Chuyển mạch nhãn đa giao thức và khả năng ứng dụng tại việt nam

TRƯƠNG MINH ĐỨC

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

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC
VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TẠI VIỆT NAM

TRƯƠNG MINH ĐỨC

2003 - 2005
Hµ néi - 2005


Bộ giáo dục và đào tạo
Trường đại học bách khoa Hà Nội
----------------

luận văn thạc sỹ khoa học

Chuyển mạch nhÃn đa giao thức
và khả năng ứng dụng tại Việt
Nam
Ngành : Điện tử - Viễn thông
MÃ số :

Trương Minh Đức

Người hướng dẫn khoa học: Ts. Nguyễn Nam Quân

Hà Nội - 2005


1

MỤC LỤC
LỜI GIỚI THIỆU ................................................................................................................ 4
CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC MPLS ........... 5

1.1 Chuyển mạch nhãn đa giao thức ............................................................... 5
1.1.1 Chuyển mạch nhãn đa giao thức là gì? .................................................. 5
1.1.2 Tại sao MPLS cần thiết? ........................................................................ 5
1.2 Lịch sử phát triển MPLS .......................................................................... 7
1.3 Các thành phần MPLS .............................................................................. 8
1.3.1 Các khái niệm cơ bản về MPLS ............................................................. 8
1.3.2 Các thao tác nhãn ................................................................................. 12
1.4 Hoạt động của MPLS .............................................................................. 16
1.4.1 Chế độ hoạt động khung MPLS ........................................................... 16
1.4.2 Chế độ hoạt động tế bào MPLS ........................................................... 22
CHƯƠNG 2: CÁC GIAO THỨC SỬ DỤNG TRONG MPLS ........................................ 29

2.1 Giao thức phân phối nhãn LDP ............................................................... 29
2.1.1 Khái quát về LDP ................................................................................. 29
2.1.2 LDP Peers ............................................................................................ 29
2.1.3 Các bản tin LDP .................................................................................. 30
2.1.4 Trao đổi bản tin LDP........................................................................... 31
2.1.5 Phát hiện LSR lân cận .......................................................................... 32
2.1.6 Mã hoá TLV (Type – Length - Value) ................................................ 32

2.1.7 Các chế độ phân phối LDP................................................................... 33
2.2 Giao thức định tuyến cưỡng bức CR-LDP.............................................. 34
2.2.1 Khái niệm về định tuyến cưỡng bức .................................................... 35
2.2.2 Các phần tử định tuyến cưỡng bức ...................................................... 38
2.2.3 Điều kiện cưỡng bức “chọn đường ngắn nhất”.................................... 39


2

2.2.4 Sử dụng MPLS làm phương tiện chuyển tiếp thông tin .................... 41
2.3 Giao thức RSVP (Resource Reservation Protocol)................................. 42
CHƯƠNG 3: CÁC VẤN ĐỀ KỸ THUẬT TRONG MPLS ............................................. 47

3.1 Chất lượng dịch vụ .................................................................................. 47
3.1.1 Dịch vụ Besteffort ................................................................................ 47
3.1.2 Mơ hình dịch vụ tích hợp IntServ ........................................................ 47
3.1.3 Mơ hình dịch vụ DiffServ .................................................................... 49
3.2 Kỹ thuật lưu lượng (TE – Traffic Engineering) ...................................... 51
3.2.1 Các mục tiêu chất lượng của kỹ thuật lưu lượng ................................. 51
3.2.2 Hạn chế của cơ chế điều khiển IGP hiện tại ........................................ 52
3.2.3 Quản lý lưu lượng MPLS ..................................................................... 53
3.2.4 Quản lý lưu lượng qua MPLS .............................................................. 54
3.2.4.1 Hoạt động cơ bản của các trung kế lưu lượng .................................. 54
3.2.4.2 Các thuộc tính kỹ thuật lưu lượng cơ bản của trung kế lưu lượng ... 55
3.2.5 Các thuộc tính tài nguyên ..................................................................... 55
3.2.5.1 Bộ phân bổ lớn nhất MAM. .............................................................. 55
3.2.5.2 Thuộc tính lớp tài ngun ................................................................. 56
3.3 Phát hiện và phịng ngừa định tuyến vòng .............................................. 56
3.3.1 Chế độ khung ....................................................................................... 57
3.3.1.1 Phát hiện chuyển tiếp vòng dữ liệu ................................................... 57

3.3.1.2 Ngăn ngừa chuyển tiếp vòng dữ liệu điều khiển .............................. 58
3.3.2 Chế độ tế bào ........................................................................................ 58
3.3.2.1 Phát hiện và ngăn ngừa chuyển tiếp vịng thơng tin điều khiển. ...... 59
3.3.2.2 Phát hiện chuyển tiếp vòng dữ liệu ................................................... 62
CHƯƠNG 4: KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG VÀ XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................... 64

4.1 Những mục tiêu đối với hạ tầng cơ sở thông tin quốc gia ...................... 64
4.1.1 Phát triển các dịch vụ thông tin ............................................................ 65


3

4.1.2 Phát triển mạng viễn thông .................................................................. 66
4.2 Khả năng ứng dụng MPLS tại Việt Nam ................................................ 67
4.2.1 Những điểm cơ bản trong định hướng phát triển của ngành viễn thôngViệt
Nam ............................................................................................................... 67
4.2.2 Các công nghệ và khả năng triển khai ................................................. 67
4.2.2.1 Công nghệ IP ..................................................................................... 68
4.2.2.2 Công nghệ ATM................................................................................ 69
4.2.2.3 Công nghệ MPLS .............................................................................. 69
4.2.3 Các giải pháp ứng dụng MPLS ............................................................ 69
4.2.3.1 Giải pháp 1: MPLS trong mạng lõi ................................................... 70
4.2.3.2 Giải pháp 2: ATM lõi, MPLS ở các tổng đài đa dịch vụ .................. 71
4.2.3.3 Giải pháp 3: Mạng MPLS hoàn toàn ................................................ 74
4.2.3.4 Đánh giá ............................................................................................ 75
4.3 Xu hướng phát triển ................................................................................ 76
4.3.1 Những yếu tố thúc đẩy sự ra đời của GMPLS ..................................... 76
4.3.2 Nguyên lý hoạt động cơ bản ................................................................ 77
4.3.3 Tiến trình chuẩn hoá............................................................................. 80
4.3.4 Các vấn đề triển khai ............................................................................ 80

KẾT LUẬN ....................................................................................................................... 82
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................... 83
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 87


4

LỜI GIỚI THIỆU
Trong những năm gần đây, mạng Internet đã phát triển nhanh chóng và có
phạm vi rộng khắp, kéo theo sự phát triển của rất nhiều ứng dụng mới trong các
lĩnh vực học tập, nghiên cứu, mua bán hàng hóa, thực hiện các giao dịch ngân
hàng, thị trường chứng khốn ... Ngồi những dịch vụ dữ liệu truyền thống đang
được cung cấp qua Internet, những ứng dụng thoại và đa phương tiện vẫn đang
được phát triển và triển khai. Những ứng dụng này đòi hỏi nhu cầu ngày càng
tăng và yêu cầu về đảm bảo băng thông cũng như chất lượng dịch vụ, tính bảo
mật đối với mạng đường trục. Mạng Internet ngày càng được nghiên cứu phát
triển để trở nên tinh vi hơn, thông minh hơn và an tồn hơn.
Một trong những cách có thể đáp ứng được đó là tìm một phương pháp
chuyển mạch có thể kết hợp được những ưu điểm của định tuyến IP cũng như
những ưu điểm của chuyển mạch ATM. Công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao
thức MPLS ra đời dựa trên nền cơng nghệ chuyển mạch IP sử dụng cơ chế hốn
đổi nhãn như của ATM. Nó có thể tăng tốc độ chuyển tiếp gói tin mà khơng cần
thay đổi các giao thức định tuyến của IP. Mặc dù cịn có nhiều trở ngại ban đầu
nhưng MPLS sẽ đóng một vai trị quan trọng trong định tuyến, chuyển mạch và
chuyển tiếp gói tin trong mạng thế hệ sau để đáp ứng các nhu cầu ngày càng
tăng về dịch vụ của người dùng.
Hiện nay, hầu hết các nhà cung cấp dịch vụ đều định hướng triển khai
mạng thế hệ sau trên cơ sở sử dụng chuyển mạch nhãn đa giao thức. Việc tìm
hiểu bản chất cơng nghệ để có thể ứng dụng nó hiện nay là cần thiết.

5

CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH NHÃN
ĐA GIAO THỨC MPLS
1.1 Chuyển mạch nhãn đa giao thức
1.1.1 Chuyển mạch nhãn đa giao thức là gì?
Chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS) là một công nghệ lai ghép mới, là
một tập hợp các công nghệ Internet mở, dựa trên chuẩn. MPLS tổ hợp định
tuyến lớp 3 và chuyển mạch lớp 2 để chuyển gói sử dụng các nhãn ngắn, chiều
dài cố định.
Trong mạng IP, phương thức vận chuyển các gói tin là dựa vào địa chỉ IP
đích. Tại mỗi router, các gói tin được kiểm tra địa chỉ đích và được truyền đến
nút tiếp theo dựa vào thông tin trong bảng định tuyến của nó. Thay vì cơ chế vận
chuyển gói tin như trong mạng IP, chuyển mạch nhãn thực hiện bằng cách gắn
một nhãn cho gói tin và các nút mạng sẽ dựa vào giá trị trong nhãn đó để vận
chuyển gói tin đến đích.
Chuyển mạch nhãn đa giao thức xây dựng dựa trên các cơng nghệ lớp 2 nên
nó khơng phụ thuộc vào một công nghệ truyền dẫn cụ thể nào. Các phương tiện
truyền dẫn lớp 2 bao gồm ATM, FR, PPP và Ethernet. Ban đầu MPLS hỗ trợ
giao thức internet IPv4 nhưng có thể mở rộng để hỗ trợ IPv6 và các giao thức
lớp mạng khác. MPLS có khả năng hỗ trợ nhiều giao thức lớp 3 (lớp mạng) vì
vậy mà MPLS được gọi là đa giao thức.
1.1.2 Tại sao MPLS cần thiết?
Nhóm làm việc MPLS xác định bốn vấn đề chính đối với mạng Internet như sau:
- Khả năng mở rộng định tuyến lớp mạng
- Tăng hiệu năng chuyển gói


6

- Tổ hợp các công nghệ dựa trên tế bào
- Tăng khả năng định tuyến phục vụ việc chuyển gói mềm dẻo
Khả năng mở rộng trong mạng Internet chính là khả năng hỗ trợ được một
lượng lớn và sự phát triển của số lượng người dùng Internet. Nếu như bộ định
tuyến phải lưu giữ thông tin về đường đi của tất cả những người sử dụng thì khối
lượng thơng tin là rất lớn và khó có thể đáp ứng được sự phát triển nhanh chóng
của mạng Internet hiện nay. MPLS đưa ra giải pháp cho vấn đề này bằng cách
gộp một số lớn địa chỉ IP rồi liên kết với một hoặc vài nhãn. Cách tiếp cận này
làm giảm kích cỡ của bảng thông tin nhãn, và cho phép bộ định tuyến hỗ trợ
nhiều người dùng hơn.
Hiệu năng chuyển gói cũng được tăng lên rất nhiều do việc tra cứu bảng định
tuyến cho các nhãn ngắn, độ dài cố định là nhanh hơn nhiều so với việc tra cứu
bằng địa chỉ IP đích rất dài dùng trong định tuyến IP truyền thống. Hơn nữa, cơ
chế vận chuyển gói trong mạng IP vốn dựa trên phần mềm để thực hiện các thao
tác phức tạp với một khối lượng dữ liệu lớn, nên tốc độ rất chậm. Vì vậy, có thể
gây ra hiện tượng tổn thất lưu lượng, kết nối và giảm hiệu suất toàn mạng. Trong
MPLS, giá trị nhãn được đặt trong phần tiêu đề của gói tin đến, và được dùng
làm chỉ mục tìm kiếm trong bảng dữ liệu. Cơ chế này có thể thực hiện bằng các
giải pháp phần cứng thực hiện trong các mạch tổ hợp chuyên dụng ASIC
(Application Specific Intergrated Circuit) và các mảng cổng lập trình được
FPGA (Field Programable Gate Array). Do đó, gói tin được vận chuyển trong
mạng MPLS sẽ nhanh hơn so với mạng IP.
Có nhiều nhà cung cấp dịch vụ sử dụng mạng backbone dựa trên nền ATM
và cung cấp các dịch vụ truy nhập FR nên MPLS đưa ra một phương thức quan
trọng để cung cấp các dịch vụ IP gia tăng trên nền các phương tiện đang tồn tại
đó. Các cơng nghệ dựa trên chuyển mạch tế bào ATM và dựa trên khung FR
được tổ hợp, di chuyển và trong một vài trường hợp được thay thế bằng các giải

7

pháp IP chuẩn ví dụ như MPLS.
Việc định tuyến dựa vào địa chỉ đích có thể dẫn đến lưu lượng tập trung trên
một đường dẫn đến việc sử dụng tài nguyên mạng không hiệu quả. Hơn nữa,
trong mạng IP không có cơ chế điều khiển đường đi hiệu quả. Mạng MPLS có
thể điều khiển đường đi của lưu lượng tốt hơn bằng các cơ chế định tuyến ràng
buộc, theo chính sách của nhà quản trị và thiết lập các đường đi buộc dữ liệu của
người dùng phải đi theo đường đó.
1.2 Lịch sử phát triển MPLS
MPLS dựa trên khái niệm chuyển mạch nhãn, một nhãn độc lập và duy nhất
được thêm vào mỗi gói dữ liệu và nó được sử dụng để chuyển mạch và định
tuyến gói tin trên mạng. Nhãn thực chất là một đoạn ngắn thông tin trong phần
mào đầu của gói tin, vì vậy các thiết bị mạng có thể tối ưu hố việc xử lý nhãn
và chuyển tiếp lưu lượng. Khái niệm nhãn đã được đề cập đến trong lĩnh vực
truyền thông dữ liệu trong nhiều năm. X25, Frame Relay và ATM là những ví
dụ về công nghệ chuyển mạch nhãn. Một vài ý tưởng về chuyển mạch nhãn xuất
hiện giữa thập kỷ 90 nhằm cải thiện sự hoạt động của các phần mềm định tuyến
dựa trên nền IP và cung cấp chất lượng dịch vụ như là chuyển mạch IP của
Ipsilon, chuyển mạch thẻ của Cisco, ARIS (Aggregate Route based IP Switching
- Chuyển mạch IP theo phương thức tổng hợp nhãn) của IBM, VNS của Nortel.
Với sự hỗ trợ của nhiều công ty, năm 1996 IETF triệu tập cuộc họp BOF với
mục đích chuẩn hố MPLS. Quá trình phát triển và những kết quả của nhóm làm
việc về MPLS trong IETF đạt được có thể tóm lược lại như sau:
- Đầu năm 1997, hiến chương MPLS được thơng qua.
- Tháng 4 năm 1997 nhóm làm việc về MPLS tiến hành cuộc họp đầu tiên.
- Tháng 11 năm 1997, tài liệu chuẩn MPLS được ban hành.
- Tháng 7 năm 1998, tài liệu về cấu trúc MPLS được ban hành.
- Tháng 8 và tháng 9 năm 1998, 10 tài liệu Internet bổ sung được ban

8

hành, bao gồm MPLS LDP, Mark Encoding, các ứng dụng ATM …
MPLS hình thành về căn bản.
- IETF hồn thiện các tiêu chuẩn MPLS và năm 1999 đưa ra các tài liệu
RFC.
- Sau năm 1999 liên tục ban hành các tiêu chuẩn MPLS đặc biệt về quản
lý, tương thích với các công nghệ khác, bảo mật …
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.
1.3 Các thành phần MPLS
1.3.1 Các khái niệm cơ bản về MPLS
Nhãn (Label): Nhãn là một thực thể có độ dài ngắn và cố định, khơng có cấu
trúc bên trong. Nhãn khơng trực tiếp mã hố thơng tin của mào đầu lớp mạng
như địa chỉ lớp mạng. Nhãn được gán vào một gói tin cụ thể sẽ đại diện cho một
FEC (Forwarding Equivalence Classes – Nhóm chuyển tiếp tương đương) mà
gói tin đó được ấn định.
Dạng của nhãn phụ thuộc vào phương thức truyền tin mà gói tin được đóng
gói. Ví dụ các gói ATM (tế bào) sử dụng giá trị VPI/VCI như nhãn, FR sử dụng
DLCI làm nhãn. Đối với các phương tiện khơng có cấu trúc nhãn, một đoạn đệm
được chèn thêm để sử dụng cho nhãn. Khn dạng của đoạn đệm 4 byte có cấu
trúc nh sau:
Mào đầu Đệm
MPLS
IP

Tải

NhÃn
(20)

EXP
(3)

S
(1)

Mào đầu
lớp 2

TTL
(8)

Hỡnh 1.1: Khuụn dng nhón cho các gói khơng có cấu trúc nhãn gốc


9

Đối với các khung PPP hay Ethernet giá trị nhận dạng giao thức P-Id hoặc
EtherType được chèn thêm vào phần mào đầu khung tương ứng để thông báo
khung là MPLS đơn hướng (unicast) hay đa hướng (multicast).
Ngăn xếp nhãn (Label stack): Một tập hợp thứ tự các nhãn gắn theo gói để
chuyển tải thơng tin về nhiều FEC và về các LSP mà gói sẽ đi qua. Ngăn xếp
nhãn cho phép MPLS hỗ trợ định tuyến phân cấp (một nhãn cho EGP và một
nhãn cho IGP) và tổ chức đa LSP trong một trung kế LSP.
Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn (LSR – Label Switching Router): là
thiết bị định tuyến hay chuyển mạch (Router hay Switch) sử dụng trong mạng
MPLS để chuyển các gói tin bằng thủ tục phân phối nhãn. Thiết bị này cũng có

khả năng chuyển tiếp các gói IP truyền thống cũng như chạy các giao thức định
tuyến IP và các giao thức điều khiển MPLS.
Theo vị trí của LSR trong mạng ta có hai loại LSR, đó là LSR biên (LER –
Label Edge Router) và LSR trung tâm (Core LSR hay thường chỉ viết tắt là
LSR).
Theo chức năng của LSR, ta có ba loại:
- LSR đầu vào (Ingress LSR): xử lý các gói tin khi chúng bắt đầu vào
miền MPLS. Các gói IP phải được phân tích các phần mào đầu của
chúng, quyết định thành viên FEC của chúng và được ấn định một
nhãn ban đầu. LSR đầu vào là một LSR biên theo vị trí vật lý trong
mạng.
- LSR trung gian (Transit LSR): thực hiện việc trao đổi nhãn của các gói
tin và thực hiện chuyển tiếp các gói tin trong miền MPLS.
- LSR đầu ra (Egress LSR): nhận gói tin có nhãn, thực hiện việc gỡ bỏ
nhãn ra khỏi gói MPLS và gửi chúng đi tới đích bằng địa chỉ IP truyền
thống. LSR đầu ra cũng là một LSR biên.


10

Nhóm chuyển tiếp tương đương FEC (Forwarding Equivalence Classes):
là khái niệm được dùng để chỉ một nhóm các gói được đối xử như nhau qua
mạng MPLS ngay cả khi có sự khác biệt giữa các gói tin này thể hiện trong phần
mào đầu lớp mạng.
Bảng chuyển tiếp chuyển mạch nhãn LSFT (Label Switching
Forwarding Table): là bảng chuyển tiếp nhãn có chứa thông tin về nhãn đầu
vào, nhãn đầu ra, giao diện đầu ra và địa chỉ điểm tiếp theo.
Đường chuyển mạch nhãn (LSP – Label 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 chuyển đổi nhãn (label swapping forwarding). Phần của

LSP giữa hai LSR bất kỳ cạnh nhau được gọi là “LSR hop” hay phân đoạn LSP
“LSP segment”
Có hai loại LSP:
• LSP thiết lập tĩnh (Static LSP)
• LSP thiết lập nhờ các giao thức báo hiệu (Signaled LSP)

LSP

Static SLP

Signaled SLP

Hop by hop
Signaled LSP

Explicit Route
Signaled LSP

Hình 1.2: Các loại LSP
LSP tĩnh (Static LSP): là một LSP được cấu hình nhân cơng tại mỗi LSR.


11

Khơng sử dụng giao thức báo hiệu, nó sử dụng quản lý mạng để thiết lập nhãn,
giao diện và bất cứ giá trị đường thích hợp khác.
LSP thiết lập nhờ các giao thức báo hiệu (Signaled LSP): Khi một giao
thức báo hiệu được sử dụng để thiết lập một LSP thì một đường “Signaled LSP”
được tạo ra. LSP báo hiệu theo từng chặng (Hop by hop signaled LSP) cũng
được quan tâm như một đường “best effort”. LSP được định tuyến trực tiếp

(Explicit routed LSP) có thể cung cấp các thoả thuận mức dịch vụ đặc biệt. Giao
thức báo hiệu và phân phối nhãn LDP được sử dụng cho loại LSP này. Hai loại
LDP thường dùng là CR-LDP và RSVP-TE.
Các thuộc tính gia tăng của LSP
Có rất nhiều thuộc tín gia tăng của LSP. Các thuộc tính này bao gồm sự ưu
tiên, bảo vệ và định tuyến lại.
Sự ưu tiên LSP là việc sắp xếp các LSP dựa trên các mức ưu tiên đã được cấu
hình trước. Đặc điểm này cho phép sự ưu tiên khi LSP có độ ưu tiên cao hơn cần
được thiết lập, do đó kết quả là LSP có độ ưu tiên thấp hơn sẽ bị huỷ đi nhường
chỗ cho LSP có độ ưu tiên cao hơn.
Sự bảo vệ LSP cho phép tạo ra các loại LSP dự phịng khác nhau. Đặc tính
này rất được quan tâm cho ứng dụng khôi phục đường của MPLS.
Định tuyến lại cũng là một phần quan trọng của ứng dụng khôi phục đường
của MPLS. Định tuyến lại được đòi hỏi khi một LSR hay một kết nối lỗi được
phát hiện. Nó được thực hiện qua việc trao đổi các bản tin Hello và Keep Alive
trong các giao thức báo hiệu.
Chính sách làm hoạt động việc định tuyến lại đường khi phát hiện ra có một
LSP tốt hơn cũng có thể được thực hiện. Điều này được gọi là sự tối ưu hố LSP.
Cơ sở thơng tin nhãn (LIB – Label 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 phương thức truyền tin.


12

Gói tin dán nhãn: một gói tin dán nhãn là một gói tin mà nhãn đã được mã
hóa trong đó. Trong một số trường hợp, nhãn nằm trong phần mào đầu của gói
tin dành riêng cho mục đích dán nhãn. Trong các trường hợp khác, nhãn có thể
được đặt chung trong mào đầu lớp mạng và lớp liên kết dữ liệu miễn là ở đây có
trường tin có thể dùng được cho mục đích dán nhãn. Cơng nghệ mã hố nhãn

được sử dụng phải phù hợp với cả thực thể mã hoá nhãn và thực thể giải mã
nhãn.
1.3.2 Các thao tác nhãn
 Liên kết nhãn (Label binding): là thủ tục liên kết một nhãn L cụ thể với
một FEC F cụ thể. Quá trình liên kết nhãn được thực hiện bởi
Downstream LSR. Giá trị của nhãn có thể là duy nhất trong một giao diện
hoặc duy nhất trong tất cả các giao diện của LSR. Sau đó, Downstream
thơng báo cho upstream LSR về liên kết mới được tạo (L,F). Quá trình
gán nhãn tự động được thực hiện bởi Downstream LSR được gọi là
unsolicited-downstream; hoặc được thực hiện khi có yêu cầu của một
LSR được gọi là downstream on demand. Giả định rằng Ru và Rd đã
đồng ý để gán một nhãn L với một FEC F và các gói tin được gửi từ Ru
tới Rd thì tương ứng với liên kết này, Ru là Upstream LSR và Ld là
Downstream LSR.
 Điều khiển gán nhãn:
MPLS hỗ trợ hai cách gán nhãn cho một FEC; độc lập và tuần tự. Điều
khiển độc lập, khi một LSR nhận được thơng báo, nó sẽ tự động liên kết một
nhãn với FEC này rồi thông báo liên kết này cho các LSR lân cận. Điều
khiển tuần tự, LSR chỉ liên kết nhãn với một FEC cụ thể nếu nó là LSR đầu
ra (Egress) của FEC đó, hoặc nếu nó đã nhận được một liên kết nhãn cho
FEC đó từ nốt tiếp theo của nó.


13

Thủ tục nhãn gán độc lập được thực hiện ngay sau khi có thơng tin về địa
chỉ, nên có thể sẵn sàng được sử dụng. Tuy nhiên, thủ tục này cần được thiết
lập sao cho các LSR lân cận nhất trí sử dụng cho các FEC mà chúng sẽ dùng.
Nếu các quyết định liên kết nhãn cho các FEC khác nhau, vài FEC có thể
khơng gắn với LSP nào hoặc các nhãn này được thiết lập không hiệu quả.

Khác với quá trình trên, thủ tục gán nhãn tuần tự đảm bảo rằng tất cả LSR
đều dùng cùng FEC. Nhưng quá trình này lại mất nhiều thời gian để thiết lập
đường LSP hơn điều khiển độc lập.
 Ngăn xếp nhãn:
Để hỗ trợ khả năng phân cấp nhằm đáp ứng sự mở rộng mạng, MPLS cho
phép một gói tin có thể có nhiều nhãn. Các nhãn này được sắp xếp liền nhau
theo cấu trúc dữ liệu ngăn xếp (cấu trúc FILO - First In Last Out). Bít S sẽ
chỉ ra nhãn đó có phải là nhãn cuối cùng của gói tin hay khơng (đầy ngăn
xếp). Có ba thao tác liên quan đến nhãn là push, pop và trao đổi nhãn (swap).
Các thao tác xử lý nhãn chỉ quan tâm đến nhãn nằm trên cùng của ngăn xếp.
Ngăn xếp nhãn cho phép nhiều thành phần điều khiển tác động lên một gói
tin, và các thành phần này ít hoặc khơng phụ thuộc vào nhau.
Việc tạo ngăn xếp nhãn tuân theo nguyên tắc sau: khi một LSR đẩy một
nhãn vào một gói tin đã được gán nhãn sẵn thì nhãn mới phải tương ứng với
FEC mà LSR đầu ra đã gán nhãn ban đầu. Như vậy, tại LSR đầu ra của LSP,
phải thực hiện hai lần tra bảng: một lần cho nhãn cần pop, và một lần cho
nhãn còn lại. Để tăng hiệu quả hoạt động, MPLS đưa ra khái niệm nút áp
chót LSR đầu ra, nó thực hiện thao tác pop nhãn ra khỏi ngăn xếp và gửi gói
tin đến LSR đầu ra. Tại LSR đầu ra, chỉ cần thực hiện một thao tác tra bảng.
Như vậy, mục đích của việc pop nhãn tại nút áp chót LSR đầu ra là để LSR
đầu ra chỉ thực hiện một lần tra bảng.
 Các ánh xạ và bảng hỗ trợ vận chuyển gói tin


14

Các bảng và ánh xạ được sử dụng để hỗ trợ sự phối hợp hoạt động của nhãn
đến và đi, cũng như việc quản lý ngăn xếp nhãn.
NHLFE (Next Hop Label Forwarding Entry) được sử dụng khi chuyển
tiếp một gói tin đã được gán nhãn. Nó bao gồm các thơng tin sau:

- Nút tiếp theo của gói tin (giao diện và địa chỉ nút tiếp theo)
- Các thao tác để hình thành nên ngăn xếp nhãn của gói tin
• Thay thế nhãn tại đỉnh của ngăn xếp bằng một nhãn mới
• Pop ngăn xếp nhãn
• Thay thế nhãn tại đỉnh của ngăn xếp bằng một nhãn mới, sau đó
push một hay nhiều nhãn mới vào ngăn xếp nhãn
Nó cũng có thể gồm:
• Các thơng tin bọc gói dữ liệu ở tầng DataLink khi vận chuyển
gói tin
• Cách thức mã hố ngăn xếp nhãn khi vận chuyển gói tin
• Các thơng tin cần thiết để sắp xếp đúng gói tin
Các ánh xạ hỗ trợ vận chuyển gói tin:
- Ánh xạ ILM (Incoming Label Map): ánh xạ mỗi nhãn đầu vào với một
tập các NHLFE. Nhãn ở trên cùng của ngăn xếp được sử dụng làm chỉ
mục của ánh xạ để tìm ra một tập hợp các mục NHLFE, dựa vào các
thông tin trong mục này, LSR sẽ xử lý các nhãn của gói tin đó rồi mới
chuyển tiếp gói tin đi.
- Ánh xạ FTN (FEC to NHLFE): ánh xạ mỗi FEC với một tập các
NHLFE. Quá trình này được thực hiện đối với các gói tin chưa được
gán nhãn, nhưng gói tin này sẽ được gán nhãn trước khi chuyển đến
nút tiếp theo trong mạng.
Các ánh xạ này được minh hoạ trong hình 1.3. Tại biên mạng, gói tin
được phân tích tiêu đề và ánh xạ vào một FEC. Tiếp đó, FEC được ánh xạ để


15

tìm ra NHLFE rồi vận chuyển gói tin vào trong mạng. Tại mỗi nút trong mạng,
các nhãn được ánh xạ thành NHLFE để xác định cách quản lý gói tin rồi
được chuyển đến nút tiếp theo.

Hình 1.3: Các ánh xạ hỗ trợ vận chuyển gói tin
Packet received

Labeled ?
Yes
No

ILM ?

Use route tables;
packet forwarded
(if permissible)

No
Yes
FTM ?
Yes

NHLFE
Labeled packet forwarded

No
Use route tables;
packet forwarded
(if supported interface)

Hình 1.4: Sơ đồ quyết định chuyển tiếp
 Trộn nhãn

16

Nhiều gói đến với các nhãn khác nhau và cùng đi ra một giao diện để đến
nút tiếp theo có thể được LSP gán chung một nhãn. Sau khi các gói được gán
chung một nhãn, thơng tin về các gói đến từ các giao diện khác nhau với các
nhãn khác nhau bị mất đi. Do vậy, vấn đề cần phải phối hợp hoạt động giữa
các LSR có khả năng trộn và các LSR khơng có khả năng này.
Một upstream LSR hỗ trợ khả năng trộn nhãn thì chỉ cần gửi một nhãn
cho FEC. Một upstream liền kề không hỗ trợ khả năng trộn nhãn thì cần phải
được gửi nhiều nhãn cho FEC. Tuy nhiên ta không thể biết được số lượng
nhãn cần gửi là bao nhiêu, điều này phụ thuộc vào có bao nhiêu LSR là
upstream của nó tương ứng với FEC đó. Khi này nó phải yêu cầu một nhãn
cho FEC từ phía downstream LSR.
 Chế độ sử dụng nhãn
Chế độ sử dụng nhãn sẽ quyết định duy trì thơng tin về nhãn hay bỏ nhãn
đi khi nó nhận được thơng tin về liên kết nhãn và FEC. Có hai chế độ sử
dụng nhãn:
- Chế độ sử dụng nhãn tự do (liberal): Nếu LSR duy trì thơng tin về liên
kết giữa nhãn và FEC nhận được từ các LSR khơng phải là nút tiếp
theo của nó ứng với FEC được gán nhãn.
- Chế độ sử dụng nhãn tiết kiệm (reservation): Nếu LSR loại bỏ thông
tin về liên kết giữa nhãn và FEC nhận được từ các LSR không phải là
nút tiếp theo của nó ứng với FEC được gán nhãn.
1.4 Hoạt động của MPLS
Có hai chế độ hoạt động đối với MPLS: chế độ khung(Frame mode) và chế
độ tế bào (Cell mode).
1.4.1 Chế độ hoạt động khung MPLS

17

Chế độ hoạt động này xuất hiện khi sử dụng MPLS trong môi trường các
thiết bị định tuyến thuần điều khiển các gói tin IP điểm - điểm. Các gói tin dán
nhãn được chuyển tiếp trên cơ sở khung lớp 2.
Cơ chế hoạt động của mạng MPLS trong chế độ khung được mơ tả bởi hình 1.5:
B­íc 2: KiĨm tra
líp 3, gán nhÃn,
chuyển gói IP đến
LSR lõi 1

Bước 1: Nhận gói
IP tại LSR biên

Gói IP

IP đích: 192.1.1.3

Bước 3: Kiểm tra
nhÃn, chuyển đổi
nhÃn, chuyển gói IP
đến LSR lõi 3

IP: 192.1.1.3

30

LSR biên 1
Gãi IP
Gãi IP

LSR biªn 2

LSR biªn 3

B­íc 5: KiĨm tra
nh·n, xoá nhÃn,
chuyển gói IP đến
router ngoài tiếp theo

Bước 4: Kiểm tra
nhÃn, chuyển đổi
nhÃn, chuyển gói IP
đến LSR biên 4

LSR lõi 1

LSR biªn 4
37

28
LSR lâi 3

LSR lâi 2

LSR biªn 5

Hình 1.5: Mạng MPLS trong chế độ hoạt động khung


18

Cấu trúc của LSR biên được thể hiện như hình 1.6:
Mảng điều khiển tại nút
Giao thức định tuyến IP

Trao đổi thông tin định tuyến
với bộ định tuyến khác

Bảng định tuyến IP

Cơ sở dữ liệu nhÃn
LIB

Điều khiển định tuyến
IP MPLS

Trao đổi thông tin gán nhÃn
với bộ định tuyến khác

Mảng số liệu tại nút
Cơ sở dữ liệu chuyển tiếp
FIB

Cơ sở dữ liệu nh·n
chun tiÕp LFIB

Hình 1.6: Cấu trúc LSR biên trong chế độ hoạt động khung
Q trình chuyển tiếp một gói IP qua mạng MPLS được thực hiện thông
qua một số bước cơ bản sau:
- LSR biên lối vào nhận gói IP, phân loại gói vào nhóm chuyển tiếp

tương đương FEC và gán nhãn cho gói với ngăn xếp nhãn tương ứng
FEC đã xác định. Trong trường hợp định tuyến một địa chỉ đích, FEC
sẽ tương ứng với mạng con đích và việc phân loại gói sẽ đơn giản là
việc so sánh bảng định tuyến lớp 3 truyền thống.
- LSR lõi nhận gói có nhãn và sử dụng bảng chuyển tiếp nhãn để thay
đổi nhãn lối vào của gói đến với nhãn lối ra tương ứng cùng với vùng


19

FEC (trong trường hợp này là mạng con IP).
- Khi LSR biên lối ra của vùng FEC này nhận được gói có nhãn, nó loại
bỏ nhãn và thực hiện chuyển tiếp gói IP theo bảng định tuyến lớp 3
truyền thống.
 Mào đầu nhãn MPLS
Theo mơ hình chung của q trình bọc gói (Encapsulation) thì nhãn
MPLS phải được chèn trước số liệu cần gán nhãn ở chế độ hoạt động
khung. Như vậy nhãn MPLS được chèn giữa mào đầu lớp hai và nội dung
thông tin lớp 3 của khung lớp 2 như hình 1.7:
Khung líp 2
Gãi IP kh«ng nh·n
trong khung líp 2

Gãi IP cã nh·n trong
khung líp 2

Sè liƯu líp 3 (Gói IP)

Mào đầu
lớp 2

Khung lớp 2
Số liệu lớp 3 (Gói IP)

NhÃn
MPLS

Mào đầu
lớp 2

Hỡnh 1.7: V trớ ca nhón MPLS trong khung lớp 2
Do nhãn MPLS được chèn vào vị trí như vậy nên bộ định tuyến gửi
thơng tin phải có phương tiện gì đó thơng báo cho bộ định tuyến nhận biết
rằng gói đang gửi đi khơng phải là gói IP thuần mà là gói có nhãn (gói
MPLS). Để đơn giản chức năng này, một số giao thức mới được định
nghĩa trên lớp 2 như sau:
- Trong môi trường LAN, các gói có nhãn truyền tải gói lớp 3 đơn
hướng (unicast) hay đa hướng (multicast) sử dụng giá trị 8847H và
8848H cho dạng Ethernet. Các giá trị này được sử dụng trực tiếp trên
phương tiện Ethernet (bao gồm cả Fast Ethernet và Gigabit Ethernet).


20

- Đối với kênh kết nối kiểu PPP, sử dụng giao thức điều khiển mạng
mới là MPLSCP (Giao thức điều khiển MPLS). Các gói MPLS được
đánh dấu bởi giá trị 8281H trong trường giao thức PPP.
- Các gói MPLS truyền qua mạng FR được đánh dấu bởi nhận dạng giao
thức lớp mạng SNAP của FR, tiếp theo mào đầu SNAP với giá trị
8847H cho dạng Ethernet.

- Các gói MPLS truyền giữa một cặp định tuyến qua kênh ảo ATM được
đóng gói với mào đầu SNAP sử dụng giá trị cho dạng Ethernet như
trong môi trường LAN.
 Chuyển mạch nhãn trong chế độ khung
Quay trở lại ví dụ về chuyển mạch nhãn trong mạng MPLS chỉ ra
trong hình 1.3.
- Sau khi nhận được khung PPP lớp 2 từ LSR biên 1, LSR lõi 1 lập tức
nhận dạng gói nhận được là gói có nhãn dựa trên giá trị trường giao
thức PPP và thực hiện việc kiểm tra nhãn trong cơ sở dữ liệu chuyển
tiếp nhãn (LFIB).
- Kết quả cho thấy nhãn vào là 30 được thay bằng nhãn 28, tương ứng
với việc gói tin sẽ được chuyển tiếp đến LSR lõi 3.
- Tại LSR lõi 3, nhãn được kiểm tra và nhãn số 28 được thay bằng
nhãn số 37 và cổng ra được xác định. Gói tin được chuyển tiếp tới
LSR biên 4.
- Tại LSR biên 4, nhãn 37 được loại bỏ và việc kiểm tra địa chỉ lớp 3
được thực hiện, gói tin được chuyển tiếp đến bộ định tuyến tiếp theo
ngoài mạng MPLS.


21

In
Label

Address
Prefix

Out
Label

Out
Place

Link
Infor.

In
Label

Address
Prefix

Out
Label

Out
Place

Link
Infor.

X

128.89.0.0/16

4

1

...

4

128.89.0.0/16

9

0

...

X

171.69.0.0/16

5

1

...

5

171.69.0.0/16

7

1

...

...

...

...

...

...

...

...

...

...

...

171.69.0.0/16

1

1
0
128.89.25.4

Data

4

128.89.25.4

Data
128.89.0.0/16
9

128.89.25.4

Data

128.89.25.4

Data

Hình 1.8: Bảng định tuyến nhãn LFIB.
Quá trình chuyển đổi nhãn được thực hiện trong các LSR lõi dựa trên
bảng định tuyến nhãn LFIB. Bảng định tuyến này phải được cập nhật đầy
đủ để đảm bảo mỗi LSR trong mạng MPLS có đầy đủ thơng tin về tất cả
các hướng chuyển tiếp. Quá trình này được xảy ra trước khi thông tin
được truyền trong mạng và được gọi là quá trình liên kết nhãn (label
binding).
 Quá trình liên kết và lan truyền nhãn
Khi xuất hiện một LSR mới trong mạng MPLS hay bắt đầu khởi tạo
mạng MPLS, các thành viên LSR trong mạng MPLS phải có liên lạc với
nhau trong q trình khai báo thơng qua bản tin Hello. Sau khi bản tin này
được gửi một phiên giao dịch giữa hai LSR thực hiện. Thủ tục trao đổi là

giao thức LDP.
Ngay sau khi cơ sở dữ liệu nhãn LIB được tạo ra trong LSR, nhãn
được gán cho mỗi FEC mà LSR nhận biết được. Trong trường hợp định
tuyến dựa trên địa chỉ đích đơn hướng, FEC tương đương với prefix trong
bảng định tuyến IP. Như vậy, nhãn được gán cho mỗi prefix trong bảng
định tuyến IP và bảng chuyển đổi chứa trong LIB. Bảng chuyển đổi định
tuyến này được cập nhật liên tục khi xuất hiện những tuyến nội vùng mới,


22

nhãn mới sẽ được gán cho tuyến mới.
Do LSR gán nhãn cho mỗi tiền tố IP (IP prefix) trong bảng định tuyến
của chúng ngay sau khi tiền tố xuất hiện trong bảng định tuyến và nhãn là
phương tiện được LSR khác sử dụng khi gửi gói tin có nhãn đến chính
LSR đó nên phương pháp gán và phân phối nhãn này gọi là gán nhãn điều
khiển độc lập với quá trình phân phối ngược khơng u cầu.
Việc liên kết nhãn được quảng bá đến tất cả các bộ định tuyến thông
qua phiên LDP. Chi tiết hoạt động của LDP được mô tả trong phần sau.
1.4.2 Chế độ hoạt động tế bào MPLS
Khi triển khai MPLS qua ATM cần phải giải quyết một số vấn đề sau:
- Hiện tại không tồn tại một cơ chế nào cho việc trao đổi trực tiếp các
gói IP giữa hai nút MPLS liền kề qua giao diện ATM. Tất cả các số
liệu trao đổi qua giao diện ATM phải được thực hiện qua kênh ảo
ATM.
- Các tổng đài ATM không thể thực hiện việc kiểm tra nhãn hay địa chỉ
lớp 3. Khả năng duy nhất của tổng đài ATM là chuyển đổi VC đầu vào
sang VC đầu ra của giao diện ra.
Như vậy cần phải xây dựng một số cơ chế để đảm bảo thực thi MPLS qua
ATM như sau:

- Các gói IP trong mảng điều khiển không thể trao đổi trực tiếp qua giao
diện ATM. Một kênh ảo VC phải được thiết lập giữa hai nút MPLS
liền kề để trao đổi thông tin điều khiển.
- Nhãn trên cùng trong ngăn xếp nhãn phải được sử dụng cho các giá trị
VPI/VCI.
- Các thủ tục gán và phân phối nhãn phải được sửa đổi để các tổng đài
ATM không cần phải kiểm tra địa chỉ lớp 3.
Trong phần tiếp theo một số thuật ngữ sau đây được sử dụng:


23

- Giao diện ATM điều khiển chuyển mạch nhãn (LC-ATM): Là giao
diện ATM trong tổng đài hoặc trong bộ định tuyến mà giá trị VPI/VCI
được gán bằng thủ tục điều khiển MPLS (LDP).
- ATM-LSR: Là tổng đài ATM sử dụng giao thức MPLS trong mảng
điều khiển và thực hiện chuyển tiếp MPLS giữa các giao diện LCATM trong mảng số liệu bằng chuyển mạch tế bào ATM truyền thống.
- LSR theo khung: Là LSR chuyển tiếp toàn bộ các khung giữa các giao
diện của nó. Bộ định tuyến truyền thống là một ví dụ cụ thể của LSR
loại này.
- Miền ATM-LSR: Là tập hợp các ATM-LSR kết nối với nhau thông
qua các giao diện LC-ATM.
- ATM-LSR biên: Là LSR theo khung có ít nhất một giao diện LC-ATM.
B­íc 1: Gưi yêu cầu
cho giá trị nhÃn X
đến nút liền kề
Bước 2: ATM-LSR
lõi 1 gửi yêu cầu giá
trị nhÃn X đến
ATM-LSR lõi 3

LSR biên 1

Bước 3: ATM-LSR lõi 3
gửi yêu cầu giá trị nhÃn X
đến LSR biên 4
LSR biên 4

gi

át

gi

át

u

rị

cầ

X

êu

Y

X

ATM-LSR lõi 3

=1

/6

3

Y

êu

X

cầ

u

rị
5

/8

=1

X
ATM-LSR lõi 1
Yêu cầu giá trị X

LSR biên 2

Bước 4: LSR biên 4 gán
giá trị VPI/VCI và gửi
trả lời ATM-LSR lõi 3

X=1/241

LSR biên 3

Bước 6: Giá trị VPI/VCI
nội vùng được gán bởi
ATM-LSR lõi 1 gửi đến
LSR biên 1 trả lời cho
yêu cầu
ATM-LSR lõi 2

Bước 5: ATM-LSR lõi 3
gán giá trị VPI/VCI nội
vùng, chuyển đổi VPI/VCI
vào sang VPI/VCI ra và
gửi giá trị VPI/VCI míi
®Õn ATM-LSR lâi 1

Hình 1.9: Phân bổ nhãn trong mạng ATM-MPLS
 Kết nối trong mảng điều khiển qua giao diện LC-ATM.

LSR biªn 5