Các biện pháp bảo vệ và khôi phục trong mạng GMPLS

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

VŨ THẾ DŨNG

CÁC BIỆN PHÁP BẢO VỆ VÀ KHÔI PHỤC
TRONG MẠNG GMPLS

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

Hà Nội - Năm 2015


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

VŨ THẾ DŨNG

CÁC BIỆN PHÁP BẢO VỆ VÀ KHÔI PHỤC
TRONG MẠNG GMPLS

Chuyên ngành: Kỹ thuật truyền thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸTHUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN:

TS TRẦN THỊ NGỌC LAN

Hà Nội - Năm 2015


MỤC LỤC
THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT ............................................................................. iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ................................................................................... vii
DANH MỤC CÁC BẢNG ......................................................................................... ix
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 1
CHƯƠNG I:CÔNG NGHỆ MPLS VÀ CHUYỂN ĐỔI TỪ MPLS SANG GMPLS .... 2
1.1.

Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS ............................................................. 2

1.1.1.

Khái niệm ....................................................................................................... 2

1.1.2.

Lý do lựa chọn công nghệ MPLS ................................................................... 2

1.1.3.

Nguyên lý hoạt động ...................................................................................... 3

1.1.4.

MPLS TE ..................................................................................................... 11

1.2.

Mạng truyền tải ............................................................................................... 21

1.2.1.

Khái niệm ..................................................................................................... 21

1.2.2.

Các công nghệ truyền tải .............................................................................. 22

1.2.3.

Các mô hình mạng truyền tải ........................................................................ 25

1.3.

Nguồn gốc của GMPLS ................................................................................... 27

1.3.1.

Chuyển mạch bước sóng .............................................................................. 27

1.3.2.

Khái quát về công nghệ ................................................................................ 28

1.4.

Những yêu cầu cơ bản của GMPLS ................................................................. 29

1.4.1.

Nhãn............................................................................................................. 29

1.4.2.

Các loại chuyển mạch ................................................................................... 29

1.4.3.

LSP .............................................................................................................. 30

1.4.4.

Băng thông ................................................................................................... 31

1.4.5.

Kết nối truyền tải hai chiều........................................................................... 31

1.4.6.

Sự tách rời mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu ................................ 31

1.4.7.

Đường hầm và phân bậc ............................................................................... 32

1.5.

Kết luận chương .............................................................................................. 33

CHƯƠNG II:GIAO THỨC BÁO HIỆU, GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG
GMPLS...................................................................................................................... 34
2.1.

Quá trình báo hiệu ........................................................................................... 34

2.2.

Quá trình báo hiệu cơ bản trong GMPLS ......................................................... 37
i


2.2.1.

Phiên, đường hầm và LSP ............................................................................ 37

2.2.2.

Các tuyến LSP .............................................................................................. 39

2.2.3.

Nhãn và các tài nguyên ................................................................................. 41

2.3.

Sự thiết lập và duy trì LSP ............................................................................... 42

2.3.1.

Các thông điệp cơ bản .................................................................................. 42

2.3.2.

Các thông điệp và bản tin RSVP-TE............................................................. 43

2.3.3.

Thiết lập LSP ............................................................................................... 44

2.3.4.

Duy trì LSP .................................................................................................. 45

2.3.5.

Kết thúc LSP ................................................................................................ 46

2.3.6.

Thay đổi LSP ............................................................................................... 46

2.4.

Định tuyến trong GMPLS ................................................................................ 48

2.4.1.

Định tuyến trong các mạng IP và các mạng kỹ thuật lưu lượng .................... 48

2.4.2.

Dữ liệu kỹ thuật lưu lượng cơ bản ................................................................ 49

2.4.3.

Thông tin định tuyến GMPLS ...................................................................... 50

2.4.4.

Các giao thức định tuyến IP .......................................................................... 53

2.4.5.

Vận hành các giao thức định tuyến trong các mạng GMPLS ........................ 54

2.4.6.

Các phần mở rộng giao thức cụ thể............................................................... 55

2.5.

Kết luận chương .............................................................................................. 56

CHƯƠNG III:CÁC BIỆN PHÁP KHÔI PHỤC VÀ BẢO VỆ TRONG GMPLS....... 58
3.1.

Các sự cố trong mạng truyền tải....................................................................... 58

3.2.

Các định nghĩa về tính tồn tại của mạng lưới ................................................... 59

3.3.

Chu trình khôi phục dịch vụ ............................................................................. 60

3.4.

Các lớp phục hồi dịch vụ ................................................................................. 63

3.5.

Các mức và phạm vi khôi phục ........................................................................ 63

3.6.

Khôi phục chặng .............................................................................................. 67

3.6.1.

Bảo vệ chặng 1 + 1 đơn hướng dành riêng .................................................... 67

3.6.2.

Bảo vệ chặng 1 + 1 song hướng dành riêng .................................................. 68

3.6.3.

Bảo vệ chặng 1:1 dành riêng có hỗ trợ lưu lượng phụ ................................... 70

3.6.4.

Bảo vệ chặng M:N dùng chung .................................................................... 73

3.6.5.

Bảo vệ chặng nâng cao ................................................................................. 76

3.7.

Khôi phục tuyến .............................................................................................. 77
ii


3.7.1.

Miền khôi phục tuyến ................................................................................... 78

3.7.2.

Khôi phục toàn tuyến ................................................................................... 79

3.7.3.

Khôi phục đoạn ............................................................................................ 93

3.7.4.

Kết hợp khôi phục đoạn và khôi phục toàn tuyến ......................................... 98

3.7.5.

Tái định tuyến nhanh .................................................................................... 99

3.8.

Khôi phục mặt phẳng điều khiển.................................................................... 104

3.8.1.

Các hỏng hóc mặt phẳng điều khiển ........................................................... 106

3.8.2.

Tái đồng bộ hóa mặt phẳng điều khiển thông qua báo hiệu ......................... 108

3.8.3.

Sửa chữa mặt phẳng điều khiển bằng các cơ sở dữ liệu cục bộ ................... 109

3.8.4.

Sửa chữa mặt phẳng điều khiển bằng trạng thái mặt phẳng dữ liệu ............. 110

3.8.5.

Quản lý các LSP bị chia cắt mặt phẳng điều khiển...................................... 111

3.8.6.

Kết luận chương ......................................................................................... 118

KẾT LUẬN ............................................................................................................. 119
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 120

iii


THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT

AB

Available Bandwidth

Băng thông sẵn sàng

ABR

Area Border Router

Bộ định tuyến vùng biên

ANSI

American National Standards

Institute

Viện Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ

AS

Autonomous System

Hệ thống tự trị

ATM

Asynchronous Transfer Mode

Chế độ truyền không đồng bộ

BLSR

Bidirectional Line Switched Ring

Vòng chuyển mạch đường dây hai
chiều

CBR

Constraint Based Routing

Định tuyến theo các ràng buộc

CLI

Command-Line Interface

Giao diện dòng lệnh

CSMA/CD

Carrier Sense Multiple
Access/Collision Detect

Đa truy cập nhận biết sóng mang
phát hiện xung đột

ERO

Explicit Route Object

Đối tượng tuyến tường minh

FEC

Forwarding Equivalence Class

Lớp chuyển tiếp tương đương

FIB

Forwarding Information Base

Cơ sở thông tin chuyển tiếp

FIS

Fault Indication Signal

Tín hiệu chỉ thị hỏng hóc

FRR

Fast Re-route

Tái định tuyến nhanh

FRS

Fault Restoration Signal

Tín hiệu khôi phục lỗi

FSC

Fiber-Switch Capable

Khả năng chuyển mạch sợi

GMPLS

Generalized Multiprotocol Label
Switching

Chuyển mạch nhãn đa giao thức
tổng quát

IETF

Internet Engineering Task Force

Nhóm đặc trách kỹ thuật Internet

IGP

Interior Gateway Protocol

Giao thức nội vùng

IP

Internet Protocol

Giao thức Internet

ITU

International Telecommunication
Union

Liên minh viễn thông quốc tế
iv

L2SC

Layer-2 Switch Capable

Khả năng chuyển mạch lớp 2

LAN

Local Area Network

Mạng nội bộ

LDP

Label Distribution Protocol

Giao thức phân phối nhãn

LFIB

Label Forwarding Information Base Cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn

LIB

Label Information Base

Cơ sở thông tin nhãn

LMP

Link Management Protocol

Giao thức quản lý kết nối

LSA

Link-State Advertisement

Quảng bá trạng thái liên kết

LSC

Lambda Switch Capable

Khả năng chuyển mạch bước sóng

LSP

Label Switched Path

Tuyến chuyển mạch nhãn

LSR

Label Switched Router

Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn

MB

Maximum Bandwidth

Băng thông tối đa

MN

Merge Node

Nút nối

MPLS

Multiprotocol Label Switching

Chuyển mạch nhãn đa giao thức

MPλS

Multiprotocol Lamda Switching

Chuyển mạch bước sóng đa giao
thức

NMS

Network Management System

Hệ thống quản lý mạng

OSC

Optical Supervisory Channel

Kênh giám sát quang

PCX

Photonic Cross-connect

Thiết bị chuyển mạch đấu nối chéo
quang tử

PDU

Protocol Data Unit

Đơn vị dữ liệu giao thức

PLR

Point of Local Repair

Điểm sửa chữa cục bộ

PSC

Packet Switch Capable

Khả năng chuyển mạch gói

PVC

Permanent Virtual Circuit

Mạch ảo cố định

QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

RIB

Routing Information Base

Cơ sở thông tin định tuyến

RRO

Recorded Route Object

Đối tượng ghi lưu tuyến đường
v


RSVP

Resource ReSerVation Protocol

Giao thức đặt trước tài nguyên

SDH

Synchronous Digital Hierarchy

Hệ thống phân cấp số đồng bộ

SONET

Synchronous Optical Network

Mạng quang đồng bộ

SRLG

Shared Risk Link Group

Nhóm liên kết chia sẻ rủi ro

TDM

Time-DivisionMultiplex

Ghép kênh phân chia theo thời
gian

TE

Traffic Engineering

Kỹ thuật lưu lượng

TED

Traffic Engineering Database

Cơ sở dữ liệu kĩ thuật lưu lượng

VPN

Virtual Private Network

Mạng riêng ảo

WDM

Wavelength Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo bước
sóng

WRT

Wait-to-Restore Timer

Bộ định thời chờ để khôi phục

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Chèn nhãn .................................................................................................... 4
Hình 1.2: Nhãn MPLS ................................................................................................. 4
Hình 1.3: Ngăn xếp nhãn MPLS .................................................................................. 4
Hình 1.4: Các thành phần của Mặt phẳng điều khiển và Mặt phẳng dữ liệu ................. 6
Hình 1.5: Thiết lập phiên LDP ..................................................................................... 7
Hình 1.6: Các nhãn đặc biệt ......................................................................................... 8
Hình 1.7: Quá trình gán nhãn và phân phối nhãn ......................................................... 9
Hình 1.8: Quá trình đổi nhãn ..................................................................................... 10
Hình 1.9: Mạng IP truyền thống ................................................................................ 12
Hình 1.10: MPLS TE ................................................................................................. 12
Hình 1.11: Bản tin RSVP PATH và RESERVATION ............................................... 14
Hình 1.12: Bản tin RSVP PATH/RESERVATION và các giá trị của Object ............. 16
Hình 1.13: OSPF TLV/Sub-TLV TE Extensions ....................................................... 20
Hình 1.14: Unequal Cost Load Balancing .................................................................. 20
Hình 1.15: MPLS TE tái định tuyến nhanh ................................................................ 21
Hình 1.16: Mạng truyền tải cung cấp kết nối cho các mạng người dùng độc lập ........ 22
Hình 1.17: Cấu tạo của khung TDM .......................................................................... 23
Hình 1.18: Mạng vòng đơn ........................................................................................ 25
Hình 1.19: Mạng vòng hai hướng và được bảo vệ ...................................................... 25
Hình 1.20: Mạng liên vòng ........................................................................................ 26
Hình 1.21: Mạng lưới vòng ....................................................................................... 26
Hình 1.22: Mạng kết nối điểm – điểm........................................................................ 26
Hình 1.23: Mạng dạng lưới ........................................................................................ 27
Hình 1.24: Phân bậc các loại chuyển mạch ................................................................ 32
Hình 2.1: Các cấu hình của các bộ điều khiển báo hiệu và các bộ chuyển mạch dữ liệu ... 34
Hình 2.2. Trao đổi thông điệp để thiết lập và tháo bỏ LSP ......................................... 45
Hình 3.1: Bảo vệ chặng ............................................................................................. 67
Hình 3.2: SONET BLSR bốn sợi quang .................................................................... 77

Hình 3.3 Miền khôi phục tuyến. ................................................................................ 78
Hình 3.4: Bảo vệ 1 + 1 toàn tuyến. ............................................................................ 81
vii


Hình 3.5 Bảo vệ 1:N toàn tuyến có hỗ trợ lưu lượng phụ. .......................................... 82
Hình 3.6 Tái định tuyến hoạch định trước.................................................................. 84
Hình 3.7 Tái định tuyến toàn bộ ................................................................................ 87
Hình 3.8 Khôi phục đoạn ........................................................................................... 94
Hình 3.9 Khôi phục đoạn chồng lấn........................................................................... 95
Hình 3.10 Các miền khôi phục đoạn nối nhau, chồng lấn hoặc lồng nhau. ................. 96
Hình 3.11 Kết hợp khôi phục toàn tuyến và khôi phục đoạn. ..................................... 98
Hình 3.12 Bảo vệ FRR với các đường hầm NHOP. ................................................. 101
Hình 3.13 Bảo vệ FRR với các đường hầm NNHOP. .............................................. 102
Hình 3.14 Bảo vệ FRR với các đường hầm đổi lộ trình NHOP. ............................... 102
Hình 3.15 Bảo vệ FRR với các đường hầm bỏ qua phần tử NHOP. ......................... 103
Hình 3.16: LSP với một bộ điều khiển trong trạng thái hỏng hóc. ............................ 112

viii


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Các thông điệp trừu tượng GMPLS và các thông điệp giao thức RSVP-TE............. 43
Bảng 2.2:Thông tin kỹ thuật lưu lượng mô tả khả năng của các liên kết TE .............................. 52

ix


LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay, mạng Intenet phát triển rất nhanh, rộng và trở nên phổ biến, với xu thế

đó Internet đã trở thành một phương tiện thông tin rất hiệu quả và tiện lợi phục vụ cho
giáo dục, thương mại, giải trí, mạng xã hội… Khi mạng Internet ngày càng phát triển,
nhu cầu về lưu lượng mạng cũng như đòi hỏi về chất lượng dịch vụ, tính bảo mật, độ
tin cậy ngày càng cao. Với việc bùng nổ các dịch vụ giá trị gia tăng, kéo theo sự phát
triển mạnh mẽ cho hệ thống mạng, với các dịch vụ thời gian thực, băng thông rộng
như: VoIP, MPEG, Video Conference hay các dịch vụ liên quan đến tính kinh tế, bảo
mật, chất lượng dịch vụ cao như mạng riêng ảo (VPN - Virtual Private Network…).
Sự ra đời và phát triển của công nghệ MPLS đã được khẳng định nhằm đáp ứng
cho nhu cầu đa dịch vụ, đa phương tiện của khách hàng. Công nghệ GMPLS là bước
phát triển tiếp theo của công nghệ MPLS sẽ đáp ứng tốt hơn về dịch vụ cũng như chất
lượng đối với khách hàng. Với xu thế hiện nay, việc chuyển đổi sang công nghệ
GMPLS là tất yếu và cần thực hiện trên cơ sở khoa học, đảm bảo yếu tố cạnh tranh với
những nhà khai thác tiềm năng. GMPLS phát triển nâng cao từ MPLS sẽ là công nghệ
mạng lõi hỗ trợ phương thức chuyển mạch gói, chuyển mạch kênh, chuyển mạch bước
sóng và chuyển mạch quang. Đối với một nhà cung cấp dịch vụ, bên cạnh thế mạnh về
công nghệ, hạ tầng mạng lưới xây dựng cần đáp ứng mọi yêu cầu chất lượng dịch vụ
của khách hàng, đảm bảo tính ổn định, độ tin cậy với nhiều loại dịch vụ khác nhau,
tính sống còn. Nhận thức được tầm quan trọng và ý nghĩa đó, dưới sự hướng dẫn của
TS. Trần Thị Ngọc Lan, em đã tập trung nghiên cứu đề tài “Các biện pháp bảo vệ và
khôi phục trong mạng GMPLS”, nội dung đồ án gồm các chương sau:
 Chương I: Công nghệ MPLS và chuyển đổi từ MPLS sang GMPLS.
 Chương II: Giao thức báo hiệu, giao thức định tuyến trong mạng GMPLS
 Chương III: Các biện pháp bảo vệ và khôi phục trong mạng GMPLS.

1


CHƯƠNG I:
CÔNG NGHỆ MPLS VÀ CHUYỂN ĐỔI TỪ MPLS SANG GMPLS
1.1. Chuyển mạch nhãn đa giao thứcMPLS

1.1.1. Khái niệm
Multiprotocol Label Switching (MPLS) – chuyển mạch nhãn đa giao thức, là cơ
chế chuyển mạch không dựa vào địa chỉ mạng, mà dựa vào nhãn.
1.1.2. Lý do lựa chọn công nghệ MPLS
So với chuyển mạch IP và chuyển mạch ATM, chuyển mạch nhãn mềm dẻo,
nhiều ưu điểm vượt trội, thể hiện qua các ứng dụng. Tìm hiểu các ứng dụng của MPLS
sẽ thấy được các ưu điểm này và tại sao các nhà cung cấp dịch vụ hiện nay đều sử dụng
công nghệ MPLS cho hệ thống mạng của mình. Các ứng dụng của MPLS bao gồm:
- MPLS VPN: là cơ chế tạo các đường VPN kết nối các vị trí của khách hàng
thông qua mạng của nhà cung cấp dịch vụ với chất lượng tốt mà giá thành rẻ. Trước
đây, các vị trí của khách hàng có thể kết nối với nhau bằng cách sử dụng kỹ thuật VPN
hoặc chuyển mạch ATM:
+ Với kỹ thuật VPN: hạn chế trong việc giải quyết các bài toán về sử
dụng lại địa chỉ, cung cấp các cơ chế ra ngoài Internet, phải triển khai quá nhiều các
công cụ lọc tuyến, gặp vấn đề về hiệu năng của bộ định tuyến lõi khi số lượng tuyến
phải xử lý lớn.
+ Với chuyển mạch ATM: phải khai báo tĩnh trên toàn bộ tuyến, không
cung cấp được cơ chế ra Internet, và giữa các chi nhánh của khách hàng khi muốn đảm
bảo tính dự phòng phải triển khai cấu hình full-mesh, trong khi giá thành thuê kênh
không hề rẻ.
- Traffic – Engineering: là kỹ thuật lưu lượng, bẻ đường đi của lưu lượng,
quyết định cả đường đi từ nguồn đến đích. Chỉnh đường đi theo địa chỉ nguồn.
+ Các kỹ thuật QoS chỉ có tác dụng khi trong mạng có nghẽn xảy ra, còn
kỹ thuật lưu lượng cho phép lựa chọn nhiều đường đi từ nguồn đến đích, đảm bảo các
điều kiện ràng buộc về tài nguyên sử dụng.
+ Một kỹ thuật sử dụng tương đối phổ biến trong các giao thức định tuyến
để bẻ đường đi của lưu lượng là thiết lập các chính sách dựa vào định tuyến (Policy
Base Routing). Phương pháp này hữu dụng trong các hệ thống mạng vừa và nhỏ, còn
2

trong các hệ thống mạng lớn sẽ gặp khó khăn trong việc triển khai quá nhiều các công
cụ lọc tuyến (route map, distributed list, prefix – list) trên quá nhiều bộ định tuyến, và
tốn nhiều năng lực xử lý của bộ định tuyến.
- AToM (Any Transport over MPLS): là giải pháp vận chuyển các giao thức
lớp 2 trên mạng IP/MPLS backbone. Hỗ trợ các giao thức lớp 2 như: ATM, Ethernet,
Frame Relay, PPP, hoặc High-Level Data Link Control (HDLC).
- Chuyển mạch nhanh hơn so với chuyển mạch IP truyền thống: kích thước
nhãn là 4 byte, nhỏ hơn so với kích thước của IP header 20 byte + 40 byte.
- QoS trên MPLS. Các cơ chế QoS triển khai QoS trong mạng IP đều có thể
triển khai trong MPLS.
- BGP – free core: Trước đây, các bộ định tuyếnlõi của các nhà cung cấp dịch
vụ chạy BGP, bảng định tuyến lên tới hàng trăm nghìn tuyến, nhưng trong MPLS chỉ
có các bộ định tuyến biên mới phải chạy BGP, các bộ tính tuyến lõi chỉ làm nhiệm vụ
chuyển mạch MPLS.
Từ những ưu điểm trên, đặc biệt là tính chất đa giao thức đã làm nên ưu điểm
vượt trội của MPLS đó là: hợp nhất hạ tầng. MPLS cho phép hợp nhất nhiều mạng
thông tin lớn, riêng biệt như mạng di động, mạng Internet, mạng truyền hình,…là nền
tảng cho sự ra đời của mạng thế hệ sau (NGN).
1.1.3. Nguyên lý hoạt động
a. Một số thuật ngữ
- Forwarding Equivalence Class (FEC): nhóm các gói tin được chuyển đi theo
cùng một cách xử lý.
+ MPLS Label Switch Router (LSR): có chức năng chuyển mạch nhãn,
nhận các gói tin có chứa nhãn, tùy theo vị trí của LSR trong miền MPLS mà thực hiện
một trong các nhiệm vụ sau:
+ Pop: gỡ bỏ nhãn
+ Push: gán nhãn
+ Đổi: bóc tách nhãn đầu tiên của ngăn xếp nhãn và thay thế bằng nhãn
mới thích hợp với giao diện đầu ra.

- MPLS Edge-Label Switch Router (E-LSR): là LSR nằm tại vùng biên của
miền MPLS. Thực hiện Pop hoặc Push.
3


b. Cấu trúc nhãn
- Nhãn được chèn vào giữa Frame header và IP header của gói tin:

Hình 1.1: Chèn nhãn
- Cấu trúc nhãn bao gồm 4 byte:

Hình 1.2: Nhãn MPLS
+ 20 bit đầu: xác định giá trị của nhãn
+ 3-bit experimental field: dùng để định nghĩa các lớp QoS. Có thể dùng 3
bit này để ánh xạ 8 giá trị IP precedence được gán cho các gói tin khi đi qua miền MPLS.
+ 1 bit chỉ thịngăn xếp nhãn: được sử dụng khi một gói tin IP được gán
nhiều hơn một nhãn (label stack). Khi bit S của nhãn có giá trị 0 tức là ngăn xếp nhãn
đã được triển khai, quá trình đổi nhãn tiếp tục được thực hiện cho đến khi nhận được
một nhãn có giá trị bit S bằng 1. [1].

Hình 1.3: Ngăn xếp nhãn MPLS
4


+ Trường Time-to-Live8-bit: chức năng tương tự như trường TTL trong
IP header, khi TTL giảm về 0 thì gói tin sẽ bị hủy.
c. MPLS mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu
- Kiến trúc của một bộ định tuyến bao gồm có 2 phần:
+ Mặt phẳng điều khiển: làm nhiệm vụ định tuyến, chạy các giao thức
định tuyến để có được bảng định tuyến.

+ Mặt phẳng dữ liệu: làm nhiệm vụ chuyển mạch, thực hiện các kết quả
tính toán của mặt phẳng điều khiển. Chuyển mạch trên bộ định tuyến được gọi là
chuyển mạch IP. Gồm 3 loại chuyển mạch:
 Process switching: mặt phẳng điều khiển thực hiện luôn nhiệm vụ
chuyển mạch. Bất kỳ một gói tin nào đi vào bộ định tuyến đều thực hiện tra bảng định
tuyến, CPU ra quyết định chuyển mạch và gói tin được chuyển sang cổng khác.
Chuyển mạch kiểu process switching CPU phải xử lý nhiều và tốc độ chuyển mạch
chậm.
 Fast Switching: khi có nhiều gói tin đi vào bộ định tuyến, chỉ gói
tin đầu tiên thực hiện tra bảng định tuyến, sau đó thông tin được lưu lại ở bộ nhớ đệm
của mặt phẳng dữ liệu, các gói tin tiếp theo đi vào không phải tra bảng định tuyến mà
thực hiện chuyển mạch bằng phần cứng. Chuyển mạch kiểu Fast Switching nhanh hơn
nhưng có một nhược điểm: thông tin lưu lại ở bộ nhớ đệm của mặt phẳng dữ liệu
không được cập nhật khi bảng định tuyến có sự thay đổi.
 CEF (Cisco Express Forwarding): bộ định tuyến xây dựng bảng
chuyển mạch gọi là bảng FIB (Forwarding Information Base). Bảng RIB (Routing
Information Base) sẽ được cập nhật liên tục xuống bảng FIB, khi đó gói tin đi vào bộ
định tuyến sẽ không phải tra bảng định tuyến, mà chỉ tra bảng FIB và chuyển mạch đi
ngay lập tức.
- Khi thực hiện chuyển mạch nhãn: cấu trúc của Mặt phẳng điều khiển và Mặt
phẳng dữ liệu có thêm 2 bảng:
+ LIB (Label Information Base): bảng cơ sở dữ liệu chứa thông tin mà
các bộ định tuyến khác quảng bá.
+ LFIB (LabelForwarding Information Base): bảng chuyển mạch nhãn
sau khi đã tính toán các giá trị tối ưu về tuyến đường [1].
5


Hình 1.4: Các thành phần của Mặt phẳng điều khiển và Mặt phẳng dữ liệu
d. Giao thức phân phối nhãn (LDP)

- Việc trao đổi thông tin về nhãn giữa các LSR được thực hiện qua giao thức
phân phối nhãn (LDP - Label Distribution Protocol), sử dụng TCP cổng 646.
- Việc trao đổi thông tin về nhãn giữa các LSR được thực hiện theo 4 bước:
+ Gán nhãn: thực hiện trên các bộ định tuyến
+ Thiết lập phiên LDP
+ Phân phối nhãn
+ Lưu thông tin về nhãn trong các bảng LIB, LFIB
- Có 4 loại bản tin chính được sử dụng trong LDP:
+ Discovery message: thông báo và xác nhận sự có mặt của LSR trong mạng.
+ Session message: thiết lập, duy trì và kết thúc các phiên giữa các LSR.
+ Advertisement message: quảng bá nhãn được gán cho các FEC.
+ Notification message: thông báo lỗi.
- Quá trình thiết lập các phiên LDP diễn ra như sau:
+ Bước 1: Các phiên LDP được khởi tạo khi LSR gửi định kỳ các bản tin
hello (sử dụng UDP multicast theo địa chỉ: 224.0.0.2) trên cổng kích hoạt MPLS
forwarding, bộ định tuyến kết nối trực tiếp với nó khi nhận được bản tin hello sẽ thiết
lập phiên LDP. LSR có LDP IDbộ định tuyến cao hơn trở thành active LSR. Active
6


LSR mở một kết nối TCP với passive LSR (có LDP IDbộ định tuyếnthấp hơn) trên
TCP cổng 646.
+ Bước 2: Active LSR gửi bản tin Initialization tới passive LSR chứa các
thông tin: thời gian giữ phiên, phương pháp phân phối nhãn, chiều dài PDU tối đa, ID
bên nhận LDP.
+ Bước 3: Passive LDP LSR trả lời bằng một bản tin initialization nếu
các tham số được chấp nhận. Nếu các tham số không được chấp nhận, passive LSR sẽ
gửi bản tin error notification.
+ Bước 4: Passive LDP LSR gửi bản tin keepalive tới active LDP LSR
sau khi gửi bản tin Initialization.

+ Bước 5: Active LSR gửi bản tin keepalive tới passive LDP LSR. Phiên
LDP được thiết lập. [1]

Hình 1.5: Thiết lập phiên LDP

7


e. Các nhãn đặc biệt
- Untagged: được gán khi gói tin MPLS được chuyển thành gói tin IP và chuyển
tới đích (chuyển từ miền MPLS sang miền IP). Được triển khai trong MPLS VPN.
- Implicit-null (POP label):
+ Nhãn này được gán khi LSR liền kề E-LSR bóc tách nhãn trên cùng của
gói tin MPLS và kết quả là gói tin MPLS hoặc gói tin IP được đẩy tới bộ định tuyến tại
bước nhảy tiếp theo.
+ Các E-LSR sẽ quảng bá nhãn implicit-null (POP) qua LDP để báo cho
các bộ định tuyến liền kề nó phải bóc tách các nhãn trên cùng của gói tin MPLS trước
khi chuyển sang E-LSR.
+ Giá trị của nhãn này là 3.
+ Khi gói tin mà LSR nhận được là gói tin IP, nó sẽ không thực hiện tra
bảng LIB nữa, vì thế giảm được một lần tìm kiếm trên E-LSR.
+ Quá trình này được minh họa như hình 1.6.
- Explicit-null Label:
+ Được gán để giữ các giá trị EXP trong nhãn đầu tiên (top Label) của
gói tin đến.
+ Nhãn đầu tiên sẽ được đổi với giá trị nhãn là 20.
+ Nhãn này được sử dụng khi triển khai QoS trong MPLS.[1].

Hình 1.6: Các nhãn đặc biệt
f. Gán nhãn, phân phối nhãn và chuyển nhãn

-

Để hiểu rõ về quá trình gán nhãn, phân phối nhãn và chuyển nhãn ta xét ví

dụ hình 1.7, 1.8; hai E-LSR R1 và R4 kết nối với nhau thông qua hai LSR R2 và R3.
- Sau khi IGP hội tụ, các phiên hàng xóm LDP được thiết lập, các LSR gán
nhãn và phân phối nhãn đối với tuyến 172.16.10.0/24 như sau [1]:
8


Hình 1.7: Quá trình gán nhãn và phân phối nhãn
+ Sau khi IGP hội tụ, trong mặt phẳng điều khiển của các bộ định
tuyếnxây dựng lên các bảng định tuyến (RIB: gồm thông tin về các tuyến đường và
next hop) và bảng cơ sở dữ liệu về nhãn (LIB). Thông tin về định tuyến được cập nhật
xuống bảng chuyển mạch FIB trong mặt phẳng dữ liệu. Kết hợp thông tin hai bảng
FIB và LIB xây dựng lên bảng chuyển mạch nhãn LFIB.
+ Khi nhận được thông tin về một tuyến của khách hàng 172.16.10.0/24 ELSR R1 tự sinh ra nhãn implicit-null cho tuyến đó và quảng bá cho bộ định tuyến R2.
+ R2 cập nhật thông tin vào cơ sở dữ liệu nhãn (LIB) và tự sinh ra nhãn
L2 cho tuyến 172.16.10.0/24 và quảng bá cho R3.
+ R3 cập nhật thông tin vào cơ sở dữ liệu nhãn (LIB) và tự sinh ra nhãn
L3 cho tuyến 172.16.10.0/24 và quảng bá cho R4.
+ R4 cập nhật thông tin vào cơ sở dữ liệu nhãn (LIB) và tự sinh ra nhãn
L4 cho tuyến 172.16.10.0/24.
+ Kết quả tính toán từ bảng LIB sẽ luôn được cập nhật xuống bảng LFIB.
- Quá trình đổi nhãn: các LSR sử dụng các bảng LFIB để đổi nhãn và chuyển
gói tin đi như sau:
+ E-LSR R4 nhận được gói tin với đích đến là mạng 172.16.10.0/24, nó
tra bảng LFIB-R4, gán nhãn L3 và chuyển sang next hop là R3.
9

Hình 1.8: Quá trình đổi nhãn
+ R3 nhận được gói tin có nhãn L3, tra bảng LFIB-R3, thực hiện gỡ bỏ
nhãn L3, gán nhãn L2 gửi sang next hop là R2.
+ R2 nhận được gói tin có nhãn L2, tra bảng LFIB-R2, nhận thấy nhãn L2
đầu vào tương ứng với nhãn implicit-null đầu ra, nên R2 thực hiện gỡ bỏ nhãn L2, kết
quả thu được là gói tin IP chuyển sang cho R1.
- Một bộ định tuyến khi nhận được một gói tin lớp 2 (frame) nó sẽ nhận ra
được kiểu payload thông qua trường protocol/type trong frame header. Ví dụ: trong
trường hợp Ethernet, octec thứ 13 và 14 (sau Preamable) trong gói tin Ethernet có giá
trị 0x0800 sẽ chỉ ra Layer 2 frame payload là gói tin IP, còn giá nếu có giá trị 0x8847
sẽ chỉ ra Layer 2 frame payload là MPLS unicast.
g. Cơ chế chống loop
Cơ chế chống loop của giao thức phân phối nhãn chủ yếu dựa vào cơ chế chống
loop của IGP triển khai trong miền MPLS. Tuy nhiên, để tránh các gói tin bị loop vô
hạn trong miền MPLS, sử dụng trường TTL (Time-To-Live) trong header của các
nhãn.
Chức năng của trường TTL trong header của nhãn tương tự như chức năng của
trường TTL trong gói tin IP, giá trị là các số nguyên nằm trong khoảng 0-255, giá trị
này sẽ giảm đi một khi gói tin đi qua mỗi LSR. Khi giá trị của trường TTL giảm về 0
thì gói tin sẽ bị hủy.
Khi một gói tin IP đi vào miền MPLS, giá trị của trường TTL trong header của
gói tin IP được sao chép vào giá trị của trường TTL trong header của nhãn, hoặc cũng
có thể khởi tạo giá trị trường TTL trong header của nhãn là 255 tùy thuộc vào cấu hình
thiết bị của người sử dụng.
10


1.1.4. MPLS TE
a. Khái niệm

TE (Traffic Engineering) là kỹ thuật lưu lượng, là quá trình xử lý điều khiển lưu
lượng qua mạng đường trục để sử dụng một cách thuận tiện và có hiệu quả tài nguyên
băng thông sẵn có [1].
Một hệ thống mạng thiết kế tối ưu không thể thiếu các kỹ thuật lưu lượng.
Những vấn đề cố hữu của các mạng thông tin như:
- Sử dụng không hiệu quả tài nguyên băng thông: không có sự phân tải, cân
bằng tải. Có nhiều đường đi có thể thiết lập giữa các một nguồn và một đích nhất định,
nhưng có những đường sử dụng trên 80% băng thông nhưng cũng tồn tại những đường
không có lưu lượng đẩy qua.
- Nghẽn (congestion): quá nhiều lưu lượng tập trung trên một kết nối hoặc một
nút.
- Kết nối hỏng, nút hỏng.
Chính vì vậy cần triển khai các kỹ thuật lưu lượng để giải quyết, hạn chế tối đa
các vấn đề trên, đảm bảo tính sẵn sàng, và thông suốt của hệ thống. Trước đây, trong
các mạng truyền thống, kỹ thuật lưu lượng được triển khai trên các mạng IP hoặc
ATM tùy theo giao thức sử dụng giữa các thiết bị mạng, nhưng vẫn còn nhiều hạn chế,
MPLS TE với nhiều tùy chọn cho phép điều khiển lưu lượng trong mạng.
b. Các phương pháp điều khiển lưu lượng truyền thống
TE trong mạng IP thông thường được thao tác bằng tay trên các giao diện,
đường đi được gán tĩnh trên suốt tuyến (static route). Như minh họa ở hình dưới đây,
có 2 đường giữa 2 bộ định tuyến của khách hàng: CE1-A và CE2-A.
- Nếu tất cả các kết nối có chi phí bằng nhau, thì đường đi tốt nhất giữa 2 bộ
định tuyến của khách hàng A, B là Path 1.
- Nếu tất cả các kết nối đều là T3 (45Mbps) thì trong trường hợp CE1-A gửi
một lưu lượng 45Mbps, CE1-B gửi một lưu lượng 10Mbps đồng thời thì sẽ có một số
gói tin sẽ bị hủy tại PE1-AS1 vì đường đi tốt nhất được chọn cho 2 khách hàng này
đều là Path 1, trong khi đó Path 2 lại không được sử dụng. Vì vậy cần sử dụng TE
trong trường hợp này. Để triển khai TE sử dụng IP thì Path 1 và Path 2 phải được cân
bằng tải (load balance), tức là phải triển khai các tính năng của IGP như “maximum
11

paths with variance” hoặc thay đổi chi phí trên Path 2 để chi phí bằng chi phí của Path
1. Tuy nhiên việc này khó thực hiện với hệ thống có số lượng bộ định tuyến lớn[1].

Hình 1.9: Mạng IP truyền thống
Trong mạng ATM, thì giải pháp TE mềm dẻo hơn, các PVC có thể được cấu
hình giữa các bộ định tuyến PE1-AS1 và PE2-AS1, tuy nhiên sẽ phải cấu hình fullmesh các PVC giữa các bộ định tuyến.
c. Điều khiển lưu lượng trong MPLS

Hình 1.10: MPLS TE
Để tránh hiện tượng nghẽn tại các đường kết nối chính (là các đường có chi phí
nhỏ nhất) và để tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên mạng tại vùng lõi, điều khiển lưu
lượng trong MPLS sử dụng phương pháp thu thập thông tin về khả năng đáp ứng tại
12


các nút mạng, từ đó tính toán đường đi từ một nguồn đến một đích nào đó. Ví dụ như
Hình 1.10: Các đường hầm TE: Tunnel 1 và Tunnel 2 được cấu hình giữa PE1 – AS1
và PE2-AS1 tương ứng theo hai đường đi khác nhau: Path 1, Path 2. Hai luồng lưu
lượng giữa 2 site của khách hàng A, 2 site của khách hàng B qua miền MPLS được
đẩy qua 2 đường hầm khác nhau.
Các đường hầm TE được gán với các LSP (Label Switched Path) trong mạng,
từ nguồn đến đích.
Các giao thức OSPF, IS-IS với phần mở rộng sử dụng cho TE để mang các
thông tin về cấu hình đường hầm trên các bộ định tuyến. Lý do chọn các giao thức IGP
như OSPF, ISIS vì các giao thức này là các giao thức thuộc loại trạng thái liên kết,
quảng bá các thông tin về liên kết trong miền IGP. Phần mở rộng mang các thông tin
về tài nguyên như: băng thông sẵn sàng, băng thông tối đa…, được update cho các bộ
định tuyến ở đầu các đường hầm để tính toán và thiết lập các đường hầm. CBR

(Constraint Based Routing) tính toán nhiều đường đi từ nguồn đến đích. Tài nguyên
sẵn sàng và trạng thái kết nối sử dụng CSPF (Constrained SPF) tính toán băng thông,
các chính sách, mô hình mạng,… để định nghĩa các đường hầm. Việc tính toán CBR
chỉ được thực hiện trên bộ định tuyến ở đầu đường hầm. Kết quả của việc tính toán
này là một danh sách các địa chỉ IP được đánh là bước nhảy tiếp theo của các nút dọc
theo các LSP. Bộ định tuyến ở đầu đường hầm sẽ cung cấp các thông tin này cho các
bộ định tuyến khác dọc theo các LSP thông qua các giao thức báo hiệu.
Báo hiệu trong môi trường MPLS TE sử dụng giao thức đặt trước tài nguyên (RSVP
- Resource Reservation Protocol) với phần mở rộng hỗ trợ các tính năng đường hầm TE.
* RSVP
Khái niệm: RSVP (Resource Reservation Protocol) là giao thức đặt trước băng
thông dọc theo một tuyến từ một nguồn đến một đích nhất định.
4 bản tin chính sử dụng trong RSVP:
- RSVP PATH: sinh ra bởi bộ định tuyến đầu đường hầm và đẩy vào trong mạng
dọc theo các TE LSP sau này. Tại mỗi nút mạng, bản tin Path kiểm tra tính sẵn sàng của
băng thông theo yêu cầu và lưu thông tin lại. Ví dụ: như hình vẽ dưới bản tin Path sinh ra
bởi bộ định tuyến PE1-AS1, là bộ định tuyến ở đầu đường hầm, được đẩy đến các bộ định

13


tuyến P1-AS1, PE2-AS1 để kiểm tra tính sẵn sàng về tài nguyên tại mỗi nút. Chức năng
của bản tin RSVP PATH giống như một yêu cầu gán nhãn trong miền MPLS TE[1].

Hình 1.11: Bản tin RSVP PATH và RESERVATION
- Bản tin RSVP RESERVATION: sinh ra bởi bộ định tuyến ở cuối đường hầm
và sử dụng để xác nhận yêu cầu đặt trước được gửi trong bản tin Path. Ví dụ: như
trong hình vẽ, PE2-AS1 sinh ra bản tinRESERVATION để trả lời bản tinPath. Bản
tinRESERVATION thực hiện chức năng gán nhãn cho các LSP tương ứng với các
đường hầm TE riêng biệt. Việc gán nhãn được thực hiện từ bộ định tuyến cuối đường

hầm cho đến bộ định tuyến đầu đường hầm.
- Path RSVP error: trong trường hợp tài nguyên hiện có không đáp ứng được yêu
cầu thì bộ định tuyến sẽ sinh ra bản tin RSVP error và gửi đến bộ định tuyến yêu cầu.
- RSVP tear: RSVP có 2 loại bản tin là: PATH tear và RESERVATION tear.
Bản tin Tear sẽ xóa các trạng thái PATH và RESERVATION trên bộ định tuyến để sử
dụng lại tài nguyên cho các yêu cầu khác. Bản tin PATH tear thường được sinh ra
trong việc thiết lập các LSP nội vùng khi các LSP nội vùngkhông được cấu hình tính
năng tái định tuyến nhanh, và khi việc đứt một kết nối trong vùng xảy ra, LSR có kết
nối bị đứt sẽ sinh ra bản tin RSVP PATH error và RESV tear gửi tới bộ định tuyến đầu
đường hầm,bộ định tuyến đầu đường hầm sẽ sinh ra bản tin RSVP PATH tear. Tuyến
đường tương ứng sẽ được đánh dấu là “invalid” trong một khoảng thời gian, bộ định
tuyến sẽ lập tức tính toán các tuyến tiếp theo.
Nguyên lý hoạt động của RSVP trong MPLS TE:
- Đối tượng RSVP:
Đối tượng

Bản tin

Chức năng
Sử dụng để yêu cầu nhãn tương ứng với

LABEL_REQUEST

PATH

đường hầm TE hoặc LSP, sinh ra bởi bộ
định tuyến phía đầu trong bản tin PATH.
14