Nghiên cứu công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức không dây WMPLS

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
=====  =====

ĐỒ ÁN

tèt nghiÖp ®¹i häc
Đề tài:

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH
NHÃN ĐA GIAO THỨC KHÔNG DÂY WMPLS

Người hướng dẫn

: ThS. NguyÔn anh quúnh

Sinh viên thực hiện : th¸i b¸ s¸ng
Lớp

: 49K - §TVT


NGHỆ AN - 01/2013

2


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
---------------------------

BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên:

Thái Bá Sáng

Mã số sinh viên: 0851080348

Ngành:

Điện tử - Viễn thông

Khoá: 49

Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Anh Quỳnh
Cán bộ phản biện:

ThS. Đặng Thái Sơn

1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:
...............................................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................................

2. Nhận xét của cán bộ phản biện:
...............................................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................................

...............................................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................................

Ngày
tháng
năm
Cán bộ phản biện
(Ký, ghi rõ họ và tên)


MỤC LỤC
Trang
LỜI NÓI ĐẦU....................................................................................................i
TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP...................................................................ii
DANH MỤC HÌNH VẼ...................................................................................iii
DANH MỤC BẢNG BIỂU...............................................................................v
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT................................................................................vi
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH
NHÃN ĐA GIAO THỨC MPLS......................................................................1
1.1. Giới thiệu chung về chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS......................................1
1.1.1. Khái niệm MPLS......................................................................................................1
1.1.2.Lý do ra đời...............................................................................................................1
1.1.3. Đặc điểm MPLS.......................................................................................................2
1.2.Các thành phần của MPLS...........................................................................................3

1.2.1. Các thiết bị trong mạng........................................................................................3
1.2.2.Đường chuyển mạch nhãn LSP.............................................................................4
1.2.3.Nhãn và các vấn đề liên quan................................................................................5
1.3. Hoạt động của MPLS..................................................................................................8
1.3.1.Hoạt động cơ bản..................................................................................................8
1.3.2. Định tuyến............................................................................................................9
1.3.3.Các chế độ hoạt động..........................................................................................11
1.4.Các giao thức trong MPLS.........................................................................................13
1.4.1.Giao thức phân bổ nhãn LDP..............................................................................13
Giao thức phân phối nhãn được nhóm nghiên cứu MPLS của IETF xây dựng và ban
hành dưới tên RFC 3036. Phiên bản mới nhất được công bố năm 2001 đưa ra những
định nghĩa và nguyên tắc hoạt động của giao thức LDP. ............................................13
Giao thức phân phối nhãn được sử dụng trong quá trình gán nhãn cho các gói thông
tin. Vị trí của giao thức LDP và các mối liên kết chức năng cơ bản của LDP với các
giao thức khác thể hiện trên hình 1.7. Giao thức LDP là giao thức điều khiển tách biệt
được các LSR sử dụng để trao đổi và điều phối quá trình gán nhãn/FEC. Giao thức
này là một tập hợp các thủ tục trao đổi các bản tin cho phép các LSR sử dụng giá trị
nhãn thuộc FEC nhất định để truyền các gói thông tin. ..............................................13


Một kết nối TCP được thiết lập giữa các LSR đồng cấp để đảm bảo các bản tin LDP
được truyền một cách trung thực theo đúng thứ tự. Các bản tin LDP có thể xuất phát
từ bất cứ một LSR (điều khiển đường chuyển mạch nhãn LSR độc lập) hay từ LSR
biên lối ra (điều khiển LSP theo lệnh) và chuyển từ LSR phía trước đến LSR phía sau
cận kề. Việc trao đổi các bản tin LDP có thể được khởi phát bởi sự phát hiện của
luồng số liệu đặc biệt, bản tin lập dự trữ RSVP hay cập nhập thông tin định tuyến. Khi
một cặp LSR đã trao đổi bản tin LDP cho một FEC nhất định thì một đường chuyển
mạch LSP từ đầu vào đến đầu ra được thiết lập sau khi mỗi LSR ghép nhãn đầu vào
với nhãn đầu ra tương ứng trong LIB của nó. LDP có thể hoạt động giữa các LSR kết
nối trực tiếp hay không trực tiếp..................................................................................13

14
1.4.2.Giao thức dành trước tài nguyên RSVP..............................................................20
1.5.Kết luận chương 1......................................................................................................25

CHƯƠNG

2.

CÔNG

NGHỆ

CHUYỂN

MẠCH

NHÃN

ĐA GIAO THỨC KHÔNG DÂY WMPLS....................................................26
2.1.Giới thiệu chung về IP di động...................................................................................26
2.1.1.Xu hướng và thách thức......................................................................................26
2.1.2.Định tuyến trong các mạng IP di động................................................................27
2.2.Chuyển mạch nhãn đa giao thức không dây WMPLS...............................................31
2.2.1.Nhu cầu phát triển của WMPLS..........................................................................31
2.2.2.Cấu trúc gói tin WMPLS.....................................................................................31
2.2.3.Giao thức sử dụng trong WMPLS.......................................................................33
2.2.4.Lựa chọn phổ tần cho WMPLS...........................................................................36
2.2.5. Mạng MPLS di động..........................................................................................41
2.3.Kết luận chương 2......................................................................................................45

CHƯƠNG 3. QUẢN LÝ DI ĐỘNG CHO CÁC MẠNG WMPLS...............46
3.1.Giới thiệu....................................................................................................................46
3.2.Một số giải pháp liên quan.........................................................................................48
3.3.Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS di động Micro.............................................49
3.3.1. Thủ tục đăng ký trong MPLS di động Micro.....................................................50
3.3.2.Hỗ trợ chuyển giao trong MPLS di động Micro.................................................51
3.3.3.Các cơ chế chuyển giao trong MPLS di động Micro..........................................54
3.3.4.Phân tích và ước lượng hiệu suất........................................................................60

5


3.4.Kết luận chương 3......................................................................................................67

KẾT LUẬN......................................................................................................68
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................69

6


LỜI NÓI ĐẦU
Để đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng cao của xã hội thì các công
nghệ đã không ngừng phát triển. Ngày càng có nhiều các dịch vụ mới và chất lượng
dịch vụ cũng được yêu cầu cao hơn. Nhiều công nghệ mạng đã ra đời nhằm đáp ứng
tốt nhất nhu cầu của khách hàng và giải quyết các vấn đề nảy sinh. Trong số đó
chúng ta phải kể đến công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS.
Công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS là kết quả phát triển của
nhiều công nghệ chuyển mạch IP sử dụng cơ chế hoán đổi nhãn như của ATM .
Hiện nay, công nghệ mạng không dây đang có xu hướng phát triển rất mạnh
mẽ. Do đó, việc mở rộng MPLS sang lĩnh vực không dây là một xu hướng tất yếu.

Chuyển mạch nhãn đa giao thức không dây WMPLS đang là vấn đề được quan tâm
nhiều hiện nay. Với mong muốn tiếp cận công nghệ này nên em lựa chọn đề tài :
“ Nghiên cứu công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức không dây WMPLS”
làm đồ án tốt nghiệp. Đồ án bao gồm các nội dung chính sau :
Chương 1: Tổng quan về công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS
Chương 2: Công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức không dây WMPLS
Chương 3 : Quản lý di động cho các mạng WMPLS
Do công nghệ WMPLS còn tương đối mới, việc tìm hiểu các vấn đề
WMPLS đòi hỏi phải có kiến thức sâu rộng và lâu dài. Do vậy đồ án không tránh
khỏi những sai sót. Rất mong nhận được sự phê bình, góp ý của các thầy cô giáo và
các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Th.S Nguyễn Anh Quỳnh đã cung cấp
tài liệu, tận tình hướng dẫn về nội dung và phương pháp để em hoàn thành tốt đồ án
này. Xin trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Điện Tử Viễn Thông đã
giúp đỡ chúng em trong suốt thời gian nghiên cứu và học tập.
Vinh, tháng 01 năm 2013
Sinh viên
Thái Bá Sáng

i


TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
•

Đồ án đi này đi tìm hiểu tổng quan về công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao

thức MPLS và xu hướng phát triển lên công nghệ WMPLS là công nghệ chuyển
mạch nhãn đa giao thức không dây. WMPLS với những yêu cầu được đặt ra như :
Độ tin cậy , giảm băng thông, giảm chi phí, loại bỏ các chu kì lập lệnh dài hạn và

cải thiện tốc độ truyền dẫn. Để hiểu rõ hơn về WMPLS thì chúng ta phải tìm hiểu
về cấu trúc gói tin , các giao thức, cách thức hoạt động và việc lựa chọn phổ tần
cho WMPLS. Trong đồ án còn tìm hiểu chi tiết về việc quản lí di động cho các
mạng WMPLS sử dụng chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS di động Micro.
ABSTRACT
This thesis is about views on two new wireless protocols that can support soft
handoff over the wireless network. In this thesis, a mechanism in high-performance
telecommunications networks called MPLS and a novel data layer protocol called
WMPLS protocol have been introduced. WMPLS has been insisted on being trust,
diminishing broadband and money, removing the cycles, setting up command and
improving speed transmission. In this paper, we can see that WMPLS can also
applied for Wireless Cellular Phone network Management, satellite communication
applications, like direct broadcast or direct multicast of high-volume traffic content,
due to the MPLS robust design for backbone network data transmission.

ii


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Khuôn dạng tiêu đề nhãn MPLS.......................................................5
Hình 1.2. Cấu trúc ngăn xếp nhãn.....................................................................6
Hình 1.3. Định tuyến hiện................................................................................10
Hình 1.4. Khung MPLS với PPP/Ethernet là lớp liên kết dữ liệu..................12
Hình 1.5. Khung MPLS với ATM là lớp liên kết dữ liệu...............................12
Hình 1.6. Khung MPLS với FR là lớp liên kết dữ liệu...................................13
Hình 1.7. Vị trí giao thức LDP trong bộ giao thức MPLS..............................14
Hình 1. 8. Tiêu đề LDP....................................................................................15
Hình 1. 9. Mã hoá TLV....................................................................................16
Hình 1. 10. Khuôn dạng các bản tin LDP.......................................................16
Hình 1.11. Các thực thể hoạt động RSVP.......................................................20

Hình 1. 12. Các bản tin PATH và RESV........................................................21
Hình 1. 13. Nhãn phân phối trong bảng tin RESV..........................................23
Hình 2.1. Chức năng cơ bản mạng IP di động................................................29
Hình 2.2a. Tiêu đề WMPLS khi không có trường Control và CRC...............32
33
Hình 2.2b. Tiêu đề WMPLS có trường Control và CRC................................33
Bảng 2.1 và 2.2 dưới đây chỉ ra ý nghĩa các bit trong tiêu đề WMPLS.........33
Hình 2.3a: Mở rộng cho bản tin yêu cầu nhãn CR-LDP.................................34
Hình 2.3b: Mở rộng cho bản tin liên kết nhãn CR-LDP.................................34
Hình 2.4a. Khuôn dạng của bản tin PATH.....................................................35
Hình 2.4b. Khuôn dạng của bản tin RESV.....................................................35
Hình 2.5. Khuôn dạng của LABEL_REQUEST.............................................35
Hình 2.6b. Thực thể SESSION trong đường hầm LSP_IPv6.........................36
Hình 2.7. Cấu trúc mạng MMDS với một anten bao phủ một vùng..............37
Hình 2.8. Cấu trúc mạng LMDS với nhiều anten bao phủ một vùng.............38
Hình 2.9. Kiến trúc lớp WMPLS....................................................................39
2.2.5.Kỹ thuật WMPLS...................................................................................39
Hình 2.10. Thiết lập đường với thủ tục chuyển giao WMPLS.......................41

iii


Hình 2.11: Mạng di động MPLS.....................................................................42
Hình 2.12: Thiết lập đường chuyển mạch nhãn trong một mạng di động......43
Hình 3.1. Kiến trúc của một mạng truy nhập không dây MPLS di động Micro
50
Hình 3.2. Đăng ký nút di động trong MPLS Micro di động...........................51
Hình 3.3. Thủ tục chuyển giao ngoài LER trong MPLS Micro di động........54
Hình 3.4a. Hoạt động của FH-Micro trước chuyển giao................................56
Hình 3.4b. FH-Micro trong quá trình chuyển giao.........................................56

Hình 3.5. Hoạt động của FC-Micro.................................................................58
Hình 3.6: Cây nhị phân đầy đủ độ sâu ℓ của một mạng truy nhập.................60

iv


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Giá trị các bit cờ trong tiêu đề gói tin WMPLS..............................33
Bảng 2.2. Các bit điều khiển báo nhận lỗi và điều khiển luồng
trong tiêu đề WMPLS......................................................................................33
Bảng 3.1. Bảng nhãn của LERG sau đăng ký.................................................51
Bảng 3.2. Bảng nhãn của một LER/FA sau khi chuyển giao trong LER.......52
Bảng 3.3. Bảng nhãn của LERG sau khi chuyển giao ngoài LER.................54

v


THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Thuật ngữ
AP
ARP
ATM
BGP
BS
CMR

Tên Tiếng Anh
Access Point
Address Resolution Protocol
Asynchronous Transfer Mode

Border Gateway Protocol
Base Station
Call-to-Mobility Ratio

Chú giải
Điểm truy nhập
Giao thức phân giải địa chỉ
Truyền dẫn không đồng bộ
Giao thức cổng đường biên
Trạm gốc
Tỉ số tốc độ gói đến và tốc độ di

CoS
CQR
CRC
CR
CR-LDP
CTMC
ER
FA
FCC
FEC
FMIP

Class of Service
Classing-Queing-Scheduling
Cycle Redundant Check
Constrained Routing
Constrained Routing – LDP
Continuous-Time Markov Chain

Explicit Routing
Foreign Agent
Frequence Control Community
Fowarding Equivalent Class
Fast-handoff Mobile IP

động
Phân lớp dịch vụ
Phân lớp-Hàng đợi và lập lịch
Kiểm tra dư chu trình
Định tuyến cưỡng bức
Định tuyến cưỡng bức - LDP
Chuỗi Markov thời gian liên tục
Định tuyến hiện
Đại diện ngoại trú
Cục quản lý tần số
Lớp chuyển tiếp tương đương
Cơ chế chuyển giao nhanh cho IP

HA
ICMP
ID
IETF
IGMP

di động
Home Agent
Đại diện thường trú
Internet-Control-Message
Giao thức bản tin điều khiển

Identifier
Nhận dạng ID
Internet Engineering Task Force Nhóm tác vụ kỹ thuật Internet
Internet Group Management Giao thức quản lý nhóm Internet

IP
LC-ATM
LDP
LER
LFIB

Protocol
Internet Protocol
Label Controlled-ATM
Label Distribution Protocol
Label Edge Router
Label Forwarding Information

LMDS

Base
Local

LSP
LSR
MAC

System
Label Switched Path
Label Switch Router

Media Access Controller

Đường dẫn chuyển mạch nhãn
Router chuyển mạch nhãn
Bộ điều khiển truy nhập

MH
MIP-RR

Mobile Host
Mobile IP- Regional Registration

phương tiện
Host di động
Cơ chế cập nhật đăng ký cho IP

Multipoint

Giao thức liên mạng
ATM được điều khiển nhãn
Giao thức phân bổ nhãn
Bộ chuyển mạch nhãn biên
Cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn

Distribution Hệ thống phân bố đa điểm cục bộ

vi


MMDS

Multichannel Multipoint

di động
Dịch vụ phân bố đa điểm - đa

MPLS
MSO
PDU
PHB
PNNI
PPP
QoS
RA
RESV
RFC
RSVP
SONET
TCP
TLV
TTL
UDP
UMTS

Distribution Service
Multiprotocol Label Switching
Mobile Switching Office
Protocol Data Unit
Per Hop Behavior
Pravite-Network-Network

Point to Point Protocol
Quality of Service
Routing Area
Resevation
Request For Comment
Resource Resevation Protocol
Synchronous Optical Network
Transission Control Protocol
Type-Length-Value
Time To Live
User Datagram Protocol
Universe-Mobile

kênh
Chuyển mạch nhãn đa giao thức
Trung tâm chuyển mạch di động
Đơn vị dữ liệu giao thức
Bộ ứng xử trên từng chặng
Giao diện mạng riêng
Giao thức điểm - điểm
Chất lượng dịch vụ
Vùng định tuyến
Bản tin dành trước
Yêu cầu ý kiến
Giao thức dành trước tài nguyên
Mạng truyền dẫn quang đổng bộ
Giao thức điều khiển truyền dẫn
Kiểu mã hóa độ dài-giá trị
Thời gian sống
Giao thức lược đồ dữ liệu

Hệ thống thông tin di động toàn

UNI
UNII

Telecommunication System
cầu
User-Network Interface
Giao diện người sử dụng-mạng
Unlicensed National Information Hệ thống thông tin quốc gia

VCI
VPI
VPN
WAN
WATM

Infrastructure
Virtual Circuit Identifier
Virtual Path Identifier
Virtual Private Network
Wide Area Network
Wireless-ATM

không được cấp phép
Nhận dạng kênh ảo
Nhận dạng đường ảo
Mạng riêng ảo
Mạng diện rộng
Phương thức truyền tải không

Wireless-MPLS

đồng bộ không dây
Chuyển mạch nhãn đa giao thức

WMPLS

không dây

vii


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH
NHÃN ĐA GIAO THỨC MPLS
1.1. Giới thiệu chung về chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS
1.1.1. Khái niệm MPLS
MPLS là viết tắt của cụm từ: Multi Protocol Label Switching (chuyển mạch
nhãn đa giao thức).
Khái niệm chuyển mạch nhãn tương đối đơn giản. Để hình dung vấn đề này
chúng ta xem xét một quá trình chuyển thư điện tử từ hệ thống máy tính gửi đến hệ
thống máy tính nhận. Trong mạng internet truyền thống (không sử dụng chuyển mạch
nhãn) quá trình chuyển thư điện tử giống hệt quá trình chuyển thư thông thường. Các
địa chỉ đích được truyền qua các thực thể trễ (các bộ định tuyến). Địa chỉ đích sẽ là
yếu tố để xác định con đường mà gói tin chuyển qua các bộ định tuyến. Trong chuyển
mạch nhãn, thay vì sử dụng địa chỉ đích để quyết định định tuyến, một “nhãn” được
gán với gói tin và được đặt trong tiêu đề gói tin với mục đích thay thế cho địa chỉ và
nhãn được sử dụng để chuyển lưu lượng các gói tin tới đích.
Mục tiêu của chuyển mạch nhãn đưa ra nhằm cải thiện hiệu năng chuyển tiếp
gói tin của các bộ định tuyến lõi qua việc sử dụng các chức năng gán và phân phối

nhãn gắn với các dịch vụ định tuyến lớp mạng khác nhau. Thêm vào đó là lược đồ
phân phối nhãn hoàn toàn độc lập với quá trình chuyển mạch.
Gọi là chuyển mạch nhãn vì nó sử dụng cơ chế hoán đổi nhãn làm kỹ thuật
chuyển tiếp ở lớp bên dưới (lớp 2).
Gọi là đa giao thức vì MPLS có thể hỗ trợ nhiều giao thức lớp mạng (lớp 3),
không chỉ riêng IP.
1.1.2. Lý do ra đời
Với mục tiêu kết hợp hai kỹ thuật IP và ATM với nhau, cụ thể là kết hợp ưu
điểm của IP (ví dụ cơ cấu định tuyến) và của ATM (như phương thức chuyển
mạch), MPLS gồm hai chức năng quan trọng sau:
•

Chức năng chuyển tiếp gói tin

Sử dụng cơ chế hoán đổi nhãn. Bản chất là: tìm chặng kế tiếp của gói tin
trong một bảng chuyển tiếp nhãn, sau đó thay thế giá trị nhãn của gói, rồi chuyển ra
cổng ra của bộ định tuyến.
1


•

Chức năng điều khiển

Gồm các giao thức định tuyến lớp mạng có nhiệm vụ phân phối thông tin
giữa các LSR và thủ tục gán nhãn để chuyển thông tin định tuyến thành bảng định
tuyến chuyển mạch nhãn.
1.1.3. Đặc điểm MPLS
•

Tốc độ và trễ

Với mạng chuyển mạch gói, các tham số hiệu năng cơ bản là tốc độ, tỷ lệ
mất gói, trễ và độ biến thiện trễ của lưu lượng người sử dụng. Cơ chế chuyển tiếp IP
truyền thống là quá chậm để xử lý tải lưu lượng lớn trên mạng Internet toàn cầu hay
trong các liên mạng. Ngược lại với chuyển tiếp IP, chuyển mạch nhãn đạt được tốc
độ cao vì giá trị nhãn nhỏ được đặt ở tiêu đề của gói và được sử dụng để truy nhập
bảng chuyển tiếp tại bộ định tuyến, nghĩa là nhãn được sử dụng để tìm kiếm trong
bảng định tuyến. Việc tìm kiếm này chỉ yêu cầu một lần truy nhập tới bảng, khác
với truy nhập bảng định tuyến truyền thống, khi mà việc tìm kiếm có thể cần đến
hàng ngàn lần truy nhập. Kết quả của hoạt động này là lưu lượng người sử dụng
trong gói sẽ được chuyển qua mạng nhanh hơn nhiều, đồng thời sự tích lũy trễ cũng
giảm được một cách đáng kể so với trong mạng IP truyền thống.
•

Jitter

Là sự thay đổi độ trễ của lưu lượng người sử dụng do việc chuyển gói tin qua
nhiều node trong mạng để chuyển tới đích của nó. Tại từng node, địa chỉ đích trong
gói phải được kiểm tra và so sánh với danh sách địa chỉ đích khả dụng trong bảng
định tuyến của node, do đó trễ và biến thiên trễ phụ thuộc vào số lượng gói và
khoảng thời gian mà bảng tìm kiếm phải xử lý trong khoảng thời gian xác định. Kết
quả là tại node cuối cùng, Jitter là tổng cộng tất cả các biến thiên độ trễ tại mỗi node
giữa bên gửi và bên thu. Với gói là thoại thì do Jitter cuộc thoại bị mất đi tính liên
tục. Do chuyển mạch nhãn hiệu quả hơn, lưu lượng người dùng được gửi qua mạng
nhanh hơn và ít Jitter hơn so với định tuyến IP truyền thống.
• Khả năng mở rộng mạng
Chuyển mạch nhãn không chỉ cung cấp các dịch vụ tốc độ cao mà nó còn có
thể hỗ trợ khả năng mở rộng tương đối mềm dẻo cho mạng. Khả năng mở rộng liên
quan đến năng lực điều chỉnh của hệ thống để phù hợp với sự tăng nhanh của số

2


người sử dụng mạng. Chuyển mạch nhãn cung cấp giải pháp cho sự phát triển
nhanh chóng và xây dựng các mạng lớn bằng việc cho phép một lượng lớn các địa
chỉ IP được kết hợp với một hay vài nhãn. Giải pháp này giảm đáng kể kích cỡ bảng
địa chỉ và cho phép bộ định tuyến hỗ trợ nhiều người sử dụng hơn.
• Tính đơn giản
Chuyển mạch nhãn là giao thức chuyển tiếp cơ bản, chuyển tiếp gói chỉ dựa
vào nhãn. Do tách biệt giữa điều khiển và chuyển tiếp nên kỹ thuật điều khiển dù
phức tạp cũng không ảnh hưởng đến hiệu quả của dòng lưu lượng người sử dụng.
Cụ thể là, sau khi ràng buộc nhãn được thực hiện, các hoạt động chuyển mạch nhãn
để chuyển tiếp lưu lượng là đơn giản, có thể được thực hiện bằng phần mềm, bằng
mạch tích hợp chuyên dụng hay bằng các bộ xử lý đặc biệt.
• Sử dụng tài nguyên
Các mạng chuyển mạch nhãn không cần nhiều tài nguyên mạng để thực hiện
các công cụ điều khiển trong việc thiết lập các đường đi chuyển mạch nhãn cho lưu
lượng người sử dụng.
• Điều khiển đường đi
Chuyển mạch nhãn cho phép các đường đi qua một liên mạng được điều khiển
tốt hơn. Nó cung cấp một công cụ để bố trí các node và liên kết lưu lượng phù hợp
hơn, thuận lợi hơn, cũng như đưa ra chính xác các phân lớp lưu lượng (dựa trên các
yêu cầu về QoS) khác nhau của dịch vụ.
1.2. Các thành phần của MPLS
1.2.1. Các thiết bị trong mạng
LSR là một thiết bị định tuyến tốc độ cao trong lõi của một mạng MPLS, nó
tham gia vào việc thiết lập các đường dẫn chuyển mạch nhãn (LSP) bằng cách sử
dụng giao thức báo hiệu nhãn thích ứng và thực hiện chuyển mạch tốc độ cao lưu
lượng số liệu dựa trên các đường dẫn được thiết lập.
LER là một thiết bị hoạt động tại biên của mạng truy nhập và mạng lõi

MPLS. Các LER hỗ trợ đa cổng được kết nối tới các mạng khác nhau (chẳng hạn
FR, ATM và Ethernet). LER đóng vai trò quan trọng trong việc chỉ định và huỷ bỏ
nhãn khi lưu lượng vào trong hay đi ra khỏi mạng MPLS. Sau đó, tại lối vào nó

3


thực hiện việc chuyển tiếp lưu lượng vào mạng MPLS sau khi đã thiết lập LSP nhờ
các giao thức báo hiệu nhãn và phân bổ lưu lượng trở lại mạng truy nhập tại lối ra.
1.2.2. Đường chuyển mạch nhãn LSP
LSP: là một đường đi để gói tin qua mạng chuyển mạch nhãn trọn vẹn từ
điểm bắt đầu dán nhãn đến điểm nhãn bị loại bỏ khỏi gói tin. Các LSP được thiết
lập trước khi truyền dữ liệu.
Đường hầm LSP: LSP từ đầu tới cuối được gọi là đường hầm LSP, nó là
chuỗi liên tiếp các đoạn LSP giữa hai node kề nhau. Các đặc trưng của đường hầm
LSP, chẳng hạn như phân bổ băng tần, được xác định bởi sự thoả thuận giữa các
node, nhưng sau khi đã thoả thuận, node lối vào (bắt đầu của LSP) xác định dòng
lưu lượng bằng việc chọn lựa nhãn của nó. Khi lưu lượng được gửi qua đường hầm,
các node trung gian không kiểm tra nội dung của tiêu đề mà chỉ kiểm tra nhãn. Do
đó, phần lưu lượng còn lại được xuyên hầm qua LSP mà không phải kiểm tra. Tại
cuối đường hầm LSP, node lối ra loại bỏ nhãn và chuyển lưu lượng IP tới node IP.
Có thể sử dụng các đường hầm LSP để thực hiện các chính sách kỹ thuật lưu
lượng liên quan tới việc tối ưu hiệu năng mạng. Chẳng hạn, các đường hầm LSP có
thể được di chuyển tự động hay thủ công ra khỏi vùng mạng bị lỗi, tắc nghẽn, hay là
node mạng bị nghẽn cổ chai. Ngoài ra, nhiều đường hầm LSP song song có thể
được thiết lập giữa hai node, và lưu lượng giữa hai node đó có thể được chuyển vào
trong các đường hầm này theo các chính sách cục bộ.
Trong mạng MPLS các LSP được thiết lập bằng một trong ba cách đó là:
Định tuyến từng chặng, định tuyến hiện (ER) và định tuyến cưỡng bức (CR).
Một số khái niệm liên quan tới đường chuyển mạch nhãn là đường lên và

đường xuống.
Đường lên (Upstream): Hướng đi dọc theo đường dẫn từ đích đến nguồn.
Một router đường lên có tính chất tương đối so với một router khác, nghĩa là nó gần
nguồn hơn router được nói đến đó dọc theo đường dẫn chuyển mạch nhãn.
Đường xuống (Downstream): Hướng đi dọc theo đường dẫn từ nguồn đến
đích. Một router đường xuống có tính chất tương đối so với một router khác, nghĩa
là nó gần đích hơn router được nói đến đó dọc theo đường dẫn chuyển mạch nhãn.

4


1.2.3. Nhãn và các vấn đề liên quan
1.2.3.1.Nhãn, ngăn xếp nhãn, không gian nhãn
Tiêu đề MPLS: MPLS định nghĩa một tiêu đề có độ dài 32 bit, được đặt
ngay sau tiêu đề lớp 2 và trước một tiêu đề lớp 3.
Cấu trúc tiêu đề MPLS

Hình 1.1. Khuôn dạng tiêu đề nhãn MPLS
Ý nghĩa các trường
• Nhãn
Là một thực thể có chiều dài cố định (20 bit) dùng làm cơ sở cho việc
chuyển tiếp.
• Exp (Experimental)
Các bit Exp được dự trữ về mặt kỹ thuật cho sử dụng thực tế. Chẳng hạn sử
dụng những bit này để chỉ thị QoS - thường là một bản sao trực tiếp của các bit chỉ
thị độ ưu tiên trong gói IP. Khi các gói MPLS bị xếp hàng, có thể sử dụng các bit
Exp như cách sử dụng các bit chỉ thị độ ưu tiên IP.
• BS (Bottom of stack)
Bit này dùng để chỉ thị cho nhãn ở cuối ngăn xếp nhãn. Nhãn ở đáy của
ngăn xếp nhãn có giá trị BS bằng 1. Các nhãn khác có giá trị bit BS bằng 0.

• TTL (Time To Live)
Thông thường các bit TTL là một bản sao trực tiếp của các bit TTL trong
tiêu đề gói IP. Chúng giảm giá trị đi một đơn vị khi gói đi qua mỗi chặng để tránh
5


lặp vòng vô hạn. TTL cũng có thể được sử dụng khi các nhà điều hành mạng muốn
giấu cấu hình mạng nằm bên dưới.
Ngăn xếp nhãn là một tập các nhãn có thứ tự được chỉ định cho gói. Việc xử
lý các nhãn này cũng tuân theo một thứ tự .

Hình 1.2. Cấu trúc ngăn xếp nhãn
Nếu ngăn xếp nhãn của gói có độ sâu m, nhãn tại đáy của ngăn xếp được xem
như là nhãn mức 1, nhãn trên nó là nhãn mức 2, và nhãn trên cùng là nhãn mức m.
Mục đích ngăn xếp nhãn: tăng cường các dịch vụ (VPN, CoS), cho mở rộng
mạng (phân cấp) …
Không gian nhãn: Thuật ngữ không gian nhãn dùng để chỉ ra cách thức mà
một nhãn được kết hợp với một LSR. Có hai phương pháp để phân nhãn giữa các
LSR, tương ứng với hai dạng không gian nhãn, đó là: không gian nhãn theo từng
giao diện và không gian nhãn theo từng node.
Không gian nhãn theo từng giao diện: Nhãn được kết hợp với một giao diện
nào đó trên một LSR, ví dụ như DS3 hoặc giao diện SONET. Không gian nhãn loại
này thường được sử dụng với các mạng ATM và FR, trong đó các nhãn nhận dạng
kênh ảo được kết hợp với một giao diện. Nếu LSR sử dụng một giá trị giao diện để
giữ một bản ghi các nhãn trên mỗi giao diện thì một giá trị nhãn có thể được tái
dùng tại mỗi giao diện, miễn là thoả mãn điều kiện một nhãn là duy nhất trong
không gian nhãn. Theo một nghĩa nào đó, bộ nhận dạng giao diện này trở thành một
nhãn bên trong tại LSR, khác với nhãn bên ngoài được gửi giữa các LSR.

6

Không gian nhãn theo từng node (theo tất cả các giao diện): Ở đây, nhãn
đến được dùng chung cho tất cả các giao diện trên node. Điều này có nghĩa là node
(host hay router) phải ấn định nhãn trên tất cả các giao diện.
1.2.3.2 Liên kết nhãn với FEC
Khái niệm FEC: FEC là một nhóm các gói chia sẻ cùng yêu cầu chuyển tiếp
qua mạng. Tất cả các gói trong một nhóm như vậy được cung cấp cùng cách chọn
đường tới đích. Dựa trên FEC, nhãn được thoả thuận giữa các LSR lân cận từ lối
vào tới lối ra trong một vùng định tuyến, sau đó được sử dụng để chuyển tiếp lưu
lượng qua mạng.
Mỗi LSR xây dựng một bảng để xác định xem một gói phải được chuyển
tiếp như thế nào. Bảng này được gọi là cơ sở thông tin nhãn (LIB: Label
Information Base), nó là tổ hợp các liên kết nhãn với FEC.
FEC phụ thuộc vào một số yếu tố, ít nhất là là địa chỉ IP và có thể là cả kiểu
lưu lượng trong gói (thoại, dữ liệu, fax...)
Lý do dùng FEC: Thứ nhất, nó cho phép nhóm các gói vào các lớp. Từ việc
nhóm này, giá trị FEC trong một gói có thể được dùng để thiết lập độ ưu tiên việc
xử lý các gói. Thứ hai, FEC có thể được dùng để hỗ trợ hiệu quả hoạt động QoS.
Việc kết hợp một FEC với một gói được thực hiện bằng cách sử dụng một
nhãn để định danh một FEC đặc trưng. Với các lớp dịch vụ khác nhau, phải dùng
các FEC khác nhau và các nhãn liên kết khác nhau. Trong một vài hệ thống, chỉ địa
chỉ đích IP mới được sử dụng để định danh FEC đặc trưng.
Các phương pháp liên kết nhãn: Hoạt động liên kết nhãn xảy ra tại LSR, trong đó
một nhãn được kết hợp với một FEC. Các phương pháp liên kết nhãn bao gồm:
Liên kết tại chỗ và liên kết xa: Liên kết tại chỗ là trường hợp khi chính bộ
định tuyến thiết lập quan hệ giữa nhãn với một FEC. Bộ định tuyến có thể thiết lập
quan hệ này khi nó nhận lưu lượng hay thông tin điều khiển từ một node lân cận.
Liên kết xa là hoạt động trong đó một node lân cận chỉ định một liên kết nhãn tới
node cục bộ.

Liên kết đường lên và liên kết đường xuống: Liên kết nhãn đường xuống liên
quan tới phương pháp trong đó liên kết nhãn được thực hiện bởi LSR đường xuống, còn

7


đối với liên kết nhãn đường lên thì được thực hiện bởi LSR đường lên. Thuật ngữ đường
xuống chỉ hướng từ nguồn đến đích, còn đường lên là từ đích đến nguồn.
1.3. Hoạt động của MPLS
1.3.1. Hoạt động cơ bản
Cơ chế chuyển tiếp của MPLS được thực hiện bằng cách tra cứu trong một
bảng LIB đã định trước (là ánh xạ giữa giá trị nhãn và các địa chỉ của bước tiếp
theo). Một PHB (Per Hop Behavior) có thể được xác định ở mỗi LSR cho một FEC
nào đó. PHB xác định mức ưu tiên khi xếp hàng gói tương ứng với FEC và xác định
chính sách hủy gói (khi nghẽn mạch).
Các gói tin có thể có cùng LER lối vào và ra nhưng FEC khác nhau. Khi đó,
chúng được đánh nhãn khác nhau, được sử lý theo PHB khác nhau ở các LSR, và có
thể được vận chuyển qua mạng theo các LSP khác nhau.
Về cơ bản MPLS phân lưu lượng vào các loại FEC. Lưu lượng thuộc một
FEC sẽ được chuyển qua miền MPLS theo một đường LSP. Từng gói dữ liệu sẽ
được xem như thuộc một FEC bằng cách sử dụng các nhãn cục bộ.
MPLS thực hiện bốn bước sau đây để chuyển gói tin qua một miền MPLS:
• Bước 1-Báo hiệu
Với bất kỳ loại lưu lượng nào vào mạng MPLS, các bộ định tuyến sẽ xác
định một liên kết giữa nhãn với lớp chuyển tiếp FEC của lưu lượng đó. Sau khi thực
hiện thủ tục liên kết nhãn, mỗi bộ định tuyến sẽ tạo các mục trong bảng cơ sở thông
tin nhãn LIB. Tiếp đó, MPLS thiết lập một đường chuyển mạch nhãn LSP và các
tham số QoS của nó.
Để thực hiện được bước 1 cần phải có hai giao thức cho phép trao đổi thông
tin giữa các bộ định tuyến là:

-

Giao thức định tuyến bên trong một miền để trao đổi
thông tin giữa các bộ định tuyến.

-

Giao thức phân bổ nhãn.

Giao thức định tuyến cho phép xác định cấu trúc cũng như tình trạng hoạt
động hiện thời của mạng. Dựa vào các thông tin đó, một LSP có thể được gán cho
một FEC. Như vậy giao thức định tuyến phải có khả năng thu thập và sử dụng
thông tin để hỗ trợ các yêu cầu QoS của FEC.
8


Các nhãn được gán cho các gói ứng với FEC của nó. Vì giá trị của nhãn chỉ mang
tính cục bộ giữa hai bộ định tuyến kề nhau nên cần phải có cơ chế đảm bảo tính xuyên
suốt giữa các bộ định tuyến trên cùng LSP nhằm thống nhất về việc liên kết giá trị nhãn
với FEC. Như vậy cần có một giao thức để phân bổ nhãn giữa các LSR.
• Bước 2- Dán nhãn
Khi một gói đến bộ định tuyến LER đầu vào, LER sau khi xác định các tham
số QoS sẽ phân gói này vào một loại FEC, tương ứng với một LSP nào đó. Sau đó,
LER gán cho gói này một nhãn phù hợp và chuyển tiếp gói dữ liệu vào trong mạng.
Nếu LSP chưa có sẵn thì MPLS phải thiết lập một LSP mới như ở bước 1.
• Bước 3- Vận chuyển gói dữ liệu
Sau khi đã vào trong mạng MPLS, tại mỗi LSR gói dữ liệu sẽ được xử lý như sau:
-

Bỏ nhãn các gói đến và gán cho chúng một nhãn mới ở đầu ra (đổi nhãn).

-

Chuyển tiếp gói dữ liệu đến LSR kế tiếp dọc theo LSP.

• Bước 4- Tách nhãn
Bộ định tuyến biên LER ở đầu ra của miền MPLS sẽ cắt bỏ nhãn, phân tích
tiêu đề IP (hoặc xử lý nhãn tiếp theo trong ngăn xếp) và chuyển tiếp gói dữ liệu đó
đến đích.
1.3.2. Định tuyến
Khái niệm định tuyến trong mạng MPLS đề cập đến việc chọn LSP cho một
FEC nào đó. Nói chung các LSP có thể được thiết lập bằng một trong ba cách: Định
tuyến từng chặng (hop-by-hop), định tuyến hiện (ER-Explicit Routing) hoặc định
tuyến ràng buộc (CR-Constrained Routing). Dưới đây sẽ giới thiệu về các phương
pháp định tuyến này.
1.3.2.1. Định tuyến từng chặng
Phương pháp này là tương đương với phương pháp được sử dụng hiện nay
trong các mạng IP truyền thống. Các giao thức định tuyến truyền thống chẳng hạn
như OSPF, BGP hay PNNI được sử dụng để thăm dò địa chỉ IP. Trong phương
pháp này mỗi LSR lựa chọn một cách độc lập tuyến kế tiếp với một FEC cho trước.
Mỗi node MPLS xác định nội dung của LIB bằng việc tham chiếu tới bảng định
tuyến IP của nó. Với mỗi lối vào trong bảng định tuyến, mỗi node sẽ thông báo một
ràng buộc (chứa 1 địa chỉ mạng và 1 nhãn) tới các node lân cận.
9


Phương pháp định tuyến này hỗ trợ vài ưu điểm của MPLS như chuyển mạch nhãn
nhanh, có thể dùng ngăn xếp nhãn và các xử lý khác nhau với các FEC trên cùng một
tuyến. Tuy nhiên, do có hạn chế về các tham số trong giao thức định tuyến nên định tuyến
từng chặng không hỗ trợ tốt xử lý lưu lượng và các chính sách quản trị.

1.3.2.2. Định tuyến hiện (ER)
Định tuyến hiện tương tự với định tuyến nguồn. Trong phương pháp này
không một node nào được cho phép lựa chọn chặng kế tiếp. Thay vào đó một LSR
được lựa chọn trước, thường là LSR lối vào hay LSR lối ra, sẽ xác định danh sách
các node mà ER-LSP đi qua. Đường dẫn đã được xác định có thể là không tối ưu.
Song do các tuyến có thể chọn trước nên định tuyến hiện cho phép đơn giản hóa
công việc quản trị. Dọc đường dẫn các tài nguyên có thể được đặt trước để đảm bảo
QoS cho lưu lượng dữ liệu. Điều này làm cho kĩ thuật lưu lượng thực hiện dễ dàng
hơn, các dịch vụ được phân biệt có thể được cung cấp bằng cách sử dụng các luồng
dựa trên các chính sách hay các phương pháp quản lý mạng.

Hình 1.3. Định tuyến hiện
Hình 1.3 thể hiện ví dụ về định tuyến hiện. Các đường đi được xác định bắt
đầu tại bộ định tuyến lối vào A, sau đó tới B và D rồi ra tại F. Trong trường hợp này
định tuyến hiện không cho phép đường đi qua các LSR C và E. Các đường đi trong
định tuyến hiện được mã hóa trong bản tin yêu cầu nhãn và có thể được thiết lập
bằng việc sử dụng các bản tin LDP.
Cũng như các chức năng khác của MPLS, chức năng định tuyến hiện được
chia làm hai phần là điều khiển và chuyển tiếp. Thành phần điều khiển chịu trách
nhiệm thiết lập trạng thái chuyển tiếp dọc theo tuyến hiện. Thành phần chuyển tiếp
sử dụng trạng thái chuyển tiếp được thiết lập bởi thành phần điều khiển cũng như
thông tin có trong các gói tin để truyền chúng dọc theo tuyến hiện.
10


1.3.3.1.

Định tuyến ràng buộc (CR)

Một thuật toán định tuyến có tính đến các yêu cầu về lưu lượng của nhiều

luồng và tài nguyên hiện có tại các node trong mạng được xem như định tuyến có
ràng buộc. Khi sử dụng định tuyến này, mạng có thể biết được mức độ sử dụng mạng
hiện tại, dung lượng còn lại của mạng và các dịch vụ được cam kết.
Các tham số được tính đến trong định tuyến ràng buộc có thể là đặc tính liên
kết (băng tần, trễ,…vv), hop count hay QoS. Các LSP được thiết lập có thể là các
CR-LSP, trong đó các thông tin ràng buộc có thể là các chặng định tuyến hiện hay
các yêu cầu QoS. Các chặng định tuyến hiện chỉ ra đường đi nào được dùng. Còn các
yêu cầu QoS chỉ ra các tuyến và các cơ chế xếp hàng hay lập lịch nào được sử dụng
cho luồng lưu lượng.
Khi sử dụng định tuyến ràng buộc, có thể một đường đi có cost tổng cộng
lớn hơn nhưng chịu tải ít hơn sẽ được lựa chọn. Tuy nhiên, trong khi định tuyến
ràng buộc gia tăng hiệu năng mạng thì nó cũng bổ sung thêm độ phức tạp trong việc
tính toán định tuyến vì đường dẫn được lựa chọn phải thoả mãn các yêu cầu QoS
của LSP.
Định tuyến ràng buộc có thể được sử dụng cùng với MPLS để thiết lập các
LSP. IETF đã định nghĩa thành phần CR-LDP để làm cho việc thiết lập đường đi
dựa trên các ràng buộc trở nên thuận tiện hơn. Giao thức này sẽ được trình bày cụ
thể trong phần 1.4.
1.3.3. Các chế độ hoạt động
MPLS có thể hoạt động tương ứng với hai chế độ đó là:
• Chế độ khung
• Chế độ tế bào
1.3.3.1. Chế độ khung
Chế độ khung là thuật ngữ được sử dụng khi thực hiện chuyển tiếp gói với
một tiêu đề được bổ sung vào giữa tiêu đề lớp 3 và lớp 2 của gói tin (hình 1.4).

11


Hình 1.4. Khung MPLS với PPP/Ethernet là lớp liên kết dữ liệu

Do nhãn MPLS được chèn thêm vào gói tin như vậy nên bộ định tuyến gửi
thông tin phải có phương tiện gì đó để thông báo cho bộ định tuyến nhận biết rằng
gói đang được gửi không phải là gói IP thuần mà là gói có nhãn (gói MPLS). Để
thực hiện chức năng này, một số dạng giao thức mới được định nghĩa trên lớp 2.
1.3.3.2. Chế độ tế bào
Chế độ tế bào là thuật ngữ được sử dụng khi chúng ta có một mạng các
chuyển mạch ATM hay mạng FR sử dụng MPLS trong mặt phẳng điều khiển để
hoán đổi thông tin VCI/VPI thay cho việc sử dụng báo hiệu ATM hay báo hiệu FR.

Hình 1.5. Khung MPLS với ATM là lớp liên kết dữ liệu
Trong chế độ tế bào, nhãn được mã hoá trong các trường VPI/VCI hay DLCI
(xem hình 1.5 và hình 1.6). Sau khi quá trình trao đổi thông tin nhãn được thực hiện
trong mặt phẳng điều khiển, trong mặt phẳng chuyển tiếp, bộ định tuyến lối vào
phân chia các gói vào trong các tế bào ATM, dán nhãn cho chúng và thực hiện
truyền. Các ATM LSR trung gian xử lý các gói như một chuyển mạch ATM thông
thường–chúng chuyển tiếp tế bào dựa trên giá trị VPI/VCI và thông tin cổng vào.
Cuối cùng, bộ định tuyến lối ra tổng hợp các tế bào trở lại thành gói.

12