Công nghệ MPLS và ứng dụng trong thiết kế mạng lõi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
----------O0O-----------

NGUYỄN THANH HÙNG

CÔNG NGHỆ MPLS VÀ ỨNG DỤNG
TRONG THIẾT KẾ MẠNG LÕI

Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện tử viễn thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. PHẠM VĂN BÌNH

HÀ NỘI – NĂM 2011


MỤC LỤC
MỤC LỤC ............................................................................................................................1
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT...............................................4
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ ...............................................................9
LỜI MỞ ĐẦU.....................................................................................................................13
Chương 1 -CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC MPLS ...................................15
1.1 Tổng quan về Công nghệ MPLS................................................................................15
1.1.1 Giới thiệu về MPLS.............................................................................................15
1.1.2 MPLS và mô hình tham chiếu OSI......................................................................16
1.1.3 Cơ bản về hoạt động của MPLS .........................................................................17
1.1.4 Tính thông minh phân tán...................................................................................19
1.2 Các thành phần cơ bản trong MPLS ..........................................................................20

1.2.1 Miền MPLS (MPLS domain)...............................................................................20
1.2.2 Lớp chuyển tiếp tương đương (FEC)..................................................................21
1.2.3 Cấu trúc nhãn MPLS ..........................................................................................21
1.2.4 Vị trí của nhãn MPLS .........................................................................................22
1.2.5 Nhãn và ngăn xếp nhãn ......................................................................................23
1.2.6 Hoán đổi nhãn (Label Swapping).......................................................................24
1.2.7 Đường chuyển mạch nhãn LSP (Label Switched Path)......................................25
1.2.8 Chuyển gói qua miền MPLS ...............................................................................26
1.3 Hoạt động của MPLS.................................................................................................27
1.3.1 Các chế độ hoạt động của MPLS........................................................................27
1.3.2 Cấu trúc chức năng MPLS..................................................................................28
1.3.3 Hoạt động chuyển tiếp MPLS .............................................................................32
1.4 Ưu điểm của MPLS ...................................................................................................36
1.4.1 Đơn giản hóa chức năng chuyển tiếp .................................................................36
1.4.2 Kỹ thuật lưu lượng ..............................................................................................36
1.4.3 Định tuyến QoS từ nguồn....................................................................................36
1.4.4 Mạng riêng ảo VPN ............................................................................................37
1.4.5 Chuyển tiếp có phân cấp (Hierachical forwarding)...........................................37
1.4.6 Khả năng mở rộng (Scalability) .........................................................................37
1.5 Ứng dụng và triển khai MPLS ở Việt Nam ...............................................................38
1.5.1 Mạng NGN của Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam (VNPT) .................38
1.5.2 Mạng NGN của Cục Bưu điện Trung ương ........................................................39
1.6 Tổng kết chương ........................................................................................................40
Chương 2 - ĐỊNH TUYẾN VÀ BÁO HIỆU MPLS ........................................................41
2.1 Định tuyến trong MPLS.............................................................................................41
2.1.1 Định tuyến ràng buộc (Constrain-based Routing) .............................................41
2.1.2 Định tuyến tường minh (Explicit Routing)..........................................................42
2.2 Các chế độ báo hiệu MPLS........................................................................................43
2.2.1 Chế độ phân phối nhãn.......................................................................................43
2.2.2 Chế độ duy trì nhãn ............................................................................................44

2.2.3 Chế độ điều khiển LSP........................................................................................45
2.2.4 Các giao thức phân phối nhãn MPLS.................................................................46
2.3 Giao thức LDP (Label Distribution Protocol) ...........................................................47
2.3.1 Hoạt động của LDP ............................................................................................47
2.3.2 Cấu trúc thông điệp LDP....................................................................................48
2.3.3 Các loại bản tin LDP ..........................................................................................51
2.3.4 LDP điều khiển độc lập và phân phối theo yêu cầu ...........................................52
-1-


2.4 Giao thức CR-LDP (Constrain-based routing LDP)..................................................53
2.4.1 Mở rộng cho định tuyến ràng buộc.....................................................................54
2.4.2 Thiết lập một CR-LSP (Constrain-based routing LSP) ......................................54
2.4.3 Các tham số trong CR-LDP................................................................................55
2.4.4 Tiến trình dự trữ tài nguyên................................................................................56
2.5 Giao thức RSVP-TE (RSVP Traffic Engineering) ....................................................57
2.5.1 Giao thức RSVP và RSVP-TE.............................................................................57
2.5.2 Các bản tin thiết lập dự trữ RSVP ......................................................................59
2.5.3 Các bản Tear Down, Error và Hello của RSVP-TE ...........................................60
2.5.4 Thiết lập tuyến tường minh điều khiển tuần tự theo yêu cầu..............................60
2.5.5 Giảm lượng overhead làm tươi RSVP ................................................................62
2.6 Giao thức BGP...........................................................................................................62
2.6.1 BGPv4 và mở rộng cho MPLS............................................................................62
2.6.2 Kết nối MPLS qua nhiều nhà cung cấp dịch vụ..................................................65
2.7 Tổng kết chương ........................................................................................................66
Chương 3 –THIẾT KẾ MẠNG LÕI CHO EVNTELECOM SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ
MPLS ..................................................................................................................................67
3.1 Tổng quan ..................................................................................................................67
3.1.1 Hiện trạng hệ thống ............................................................................................67
3.1.2 Giải pháp mạng NGN .........................................................................................68

3.2 Thiết bị mạng Core ....................................................................................................70
3.2.1 Juniper T1600 Router .........................................................................................70
3.2.2 Juniper MX960 Router........................................................................................72
3.2.3 Juniper EX8208 Switch.......................................................................................73
3.3 Kết nối vật lý..............................................................................................................74
3.3.1 Sơ đồ tổng quan ..................................................................................................74
3.3.2 Kết nối vật lý trong mỗi Site ...............................................................................76
3.3.3 Kết nối vật lý CORE Hà Nội – Hồ Chí Minh – Đà Nẵng ...................................79
3.3.4 Kết nối vật lý Cần Thơ – Hồ Chí Minh...............................................................80
3.3.5 Quy cách đặt tên .................................................................................................81
3.4 Thiết kế giao thức nội tuyến (IGP Design)................................................................83
3.4.1 Tổng quan ...........................................................................................................83
3.4.2 Metric..................................................................................................................85
3.4.3 OSPF Timer ........................................................................................................86
3.4.4 Cấu hình OSPF thực tế .......................................................................................87
3.5 Thiết kế giao thức ngoại tuyến (BGP design)............................................................87
3.5.1 Tổng quan ...........................................................................................................87
3.5.2 AS Number ..........................................................................................................88
3.5.3 Route Reflector ...................................................................................................88
3.5.4 Kết nối Internet ...................................................................................................94
3.5.5 BGP Timer ..........................................................................................................96
3.5.6 Cấu hình BGP thực tế .........................................................................................96
3.6 Thiết kế MPLS (MPLS Design) ................................................................................97
3.6.1 Tổng quan ...........................................................................................................97
3.6.2 Tham số LDP ......................................................................................................98
3.6.3 Cấu hình MPLS và LDP thực tế .........................................................................99
3.7 Thiết kế QoS (QoS Design) .....................................................................................100
3.7.1 Tổng quan .........................................................................................................100
3.7.2 Yêu cầu QoS......................................................................................................104
3.7.3 Phân loại và đánh dấu ......................................................................................105

-2-


3.7.4 Cấu hình Qos thực tế ........................................................................................107
3.8 Thiết kế an ninh mạng (Network Security) .............................................................109
3.8.1 Tổng quan .........................................................................................................109
3.8.2 Kiếm soát việc truy cập vào thiết bị..................................................................110
3.8.3 Hạn chế tấn công từ chối dịch vụ .....................................................................110
3.8.4 Xác thực ............................................................................................................111
3.8.5 Cấu hình phân quyền quản trị trên hệ thống ....................................................112
3.9 Tổng kết chương ......................................................................................................114
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .........................................................................................115
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................................116

-3-


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
TỪ VIẾT
TẮT

NGHĨA TIẾNG ANH

NGHĨA TIẾNG VIỆT

AAL

ATM Adaptation Layer

Lớp thích ứng ATM

Autonomous System

Hệ thống tự trị

Application-Specific
Integrated Circuit
Asynchronous Transfer
Mode

Mạch tích hợp ứng dụng chuyên
biệt
Phương thức truyền dẫn không
đồng bộ

BGP

Border Gateway Protocol

Giao thức cổng biên liên mạng

CBQ

Class Based Queueing

Thuật toán quản lý lưu lượng
theo lớp

CBR

Constant Bit Rate

Tốc độ bit không đổi

CBS

Committed Burst Size

Kích thước bộ đệm

CDR

Committed Data Size

Kích thước dữ liệu

CQ

Custom Queueing

Hàng đợi tùy chọn

CR

Constraint-based Routing

Định tuyến ràng buộc

Constraint-based Routing

Label Distribution Protocol
Constraint-based Routing
Label Switched Path
Constrained Shortest Path
First

Giao thức phân bố nhãn - định
tuyến ràng buộc
Đường chuyển mạch nhãn -định
tuyến ràng buộc
Giao thức định tuyến tìm đường
ngắn nhất ràng buộc

Differentiated Service

Phân cấp dịch vụ

Data Link Connection
Identifier
Dense Wavelength Division
Multiplexing

Trường nhận diện kết nối liên
kết dữ liệu
Ghép kênh theo mật độ bước
sóng

External Gateway Protocol

Giao thức định tuyến cổng biên

Explicit Route

Tuyến hiện

ERB

Explicit Route Information
Base

Bảng thông tin định tuyến hiện

ERO

Explicit Route Object

Đối tượng tuyến hiện

AS
ASIC
ATM

CR-LDP
CR-LSP
CSPF
Diffserv
DLCI
DWDM
EGP
ER

-4-


FEC

Forwarding Equivalence
Class

FIB

Forwarding Infomation Base

FIFO

First-in First-out

Cơ sở thông tin chuyển tiếp
Hàng đợi FIFO

FIS

Fault Indication Signal

FR

Frame Relay

FRS

Lớp chuyển tiếp tương đương

Tín hiệu chỉ thị lỗi
Chuyển mạch khung

Fault Recovery Signal

Tính hiệu phục hồi khi có lỗi

FTN

FEC to NHLFE Map

Sắp xếp FEC vào NHLFE

GFC

Generic Flow Control

Điều khiển luồng (ATM)

GMPLS
HEC
iBGP
IETF

Generalized Multiprotocol
Label Switching
Header Error Control

Điều khiển lỗi tiêu đề (ATM)

interior Border Gateway
Protocol
Internet Engineering Task
Force

Giao thức cổng biên liên mạng
trong phạm vi miền

IGP

Interior Gateway Protocol

ILM

Incoming Label Map

IP
IPOA
ISDN
IS-IS
ISP
LC-ATM

Chuyển mạch nhãn đa giao thức
tổng quát

Ủy ban tư vấn kĩ thuật Internet
Giao thức định tuyến trong

phạm vi miền
Nhãn lối vào

Internet Protocol

Giao thức Internet

IP over ATM

IP trên ATM

Intergrated Service Digital
Network
Intermediate System - to Intermediate System

Mạng số liên kết đa dịch vụ
Giao thức định tuyến liên miền

Internet Service Provider

Nhà cung cấp dịch vụ Internet

Label Controlled ATM
Interface

Lớp điều khiển giao diện ATM

LDP

Label Distribution Protocol

LER

Label Edge Router

Bộ định tuyến biên chuyển
mạch nhãn

LFIB

Label Forwarding
Information Base

Cơ sở dữ liệu chuyển tiếp nhãn

-5-

Giao thức phân bố nhãn


Label Information Base

Bảng cơ sở dữ liệu nhãn

LIFO

Last-in First-out

Hàng đợi LIFO

LSA

Link State Advertisements

Quảng bá thông tin link

LSP

Label Switched Path

Đường chuyển mạch nhãn

LSR

Label Switching Router

LIB

MPλS
MPBN
MPLS

Multi-Protocol Lambda
Switching
Mobile Packet Backbone
Network
MultiProtocol Label
Switching

Bộ định tuyến chuyển mạch

nhãn
Chuyển mạch bước sóng đa giao
thức
Mạng trục dữ liệu di động
Chuyển mạch nhãn đa giao thức

MPLSCP

MPLS Control Protocol

Giao thức điều khiển MPLS

MPLS-TE

MPLS Traffic Engineering

Điều khiển lưu lượng trong
MPLS

MPOA

Multiprotocol over ATM

Đa giao thức trên ATM

MTU

Maximum Transfer Unit

Đơn vị truyền tải tối đa

NAM

Network Animator

Công cụ mô phỏng mạng

NCP

Network Control Program

Chương trình điều khiển mạng

NGN

Next Generation Network

Mạng thế hệ sau

Next Hop Label Forwarding
Entry
Next Hop Resolution
Protocol
Open System
Interconnection

Phương thức gửi chuyển tiếp
gói tin gán nhãn
Giao thức phân tích địa chỉ nút
kế

NHLFE
NHRP
OSI

Mô hình OSI

Open Shortest Path First

Giao thức chọn đường ngắn
nhất

OSPF-TE

OSPF with Traffic
Engineering

OSPF hỗ trợ kỹ thuật lưu lượng

PDU

Protocol Data Unit

Đơn vị dữ liệu giao thức

PIL

Protection Ingress LSR

Router bảo vệ lối vào

PML

Protection Mergin LSR

Router bảo vệ lối ra

OSPF

-6-


POR

Point of Repair

Điểm phục hồi

PPP

Point to Point Protocol

Giao thức điểm điểm

PQ

Priority Queuing

Hàng đợi ưu tiên

PSL

Path Switch LSR

Router chuyểm mạch, tái tạo
đường

PTI

Payload Type Identifier

Trường nhận dạng kênh ảo

PVC
QoS
RIB
RIP
RSVP
RSVP-TE
SDH

Permanent Virtual
Connection
Quality of Service

Kênh ảo cố định
Chất lượng dịch vụ

Routing Information Base
Routing Information

Protocol
Resource reSerVation
Protocol
RSVP with Traffic
Engineering
Synchronous Digital
Hierarchy

Bảng thông tin định tuyến
Giao thức thông tinh định tuyến
Giao thức dành trước tài nguyên
Giao thức RSVP hỗ trợ kỹ thuật
lưu lượng
Hệ thống phân cấp đồng bộ

Service Level Agreement

Thỏa thuận mức dịch vụ

Service Node Access Point

Điểm truy cập nút dịch vụ

Simple Network
Management Protocol
Synchronous Optical
Network

Giao thức quản lý mạng đơn
giản

Service Provider

Nhà cung cấp dịch vụ

SPF

Shortest Path First

Giao thức định tuyến đường
ngắn nhất

SVC

Switched Virtual Circuit

Kênh ảo chuyển mạch

TCP

Transport Control Protocol

Giao thức điều khiển truyền tải

TE

Traffic Engneering

Kĩ thuật lưu lượng

TLV

Type-Length-Value

Mã hóa giá trị độ dài

ToS

Type of Service

Kiểu dịch vụ

TT

Traffic Trunk

Trung kế lưu lượng

SLA
SNAP
SNMP
SONET
SP

-7-

Mạng truyền dẫn quang đồng bộ


TTL

Time To Live

Thời gian tồn tại

UBR

Unspecified Bit Rate

Tốc độ bit không xác định

UDP

User Data Protocol

Giao thức dữ liệu người sử dụng

VC

Virtual Circuit

Kênh ảo

VCI

Virtual Circuit Identifier

Trường nhận dạng kênh ảo
trong tế bào

VPI

Virtual Path Identifier

Trường nhận dạng đường ảo

VPN

Virtual Private Network

Mạng riêng ảo

WAN

Wire Area Network

Mạng diện rộng

WFQ

Weighted Factor Queque

Hàng đợi theo trọng số

-8-


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ
A-BẢNG BIỂU:
Bảng 2-1: Một số giao thức phân phối nhãn........................................................................46

Bảng 2-2: Các loại bản tin LDP...........................................................................................50
Bảng 2-3: Bảng tùy chọn cho tham số của TLV..................................................................51
Bảng 2-4: Bảng tham số của CR-LDP trong TLV...............................................................56
Bảng 3-1: Kết nối vật lý Site Hà Nội...................................................................................76
Bảng 3-2: Kết nối vật lý Site HCM .....................................................................................77
Bảng 3-3: Kết nối vật lý Site Đà Nẵng ................................................................................78
Bảng 3-4: Kết nối vật lý Site Cần Thơ ................................................................................79
Bảng 3-5: Kết nối vật lý core 3 miền...................................................................................79
Bảng 3-6 Kết nối vật lý Cần Thơ- Hồ Chí Minh .................................................................81
Bảng 3-7 Quy cách đặt tên thiết bị ......................................................................................81
Bảng 3-8: Thống kê tên thiết bị ...........................................................................................82
Bảng 3-9: Mô tả kết nối .......................................................................................................83
Bảng 3-10: OSPF Metric .....................................................................................................85
Bảng 3-11: OSPF Timer ......................................................................................................86
Bảng 3-12 : OSPF timer trong hệ thống cũ .........................................................................86
Bảng 3-13 Hệ thống RR Level 1 .........................................................................................90
Bảng 3-14: Hệ thống RR Level 2 ........................................................................................91
Bảng 3-15: Hệ thống các peering IBGP non-cluster full-mesh ...........................................92
Bảng 3-16: BGP Timer ........................................................................................................96
Bảng 3-17: Cấu hình LDP ...................................................................................................99
Bảng 3-18: Yêu cầu QoS ...................................................................................................104
Bảng 3-19: Phân loại traffic...............................................................................................106
Bảng 3-20: Lớp chuyển tiếp ..............................................................................................106
Bảng 3-21: Phân loại Diffserv ...........................................................................................107
Bảng 3-22: Mapping lớp chuyển tiếp và EXP ...................................................................107
Bảng 3-23 : Tham số xác thực OSPF ................................................................................111
Bảng 3-24: Tham số xác thực BGP ...................................................................................112
Bảng 3-25: Tham số xác thực LDP ...................................................................................112
Bảng 3-26: Cấu hình phân quyền quản trị .........................................................................113

-9-


B- HÌNH VẼ:
Hình 1-1 MPLS và mô hình tham chiếu OSI.......................................................................16
Hình 1-2: So sánh giữa chuyển tiếp IP và chuyển tiếp MPLS.............................................17
Hình 1-3: Sơ đồ mạng MPLS ..............................................................................................17
Hình 1-4: Miền MPLS .........................................................................................................20
Hình 1-5: Up Stream và downstream LSR ..........................................................................20
Hình 1-6: Lớp chuyển tiếp tương đương trong MPLS ........................................................21
Hình 1-7: Nhãn MPLS.........................................................................................................22
Hình 1-8: Vị trí của nhãn MPLS..........................................................................................23
Hình 1-9: Ngăn xếp nhãn.....................................................................................................24
Hình 1-10: Đường chuyển mạch nhãn LSP .........................................................................25
Hình 1-11: Phân cấp LSP trong MPLS................................................................................25
Hình 1-12: Chuyển gói IP qua mạng MPLS........................................................................26
Hình 1-13: Shim header được chêm vào giữa header lớp 2 và lớp 3 ..................................27
Hình 1-14: Nhãn trong chế độ cell ATM.............................................................................27
Hình 1-15: Đóng gói (encapsulation) - gói có nhãn trên link ATM ....................................28
Hình 1-16: Cấu trúc của LER và transit-LER......................................................................29
Hình 1-17: FTN, ILM và NHLFE .......................................................................................30
Hình 1-18: Quá trình chuyển tiếp một gói đến hop kế ........................................................31
Hình 1-19: Một ví dụ về NHLFE.........................................................................................32
Hình 1-20: Bên trong mặt phẳng chuyển tiếp MPLS ..........................................................34
Hình 1-21: Ví dụ về hoạt động chuyển tiếp gói...................................................................35
Hình 1-22: Sơ đồ mạng NGN của VNPT ............................................................................39
Hình 1-23: Sơ đồ phân cấp mạng Cục bưu điện Trung ương ..............................................40
Hình 2-1: Một ví dụ về định tuyến ràng buộc......................................................................41
Hình 2-2: Phân phối nhãn không cần yêu cầu .....................................................................43
Hình 2-3:Phân phối nhãn theo yêu cầu ................................................................................44

Hình 2-4: Duy trì nhãn tự do ...............................................................................................44
Hình 2-5: Duy trì nhãn bảo thủ............................................................................................45
Hình 2-6: Điều khiển độc lập...............................................................................................45
Hình 2-7: Điều khiển tuần tự ...............................................................................................46
Hình 2-8: Vùng hoạt động của LDP ....................................................................................47
Hình 2-9: Trao đổi thông điệp LDP.....................................................................................48
- 10 -


Hình 2-10: LDP Header.......................................................................................................49
Hình 2-11: LDP Message ....................................................................................................49
Hình 2-12: Mã hóa LTV ......................................................................................................50
Hình 2-13: LDP trong chế độ điều khiển độc lập theo yêu cầu...........................................53
Hình 2-14: Thiết lập LSP với CR-LDP ...............................................................................55
Hình 2-15: Tiến trình dự trữ tài nguyên...............................................................................56
Hình 2-16: Giao thức RSVP ................................................................................................58
Hình 2-17: Thiết lập LSP với RSVP-TE .............................................................................61
Hình 2-18: Cấu trúc tiêu đề của BGP ..................................................................................62
Hình 2-19: Nội dung bản tin BGP Update...........................................................................64
Hình 2-20: BGP phân phối nhãn qua nhiều Autonomus System ........................................65
Hình 3-1 Sơ đồ mạng lõi cũ của EVNTELECOM ..............................................................67
Hình 3-2: Kiến trúc mạng thế hệ mới (NGN)......................................................................68
Hình 3-3: Định hướng thiết kế mạng MPBP .......................................................................70
Hình 3-4: Juniper Networks T1600 Routing Node..............................................................71
Hình 3-5: Juniper Networks MX960 ...................................................................................72
Hình 3-6: Juniper Networks EX8208 Switch ......................................................................74
Hình 3-7: Sơ đồ tổng quan hệ thống mạng MPBN mới ......................................................75
Hình 3-8: Sơ đồ site Hà Nội ................................................................................................76
Hình 3-9: Sơ đồ kết nối site HCM ......................................................................................77
Hình 3-10: Sơ đồ kết nối site Đà Nẵng................................................................................78

Hình 3-11 : Sơ đồ kết nối site Cần Thơ ...............................................................................78
Hình 3-12 : Kết nối vật lý core 3 miền ................................................................................79
Hình 3-13: Sơ đồ kết nối core mới vào core cũ ...................................................................80
Hình 3-14: Sơ đồ kết nối vật lý Cần Thơ – Hồ Chí Minh ...................................................80
Hình 3-15: OSPF domain trong mạng MPBN mới .............................................................84
Hình 3-16: OSPF domain sau khi kết nối với Router M20 Core hiện tại............................84
Hình 3-17: Cấu hình interface OSPF...................................................................................87
Hình 3-18: Cấu hình OSPF timer ........................................................................................87
Hình 3-19: Route Reflector trong BGP ...............................................................................89
Hình 3-20: Mô hình RRs trong hệ thống mạng hiện tại ......................................................90
Hình 3-21: Mô hình hệ thống RRs mới của EVNTelecom .................................................93
Hình 3-22: Mô hình kết nối RRs trong mạng MPBN..........................................................93
Hình 3-23: Mô hình kết nối BGP giữa MPBN và Core cũ..................................................94
- 11 -


Hình 3-24: Kết nối với hệ thống Internet hiện tại................................................................94
Hình 3-25: Hướng lưu lượng Internet..................................................................................95
Hình 3-26: Hướng dự phòng lưu lượng Internet..................................................................95
Hình 3-27: Cấu hình BGP....................................................................................................96
Hình 3-28: MPLS Domain của MPBN mới ........................................................................98
Hình 3-29: MPLS Domain sau khi kết nối hệ thống IP Core hiện tại .................................98
Hình 3-30: Cấu hình MPLS .................................................................................................99
Hình 3-31: Cấu hình LDP..................................................................................................100
Hình 3-32: Trường Diffserv trong header gói IP...............................................................101
Hình 3-33: Hiện tượng Jitter..............................................................................................102
Hình 3-34: Tính năng QoS trên thiết bị của Juniper..........................................................103
Hình 3-35: Phân loại và đánh dấu gói tin sử dụng DSCP..................................................105
Hình 3-36: Cấu hình Diffserv ............................................................................................108
Hình 3-37: Cấu hình tham số QoS.....................................................................................108

- 12 -


LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp viễn thông đã và đang tìm
một phương thức chuyển mạch có thể phối hợp ưu điểm của IP (như cơ cấu định
tuyến) và của ATM (như thông lượng chuyển mạch). Mô hình IP-over-ATM của
IETF coi IP như một lớp nằm trên lớp ATM và định nghĩa các mạng con IP trên nền
mạng ATM. Phương thức tiếp cận xếp chồng này cho phép IP và ATM hoạt động
với nhau mà không cần thay đổi giao thức của chúng. Tuy nhiên, cách này không
tận dụng được hết khả năng của ATM. Ngoài ra, cách tiếp cận này không thích hợp
với mạng nhiều router và không thật hiệu quả trên một số mặt. Tổ chức ATMForum, dựa trên mô hình này, đã phát triển công nghệ LANE và MPOA. Các công
nghệ này sử dụng các máy chủ để chuyển đổi địa chỉ nhưng đều không tận dụng
được khả năng đảm bảo chất lượng dịch vụ của ATM.
Công nghệ MPLS (Multiprotocol label switching) là kết quả phát triển của
nhiều công nghệ chuyển mạch IP (IP switching) sử dụng cơ chế hoán đổi nhãn như
của ATM để tăng tốc độ truyền gói tin mà không cần thay đổi các giao thức định
tuyến của IP. Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn, EVNTELECOM quyết định phát triển
mạng lõi mới dựa trên công nghệ MPLS để nâng cao chất lượng dịch vụ và đón đầu
xu thế. Từ đó nảy sinh yêu cầu thiết kế sử dụng IP/MPLS làm công nghệ cho lớp
chuyển tải mạng NGN để triển khai cho mạng lõi. Vì vậy, nội dung chính của luận
văn tập trung vào việc nghiên cứu công nghệ MPLS và các thiết kế cho mạng lõi
dựa trên hiện trạng, yêu cầu thực tế của hệ thống cùng các kĩ thuật trong MPLS.
Luận văn “Công nghệ MPLS và ứng dụng trong thiết kế mạng lõi” được
nghiên cứu tại Trường Đại học Bách Khoa – Hà Nội, thời gian từ 02/2011 đến
09/2011. Luận văn trình bày về công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS)
và ứng dụng trong thiết kế mạng lõi đa dịch vụ cho Công ty Thông tin Viễn Thông
Điện Lực (EVNTELECOM).

- 13 -


Luận văn gồm 03 chương :
Chương 1 - Chuyển mạch nhãn đa giao thức : Giới thiệu tổng quan công
nghệ MPLS, các khái niệm cơ bản, kiến trúc chức năng và cơ chế hoạt động của
MPLS.
Chương 2 - Định tuyến và báo hiệu MPLS : Trình bày các kỹ thuật định
tuyến được hỗ trợ bởi MPLS, các chế độ báo hiệu và một số giao thức báo hiệu
phân phối nhãn của MPLS.
Chương 3 – Thiết kế mạng lõi cho EVNTELECOM sử dụng công nghệ
MPLS : Trình bày hiện trạng hệ thống mạng lõi của EVNTELECOM và các yêu
cầu thiết kế hệ thống mạng mới sử dụng công nghệ MPLS. Nội dung chính của
chương tập trung vào việc trình bày các thiết kế vật lý, thiết kế các giao thức định
tuyến, thiết kế MPLS và QoS cũng như thiết kế an ninh mạng. Các kết quả thực tế
của thiết kế thể hiện trên cấu hình thiết bị cũng được trình bày trong chương này.
Cuối cùng, để có được bản luận văn này, tôi xin gửi lời cám ơn tới các thầy
cô giáo của Viện Đào tạo Sau đại học, Viện Điện tử - Viễn thông, Ban Giám hiệu
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã hết sức tạo điều kiện, động viên và truyền
thụ các kiến thức bổ ích. Đặc biệt tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến thầy giáo –
TS.Phạm Văn Bình cùng các đồng nghiệp tại Công ty Thông tin Viễn thông Điện
lực đã tận tình giúp đỡ để tôi có thể hoàn thành tốt luận văn này.

- 14 -


Chương 1 -CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC MPLS
1.1 Tổng quan về Công nghệ MPLS
MPLS là viết tắt của “Multi-Protocol Label Switching”. Thuật ngữ multiprotocol để nhấn mạnh rằng công nghệ này áp dụng được cho tất cả các giao thức

lớp mạng chứ không chỉ riêng có IP. MPLS cũng hoạt động tốt trên bất kỳ các giao
thức lớp liên kết. Đây là một công nghệ lai kết hợp những đặc tính tốt nhất của định
tuyến lớp 3 (Layer 3 routing) và chuyển mạch lớp 2 (Layer 2 switching).
1.1.1 Giới thiệu về MPLS
Trong một vài năm gần đây, Internet đã phát triển một cách rộng rãi và đáp
ứng được sự phát triển đa dạng của các ứng dụng mới trong thương mại và thị
trường khách hàng. Các ứng dụng mới này cần có băng thông lớn trong mạng
đường trục. Ngoài ra, để các dịch vụ dữ liệu truyền thống hiện nay được cung cấp
trên Internet, các dịch vụ đa phương tiện và thoại mới đã được phát triển và được
triển khai. Internet đã được chọn lựa như là một mạng cho việc cung cấp các dịch
vụ hội tụ này. Tuy nhiên, về mặt tốc độ và độ rộng băng đã được đặt ra đối với
mạng bởi các dịch vụ và các ứng dụng mới này, các yêu cầu này đã tận dụng hết tài
nguyên cơ sở hạ tầng mạng Internet. Thêm vào đó, vấn đề hạn chế tài nguyên và các
yêu cầu khác liên quan tới việc truyền các bit và các byte trên đường trục để cung
cấp các lớp dịch vụ khác nhau tới người sử dụng. Sự phát triển không ngừng số
lượng người sử dụng và lưu lượng làm tăng thêm các yêu cầu đối với vấn đề này.
Vấn đề chất lượng dịch vụ (QoS) và lớp dịch vụ (CoS) phải được tính đến để đáp
ứng được các yêu cầu khác nhau của một số lượng lớn người sử dụng mạng.
Với trên 250 triệu người sử dụng trong mười năm tới và với sự bổ sung của
Ipv6, các nhà điều hành và nhà cung cấp dịch vụ mạng cố gắng mở rộng cơ sở hạ
tầng để đáp ứng được các nhu cầu phát triển trên mạng của họ. Để đáp ứng nhu cầu
phát triển băng thông, nhà cung cấp dịch vụ (ISP) cần có thiết bị định tuyến và
chuyển mạch tốc độ cao. Mặc dù, mạng lõi của nhà điều hành và nhà cung cấp dịch
vụ chạy trên đường trục ATM, nhưng phần lớn các kết nối tới nhà cung cấp vẫn duy

- 15 -


trì tốc độ chuyển mạch chậm và các kết nối theo kiểu điểm-điểm, dẫn đến trễ và tắc
ghẽn tại các điểm truy nhập biên. Các bộ định tuyến mạng lõi cũng góp phần vào trễ

trên đường đi, vì mỗi bộ định tuyến phải thực hiện các giải pháp độc lập trên đường
tốt nhất để chuyển tiếp mỗi gói đi vào.Thông thường IP phải được định tuyến trên
ATM bằng việc sử dụng IP over ATM qua các kênh ảo hoặc đa giao thức trên
ATM. Các phương thức chuyển tiếp này đã được chứng minh là không thuận tiện
và phức tạp.
Nhu cầu về một phương thức chuyển tiếp đơn giản mà các đặc tính quản lý
lưu lượng và chất lượng chuyển mạch truyền thống được kết hợp với chuyển tiếp
thông minh của một bộ đinh tuyến là rất rõ ràng. Tất cả các nhu cầu đó có thể được
đáp ứng bởi chuyển mạch nhãn đa giao thức, nó không bị hạn chế bởi mọi giao thức
lớp 2 và lớp 3. Cụ thể là, MPLS có một vài ứng dụng và có thể được mở rộng qua
các phân đoạn sản phẩm (như một bộ định tuyến MPLS, một bộ định tuyến/chuyển
mạch dịch vụ IP, một chuyển mạch Ethernet quang cũng như chuyển mạch quang).
MPLS là một giải pháp quan trọng trong việc định tuyến, chuyển mạch và chuyển
tiếp các gói thông qua mạng thế hệ sau để đáp ứng các yêu cầu dịch vụ của người sử
dụng mạng.
1.1.2 MPLS và mô hình tham chiếu OSI

Hình 1-1 MPLS và mô hình tham chiếu OSI

MPLS được xem như là một công nghệ lớp đệm (shim layer), nó nằm trên
lớp 2 nhưng dưới lớp 3, vì vậy đôi khi người ta còn gọi nó là lớp 2,5.

- 16 -


Hình 1-2: So sánh giữa chuyển tiếp IP và chuyển tiếp MPLS

Nguyên lý của MPLS là tất cả các gói IP sẽ được gắn nhãn (label) và chuyển
tiếp theo một đường dẫn LSP (Label Switched Path). Các router trên đường dẫn chỉ
căn cứ vào nội dung của nhãn để thực hiện quyết định chuyển tiếp gói mà không

cần phải kiểm tra header IP.
1.1.3 Cơ bản về hoạt động của MPLS

Hình 1-3: Sơ đồ mạng MPLS

- 17 -


MPLS mở rộng bộ giao thức IP để Router đưa ra quyết định chuyển tiếp gói
tin trong mạng. Các Router sử dụng phương thức tìm kiếm tuyến đường và kiểm tra
địa chỉ trong gói tin để xác định Router tiếp theo sẽ nhận gói tin, cơ bản là kiểm tra
địa chỉ đích trong phần tiêu đề của gói tin. MPLS thực hiện đơn giản hóa việc này
bằng cách đưa ra quyết định chuyển tiếp dựa vào một nhãn đơn giản. Một tính năng
quan trọng khác của MPLS là khả năng sắp xếp lưu lượng IP trên một đường xác
định trước trong mạng. Khả năng này không thể thực hiện được với lưu lượng IP.
Theo cách này, MPLS đảm bảo băng thông và cung cấp các chức năng dịch vụ khác
nhau đối với mỗi ứng dụng của người dùng. Các mạng MPLS dựa trên mạng IP
hiện nay có khả năng cung cấp dịch vụ mức cao như dịch vụ đảm bảo băng thông,
phân bổ băng thông dựa vào độ ưu tiên dịch vụ và các dịch vụ ưu tiên.
Đối với mỗi dịch vụ, một bảng lớp chuyển tiếp tương đương (FEC) được tạo
ra để thể hiện một nhóm các luồng với cùng yêu cầu kỹ thuật lưu lượng, mỗi nhãn
xác định thuộc về một FEC. Tại đầu vào của mạng MPLS, Router biên (LER) kiểm
tra và gán một nhãn cho gói tin IP. Gói tin gán nhãn sau đó được chuyển tiếp theo
một đường LSP, mỗi Router chuyển mạch nhãn (LSR) thực hiện quyết định chuyển
mạch dựa vào trường nhãn trong gói tin. Khi đó Router LSR không phải kiểm tra
phần tiêu đề IP của gói tin để xác định đầu ra hoặc Router chuyển tiếp tiếp theo.
LSR mỗi khi nhận được gói tin sẽ thực hiện loại bỏ nhãn cũ và một gán nhãn mới
để xác định Router sẽ nhận và chuyển tiếp gói tin. Cơ sở thông tin nhãn (LIB) cung
cấp một nhãn đầu ra (được chèn vào trong gói tin) và một giao diện đầu ra (dựa vào
nhãn đầu vào và giao diện đầu vào).

Báo hiệu để thiết lập một đường LSP dựa vào kỹ thuật lưu lượng (TE) được
thực hiện nhờ sử dụng giao thức phân bố nhãn hoạt động trên mỗi nhãn MPLS. Có
nhiều giao thức phân bố nhãn khác nhau, trong đó hai giao thức phổ biến là RSVPTE và CR-LDP. RSVP-TE là giao thức mở rộng của giao thức RSVP có cung cấp
khả năng kỹ thuật lưu lượng, CR-LDP được xây dựng đặc biệt cho mục đích này.
Khung MPLS bao gồm các mở rộng của giao thức định tuyến IP theo trạng
thái (link-state) hiện thời. Các giao thức này cung cấp sự kết hợp theo thời gian thực
của kiến trúc mạng hiện thời, bao gồm các đặc tính của mỗi tuyến. MPLS mở rộng

- 18 -


đối với các giao thức OSPF và IS-IS cho phép các thiết bị trong mạng không chỉ
trao đổi thông tin về kiến trúc mạng (topo), mà còn trao đổi thông tin về tài nguyên
và các chính sách, ví dụ: địa chỉ IP, băng thông khả dụng và các chính sách cân
bằng tải. Thuật toán định tuyến cưỡng bức (constraint-based) sử dụng những thông
tin này để tính toán các đường dẫn LSP tối ưu thông qua mạng và cho phép các
quyết định kỹ thuật lưu lượng phức tạp được thực hiện tự động để chọn các tuyến
đường thông qua mạng.
1.1.4 Tính thông minh phân tán
Trong mạng chuyển mạch kênh, tính thông minh chủ yếu tập trung ở mạng
lõi (core). Tất cả những thiết bị thông minh nhất đều đặt trong mạng lõi như các
tổng đài toll, transit, MSC… Các thiết bị kém thông minh hơn thì đặt ở mạng biên
(edge), ví dụ như các tổng đài nội hạt, truy nhập…
Trong mạng gói IP, tính thông minh gần như chia đều cho các thiết bị trong
mạng. Tất cả các router đều phải làm hai nhiệm vụ là định tuyến và chuyển mạch.
Đây là ưu điểm nhưng cũng là nhược điểm của IP.
Quan điểm của MPLS là tính thông minh càng đưa ra biên thì mạng càng
hoạt động tốt. Lý do là những thành phần ở mạng lõi phải chịu tải rất cao. Thành
phần mạng lõi nên có độ thông minh thấp và năng lực chuyển tải cao. MPLS phân
tách hai chức năng định tuyến và chuyển mạch: Các router ở biên thực hiện định

tuyến và gắn nhãn (label) cho gói. Còn các router ở mạng lõi chỉ tập trung làm
nhiệm vụ chuyển tiếp gói với tốc độ cao dựa vào nhãn. Tính thông minh được đẩy
ra ngoài biên là một trong những ưu điểm lớn nhất của MPLS.

- 19 -


1.2 Các thành phần cơ bản trong MPLS
1.2.1 Miền MPLS (MPLS domain)

Hình 1-4: Miền MPLS

RFC 3031 mô tả miền MPLS là “một tập hợp các nút mạng thực hiện hoạt
động định tuyến và chuyển tiếp MPLS”. Một miền MPLS thường được quản lý và
điều khiển bởi một nhà quản trị.
Miền MPLS được chia thành 2 phần: phần mạng lõi (core) và phần mạng
biên (edge). Các nút thuộc miền MPLS được gọi là router chuyển mạch nhãn LSR
(Label Switch Router). Các nút ở phần mạng lõi được gọi là transit-LSR hay core
LSR (thường được gọi tắt là LSR). Các nút ở biên được gọi là router biên nhãn LER
(Label Edge Router).
Nếu một LER là nút đầu tiên trên đường đi của một gói xuyên qua miền
MPLS thì nó được gọi là LER lối vào (ingress-LER), còn nếu là nút cuối cùng thì
nó được gọi là LER lối ra (egress-LER). Lưu ý là các thuật ngữ này được áp dụng
tùy theo chiều của luồng lưu lượng trong mạng, do vậy một LER có thể là ingressLER vừa là egress- LER tuỳ theo các luồng lưu lượng đang xét.

Hình 1-5: Up Stream và downstream LSR

- 20 -

Thuật ngữ upstream-LSR và downstream-LSR cũng được dùng, phụ thuộc
vào chiều của luồng lưu lượng. Các tài liệu MPLS thường dùng ký hiệu Ru để biểu
thị cho upstream-LSR và dùng ký hiệu Rd để biểu thị cho downstream-LSR.
1.2.2 Lớp chuyển tiếp tương đương (FEC)
Lớp chuyển tiếp tương đương FEC (Forwarding Equivalence Class) là một
tập hợp các gói được đối xử như nhau bởi một LSR. Như vậy, FEC là một nhóm
các gói IP được chuyển tiếp trên cùng một đường chuyển mạch nhãn LSP, được đối
xử theo cùng một cách thức và có thể ánh xạ vào một nhãn bởi một LSR cho dù
chúng có thể khác nhau về thông tin header lớp mạng. Hình dưới cho thấy cách xử
lý này.

Hình 1-6: Lớp chuyển tiếp tương đương trong MPLS

1.2.3 Cấu trúc nhãn MPLS
Khi nhãn được gắn lên gói, bản thân giá trị nhãn 20 bit sẽ được mã hoá cùng
với một số thông tin cộng thêm để phụ trợ trong quá trình chuyển tiếp gói để hình
thành một entry nhãn. Hình 1-7 minh họa định dạng một entry nhãn trong stack
nhãn.

- 21 -


Hình 1-7: Nhãn MPLS

Nhóm 32 bit ở hình trên là một entry trong stack nhãn, trong đó phần giá trị
nhãn thực sự chỉ có 20 bit. Tuy nhiên người ta thường gọi chung cho cả entry 32 bit
nói trên là một nhãn. Vì vậy khi thảo luận về nhãn cần phân biệt là đang xem xét giá
trị nhãn 20 bit hay nói về entry 32 bit trong stack nhãn. Phần thông tin 12 bit cộng
thêm gồm các trường sau đây:
- EXP (một số tài liệu gọi là CoS - Class of Service ) – Gồm 3 bit, có thể là

một hàm của trường TOS (Type of Service) hoặc Diffserv trong gói IP. Đa số các
nhà sản xuất sử dụng các bit này để mang chỉ thị QoS, thường là copy trực tiếp từ
các bit TOS trong gói IP. Khi gói MPLS vào hàng đợi, có thể sử dụng các bit EXP
theo cách giống như các bit ưu tiên trong IP.
- S – Gồm 1 bit, chỉ thị đáy của stack nhãn. Khi một nhãn nằm ở đáy stack
nhãn, thì bit S đặt lên 1; còn các nhãn khác có bit S đặt về 0. Bit S là phương tiện để
xác định đáy của stack nhãn nằm ở đâu.
- TTL – Gồm 8 bit, thường là copy trực tiếp từ trường TTL của header IP,
được giảm đi 1 qua mỗi hop để chặn loop định tuyến giống như IP. Tuy nhiên, các
bit TTL cũng có thể được đặt khác với TTL trong gói IP, thường dùng khi nhà khai
thác mạng muốn che giấu topology mạng MPLS.
1.2.4 Vị trí của nhãn MPLS
Nhãn xuất hiện sau lớp tiêu đề lớp liên kết dữ liệu, nhưng trước mọi tiêu đề
lớp mạng. Phần đầu của ngăn xếp nhãn xuất hiện sớm nhất trong gói (gần với tiêu
đề lớp mạng), và phần cuối cùng xuất hiện muộn nhất (gần với tiều đề lớp liên kết
dữ liệu). Gói dữ liệu lớp mạng đi theo cổng vào chồng nhãn mà có bit S đã lập.
Trong một khung liên kết dữ liệu, ví dụ như giao thức điểmđiểm (PPP), ngăn xếp

- 22 -


nhãn xuất hiện giữa tiêu đề IP và tiêu đề liên kết dữ liệu. ối với khung IEEE 802,
ngăn xếp nhãn xuất hiện giữa tiêu đề IP và tiêu đề điều khiển liên kết logic.
Nếu MPLS được sử dụng trên dịch vụ mạng kết nối định hướng, một cách
sắp xếp khác có thể được thực hiện, như trong hình 1-8. Đối với các tế bào ATM,
giá trị nhãn trong phần ngăn xếp nhãn cao nhất được đặt vào trong trường nhận diện
kênh ảo/đường ảo (VPI/VCI) trong phần tiêu đề tế bào ATM. Giá trị nhãn đầu tiên
duy trì tại phần đầu của ngăn xếp nhãn mà được chèn giữa tiêu đề tế bào và tiêu đề
IP. Việc đặt giá trị nhãn trong tiêu đề tế bào ATM làm thuận tiện cho việc chuyển
mạch được thực hiện bởi chuyển mạch ATM, mà như thường lệ sẽ có nhu cầu chỉ

kiểm tra tại tiêu đề tế bào. Tương tự như vậy, giá trị nhãn cao nhất có thể được đặt
trong trường nhận diện kết nối liên kết dữ liệu của tiêu đề Frame relay. Lưu ý rằng,
trong cả hai trường hợp, trường thời gian sống TTL không xác định để chuyển
mạch và vì vậy không bị giảm đi.

Hình 1-8: Vị trí của nhãn MPLS

1.2.5 Nhãn và ngăn xếp nhãn
RFC 3031 định nghĩa nhãn là “một bộ nhận dạng có độ dài ngắn và cố định,
mang ý nghĩa cục bộ dùng để nhận biết một FEC”. Nhãn được “dán” lên một gói để
báo cho LSR biết gói này cần đi đâu. Phần nội dung nhãn có độ dài 20 bit không

- 23 -


cấu trúc, như vậy số giá trị nhãn có thể có là 220 (hơn một triệu giá trị). Giá trị nhãn
định nghĩa chỉ mục (index) để dùng trong bảng chuyển tiếp.
Một gói lại có thể được “dán chồng” nhiều nhãn, các nhãn này chứa trong
một nơi gọi là ngăn xếp nhãn (label stack). Ngăn xếp nhãn là một tập hợp gồm một
hoặc nhiều entry nhãn tổ chức theo nguyên tắc LIFO. Tại mỗi hop trong mạng chỉ
xử lý nhãn hiện hành trên đỉnh ngăn xếp. Chính nhãn này sẽ được LSR sử dụng để
chuyển tiếp gói.

Hình 1-9: Ngăn xếp nhãn

Nếu gói tin chưa có nhãn thì ngăn xếp nhãn là rỗng (độ sâu của ngăn xếp
nhãn bằng 0). Nếu ngăn xếp có chiều sâu là d thì mức 1 sẽ ở đáy ngăn xếp (bit S
trong entry nhãn đặt lên 1) và mức d sẽ ở đỉnh của ngăn xếp. Một entry nhãn có thể
được đặt thêm vào (push) hoặc lấy ra (pop) khỏi ngăn xếp.
1.2.6 Hoán đổi nhãn (Label Swapping)

Hoán đổi nhãn là cách dùng các thủ tục để chuyển tiếp gói. Để chuyển tiếp
gói có nhãn, LSR kiểm tra nhãn trên đỉnh ngăn xếp và dùng ánh xạ ILM (Incoming
Label Map) để ánh xạ nhãn này tới một entry chuyển tiếp nhãn NHLFE (Next Hop
Label Forwarding Entry). Sử dụng thông tin trong NHLFE, LSR xác định ra nơi để
chuyển tiếp gói và thực hiện một tác vụ trên ngăn xếp nhãn. Rồi nó mã hóa ngăn
xếp nhãn mới vào gói và chuyển gói đi.
Chuyển tiếp gói chưa có nhãn cũng tương tự nhưng xảy ra ở ingress-LER.
LER phải phân tích header lớp mạng để xác định FEC rồi sử dụng ánh xạ FTN
(FEC-to- NHLFE) để ánh xạ FEC vào một NHLFE.

- 24 -