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

Lời cam đoan

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

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.

1


Phụ lục

2


Phụ lục

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.

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 vì sự

hướng dẫn tận tình, chu đáo của thầy. Trong suốt quá trình thực hiện đồ án, thầy đã

3


Phụ lục

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.
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

4


Phụ lục

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.
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

5


Phụ lục

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 …
• 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.

6


Phụ lục

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.

7


Phụ lục

1.2.2.3. Mối quan hệ giữa mô hình OSI và TCP/IP.

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)

8

Phụ lục

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:

Hình 1.5: Cách xác định lớp của địa chỉ IP
1.3.
Giao thức định tuyến.
1.3.1. Định nghĩa định tuyến.
•

Định tuyến (routing) : là phương thức xác định đường đi từ mạng này đến mạng 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.

9


Phụ lục

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.
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:

10


Phụ lục

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 tuyến không yêu cầu hiểu biết về định
của người quản trị động của người quản trị
tuyến động của người quản trị
Thay đổi hình Tự động thích ứng khi thay đổi yêu cầu sự can thiệp của người
trạng mạng

hình trạng mạng
quản trị
Khả năng mở rộng Phù hợp với mạng từ đơn giản phù hợp với mạng đơn giản
đến phức tạp
Bảo mật
ít bảo mật
bảo mật hơn
Sử dụng tài nguyên Sử dụng tài nguyên CPU, bộ Không cần nhiều tài nguyên
nhớ, băng thông liên kết
Sự ổn định của Phụ thuộc vào hình trạng mạng Tuyến đến đích luôn cố định
tuyến

1.4.

hiện thời

Định tuyến OSPF.

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

11


Phụ lục

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 Routerid. 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:
1.

Area – id.

2.

Hello timer và Dead timer.

12


Phụ lục

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).

13


Phụ lục

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.

14

Phụ lục

Hình 1.8: Chuyển mạch kênh
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.

15


Phụ lục

1.5.2.1.Phương thức hoạt động của chuyển mạch gói.
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.

16


Phụ lục
•
•
•

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.
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.
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

17


Phụ lục

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 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:

18

Phụ lục

Hình 2. 1: 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.
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.

19


Phụ lục

Hình 2. 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.
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.

20


Phụ lục

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 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

21

Phụ lục

VPN.
2.3.3. Đường dẫn chuyển mạch nhãn LSP.

Hình 2. 3: 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.

Hình 2. 4: Đường dẫn chuyển mạch nhãn (LSP)

22


Phụ lục

Ở ví dụ hình trên ta thấy rằng có 2 LSP qua mạng MPLS. LSP thứ nhất: từ iLSR
đến eLSR, LSP thứ 2 (LSP lồng ghép): 3LSR trung gian (bắt đầu từ LSR thứ 3 từ trái
sang). Vì vậy khi gói tin chuyển từ LSP thứ nhất vào LSP lồng ghép nó đã được gắn
nhãn. Tại đây gói tin sẽ được gắn thêm 1 nhãn nữa vào ngăn xếp nhãn đặc trưng cho LSP
lồng ghép và được sử dụng để thực hiện chuyển tiếp trong LSP lồng ghép.
2.3.4. Lớp chuyển tiếp tương đương.

FEC là một nhóm hay một luồng dữ liệu được thực hiện chuyển tiếp trên cùng một
đường đi và được đối xử như nhau trong phương thức thực hiện chuyển tiếp. Tất cả các
gói tin thuộc cùng một lớp chuyển tiếp tương đương FEC thì có cùng một nhãn. Tuy
nhiên, không phải tất cả các gói có cùng một nhãn thì cùng một lớp chuyển tiếp tương
đương vì trường EXP trong nhãn có thể khác nhau nên phương thức thực hiện định tuyến
cũng khác nhau. ILSR là router thực hiện phân luồng dữ liệu thành các lớp chuyển tiếp
tương đương. Sau đây là một số ví dụ về lớp chuyển tiếp tương đương FEC:


Những gói tin có địa chỉ IP đích giống nhau ở phần mạng.



Những gói tin multicast cùng một nhóm.



Những gói tin có cùng phương thức chuyển tiếp, dựa vào vị thế hay giá trị trường DSCP.



Những khung tin lớp 2 chuyển nhận được hay truyền đi trên cùng một mạch ảo hoặc một
(sub)interface của iLSR và eLSR.



Những gói có địa chỉ IP đích giống nhau trong giao thức định tuyến cổng nối biên BGP
(các gói có cùng BGP next hop). Tất cả các gói trên iLSR mà địa chỉ IP đích chuyển đến
cùng một tập các tuyến (hay next-hop) trong bảng định tuyến BGP thì cùng một FEC và
được gán một nhãn giống nhau. Điều này có nghĩa việc gán nhãn cho tất cả các gói đi vào

mạng MPLS phụ thuộc vào BGP next-hop.

23


Phụ lục

Hình 2. 5: Lớp chuyển tiếp tương đương (FEC)
2.3.5. Bảng thông tin chuyển tiếp nhãn LFIB.
Bảng LFIB được sử dụng để thực hiện chuyển tiếp gói tin nhãn trong mạng MPLS
và được xây dựng dựa trên sự kết hợp giữa các phép gán nhãn và bảng định tuyến. Nó có
chứa phép gán địa phương làm giá trị nhãn vào và một trong số tất cả các phép gán từ xa
nhận được từ các LSR láng giềng chứa trong bảng LIB. Dựa trên giải thuật định tuyến và
đường dẫn tốt nhất trong bảng định tuyến nó sẽ chọn 1 trong số các phép gán từ xa để
làm nhãn ra cho gói tin.
Khi LSR nhận được gói tin có tiền tố IP phù hợp với giá trị nhãn vào nó sẽ dựa
vào bảng LFIB để thay nhãn vào và nhãn ra rồi chuyển đến next-hop. Tuy nhiên, không
phải bao giờ nhãn cũng được cung cấp bởi LDP. Trong trường hợp mạng MPLS có hỗ trợ
kĩ thuật lưu lượng nhãn được phân phối bởi RSVP, còn trong trường hợp MPLS VPN
nhãn được phân phối bởi MP-BGP. Tuy nhiên, trong trường hợp nào bảng LFIB cũng
được dùng để chuyển mạch gói tin đến đích.
2.4.

Quá trình chuyển tiếp gói tin nhãn.

24


Phụ lục

Phần này trình bày quá trình chuyển tiếp gói tin nhãn trong mạng MPLS. So sánh sự
giống nhau và khác nhau giữa chuyển mạch nhãn và định tuyến IP truyền thống. Giải
thích quá trình cân bằng tải các gói tin nhãn và giải thích quá trình xử lý của các router
LSR với các gói tin có nhãn không xác định.
2.4.1. Các quá trình xử lý nhãn trong việc chuyển tiếp gói tin.
Các nhãn trong gói tin có thể được xử lý theo ba cách: thêm nhãn (push), gỡ nhãn
(pop) và thay nhãn (swap). Hình sau mô tả cụ thể quá trình xử lý nhãn trong quá trình
chuyển tiếp gói tin qua các LSR.

Hình 2. 6: Các quá trình xử lý nhãn
Bằng cách nhìn vào nhãn đỉnh trong gói tin nhận được và thực hiện so sánh với
bảng LFIB các router LSR sẽ biết làm cách nào để thực hiện chuyển tiếp gói tin đến đích
cũng như xác định quá trình nào cần thực hiện: thay nhãn, thêm nhãn, hay gỡ nhãn rồi
xác định next-hop cần sử dụng để thực hiện chuyển tiếp gói tin. Quá trình thay đổi nhãn

25