Nghiên cứu truyền tải dữ liệu qua mạng IP sử dụng công nghệ MPLS

Lời cam đoan
LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan nội dung đồ án này không phải là bản sao chép của bất cứ
đồ án hoặc công trình nghiên cứu nào trước đây.
Đà Nẵng, tháng 12 năm 2015.
Sinh viên

1


Mục lục
MỤC LỤC

2


Danh mục hình ảnh
DANH MỤC HÌNH ẢNH

3


Danh mục từ viết tắt
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
OSPF

Open Shorted Path First.

Giao thức định tuyến mở dựa
trên đường ngắn nhất.

TDM

Time Division Multiplexing.

Ghép kênh phân chia theo thời
gian.

MPLS

Mutiprotocol Label Switching.

Chuyển mạch nhãn đa giao
thức.

LSR

Label Switching Router.

Router chuyển mạch nhãn

iLSR

Ingress Label Switching Router.

Router chuyển mạch nhãn đầu
vào.

eLSR

Engress Label Switching Router.

Router chuyển mạch nhãn đầu
ra.

LSP

Label Switching Path.

Đường dẫn chuyển mạch nhãn.

FEC

Forwarding Equivalence Class.

Lớp chuyển tiếp tương đương.

EXP

Experimental.

Trường chất lượng dịch vụ.

BoS

Bottom of Stack.

Đáy của chồng nhãn.

TTL

Time To Live.

Thời gian tồn tại.

FIB

Forwarding Infomation Base.

Bảng thông tin chuyển tiếp.

LIB

Label Infomation Base.

Bảng thông tin nhãn.

LFIB

Label Forwarding Infomation Base. Bảng thông tin nhãn chuyển tiếp

LDP

Label Distribution Protocol.

Giao thức phân phỗi nhãn.

RSVP

Resource Reservation Protocol.

Giao thức dự phòng tài nguyên.

4


Danh mục từ viết tắt

UDP

User Datagram Protocol.

Giao thức truyền tải UDP

TCP

Transmission Contol Protocol.

Giao thức điều khiển truyền
dẫn.

PWE3

Pseudo-wire Emulation 3

Kỹ thuật đường dây ảo 3

RRR

Routing with Resource Reservation Định tuyến dự phòng tài nguyên.

FRR

FastReRoute

Tái định tuyến nhanh.

PDU

Protocol Data Unit

Đơn vị giao thức dữ liệu

PSN

Packet Switching Network

Mạng chuyển mạch gói.

PW

Pseudo-wire

Đường dây ảo.

5


Lời nói đầu
LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm qua, cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học

công nghệ, các hệ thống mạng IP cũng hình thành và đang dần thay thế các công
nghệ truyền dẫn cũ. Một mạng IP đủ lớn có khả năng truyền tải đa dịch vụ trên nó
với tốc độ cao đáp ứng đa nhu cầu người sử dụng. Sự ra đời của nhiều kỹ thuật mới
áp dụng trên mạng IP hứa hẹn đem lại nhiều phát triển cho hệ thống này trong thời
gian sắp tới.
Đề tài "Nghiên cứu truyền tải dữ liệu qua mạng IP sử dụng công nghệ
MPLS" ra đời với mục đích tìm hiểu rõ hơn các kiến thức về kỹ thuật MPLS cũng
như truyền tải dịch vụ như thế nào trong mạng IP, qua đó cung cấp thêm những kiến
thức thực tế cần thiết nhất để làm việc.
Để thực hiện nghiên cứu đề tài trên, đồ án được chia thành bốn chương:
-

Chương 1: Giới thiệu về mạng IP và các loại chuyển mạch.
Chương 2: Kỹ thuật chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS.
Chương 3: Cơ chế bảo vệ mạng IP dùng công nghệ MPLS.
Chương 4: Mô phỏng truyền dữ liệu qua mạng IP bằng công nghệ MPLS.
Để hoàn thành được đồ án này, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy

Ngô Minh Trí vì sự hướng dẫn tận tình, chu đáo của thầy. Trong suốt quá trình thực
hiện đồ án, thầy đã hướng dẫn tận tình, cung cấp tài liệu, định hướng nghiên cứu,
đồng thời động viên và giải đáp nhiều thắc mắc, giúp em có thêm động lực để hoàn
thành đồ án này.
Trong thời gian thực hiện, mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng đồ án của em
cũng không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong các thầy cô tận tình chỉ bảo và
góp ý kiến để đồ án của em được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn.

6

Chương 1: Giới thiệu về mạng IP và các loại chuyển mạch
CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU VỀ MẠNG IP VÀ CÁC LOẠI CHUYỂN MẠCH

•
•
•

Giới thiệu chương.
Chương này sẽ trình bày các nội dung sau:
Khái niệm về mạng máy tính.
Các giao thức định tuyến.
Các loại chuyển mạch.

1.2.

Khái niệm về mạng IP và mô hình phân lớp TCP/IP.

1.1.

1.2.1. Mạng máy tính.
Một hệ thống mạng là tập hợp của nhiều máy tính hoặc các thiết bị tương tự,
chúng có thể trao thông tin với nhau thông qua một trung gian truyền tải.

Hình 1.1: Một mạng cục bộ điển hình
Trong phạm vi một hệ thống mạng, các yêu cầu và dữ liệu từ một máy tính
được chuyển qua bộ phận trung gian (có thể là dây cáp mạng hoặc đường điện
thoại) tới một máy tính khác. Trong hình 1.1, máy tính D phải có khả năng gửi
thông tin hoặc yêu cầu tới máy tính F. Máy tính F phải hiểu được thông điệp của
máy tính D và đáp lại bằng cách gửi hồi âm cho máy tính D.

7


Chương 1: Giới thiệu về mạng IP và các loại chuyển mạch
1.2.2. Mô hình phân lớp OSI và TCP/IP.
1.2.2.1.Mô hình phân lớp OSI.

Hình 1.2 Mô hình phân lớp OSI
OSI được chia thành 7 lớp, mỗi lớp sẽ chịu trách nhiệm riêng biệt trong hệ
thống mạng. Nhiệm vụ của các lớp trong mô hình OSI có thể được tóm tắt như sau:
•

Tầng ứng dụng (Application layer – lớp 7): tầng ứng dụng quy định giao diện giữa
người sử dụng và môi trường OSI, nó cung cấp các phương tiện cho người sử dụng
truy cập và sử dụng các dịch vụ của mô hình OSI. Điều khác biệt ở tầng này là nó
không cung cấp dịch vụ cho bất kỳ một tầng OSI nào khác ngoại trừ tầng ứng dụng
bên ngoài mô hình OSI đang hoạt động. Các ứng dụng được cung cấp như các
chương trình xử lý kí tự, bảng biểu, thư tín … và lớp 7 đưa ra các giao thức HTTP,

FTP, SMTP, POP3, Telnet.
• Tầng trình bày (Presentation layer – lớp 6): tầng trình bày chuyển đổi các thông tin
từ cú pháp người sử dụng sang cú pháp để truyền dữ liệu, ngoài ra nó có thể nén dữ
liệu truyền và mã hóa chúng trước khi truyền để bảo mật. Nói đơn giản thì tầng này
sẽ định dạng dữ liệu từ lớp 7 đưa xuống rồi gửi đi, đảm bảo sao cho bên thu có thể
đọc được dữ liệu của bên phát. Các chuẩn định dạng dữ liệu của lớp 6 là GIF, JPEG,
PICT, MP3, MPEG …

8

Chương 1: Giới thiệu về mạng IP và các loại chuyển mạch
•

Tầng giao dịch (Session layer – lớp 5): thực hiện thiết lập, duy trì và kết thúc các
phiên làm việc giữa hai hệ thống. Tầng giao dịch quy định một giao diện ứng dụng
cho tầng vận chuyển sử dụng. Nó xác lập ánh xạ giữa các tên đặt địa chỉ, tạo ra các
tiếp xúc ban đầu giữa các máy tính khác nhau trên cơ sở các giao dịch truyền thông.
Nó đặt tên nhất quán cho mọi thành phần muốn đối thoại riêng với nhau. Các giao

thức trong lớp 5 sử dụng là NFS, X- Window System, ASP.
• Tầng vận chuyển (Transport layer – lớp 4): tầng vận chuyển xác định địa chỉ trên
mạng, cách thức chuyển giao gói tin trên cơ sở trực tiếp giữa hai đầu mút, đảm bảo
truyền dữ liệu tin cậy giữa hai đầu cuối (end-to-end). Để bảo đảm được việc truyền
ổn định trên mạng tầng vận chuyển thường đánh số các gói tin và đảm bảo chúng
chuyển theo thứ tự. Bên cạnh đó lớp 4 có thể thực hiện chức năng điều khiển luồng
•

và điều khiển lỗi. Các giao thức phổ biến tại đây là TCP, UDP, SPX.
Tầng mạng (Network layer – lớp 3): tầng mạng có nhiệm vụ xác định việc chuyển
hướng, vạch đường các gói tin trong mạng (chức năng định tuyến), các gói tin này
có thể phải đi qua nhiều chặng trước khi đến được đích cuối cùng. Lớp 3 là lớp có
liên quan đến các địa chỉ logic trong mạng. Các giao thức hay sử dụng ở đây là IP,

RIP, IPX, OSPF, AppleTalk.
• Tầng liên kết dữ liệu (Data link layer – lớp 2): tầng liên kết dữ liệu có nhiệm vụ xác
định cơ chế truy nhập thông tin trên mạng, các dạng thức chung trong các gói tin,
đóng gói và phân phát các gói tin. Lớp 2 có liên quan đến địa chỉ vật lý của các thiết
bị mạng, topo mạng, truy nhập mạng, các cơ chế sửa lỗi và điều khiển luồng.
• Tầng vật lý (Phisical layer – lớp 1): tầng vật lý cung cấp phương thức truy cập vào
đường truyền vật lý để truyền các dòng Bit không cấu trúc, ngoài ra nó cung cấp các

chuẩn về điện, dây cáp, đấu nối, kỹ thuật nối mạch điện, điện áp, tốc độ cáp truyền
dẫn, giao diện nối kết và các mức nối kết.

1.2.2.2. Mô hình TCP/IP.

9


Chương 1: Giới thiệu về mạng IP và các loại chuyển mạch

Hình 1.3: Mô hình TCP/IP
TCP/IP được chia thành 4 lớp, mỗi lớp thực hiện chức năng riêng biệt:
•

Lớp ứng dụng (Application layer – lớp 4): Cung cấp các ứng dụng để giải quyết sự
cố mạng, vận chuyển file, điều khiển từ xa, và các hoạt động Internet. Đồng thời hỗ
trợ giao diện Lập trình Ứng dụng (API) mạng, cho phép các chương trình được thiết

•

kế cho một hệ điều hành nào đó có thể truy cập mạng.
Lớp vận chuyển (Transport layer – lớp 3): Giúp kiểm soát luồng dữ liệu, kiểm tra
lỗi và xác nhận các dịch vụ cho liên mạng. Đóng vai trò giao diện cho các ứng dụng

mạng.
• Lớp Internet ( Internet layer – lớp 2): Cung cấp địa chỉ logic, độc lập với phần cứng,
để dữ liệu có thể lướt qua các tiểu mạng có cấu trúc vật lý khác nhau. Cung cấp
chức năng định tuyến để giao lưu lượng giao thông và hỗ trợ việc vận chuyển liên
mạng. Thuật ngữ liên mạng được dùng để đề cập đến các mạng rộng lớn hơn, kết
•

nối từ nhiều LAN. Tạo sự gắn kết giữa địa chỉ vật lý và địa chỉ logic.
Lớp truy cập mạng(Link layer – lớp 1): Cung cấp giao diện tương tác với mạng vật
lý. Format dữ liệu cho bộ phận truyền tải trung gian và tạo địa chỉ dữ liệu cho các
tiểu mạng dựa trên địa chỉ phần cứng vật lý. Cung cấp việc kiểm tra lỗi trong quá
trình truyền dữ liệu.
1.2.2.3. Mối quan hệ giữa mô hình OSI và TCP/IP.

10


Chương 1: Giới thiệu về mạng IP và các loại chuyển mạch

Hinh 1.4: Mối quan hệ giữa OSI và TCP/IP
1.2.3. Giao thức mạng IP.
Mỗi máy tính khi kết nối vào Internet đều có một địa chỉ duy nhất, đó chính
là địa chỉ IP. Địa chỉ này dùng để phân biệt máy tính đó với các máy tính khác trên
mạng Internet. Vậy địa chỉ IP là gì : địa chỉ IP là một số nguyên 32 bit được chia
thành 4 byte ngăn cách bởi dấu chấm, mỗi byte có giá trị từ 0 đến 255. Mỗi địa chỉ
IP gồm hai phần là địa chỉ mạng (Network) và địa chỉ máy (Host).
Toàn bộ địa chỉ IP được chi thành sáu lớp khác nhau : A, B, C, D, E và
loopback. Mỗi lớp sẽ có cách xác định địa chỉ Network và địa địa chỉ Host khác
nhau. Chỉ có lớp A, B, C được sử dụng, lớp D được dành cho phát các thông tin, lớp
E được dành riêng cho việc nghiên cứu, lớp loopback được dùng riêng để kiểm tra
vòng lặp quy hồi (loopback) và truyền thông liên quy trình trên máy tính cục bộ,
đây không phải là địa chỉ mạng hợp lệ.
Xác định địa chỉ Network và địa chỉ host của lớp A, B, C:

11

Chương 1: Giới thiệu về mạng IP và các loại chuyển mạch

Hình 1.5: Cách xác định lớp của địa chỉ IP
Giao thức định tuyến.
Định nghĩa định tuyến.
• Định tuyến (routing) : là phương thức xác định đường đi từ mạng này đến mạng
1.3.
1.3.1.

khác. Gồm: định tuyến tĩnh (static route) và định tuyến động (dynamic route).
• Bảng định tuyến (routing table) : bảng định tuyến, chứa thông tin định tuyến mà
•

router học được (địa chỉ mạng - đường đi qua cổng/IP nào).
Giao thức định tuyến (routing procols) : các giao thức tự động tìm đường đi dựa
trên các thuật toán nào đó, được sử dụng trong định tuyến động.

12


Chương 1: Giới thiệu về mạng IP và các loại chuyển mạch

Hình1.6 : Tổng quan về định tuyến
1.3.2.

Định tuyến tĩnh .
Định tuyến tĩnh (static route): hình thức định tuyến mà người quản trị phải

cấu hình đường đi cho router để nó biết đường đi đến một mạng khác.

•
•
•
•
1.3.3.

Không có khả năng tự động cập nhật đường đi.
Phải cấu hình thủ công khi mạng có sự thay đổi.
Sử dụng ít bandwidth hơn định tuyến động.
Không tiêu tốn tài nguyên để tính toán và phân tích gói tin định tuyến.
Định tuyến động.
Định tuyến động: là phương thức định tuyến mạng, sử dụng thuật toán định

tuyến tự động trao đổi thông tin định tuyến với các Router khác và xác định tuyến
tốt nhất đến mỗi mạng dựa vào bảng định tuyến.

13


Chương 1: Giới thiệu về mạng IP và các loại chuyển mạch
So với định tuyến tĩnh, định tuyến động tốn ít thời gian cấu hình cho người
quản trị. Tuy nhiên, định tuyến động tốn kém tài nguyên CPU, tài nguyên băng
thông mạng.
Một thuật toán định tuyến là một tập các xử lý, thuật toán và các thông điệp
được sử dụng để trao đổi thông tin định tuyến và xác định tuyến tốt nhất đưa vào
bảng định tuyến. Mục đính của giao thức định tuyến gồm:
Khám phá các mạng từ xa.
Duy trì và cập nhật thông tin định tuyến
Chọn đường đi tốt nhất đến các mạng đích.
• Có khả năng tìm tuyến mới thay thế cho tuyến cũ nếu tuyến cũ không còn sẵn sàng.

•
Thành phần của giao thức định tuyến gồm:
1.
Cấu trúc dữ liệu.
2.
Thuật toán định tuyến.
3.
Thông điệp định tuyến.
•
•
•

So sánh giữa định tuyến động và định tuyến tĩnh:
Định tuyến động
Độ phức tạp cấu độc lập với kích thước mạng

Định tuyến tĩnh
tăng khi kích thước mạng tăng

hình
Yêu cầu hiểu biết Yêu cầu hiểu biết về định không yêu cầu hiểu biết về
của người quản trị tuyến động của người quản trị định tuyến động của người quản
Thay

đổi

trị
hình Tự động thích ứng khi thay yêu cầu sự can thiệp của người

trạng mạng

đổi hình trạng mạng
quản trị
Khả năng mở rộng Phù hợp với mạng từ đơn giản phù hợp với mạng đơn giản
Bảo mật
Sử
dụng

đến phức tạp
ít bảo mật
bảo mật hơn
tài Sử dụng tài nguyên CPU, bộ Không cần nhiều tài nguyên

nguyên
nhớ, băng thông liên kết
Sự ổn định của Phụ thuộc vào hình trạng Tuyến đến đích luôn cố định
tuyến

mạng hiện thời

1.4. Định tuyến OSPF.

14


Chương 1: Giới thiệu về mạng IP và các loại chuyển mạch
1.4.1. Định nghĩa.
OSPF là một giao thức link – state điển hình. Mỗi router khi chạy giao thức
sẽ gửi các trạng thái đường link của nó cho tất cả các router trong vùng (area). Sau
một thời gian trao đổi, các router sẽ đồng nhất được bảng cơ sở dữ liệu trạng thái
đường link (Link State Database – LSDB) với nhau, mỗi router đều có được “bản

đồ mạng” của cả vùng. Từ đó mỗi router sẽ chạy giải thuật Dijkstra tính toán ra một
cây đường đi ngắn nhất (Shortest Path Tree) và dựa vào cây này để xây dựng nên
bảng định tuyến.
•
•

OSPF có AD = 110.
Metric của OSPF còn gọi là cost, được tính theo bandwidth trên cổng chạy

•
•

OSPF.
OSPF chạy trực tiếp trên nền IP, có protocol – id là 89.
OSPF là một giao thức chuẩn quốc tế, được định nghĩa trong RFC – 2328.

1.4.2. Các bước hoạt động của OSPF.
B1: Bầu chọn Router – id.
Đầu tiên, khi một router chạy OSPF, nó phải chỉ ra một giá trị dùng để định
danh duy nhất cho nó trong cộng đồng các router chạy OSPF. Giá trị này được gọi
là Router-id. Router–id trên router chạy OSPF có định dạng của một địa chỉ IP. Mặc
định, tiến trình OSPF trên mỗi router sẽ tự động bầu chọn giá trị router – id là địa
chỉ IP cao nhất trong các interface đang active, ưu tiên cổng loopback.
B2: Thiết lập quan hệ láng giềng (neighbor).
Bước tiếp theo, sau khi đã chọn xong router – id, router chạy OSPF sẽ gửi ra
tất cả các cổng chạy OSPF một loại gói tin được gọi là gói tin hello. Gói tin này
được gửi đến địa chỉ multicast dành riêng cho OSPF là 224.0.0.5, đến tất cả các
router chạy OSPF khác trên cùng phân đoạn mạng. Mục đích của gói tin hello là
giúp cho router tìm kiếm láng giềng, thiết lập và duy trì mối quan hệ này. Gói tin
hello được gửi theo định kỳ mặc định 10s/lần. Có nhiều thông tin được hai router

kết nối trực tiếp trao đổi với nhau qua gói tin hello. Trong các loại thông tin được
trao đổi, có năm loại thông tin sau bắt buộc phải match với nhau trên hai router để
chúng có thể thiết lập được quan hệ láng giềng với nhau:

15


Chương 1: Giới thiệu về mạng IP và các loại chuyển mạch
1.

Area – id.

2.

Hello timer và Dead timer.

3.

Hai địa chỉ IP đấu nối phải cùng subnet (một vài trường hợp còn yêu cầu

cùng cả subnet – mask).
4.

Thỏa mãn các điều kiện xác thực.

5.

Cùng bật hoặc cùng tắt cờ stub.
B3: Trao đổi LSDB
LSDB – Link State Database – Bảng cơ sở dữ liệu trạng thái đường link là

một bảng trên router ghi nhớ mọi trạng thái đường link của mọi router trong vùng.
Ta có thể coi LSDB là một “tấm bản đồ mạng” mà router sẽ căn cứ vào đó để tính
toán định tuyến. LSDB phải hoàn toàn giống nhau giữa các router cùng vùng. Các
router sẽ không trao đổi với nhau cả một bảng LSDB mà sẽ trao đổi với nhau từng
đơn vị thông tin gọi là LSA – Link State Advertisement. Các đơn vị thông tin này
lại được chứa trong các gói tin cụ thể gọi là LSU – Link State Update mà các router
thực sự trao đổi với nhau. Lưu ý: LSA không phải là một loại gói tin mà chỉ là
một bản tin. LSU mới thực sự là gói tin và nó chứa đựng các bản tin này.
B4: Tính toán xây dựng bảng định tuyến
Metric trong OSPF được gọi là cost, được xác định dựa vào bandwidth định danh
của đường truyền theo công thức như sau:
Metric = cost = 10^8/Bandwidth (đơn vị bps).

16


Chương 1: Giới thiệu về mạng IP và các loại chuyển mạch

Hình 1.7: Bảng giá trị cost theo từng interface
OSPF sẽ chọn đường đi dựa vào giá trị cost, giá trị cost nhỏ nhất thì đường đi
sẽ tối ưu nhất.
1.5.

Các loại chuyển mạch.

1.5.1. Chuyển mạch kênh.
1.5.1.1.Định nghĩa.
Chuyển mạch kênh là một phương thức nối-chuyển truyền thống được dùng
rộng rãi để kiến tạo các mạng điện thoại. Phương thức này tạo ra một kênh dẫn

thông tin cố định từ nguồn đến đích. Kế đến, thông tin sẽ được chuyển trong kênh
dẫn. Sau khi hoàn tất, hay khi có lệnh hủy bỏ thì đường nối này sẽ bị cắt.

Hình 1.8: Chuyển mạch kênh

17


Chương 1: Giới thiệu về mạng IP và các loại chuyển mạch
1.5.1.2.Phương thức hoạt động của chuyển mạch kênh.
Mạng chuyển mạch có thể bao gồm nhiều nút (hay trạm nối dây). Mỗi nút và
mỗi đầu cuối đều được địa chỉ hoá. Nguồn gửi thông tin sẽ yêu cầu nối mạng tới
một địa chỉ đích.
Các nút mạng sẽ tự động tìm ra các nút trung gian để nối thành một mạch
dẫn từ nguồn tới đích một cách liên tục theo thuật toán đã định sẵn (quá trình này sẽ
lâu hơn nếu hai máy nguồn và máy đích cách nhau qua nhiều nút trung gian hơn).
Trường hợp một trong các nút trung gian không thể hoàn tất việc nối mạch thì tín
hiệu bận (busy) có thể được chuyển về từ nút đó.
Nếu máy đích chấp thuận, và việc nối mạch với máy đích hoàn tất thì tín hiệu thông
mạch (hay tính hiệu chấp thuận) sẽ được trả về. Ngược lại tín hiệu hết thời lượng
(timeout) sẽ được gửi về máy chủ.
Máy chủ bắt đầu trao đổi thông tin hay huỷ bỏ việc trao đổi. Các nút mạng cũng sẽ
tự huỷ bỏ đường nối, giải phóng các nút cho các yêu cầu nối-chuyển khác.
1.5.1.3.Đặc điểm của chuyển mạch kênh.
Các user làm chủ quá trình trao đổi.
Truy nhập dữ liệu thời gian thực. Ví dụ như dịch vụ thoại.
• Độ tin cậy cao: một khi đường nối đã hoàn tất thì sự thất thoát tín hiệu gần như
•
•

không đáng kể.
• Băng thông cố định. Đối với kiểu nối này thì vận tốc chuyển thông tin là một hằng
số và chỉ phụ thuộc vào đặc tính vật lý cũng như các thông số cài đặt của các thiết
bị.
• Tuy nhiên, các vận chuyển này sẽ lấy nhiều tài nguyên( hiệu suất thấp ) và chúng
được cấp cho một đường nối dây cho tới khi xong hay có lệnh huỷ. Nói cách khác,
các đường nối dữ liệu nếu trong thời gian mở đường nối mà gặp phải các nút đều
đang bận dùng cho đường nối truớc đó thì buộc phải đợi cho tới khi các nút này
được giải phóng.
1.5.2. Kỹ thuật chuyển mạch gói.
1.5.2.1.Phương thức hoạt động của chuyển mạch gói.

18


Chương 1: Giới thiệu về mạng IP và các loại chuyển mạch
Trong chuyển mạch gói mỗi bản tin được chia thành các gói tin (packet), có
khuôn dạng được quy định trước. Trong mỗi gói cũng có chứa thông tin điều khiển:
địa chỉ trạm nguồn, địa chỉ trạm đích và số thứ tự của gói tin,… Các thông tin điều
khiển được tối thiểu, chứa các thông tin mà mạng yêu cầu để có thể định tuyến được
cho các gói tin qua mạng và đưa nó tới đích. Tại mỗi node trên tuyến gói tin được
nhận, nhớ và sau đó thì chuyển tiếp cho tới trạm đích. Vì kỹ thuật chuyển mạch gói
trong quá trình truyền tin có thể được định tuyến động để truyền tin. Điều khó khăn
nhất đối với chuyển mạch gói là việc tập hợp các gói tin để tạo bản tin, đặc biệt là
khi mà các gói tin được truyền theo nhiều con đường khác nhau tới trạm đích.
Chính vì lý do trên mà các gói tin cần phải được đánh dấu số thứ tự, điều này có tác
dụng, chống lặp, sửa sai và có thể truyền lại khi hiện tượng mất gói xảy ra.
1.5.1.2.Đặc điểm của chuyển mạch gói:
Các ưu điểm của chuyển mạch gói:
•

Mềm dẻo và hiệu suất truyền tin cao: Hiệu suất sử dụng đường truyền rất cao vì
trong chuyển mạch gói không có khái niệm kênh cố định và dành riêng, mỗi đường
truyền giữa các node có thể được các trạm cùng chia sẻ cho để truyền tin, các gói

tin sắp hàng và truyền theo tốc độ rất nhanh trên đường truyền.
• Khả năng truyền ưu tiên: Chuyển mạch gói còn có thể sắp thứ tự cho các gói để có
thể truyền đi theo mức độ ưu tiên. Trong chuyển mạch gói số cuộc gọi bị từ chối ít
hơn nhưng phải chấp nhận một nhược điểm vi thời gian trễ sẽ tăng lên.
• Khả năng cung cấp nhiều dịch vụ thoại và phi thoại.
• Thích nghi tốt nếu như có lỗi xảy ra: Đặc tính này có được là nhờ khả năng định
tuyến động của mạng.
Nhược điểm của chuyển mạch gói:
•

Trễ đường truyền lớn: Do đi qua mỗi trạm, dữ liệu được lưu trữ, xử lý trước khi
được truyền đi.
•
Độ tin cậy của mạng gói không cao, dễ xảy ra tắc nghẽn, lỗi mất bản tin.
•
Tính đa đường có thể gây ra lặp bản tin, làm tăng lưu lượng mạng không cần
•

thiết.
Tính bảo mật trên đường truyền chung là không cao.

1.6.

Kết luận chương.

19


Chương 1: Giới thiệu về mạng IP và các loại chuyển mạch
Ở chương này giúp cho chúng ta có cái nhìn tổng quan về mạng IP và các
dịch vụ, kỹ thuật có thể áp dụng trong mạng. Trong mạng IP có nhiều giao thức
định tuyến để tìm đường sao cho tối ưu nhất, điển hình nhất một trong số đó là giao
thức OSPF. Song song với định tuyến thì chuyển mạch cũng đóng một vai trò quan
trọng trong việc chuyển tiếp gói tin từ nơi này đến nơi khác dựa vào cách xác định
đường đi của giao thức định tuyến. Kết hợp giữa định tuyến ở layer 3 và chuyển
mạch ở layer 2 đã cho ra đời chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS thuận lợi cho
việc truyền dữ liệu. Kỹ thuật MPLS sẽ được trình bày ở chương 2.

20


Chương 2: Kỹ thuật chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS
CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC MPLS.
2.1.

Mở đầu chương.

•
•
•
•

Chương này sẽ trình bày các nội dung sau:
Tổng quan về chuyển mạch nhãn đa giao thức.
Kiến trúc chuyển mạch nhãn đa giao thức.

Quá trình chuyển tiếp gói tin nhãn.
Giao thức phân phối nhãn LDP.

2.2.

Tổng quan về chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS).

2.2.1. Tổng quan về kỹ thuật MPLS.
Chuyển mạch nhãn MPLS ra đời hơn mười năm và hiện trở thành kỹ thuật
chủ đạo sử dụng trong các hệ thống mạng.
Trong mạng MPLS, các gói tin IP sẽ được gắn thêm vào các nhãn giữa các
header lớp hai và lớp ba. Sau đó gói tin sẽ được chuyển tiếp trong mạng từ nguồn
đến đích dựa vào nhãn đó.
Các kỹ thuật đi trước như Frame-relay và ATM đã sử dụng kĩ thuật này để
chuyển tiếp gói tin trong mạng. Tuy nhiên, kỹ thuật MPLS xây dựng một cách tối
ưu hơn. Hỗ trợ được nhiều ứng dụng hơn và đặc biệt là khả năng điều khiển luồng.
Cung cấp cho người quản trị nhiều giải pháp quản trị mạng tối ưu hơn.
2.2.2. Ưu điểm của kỹ thuật MPLS.
MPLS ra đời mang lại rất nhiều thuận lợi cho quá trình truyền thông trong
Internet. Một số lợi ích của nó có thể được liệt kê ra sau đây:


Sử dụng cơ sở hạ tầng mạng đồng nhất.



Mang lại mô hình mạng riêng ảo ngang hàng MPLS VPN.



Tối ưu hóa điều khiển lưu lượng.



Kĩ thuật lưu lượng và chất lượng dịch vụ.
Với khả năng hỗ trợ nhiều giao thức cũng như những ích lợi thực tế mà nó mang lại,
MPLS hiện đang trở thành kĩ thuật quan trọng nhất trong mạng.
2.2.3. Các ứng dụng MPLS.
Phiên bản đầu tiên của chuyển mạch nhãn đã có mặt kĩ thuật lưu lượng tuy

21


Chương 2: Kỹ thuật chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS
nhiên dưới một tên khác RRR. Kĩ thuật lưu lượng đầu tiên được Cisco sử dụng là kĩ
thuật khai báo tĩnh. Điều này có nghĩa là chúng ta phải tự mình thực hiện cấu hình
để thay đổi đường đi của luồng lưu lượng. Kĩ thuật lưu lượng sau này hoạt động
linh động hơn nhờ vào các giao thức định tuyến trạng thái liên kết.
Cho đến khi các phiên bản MPLS sau này ra đời, các kỹ thuật như MPLS
VPN, AToM đã dần dần được chuẩn hóa và được đưa vào sử dụng rộng rãi trong
thực tế.
2.3.

Kiến trúc MPLS.

2.3.1. Nhãn MPLS.
2.3.1.1.Cấu trúc nhãn.
Nhãn MPLS có độ dài 32 bit và có cấu trúc như sau:

Hình 2. : Cấu trúc nhãn MPLS

Ý nghĩa các trường trong nhãn như sau:
Label (20bit): trường giá trị nhãn, có giá trị từ 0 – (2 20-1) = 1,048,575; 16 bit đầu
tiên có mang ý nghĩa đặc biệt.
EXP (3bit): Trường chất lượng dịch vụ.
BoS (1bit): Trường qui định vị trí nhãn trong ngăn xếp nhãn (label stack).


BoS = 0: đây là nhãn cuối cùng trong ngăn xếp nhãn.



BoS =1: nhãn này chưa phải là nhãn cuối cùng.
Ngăn xếp nhãn: tập hợp các nhãn được sắp xếp theo thứ tự trong phần đầu
của gói tin. Số lượng

nhãn trong ngăn xếp là không giới hạn mặc dù ít khi ta

thấy nó có chứa nhiều hơn bốn nhãn.

22


Chương 2: Kỹ thuật chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS
TTL(8bit): mang ý nghĩa giống trường TTL trong gói tin IP. Trường này qui định
thời gian sống của gói tin trong mạng. Khi đi qua một hop giá trị của nó giảm đi 1
và gói tin sẽ tự hủy nếu trường này có giá trị là 0.
2.3.1.2.Chồng Nhãn.

Hình 2. : Chồng nhãn
Những router hỗ trợ MPLS có thể có nhiều nhãn trong cùng một header gói

tin để thực hiện định tuyến gói tin qua mạng MPLS đến đích. Điều này được thực
hiện bằng cách sắp xếp các nhãn vào trong ngăn xếp. Nhãn nằm ở vị trí đầu tiên từ
bên trái qua của gói tin gọi là nhãn đỉnh, nhãn nằm ở vị trí cuối cùng gọi là nhãn
đáy. Thứ tự xử lý nhãn trong gói tin được thực hiện tuần tự từ nhãn đỉnh sang nhãn
đáy.Một số ứng dụng MPLS (MPLS VPN, AToM) thực sự cần nhiều hơn 1 nhãn
trong ngăn xếp để thực hiện định tuyến gói tin đến đích.

23


Chương 2: Kỹ thuật chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS
2.3.1.3.Một số loại nhãn ngõ ra đặc biệt.
Untagged: gói MPLS đến được chuyển thành gói IP và chuyển đến đích
Implicit-null: nhãn này được gán khi nhãn trên cùng của gói MPLS đến được
gỡ bỏ và gói được chuyển đến router kế tiếp.
Explicit-null: được sử dụng khi ta muốn bảo toàn giá trị EXP của nhãn trên
cùng trong gói đến . Nhãn trên cùng được hoán đổi với nhãn có giá trị 0 và chuyển
đến router kế tiếp.
Aggregate: nhãn này khiến gói MPLS chuyển thành gói IP bằng cách bỏ tất
cả các nhãn trong gói và LSR sẽ tìm thông tin trong bảng FIB để chuyển gói thông
tin đến đích.
2.3.2. Router chuyển mạch nhãn LSR.
Một router chuyển mạch nhãn là router có khả năng hỗ trợ hoạt động MPLS.
Nó có khả năng đọc hiểu nhãn và thực hiện chuyển tiếp dựa trên giá trị nhãn trong
gói tin. Ba loại LSR router trong mạng MPLS được mô tả như sau:


LSR đầu vào iLSR: Đây là router nằm tại vị trí biên đầu vào mạng MPLS, nó
nhận một gói tin IP (chưa gắn nhãn) rồi thực hiện gắn nhãn vào gói tin và chuyển
tiếp trên lớp liên kết dữ liệu.



LSR đầu ra eLSR: Router nằm ở vị trí biên đầu ra mạng MPLS, nó thực hiện
tháo nhãn ra khỏi gói tin và thực hiện chuyển mạch IP gói tin đến đích. Các router
LSR đầu vào và đầu ra là các router biên.



LSR trung gian: Các router nằm trung gian trong hệ thống mạng MPLS. Nó
nhận gói tin từ các LSR đầu vào hoặc LSR trung gian khác, xử lý gói tin và thực
hiện chuyển tiếp đến các LSR tiếp theo.
Một LSR hoạt động trong mạng MPLS thông thường thực hiện 3 quá trình:
gỡ nhãn (pop), thêm nhãn (push) và thay nhãn (swap).
Một router LSR phải có khả năng gỡ một hay nhiều nhãn ra khỏi label stack
gói tin trước khi thực hiện chuyển mạch hoặc cũng có thể thêm vào một hay nhiều
nhãn vào gói tin vừa nhận được. Nếu LSR nhận được một gói tin đã có nhãn nó có
thể thêm nhãn vào ngăn xếp rồi thực hiện chuyển mạch. Nếu LSR nhận được gói tin

24


Chương 2: Kỹ thuật chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS
chưa có nhãn nó phải tạo ra một ngăn xếp nhãn trong gói tin rồi thêm nhãn vào đó.
Mộ LSR còn phải có khả năng thay thế nhãn. Có nghĩa là khi nó nhận được một gói
tin nhãn nó phải thay thế giá trị nhãn đỉnh trong gói tin bằng một nhãn mới và
chuyển mạch gói tin đến interface đầu ra.
Thông thường việc thêm nhãn vào gói tin được thực hiện tại iLSR và việc gỡ
bỏ nhãn được thực hiện tại eLSR.
Trong trường hợp thực hiện mạng riêng ảo MPLS VPN, các LSR đầu vào và

đầu ra gọi là các router biên cung cấp dịch vụ PE. Các LSR trung gian gọi là các
router cung cấp dịch vụ P. Thuật ngữ router P, PE rất phổ biến trong ứng dụng mạng
riêng ảo MPLS VPN.
2.3.3. Đường dẫn chuyển mạch nhãn LSP.

Hình 2. : Đường dẫn chuyển mạch nhãn.
Đường dẫn chuyển mạch nhãn LSP là một đường đi có hướng qua một mạng
hay một phần mạng MPLS, dùng để chuyển tiếp các gói tin MPLS. LSP có thể được
coi là tuần tự các LSR mà gói tin đi qua trong mạng MPLS mà ở đó iLSR là router
đầu tiên, eLSR là router cuối cùng của đường đi LSP, các LSR ở giữa là các router
trung gian.
LSR bắt đầu một đường dẫn LSP nào đó không nhất thiết phải là router gắn
nhãn cho gói tin. Gói tin có thể được gắn nhãn trước đó rồi chuyển đến LSR bắt đầu
đường dẫn LSP để thực hiện chuyển tiếp qua mạng MPLS. Ví dụ tiêu biểu trong
trường hợp này là các LSP lồng ghép vào nhau.

25