Công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức và kỹ thuật điều khiển lưu lượng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
************

NGUYỄN THÀNH DUY

CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC
VÀ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Hà Nội - 2011


MỤC LỤC
Lời cam đoan........................................................................................ 4
Danh mụch các ký hiệu, các chữ viết tắt ............................................ 5
Danh mụch hình vẽ, đồ thị .................................................................. 6
MỞ ĐẦU............................................................................................... 8
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ
CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC (MPLS) .................... 10
1.

2.

Quá trình hình thành và phát triển......................................................... 10
1.1.

Các động lực ra đời của chuyển mạch nhãn ................................... 10

1.2.

Lịch sử phát triển của MPLS ........................................................... 11

1.3.

Quá trình chuẩn hoá MPLS ............................................................. 12

1.4.

Nhóm làm việc MPLS trong IETF................................................... 13

Các thành phần của MPLS ...................................................................... 14
2.1.

Khái quát MPLS ................................................................................ 14

2.2.

Các khái niệm cơ bản của mạng MPLS .......................................... 16

2.2.1.

Nhãn (Lable) ............................................................................... 16

2.2.2.

Ngăn xếp nhãn (Lable stack)..................................................... 18

2.2.3.

Bảng chuyển tiếp chuyển mạch nhãn ....................................... 19

2.2.4.

Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn (LSR-Lable Switching Router

)

...................................................................................................... 19

2.2.5.

Lớp chuyển tiếp tương đương (FEC-Forward Equivalence Class )
...................................................................................................... 19

2.2.6.

Cơ sở thông tin nhãn ( LIB-Lable Information Base ) ........... 20

2.2.7.

Tuyến chuyển mạch nhãn ( LSP-Lable Switching Path )....... 20

2.2.8.

Gói tin dán nhãn......................................................................... 20

2.2.9.

Ấn định và phân phối nhãn ....................................................... 21

2.3.

Quá trình xử lý cơ bản của MPLS ................................................... 21

1


3.

2.4.

Phân biệt chuyển mạch nhãn và chuyển mạch thông thường....... 22

2.5.

Mô hình chuyển gói tin trong MPLS ............................................... 22

2.6.

Ví dụ về việc chuyển gói tin trong MPLS........................................ 23

Giao thức báo hiệu cho MPLS (MPLS signaling Protocol ) ................. 27
3.1.

Giao thức phân phối nhãn ( LDP )................................................... 28

3.2.

Giao thức phân phối nhãn dựa trên ràng buộc ( CR-LDP ) ......... 37

3.3.

Giao thức dành trước tài nguyên RSVP.......................................... 39

3.3.1. Một số đặc điểm cơ bản về giao thức RSVP................................. 39
3.3.2 Giao thức RSVP mở rộng................................................................ 41
3.3.3. Bản tin Path của RSVP mở rộng .................................................. 41
3.3.4. Bản tin RESV ................................................................................. 44
3.3.5 Quá trình xây dựng LSP trong RSVP mở rộng ........................... 44
3.3.6. Điều khiển lưu lượng với RSVP.................................................... 47
3.3.7 Chức năng định tuyến lại nhanh trong MPLS (MPLS Fast
Reroute)...................................................................................................... 49
3.3.8. Một số vấn đề khác.......................................................................... 52

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CẤU TRÚC MẠNG ĐƯỜNG TRỤC
CỦA VIỆT NAM VÀ ỨNG DỤNG CHUYỂN MẠCH NHÃN MPLS
............................................................................................................. 55
1.

Giới thiệu về mạng IP/MPLS của VNPT................................................ 55
1.1. Mô hình mạng VN2 ............................................................................... 55
1.2. Kiến trúc định tuyến IP trong mạng.................................................... 57
1.3. Một số thành phần chính cấu thành lên mạng Ipcore IP/MPLS ...... 59
1.4. Lựa chọn tuyến và các chính sách định tuyến .................................... 61

2.

Ứng Dụng MPLS Trong Mạng VN2 Của VNPT ................................... 62

2.1. MPLS trong mạng VPN ........................................................................ 62
2.1.1 Khái niệm BGP/MPLS VPN............................................................... 62
2.1.2. Ứng Dụng MPLS-VPN ....................................................................... 69
2.2. MPLS Trong Mạng Core Của VNPT ................................................. 75

2


CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN VÀ
ĐIỀU KHIỂN BẰNG PHẦN MỀM OLIVE ................................... 77
1.

Mô hình mạng............................................................................................ 77

2.

Giao thức định tuyến trong mạng ........................................................... 78
2.2.

Giao thức MPLS và kỹ thuật điều khiển lưu lượng ....................... 84

2.2.1

Giao thức MPLS......................................................................... 84

2.2.2.

Kỹ thuật điều khiển lưu lượng .................................................. 90

KẾT LUẬN......................................................................................... 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................. 96

3


Lời cam đoan
Trước hết tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể các thầy cô trường
Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã tạo ra một môi trường tốt để tôi học tập và nghiên
cứu. Xin cảm ơn các thầy cô trong khoa đào tạo sau đại học đã quan tâm đến khóa
học này, tạo điều kiện cho các học viên có điều kiện thuận lợi nhất để học tốt. Và
đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo TS. NGUYỄN XUÂN DŨNG,
thầy đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và sửa chữa cho nội dung của luận văn này.
Tôi xin cam đoan rằng nội dung của luận văn này là hoàn toàn do tôi tìm
hiểu, nghiên cứu và viết ra. Phần lý thuyết và cả phần thực hành đều được tôi thực
hiện cẩn thận và có sự định hướng và sửa chữa của giáo viên hướng dẫn.
Tôi xin chịu trách nhiệm với những nội dung trong luận án này.

Tác giả

NGUYỄN THÀNH DUY

4


Danh mụch các ký hiệu, các chữ viết tắt
IOS
TCP

Inter-work Operating System
Transmission Control Protocol

IP
LSA

Link State Algorithm

CSPF

Constrained Shorsters Path First

LAN

Local Area Network

FEC

Label Forwading Equivalence

ISP

Internet Service Provider

ASBR
RIP

Autonomous System Boundary Router

AS

Autonomous System

Routing Information Protocol

BGP

Border Gateway Protocol

IGRP

Interior Gateway Routing Protolcol

OSPF Open Shorst Path First

EIGRP

Enhanced Interior Gateway Protocol

LER

Label Edge Router

NGN

Next Genaration Network

LSR

Label Switching Router

VLSM

Variable Length Subnet Masking

Shorts Path First

EGP

Exterior Gateway Protocol

SPF
AD

CSNP

Complete Sequence Number Packet

DIS

Designated System

CLNP

Connectionless Network Protocol

ES

End System

MTU
CLNS

Maximum Transmision Unit

NET Network Entity Title
NSEL Network Selector

NSAP

Network Service Access Point

PSNP

Partial Sequence Number Packet

LDP
IBGP

Label Distrubution Protocol

Connectionless Netwok Service

PDU
IS

Internet Protocol

Administrative Distance

Protocol Data Unit
Intermediate Sytem

Router Reflector

Interior Border Gateway Protocol

RR
PDU

ARP

Address Resolution Protocol

LSP

Link State PDU

ICMP

Internet Protocol Message Protocol

LSP

Lable Switch Path

EBGP

Exterior Border Gateway Protocol

MED

Multi Exit Disc

RSVP

Resource ReserVation Protocol

P

Provider Router

MPLS
IGP

Multi Protocol Label Switch

TE

Traffic Engineering

Interior Gateway Protocol

PE

Provider Edge Router

LFIB

Label forwarding information base

5

Protocol Data Unit


Danh mụch hình vẽ, đồ thị
Hình 1.1: Cấu trúc nhãn trong MPLS .................................................................... 17
Hình 1.2 Ngăn xếp nhãn trong MPLS................................................................... 18
Hình 1.3 Một mô hình trung chuyển lưu............................................................. 19
Hình 1.4 Quá trình xử lý cơ bản của MPLS .......................................................... 21
Hình1.5 Mô hình chuyển gói tin trong MP ........................................................... 22
Hình 1.6 Gán FEC vào nhãn .................................................................................. 24
Hình 1.7 Chuyển tiếp nhãn..................................................................................... 25
Hình 1.8 Gỡ bỏ nhãn MPLS ở LSR lối ra.............................................................. 26
Hình 1.9 Thủ tục phát hiện LSR lân cận................................................................ 29
Hình 1.10 Tiêu đề LDP .......................................................................................... 30
Hình 1.11 Mã hoá TLV......................................................................................... 31
Hình 1.12 Khuôn dạng các bản tin LDP ............................................................... 32
Hình 1.13 Quá trình xây dựng một LSP ............................................................... 34
Hình 1.14 Ví dụ về việc phân phối nhãn................................................................ 37
Hình 1.15 Ví dụ về giao thức dành sãn................................................................. 40
Hình 1.16 Tuyến xác định trong Path .................................................................... 43
Hình1.17 Một LSP bao gồm LSR1, LSR2............................................................ 44
Hình 1.18 Quá trình gửi bản tin RESV .................................................................. 46
Hình 1.19 Các thông điệp được truyền của RSVP................................................. 48
Hình 1.20 Điều khiển lưu lượng với RSVP ........................................................... 48
Hình 1.21 Quá trình định tuyến lại nhanh trong MPLS......................................... 50
Hình 1.22 Sự cố hỏng node mạng......................................................................... 51
Hình 2.1 Mô hình mạng IP/MPLS core VN2 của VNPT .................................... 56
Hình 2.2 Kiến trúc router RR trong mạng ............................................................. 59
Hình 2.3 Các bảng định tuyến trên PE Router....................................................... 63
Hình 2.4 Các thuật ngữ sử dụng trong BGP/MPLS VPN...................................... 64

Hình 2.5 Địa chỉ VPN-IPv4 ................................................................................... 66

6


Hình 2.6 Mô hình mạng MPLS_VPN.................................................................... 71
Hình 2.7 RSVP được fullmesh giữa các router P .................................................. 75
Hình 2.8 Topology logic của mô hình End-to-End................................................ 76
Hình 3.1 Ví dụ topo về hoạt động của các giao thức định tuyến và điều khiển lưu
lượng ...................................................................................................................... 78
Hình 3.2: Điều khiển lưu lượng trong MPLS ....................................................... 91

7


MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Công nghệ thông tin, viễn thông thay đổi từng ngày góp phần đáp ứng các nhu
cầu ngày càng cao hơn của người dùng. Một trong những xu thế đó là sự ra đời của
các công nghệ chuyển mạch mới (chuyển mạch mềm) nhằm thay thế cho các công
nghệ chuyển mạch cũ (chuyển mạch kênh). Với mục đích tận dụng được các lợi thế
sẵn có của mạng internet nhiều chuyên gia và các tổ chức nghiên cứu đã tập trung
tiềm lực vào việc nghiên cứu công nghệ chuyển mạch mềm nói chung và công nghệ
chuyển mạch trên mạng IP nói riêng. Công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức
MPLS là một công nghệ được phát triển nằm trong xu thế đó: một đường chuyển
mạch nhãn LSP được tạo ra để từ đó dữ liệu được truyền tải từ điểm đầu tới điểm
cuối với tốc độ cao.

Lịch sử nghiên cứu
Việc hình thành và phát triển công nghệ MPLS xuất phát từ nhu cầu thực tế,

được các nhà công nghiệp viễn thông thúc đẩy nhanh chóng. Sự thành công và
nhanh chóng chiếm lĩnh thị trường mà công nghệ này có được là nhờ vào việc
chuẩn hoá công nghệ. Quá trình hình thành và phát triển công nghệ, những giải
pháp ban đầu của hãng như Cisco, IBM, Toshiba…. Những nỗ lực chuẩn hoá của tổ
chức tiêu chuẩn IETF trong việc ban hành về tiêu chuẩn MPLS….sẽ cung cấp cho
chúng ta những nhận định ban đầu về xu hướng phát triển MPLS.

Mục đích nghiên cứu
Nắm bắt và hiểu được bản chất tính ưu việt của công nghệ chuyển mạch nhãn
đa giao thức tổng quát (MPLS) để từ đó xây dựng được mô hình mạng MPLS nhằm
phục vụ cho việc phân tích các giao thức định tuyến RSVP-TE là mục tiêu chính
của đề tài.
Để làm được điều đó ta cần tìm hiểu và cài đặt thực tế một mạng MPLS để từ
đó có thể thực hiện thiết lập, quản lý các đường chuyển mạch nhãn LSP, đồng thời

8


quan sát được nguyên lý hoạt động của giao thức báo hiệu RSVP-TE thông qua việc
bắt các bản tin của giao thức RSVP.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức
tổng quát (MPLS) trong đó tập trung vào tìm hiểu giao thức báo hiệu RSVP-TE
Phạm vi nghiên cứu tập trung vào tìm hiểu lý thuyết rồi từ đó làm nền tảng xây
dựng mô hình mạng MPLS.

Phương pháp nghiên cứu
Tìm hiều và khai thác các nguồn tài liệu từ bên ngoài như internet, bài báo, tạp
trí khoa học công nghệ.

Sử dụng các công cụ mô phỏng với mã nguồn mở, dùng các phần mềm mã
nguồn mở để mô phỏng và xây dựng mô hình mạng.

Cấu trúc của luận văn
Ngoài lời mở đầu, mục lục, tài liệu tham khảo, luận văn được chia làm 3
chương.
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức.
Chương 2: Giới thiệu mạng cấu trúc đường trục của Việt Nam và ứng dụng
của chuyển mạch nhãn MPLS.
Chương 3: Mô phỏng các giao thức định tuyến và điều khiển lưu lượng bằng
phần mềm Olive..
Do những hạn chế về thời gian, về tài liệu, về điều kiện thí nghiệm và khả
năng của người viết, nội dung của luận văn khó tránh khỏi những sai sót và khiếm
khuyết. Tác giả rất mong nhận được sự chỉ dẫn tận tình của các thầy cô cũng như
những góp ý của đông đảo bạn đọc.
Xin chân thành cảm ơn!

9


CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ
CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC (MPLS)
1. Quá trình hình thành và phát triển
1.1. Các động lực ra đời của chuyển mạch nhãn
Trong những năm gần đây, mạng internet đã phát triển rất nhanh và trở nên
rất phổ biến. Internet đã trở thành một phương tiện thông tin rất hiệu quả và tiện lợi
phục vụ cho giáo dục, thương mại, giải trí, thông tin giũa các cộng đồng, các tổ
chức….. Hiện nay ngày càng phát triển các ứng dụng mới cả trong thương mại và
thị trường người tiêu dùng. Các ứng dụng mới này được vận hành đòi hỏi băng
thông rộng và các nhu cầu về dải thông được đảm bảo trong mạng đường trục. Cùng

với các dịch vụ truyền thống được cung cấp qua internet thì các dịch vụ thoại và đa
phương tiện đang được sử dụng và phát triển. Và sự lựa chọn cho việc cung cấp là
tích hợp các dịch vụ đang được mong đợi. Tuy nhiên, tốc độ và giải thông của các
nhu cầu về các dịch vụ và ứng dụng này vượt quá hạ tầng internet hiện nay.
Với giao thức định tuyến internet TCP/IP có khả năng định tuyến và truyền
gói hết sức mềm dẻo linh hoạt và rộng khắp toàn cầu. Nhưng IP không đảm bảo
chất lượng dịch vụ, tốc độ truyền tin theo yêu cầu, trong khi đó công nghệ ATM có
tốc độ truyền tin cao, đảm bảo thời gian thực và chất lượng dịch vụ theo yêu cầu
định trước. Hơn nữa các dịch vụ thông tin thế hệ sau được chia thành hai xu hướng
phát triển đó là: Hoạt động kết nối định hướng và hoạt động không kết nối. Hai xu
hướng phát triển này dần tiệm cận và hội tụ với nhau tiến tới ra đời công nghệ
IP/ATM. Sự kết hợp IP với ATM có thể là giả pháp kỳ vọng cho mạng viễn thông
trong tương lai.
Sự ra đời của chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS) là tất yếu và là giải
pháp đáp ứng được nhu cầu đó, khi nhu cầu và tốc độ phát triển rất nhanh của mạng
internet yêu cầu phải có giao thức mới đảm bảo chất lượng dịch vụ theo yêu cầu
đồng thời phải đơn giản và tốc độ xử lý phải rất cao
Chuyển mạch nhãn đa giao thức là một giải pháp linh hoạt cho việc giải
quyết các vấn đề mà các mạng ngày nay đang phải đối mặt, đó là tốc độ, khả năng

10


mở rộng cấp độ mạng, quản lý chất lượng dịch vụ (QoS) và kỹ thuật lưu lượng.
MPLS xuất hiện để đáp ứng các yêu cầu dịch vụ và quản lý băng thông cho giao
thức internet thế hệ sau dựa trên mạng đường trục
Tóm lại, chuyển mạch nhãn đa giao thức sẽ đóng vai trò quan trọng trong
việc định tuyến (dựa trên các thước đo QoS và chất lượng dịch vụ) chuyển mạch,
chuyển tiếp các gói tin qua mạng thế hệ sau cũng như giải quyết các vấn đề liên
quan tới khả năng mở rộng cấp độ và hoạt động với các mạng Frame Relay và chế

độ truyền tải không đồng bộ ATM hiện nay để đáp ứng các nhu cầu dịch vụ của
người sử dụng mạng.
1.2. Lịch sử phát triển của MPLS
Việc hình thành và phát triển công nghệ MPLS xuất phát từ nhu cầu thực tế,
được các nhà công nghiệp viễn thông thúc đẩy nhanh chóng. Sự thành công và
nhanh chóng chiếm lĩnh thị trường mà công nghệ này có được là nhờ vào việc
chuẩn hoá công nghệ. Quá trình hình thành và phát triển công nghệ, những giải
pháp ban đầu của hãng như Cisco, IBM, Toshiba…. Những nỗ lực chuẩn hoá của tổ
chức tiêu chuẩn IETF trong việc ban hành về tiêu chuẩn MPLS….sẽ cung cấp cho
chúng ta những nhận định ban đầu về xu hướng phát triển MPLS.
MPLS được đề xuất đầu tiên do hãng Ipsilon một hãng rất nhỏ về công nghệ
thông tin trong triển lãm về công nghệ thông tin, viễn thông tại Texas. Sau đó Cisco
và hàng loạt hãng khác như IBM, Toshiba…công bố các sản phẩm công nghệ
chuyển mạch của họ dưới những tên khác nhau nhưng đều cùng chung bản chất
công nghệ chuyển mạch nhãn.
Thiết bị định tuyến chuyển mạch tế bào của Toshiba năm 1994 là tổng đài
ATM đầu tiên được điều khiển bằng giao thức IP thay cho báo hiệu ATM. Tổng đài
của Ipsilon cũng là ma trận chuyển mạch ATM được điều khiển bởi khối xử lý sử
dụng công nghệ IP. Công nghệ chuyển mạch thẻ của Cisco cũng tương tự nhưng có
bổ xung thêm một vài kỹ thuật như lớp chuyể tiếp tương đương FEC, giao thức
phân phối nhãn. Đến năm 1998 nhóm nghiên cứu IETF đã tiến hành các công việc
để đưa ra tiêu chuẩn và khái niệm về chuyể mạch nhãn đa giao thức.
Sự ra đời của MPLS được dự báo là tất yếu khi nhu cầu và tốc độ phát triển
rất nhanh của mạng Internet đòi hỏi phải có một giao thức mới đảm bảo chất lượng
dịch vụ theo yêu cầu. Có rất nhiều công nghệ xây dựng trên mạng IP
•

IP trên nền ATM (IPoA)

11

•

IP trên nền SDH/SONET (IPOS)

•

IP qua WDM

•
IP qua cáp quang
Mỗi loại có những ưu và nhược điểm riêng. Trong đó công nghệ ATM được
sử dụng rộng rãi trong các mạng IP đường trục có tốc độ cao và đảm bảo được dịch
vụ, điều khiển luồng và một số đặc tính khác mà các mạng định tuyến truyền thống
không có được, trong trường hợp đòi hỏi thời gian thực cao thì IpoA là giải pháp tối
ưu. MPLS được hình thành dựa trên kỹ thuật đó.
MPLS thực hiện một số chức năng sau
•

Hỗ trợ các giải pháp mạng riêng ảo VPN

•

Định tuyến hiện (điều khiển lưu lượng)

•

Hỗ trợ cục bộ cho định tuyến IP trong các tổng đài chuyển mạch

ATM
Khái niệm chuyển mạch nhãn xuất phát từ hai khái niệm: Tổng đài chuyển
mạch và bộ định tuyến.
Xét trên góc độ chuyển mạch, phương thức điều khiển luồng, tỉ lệ giá cả và
chất lượng tổng đài chuyển mạch sẽ tốt hơn bộ định tuyến. Song bộ định tuyến lại
có khả năng định tuyến mềm dẻo mà tổng đài chuyển mạch không có được. Do đó,
chuyển mạch nhãn ra đời là sự kết hợp và kế thừa các ưu điểm trên cũng như khắc
phục những nhược điểm của cả tổng đài và bộ định tuyến truyền thống.
1.3.

Quá trình chuẩn hoá MPLS

• Đối với công nghệ chuyển mạch mới, việc tiêu chuẩn hoá là một khía cạnh
quan trọng quyết định khả năng chiếm lĩnh thị trường nhanh chóng của công
nghệ đó. Các tiêu chuẩn liên quan đến IP và ATM đã được xây dựng và hoàn
thiện trong một thời gian tương đối dài. Các tiêu chuẩn về MPLS chủ yếu
được IETF phát triển và hoàn thiện
• ITEF hoàn thiện tiêu chuẩn MPLS và đưa ra các tài liệu RFC trong năm
1999.
• Sau năm 1999 liên tục ban hành các tiêu chuẩn MPLS như về quản lý, bảo
mật, tính tương thích với các công nghệ khác
Như vậy có thể thấy rằng MPLS đã phát triển nhanh chóng và hiệu quả. Điều
này cũng chứng minh những yêu cầu cấp bách trong công nghiệp cho một công

12


nghệ mới. Hầu hết các tiêu chuẩn MPLS hiện tại đã được ban hành dưới dạng RFC.
Sau khi toàn bộ các RFC được hoàn thiện, chúng sẽ được tập hợp lại để xây dựng
một hệ thống tiêu chuẩn MPLS

1.4. Nhóm làm việc MPLS trong IETF
MPLS là một nhóm làm việc IETF cung cấp các bản phác thảo về định
tuyến, gửi chuyển tiếp và chuyển mạch các luồng lưu lượng qua mạng sử dụng
MPLS. Nhóm có chức năng sau
• Xác định cơ chế quản lý luồng lưu lượng của các phần tử khác nhau, như các
luồng lưu lượng giữa các phần cứng, các máy móc khác nhau hoặc thậm chí
là các luồng lưu lượng giữa các ứng dụng khác nhau.
• Duy trì độc lập của các giao thức lớp 2 và lớp 3
• Cung cấp các phương tiện để sắp xếp các địa chỉ ip thành các nhãn có độ dài
cố định và đơn giản được các công nghệ gửi chuyển tiếp gói tin và chuyển
mạch gói sử dụng.
• Giao diện với các giao thức định tuyến có sẵn như RSVP và OSPF….
• Hỗ trợ IP, ATM và các giao thức lớp 2 Frame-Relay
Trong MPLS, việc truyền dữ liệu thực hiện theo các đường chuyển mạch
nhãn (LSP). Các đường chuyển mạch nhãn là dãy các nhãn tại mỗi nút và tại tất cả
các nút dọc theo tuyến từ nguồn tới đích. LSP được thiết lập hoặc là trước khi
truyền dữ liệu hoặc trong khi tìm luồng dữ liệu. Các nhãn được phân phối sử dụng
giao thức LDP hoặc RSVP hoặc dựa trên giao thức định tuyến như BGP và OSPF.
Mỗi gói dữ liệu nén và mang các nhãn trong quá trình đi từ nguồn tới đích. Chuyển
mạch tốc độ cao có thể chấp nhận được vì các nhãn với độ dài cố định được chèn
vào vị trí đầu của gói tin hoặc tế bào và có thể được phần cứng sử dụng dể chuyển
mạch các gói tin một các nhanh chóng giữa các đường liên kết.
Nhóm làm việc MPLS chịu trách nhiệm chuẩn hoá các công nghệ cơ sở cho
sử dụng chuyển mạch nhãn và cho việc thi hành các đường chuyển mạch nhãn và
cho việc thi hành các đường mạch nhãn trên các loại công nghệ lớp liên kết, như
Frame Relay, ATM và công nghệ LAN (Etherbet, Token Ring,…). Nó bao gồm các
thủ tục và các giao thức cho việc phân phối nhãn giữa các bộ định tuyến, xem xét về
đóng gói và multicast.

13

Các mục tiêu khởi đầu của nhóm làm việc đã gần như hoàn thành. Cụ thể, nó
đã xây dựng một số các RFC định nghĩa giao thức phân phối nhãn cơ sở (LDP),
kiến trúc MPLS cơ sở và đóng gói tin, các định nghĩa cho việc chạy MPLS qua các
đường liên kết ATM, Frame-Relay.
Các mục tiêu gần đây của nhóm làm việc
• Hoàn thành các chỉ mục còn tồn tại
• Phát triển các mục tiêu chuẩn đề nghị của nhóm làm việc MPLS thành các
bản Dratf Standard bao gồm: LDP, CD-LDP và các tiêu chuẩn kỹ thuật
RSVP-TE cũng như vấn đề đóng gói.
• Định rõ các mở rộng phù hợp với LDP và RSVP cho việc xác nhận LSP
nguồn.
• Hoàn thành các công việc trên MPLS-TE MIB.
• Xác định các cơ chế chấp nhận lối cải tiến cho LDP.
• Xác định các cơ chế phục hồi MPLS cho phép một đường chuyển mạch nhãn
có thể được sử dụng như là một bản dự trữ cho một tập các đường chuyển
mạch nhãn khác bao gồm các trường hợp cho phép sửa cục bộ
• Cung cấp tài liệu về các phương thức đóng gói MPLS mở rộng cho phép
hoạt động trên các đường chuyển mạch nhãn trên các công nghệ lớp thấp
hơn, như phân chia theo thời gian ( Sonet ADM ) độ dài bước sóng và
chuyển mạch không gian.

2. Các thành phần của MPLS
2.1. Khái quát MPLS
Khi một gói tin tuân theo các phương thức lớp mạng connectionless từ một
bộ định tuyến đến bộ định tuyến tiếp theo, mối bộ định tuyến phải đưa ra một quyết
định gửi chuyển tiếp độc lập gói tin đó. Do đó, mỗi bộ định tuyến phân tích mào
đầu gói tin và mỗi bộ định tuyến sẽ chạy các thuật toán định tuyến lớp mạng. Mỗi
bộ định tuyến lưa chọn Hop tiếp theo cho gói tin một cách hoàn toàn độc lập dựa

trên những phân tích củ nó về mào đầu gói tin và kết quả cuả việc chạy thuật toán
định tuyến.
Các mào đầu gói tin chứa đựng nhiều thông tin hơn là thông tin cần thiết để
lựa chọn Hop tiếp theo. Lựa chọn Hop tiếp theo có thể xem là sự cấu thành của hai
chức năng. Chức năng thứ nhất chia toàn bộ gói tin vào các tập lớp chuyển tiếp

14


tương đương FEC ( Forwarding Equivalence Clas ). Chức năng thứ hai là xắp xếp
mỗi FEC cho một Hop tiếp theo. Khi quyết định gửi chuyển tiếp được đưa ra, với
các gói tin được xắp xếp vào cùng một FEC là giống nhau. Tất cả các gói tin trong
cùng một FEC cụ thể và xuất phát từ một nút cụ thể sẽ đi theo cùng một tuyến
đường hoặc theo một tập các tuyến đường liên kết với FEC đó.
Trong gửi chuyển tiếp IP truyền thống, một bộ định tuyến cụ thể sẽ đưa hai
gói tin vào cùng một FEC nếu như một vài tiền tố địa chỉ X trong bảng định tuyến
của bộ định tuyến phù hợp với địa chỉ đích của gói tin. Khi gói tin truyền qua mạng,
mỗi Hop lần lượt kiểm tra lại gói tin và ấn định nó vào một FEC.
Trong MPLS, việc ấn định một gói tin cụ thể vào một FEC được thực hiện
một lần khi gói tin đi vào mạng. FEC mà gói tin được ấn định mã hoá thành một giá
trị có độ dài cố định được gọi là nhãn. Khi một gói tin được chuyển tiếp tới Hop
tiếp theo của nó, nhãn được gửi theo gói tin, như vậy các gói tin dán nhãn trước khi
chúng được gửi chuyển tiếp.
Tại các Hop phía sau, không có những phân tích sâu hơn về mào đầu lớp
mạng. Đúng hơn là nhãn được sử dụng như chỉ số trong bảng mà nó xác định Hop
tiếp theo và nhãn mới. Nhãn cũ được thay thế bằng một nhãn mới và gói tin được
gửi tới Hop tiếp theo.
Trong mô hình gửi chuyển tiếp MPLS, khi một gói tin được ấn định vào một
FEC thì không có bất cứ một phân tích mào đầu nào được các bộ định tuyến phía
sau thực hiện. Tất cả công việc gửi chuyển tiếp được điều khiển bằng các nhãn. điều

này có một số các ưu điểm so với việc gửi chuyển tiếp lớp mạng truyền thống.
Việc gửi chuyển tiếp có thể được thực hiện bằng các tổng đài có khả năng
tìm kiếm và thay thế nhãn, nhưng không có khả năng phân tích mào đầu lớp mạng
hoặc không có khả năng phân tích mào đầu lớp mạng tại một tốc độ xác định.
Kể từ lúc gói tin được ấn định vào một FEC khi nó đi vào mạng, bộ định
tuyến đầu vào có thể sử dụng bất cứ thông tin nào mà nó có về gói tin cho dù các
thông tin đó không thể lấy được từ mào đầu lớp mạng trong khi quyết định việc ấn
định. Ví dụ, các gói tin tới các cổng khác nhau có thể được ấn định cho các FEC
khác nhau. Trong khi đó việc gửi chuyển tiếp truyền thống có thể chỉ xem xét đến
thông tin được mang theo cùng với gói tin trong mào đầu gói tin.
Một gói tin đi vào mạng tại bộ định tuyến cụ thể có thể được dán nhãn khác
với một gói tin tương tự nhưng đi vào mạng tại một bộ định tuyến khác, kết quả là
các quyết định gửi chuyển tiếp phụ thuộc vào bộ định tuyến nối vào. Điều này

15


không thể thực hiện được trong việc gửi chuyển tiếp truyền thống, khi mà bộ định
tuyến lối vào của gói tin không được mang theo gói tin.
Những yếu tố quyết định xem liệu gói tin được ấn định cho một FEC như thế
nào có thể trở nên ngày càng phức tạp, nếu không có bất cứ một tác động nào vào
các bộ định tuyến chỉ đơn thuần là gửi chuyển tiếp các gói tin dán nhãn.
Đôi khi chúng ta muốn bắt gói tin đi theo một tuyến đường xác định đã được
chọn trước hoặc tại thời điểm gói tin đi vào mạng hơn là tuyến đường được lựa
chọn bằng thuật toán định tuyến động khi gói tin qua mạng. Điều này có thể được
thực hiện như là vấn đề về chính sách hoặc để hỗ trợ điều khiển lưu lượng. Trong
gửi chuyển tiếp truyền thống, điều này đòi hỏi gói tin mang bộ mã về tuyến đường
của nó đi theo. Trong MPLS, một nhãn có thể được sử dụng để đại diện cho một
tuyến đường không cần phải mang theo gói tin.
Một vài bộ định tuyến phân tích mào đầu lớp mạng của gói tin không phải

đơn thuần chỉ để kựa chọn Hop tiếp theo mà còn để quyết định quyền ưu tiên của
gói tin. Sau đó chúng ta có thể áp dụng các ngưỡng loại bỏ hoặc các lịch trình khác
nhau cho các gói tin khác nhau. MPLS cho phép nhưng không yêu cầu quyền ưu
tiên có thể được xác định hoàn toàn hoặc một phần từ nhãn
MPLS là chuyển mạch nhãn đa giao thức, đa giao thức ở đây có nghĩa là các
công nghệ của nó có thể áp dụng trong bất cứ giao thức lớp mạng nào như IP,
IPX…
2.2.

Các khái niệm cơ bản của mạng MPLS
2.2.1. Nhãn (Lable)
Nhãn là một thực thể có độ dài ngắn và cố định không có cấu trúc bên trong.
Nhãn không trực tiếp mã hoá thông tin của mào đầu lớp mạng như địa chỉ mạng.
Nhãn được gắn vào một gói tin cụ thể sẽ đại diện cho một FEC (Forwarding
Equivalence Classes: Nhóm chuyển tiếp tương đương) mà gói tin được ấn định.
Thường thì một gói tin được ấn định một FEC (hoàn toàn hoặc một phần)
dựa trên địa chỉ đích lớp mạng của nó. Tuy nhiên nhãn không phải là mã hoá của
địa chỉ đó.
Nhãn trong dạng đơn giản nhất xác định đường đi mà gói tin có thể truyền
qua. Nhãn được mang hay được đóng gói trong tiêu đề lớp 2 cùng với gói tin. Bộ
định tuyến kiểm tra các gói tin qua nội dung nhãn để xác định các bước chuyển kế
tiếp. Khi gói tin được gán nhãn, các chặng đường còn lại của gói tin thông qua

16


mạng đường trục dựa trên chuyển mạch nhãn. Giá trị nhãn chỉ có ý nghĩa cục bộ
nghĩa là chúng chỉ liên quan đến các bước chuyển tiếp giữa các LSR.
Dạng của nhãn phụ thuộc vào phương thức truyền tin mà gói tin được đóng
gói.

Kiểu khung (Frame mode): Kiểu khung là thuật ngữ khi chuyển tiếp một
gói nhãn gán trước tiêu đề lớp ba. Một nhãn được mã hoá với 20 bỉt, nghĩa là có thể
có 2 mũ 20 giá trị khác nhau. Một gói có nhiều nhãn gọi là chồng nhãn (Lable
stack). Ở mỗi chặng trong mạng chỉ có một nhãn bên ngoài được xem xét

Hình 1.1: Cấu trúc nhãn trong MPLS
LABLE=20 bits
EXP (EXPERIMENTAL)=3 bits
S (BOTTOM OF STACK)=1 bit
TTL (TIME TO LIVE)=8 bits
Trong đó:
™
EXP: dành cho thực nghiệm. Khi các gói tin xếp hàng có thể
dùng các bít này tương tự như các bit IP ưu tiên (IP Precedence)
™
S: là bít cuối chồng . Nhãn cuối chồng bit này được thiết lập
lên 1,các nhãn khác có giá trị bít này là 0.
™
TTL: thời gian sống là bản sao của IP TTL. Giá trị của nó được
giảm tại mỗi chặng để tránh lặp như IP. Thường dùng khi người điều hành

17


mạng muốn che dấu cấu hình mạng bên dưới khi tìm đường từ mạng bên
ngoài.
2.2.2. Ngăn xếp nhãn (Lable stack)

Hình 1.2 Ngăn xếp nhãn trong MPLS
Khi gói tin được gán nhiều hơn một nhãn thì tập hợp các nhãn đó được gọi là

ngăn xếp nhã. Trong quá trình chuyển tiếp gói tin, nhãn ở đỉnh của ngăn xếp được
sử dụng để chuyển tiếp gói tin. Các nút mạng dựa vào giá trị của trường S để tìm ra
gói tin ở đỉnh ngăn xếp (ứng với S=1).
Label Stack được sử dụng cho một số ứng dụng của MPLS
-

MPLS VPNs (2 nhãn – nhãn ở đỉnh ngăn xếp được dùng để chuyển tiếp
gói tin trong core, nhãn thứ 2 để phân biệt các VPN)

-

MPLS TE (2 nhãn)

-

MPLS VPNs comined with MPLS TE (3 nhãn hoặc nhiều hơn)

Một mô hình trung chuyển lưu lượng Label Stack:

18


Trunk LSP
2
IP

3
42

25

IP

3

4

2

18

25

IP

1

IP

25

3

5

25

1

2

4

IP

3

1

1
MPLS Table

MPLS Table

MPLS Table

MPLS Table

In

Out

In

Out

In

Out

In

Out

(3,25)

(4, Push 42)

(1,42)

(5,18)

(3,18)

(1,Pop)

(4,25)

(2,56)

(2,35)

(4, Push 42)

(4,35)

(5,65)

Hình 1.3

56

Một mô hình trung chuyển lưu

2.2.3. Bảng chuyển tiếp chuyển mạch nhãn
Chứa thông tin nhãn vào, nhãn ra, giao diện vào, giao diện ra. Thành phần
chuyển tiếp sử dụng thông tin của quá trình này để tạo bảng cơ sở thông tin nhãn
LIB. Khi nhận được gói dữ liệu. LSR sẽ sử dụng giá trị nhãn của gói và bảng định
tuyến nhãn để tìm ra và gán một giá trị nhãn mới thích hợp cho gói dữ liệu.
2.2.4. Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn (LSR-Lable Switching
Router )
Là thiết bị chuyển mạch hay thiết bị định tuyến sử dụng trong mạng MPLS
để chuyển các gói tin bằng thủ tục phân phối nhãn. Có một số lạo LSR như LSR,
LSR-ATM….
2.2.5. Lớp chuyển tiếp tương đương (FEC-Forward Equivalence
Class )
FEC là một nhóm các gói, nhóm các gói này chia sẻ cùng yêu cầu trong sự
chuyển tiếp chúng qua mạng. Tất cả các gói trong một nhóm như vậy được cung
cấp cùng cách chọn đường tới đích. Khác với chuyển tiếp IP truyền thống, trong
MPLS việc gán một gói cụ thể vào một FEC cụ thể chỉ được thực hiện một lần khi
các gói vào trong mạng. MPLS không ra quyết định chuyển tiếp với mỗi datagram
lớp 3 mà sử dụng khái niệm FEC. FEC phụ thuộc vào một số các yếu tố, ít nhất là

19


phụ thuộc vào địa chỉ IP và có thể là phụ thuộc cả vào kiểu lưu lượng trong
datagram (thoại, dữ liệu, fax…). Sau đó dựa trên FEC, nhãn được thoả thuận giữa
các LSR lân cận từ lối vào tới lối ra trong một vùng định tuyến. Mỗi LSR xây dựng
một bảng để xác định xem một gói phải được chuyển tiếp như thế nào. Bảng này
được gọi là cơ sở thông tin nhãn (LIB: Label Information Base), nó là tổ hợp các

ràng buộc FEC với nhãn (FEC-to-label). Và nhãn lại được sử dụng để chuyển tiếp
lưu lượng qua mạng.

2.2.6. Cơ sở thông tin nhãn ( LIB-Lable Information Base )
Là bảng kết nối trong LSR có chứa giá trị nhãn/ FEC được gán vào cổng ra
cũng như thông tin về đóng gói dữ liệu truyền tin để xác định phương thức một gói
tin được chuyển tiếp.
2.2.7. Tuyến chuyển mạch nhãn ( LSP-Lable Switching Path )
Là tuyến tạo ra từ đầu vào đến đầu ra của mạng MPLS dùng để chuyển tiếp
gói của một FEC nào đó sử dụng cơ chế hoán đổi nhãn. Các tuyến chuyển mạch
nhãn chứa một chuỗi các nhãn tại tất cả các nút dọc theo tuyến từ nguồn tới đích.
LSP được thiết lập trước khi truyền dữ liệu hoặc trong khi xác định luồng dữ liệu
nào đó. Các nhãn được phân phối bằng các giao thức như LDP, RSVP. Mỗi gói dữ
liệu được đóng gói lại và mang các nhãn trong suốt thời gian di chuyển từ nguồn tới
đích. Chuyển mạch dữ liệu tốc độ cao hoàn toàn có thể thực hiện dựa theo phương
pháp này, vì các nhãn có độ dài cố định được chèn vào phần đầu của gói tin hoặc tế
bào và có thể được sử dụng bởi phần cứng để chuyển mạch nhanh các gói giữa các
liên kết.
2.2.8. Gói tin dán nhãn
Gói tin dán nhãn là gói tin mà nhãn được mã hóa trong đó. Trong một số
trường hợp, nhãn nằm trong mào đầu của gói tin dành riêng cho mục đích dán nhãn.
Trong các trường hợp khác, nhãn có thể được đặt chung vào trong mào đầu lớp
mạng và lớp liên kết dữ liệu miễn là ở đây có thể dùng được cho mục đích dán
nhãn. Công nghệ mã hoá được sử dụng phải phù hợp với cả thực thể mã hoá và thực
thể giải mã nhãn.

20


2.2.9. Ấn định và phân phối nhãn

Trong mạng MPLS, quyết định để kết hợp một nhãn L cụ thể với một FEC F
cụ thể là do LSR phía trước thực hiện. LSR phía trước sau khi kết hợp sữ thông báo
với LSR phía sau về sự kết hợp đó. Do vậy, các nhãn được LSR phía trước ấn định
và các kết hợp nhãn được phân phối theo hướng từ LSR phía trước tới LSR phía
sau.
2.3.

Quá trình xử lý cơ bản của MPLS
Core LSR
Edge LSR

Edge LSR

IP

IP

Traditional
IP forwarding

L1

IP

L2

IP

Label forwarding

L3

IP

Traditional IP
forwarding

Hình 1.4 Quá trình xử lý cơ bản của MPLS

Quá trình xử lý cơ bản của MPLS như sau:
1. Một LSP được thiết lập giữa 2 LER bằng LDP hoặc RSVP.
2. Khi gói tin IP đến LER đầu vào, router sẽ kiểm tra địa chỉ IP đích và gán cho
nó một nhãn tương ứng. Như vậy gói này đã được gán một nhãn MPLS trước
khi chuyển đi.
3. Các router core LSR chuyển gói tin đi dựa trên các nhãn ingress và egress
mà không cần quan tâm đến địa chỉ IP của gói tin.
4. LER cuối cùng sẽ gõ bỏ nhãn MPLS và tìm đích của gói tin trong bảng định
tuyến IP rồi đẩy gói tin ra port cần thiết.

21


2.4. Phân biệt chuyển mạch nhãn và chuyển mạch thông thường
Có ba điểm phân biệt quan trọng giữa chuyển mạch nhãn và định tuyến gói tin
IP thông thường:

Phân tích mào đầu IP
Hỗ trợ
multicast

unicast

Định tuyến thông thường

Chuyển mạch nhãn

Tồn tại ở mọi nút mạng

Chỉ tồn tại nút biên

và Yêu cầu nhiều thuật toán Yêu cầu một thuật toán
chuyển tiếp
chuyển tiếp

Thông số định tuyến

Dựa vào địa chỉ IP

Có thể dựa vào thông số
bất kỳ như chất lượng
dịch vụ, mạng riêng ảo…

2.5. Mô hình chuyển gói tin trong MPLS
Gói tin ở đây được đóng gói và đích cần đến đó là paris và London. Trước hết
gói tin được đẩy lên tới LSR ingress. Ở đây Ingress LSR xác định FEC và chia
nhãn, Chuyển lưu lượng đến Paris trên LSP màu vàng, Chuyển lưu lượng đến
London trên LSP màu đỏ, Traffic sẽ được swap nhãn ở mỗi transit LSR

Ingress
LSP

LSR
Egress
LSR

Paris

LSP
London

MPLS
LER
Hình1.5 Mô hình chuyển gói tin trong MP

22


Khi gói tin đến Egress LSR gỡ nhãn MPLS, Chuyển gói đi tiếp dựa trên địa
chỉ đích và chuyển đến đích cần đến.

2.6. Ví dụ về việc chuyển gói tin trong MPLS
Hình 1.6 mô tả một gói tin đi vào, chuyển tiếp và ra khỏi mạng MPLS như thế
nào. Mỗi gói tin có địa chỉ đến là B, C, D và E được chuyển đến từ mạng IP (mạng
A) đi vào đầu tiên tại chuyển mạch nhãn lối vào (Ingress LSR) LSR1. Tại LSR1
nhãn thuộc cùng một FEC được gán cho mỗi gói. Các gói tin được gán MPLS
Header mới và được gửi đến nút mạng tiếp theo trong mạng như là một gói MPLS.
Trong ví dụ này tất cả các gói đều được gửi đến LSR2.
Tại LSR2 quyết định chuyển tiếp gói MPLS dựa trên nhãn trên cùng.
Mỗi LSR duy trì một cơ sở dữ liệu (Database) cho phép thực hiện gán
(Mapping) FEC đến nhãn. Việc này giúp LRS chuyển tiếp giữa các giao tiếp
(Interface) của chúng.

23


FEC trong LSR1
Đích Nhãn ra
B
1
C
9
D
8
E
3

Hình 1.6 Gán FEC vào nhãn

24