ nút gốc.
LSR
Label Switching
Router
Thiết bị định tuyến hoặc thiết bị chuyển mạch
thực hiện các thủ tục phân phối nhãn và có thể
chuyển tiếp các gói tin dựa trên thông tin nhãn.
Các LSR làm việc ít và hoạt động gần giống như
switch.
MPLS
MultiProtocol Label
Switching
Chuyển mạch nhãn đa giao thức
NHLFE
Next Hop Label
Forwarding Entry

5
Nguyễn Hoàng Chƣơng Luận văn tốt nghiệp cao học
PBH
Per-Hop Behavior

QoS
Quality of Service
Chất lượng dịch vụ
RFC
Request For
Comments
Gồm các văn bản được phát hành bởi IETF dùng

để ghi nhớ các nghiên cứu mới, các sáng kiến và
các phương pháp ứng dụng trong công nghệ
Internet.
RSVP-TE
Resource
ReSerVation
Protocol - Traffic
Engineering
Giao thức sử dụng cho việc dự phòng tài nguyên
mạng.
SVC
Switched Virtual
Circuit
Chuyển mạch kênh ảo
SVP
Switched Virtual
Path
Chuyển mạch đường ảo
TTL
Time-To-Live
Thời gian sống của gói tin
TIB
Tag Information
Base
Thông tin thẻ cơ sở
VC
Virtual Circuit
Kênh ảo
VCI
Virtual Circuit

Identifier
Định danh kênh ảo
VP
Virtual Path
Đường ảo
VPI
Virtual Path
Identifier
Định danh đường ảo
VPN
Virtual Private
Network
Mạng riêng ảo

6
Nguyễn Hoàng Chƣơng Luận văn tốt nghiệp cao học
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 2.1 Nhãn trong MPLS
Hình 2.2 Ngăn xếp Nhãn trong MPLS
Hình 2.3 Các công nghệ kết hợp với MPLS
Hình 2.4 Cấu trúc điều khiển trong MPLS
Hình 2.5 Quá trình gán nhãn trong MPLS
Hình 3.1 Mô hình Makam
Hình 3.2 Mô hình Haskin
Hình 3.3 Mô hình Shortest Dynamic
Hình 4.1 Đồ thị mô phỏng truyền dữ liệu qua mạng IP
Hình 4.2 Mô hình biểu diễn sự mất gói trên đường truyền
Hình 4.3 Mô tả truyền lưu lượng của mạng IP trên phần mềm NS2
Hình 4.4 Đồ thị kết quả mô phỏng định tuyến bắt buộc trong MPLS

Hình 4.5 Mô hình giai đoạn truyền lưu lượng thứ nhất R1-R3-R5-R7-R9
Hình 4.6 Mô hình giai đoạn truyền lưu lượng thứ hai R1-R2-R4-R6-R8-R9
Hình 4.7 Mô hình giai đoạn truyền lưu lượng thứ ba R1-R3-R4…
Hình 4.8 Mô hình giai đoạn truyền lưu lượng thứ ba R1-R3-R4-R6-R5-…
Hình 4.9 Mô hình giai đoạn truyền lưu lượng thứ ba R1-R3-R4-R6-R5-R7-R8-R9
Hình 4.10 Mô tả định tuyến ràng buộc trên phần mềm NS2
Hình 4.11 Đồ thị kết quả mô phỏng lấn chiếm lưu lượng trong MPLS
Hình 4.12 Mô hình giai đoạn truyền lưu lượng thứ hai R1-R2-R6-R5-R7-R9
Hình 4.13 Mô hình biểu diễn sự mất gói của lưu lượng thứ hai
Hình 4.14 Mô hình biểu diễn lưu lượng thứ hai tiếp tục truyền tại R7 do đầy bộ đệm
Hình 4.15 Mô hình biểu diễn lưu lượng thứ hai được giải phóng từ bộ đệm
Hình 4.16 Mô tả hoạt động lấn chiếm của mạng MPLS trên phần mềm NS2
Hình 4.17 Đồ thị kết quả mô phỏng mô hình Makam trong MPLS
Hình 4.18 Mô hình sự mất gói do đứt kết nối của mô hình Makam
Hình 4.19 Mô hình chuyển hướng lưu lượng của mô hình Makam
7
Nguyễn Hoàng Chƣơng Luận văn tốt nghiệp cao học
Hình 4.20 Mô hình hoàn thành việc chuyển hướng lưu lượng của mô hình Makam
Hình 4.21 Mô hình khôi phục hướng lưu lượng của mô hình Makam
Hình 4.22 Mô phỏng mô hình Makam trên phần mềm NS2
Hình 4.23 Đồ thị kết quả mô phỏng mô hình Haskin trong MPLS
Hình 4.24 Mô hình sự mất gói do đứt kết nối của mô hình Haskin
Hình 4.25 Mô hình chuyển hướng lưu lượng của mô hình Haskin
Hình 4.26 Mô hình lưu lượng sau khi đã khôi phục kết nối của mô hình Haskin
Hình 4.27 Mô phỏng mô hình Haskin trên phần mềm NS2
Hình 4.28 Đồ thị kết quả mô phỏng mô hình shortest-dynamic trong MPLS
Hình 4.29 Quá trình chuyển hướng lưu lượng của mô hình shortest-dynamic
Hình 4.30 Sau khi đã khôi phục kết nối của mô hình shortest-dynamic
Hình 4.31 Mô phỏng mô hình shortest-dynamic trên phần mềm NS2

8
Nguyễn Hoàng Chƣơng Luận văn tốt nghiệp cao học

MỞ ĐẦU


Công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức đang trở thành lựa chọn công nghệ cho
việc điều phối giữa lớp 2 và lớp 3 trong mô hình tham chiếu OSI. Rất nhiều nhà cung
cấp viễn thông và Internet trên thế giới đã lựa chọn công nghệ này để cung cấp các
tính năng kết hợp những ưu việt của các công nghệ mạng trước nó.
Để giúp cho sinh viên và học viên, những người chưa có cơ hội tiếp xúc với những
hệ thống mạng của các nhà khai thác, hiểu rõ hơn về khả năng áp dụng của mô hình
mạng chuyển mạch nhãn đa giao thức, trong phạm vi của một luận văn thạc sĩ, học
viên đã sử dụng phần mềm mô phỏng NS2 để làm rõ hơn một trong những khả năng
mà công nghệ này có thể đem lại trong thực tế.
Luận văn bao gồm 4 chương đi từ những giới thiệu về lịch sử ra đời của MPLS, các
mô hình điều khiển lưu lượng cho MPLS và cuối cùng là xây dựng, mô phỏng và phân
tích các mô hình điều khiển lưu lượng này dùng phần mềm NS2.

9
Nguyễn Hoàng Chƣơng Luận văn tốt nghiệp cao học
CHƢƠNG I
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MPLS
1.1. Lịch sử phát triển
1.1.1. Lịch sử phát triển của Công nghệ MPLS
Bối cảnh ra đời công nghệ MPLS:
- Điểm thành công của Internet ở chỗ các công nghệ của Internet được triển
khai và phát triển theo nhu cầu của thị trường. Internet không đưa ra các tiêu
chuẩn theo kiểu khuyến nghị như của ITU-T mà đưa ra các RFC (Request

For Comments) với mục đích công bố các giải pháp công nghệ đã đạt được
và thu thập những đóng góp thêm nhằm hoàn thiện, phát triển sản phẩm đó
chứ không bắt buộc phải tuân thủ.
- Khi mạng Internet phát triển và mở rộng, lưu lượng Internet bùng nổ. Các
ISP xử lý bằng cách tăng dung lượng các kết nối và nâng cấp router nhưng
vẫn không tránh khỏi nghẽn mạch. Lý do là các giao thức định tuyến thường
hướng lưu lượng vào cùng một số các kết nối nhất định dẫn đến kết nối này
bị quá tải trong khi một số tài nguyên khác không được sử dụng. Đây là tình
trạng phân bố tải không đồng đều và sử dụng lãng phí tài nguyên mạng
Internet.
- Vào thập niên 90, các ISP phát triển mạng của họ theo mô hình chồng lớp
(overlay) bằng cách đưa ra giao thức IP over ATM
- ATM là công nghệ định hướng kết nối (connection-oriented), thiết lập các
kênh ảo (Virtual Circuit), đường ảo (Virtual Path) tạo thành một mạng logic
nằm trên mạng vật lý giúp định tuyến, phân bố tải đồng đều trên toàn mạng,
bao gồm các đặc điểm sau:
 Công nghệ đầu tiên cung cấp cho IP một lớp báo hiệu
 Hoạt động hướng kết nối, VPI/VCI
 Hỗ trợ QoS
 Chuyển mạch các gói nhanh hơn với chiều dài gói cố định (các tế bào)
vượt ra xa khỏi mô hình IP truyền thống
 Tích hợp các loại lưu lượng dữ liệu khác nhau (tiếng nói, dữ liệu, hình
ảnh)
 Vấn đề IP over ATM là một chủ đề quan trọng để giải quyết và đặt ra
nhiều điều phức tạp (rất nhiều giao thức khác nhau)

10
Nguyễn Hoàng Chƣơng Luận văn tốt nghiệp cao học
- Nhược điểm của mạng ATM:
 Phức tạp

 Đắt tiền
 Không được chấp nhận rộng rãi
 Việc ánh xạ các gói IP vào tế bào ATM không hiệu quả
 ATM không giải quyết được vấn đề định tuyến nhưng lại đưa ra nhiều
vấn đề bổ sung khác
 IP và ATM là hai công nghệ hoàn toàn khác nhau, được thiết kế cho
những môi trường mạng khác nhau, khác nhau về giao thức, cách đánh
địa chỉ, định tuyến, báo hiệu, phân bổ tài nguyên
 Khi các ISP càng mở rộng mạng theo hướng IP over ATM, họ càng nhận
rõ nhược điểm của mô hình này, đó là sự phức tạp của mạng lưới do phải
duy trì hoạt động của hai hệ thống thiết bị.
- Sự bùng nổ của mạng Internet dẫn tới xu hướng hội tụ các mạng viễn thông
khác như mạng thoại, truyền hình dựa trên Internet, giao thức IP trở thành
giao thức chủ đạo trong lĩnh vực mạng .
- Xu hướng của các ISP là thiết kế và sử dụng các bộ định tuyến chuyên dụng,
dung lượng chuyển tải lớn, hỗ trợ các giải pháp tích hợp, chuyển mạch đa
lớp cho mạng trục Internet.
- Nhu cầu cấp thiết trong bối cảnh này là phải ra đời một công nghệ lai có khả
năng kết hợp những đặc điểm tốt của chuyển mạch kênh ATM và chuyển
mạch gói IP .
- Công nghệ MPLS ra đời trong bối cảnh này đáp ứng được nhu cầu của thị
trường đúng theo tiêu chí phát triển của Internet đã mang lại những lợi ích
thiết thực, đánh dấu một bước phát triển mới của mạng Internet trước xu thế
tích hợp công nghệ thông tin và viễn thông (ICT - Information
Communication Technology) trong thời kỳ mới.
Các bước phát triển của Công nghệ MPLS:
- Năm 1994, Toshiba giới thiệu thiết bị định tuyến chuyển mạch gói (CSR –
Cell Switch Router).
 Ý tưởng đầu tiên là một phần cứng ATM hỗn hợp có thể điều khiển bởi
IP (như là giao thức định tuyến IP hay RSVP) hơn là các giao thức báo

hiệu ATM.
 Bỏ qua các báo hiệu ATM và cả chức năng ánh xạ giữa IP và ATM.
11
Nguyễn Hoàng Chƣơng Luận văn tốt nghiệp cao học
 IETF không tìm được vấn đề nào là vấn đề sống còn thời điểm này
(1994) nên họ không tiến hành chuẩn hóa.
- Năm 1996, Ipsilon, Cisco và IBM giới thiệu kế hoạch xây dựng chuyển
mạch nhãn.
IP Switching
 Được định nghĩa ban đầu bởi Công ty Ipsilon.
 Cho phép một thiết bị với hiệu quả của chuyển mạch ATM mà có thể
thực hiện công việc của router.
 Những router tốc độ nhanh ( không phải là chuyển mạch ATM) có thể
thực hiện được bởi vì IP và các giao thức Internet đang là những giao
thức chủ yếu hiện nay mà các router hiện tại thì quá chậm.
 Báo hiệu ATM và việc ánh xạ IP vào ATM đã trở nên quá phức tạp, cho
mục đích định tuyến chúng ta cũng không cần các giao thức điều khiển
ATM.
 Chuyển mạch IP nhận được sự quan tâm lớn và bắt đầu thời kì suy thoái
của ATM.
Cisco’s Tag Switching
 Một vài tháng sau khi Ipsilon công bố nghiên cứu của họ, Cisco công bố
một nghiên cứu khác về chuyển mạch nhãn mà họ đặt tên là chuyển
mạch thẻ.
 Bảng định tuyến không được thiết lập dựa trên dòng lưu lượng trong
chuyển mạch.
 Nó còn được làm để phù hợp với nhiều kĩ thuật lớp liên kết.
 Cisco công bố phát minh của họ để thuyết phục sự tiêu chuẩn hóa của
chuyển mạch thẻ qua IETF.
 Sự tiêu chuẩn hóa những cố gắng làm việc của Cisco đưa ra đã trở thành

chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS.
IBM’s ARIS
 Một thời gian ngắn sau khi Cisco công bố IP và Tag Switching công bố,
IBM đã đưa ra mô hình chuyển mạch IP dựa trên bộ định tuyến tổng hợp
(Aggregate router-based IP switching) hay AIRS.
 Tương tự như chuyển mạch thẻ.
 Hầu hết các ý tưởng của AIRS đã có trong việc tiêu chuẩn hóa MPLS.
- Năm 1997, nhóm làm việc về MPLS của IETF được thành lập.
12
Nguyễn Hoàng Chƣơng Luận văn tốt nghiệp cao học
 Một hội nghị BOF (Birds of a Feather) cho việc tiêu chuẩn hóa IP-Tag-
ARI switching được tổ chức cho sự chuẩn hóa tại IETF năm 1996.
 Với sự quan tâm của BOF và có quá nhiều công ty đưa ra nhiều giải
pháp tương tự cho một vấn đề thì việc tiêu chuẩn hóa phải ra đời là một
vấn đề, thành lập nhóm nghiên cứu chuẩn hóa(12/1997).
 Tên MPLS (Multi Protocol Label Switching) được chấp nhận bởi vì nó
không phải là tên của IP, Tag hay AIS mà chỉ ra được sự kết hợp hiệu
quả tất cả các yếu tố trên.
 Chuyển mạch nhãn đa giao thức được dàn xếp giữa lớp 2 và lớp 3.
- Năm 1999, sản phẩm đầu tiên về MPLS VPN và TE được triển khai.
- Năm 2001, RFC về MPLS đầu tiên được phát hành.
1.1.2. Một số ứng dụng của Công nghệ MPLS
- Internet có ba ứng dụng chính với các yêu cầu kỹ thuật khác nhau:
 Voice: yêu cầu độ trễ thấp, cho phép sự mất dữ liệu trong khả năng có
thể để tăng hiệu quả.
 Video: cho phép khả năng mất dữ liệu thấp hơn Voice, dạng dịch vụ này
đòi hỏi thời gian thực ( real time).
 Data: yêu cầu độ bảo mật và chính xác cao.
- Một số ứng dụng đang được triển khai:
 MPLS VPN: Nhà cung cấp dịch vụ có thể cung cấp dịch vụ VPN lớp 3

dọc theo mạng đường trục cho nhiều khách hàng mà chỉ cần sử dụng một
hạ tầng công cộng sẵn có mà không cần các ứng dụng mã hóa.
 MPLS Traffic Engineering: cung cấp khả năng thiết lập một hay nhiều
đường đi để điều khiển lưu lượng mạng và các đặc trưng yêu cầu kỹ
thuật của từng dạng lưu lượng dịch vụ.
 MPLS QoS: các nhà cung cấp dịch vụ có khả năng đảm bảo tối đa về
chất lượng dịch vụ cho khách hàng.
 MPLS Unicast/Multicast IP routing
1.2. Tổng quan về công nghệ MPLS
1.2.1. Định nghĩa
- Chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS - Multiprotocol Label Switching) là
một công nghệ lai kết hợp những đặc điểm tốt nhất giữa định tuyến lớp 3
(layer 3 routing) và chuyển mạch lớp 2 (layer 2 switching) cho phép chuyển
13
Nguyễn Hoàng Chƣơng Luận văn tốt nghiệp cao học
tải các gói rất nhanh trong mạng lõi (core) và định tuyến tốt ở các mạng biên
(edge) bằng cách dựa vào nhãn (label).
1.2.2. Lợi ích của MPLS
- Có tính tương thích cao.
- Chuyển mạch nhãn gia tăng tốc độ hoạt động.
- Làm việc với hầu hết các công nghệ liên kết dữ liệu.
- Tương thích với hầu hết các giao thức định tuyến và các công nghệ khác
liên quan đến Internet .
- Hoạt động độc lập với các giao thức định tuyến (routing protocol). Định
tuyến chỉ diễn ra tại các Router biên có hỗ trợ nhãn (LERs – label edge
routers).
- Tìm đường đi linh hoạt dựa vào nhãn (label) cho trước.
- Cung cấp các dịch vụ QoS.
- Hỗ trợ việc cấu hình quản trị và bảo trì hệ thống (OAM).
- Có thể hoạt động trong một mạng phân cấp.

- Nó ẩn đi lớp liên kết và sự khác nhau giữa các giao thức lớp 2.
1.2.3. Nhược điểm của MPLS
- Một lớp bổ sung được thêm vào.
- Các router phải hiểu được MPLS.
1.2.4. Đặc điểm mạng MPLS
- Không có MPLS API, cũng không có thành phần giao thức phía host.
- MPLS chỉ nằm trên các router.
- MPLS là một giao thức độc lập nên có thể hoạt động với các giao thức mạng
khác IP như IPX, ATM, Frame-Relay, PPP hoặc trực tiếp với tầng Data
Link.
- Định tuyến trong MPLS được dùng để tạo các luồng băng thông cố định
tương tự như kênh ảo của ATM hay Frame Relay.
- MPLS đơn giản hoá quá trình định tuyến, đồng thời tăng cường tính linh
động với các tầng trung gian.
1.2.5. So sánh MPLS và IP
- MPLS không thể đem so sánh với mạng IP như những phần tử tách biệt bởi
vì nó làm việc trong sự kết hợp với IP và các giao thức định tuyến IGP của
IP.
14
Nguyễn Hoàng Chƣơng Luận văn tốt nghiệp cao học
- MPLS cung cấp cho mạng IP cơ chế quản lý lưu lượng đơn giản, khả năng
thực hiện VPN lớp 3 với việc phủ lên không gian địa chỉ đồng thời hỗ trợ
dây giả lớp 2.
- MPLS dựa vào các giao thức định tuyến IGP để cấu trúc lại bảng chuyển
tiếp nhãn của chính nó và cũng như mục đích của một số giao thức định
tuyến IGP, nó thường bị giới hạn bởi một nhà điều hành để duy trì tính ổn
định và các chính sách điều hành.
- Chưa thực sự có các chuẩn để giao diện liên mạng giữa các nhà cung cấp
dịch vụ trên nền MPLS nên không thực hiện được cùng một dịch vụ MPLS
giữa các nhà cung cấp dịch vụ.

1.3. Kết luận
- Chương 1 nêu lên một số lý do chính dẫn đến việc xây dựng lên mô hình
mạng chuyển mạch nhãn đa giao thức là mong muốn xây dựng hệ thống có
khả năng hỗ trợ truyền tải đa giao thức trên một hệ thống mạng.
- Công nghệ được phát triển phù hợp với những yêu cầu về điều khiển lưu
lượng trong giai đoạn bùng nổ dịch vụ và nhu cầu tăng cao của băng thông
cung cấp dịch vụ.
- Một số ứng dụng cơ bản mà công nghệ MPLS có thể đem lại.
- Sự so sánh về những đặc trưng của mạng MPLS so với mạng IP truyền
thống.

15
Nguyễn Hoàng Chƣơng Luận văn tốt nghiệp cao học
CHƢƠNG II
CẤU TRÚC CỦA MẠNG MPLS
2.1. Định nghĩa về nhãn trong MPLS
- Nhãn là một thẻ có chiều dài cố định mà MPLS sử dụng làm cơ sở để
chuyển thông tin. Nhãn trong MPLS bao gồm hai loại sau:
 Prefix Labels ( LDP, MP-BGP, PIM).
 Tunnel Labels (RSVP, CR-LDP).
- Để định nghĩa chính xác về nhãn, ta cần phải đi phân tích về cấu trúc khung
và cấu trúc tế bào trong MPLS.
2.2. Cấu trúc khung của nhãn trong MPLS
- Trong MPLS chế độ khung, các bộ định tuyến MPLS đơn thuần chỉ trao đổi
các gói IP được hiểu là các gói IP được dán nhãn. Trong mạng MPLS,
chuyển mạch nhãn hoạt động theo phương pháp phân tích các tiêu đề khung
và đưa các nhãn vào vị trí khung, các nhãn được sắp vào ngăn xếp hoặc các
nhãn được chuyển đổi phụ thuộc vào vị trí của LSR trong mạng. Lớp Data-
link sử dụng trong chế độ này thiết lập các kết nối lớp 2 sử dụng các giao
thức HDLC/PPP, Ethernet, hoặc ATM (Với ATM, các nhãn sử dụng cấu

trúc tế bào – Cell Mode).
- Một nhãn MPLS bao gồm các phần như Hình 2.1:
 EXP: Experimental bao gồm 3 bits thực nghiệm.
 S: Bottom of Stack gồm 1 bit, thực hiện chức năng ngăn xếp cuối cùng.
Khi mỗi nhãn được gán một chức năng thì ngăn xếp nhãn sẽ thiết lập
theo thứ tự vị trí của mỗi nhãn. Nhãn cuối ngăn xếp được thiết lập lên 1
trong khi các nhãn khác có bit này là 0.
 TTL: Time To Live gồm 8 bits mang ý nghĩa là thời gian sống, đây là
một dạng bản sao của IP TTL. Giá trị TTL được giảm đi một khi đi qua
mỗi chặng để tránh hiện tượng lặp. Thường dùng khi người điều hành
mạng muốn che dấu cấu hình mạng bên dưới khi tìm đường từ mạng bên
ngoài tới. Gói tin sẽ bị hủy khi TTL của gói trả giá trị 0.
LABEL EXP S TTL STACK
20 Bits 3 Bits 1 8 Bits

Hình 2.1 Nhãn trong MPLS
16
Nguyễn Hoàng Chƣơng Luận văn tốt nghiệp cao học
- Các ngăn xếp nhãn được thực thi khi có sự trao đổi giữa các dịch vụ MPLS
cơ sở như MPLS VPN, MPLS Engineering như trên hình 2.2.
 Trong MPLS VPN, nhãn thứ hai trong ngăn xếp được định nghĩa là VPN.
 Trong MPLS Engineering, nhãn trên cùng được định nghĩa là điểm cuối
của kênh và nhãn thứ hai được định nghĩa là điểm đích của kênh.
 Đối với lớp 2, VPN qua MPLS như là AtoM và VPLS, nhãn đầu tiên
được định nghĩa là Tiêu đề của kênh hoặc điểm cuối, và nhãn thứ hai
định nghĩa là kênh ảo (VC).

Hình 2.2 Ngăn xếp Nhãn trong MPLS
2.3. Cấu trúc tế bào của nhãn trong MPLS
- Khi sử dụng mạng ATM, MPLS không áp dụng chế độ khung mà sử dụng

chế độ tế bào. Các tế bào được sử dụng để truyền dữ liệu trong mặt phẳng
dữ liệu.Khi các nhãn ATM được sử dụng trong mạng MPLS, chế độ vận
hành của MPLS được gọi là chế độ MPLS tế bào.
- Trong chế độ MPLS tế bào, các LSR trong mạng là các chuyển mạch ATM,
chuyển thông tin dựa trên cơ sở tiêu đề của ATM. Nếu ATM LSR thực hiện
chức năng tương tự như chuyển mạch ATM thì các phần tử trong mặt phẳng
điều khiển được gọi là bộ điều khiển chuyển mạch nhãn (Label Switch
Controller - LSC) được trang bị cho việc truyền thông tin trong mặt phẳng
điều khiển.
- Khi ATM LSR có một phần LSC mở rộng cho việc trao đổi thông tin trong
mặt phẳng điều khiển, chuyển mạch ATM trong ATM LSR chỉ thực hiện
chuyển thông tin trong mặt phẳng điều khiển. Để kích hoạt MPLS trong
17
Nguyễn Hoàng Chƣơng Luận văn tốt nghiệp cao học
mạng ATM, các trường VPI/VCI trong tiêu đề ATM được sử dụng như là
nhãn. Trước đó, một nhãn được lồng vào giữa phần tiêu đề của ATM và tiêu
đề của IP, và trường VPI/VCI của tiêu đề ATM thực hiện chuyển các tế bào.
Cơ chế này cho phép mặt phẳng dữ liệu truyền các gói tin đã được gán nhãn.
Các gói tin mặt phẳng điều khiển như là các giao thức định tuyến và các
giao thức phân phối nhãn được trao đổi giữa các ATM LSR biên thông qua
việc điều khiển các VC ( control virtual circiut).


Hình 2.3 Các công nghệ kết hợp với MPLS
- Cấu trúc các trường trong MPLS ATM trong Hình 2.3.
 GFC (Generic Flow Control): Điều khiển luồng chung.
 VPI (Virtual Path Identifier): nhận dạng luồng ảo.
 VCI (Virtual Channel Identifier): nhận dạng kênh ảo.
 PT (Payload Type): Chỉ thị kiểu trường tin.
 CLP (Cell Loss Priority): chức năng chỉ thị ưu tiên huỷ bỏ tế bào.

 HEC (Header error check): kiểm tra lỗi tiêu đề.
2.4. Mặt phẳng chuyển tiếp và Mặt phẳng điều khiển
- Một nút mạng của MPLS có hai mặt phẳng: Mặt phẳng chuyển tiếp MPLS
và mặt phẳng điều khiển MPLS, mô tả trong hình 2.4. Nút mạng MPLS có
thể thực hiện định tuyến lớp 3 hoặc chuyển mạch lớp 2.
18
Nguyễn Hoàng Chƣơng Luận văn tốt nghiệp cao học

Hình 2.4 Cấu trúc điều khiển trong MPLS
- Mặt phẳng chuyển tiếp sử dụng một cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn
(LFIB – Label Forwarding Information Base) để chuyển tiếp các gói. Mỗi
nút mạng MPLS có hai bảng liên quan đến việc chuyển tiếp là : cơ sở thông
tin nhãn (LIB – Label Information Base) và LFIB. LIB chứa tất cả các nhãn
được nút mạng MPLS cục bộ đánh dấu và ánh xạ của các nhãn này đến các
nhãn được nhận từ láng giềng (MPLS neighbor) của nó. LFIB sử dụng một
tập con các nhãn chứa trong LIB để thực hiện chuyển tiếp gói.
- Mặt phẳng điều khiển chịu trách nhiệm tạo ra và lưu trữ LFIB. Tất cả các
nút mạng MPLS phải chạy một giao thức định tuyến IP để trao đổi thông tin
định tuyến đến các nút mạng MPLS khác trong mạng. Các nút mạng MPLS
trên nền ATM sẽ dùng một bộ điều khiển nhãn (LSC – Label Switch
Controller) để tham gia xử lý định tuyến.
2.5. Thuật toán chuyển tiếp nhãn
- Thuật toán chuyển tiếp nhãn ở đây sẽ phân tích vấn đề về sự khác nhau giữa
việc chuyển tiếp trong mạng IP và mạng MPLS. Ở đây ta sẽ tập trung phân
tích về các cơ chế chuyển tiếp dựa trên các bảng FIB, LIB, LFIB trong
mạng MPLS.
- Các cơ chế chuyển tiếp trong MPLS và IP bao gồm sự khác nhau như sau:
 IP chuyển tiếp dựa trên cơ sở địa chỉ IP đích và FIB.
 MPLS chuyển tiếp dựa trên cơ sở nhãn MPLS và LFIB.
 Cả MPLS và IP đều chuyển tiếp dựa trên các đích lân cận (hop-by-

hop).IP chuyển tiếp bao gồm sự phân loại các gói tin tại mỗi đích,
19
Nguyễn Hoàng Chƣơng Luận văn tốt nghiệp cao học
trong khi MPLS chuyển tiếp chỉ bao gồm phân loại dựa trên các LSR
lối vào.
2.6. Phân phối nhãn
- Trong hệ thống mạng MPLS có ba giao thức thực hiện phân phối nhãn là:
 Tag Distribution Protocol
 Label Distribution Protocol
 RSVP (Resource Reservation Protocol)
- RSVP sử dụng trong kỹ thuật điều khiển lưu lượng của mạng MPLS.
- TDL và LDP thực chất là hai phiên bản khác nhau thực hiện chung một
chức năng. TDP là phiên bản cũ và LDP đã được chuẩn hóa. Do vậy, LDP
được sử dụng để phân phối lại nhãn trong mạng MPLS.
2.7. Duy trì nhãn
- Chế độ duy trì nhãn tự do (liberal label retention mode): duy trì kết nối giữa
nhãn và mạng đích nhưng không lưu trữ trạm tiếp theo của đích đến đó.
LSR có thể chuyển tiếp gói ngay khi IGP hội tụ và số lượng nhãn lưu giữ rất
lớn cho từng đích đến cụ thể nên chiếm dụng bộ nhớ lớn.
- Chế độ duy trì nhãn trường xuyên (conservative label retention mode): duy
trì nhãn dựa theo thông tin phản hồi LDP hay TDP của trạm tiếp theo. Nó
hủy các kết nối từ LSR xuôi dòng mà không phải là trạm tiếp theo của đích
đến chỉ định nên giảm sự chiếm dụng bộ nhớ.
2.8. Các loại nhãn đặc biệt
- LSR thực hiện vai trò điều khiển hoán đổi, sắp đặt, bố trí nhãn phụ thuộc
vào vị trí của chúng trong mạng MPLS. Mô tả chi tiết trong hình 2.5
- Trong trường hợp nào đó, nhãn đến được gán thành các nhãn ra đặc biệt mà
được điều khiển bởi các router hoặc LSR hướng lên.
- Các nhãn được truyền đi bởi các LSR hướng xuống và được phân phối bởi
các LSR theo hướng lên.

20
Nguyễn Hoàng Chƣơng Luận văn tốt nghiệp cao học

Hình 2.5 Quá trình gán nhãn trong MPLS
- Một số loại nhãn truyền trong mạng có thể được kết hợp được với gói tin
được mô tả như sau:
 Không gán thẻ (Untagged): Gói tin đến của mạng MPLS được
chuyển đổi thành gói tin IP và được chuyển tới đích. Dạng gói tin này
được sử dụng trong MPLS VPN.
 Implicit-null : Nhãn này được gán khi nhãn trên cùng của gói tin tới
trong mạng MPLS được gỡ ra và kết quả là gói MPLS hoặc IP được
chuyển tiếp đến điểm mạng tiếp theo của thiết bị định tuyến xuôi. Giá
trị được gán cho nhãn này là 3. Nhãn này được sử dụng trong mạng
MPLS cho những trạm gần cuối mạng MPLS.
 Explicit-null Label : Nhãn này được gán để duy trì giá trị EXP của
nhãn trên cùng của gói tin đến. Nhãn trên cùng được hoán đổi thành
giá trị nhãn là 0 và được chuyển tiếp như một gói MPLS tới trạm kế
xuôi dòng. Nhãn này được sử dụng trong mạng MPLS sử dụng QoS.
 Aggregate: trong nhãn này, gói tin đến trong mạng MPLS được
chuyển đổi thành gói IP (bằng việc gỡ bỏ tất cả các nhãn nếu ngăn
xếp nhãn được tìm thấy trong gói tin đến) và một FIB thực hiện định
danh giao diện ra tới đích.
2.9. Kết luận
Chương 2 đề cập đến cấu trúc của mạng chuyển mạch nhãn đa giao thức bao
gồm các phần tử:
- Cấu trúc khung sử dụng trong môi trường truyền tải đối với công nghệ
chuyển mạch khung như IP, Ethernet
- Cấu trúc tế bào sử dụng trong môi trường truyền tải đối với công nghệ
chuyển mạch tế bào như ATM.
21

Nguyễn Hoàng Chƣơng Luận văn tốt nghiệp cao học
- Cấu trúc điều khiển được chia thành hai mặt phẳng thực hiện các chức năng
điều khiển hệ thống mạng trên môi trường đa giao thức bao gồm: Mặt phẳng
chuyển tiếp, Mặt phẳng điều khiển
- Các thuật toán thực hiện các cơ chế chuyển tiếp dựa trên các bảng FIB, LIB,
LFIB trong mạng MPLS: Chuyển tiếp nhãn, Phân phối nhãn, Duy trì nhãn.
- Một số loại nhãn đặc biệt trong MPLS được điều khiển bởi các bộ định
tuyến lối vào và được phân phối trong đám mây MPLS.


22
Nguyễn Hoàng Chƣơng Luận văn tốt nghiệp cao học
CHƢƠNG III
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN LƢU LƢỢNG TRONG MPLS
3.1. Trung kế lƣu lƣợng trong MPLS
3.1.1. Khái niệm
- Trung kế lưu lượng (traffic trunk) là một kết nối logic bao gồm các luồng
lưu lượng thuộc cùng lớp, được đặt bên trong một LSP. Hoặc có thể hiểu
đơn giản trung kế lưu lượng bao gồm những dạng lưu lượng đa lớp.
- Trong mô hình mạng một lớp, một trung kế lưu lượng có thể có đóng gói
toàn bộ lưu lượng giữa một router đóng gói vào và một router chuyển gói ra
khỏi mạng. Trong trường hợp phức tạp hơn, lưu lượng của các lớp dịch vụ
phân biệt được gán vào các trung kế với các đặc tính khác nhau.
- Trung kế lưu lượng là đối tượng có thể định tuyến được (tương tự như ATM
VC).
- Trong mạng MPLS, LSP là đường bao gồm các trung kế lưu lượng hoạt
động trên đó. Một trung kế lưu lượng có thể chuyển từ LSP này sang LSP
khác, hoặc nhiều trung kế lưu lượng hoạt động trên cùng một LSP.
- Trung kế lưu lượng là đơn hướng.
3.1.2. Các thuộc tính của trung kế lưu lượng

- Thuộc tính là một tham số được gán và có ảnh hưởng đến các đặc trưng
hành vi của trung kế lưu lượng. Các thuộc tính có thể được gán cụ thể thông
qua việc quản trị hoặc được ngầm gán bởi các giao thức bên dưới khi các
gói tin được phân loại và ánh xạ vao FEC tại lối vào của mạng MPLS. Một
trung kế lưu lượng có thể đặc trưng hóa bởi:
 Ingress-LSR và egress-LSR của trung kế lưu lượng,
 Tập hợp các FEC được ánh xạ vào trung kế lưu lượng.
 Một tập hợp các thuộc tính nhằm xác định các hành vi đặc trưng của
trung kế.
- Có hai vấn đề cơ bản có ý nghĩa đặc biệt:
 Tham số hóa các trung kế lưu lượng.
 Quy luật sắp đặt và duy trì đường dẫn cho các trung kế lưu lượng.
3.1.3. Các hoạt động cơ bản của trung kế lưu lượng
- Các hoạt động cơ bản của trung kế lưu lượng là các tiến trình khác nhau xảy
ra trong thời gian sống của một trung kế lưu lượng.
23
Nguyễn Hoàng Chƣơng Luận văn tốt nghiệp cao học
 Establish: tạo ra một trung kế lưu lượng bằng cách quyết định một
LSP, gán các nhãn MPLS và quan trọng nhất là gán tài nguyên cho
trung kế này.
 Activate: kích hoạt cho trung kế bắt đầu chuyển dữ liệu bằng cách sử
dụng một số chức năng định tuyến để đưa lưu lượng vào trung kế.
 Deactive: ngừng chuyển lưu lượng của trung kế bằng cách dùng chức
năng định tuyến, ngăn không cho lưu lượng chuyển vào trung kế đó.
 Modify Attributes: thay đổi các đặc trưng của trung kế lưu lượng
(thay đổi độ lớn băng thông).
 Reroute: chọn một đường mới cho trung kế lưu lượng (thường là
chuyển hướng lưu lượng khi có sự cố trong mạng và khôi phục khi sự
cố kết thúc).
 Destroy: loại bỏ hoàn toàn một trung kế lưu lượng khỏi topo mạng,

thu hồi tài nguyên đã cấp phát cho trung kế này.
3.2. Các bài toán cơ bản của kỹ thuật lƣu lƣợng trên MPLS
Có ba vấn đề cơ bản trong kỹ thuật điều khiển lưu lượng trên MPLS là:
- Ánh xạ các gói lên các lớp chuyển tiếp tương đương (FEC).
- Ánh xạ các FEC lên trung kế lưu lượng.
- Ánh xạ các trung kế lưu lượng lên topo mạng qua các LSP.
3.3. Thuộc tính tham số lƣu lƣợng
- Thuộc tính tham số lưu lượng đặc tả băng thông đòi hỏi bởi trung kế lưu
lượng cùng với các đặc trưng lưu lượng khác như tốc độ đỉnh, tốc độ trung
bình, giá trị chiếm dụng băng thông cực đại cho phép
- Với kỹ thuật lưu lượng, các tham số lưu lượng rất quan trọng vì đây chính là
các yêu cầu về tài nguyên của trung kế lưu lượng.
3.3.1. Thuộc tính chọn đường
- Là các tiêu chuẩn lựa chọn và duy trì đường dẫn cho trung kế lưu lượng.
Con đường thực sự được chọn kết nối qua mạng có thể được gán tĩnh bởi
nhà quản trị hoặc cấu hình động do mạng dựa vào các chính sách định tuyến
động trong mạng (IGP – Interior Gateway Protocol: OSPF, IS-IS, RIP ).
- Các thuộc tính cơ bản và các đặc trưng hành vi liên quan đến chọn đường và
quản lý đường cho trung kế lưu lượng có thể mô tả như sau:
Đường tường minh mô tả quản trị: