Giao thức phân phối nhãn CR LDP trong MPLS

LỜI CAM ĐOAN.
Tôi xin cam đoan :
1. Những nội dung trong đồ án này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp
của thầy Tăng Tấn Chiến.
2. Mọi tham khảo dùng trong đồ án đều được trích dẫn rõ ràng tên tác giả. Tên
công trình nghiên cứu.
3. Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá, tôi xin chịu
hoàn toàn trách nhiệm.

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Tiến

MỤC LỤC.

Trang 1


THUẬT NGỮ VIẾT TẮT.

ATM

Asynchnorous Tranfer Mode

Truyền dẫn không đồng bộ

AS

Autonomous System

Hệ thống tự trị

Alternate Path Routing

Thuật toán định tuyến đường

Algorithm

thay thế

APRA

ASIC

Application-Specific Integrated
Circuit

Mạch tích hợp chuyên dụng

BGP

Border Gateway Protocol

Giao thức cổng biên

CE

Custom Edge

Biên phía khách hàng

CR

Constraint-based Routing

Định tuyến ràng buộc

Constraint Label Distribution

Giao thức phân phối nhãn dựa

Protocol

trên sự ràng buộc

EGP

Exterior Gateway Protocol

Giao thức định tuyến ngoại

ER

Explicit Route

Định tuyến tường minh

FEC

Forwarding Equivalency Class

Lớp chuyển tiếp tương đương

HDLC

High-Level Data Link Control

IPX

Internetwork Packet Exchange

Tổng đài gói liên mạng

IGP

Interior Gateway Protocol

Giao thức cổng nội bộ

CR-LDP

Điều khiển liên kết dữ liệu chất
lượng cao

Trang 2


ISP
IS-IS

Internet Service Provider

Nhà cung cấp dịch vụ Internet

Intermediate System-toIntermediate System

LAN

Local Area Network

Mạng cuc bộ

LDP

Label Distribution Protocol

Giao thức phân phối nhãn

LIB

Label Information Base

Bảng cơ sở dữ liệu nhãn

LFIB

Label Forwarding Instance Base Cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn

LSP

Label Switch Path

Tuyến chuyển mạch nhãn

LSR

Label Switch Router

MNS

MPLS Netword Simulation

Mô phỏng mạng MPLS

MPLS

Multiprotool Label Switching

Chuyển mạch nhãn đa giao thức

OSI

Open Systems Interconnection

Tổ chức tiêu chuẩn hoá quốc tế

OSPF

Open Shortest Path Cost

PE

Provider Edge

Biên nhà cung cấp

QoS

Quanlity of Service

Chất lượng dịch vụ

RIP

Routing Information Protocol

Giao thức thông tin định tuyến

RSVP

Resource Reservation Protocol

Giao thức dành trước tài nguyên

SP

Service Provider

Nhà cung cấp

Bộ định tuyến chuyển mạch

nhãn

Mở tuyến đường ngắn nhất đầu
tiên

Trang 3


SLA

Service Level Agreement

Hợp Đồng Lớp Dịch Vụ

SPC

Shortest Path Cost

Tuyến chi phí thấp nhất

TCP

Transmission Control Protocol

Giao thức truyền tập tin tin cậy

TE

Traffic Engineering

Kĩ thuật điều khiển lưu lượng

TVL

Type Label Value

Kiểu-Nhãn-Giá trị

UDP

User Datagram Protocol

VC

Virtual Channel

Kênh ảo

VCI

Virtual Channel

Định danh kênh ảo

VoIP

Voice over IP

Thoại qua IP

VP

Virtual Path Identifier

Kênh ảo

VPI

Virtual Packet Indentifier

Định danh gói ảo

VPN

Virtual Pravite network

Mạng riêng ảo

VRF

Virtual routing/ forwarding

Định tuyến/chuyển tiếp ảo

WAN

Wide Area Network

Mạng diện rộng

Giao thức truyền tập tin không
tin cậy

LỜI NÓI ĐẦU.

Trang 4


Sự phát triển của Chuyển Mạch Nhãn Đa Giao Thức MPLS chắc chắn là kết quả
của một thực tế là nó cho phép mạng thực hiện tất cả các loại lưu lượng, từ lưu
lượng IP đến lưu lượng VoiIP đến lưu lượng lớp 2. MPLS cung cấp phương tiện
cho mạng IP để thống nhất nhiều mạng lưới thành một. MPLS có thể thống nhất
ATM, Frame Relay, Voice, và mạng IP thành một cơ sở hạ tầng mạng lưới thống
nhất, do đó tạo ra một ưu thế về chi phí rất lớn.
Trong đồ án này, em sẽ khái quát và phân loại các giao thức phân phối nhãn
trong MPLS. Tập trung vào giao thức phân phối nhãn dựa trên các ràng buộc, với
thuật toán định tuyến ràng buộc CSPF, xác định các tuyến tường minh, truyền lưu
lượng tận dụng tối ưu tài nguyên mạng. Để giải quyết các vấn đề đó đầu tiên chúng
ta cần phải hiểu MPLS là gì, các lợi ích mà nó đem lại, các khái niệm và hoạt động
cơ bản trong MPLS sẽ được giới thiệu trong chương 1. Chương 2, giải thích cách
thức nhãn được phân phối trên mạng như thế nào và các cơ chế tái định tuyến trên
mạng. Cuối cùng, sử dụng công cụ NS2 mô phỏng mô hình mạng sử dụng công
nghệ MPLS với giao thức phân phối nhãn CR-LDP ưu điểm hơn so với mạng IP
truyền thống và so sánh 2 cơ chế tái định tuyến Kakam và Haskin.
Em xin gởi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo trong Khoa Điện Tử-Viễn Thông đã
giảng dạy và trang bị cho em những kiến thức cơ bản. Em xin chân thành cảm ơn
thầy Nguyễn Duy Nhật Viễn đã hướng dẫn và định hướng cho em hoàn thành đồ án
này!
Đà Nẵng, ngày 29 tháng 5 năm 2010.

Chương 1: Tổng quan chuyển mạch nhãn đa giao
thức (MPLS).

Trang 5


1.1 Giới thiệu chương.
Chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS) là một công nghệ mạng phổ biến sử
dụng gói dữ liệu đã được dán nhãn để chuyển tiếp qua mạng lõi. Trong chương này
chúng ta sẽ giải thích vai trò và những ưu điểm của mạng MPLS được triển khai
trên mạng đường trục, giúp chúng ta hiểu được làm thế nào MPLS hoạt động, hiểu
được mô hình xây dựng mạng MPLS, vị trí của MPLS trong mô hình mạng OSI
truyền thống, các khái niệm và hoạt động cơ bản trong MPLS, giải thích nhãn được
sử dụng như thế nào, cách sử dụng và làm thế nào nó phân phối dữ liệu trên một
mạng lưới. Đầu tiên, chúng ta cần hiểu MPLS là gì.
1.2 MPLS là gì:
Chuyển Mạch Nhãn Đa Giao Thức (MPLS) là một công nghệ mạng phổ biến sử
dụng nhãn gắn với các gói tin để chuyển tiếp dữ liệu qua mạng. Các nhãn MPLS
được quảng bá giữa các router để có thể ánh xạ label-to-label. Các nhãn này được
dán vào các gói tin IP, cho phép các router chuyển tiếp lưu lượng truy cập bằng
nhãn chứ không phải địa chỉ IP đích. Các gói tin được chuyển tiếp bằng chuyển
mạch nhãn thay vì bằng chuyển mạch IP.
MPLS là công nghệ dùng chủ yếu trong mạng lõi, bởi vì mạng lõi là nơi mà mọi
dữ liệu của của các mạng thuê bao đều đổ về đây trước khi tới đích, vì vậy nó sẽ
chịu một tải trọng rất lớn nếu chỉ sử dụng các công nghệ bình thường.
Kỹ thuật chuyển đổi nhãn không phải là mới, Frame Relay và ATM đã sử dụng
nó để chuyển tiếp khung và các tế bào trong mạng. Trong Frame Relay, mỗi khung
có chiều dài bất kỳ, trong khi tại ATM các tế bào có chiều dài cố định, mỗi tế bào
bao gồm phần tiêu đề 5 byte và phần dữ liệu 48 byte dữ liệu. Các tiêu đề của các tế
bào ATM và các khung của Frame Relay sử dụng kênh ảo để chuyển tiếp các tế bào

hoặc các khung. Sự giống nhau giữa Frame Relay và ATM là tại mỗi nút mạng,
phần tiêu đề được thay đổi. Điều này khác với việc chuyển tiếp các gói tin IP, khi
một router chuyển tiếp gói IP, nó không thay đổi địa chỉ IP đích của gói tin. Thực
tế, các nhãn MPLS được sử dụng để chuyển tiếp các gói tin chứ không còn sử dụng

Trang 6


địa chỉ IP đích nửa, chính điều này làm cho MPLS phát triển mạnh mẽ, tích hợp IP
trên ATM và MPLS VPN tốt hơn.
1.2.1 WAN là gì:
Trước MPLS, WAN là giao thức phổ biến nhất được ATM và Frame Relay sử
dụng. Giống như MPLS, WAN được sử dụng để thống nhất các mạng với nhau.
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của Internet, IP đã trở thành giao thức phổ biến
nhất, tồn tại ở khắp mọi nơi, VPN được tạo ra trên các giao thức WAN, khách hàng
thuê kết nối ATM và Frame Relay hoặc sử dụng đường dây thuê bao và xây dựng
mạng riêng của họ trên nó. Router của các nhà cung cấp dịch vụ chuyển tiếp lớp 2
hướng tới router lớp 3 của thuê bao, bảm bảo chia tách và cô lập các thuê bao khác
nhau. Các loại mạng đó được gọi là mạng chồng phủ.
Mạng chồng phủ vẫn đươc sử dụng đến ngày nay, nhưng nhiều khách hàng hiện
tại đang sử dụng dịch vụ MPLS VPN. Giải thích những lợi ích của MPLS, sẽ giúp
chúng ta hiểu rõ hơn tại sao MPLS là một lựa chọn tuyệt vời cho các nhà cung cấp
dịch vụ triển khai nó.
1.2.2 Lợi ích của MPLS:
• Sử dụng một cơ sở hạ tầng mạng thống nhất.
• Tốt hơn IP-over-ATM.
• Không sử dụng Border Gateway Protocol (BGP) trong lõi.
• Các peer-to-peer cho mô hình MPLS VPN.
• Tối ưu dòng lưu lượng.
• Traffic Engineering.

Một trong những ưu điểm dễ nhận thấy nhất của giao thức chuyển mạch nhãn là
tốc độ. Chuyển mạch gói IP được coi là chậm hơn so với chuyển mạch gói bằng
nhãn bởi vì chuyển mạch nhãn chỉ cần tra nhãn để định tuyến, trong khi đó đối với
chuyển mạch gói IP, router chuyển tiếp gói IP bằng cách nhìn vào IP đích, và tìm

Trang 7


đường dẫn tốt nhất bằng các tra trong bảng định tuyến. Tuy nhiên, vì địa chỉ IP có
thể là unicast hoặc multicast và có đến 4 octets, nên công việc định tuyến có thể
phức tạp hơn, nghĩa là việc quyết định chuyển gói tin IP sẽ mất một khoảng thời
gian hơn so với chuyển mạch nhãn. Vì lý do đó nên một số người cho rằng việc tra
nhãn sẽ đơn giản và nhanh chóng hơn là tra bằng IP đích sẽ chuyển mạch gói nhanh
hơn. Ngày nay, liên kết trên các router có băng thông lên đến 40Gbps. Một router
có liên kết tốc độ cao sẽ không thể chuyển mạch cho tất cả các gói IP bằng cách sử
dụng CPU để quyết định chuyển tiếp, CPU có trách nhiệm chính là xử lý. Mặt
phẳng xử lý là tập hợp các giao thức của mặt phẳng dữ liệu hoặc mặt phẳng chuyển
tiếp. Thành phần chính của mặt phẳng xử lý là giao thức định tuyến, bản định tuyến,
các điều khiển khác và các tín hiệu giao thức được sử dụng để cung cấp cho mặt
phẳng dữ liệu. Mặt phẳng dữ liệu là con đường chuyển tiếp gói thông qua một
router hoặc switch. Công việc chuyển tiếp của các gói (hay còn gọi là mặt phẳng
chuyển tiếp) thực hiện trên phần cứng được chế tạo đặc biệt, hay còn gọi là mạch
tích hợp chuyên dụng (ASIC).Việc sử dụng những ASIC trong mặt phẳng chuyển
tiếp của router làm cho các gói IP được chuyển mạch nhanh như chuyển mạch gói
sử dụng nhãn. Vì vậy, nếu lý do duy nhất sử dụng MPLS trong mạng để thực hiện
chuyển mạch gói nhanh thì điều đó hoàn toàn sai lầm, và đó là một lý do không
chính xác.
1.3 MPLS và mô hình OSI.
Mô hình OSI gồm có 7 lớp, thể hiện như hình 1.1. Lớp dưới cùng là lớp 1, lớp
vật lý. Lớp đầu là lớp 7, lớp ứng dụng. Trong đó lớp vật lý là các loại dây cáp, cơ

khí, thiết bị điện. Lớp 2 là lớp liên kết dữ liệu, liên quan đến định dạng khung. Ví
dụ về lớp liên kết dữ liệu là Ethernet, PPP, HDLC và Frame Relay. Tầm quang
trọng của liên kết dữ liệu là tạo kết nối giữa hai máy. Lớp 3 là lớp mạng, liên quan
đến các định dạng của gói dữ liệu end-to-end, mà ví dụ về một giao thức hoạt động
nối tiếng nhất tại lớp 3 là giao thức IP.

Trang 8


Hình 1.1: MPLS và Mô hình OSI.
MPLS không phải là giao thức lớp 2, cũng không phải là giao thức lớp 3. Vì
vậy, MPLS không phù hợp trong mô hình OSI và có thể xem MPLS là giao thức
lớp 2,5. Nguyên lý của MPLS là tất cả các gói IP sẽ được dán nhãn (label) và
chuyển tiếp theo một tuyến đường LSP (Label Switched Path). Các router trên
đường dẫn căn cứ vào nội dung của nhãn để thực hiện quyết định tuyển tiếp gói mà
không cần kiểm tra header IP.
1.4 Khái niệm và hoạt động cơ bản trong MPLS:
1.4.1 Mặt phẳng dữ liệu và mặt phẳng điều khiển:
Một mặt phẳng điều khiển (control plane) là một tập hợp phần mềm, phần cứng
trong một thiết bị (chẳng hạn một router) và được dùng để điều khiển nhiều hoạt
động thiết yếu trong mạng, như phân phối nhãn, tìm tuyến mới và khắc phục lỗi.
Nhiệm vụ của mặt phẳng điều khiển là cung cấp các dịch vụ cho mặt phẳng dữ liệu.
Mặt phẳng dữ liệu chịu trách nhiệm chuyển tiếp lưu lượng người dùng qua router.
Các thuật ngữ mặt phẳng người dùng (user plane) hoặc mặt phẳng truyền dẫn
(transport plane) cũng được dùng để mô tả mặt phẳng dữ liệu.
1.4.2 Mặt phẳng dữ liệu và mặt phẳng điều khiển trong IP:
Đối với các giao thức Internet, các ví dụ của mặt phẳng điều khiển là các giao
thức định tuyến như OSPF, IS-IS, BGP. Nó cho phép IP chuyển tiếp lưu lượng một

Trang 9

cách chính xác. Các bản tin điều khiển được trao đổi giữa các router để thực hiện
nhiều hoạt động khác nhau, bao gồm:
• Trao đổi các bản tin giữa các nút để thiết lập một tuyến liên kết.
• Trao đổi các bản tin theo chu kì (gọi là bản tin Hello) để chắc rằng các
nút gần kề hoạt động tốt.
• Trao đổi các bản tin quảng cáo (advertisement) về địa chỉ và tuyến để xây
dựng các bảng định tuyến được sử dụng bởi IP để chuyển tiếp lưu lượng.
1.4.3 Mặt phẳng dữ liệu và mặt phẳng điều khiển trong MPLS:
MPLS cũng hoạt động với các mặt phẳng điều khiển và dữ liệu. Nhiệm vụ chính
của mặt phẳng điều khiển là quảng cáo các nhãn, địa chỉ và liên kết chúng với nhau.
Bô định tuyến chuyển mạch nhãn là một router được cấu hình để hổ trợ MPeLS.
Nó dùng cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn (Label Forwarding Information BaseLFIB) để xác định cách xử lý các gói MPLS đến, ví dụ xét xem nút kế tiếp nhận gói
dữ liệu là nút nào.
Các bản tin điểu khiển được trao đổi giữa các LSR để thực hiện nhiều hoạt động
khác nhau, bao gồm thiết lập liên kết. Sau khi hoạt động này hoàn thành, các nút
được gọi là các LSR ngang hàng (peer), trao đổi các bản tin chu kì (bản tin Hello)
để chắc rằng các nút gần kề hoạt động tốt, trao đổi các bản tin địa chỉ và nhãn để
liên kết các địa chỉ với nhãn và xây dựng bảng chuyển tiếp cho mặt phẳng dữ liệu
MPLS. Mặt phẳng dữ liệu MPLS sẽ chuyển tiếp lưu lượng bằng cách kiểm tra nhãn
trong tiêu đề gói MPLS, địa chỉ IP không cần kiểm tra. Tiêu đề nhãn sau đó bị loại
bỏ và địa chỉ IP được dùng để phân phối lưu lượng đến đích cuối cùng.

1.4.4 Lớp chuyển tiếp tương đương-FEC:
Thuật ngữ lớp chuyển tiếp tương đương-FEC (Forwarding Equivalence Classes)
được sử dụng trong hoạt động chuyển mạch nhãn. FEC mô tả sự liên kết giữa các

Trang 10

gói với địa chỉ đích người nhận cuối, FEC cũng có thể liên kết với một địa chỉ đích
và loại lưu lượng liên quan đến một cổng đích nào đó. Tất cả các gói dữ liệu thuộc
cùng một FEC có nhãn giống nhau. Tuy nhiên, không phải tất cả các gói dữ liệu có
nhãn giống nhau không phải đều thuộc cùng một FEC, bởi vì giá trị EXP của chúng
khác nhau dẫn đến việc xử lý chuyển tiếp có thể khác nhau và chúng có thể thuộc
về các FEC khác nhau. Router quyết định gói thuộc về FEC nào là do router ngõ
vào quyết định, vì router ngõ vào có nhiệm vụ phân loại và đóng gói nhãn
Tại sao sử dụng FEC. Trước tiên, nó cho phép nhóm các gói vào các lớp khác
nhau và có những đối xử như nhau, có thể sử dụng để hổ trợ chất lượng dịch vụ
(QoS) hiệu quả. Ví dụ, FEC có thể liên kết với độ ưu tiên cao, lưu lượng thực ...
Đối với các lớp dịch vụ khác nhau, người ta sử dụng các FEC và các nhãn liên
kết khác nhau. Với Internet, các giá trị sau được sử dụng để thành lập một FEC: địa
chỉ IP nguồn đích, số cổng nguồn đích, nhận diện giao thức IP (PID), điểm mã
(codepoint) của các dịch vụ khác biệt IPv4, IPv6. Ví dụ của FEC là một tập các gói
unicast mà địa chỉ đích lớp mạng có cùng tiền tố địa chỉ IP xác định. Hoặc là một
tập các gói tin multicast có cùng địa chỉ nguồn và đích lớp mạng.
Mỗi LSR xây dựng một bảng để xác định gói được chuyển tiếp như thế nào.
Bảng này gọi là bảng cơ sở dữ liệu nhãn (LIB), gồm các ràng buộc của FEC tới
nhãn.
1.5 Các thành phần của mạng MPLS:
1.5.1 Nhãn là gì?
Nhãn là một khung nhận dạng ngắn, có chiều dài cố định và không có cấu trúc.
Một nhãn không thực hiện trực tiếp bất cứ thông tin nào từ tiêu đề lớp mạng. Nhãn
MPLS sử dụng cấu trúc với 32 bit. Hình 1.2 cho thấy cấu trúc của một nhãn MPLS:
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3

Label

EXP BoS

4 5 6 7 8 9 0 1

TTL

Hình 1.2: Cấu trúc nhãn MPLS

Trang 11


20 bit đầu tiên là giá trị của nhãn, giá trị này có thể từ 0 đến 2 20 -1. Tuy nhiên, 16
giá trị đầu tiên mang một ý nghĩa đặc biệt. Các bit từ 20 đến 22 là 3 bit EXP, đó là
những bit chỉ dùng cho mục đích chất lượng dịch vụ (QoS).
Bit 23 là bit Bottom of Stack (BoS). BoS mang giá trị 0, trừ trường hợp là nhãn
cuối cùng trong ngăn xếp, khi đó nó có giá trị là 1. Ngăn xếp là tập hợp các nhãn ở
phần đầu của gói dữ liệu. Ngăn xếp có thể chỉ gồm 1 nhãn hoặc nhiều hơn. Số
lượng nhãn trong ngăn xếp là vô hạn, mặc dù hiếm khi thấy một ngăn xếp từ 4 nhãn
trở lên.
Bit 24 đến 31 gồm 8 bit được sử dụng cho Time To Live (TTL). TTL này có
chức năng tương tự như TTL trong tiêu đề IP, nó chỉ đơn giản là giảm 1 tại mỗi
hop, và chức năng chính của nó là để tránh một gói bị mắc kẹt trong một vòng lặp
định tuyến. Nếu lặp vòng định tuyến xảy ra và không có TTL, các gói sẽ lặp vòng
mãi mãi. Nếu TTL của nhãn đạt 0, gói dữ liệu được bỏ đi.
Dán nhãn có thể được quyết định dựa trên các cơ sở chuyển tiếp sau:
• Tuyến đường.
• Công nghệ điều khiển lưu lượng (TE)
• Chất lượng dịch vụ.
Phần tiếp theo mô tả nhãn xếp chồng và vị trí của nhãn ngăn xếp trong cùng một
khung.
1.5.2 Label Stacking:

MPLS cần nhiều nhãn trên phần đầu của gói để định tuyến gói, điều này được
thực hiện bằng cách đóng gói các nhãn vào một ngăn xếp nhãn. Nhãn đầu tiên trong
1 ngăn xếp gọi là “top label”, và nhãn cuối được gọi là “bottom label”, ở giữa có số
lượng nhãn bất kỳ. Hình 1.3 cho thấy cấu trúc của một ngăn xếp nhãn.
Label
Label

EXP
EXP

0
0

TTL
TTL

Trang 12


…

Label

EXP

1

TTL

Hình 1.3: Ngăn xếp nhãn.

Chú ý rằng, ngăn xếp nhãn trong hình trên cho thấy tất cả các bit BoS đều ta 0,
ngoại trừ nhãn cuối cùng. Đối với nhãn cuối này, bit BoS được thiết lập là 1. Một số
ứng dụng MPLS cần nhiều hơn 1 nhãn trong một ngăn xếp để chuyển tiếp gói tin.
Ví dụ: 2 ứng dụng của MPLS là MPLS VPN và AToM, cả 2 đều đặt 2 nhãn
trong nhãn ngăn xếp
Nhãn ngăn xếp nằm ở đâu? Nhãn ngăn xếp nằm ở phía trước của lớp 3, nghĩa là
trước tiêu đề của giao thức vận chuyển, nhưng sau tiêu đề của lớp 2. Thông thường,
các ngăn xếp MPLS được gọi là tiêu đề chèn do vị trí của nó. Hình 1.4 cho thấy vị
trí của nhãn ngắn xếp trong gói.
Layer 2 Header

MPLS Label Stack
Layer 2 Frame

Transported Protocol

Hình 1.4: Vị trí ngăn xếp trong gói
Lớp 2 có thể đóng gói bất kỳ gói nào mà Cisco IOS hỗ trợ: PPP, High-Level
Data Link Control (HDLC), Ethernet, v..v.. Giả sử rằng giao thức vận chuyển là
Ipv4, và đóng gói kết nối là PPP, khi đó nhãn ngăn xếp nằm sau tiêu đề PPP nhưng
trước tiêu đề Ipv4.
1.5.3 Bảng chuyển tiếp nhãn:
1.5.3.1 Bảng cơ sở thông tin nhãn-LIB:
Mỗi LSR xây dựng một bảng thông tin liên quan đến nhãn (LIB), địa chỉ và
đường dẫn để xác định rõ ràng cách thức mà một gói dữ liệu được chuyển tiếp như
thế nào qua mạng. Bảng thông tin đó được gọi là cơ sở thông tin nhãn LIB và gồm
các thông số sau đây:

Trang 13

• Nhãn đầu vào.
• Nhãn đầu ra.
• Tiền tố địa chỉ (Address Prefix).
1.5.3.2 Bảng cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn (LFIB):
LFIB là bảng dùng để chứa thông tin cần thiết để chuyển tiếp gói đến chặn kế
trong MPLS, nó chính là tập con của LIB. Nó là nơi mà nhãn đến và nhãn đi trong
LSP. Nhãn đến là nhãn từ nhãn cục bộ (Local Binding) trên LSR cụ thể. Nhãn đi là
nhãn từ nhãn từ xa (Remote Binding) được chọn bởi LSR trong tất cả các nhãn từ
xa có khả năng. Tất cả các nhãn từ xa được chọn từ LIB. LFIB chỉ chọn 1 nhãn
trong số trong số tất cả các nhãn từ xa trong LIB và thiết lập nó lên LFIB. Các nhãn
từ xa được chọn phụ thuộc vào tuyến đường tốt nhất trong bảng định tuyến.
1.5.4 Router chuyển mạch nhãn (Label Switch Router-LSR):
Một bộ định tuyến chuyển mạch nhãn (LSR) là một router hổ trợ MPLS, có khả
năng định tuyến gói tại lớp 3 (lớp mạng) cũng như chuyển mạch gói tại lớp 2 (lớp
liên kết dữ liệu). Cấu trúc cơ bản của một thiết bị LSR gồm có 2 thành phần chính:
thành phần điều khiển, còn gọi là mặt phẳng điều khiển (Control Plane) và thành
phần chuyển tiếp, còn gọi là thành phần dữ liệu.
Mặt phẳng điều khiển sử dụng các giao thức định tuyến IP để xây dựng nên
bảng định tuyến. Từ thông tin này, thành phần điều khiển sẽ tiến hành quá trình ấn
định nhãn với các nút mạng lân cận.
Thành phần chuyển tiếp (forwarding component) sử dụng thông tin của quá
trình này để tạo bảng cơ sở thông tin nhãn LIB (Label Information Based). Khi
nhận được gói dữ liệu, LSR sẽ sử dụng giá trị nhãn của gói và bảng định tuyến nhãn
để tìm ra và gắn một giá trị nhãn mới thích hợp cho gói dữ liệu.
Có 3 loại LSR trong một mạng MPLS:

Trang 14

• Ingress LSRs: LSR ngõ vào nhận gói dữ liệu IP truyền thống chưa có
nhãn, căn cứ vào thông tin trong tiêu đề IP và bảng định tuyến nhãn LIB,
LSR sẽ ấn định một giá trị nhãn thích hợp cho gói dữ liệu và chuyển nó
đến LSR tiếp theo
• Egress LSRs: LSR ngõ ra tháo bỏ nhãn cuối cùng của gói dữ liệu và từ
đây gói dữ liệu sẽ được định tuyến như một gói IP thông thường. Ingress
LSRs và Egress LSRs là những Edge LSR (LSR biên).
• Intermediate LSRs: LSR trung tâm nhận gói có nhãn gởi đến, thực hiện
các hoạt động trên nó, chuyển mạch gói và gởi gói đó vào liên kết dữ liệu
chính xác.
Một LSR có thể thực hiện 3 hoạt động: pop, push hoặc swap.
LSR có thể pop một hoặc nhiều nhãn, tức là loại bỏ một hoặc nhiều nhãn ngăn
xếp, trước khi chuyển mạch gói tin ra ngoài. Một LSR cũng phải có khả năng đẩy
(push) một hoặc nhiều nhãn vào ngăn xếp nhãn. Nếu nhận được gói tin đã dán nhãn,
LSR đẩy một hoặc nhiều nhãn lên nhãn ngăn xếp và chuyển các gói tin di. Nếu gói
tin chưa có nhãn, LSR có thể tạo một nhãn ngăn xếp và đặt nó vào gói. Một LSR
cũng có khả năng trao đổi (swap) nhãn, nghĩa là khi nhận được một gói đã có nhãn,
phần đầu của nhãn trong nhãn ngăn xếp được trao đổi với nhãn mới và chuyển gói
tin đi.
1.5.5 Đường chuyển mạch nhãn (Label Switch Path-LSP):
Một con đường chuyển mạch nhãn (LSP) là một chuỗi các LSR để chuyển mạch
một gói tin được dán nhãn qua mạng MPLS. Về cơ bản, LSP là đường dẫn thông
qua toàn mạng MPLS hoặc một phần của nó. Đường chuyển mạch nhãn này được
thiết lập từ igress LSR đến egress LSR để chuyển gói trong mạng bằng kỹ thuật
chuyển mạch nhãn. LSP được xây dựng bằng các giao thức như LDP, RSVP, …

Trang 15


Hình 1.5: LSP trên mạng MPLS

Các LSR ngõ vào của một LSP không nhất thiết phải là các router đầu tiên dán
nhãn cho gói. Các gói tin có thể được dán nhãn bởi một LSR trước đó. Trường hợp
như vậy sẽ có một LSP lồng bên trong một LSP khác. Trong hình 1.5 ta thấy một
LSP bao trùm toàn bộ chiều rộng của mạng lưới MPLS. LSP khác bắt đầu tạo các
LSR thứ 3 và kết thúc tại LSR kề cuối. Như vậy khi gói đi vào LSP thứ 2 của nó,
gói đã có nhãn.

Hình 1.6: LSP lồng nhau.
Điều này nghĩa là LSR ngõ vào của LSP phía trong sẽ đẩy nhãn thứ hai vào gói.
Nhãn ngăn xếp của các gói dữ liệu trên LSP thứ hai bây giờ sẽ có 2 nhãn. Nhãn đầu
thuộc về LSP bên trong và nhãn dưới cùng thuộc về LSP bao trùm toàn mạng. Kỹ
thuật lưu lượng sử dụng tunnel là ví dụ cho LSP lồng nhau.

1.6 Điều khiển LSP thứ tự và điều khiển độc lập:
Trang 16


MPLS hổ trợ hai phương pháp để dán nhãn vào một FEC, gọi là điều khiển độc
lập và điều khiển theo thứ tự.
1.6.1 Điều khiển LSP độc lập:

Hình 1.7: Điều khiển độc lập.
Với điều khiển độc lập, router dán các nhãn vào mọi FEC mà nó biết. Vì vậy
mỗi FEC có một nhãn được gán cho nó. Các giao thức định tuyến IP như OSPF
được sử dụng để làm điều này.
Hình 1.7 chỉ ra rằng LSR D đang thông báo cho các LSP ngang hàng rằng nhãn
nội bộ 40 liên kết với tiền tố IP 192.168.20.0/24. Điều này có nghĩa là các nút gần
kề với D phải sử dụng nhãn 40 khi gởi lưu lượng đến địa chỉ 192.168.20.0/24 thông
qua nút D. Một cách khác, nút ngược dòng sử dụng giá trị nhãn được ấn định bởi
LSR xuôi dòng khi nó gửi lưu lượng đến nhãn/ tiền tố ấn định bởi LSR xuôi dòng

này. Rõ ràng là nút C sử dụng nhãn 40 để gửi bất cứ gói IP nào có địa chỉ
192.168.20.x đến nút D. Tuy nhiên, nút D sẽ không dùng nhãn 40 để truyền lưu
lượng đến nút I, E, J. Ví dụ để truyền lưu lượng đến nút E, nút D sẽ dùng giá trị
nhãn đã được gởi bởi nút E, chẳng hạn 38.

Trang 17


Cấn nhấn mạnh rằng nút D quảng cáo nhãn 40 cho tiền tố 192.146.20.0/24 đến
tất cả các nút ngang hàng. Các nút này có sử dụng nhãn này hay ko tuỳ thuộc vào
mối quan hệ của chúng với nút D là xuôi dòng hay ngược dòng.
Một thuật lợi của điều khiển độc lập là hoạt động dán nhãn xảy ra sau sự quảng
cáo địa chỉ. Nếu việc quảng cáo địa chỉ nhanh sẽ dẫn đến sự định tuyến nhanh, các
liên kết nhãn cũng được thiết lập một cách nhanh chóng. Tuy nhiên điều khiển độc
lập phải thiết lập sao cho các LSR lân cận tương thích với FEC mà chúng sẽ dùng.
• Ưu điểm: kỹ thuật này cho phép các LSR ấn định và quảng bá thông tin
nhãn bất cứ lúc nào, không phải chờ thông tin đó đến từ LSR kế cận. Hơn
nữa, các LSR vẫn giữ lại thông tin nhãn nhận được từ LSR kế cận ngay
cả khi LSR này không phải là nút mạng kế tiếp sẽ nhận được dữ liệu. Do
đó khi định tuyến có sự thay đổi, LSP mới có thể nhanh chóng được xây
dựng.
• Khuyết điểm: với kỹ thuật này, mỗi LSR sẽ tự định nghĩa về FEC. Ví dụ
một LSR có thể quyết định mỗi tiền tố trong bảng định tuyến của nó là
một FEC. Do đó nếu LSR kế cận không định nghĩa như vậy về một FEC
thì không thể xây dựng LSP.
1.6.2 Điều khiển LSP tuần tự:
Trong kỹ thuật này, quá trình ấn định nhãn diễn ra theo thứ tự từ đầu cuối này
đến đầu cuối kia của LSP. Như vậy LSP được bắt đầu xây dựng từ igress LSP hoặc
egress LSP. Ví dụ như LSP được xây dựng từ egress LSP. Trong trường hợp này
chỉ có egress LSP có khả năng tiến hành xây dựng LSP. Ứng với một FEC nào đó,

một LSR là egress LSR nếu như nút mạng kết tiếp nhận dữ liệu thuộc FEC không
phải là LSR. Khi đó egress LSR sẽ ấn định một nhãn thích hợp cho FEC và gởi
thông tin này đến tất cả LSR lân cận. Bất cứ LSR nào nhận được thông tin này và
đồng thời egress LSR nói trên là nút mạng kế tiếp cho dòng dữ liệu thuộc FEC, LSR
sẽ ấn định giá trị nhãn đó cho FEC và cùng gởi thông tin nhãn đến các LSR kế cận.

Trang 18


• Ưu điểm: Edge LSR sẽ tiến hành định nghĩa FEC. Như vậy khi xây dựng
LSP, tất cả các LSR đều sử dụng chung định nghĩa ấy. Do đó không mất
sự đồng nhất khi ấn định FEC cho dữ liệu. Đặc biệt kỹ thuật này rất có
ích trong mạng đang chuyển từ hình thức định tuyến truyền thống sang
chuyển mạch nhãn. Đối với những mạng như thế, một nhà quản trị mạng
cần kiểm soát chặt chẽ việc chuyển gói dữ liệu bằng MPLS, ngoài ra có
thể kiếm soát bằng cách cấu hình một danh sách truy cập tại LSR khởi
đầu cho quá trình xây dựng LSP, có thể igress LSR hoặc egress LSR.
Trong khi đó, với kỹ thuật điều khiển độc lập, cần thiết phải cấu hình cho
mỗi LSR trong mạng.
• Khuyết điểm: kỹ thuật này làm tăng thời gian xây dựng một LSP. Vì để
xây dựng một LSP, một LSR sẽ gởi thông tin nhãn đến tất cả các LSP kế
cận. Do đó gói dữ liệu có thể bị mất hoặc tăng thời gian trễ.
Chúng ta hoàn toàn có thể sử dụng kết hợp cả hai kĩ thuật trên ở trong mạng.
Tuy nhiên nếu như một nhà quản trị muốn nhận đầy đủ ưu điểm của kỹ thuật điều
khiển LSP tuần tự, tất cả các LSP trong mạng phải hỗ trợ kỹ thuật này.
1.7 Chế độ phân phối nhãn:
MPLS cho phép hai chế độ hoạt động của các LSR để phân phối các ánh xạ
nhãn, đó là phân phối không cần yêu cầu (downstream unsolicited) và phân phối
theo yêu cầu (downstream on demand). Thuật ngữ downstream ở đây ngụ ý rằng
phía downstream sẽ thực hiện gán kết nhãn và thông báo gắn kết đó cho phía

upstream.
1.7.1 Chế độ nhãn không cần yêu cầu:
Downstream-LSR phân phối các gán kết nhãn đến upstream-LSR mà không cần
có yêu cầu thực hiện việc gắn kết nhãn. Nếu downstream-LSR chính là hop kế đối
với định tuyến IP cho một FEC cụ thể thì upstream-LSR có thể sử dụng kiểu kết
nhãn này để chuyển tiếp các gói trong FEC đó đến downstream-LSR.

Trang 19


Hình 1.8: Chế độ nhãn không cần yêu cầu.
1.7.2 Chế độ nhãn theo yêu cầu:
Upstream-LSR phải yêu cầu rõ ràng một gắn kết nhãn cho một FEC cụ thể thì
downstream-LSR mới phân phối. Trong phương thức này, downstream-router
không nhất thiết phải là hop kế đối với định tuyến IP cho FEC đó, điều này rất quan
trọng đối với các LSP định tuyến tường minh.

Hình 1.9: Chế độ nhãn yêu cầu
1.8 Tổng kết chương.
Trong chương này, chúng ta đã biết được nhiều nhãn có thể xếp chồng lên nhau,
gọi là nhãn ngắn xếp. Nhãn ngăn xếp nằm trên phần đầu của gói, để chuyển tiếp
gói. Nhãn ngăn xếp nằm ở phía trước của lớp 3, nghĩa là trước tiêu đề của giao thức
vận chuyển, nhưng sau tiêu đề của lớp 2. Chúng ta đã hiểu làm thế nào các nhãn
được chuyển đến cho mỗi LSR trong mạng MPLS. Một chuỗi các LSR tạo thành
đường chuyển mạch nhãn (LSP). FEC là một nhóm hoặc một luồng các gói tin được
chuyển tiếp trên cùng tuyến đường và được xử lý như nhau. MPLS hỗ trợ hai
phương pháp để dán nhãn vào một FEC, gọi là điều khiển độc lập và điều khiển
tuần tự, chúng ta hoàn toàn có thể kết hợp 2 kỹ thuật trên trong mạng. Chương tiếp
theo chúng ta sẽ tìm hiểu về các giao thức phân phối nhãn trong MPLS.

Trang 20


Chương 2: Định tuyến và phân phối nhãn trong
MPLS.
2.1 Giới thiệu chương:
Trong chương này chúng ta giải quyết cách thức làm thế nào xác định tuyến
đường trên mạng hỗ trợ kĩ thuật MPLS bằng giao thức phân phối nhãn (LDP), giao
thức dành trước tài nguyên (RSVP) và giao thức phân phối nhãn dựa trên sự ràng
buộc (CR-LDP), so sánh 2 giao thức RSVP và CR-LDP, giải quyết sự cố trên mạng
bằng các cơ chế tái định tuyến.
2.2 Định tuyến trong mạng MPLS:
MPLS hỗ trợ cả hai kỹ thuật định tuyến: định tuyến từng chặng (hop-by-hop) và
định tuyến ràng buộc (constrain-based routing). Định tuyến từng chặng cho phép
mỗi nút nhận dạng các FEC và chọn hop kế tiếp cho mỗi FEC một cách độc lập,
giống như định tuyến IP. Tuy nhiên, nếu muốn triển khai kỹ thuật lưu lượng với
MPLS thì cần phải sử dụng định tuyến ràng buộc.
2.2.1 Định tuyến từng chặng (hop-by-hop):
Phương pháp này là tương đương với phương pháp được sử dụng hiện nay trong
các mạng IP truyền thống. Các giao thức định tuyến truyền thống chẳng hạn như
OSPF, BGP được sử dụng để thăm dò địa chỉ IP. Trong phương pháp này mỗi LSR
lựa chọn một cách độc lập tuyến kế tiếp với một FEC cho trước. Mỗi node MPLS
xác định nội dung của LIB bằng việc tham chiếu tới bảng định tuyến IP của nó. Với
mỗi lối vào trong bảng định tuyến, mỗi node sẽ thông báo 1 ràng buộc (chứa 1 địa
chỉ mạng và 1 nhãn) tới các node lân cận.
2.2.2 Định tuyến ràng buộc (Constrain-based Routing):

Trang 21

Nhắc lại về những giao thức định tuyến sử dụng trong mạng IP. Mạng IP là tập
hợp của nhiều AS, những giao thức định tuyến sử dụng trong phạm vi một AS được
gọi là giao thức định tuyến nội vùng (IRP) như RIP, OSPF, IS-IS, IGRP. Ngược lại
những giao thức định tuyến được sử dụng trao đổi thông tin định tuyến giữa các AS
gọi là giao thức định tuyến liên vùng (EGP) như là BGP.
Quay trở lại giao thức định tuyến nội vùng. Giao thức RIP sử dụng thuật toán
Bellman_Ford để chọn đường đi đến một địa chỉ nhất định với yêu cầu số lượng
nút mạng trên đường đi là nhỏ nhất. Như vậy giao thức RIP sẽ tốt ưu hoá số lượng
nút mạng trên đường định tuyến. Trong khi đó giao thức OSPF và IS-IS sẽ tối ưu
hoá metric quản trị của đường định tuyến.
Như vậy định tuyến ràng buộc khác biệt gì với định tuyến IP truyền thống?
Trong pham vi một mạng, tuyến nối giữa hai nút mạng bất kỳ sẽ có một số đặt
tính. Những đặc tính này được xem là những ràng buộc và luồng lưu lượng đi qua
tuyến này không được vi phạm những đặc tính đó. Như vậy định tuyến ràng buộc sẽ
thiết lập tuyến cho luồng lưu lượng vừa phải tối ưu hoá metric, vừa không vi phạm
những ràng buộc cụ thể trên mỗi đường nối giữa các nút mạng. Đây cũng chính là
điểm khác biệt giữa định tuyến ràng buộc và định tuyến IP truyền thống.

Hình 2.1: Ví dụ hoạt động định tuyến ràng buộc.
Để minh hoạ hoạt động của định tuyến ràng buộc, xét cấu trúc mạng như hình
trên. Giả sử rằng định tuyến ràng buộc sử dụng số hop (hop count) và băng thông
khả dụng làm metric. Lưu lượng 600Kbps được định tuyến trước tiên, sau đó là lưu

Trang 22


lượng 500Kbps và 200Kbps. Cả 3 loại lưu lượng này đều hướng đến cùng một
egress-router. Ta thấy rằng:
• Vì lưu lượng 600Kbps được định tuyến trước nên nó đi theo đường ngắn
nhất là R8-R2-R3-R4-R5. Vì băng thông khả dụng là như nhau trên tất cả

các chặng kênh (1Mbps), nên lưu lượng 600Kbps chiếm 60% băng thông.
• Sau đó, vì băng thông khả dụng của đường ngắn nhất không đủ cho cả 2
lưu lượng 600Kbps và 500Kbps nên lưu lượng 500Kbps được định tuyến
đi theo đường mới qua R6 và R7 mặc dù nhiều hơn một hop so với đường
cũ.
• Với lưu lượng 200Kbps tiếp theo, vì vẫn còn băng thông khả dụng trên
đường ngắn nhất nên đường này được chọn để chuyển lưu lượng
200Kbps.

Định tuyến ràng buộc có 2 kiểu online và ofline. Kiểu online cho phép các
router tính đường cho các LSR bất kỳ lúc nào. Trong kiểu offline, một server tính
đường cho các LSP theo định kỳ (chu kỳ có thể được chọn bởi nhà quản trị thường
là vài giờ hoặc vài ngày). Các LSP được báo hiệu thiết lập theo các đường đã được
chọn
2.2.3 Định tuyến tường minh (ER):
Định tuyến tường minh (Explicit Routing) là một tập con của định tuyến ràng
buộc, trong đó sự ràng buộc là đối tượng tuyến tường minh ER (explicit router).
Tuyến tường minh ER là một danh sách các “nút trừu tượng” (abstract node) mà
một đường chuyển mạch nhãn ràng buộc phải đi qua. Nút trừu tượng có thể là một
nút (địa chỉ IP) hoặc một nhóm nút (như IP prefix hoặc một AS). Nếu ER chỉ quy
định một nhóm trong số các nút mà đường chuyển mạch nhãn ràng buộc đi qua thì
nó được gọi là “losse ER”. Ngược lại, nếu ER quy định toàn bộ các nút trên đường
chuyển mạch nhãn ràng buộc thì được gọi là “strict ER”.
2.3 Các giao thức phân phối nhãn:

Trang 23


Giao thức LDP (Label Distribution Protocol) là giao thức chính và được sử dụng
nhiều nhất. Tuy nhiên một số giao thức khác như RSVP (Resource Reservation

Protocol) hay BGP (Border Gateway Protocol) vẫn có thể thực hiên trao đổi thông
tin nhãn. Đầu tiên chúng ta sẽ đề cầp đến giao thức LDP.
2.3.1 Giao thức LDP:
LDP là một giao thức mới cho việc phân phối thông tin kết hợp với nhãn tới các
LSR trong mạng MPLS. Nó được sử dụng để ánh xạ các FEC tới nhãn, tạo tuyến
LSP. Các tuyến LDP được thiết lập giữa các LDP ngang hàng trong mạng MPLS
(không nhất thiết kề nhau). Những đặc tính cơ bản của giao thức LDP:
-Cung cấp kỹ thuật giúp cho các LSR có kết nối trực tiếp nhận ra nhau và thiết
lập liên kết cơ chế khám phá (discovery mechanism).
-Có 4 loại bản tin:
• Discovery message

: Thông báo và duy trì sự có mặt của một LSR

trong mạng.
• Session message

: Thiết lập, duy trì, kết thúc phiên giữa các LDP

ngang hàng.
• Advertisement message : Tạo, thay đổi, và xoá nhãn cho các FEC.
• Notification message

: Cung cấp thông tin tham khảo và thông tin báo

hiệu lỗi.
-Thiết lập kết nối TCP để trao đổi các bản tin (ngoại trừ bản tin Discovery).
-Các bản tin là tập hợp những thành phần có cấu trúc <type, length, value>.
2.3.1.1 Các bản tin LDP:
Như đã đề cập ở trên, có bốn loại bản tin cơ bản và các bản tin được sử dụng

thông dụng nhất là:
• Initilization.

Trang 24


• Keepalive.
• Label mapping.
• Label withdraw.
• Label release.
•

Label request abort.

2.3.1.1.1 Bản tin Initilization:
Khi bắt đầu thiết lập kết nối LDP, hai LSR sẽ thoả thuận các thông số và lựa
chọn cho kết nối này thông qua bản tin khởi tạo “initialization messege”. Các thông
số này bao gồm: phương thức cấp phát nhãn, phạm vi giá trị nhãn được sử dụng cho
kết nối của hai LSP này, giá trị timer. Cả hai LSR đều có thể gởi bản tin khởi tạo và
LSR nhận sẽ phúc đáp lại bằng bản tin Keepalive nếu như chấp nhận những thông
số đó. Nếu như không chấp nhận, LSR sẽ gởi một thông báo lỗi và kết thúc quá
trình khởi tạo.
2.3.1.1.2 Bản tin Keepalive:
Ngoài chức năng như đã nói ở trên, bản tin này được gởi tuần tự theo chu kỳ
trong khoảng thời gian không có các bản tin khác được gởi đi. Bản tin này giúp cho
LSR nhận biết LSR gởi vẫn đang hoạt động bình thường. Nếu không chấp nhận
được bản tin này, hay bất cứ một bản tin khác trong một khoảng thời gian được ấn
định trước thì kết nối LDP giữa hai LSR sẽ bị cắt.
2.3.1.1.3 Bản tin Label mapping:
Được các LSR sử dụng để truyền các thông tin ánh xạ từ một FEC sang một

nhãn.
2.3.1.1.4 Bản tin Label withdraw:
Chúng ta biết rằng có hai hình thức ấn định nhãn usolicited downstream và
downstream_on_demand. Với cách thức sau, một LSR sẽ yêu cầu nút mạng tiếp
theo sẽ nhận dữ liệu thuộc một FEC nào đó ấn định nhãn cho FEC bằng cách gởi

Trang 25