Nghiên cứu về cấu trúc và kỹ thuật trong MPLS

GVHD:PGS.TS Phạm Hồng Liên

Trước tiên em xin cám ơn các thầy cô khoa Điện tử Viễn Thông đã tạo điều kiện thuận lợi
để chúng em có thể hoàn thành đồ án này. Đặc biệt em xin cảm ơn cô Phạm Hồng Liên đã
tận tình hướng dẫn và giải đáp những thắc mắc để các em có thể nghiên cứu và hoàn thành
đồ án này. Đây là đồ án rất quan trọng đối với chúng em là bước chuẩn bị tốt nhất cho luận
văn của chúng em sau này. Trong đồ án nếu còn những điều chưa đúng và chưa hoàn thiện,
rất mong cô nhận xét và đánh giá để các em có thể hoàn thành tốt hơn cho luận văn sau
này.

Trang 1


GVHD:PGS.TS Phạm Hồng Liên

Trên thế giới hiện nay, TCP/IP và ATM đang là hai giao thức được sử dụng
phổ biến. Tuy nhiên người ta vẫn thấy những tồn tại, yếu điểm của hai mô hình trên
mà thực tế không thể khắc phục được. Sự phát triển của ATM trước đây là một
thành tựu quan trọng trọng trong công nghệ truyền thông nhưng ngày nay ATM đã
trở nên lỗi thời vì không đáp ứng được các dịch vụ đa dạng hiện nay. Hầu hết các
dịch vụ quan trọng đều được triển khai trên TCP/IP. TCP/IP phát triển mạnh trong
các năm cuối của thập kỷ 90, bởi nó cũng là một giao thức mạng thông minh và linh
hoạt, đáp ứng được hầu hết các dịch vụ trước đây. Tuy nhiên vấn đề là ở khả năng
mở rộng, điều khiển lưu lượng và QoS trong mạng TCP/IP không đáp ứng nổi nhu
cầu của người sử dụng. TCP/IP cũng có nhiều trở ngại trong việc phân tách các
khách hàng và bảo mật trong ứng dụng VPN. Nguyên nhân xuất phát từ cách thức
chuyển mạch trên nền tảng địa chỉ IP. Số điểm mạng càng lớn, các thiết bị phải xây
dựng một bảng định tuyến dài và làm tăng quá trình xử lý.
Xuất phát từ nguyên nhân đó, người ta đã nghĩ đến việc chuyển mạch không
dựa trên nền tảng IP mà dựa vào một nhãn nào đó. Ý tưởng thông minh đó đã được
nhóm các nhà phân tích của IETF phát triển thành công nghệ chuyển mạch nhãn đa

giao thức, gọi tắt là MPLS (Multi Protocol Label Switching). MPLS phát triển trên
nền tảng của ATM và TCP/IP, do đó là giao thức cầu nối của hai công nghệ này.
MPLS thích ứng được với nhiều giao thức mạng khác nhau, điều này mang lại
nhiều lợi ích cho các nhà cung cấp dịch vụ và người sử dụng. MPLS cũng đáp ứng
tốt hơn các yêu cầu về QoS, điều khiển lưu lượng và VPN...
Lưu lượng truyền đi trong MPLS có tính bảo mật, chất lượng dịch vụ cao
hơn nhiều so với ATM và TCP/IP. Vậy công nghệ MPLS đã được triển khai như
thế nào, cấu trúc ra sao và được ứng dụng ở Việt Nam sẽ gặp những thuận lợi, khó
khăn gì? Em đã nghiên cứu về cấu trúc và kỹ thuật trong MPLS, cũng như tìm hiểu
về tính khả thi của MPLS trên thị trường Việt Nam.Em kính mong quý thầy cô nhận
xét và đánh giá để chúng em hoàn thiện đồ án này. Chúng em xin chân thành cảm
ơn.

Trang 2


GVHD:PGS.TS Phạm Hồng Liên

CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ TCP/IP VÀ ATM .....................................................6
1.1. Mô hình TCP/IP: ...................................................................................................................................... 6
1.1.1. Các khái niệm cơ bản trong mạng IP .................................................................................................. 6
1.1.1.1. Phương thức truyền dữ liệu trong mạng IP: ................................................................................ 7
1.1.1.2. Chọn đường đi cho các gói dữ liệu trong mạng IP: ..................................................................... 8
1.1.1.3. Định tuyến ................................................................................................................................... 9
1.1.1.4. Các hành động trong quá trình định tuyến: ................................................................................. 9
1.1.2. Các nhược điểm của TCP/IP: .............................................................................................................. 9
1.2. Mô hình ATM: ........................................................................................................................................ 11
1.2.1. Các thiết bị ATM và môi trường mạng: ............................................................................................ 11
1.2.1.1 Định dạng tế bào ATM: .............................................................................................................. 12
1.2.1.2. Các thiết bị trong mạng ATM ................................................................................................... 12

1.2.1.3. Các dịch vụ trong mạng ATM: .................................................................................................. 12
1.2.1.3. Các nhược điểm của ATM: ............................................................................................................ 13
2.1. So sánh giữa chuyển mạch trong mạng IP truyền thống và mạng MPLS: ........................................ 15
2.1.1. Chuyển mạch trong mạng IP: ............................................................................................................ 15
2.1.2. Chuyển mạch trong mạng MPLS: ..................................................................................................... 15
2.2. Các thuật ngữ và khái niệm trong MPLS: ............................................................................................ 17
2.2.1. Lớp chuyển tiếp tương đương (FEC): ............................................................................................... 17
2.2.2. Router chuyển mạch nhãn MPLS (MPLS LSR): .............................................................................. 17
2.2.3. Router biên chuyển mạch nhãn MPLS (E-LSR): .............................................................................. 17
2.2.4. Đường dẫn trong mạch MPLS (LSP) ................................................................................................ 18
2.2.5. Upstream, downstream ...................................................................................................................... 18
2.2.6. Nhãn MPLS....................................................................................................................................... 19
2.2.7. Ngăn xếp nhãn .................................................................................................................................. 20
2.3. Thành phần và cấu trúc của MPLS: ..................................................................................................... 21
2.3.1. Các phương pháp chuyển mạch trong MPLS: ................................................................................... 21
2.3.1.1. Kỹ thuật chuyển mạch thông thường: ....................................................................................... 21
2.3.1.2. Kỹ thuật chuyển mạch CEF:...................................................................................................... 23
2.3.2. Mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu: .................................................................................... 24
2.3.3. Phân loại nhãn sử dụng trong MPLS: ............................................................................................... 26
2.3.4. Hoạt động của LSR và E-LSR (LER) trên mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu: ................. 28
2.3.4.1. Thành phần và chức năng của một LSR: ................................................................................... 29
2.3.4.2. Thành phần và chức năng của một LER:................................................................................... 30
2.4. Hoạt động của MPLS: ............................................................................................................................ 32
2.4.1. Quá trình hình thành cơ sở dữ liệu: ................................................................................................... 32
2.4.1.1. Quá trình hình thành bảng định tuyến: ...................................................................................... 32
2.4.1.2. Gán nhãn Local cho desIP tương ứng: ...................................................................................... 33
2.4.1.3. Thiết lập bảng LIB và LFIB: ..................................................................................................... 34
2.4.1.4. Quảng bá nhãn nội bộ-local cho toàn mạng: ............................................................................. 34
2.4.1.5. Cập nhật thông tin quảng bá: ..................................................................................................... 35
2.4.1.6. PHP: .......................................................................................................................................... 37

2.4.1.7. Xử lý thông tin quảng bá: .......................................................................................................... 38
2.4.1.8. Hình thành bảng LFIB trong toàn mạng: ................................................................................... 40
2.4.1.9. Hội tụ gói tin qua mạng MPLS: ................................................................................................ 41
2.5. Tóm tắt ..................................................................................................................................................... 41

Trang 3


GVHD:PGS.TS Phạm Hồng Liên

CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ MPLS VPN .............................................................43
3.1. Tổng quan VPN: ..................................................................................................................................... 43
3.1.1. Giới thiệu chung VPN ....................................................................................................................... 43
3.1.2. Phân loại các mô hình VPN .............................................................................................................. 44
3.1.2.1. Overlay VPN: ............................................................................................................................ 44
3.1.2.2. Mô hình Peer-to-peer VPN:....................................................................................................... 45
3.1.3. Các ưu và nhược điểm của mô hình VPN hiện tại ............................................................................ 47
3.1.3.1. Mô hình Overlay VPN: ............................................................................................................. 47
3.1.3.2. Mô hình Peer-to-peer VPN:....................................................................................................... 47
3.2. MPLS VPN .............................................................................................................................................. 48
3.2.1. Các khái niệm và thuật ngữ trong MPLS VPN ................................................................................. 49
3.2.2. Mô hình định tuyến MPLS VPN ....................................................................................................... 49
3.2.3. Các kỹ thuật trong MPLS VPN ......................................................................................................... 51
3.2.3.1. Cấu trúc PE router ..................................................................................................................... 51
3.2.3.2. Bảng chuyển tiếp ảo VRF (Virtual Routing Forwarding): ........................................................ 52
3.2.3.3. Kỹ thuật phân biệt tuyến trong mạng core: ............................................................................... 53
3.2.3.3. Số nhận dạng đường đi (RD): .................................................................................................... 55
3.2.3.4. Số phân biệt đường đi (RT) ....................................................................................................... 57
3.2.3.5. Hoạt động của giao thức MP - BGP. ......................................................................................... 58
3.2.4. Hoạt động của mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu trên MPLS VPN .................................. 59

3.2.4.1. Mặt phẳng điều khiển: ............................................................................................................... 59
3.2.4.2. Mặt phẳng dữ liệu: .................................................................................................................... 61
3.3. Quá trình xử lý thông tin định tuyến đầu cuối trong MPLS-VPN: .................................................... 62
3.4. MPLS-VPN và quá trình chuyển gói dữ liệu: ...................................................................................... 63

CHƯƠNG 4: KỸ THUẬT LƯU LƯỢNG TRONG MPLS..............................66
4.1. Các khái niệm cơ bản trong điều khiển lưu lượng: ............................................................................. 66
4.1.1. Kỹ thuật hàng đợi .............................................................................................................................. 66
4.1.1.1. FIFO .......................................................................................................................................... 66
4.1.1.2. PQ .............................................................................................................................................. 67
4.1.1.3. FQ.............................................................................................................................................. 68
4.1.1.4. WRR .......................................................................................................................................... 70
4.1.1.5. WFQ (Weighted Fair Queuing) ................................................................................................. 71
4.1.1.6. WFQ (Class Based) ................................................................................................................... 73
4.1.2. Trung kế lưu lượng ........................................................................................................................... 74
4.1.3. Giải thuật thùng rò và thùng Token .................................................................................................. 75
4.1.3.1. Mô hình thùng rò ....................................................................................................................... 75
4.1.3.2. Mô hình thùng Token ................................................................................................................ 75
4.2. Động lực phát triển của MPLS TE:....................................................................................................... 76
4.3. Thiết lập kênh truyền dẫn sử dụng MPLS-TE: ................................................................................... 80
4.3.2. Quảng bá thông tin sử dụng giao thức IGP mở rộng: ........................................................................ 81
4.3.3. Tính toán đường dẫn sử dụng CSPF: ................................................................................................ 84
4.3.4. Thiết lập đường dẫn sử dụng CR-LDP & RSVP-TE: ....................................................................... 86
4.3.4.1.CR-LDP: .................................................................................................................................... 86
4.3.4.2. RSVP-TE................................................................................................................................... 90
4.4. Sử dụng đường dẫn TE: ......................................................................................................................... 94
4.5. Các thuật toán định tuyến nâng cao trong MPLS ///////// có thể bỏ/////////........................................... 97

Trang 4

GVHD:PGS.TS Phạm Hồng Liên

4.5.1.Yêu cầu sử dụng các thuật toán định tuyến mới: ............................................................................... 97
4.5.2. Định tuyến dựa trên QoS ................................................................................................................... 98
4.5.2.1. Phân loại các thuật toán QoS: .................................................................................................... 99
4.5.3. Định tuyến dựa trên lưu lượng ........................................................................................................ 101
4.5.4. Dựa trên thông tin hiện tại của mạng .............................................................................................. 101
4.5.4.1. Thuật toán định tuyến với điểm giao tối thiểu MIRA (Minimum Interference Routing
Algorithm) ............................................................................................................................................ 101
4.5.4.2. Thuật toán định tuyến động trực tuyến DORA (Dynamic On line Routing Algorithm) ......... 103
4.5.5. Định tuyến dựa trên thông tin mô tả PBR (Profile Based Routing) ................................................ 104
4.6. Bảo vệ và khôi phục: ............................................................................................................................. 104
4.6.1. Phát hiện lỗi .................................................................................................................................... 105
4.6.2. Bảo vệ và phục hồi .......................................................................................................................... 105
4.6.3. MPLS Recovery .............................................................................................................................. 106
4.6.3.1 Phân loại và cơ chế khôi phục và bảo vệ .................................................................................. 107
4.6.3.1.1 Bảo vệ toàn cục và bảo vệ cục bộ ..................................................................................... 107
4.6.3.1.2. Tái định tuyến bảo vệ và chuyển mạch bảo vệ ................................................................ 107
4.6.3.1.3. Mô hình MAKAM (Bảo vệ toàn cục) .............................................................................. 107
4.6.3.1.4. Mô hình Haskin (Reverse Backup): ................................................................................. 108
4.6.3.1.5. Mô hình Hundessa ........................................................................................................... 109
4.6.3.1.6. Mô hình Simple Dynamic ................................................................................................ 109
4.6.3.1.7. Mô hình Shortest Dynamic .............................................................................................. 110
5.1. Triển khai dịch vụ mạng riêng ảo VPN/MPLS tại VDC ................................................................... 114
5.2. Ứng dụng MPLS trong mạng NGN: ................................................................................................... 115
5.3. Những vấn đề cần giải quyết khi triển khai MPLS tại Việt Nam ..................................................... 121

KẾT LUẬN ............................................................................................................123

Trang 5


GVHD:PGS.TS Phạm Hồng Liên

CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ TCP/IP VÀ ATM
Trước khi MPLS ra đời, TCP/IP và ATM đã từng công nghệ tân tiến và đáp
ứng được hầu hết các nhu cầu dịch vụ viễn thông. Cuối thập niên 90 và đầu những
năm 2000 đã từng là sự bùng nổ của ATM và TCP/IP trên các ứng dụng truyền dữ
liệu... Nhưng ngày nay, với sự phát triển của xã hội, nhu cầu thông tin ngày một
tăng và người ta cũng phát minh ra nhiều loại hình dịch vụ mới, các công nghệ cũ
dường như không đáp ứng nổi những yêu cầu mới. Chương này giới thiệu chung về
các mô hình TCP/IP và ATM, phân tích các ưu nhược điểm và sự ra đời của MPLS.
1.1. Mô hình TCP/IP:
1.1.1. Các khái niệm cơ bản trong mạng IP
TCP/IP là một bộ giao thức đựợc phát triển bởi Cục các dự án nghiên cứu
cấp cao (ARPA) của bộ Quốc phòng Mỹ. Trước đây, TCP/IP là giao thức chạy trên
môi trường hệ điều hành UNIX và dùng chuẩn của Ethernet. Khi máy tính cá nhân
ra đời, TCP/IP chay trên môi trường máy tính cá nhân với hệ điều hành DOS và các
trạm làm việc chạy hệ điều hành UNIX. Hiện nay TCP/IP được sử dụng rất phổ
biến trong mạng Internet.
TCP/IP ra đời trước chuẩn OSI. Hai mô hình này không hoàn toàn trùng
khớp nhau nhưng vẫn có sự tương thích nhất định. Sự tương quan giữa mô hình
TCP/IP và mô hình OSI được chỉ ra trong hình sau:

Trang 6


GVHD:PGS.TS Phạm Hồng Liên

TCP/IP

OSI
Úng dụng

Ứng dụng và dịch vụ

Trình diễn
Phiên

TCP

Giao vận

UDP

IP

IP

Liên kết và vật lý

Liên kết và vật lý

Hình 1.1. Sự tương ứng giữa TCP/IP và OSI
1.1.1.1. Phương thức truyền dữ liệu trong mạng IP:
Dữ liệu trong mạng IP không được truyền liên tục mà được phân thành các
gói, hay còn gọi là các datagram. Mỗi datagram có hai phần chính là header và data.
Header chứa địa chỉ nguồn, đích và càc thông số khác để giúp cho packet đi đến
đích. Các thông số còn lại giúp hạn chế lỗi xảy ra khi packet đi đến đích như thời

gian sống (time to live), kiểm tra lỗi (checksum), cờ báo, độ dài tổng cộng của của
datagram…
VER

IHL

Type of service

Identification

Total length
Flags Fragment offset

Time to live

Protocol

Header checksum

Source address
Destination address
Options-padding
Data
Hình 1.1. Cấu trúc của datagram
Khi gửi các datagram trên đường truyền vật lý, các datagram phải được đóng
gói lại dưới dạng các frame do đường truyền vật lý không xác định được các frame.

Trang 7

GVHD:PGS.TS Phạm Hồng Liên

Toàn bộ datagram sẽ nằm trong vùng dữ liệu của frame. Đường truyền vật lý xử lý
các frame dựa vào địa chỉ MAC và các giao thức lớp hai.
Tuy nhiên trong mỗi loại mạng, người ta luôn qui định độ dài tối đa của một
frame, gọi là MTU (maximun transfer unit). Kích thước của frame luôn phải nhỏ
hơn kích thức của MTU. Khi frame có kích thước lớn hơn MTU, nó phải được phân
đoạn, mỗi đoạn có kích thước nhỏ hơn MTU của mạng. Quá trình phân đoạn được
thực hiện ở các Gateway giữa các mạng có kích thức MTU khác nhau trên đường
truyền dữ liệu. Các đoạn sau khi được phân chia sẽ vẫn gồm hai thành phần: phần
header và data. Các phân đoạn lần lượt được chuyển tới đích. Trạm cuối dựa vào
các thông số flag và fragment offset để thiết lập lại dữ liệu ban đầu.
1.1.1.2. Chọn đường đi cho các gói dữ liệu trong mạng IP:
Địa chỉ IP là số nhận biết của một trạm trong mạng. Các gói xác định đích
đến dựa vào địa chỉ IP. Trên thế giới hiên nay đang sử dụng IPv4. Đó là một chuỗi
số nhị phân dài 32 bit, được chia thành bốn Octet. Để đơn giản người ta biểu diễn
mỗi Octec dưới dạng thập phân. Độ lớn mỗi Octec chạy từ 0 đến 255, các địa chỉ IP
cứ như vậy lấp đầy số 1 vào chuỗi nhị phân 32 bit.
Để thuận tiện cho việc quản lý và sử dụng, người ta chia địa chỉ IP ra thành 4 lớp
như sau:
Lớp A: là dãy địa chỉ với Octec đầu có dạng 0xxxxxxx,cho phép định danh
126 mạng,với tối đa 16 triệu host trên một mạng.
Lớp B: là dãy địa chỉ với Octec đầu có dạng 10xxxxxx, cho phép định danh
16384 mạng với tối đa 65534 host trên mỗi mạng
Lớp C: là dãy địa chỉ với Octec đầu có dạng 110xxxxx,cho phép định danh
khoảng 2 triệu mạng , mỗi mạng tối đa 254 host .
Lớp D : các địa chỉ còn lại ,được dùng cho multicast hoặc broadcast (gửi một
thông tin đến nhiều host)
Lớp A 1 Net ID

Host ID

Lớp B 1 0 Net ID

Host ID

Trang 8


GVHD:PGS.TS Phạm Hồng Liên

Lớp C 1 1 0 Net ID

Host ID

Hình 1.2. Phân lớp địa chỉ IP
1.1.1.3. Định tuyến
Định tuyến là phương thức dịch chuyển thông tin trong liên mạng,từ nguồn
đến đích. Nó là một chức năng được thực hiện ở tầng mạng. Chức năng này cho
phép bộ định tuyến đánh giá đường đi sẵn có tới đích dựa vào topo mạng. Topo
mạng có thể do người quản trị thiết lập hoặc được thu thập thông qua các giao thức
định tuyến. Topo mạng mà router học được sẽ được ghi vào bảng định tuyến. Bảng
định tuyến chứa thông tin tìm đường mà router dựa vào đó để phân phát các gói tin
đến đích cuối cùng.
1.1.1.4. Các hành động trong quá trình định tuyến:
Xác định đường đi: chọn ra 1 đường đi tốt nhất đến đích theo một tiêu chí
nào đó (cost, chiều dài đường đi...) dựa vào bảng định tuyến. Khi có được
đường đi tốt nhất từ bảng định tuyến, bước tiếp theo là gắn với đường đi này
cho bộ định tuyến biết phải gởi gói tin đi đâu.
Chuyển mạch: cho phép bộ định tuyến gởi gói tin từ cổng vào đến cổng ra

tương ứng với đường đi tối ưu đã chọn.
1.1.2. Các nhược điểm của TCP/IP:
Do tính chất của chuyển mạch lớp 3, quá trình định tuyến trong router
thường chậm hơn trong switch. Quá trình định tuyến được thực hiện trên tất cả các
router mà nó đi qua.

Trang 9


GVHD:PGS.TS Phạm Hồng Liên

Hình 1.4. Định tuyến IP
Do sự phức tạp tính toán định tuyến các gói tin IP tại mỗi router mà tốc độ
hội tụ sẽ chậm, cùng với đó là các phương thức giúp mô hình TCP/IP hoạt động
đúng như chống lặp vòng (split horizon, spoison reverse v.v…), hay các thủ thuật
điều khiển lưu lượng giúp mạng hoạt động có hiệu quả. Nhưng đồng thời chúng
cũng giới hạn kích cỡ của một mạng sử dụng định tuyến IP.
Khi sử dụng kết nối qua mạng WAN, ta không thể sử dụng TCP/IP do tốc độ
hội tụ chậm cùng với việc header IP lớn qua mạng đường dài sẽ làm tốn băng thông.
Mặc dù các kỹ thuật TE (traffic engineering), Diffserv sử dụng trong IP đã giúp mô
hình này hoạt động tốt hơn và cung ứng đa dịch vụ nhưng việc sử dụng những kỹ
thuật này trong mạng TCP/IP rất phức tạp và hiệu quả chưa cao.
Do đó, yêu cầu đặt ra là cần một giao thức mạng WAN giúp cho việc chuyển
gói tin đi nhanh hơn qua WAN và cung ứng đa dịch vụ và chất lượng dịch vụ. Và
đây chính là cơ sở cho việc hình thành các giao thức mạng WAN như X25,
FrameRelay, và đặc biệt là ATM.

Trang 10

GVHD:PGS.TS Phạm Hồng Liên

1.2. Mô hình ATM:
ATM là mô hình mạng theo chuẩn của ITU-T cho chuyển mạch tế bào. Với công
nghệ ATM, thông tin đa dịch vụ như voice, video, data được chuyển đi trong các tế
bào (cell) có kích thước nhỏ và cố định. Do kích thước của các gói, việc chuyển
phát dữ liệu cố tốc độ nhanh hơn so với mạng TCP/IP và giảm thiểu được thời gian
trễ. Một mạng ATM tư nhân hoặc mạng ATM công cộng đều có thể chuyển phát
các dữ liệu đa dịch vụ.
1.2.1. Các thiết bị ATM và môi trường mạng:
ATM là công nghệ chuyển mạch tế bào, kết hợp các ưu điểm của chuyển
mạch mạch và chuyển mạch gói. Mạng ATM cho phép mở rộng băng thông ở tầm
Mbps đến tầm Gbps, là tốc độ lý tưởng cho các dịch vụ so với mạng TCP/IP. Do
tính không đồng bộ, ATM rõ ràng là hiệu quả hơn các công nghệ đồng bộ như
TDM.
Đối với TDM, việc truyền dữ liệu được chia thành các kênh theo thời gian,
mỗi người sử dụng được gán vào một khe thời gian, và không ai khác có thể truyền
trên khe thời gian đó. Nếu một user có đủ dữ liệu để truyền, nó chỉ có thể truyền khi
đến khe thời gian riêng của nó, trong khi các khe khác là trống. Ngược lai, khi user
không có dữ liệu, nó vẫn truyền dữ liệu rỗng trên khe của mình. Với công nghệ
ATM, do tính bất đồng bộ, khe thời gian được khả dụng theo yêu cầu từ nguồn gửi
dựa vào thông tin trên mào đầu của ATM-cell.

Hình 1.5. Mô hình ứng dụng mạng ATM

Trang 11


GVHD:PGS.TS Phạm Hồng Liên

1.2.1.1 Định dạng tế bào ATM:
Thông tin chuyển đi trong mạng ATM dưới dạng các đơn vị có độ dài cố
định gọi là các cell. Năm byte đầu tiên chứa thông tin mào đầu của cell (cellheader), 48 byte còn lại là thành phần thông tin mà gói tin mạng đi. Nhờ độ dài nhỏ
và không đổi, thông tin truyền đi trong mạng ATM thường ít trễ và phù hợp với
chuyển phát âm thanh, hình ảnh.

Hình 1.6. Định dạng tế bào ATM
1.2.1.2. Các thiết bị trong mạng ATM
Mạng ATM gồm có hai thiết bị chính là ATM swtich và ATM endpoint.
ATM switch có nhiệm vụ vận chuyển các cell qua mạng ATM. ATM switch nhận
các cell từ các endpoint hoặc ATM switch khác. Sau đó, nó đọc và update thông tin
từ cell-header và quyết định gửi cell đi tại một giao tiếp của nó. Còn ATM endpoint
thì có thể là các trạm cuối, các router hoặc LAN switch...nhưng được gắn thêm một
bộ phận tương thích ATM. Hình 1.5 mô tả các bộ phân trong một mạng ATM.
1.2.1.3. Các dịch vụ trong mạng ATM:
Có ba loại dịch vụ trong mạng ATM là: mạch ảo cố định, mạch ảo tạm thời
và các dịch vụ không kết nối. PVC cho phép kết nối trực tiếp giữa các vị trí của
khách hàng, ở đây, giống như là một đường lease lined, nghĩa là đường thuê bao
dành riêng. Ưu điểm của dịch vụ này là giữ được kết nối cố định và không yêu cầu
một thủ tục thiết lập đường truyền nào. Tuy nhiên nhược điểm là các kết nối phải
được thiết lập bằng tay và cố định, do đó vấn đề mở rộng mạng gặp nhiều khó khăn.
Hơn nữa, các kết nối không tự khôi phục khi bị hỏng.

Trang 12


GVHD:PGS.TS Phạm Hồng Liên

Đối với dịch vụ SVC (Switched Virtual Circuit), một SVC được tạo và ngắt
tự động khi có dữ liệu truyền đi, giống như là khi ta thiết lập một cuộc gọi. Để thiết

lập SVC, cần có các giao thức báo hiệu giữa các ATM endpoint và ATM switch.
Thuận lợi của SVC là tự động thiết lập kênh truyền bởi các thiết bị mạng, nhưng bất
lợi của nó là mạng cần nhiều thời gian cho việc thiết lập và băng thông báo hiệu.
1.2.1.3. Các nhược điểm của ATM:
Dù có nhiều thuận lợi trước mắt, nhưng ATM cũng tồn tại nhiều bất cập
trong tương lai, khi nhu cầu sử dụng tăng đòi hỏi phải mở rộng mạng. Công tác bảo
trì trong mạng ATM cũng gặp nhiều khó khăn. ATM có thể ra đời để đáp ứng
những nhu cầu sử dụng hiện thời của con người nhưng xét về khả năng sử dụng lâu
dài và mở rộng là hoàn toàn không hiệu quả.
Hơn nữa, định tuyến IP thông thường và định tuyến ATM khác nhau do đó
ATM làm gián đoạn định tuyến IP dẫn đến việc làm gián đoạn các chức năng phần
mềm. Các nhà cung cấp dịch vụ luôn gặp khó khăn khi kết hợp hai mô hình này, bởi
vì khó có sự trao đổi thông tin định tuyến và báo hiệu giữa ATM & định tuyến IP.
Bên cạnh đó, mô hình ATM khó có thể mở rộng mạng. Sự triển khai ATM tốn kém
nhiều chi phí do sự phức tạp của cấu trúc mạng.
Yêu cầu đặt ra là cần có một giao thức kết hợp được các ưu điểm của mô
hình TCP/IP và ATM. Và các kỹ thuật trong TCP/IP và ATM chính là cơ sở hình
thành nên giao thức mạng mới MPLS ( multi protocol label switching )

IP

MPLS

ATM

Hình 1.7. Giao thức mạng MPLS
Đối với mạng MPLS, cơ sở để chuyển tiếp gói tin không còn là IP header
hay cell header nữa, mọi sự chuyển mạch đều dựa trên nhãn. MPLS có thể được xây
dựng trên một nền tảng TCP/IP hoặc ATM sẵn có. Phát triển MPLS là khả thi trên
một giao thức mạng bất kỳ, ATM hay TCP/IP. Do đó MPLS goi là mạng chuyển

Trang 13


GVHD:PGS.TS Phạm Hồng Liên

mạch nhãn đa giao thức. MPLS ra đời đã giải quyết hầu hết các khó khăn của các
mô hình mạng cũ và cùng cho những ưu điểm vượt trội:
IP
MPLS
ATM, FRAME RELAY, Ethernet, PPP

SDH, ODH, WDN, CSMA

Hình 1.8. Lớp MPLS trong mô hình OSI
 Định tuyến và chuyển mạch chỉ sử dụng LSR (Label Stack Router)
 Sử dụng chuyển mạch nhãn làm tăng tốc độ chuyển gói
 Giữ được ưu điểm của giao thức IP (định tuyến), ATM (chuyển mạch)
 Ẩn lớp liên kết dữ liệu & sự khác biệt giao thức lớp 2 của các gói tin
 Cung cấp khả năng QoS (Quality of service)
MPLS cũng có một số nhược điểm như một lớp mới phải được thêm vào mô
hình OSI và các router phải được cài đặt các phần mềm để có thể hiểu được MPLS
Tóm lai sự ra đời của MPLS là một bước phát triển lớn trong ngành công
nghiệp viễn thông, đáp ứng nhu cầu sử dụng ngày một cao của xã hôi. Các chương
tiếp theo sẽ trình bày về kỹ thuật và các ứng dụng trong MPLS

Trang 14


GVHD:PGS.TS Phạm Hồng Liên

CHƯƠNG 2:

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MPLS

Mạng chuyển mạch nhãn đa giao thức là công nghệ kết hợp đặc điểm tốt
nhất giữa định tuyến lớp ba và chuyển mạch lớp hai, cho phép chuyển tải các gói
rất nhanh trong mạng lõi và định tuyến tốt ở mạng biên bằng cách dựa vào nhãn.
MPLS là một phương pháp cải tiến việc chuyển tiếp gói trên mạng, dựa trên việc
gán nhãn vào mạng IP tương ứng. Do đó mỗi gói IP, cell ATM hoặc frame lớp 2
đều được gắn nhãn. Hiện nay mạng MPLS là giải pháp cho các nhu cầu về tốc độ,
khả năng mở rộng, quản lý chất lượng dịch vụ và điều khiển lưu lượng. MPLS
cũng cung cấp một giải pháp hàng đầu để đáp ứng nhu cầu về băng thông và dịch
vụ yêu cầu cho các mạng IP thế hệ kế tiếp. Chương này bao gồm lý thuyết về các
kỹ thuật, khái niệm và cách hoạt động của một mạng MPLS thông thường
2.1. So sánh giữa chuyển mạch trong mạng IP truyền thống và mạng MPLS:
2.1.1. Chuyển mạch trong mạng IP:
Trong mạng IP truyền thống, các giao thức định tuyến được sử dụng để
phân phối thông tin định tuyến lớp ba. Gói được chuyển đi dựa vào địa chỉ đích
trong IP header. Khi nhận được một gói IP, router dò tìm trong bảng định tuyến
thông tin trong bản routing mạng đích của gói, từ đó xác định next-hop rồi chuyển
gói đi. Việc xác định next-hop được lặp lại tại mỗi hop từ nguồn đến đích.
2.1.2. Chuyển mạch trong mạng MPLS:
Gói được chuyển đi dựa trên nhãn. Các nhãn này có thể tương ứng với các
địa chỉ IP đích hoặc các thông số khác như các lớp QoS và địa chỉ nguồn. Nhãn
được phát đi trên từng Router hoặc Router interface và được nhận biết một cách
nội bộ trong chính Router đó. Router gán nhãn đến các đường đi định trước gọi là
LSP giữa các điểm cuối. Vì vậy, chỉ có router ở biên mới làm nhiệm vụ dò tìm
bảng định tuyến. Các bước của quá trình chuyển mạch trong mạng MPLS:

Trang 15


GVHD:PGS.TS Phạm Hồng Liên

Bảng định tuyến

Hình 2.1. Chuyển mạch trong mạng IP
1.

R4 nhận gói có tiền tố địa chỉ đích IP là 172.16.10.0/24 và gửi gói tin qua
miền MPLS. R4 nhận biết đường đi của gói trong mạng bằng 1 bảng định
tuyến theo nhãn. R4 gán nhãn L3 nhận từ downstream R3 vào gói IP, chuyển
gói đến next hop R3.

2.

R3 nhận gói, hoán đổi nhãn L3 bằng nhãn L2 nhận được từ router R2 và
chuyển đến next hop R2.

3.

R2 nhận gói tin, tiếp tục thay thể nhãn L2 bằng nhãn L1 và gửi gói đến R1.

Hình 2.2. Chuyển mạch trong mạng MPLS

Trang 16


GVHD:PGS.TS Phạm Hồng Liên

R1 là router biên, kết nối giữa miền IP và miền MPLS. R1 bóc tất cả các
nhãn MPLS được gắn vào gói tin, trả lại địa chỉ IP nguyên thủy và gởi đến mạng
172.16.10.0/24.
Nhờ chuyển mạch dựa trên nhãn ở mạng lõi, MPLS sẽ có tốc độ xử lý gói
nhanh hơn so với mạng IP. Thay vì dò tìm trong một bảng định tuyến dài, gói tin
trong MPLS chỉ so sánh nhãn với bảng chuyển mạch nhãn mà nó học được. Có thể
liên tưởng quá trình chuyển mạch trong mạng lõi với việc gắn tag trong mạng lớp
hai giữa các Vlan. Đó là lý do người ta nói rằng MPLS là công nghệ kết hợp các
đặc điểm tốt nhất giữa chuyển mạch lớp hai và định tuyến lớp 3.
2.2. Các thuật ngữ và khái niệm trong MPLS:
Một mô hình MPLS tiêu biểu sẽ gồm các khái niệm sau:
2.2.1. Lớp chuyển tiếp tương đương (FEC):
RFC3031, nhóm gói được chuyển đi theo cùng một cách giống nhau (cùng
một đường đi với cách chuyển phát như nhau).
2.2.2. Router chuyển mạch nhãn MPLS (MPLS LSR):
Thực hiện chức năng như chuyển mạch nhãn. LSR nhận gói có nhãn và trao
đổi nhãn với một nhãn của nó và gửi gói đi tại interface tương ứng. LSR, dựa trên
vị trí của nó trong miền MPLS để thực hiện chức năng gắn nhãn hoặc bóc nhãn
hoặc trao đổi. LSR cũng dựa vào vị trí để gắn hoặc bóc chồng nhãn. Trong suốt
quá trình trao đổi, chỉ có nhãn trên cùng của chồng nhãn được thay thế, các nhãn
khác không bị ảnh hưởng.
2.2.3. Router biên chuyển mạch nhãn MPLS (E-LSR):
Một LSR ở biên của MPLS domain. E-LSR gắn nhãn khi gói đi vào miền
MPLS hoặc bóc nhãn khi gói ra khỏi miền. Chỉ có những Router này mới thực
hiên nhiệm vụ vừa định tuyến IP, vừa định tuyến theo nhãn.
Hình sau chỉ rõ E-LSR, LSR trong miền MPLS:
-

E- LSR: R1, R4.

Trang 17


GVHD:PGS.TS Phạm Hồng Liên

-

LSR: R2, R3.

Hình 2.3. Vị trí của LSR và E-LSR trong miền MPLS
2.2.4. Đường dẫn trong mạch MPLS (LSP) là đường dẫn từ nguồn đến đích của
gói tin trong miền MPLS. Bản chất của LSP là đơn hướng. LSP thường nhận
thông tin từ IGP nhưng LSP cũng có thể đi khác hướng của IGP để đến đích khi
sử dụng điều khiển lưu lượng trong MPLS.
2.2.5. Upstream, downstream: là các khái niệm then chốt để hiểu hoạt động của
sự phân phối nhãn (mặt phẳng dữ liệu) và chuyển phát dữ liệu trong MPLS. Dữ
liệu mà Router định gửi đi cho một mạng xác định gọi là downstream, còn việc
cập nhập thông tin (giao thức định tuyến hoặc phân phối nhãn, LDP/TDP) gắn liền
với một tiền tố gọi là upstream. Có thể hiểu là thông tin về nhãn của 1 Router
được chính nó gửi đi cho các LSR kế cận được gọi là downstream. Còn thông tin
định tuyến thì gọi là upstream. Hình dưới đây cho ví dụ về downstream và
upstream router

Trang 18


GVHD:PGS.TS Phạm Hồng Liên

Hình 2.4. Upstream và downstream

2.2.6. Nhãn MPLS: một nhãn MPLS dài 20 bit được gán cho một tiền tố IP. Cấu
trúc của nhãn như sau:

Hình 2.5. Cấu trúc nhãn MPLS
Hình 2.5. Cấu trúc nhãn MPLS
 20 bit đầu (0->19): thành phần nhãn thật sự dùng riêng cho hoạt động thiết
yếu của một mạng MPLS
 3 bit (20 -> 22) dùng cho mục đích CoS (cost of service ) tương tự như trong
mạng IP truyền thống.
 Bit 23: tùy kích thước cũng như dịch vụ mà MPLS có thể sử dụng một hay
nhiều nhãn. Nếu sử dụng nhiều nhãn thì các nhãn sẽ được lưu trữ trong một

Trang 19


GVHD:PGS.TS Phạm Hồng Liên

ngăn xếp. Bit này sẽ được set lên 1 khi nhãn cần xử lý là cuối cùng trong
ngăn xếp để router trong MPLS biết để kết thúc quy trình xử lý nhãn.
 8 bit cuối ( 24 -> 31 ): TTL ( time to live ) có chức năng chống lặp vòng
bằng cách định thời gian tồn tại của gói tin trong mạng MPLS tương tự như
thành phần TTL trong header gói tin IP
2.2.7. Ngăn xếp nhãn:
Ngăn xếp nhãn là một tập các nhãn, trong đó phân chia ra 3 loại nhãn: nhãn
đầu, giữa và nhãn cuối ngăn xếp

Hình 2.6. Ngăn xếp nhãn
Protocol ID (PID) là thành phần xác định dữ liệu (payload) có kèm một hay
nhiều nhãn và theo sau các nhãn này là IP header.
Các thành phần nhãn gồm nhãn đầu tiên (Top), các nhãn trung tâm (Middle)

và nhãn cuối (Bottom). Thứ tự của các nhãn này được xác định bởi bit S trong các
nhãn trên.
Khi một router trong MPLS nhận frame trên, nó chỉ xử lý phần nhãn đầu tiên
(top label), các nhãn sau do các router kế tiếp xử lý.
Thông thường các gói dữ liệu khi vào MPLS chỉ được gán một nhãn. Tuy
nhiên trong một số trường hợp phải sử dụng nhiều nhãn để đáp ứng yêu cầu dịch vụ.
Một số dịch vụ có thể kể ra như:
 MPLS VPN: gồm 2 nhãn, trong đó nhãn thứ hai (không thay đổi khi qua
MPLS) dùng để hội tụ các tuyến sử dụng MP BGP qua mạng MPLS. Nhãn
đầu tiên được các router trong MPLS xử lý như trong mạng MPLS thông
thường.
 MPLS TE: sử dụng kỹ thuật traffic engineering và phương pháp phân phối
nhãn RSVP dùng để xác định LSP cần dùng. Nhãn còn lại được dùng để hội
tụ đầu cuối với từng LSP.

Trang 20


GVHD:PGS.TS Phạm Hồng Liên

 MPLS VPN có dùng MPLS-TE: có thể dùng nhiều nhãn.
2.3. Thành phần và cấu trúc của MPLS:
2.3.1. Các phương pháp chuyển mạch trong MPLS:
Có ba phương pháp dùng để chuyển gói tin trong MPLS :
Phương pháp đầu tiên gọi là “process switching”: mỗi gói tin được chuyển tới
đích nhờ vào bảng định tuyến được xây dựng ban đầu nhờ gói tin đầu tiên dựa trên
giao thức định tuyến IP. Các gói tin sau đó sẽ dựa vào bảng định tuyến mà quyết
định đường đi tới đích. Do bảng định tuyến có giới hạn nên việc định tuyến có thể
xảy ra đệ quy. Trong phương pháp này, tại mỗi router các gói tin được định nhãn
một cách độc lập nên thới gian xử lý sẽ rất chậm. Do đó phương pháp này không

được sử dụng nhiều.
Phương pháp thứ hai là “phương pháp chuyển mạch nhanh”: khi gói tin đến
router, gói tin sẽ được kiểm tra xem desIP đã có trong bảng định tuyến chưa, nếu
chưa có desIP đó sẽ được thêm vào bộ nhớ lưu trữ (cache) trong router. Điểm khác
biệt so với phương pháp đầu tiên là ở chỗ việc xử lý nhãn trên gói tin đầu tiên (nội
dung của khung header) sẽ được kế thừa cho những gói tin sau.
Phương pháp thứ ba được phát triển bởi Cisco (CEF-Cisco Express Forwarding)
được khuyến nghị bởi IETF. Phương pháp này sử dụng cơ sở dữ liệu là bảng FIB
(Forwarding Information Base) thay cho bảng định tuyến. Khác với phương pháp
fast switching, khi quá trình xử lý nhãn đòi hỏi phải tham chiếu đến desIP, bằng
cách sử dụng bảng FIB, phương pháp CEF sẽ tạo ra bảng LFIB (label forwarding
information base). Quá trình chuyển gói tiếp sau đơn giản chỉ là tham chiếu nhãn
khi vào router với LFIB mà chuyển gói tin ra interface thích hợp kèm nhãn thích
hợp thay thế khi gói tin ra khỏi router.
2.3.1.1. Kỹ thuật chuyển mạch thông thường:
Quy trình fast switching diễn ra theo những bước sau:

Trang 21


GVHD:PGS.TS Phạm Hồng Liên

 Bước 1: Khi thông tin định tuyến của giao thức BGP được cập nhật và được
xử lý trong bảng BGP. Nếu lựa chọn được tuyến tốt nhất thì một đường dẫn
mới được thêm vào bảng định tuyến.
 Bước 2: Khi gói dữ liệu đầu tiên muốn tới đích, router sẽ tìm địa chỉ đích
trong nơi cơ sở dữ liệu chứa thông tin chuyển mạch nhanh (fast switching
cache). Vì địa chỉ đích không có trong fast switching cache, một quá trình xử
lý phải được thực hiện để chuyển gói tin đi. Quá trình này được thực hiện
một cách đệ quy thông qua các interface. Trong ví dụ trên nếu địa chỉ

10.0.0.0/8 không tìm thấy trong bộ nhớ lưu trữ cache, tín hiệu ARP sẽ được
gửi đi trong mạng nội bộ của interface tương ứng để tìm địa chỉ MAC. Trong
trường hợp này, muốn tới mạng 10.0.0.0/8 địa chỉ hop kế phải tới là
1.2.3.4/24, và để tới được mạng 1.2.3.0/24 thì phải chuyển gói qua interface
E0.
 Bước 3: tất cả các gói tiếp theo tới cùng một đích sẽ sử dụng chuyển mạch
nhanh dựa vào Switching cache gồm địa chỉ mạng layer2 header tương ứng.
Một phần cấu tạo của layer2 header gồm địa chỉ của interface cần đến 1.5.4.1
và địa chỉ MAC của nó.
Khi một router cần chuyển mạch nhanh nhưng địa chỉ đích không có trong
switching cache thì quá trình định tuyến cho gói tin đó diễn ra bình thường nhằm
thiết lập bảng switching cache để các gói sau đó dựa vào để thực hiện chuyển mạch
nhanh.

Trang 22


GVHD:PGS.TS Phạm Hồng Liên

Hình 2.7. Sự liên kết cơ sở dữ liệu trong chuyển mạch thông thuờng
2.3.1.2. Kỹ thuật chuyển mạch CEF:
CEF sử dụng cùng một cơ sở dữ liệu với bảng định tuyến IP thông thường,
bảng FIB. Bất cứ sự thay đổi nào xảy ra trong bảng định tuyến đều được cập nhật
trực tiếp đến bảng FIB.
Nếu một router nhận được một gói tin được yêu cầu chuyển tới đích bằng
phương thức chuyển mạch CEF nhưng desIP không có trong FIB, gói tin đó sẽ bị
loại.
Bảng FIB khác với bảng chuyển mạch nhanh (fast switching) ở chỗ nó không
trực tiếp chứa địa chỉ interface kế và địa chỉ MAC, thay vào đó những thông số này
sẽ được lưu trữ trong một bảng riêng biệt gọi là bảng “kế cận”(Adjacency Table).

Bảng này gần giống với ARP cache nhưng thay vì chứa địa chỉ MAC, nó chứa
MAC Header.

Trang 23


GVHD:PGS.TS Phạm Hồng Liên

Hình 2.8. Sự liên kết cơ sở dữ liệu trong chuyển mạch CEF
Adjacency pointer trong bảng FIB là một con trỏ tham chiếu trực tiếp đến cơ
sở dữ liệu của bảng định tuyến IP, Adjacency table và ARP cache. Nếu có sự thay
đổi về cơ sở dữ liệu trong các bảng trên thì FIB cũng sẽ lập tức thay đổi.Chính nhờ
kỹ thuật CEF mà cấu trúc của một router MPLS được phân thành hai phần là mặt
phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu mà ta sẽ xét ngay sau đây.
2.3.2. Mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu:
Cấu trúc của mạng MPLS được chia làm hai phần: mặt phẳng điều khiển và
mặt phẳng dữ liệu. Tương tự như IP có hai cơ sở dữ liệu là RIB và FIB thì trong
MPLS cũng có hai cơ sở dữ liệu là LIB và LFIB.
LIB có vai trò giống như RIB, nó nằm trong mặt phẳng điều khiển. LIB lưu
các nhãn được đăng ký bởi LSR và các ánh xạ FEC-to-label mà LSR nhận được
thông qua các giao thức phân phối nhãn. Khi một giao thức phân phối nhãn muốn
liên kết với một nhãn với FEC, nó sẽ yêu cầu nhãn ngõ vào từ LIB (tức là yêu cầu
các nhãn cục bộ). Tương tự khi một giao thức phân phối nhãn học được nhãn từ
một FEC nào đó, nó cung cấp nhãn ngõ ra cho LIB. LIB được xem là cơ sở dữ liệu
nhãn cho tất cả các giao thức phân phối nhãn.

Trang 24


GVHD:PGS.TS Phạm Hồng Liên

Hình 2.9. Mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu
Bảng LFIB nằm ngay trong mặt phẳng dữ liệu. Bảng LFIB chỉ sử dụng các
nhãn dùng cho chuyển mạch gói tin. Việc xây dựng các entry LFIB yêu cầu thông
tin cung cấp bởi cả các giao thức định tuyến IP và các giao thức phân phối nhãn
(thông qua LIB). Ví dụ ánh xạ FEC đến next hop được cung cấp bởi các giao thức
định tuyến IP ánh xạ FEC đến nhãn được cung cấp bởi các giao thức phân phối
nhãn, và quan hệ kế cận tạo ra ARP.
Việc xây dựng bảng FIB, LIB xảy ra trên mặt phẳng điều khiển. Các giao
thức định tuyến nội như OSPF, RIP điều khiển việc quảng quá thông tin trong mạng
để mỗi router mang thông tin về sơ đồ mạng. Quá trình này hình thành bảng định
tuyến, gọi là bảng RIB. Tương tự như việc cập nhập các giao thức định tuyến, các
giao thức phân phối nhãn như LDP cũng làm công việc tương tự như các IGP, hình
thành nên bảng LIB. Tóm lại FIB và LIB chứa thông tin về định tuyến chung nhất
cho mạng.
Với bảng RIB và LIB, mạng vẫn chuyển tiếp gói tin đến đích được nhưng
thời gian xử lý sẽ chậm hơn nhiều do phải dò tìm hết trong toàn bộ bảng định tuyến.
Cơ chế chuyển mạch Cisco CEF cho phép chuyển phát nhanh các gói tin qua mạng

Trang 25