Nghiên cứu công nghệ chuyển mạch mềm trong mạng viễn thông

..

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

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH MỀM
TRONG MẠNG VIỄN THÔNG

Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện tử viễn thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Kỹ thuật Điện tử viễn thông

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. Nguyễn Viết Nguyên

Hà Nội – Năm 2011


Công nghệ GMPLS

LỜI CAM ĐOAN

Học viên xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu độc lập của mình. Luận
văn được hoàn thành bởi cá nhân dưới sự hướng dẫn của Thầy giáo, TS Nguyễn
Viết Nguyên và các Thầy, Cô giáo của Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Các tài liệu tham khảo, công thức, sử dụng trong Luận văn đều được ghi
nguồn cụ thể, rõ ràng.

Hà Nội, ngày tháng năm 2011

Học viên cao học

Lê Việt Hùng


Công nghệ GMPLS

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH MỀM .. 4
1.1 Khái niệm chuyển mạch mềm ................................................................................. 4
1.2 Tính chất và đặc điểm.............................................................................................. 4
1.3 Các công nghệ chuyển mạch (IP, ATM, MPLS, GMPLS) ..................................... 5
1.3.1 Công nghệ chuyển mạch IP.............................................................................. 5
1.3.2 Công nghệ chuyển mạch ATM......................................................................... 6
1.3.3 Công nghệ chuyển mạch nhãn (MPLS)............................................................ 6
1.3.4 Công nghệ chuyển mạch nhãn tổng quát (GMPLS)......................................... 7

CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC ................ 8
2.1 Định nghĩa MPLS .................................................................................................... 8
2.2 Đặc điểm của MPLS ................................................................................................ 9
2.3 Kiến trúc của MPLS .............................................................................................. 10
2.4 Các khái niệm cơ bản của MPLS........................................................................... 11
2.4.1 FEC-Forwarding Equ4alence Class ............................................................... 11
2.4.2 Nhãn –Label ................................................................................................... 12

2.4.3 Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn –LSR(Label Switch Router) .................... 14
2.4.4 Đường chuyển mạch nhãn –LSP (Label Switching Path).............................. 15
2.4.5 Cơ sở dữ liệu nhãn –LIB-Label Information Base ......................................... 16
2.4.6 Cơ sử dữ liệu chuyển tiếp nhãn-LFIB-Label Forwarding Information Base........ 16
2.4.7 Ngăn xếp nhãn................................................................................................ 16
2.5 Các chế độ hoạt động khung trong mạng MPLS ................................................... 16
2.5.1 Các bước hoạt động ........................................................................................ 16
2.5.2 Chức năng Penultimate Hop Popping (PHP) ................................................. 18
2.5.3 Quá trình liên kết và lan truyền nhãn ............................................................. 18
2.6 Giao thức phân phối nhãn-Label Distribution Protocol......................................... 19


Cơng nghệ GMPLS

2.6.1 Các tính chất cơ bản của giao thức LDP ........................................................ 19
2.6.2 Các bước hoạt động trong LDP...................................................................... 19

CHƯƠNG 3 CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC TỔNG
QUÁT (GMPLS)...................................................................................................... 22
3.1 Định nghĩa GMPLS ............................................................................................... 22
3.2 Các khái niệm cơ bản trong GMPLS..................................................................... 23
3.2.1 Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn trong GMPLS(LSR)................................. 23
3.2.2 Giao diện của bộ định tuyến chuyển mạch nhãn............................................ 23
3.2.3 Đường chuyển mạch nhãn trong GMPLS (LSP)............................................ 25
3.3 Ưu điểm của GMPLS ............................................................................................ 25
3.4 Tách biệt lớp điều khiển và lớp dữ liệu ................................................................. 29
3.5 Định tuyến trong GMPLS...................................................................................... 29
3.5.1 Giao thức OSPF mở rộng ............................................................................... 29
3.5.2 Các khái niệm trong định tuyến GMPLS ....................................................... 34
3.6 Báo hiệu trong GMPLS ..................................................................................... 39

3.6.1 Giao thức RSVP-TE mở rộng cho GMPLS.................................................... 39
3.6.2 Yêu cầu nhãn (General Label Request) .......................................................... 48
3.6.3 Báo hiệu đường 2 hướng................................................................................. 52
3.6.4 Thiết lập nhãn ................................................................................................. 53
3.6.5 Kiến trúc báo hiệu........................................................................................... 56
3.7 Giao thức quản lý kết nối LMP (Link Management Protocol).......................... 58
3.7.1 Tại sao phải có LMP....................................................................................... 58
3.7.2 Loại liên kết dữ liệu ........................................................................................ 59
3.7.3 Các chức năng của giao thức LMP ................................................................. 60
3.8 Điều khiển lưu lượng trong mạng GMPLS ...................................................... 67
3.8.1 Điều khiển lưu lượng ...................................................................................... 67
3.8.2 Giao thức điều khiển lưu lượng trong GMPLS .............................................. 69
3.8.3 Bó liên kết điều khiển lưu lượng .................................................................... 70
3.8.4 Vùng điều khiển lưu lượng và các lớp chuyển mạch...................................... 71
3.9 Mơ hình dịch vụ của GMPLS ................................................................................ 73
3.9.1 Mơ hình ngang hàng (Peer Model) ................................................................. 73
3.9.2 Mơ hình chồng lấn (Overlay Model) .............................................................. 75
3.9.3 Mơ hình lai ghép (Hybird Model)................................................................... 76
3.10 Ứng dụng GMPLS trong mạng chuyển mạch quang tự động (ASON)............... 76

CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỬ NGHIỆM BẢN TIN BÁO HIỆU RSVPTE/GMPLS ............................................................................................................... 79


Công nghệ GMPLS

4.1 Phần mềm DRAGON ............................................................................................ 79
4.2 Xây dựng mơ hình thử nghiệm .............................................................................. 80
4.2.1 Mơ hình mạng................................................................................................. 80
4.2.2 Cài đặt phần mềm ........................................................................................... 80
4.2.3 Khai báo và cấu hình các tham số................................................................... 81

4.2.4 Kết quả............................................................................................................ 85
4.2.5 Đánh giá.......................................................................................................... 92
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ
TÀI LIỆU THAM KHẢO


Công nghệ GMPLS

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Từ Viết Tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

ATM

Asynchronus Transfer Mode

Truyền không đông bộ

BGP

Border Gateway Protocol

Giao thức địng tuyến biên

DRAGON

Dynamic Resource Allocation via

Phần mềm GMPLS

GMPLS Optical Network
DWDM

Dense Wavelength D4ision

Ghép kênh phân chia theo bước

Multiplexing

sóng

FEC

Forwarding Equ4alence Class

Lớp các nhãn tương ứng

FSC

Fiber Switch Capable

Khả năng chuyển mạch sợi
quang

GMPLS

Generalized Multi-Protocol Label

Chuyển mạch nhãn tổng quát đa

Switching

giao thức

IETF

Internet Engineering Task Force

IGP

Internal Gateway Protocol

Giao thức định tuyến vùng

IP

Internet Protocol

Giao thức internet

LDP

Label Distribution Protocol

Giao thức phân phối nhãn

LIB

Label Information Base

Cơ sở dữ liệu nhãn

LMP

Link Management Protocol

Giao thức quản lý liên kết

LSA

Link-State Advertisement

Quảng bá trạng thái liên kết

LSC

Lamda Switch Capable

Khả năng chuyển mạch bước
sóng

LSP

Label Switching Path

Đường chuyển mạch nhãn

LSR

Label Switching Router

Bộ định tuyến chuyển mạch
nhãn

MPLS

Multi-Protocol Label Switching

Chuyển mạch nhãn đa giao thức

MTU

Maximum Transmission Unit

Đơn vị truyền dữ liệu

OSPF

Open Shortest Path First

Tìm đường ngắn nhất


Công nghệ GMPLS

OXC

Optical Corss Connect

Kết nối chéo quang

PSC

Packet Switch Capable

Khả năng chuyển mạch gói

QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

RSVP

Reservation Protocol

Giao thức dành sẵn tài nguyên

RSVP-TE

Reservation Protocol Traffic

Giao thức dành sẵn tài nguyên-

Engineering

điều khiển lưu lượng

SONET

Synchronous Optical Network

Mạng quang đồng bộ

TDM

Time D4ision Multiplex

Ghép kênh phân chia theo thời
gian

TLV

Time-Length-Variable

Thời gian-Chiều dài-Biến

VLSR

Virtual Label Switching Router

Bộ định tuyến chuyển mạch
nhãn ảo

BGP

Border Gateway Protocol

Giao thức địng tuyến biên

WDM

Wavelenght D4ision Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo bước
sóng


Công nghệ GMPLS

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng.3.1 Bảng miêu tả loại đơn vị TLV ................................................................................. 37
Bảng.3.2 Các bản tin của giao thức RSVP-TE ....................................................................... 41
Bảng.3.3 Miêu tả các trường của Common Message Header ............................................... 42
Bảng.3.4 Miêu tả các trường của Object ................................................................................. 43
Bảng.3.5 Bảng định nghĩa các loại dữ liệu .............................................................................. 50


Cơng nghệ GMPLS

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình.2.1 Kiến trúc nút mạng MPLS ....................................................................................... 10
Hình.2.2 Trao đổi thơng tin giữa các nút MPLS .................................................................... 11
Hình.2.3 Trường MPLS Header được chèn ........................................................................... 12
Hình.2.4 Các thành phần trong mào đầu MPLS .................................................................... 13

Hình.2.5 Bộ định tuyến MPLS ................................................................................................ 14
Hình.2.6 Q trình chuyển gói IP trong mạng ....................................................................... 17
Hình.2.7 Minh họa hoạt động của MPLS ............................................................................... 20
Hình.3.1 Kiến trúc phân lớp của mạng ................................................................................... 23
Hình.3.2 Khái niệm nhãn trong GMPLS ................................................................................ 24
Hình.3.3 Đường chuyển mạch nhãn phân cấp(LSP) ............................................................. 25
Hình.3.4 Cơ chế điều khiển trong IP/MPLS ........................................................................... 26
Hình.3.5 Cơ chế điều khiển trong GMPLS ............................................................................ 27
Hình.3.6 Cơ chế điều khiển tích hợp và phân tán trong GMPLS ......................................... 27
Hình.3.7 Kiến trúc của giao thức GMPLS ............................................................................. 28
Hình.3.8 Mơ hình lớp các giao thức GMPLS ........................................................................ 28
Hình.3.9 Tách biệt về mặt logic của mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu trong kiến
trúc GMPLS ............................................................................................................... 29
Hình.3.10 Giao thức định tuyến link state ................................................................................. 30
Hình.3.11 Khái niệm trạng thái liên kết và “flooding” ............................................................ 30
Hình.3.12 Ví dụ tìm đường dựa trên băng thơng-độ trễ .......................................................... 33
Hình.3.13 Khái niệm liên kết TE ............................................................................................... 34
Hình.3.14 Bản tin “opaque” LSA .............................................................................................. 36
Hình.3.15 Mơ hình giao thức RSVP-TE ................................................................................... 40
Hình.3.16 Đóng gói bản tin RSVP-TE ...................................................................................... 42
Hình.3.17 Khn dạng Common Message Header ................................................................. 42
Hình.3.17 Khn dạng của Object ............................................................................................ 43
Hình.3.18 Quá trình xử lý bản tin PATH .................................................................................. 44


Cơng nghệ GMPLS

Hình.3.19 Q trình xử lý bản tin RESV .................................................................................. 44
Hình.3.20 Quá trình xử lý bản tin PathTear .............................................................................. 45
Hình.3.21 Quá trình xử lý bản tin ResvTear ............................................................................. 45

Hình.3.22 Thiết lập đường chuyển mạch nhãn(LSP) .............................................................. 46
Hình.3.23 Ví dụ thiết lập LSP bằng RSVP-TE ........................................................................ 47
Hình.3.24 Khn dạng của đối tượng yêu cầu nhãn (Label-request object) ......................... 49
Hình.3.25 Nhãn hướng vào (upstream label) ............................................................................ 52
Hình.3.26 Thiết lập nhãn ............................................................................................................. 54
Hình.3.27 Phân cấp đường chuyển mạch nhãn ........................................................................ 57
Hình.3.28 Các loại liên kết dữ liệu ............................................................................................. 59
Hình.3.29 Giao thức quản lý liên kết ......................................................................................... 61
Hình.3.30 Các thành phần mạng ................................................................................................ 71
Hình.3.31 Các mạng riêng lẻ TDM, bước sóng ....................................................................... 72
Hình.3.32 Mơ hình ngang hàng ................................................................................................. 74
Hình.3.33 Mơ hình chồng lấn ..................................................................................................... 75
Hình.3.34 Ứng dụng GMPLS trong mạng ASON .................................................................. 77
Hình.4.1 Mơ hình test mạng GMPLS ..................................................................................... 80


Công nghệ GMPLS

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

Nhưng một bất cập với thực tế là giao thức MPLS chỉ chạy được trên nền tảng
mạng IP, các thiết bị hoạt động trong mạng MPLS phải có giao diện vật lý xử lý
được các gói tin IP, điều này làm hạn chế khả năng ứng dụng của công nghệ.
Thực tế cần thiết phải ra đời một công nghệ chuyển mạch khắc phục được
nhược điểm trên. Công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức tổng quát (GMPLS) ra
đời đã mở rộng được khả năng ứng dụng trên các thiết bị có các giao diện vật lý xử
lý gói IP, TDM, optical.. trong khi vẫn bao hàm được tất cả các tính năng của cơng
nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS.
Với mục đích tìm muốn tìm hiểu và nắm bắt được công nghệ chuyển mạch
nhãn đa giao thức tổng quát (GMPLS), em đã chọn lĩnh vực này để làm luận văn
của mình.

Lịch sử nghiên cứu
Cơng nghệ GMPLS được nghiên cứu từ khá sớm, những năm 2006, 2007
nhiều tác giả như Adrian Farrel, Igor Bryskin hay Naoaki Yamanaka đã xuất bản
các cuốn sách của mình viết chi tiết về cơng nghệ này. Cũng trong khoảng thời gian
đó một số sinh viên của các trường đại học ở Hà Lan, Mỹ cũng xây dựng các mô

1


Cơng nghệ GMPLS

hình mạng GMPLS để thực hiện các bài test phục vụ cho các mục đích nghiên cứu
của họ.

Mục đích nghiên cứu
Nắm bắt và hiểu được bản chất tính ưu việt của công nghệ chuyển mạch nhãn
đa giao thức tổng qt (GMPLS) để từ đó xây dựng được mơ hình mạng GMPLS
nhằm phục vụ cho việc phân tích các giao thức định tuyến OPSP-TE hay giao thức

báo hiệu RSVP-TE là mục tiêu chính của đề tài.
Để làm được điều đó ta cần tìm hiểu và cài đặt thực tế một mạng GMPLS để
từ đó có thể thực hiện thiết lập, quản lý các đường chuyển mạch nhãn LSP, đồng
thời quan sát được nguyên lý hoạt động của giao thức báo hiệu RSVP-TE thông qua
việc bắt các bản tin của giao thức RSVP.

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

Phương pháp nghiên cứu
Tìm hiều và khai thác các nguồn tài liệu từ bên ngồi như internet, bài báo, tạp
trí khoa học công nghệ.
Sử dụng các công cụ mô phỏng với mã nguồn mở, dùng các phần mềm mã
nguồn mở để mô phỏng và xây dựng mơ hình mạng.

Cấu trúc của luận văn
Ngoài lời mở đầu, mục lục, tài liệu tham khảo, luận văn được chia làm 4
chương.
Chương 1: Giới thiệu chung về công nghệ chuyển mạch mềm.
Chương 2: Công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức.
Chương 3: Công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức tổng quát.
Chương 4: Xây dựng mô hình thử nghiệm bản tin báo hiệu RSVP-TE/GMPLS.

2


Công nghệ GMPLS

Do những hạn chế về thời gian, về tài liệu, về điều kiện thí nghiệm và khả
năng của người viết, nội dung của luận văn khó tránh khỏi những sai sót và khiếm
khuyết. Tác giả rất mong nhận được sự chỉ dẫn tận tình của các thầy cơ cũng như
những góp ý của đơng đảo bạn đọc.
Xin chân thành cảm ơn!

3


Cơng nghệ GMPLS

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CƠNG NGHỆ CHUYỂN
MẠCH MỀM
1.1 Khái niệm chuyển mạch mềm
Hiện nay có nhiều định nghĩa về chuyển mạch mềm tham khảo 2 định nghĩa
dưới đây.
Theo Nortel : “chuyển mạch mềm là một phần mềm theo mơ hình mở có thể
thực hiện được những chức năng thông tin phân tán trên một môi trường máy tính
mở và có những tính năng của mạng chuyển mạch thoại TDM truyền thống.
Chuyển mạch mềm có thể tích hợp thơng tin thoại, số liệu và Video, nó có thể phiên
dịch giao thức giữa các mạng khác nhau, ví dụ như giữa mạng tuyến và mạng cáp.
Chuyển mạch mềm cũng cho phép triển khai các dịch vụ VoIP mang lại lợi nhuận.
Một chuyển mạch mềm kết hợp tính năng của các chuyển mạch thoại lớp 4 và lớp 5
với các cổng VoIP, trong khi vẫn hoạt động trên môi trường máy tính mở chuẩn.”
Cịn theo Alcatel, chuyển mạch mềm là ý tưởng về việc tách phần cứng mạng
ra khỏi phần mềm mạng.
Thực chất của khái niệm chuyển mạch mềm chính là phần mềm thực hiện chức
năng xử lý cuộc gọi trong hệ thống chuyển mạch có khả năng chuyển tải nhiều loại
thông tin với các giao thức khác nhau.

1.2 Tính chất và đặc điểm
Nhìn chung ngồi khả năng cung cấp các chức năng giống như các chức năng
của hệ thống chuyển mạch kênh, chuyển mạch mềm được sinh ra với mục tiêu phục
vụ chủ yếu cho các mạng chuyển mạch gói, chuyển mạch lamda, và có khả năng
liên kết với mạng PSTN. Các tính chất khác biệt của một hệ thống chuyển mạch
mềm bao gồm:
• Là hệ thống có khả năng lập trình để xử lý cuộc gọi, luồng dữ liệu và hỗ trợ
các giao thức của mạng PSTN, ATM, và IP, MPLS, GMPLS.
• Mềm dẻo trong việc vận hành và quản lý.

4


Cơng nghệ GMPLS

• Kết hợp và tận dụng được ưu điểm lớn của hạ tầng mạng IP trong quá trình
truyền tải dữ liệu.
• Mềm dẻo trong q trình điều khiển lưu lượng.
• Mềm dẻo và có khả năng phản ứng lại với các sự cố bất thường của mạng.

1.3 Các cơng nghệ chuyển mạch (IP, ATM, MPLS, GMPLS)
Có thể khẳng định giai đoạn hiện nay công nghệ chuyển mạch thế hệ cũ
(chuyển mạch kênh) đang dần được thay thế hoàn tồn bằng cơng nghệ thế hệ mới
(chuyển mạch gói), điều đó khơng chỉ diễn ra trong hạ tầng cơ sở thơng tin mà cịn
diễn ra trong các cơng ty khai thác dịch vụ, trong cách tiếp cận của các nhà khai
thác thế hệ mới khi cung cấp dịch vụ cho khách hàng.

1.3.1 Công nghệ chuyển mạch IP
IP là giao thức chuyển tiếp gói tin. Việc chuyển tiếp gói tin thực hiện theo cơ

chế phi kết nối. IP định nghĩa cơ cấu đánh số, cơ cấu chuyển tin, cơ cấu định tuyến
và các chức năng điều khiển ở mức thấp (ICMP). Gói tin IP gồm địa chỉ của bên
nhận, địa chỉ là số duy nhất trong toàn mạng và mang đầy đủ thơng tin cần cho việc
chuyển gói tới đích.
Cơ cấu định tuyến có nhiệm vụ tính tốn đường đi tới các nút trong mạng. Do
vậy, cơ cấu định tuyến phải được cập nhật các thông tin về topo mạng, thông tin về
nguyên tắc chuyển tin (như trong BGP) và nó phải có khả năng hoạt động trong mơi
trường mạng gồm nhiều nút. Kết quả tính tốn của cơ cấu định tuyến được lưu trong
các bảng chuyển tin (forwarding table) chứa thơng tin về chặng tiếp theo để có thể
gửi gói tin tới hướng đích.
Kiểu chuyển tin theo từng chặng hạn chế khả năng của mạng. Ví dụ với
phương thức này, nếu các gói tin chuyển tới cùng một địa chỉ đi qua cùng một nút
thì chúng sẽ được truyền qua cùng một tuyến tới điểm đích. Điều này khiến cho
mạng không thể thực hiện một số chức năng khác như định tuyến theo đích, theo
dịch vụ.

5


Cơng nghệ GMPLS

Tuy nhiên, bên cạnh đó, phương thức định tuyến và chuyển tin này nâng cao
độ tin cậy cũng như khả năng mở rộng của mạng. Giao thức định tuyến động cho
phép mạng phản ứng lại với sự cố bằng việc thay đổi tuyến khi router biết được sự
thay đổi về topo mạng thông qua việc cập nhật thông tin về trạng thái kết nối.
Tóm lại, IP là một giao thức chuyển mạch gói có độ tin cậy và khả năng mở
rộng cao. Tuy nhiên, việc điều khiển lưu lượng rất khó thực hiện do phương thức
định tuyến theo từng chặng. Mặt khác, IP cũng không hỗ trợ chất lượng dịch vụ.

1.3.2 Công nghệ chuyển mạch ATM

Công nghệ ATM dựa trên cơ sở của phương pháp chuyển mạch gói, thơng tin
được nhóm vào các gói tin có chiều dài cố định, ngắn, trong đó vị trí của gói khơng
phụ thuộc vào đồng hồ đồng bộ và dựa trên nhu cầu bất kỳ của kênh cho trước. Các
chuyển mạch ATM cho phép hoạt động với nhiều tốc độ và dịch vụ khác nhau.
ATM có hai đặc điểm quan trọng:
• Thứ nhất ATM sử dụng các gói có kích thước nhỏ và cố định gọi là các tế
bào ATM, các tế bào nhỏ với tốc độ truyền lớn sẽ làm cho trễ truyền và
biến động trễ giảm đủ nhỏ đối với các dịch vụ thời gian thực, cũng sẽ tạo
điều kiện cho việc hợp kênh ở tốc độ cao được dễ dàng hơn.
• Thứ hai, ATM có khả năng nhóm một vài kênh ảo thành một đường ảo
nhằm giúp cho việc định tuyến được dễ dàng.
ATM khác với định tuyến IP ở một số điểm. Nó là cơng nghệ chuyển mạch
hướng kết nối. Kết nối từ điểm đầu đến điểm cuối phải được thiết lập trước khi
thông tin được gửi đi. ATM yêu cầu kết nối phải được thiết lập bằng nhân công
hoặc thiết lập một cách tự động thông qua báo hiệu. Mặt khác, ATM không thực
hiện định tuyến tại các nút trung gian. Tuyến kết nối xuyên suốt được xác định
trước khi trao đổi dữ liệu và được giữ cố định trong suốt thời gian kết nối.

1.3.3 Công nghệ chuyển mạch nhãn (MPLS)
Chuyển mạch nhãn đa giao thức kết hợp giữa lợi ích của chuyển mạch gói dựa
trên chuyển mạch lớp 2 với định tuyến lớp 3. Tương tự như các mạng lớp 2 (Frame

6


Công nghệ GMPLS

relay hay ATM), MPLS là một phương pháp cải tiến việc chuyển tiếp gói trên mạng
bằng cách gán nhãn cho các gói IP, tế bào ATM hoặc frame lớp 2. Cơ chế chuyển
tiếp qua mạng như thế được gọi là đổi nhãn (label swapping), trong đó các đơn vị

dữ liệu (ví dụ như gói hoặc tế bào) mang một nhãn ngắn có chiều dài cố định để tại
các node các gói được xử lý và chuyển tiếp.

1.3.4 Cơng nghệ chuyển mạch nhãn tổng quát (GMPLS)
Công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức tổng quát (GMPLS) là sự mở rộng
của cơng nghệ MPLS, nó hỗ trợ nhiều loại chuyển mạch: TDM (chuyển mạch khe
thời gian) lamda (bước sóng), sợi quang (cổng), kiến trúc GMPLS yêu cầu phân
tách lớp điều khiển và lớp dữ liệu, vì thế các giao thức báo hiệu và định tuyến dựa
trên nền tảng MPLS được cải tiến giúp nó khơng chỉ phù hợp với các chuyển mạch
gói mà cịn đáp ứng được với các mạng chuyển mạch khác cũng như bổ sung thêm
được các tính năng về quản lý và điều khiển lưu lượng.

7


Cơng nghệ GMPLS

CHƯƠNG 2 CƠNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO
THỨC (MPLS)
Công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức tổng quát GMPLS là công nghệ
được phát triển mỏ rộng và kế thừa các tính năng của cơng nghệ chuyển mạch nhãn
MPLS. Chính vì thế muốn nắm bắt và vận dụng được cơng nghệ GMPLS trước hết
ta tìm hiểu về cơng nghệ MPLS

2.1 Định nghĩa MPLS
Internet đang rất phát triển, lưu lượng tăng một cách đột biến và trở thành một
phần tất yếu trong yêu cầu phát triển của cơ sở hạ tầng thơng tin hiện nay. Đặc điểm
chính của Internet hiện nay là lưu lượng luôn luôn được chuyển đi theo phương
thức “best – effort“, sử dụng bộ giao thức TCP/IP. Trên thực tế, các yêu cầu mức
dịch vụ thường đạt được bằng cách cung cấp các kết nối nhanh hơn và nhiều hơn,

liên kết với số lượng lớn các bộ định tuyến và chuyển mạch phức tạp trong khi vẫn
đảm bảo việc sử dụng mạng là không quá cao.
Các đòi hỏi mới về các dịch vụ khác nhau với các mức yêu cầu khác nhau đã
tác động nhanh chóng tới các nhà cung cấp mạng và dịch vụ Internet, thúc đẩy việc
nghiên cứu, thực hiện các công nghệ mới, các thiết bị nhanh hơn và tiên tiến hơn.
Trong tương lai chất lượng dịch vụ QoS sẽ là tiêu trí hàng đầu để người dùng đánh
giá và sử dụng dịch vụ đó.
MPLS là cơng nghệ hứa hẹn cung cấp QoS và rất nhiều các ứng dụng, thích
hợp với mạng Internet “best –effort“ hiện tại.
Định nghĩa của MPLS như sau: MPLS là một tập các công nghệ Internet mở,
dựa trên 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. Bằng việc sử dụng các giao
thức điều khiển và định tuyến Internet đang tồn tại và mở rộng, MPLS cung cấp
chuyển mạch liên kết có định hướng ảo qua các tuyến Internet nhờ sự cung cấp các

8


Công nghệ GMPLS

nhãn và mẫu trao đổi nhãn. MPLS bao gồm sự thực hiện các đường chuyển mạch
nhãn LSP qua hầu hết công nghệ mức liên kết phổ biến.

2.2 Đặc điểm của MPLS
Sau cuộc họp BOF tháng 12/1996 ,MPLS WG triệu tập đầu năm 1997 và xác
định bốn vấn đề chính đối với mạng Internet là:
• Khả năng mở rộng định tuyến của lớp mạng .
• Hiệu năng chuyển gói .
• Tổ hợp các cơng nghệ dựa trên tế bào .
• Tăng khả năng định tuyến phục vụ chuyển mạch mềm dẻo .

Đó là các thách thức lớn đối với mạng Internet hiện nay. Chúng bao gồm sự tổ
hợp các công nghệ khác nhau để cùng tồn tại, phát triển và mở rộng ra tăng lưu
lượng, thiết bị mới, cung cấp chức năng mới, các ứng dụng và dịch vụ Internet mới
.Sự ra đời của công nghệ MPLS đã giải quyết các vấn đề trên:
• MPLS có thể tăng khả năng mở rộng của định tuyến IP lớp mạng bằng việc
tránh được số lượng lớn các kết nối giữa các router trong trung tâm Internet
• Hiệu năng chuyển gói cũng được tăng lên rất nhiều bằng việc tra cứu bảng
định tuyến cho các nhãn ngắn, độ dài cố định là nhanh hơn nhiều việc tra
cứu bằng địa chỉ IP đích rất dài trong định tuyến IP truyền thống.
• MPLS chuyển mạch theo các nhãn và thiết lập một đường chuyển mạch
riêng tương tự như cơng nghệ ATM, nên nó hồn tồn có khả năng hỗ trợ
các mạng backbone dựa trên ATM.
• Trong định tuyến truyền thơng, sự tra cứu phải được thực hiện tại mỗi
router để xác định chặng tiếp theo cho gói và sự phân tích đầy đủ các
Header phải được thực hiện đầy đủ mỗi chặng.Trong MPLS đường chuyển
gói được thiết lập trước tiên, khơng có sự địi hỏi phân tích thêm Header
lớp mạng ở các nút trung gian, chỉ có việc trao đổi các nhãn trong quá trình
chuyển dữ liệu.Việc quyết định đường chuyển gói nào mà một gói sẽ sử
dụng là một trong những ưu điểm so với định tuyến IP truyền thống trong
sự định tuyến mềm dẻo .

9


Cơng nghệ GMPLS

• Tăng cường khả năng điều khiển lưu lượng và khả năng hoạt động của
mạng: Tại thời điểm nhãn được đưa vào, các tham số kỹ thuật về lưu lượng
được xác định trước có thể lập trình đưa vào phần cứng nhằm đảm bảo mức
băng thông lưu lượng, điều khiển tắc nghẽn ….

2.3 Kiến trúc của MPLS
Kiến trúc của MPLS bao gồm hai thành phần: Thành phần chuyển gói tin (data
plane) và Thành phần điều khiển (control plane).

• Thành phần chuyển gói tin (data plane): sử dụng một bảng chuyển nhãn
(được xây dựng bởi thành phần điều khiển với các giao thức IP) để tráo đổi
nhãn với gói IP vào router. Các router nhận gói tin, đọc nhãn của gói tin sử
dụng bảng chuyển nhãn để gán một nhãn mới cho gói tin.
• Thành phần điều khiển: sử dụng các giao thức định tuyến IP và giao thức
phân phối nhãn để trao đổi thông tin định tuyến và liên kết nhãn với router
khác. Qua đó xây dựng lên bảng chuyển nhãn.

Giao thức định
t ế IP

Trao đổi thông tin
định tuyến với Router
khác

Bảng định tuyến

Giao thức trao đổi và
liên kết nhãn

Trao đổi và liên kết
nhãn với Router
khác

Lớp điều khiển

Gói tin
vào

Bảng tráo đổi nhãn

Gói tin ra

Lớp chuyển gói tin

Hình.2.1 Kiến trúc nút mạng MPLS

10


Cơng nghệ GMPLS

Qua đó có thể thấy MPLS đã tách chức năng điều khiển khỏi chức năng chuyển
dữ liệu. Có thể thấy rõ qua hình dưới:

Phần mềm
Phần điều khiển

Dữ liệu

Phần chuyển mạch
Phần cứng

Điều khiển
“Slow path”

Dữ liệu
“fast path”

Phần mềm
Phần điều khiển

Phần chuyển mạch

Dữ liệu

Phần cứng

Hình.2.2 Trao đổi thơng tin giữa các nút MPLS

Lưu lượng chảy qua mạng có thể chia làm hai loại cơ bản: lưu lượng điều
khiển và lưu lượng dữ liệu. Lưu lượng điều khiển bao gồm các thông tin định tuyến
và quản lý. Lưu lượng dữ liệu bao gồm tất cả các thơng tin cịn lại. Lưu lượng dữ
liệu chạy theo đường “fast path” và được xử lý bằng các thiết bị mạng trong một
phương thức hiệu suất thời gian thực. Trong hầu hết các thiết bị hiện đại ,” fast path
“ được thực hiện trong phần cứng. Bất cứ khi nào thiết bị mạng gặp một gói không
phải là dữ liệu (điều này thực hiện bằng việc kiểm tra header của gói), gói tin sẽ
được chuyển lên phần điều khiển để xử lý. Các gói điều khiển bao gồm thông tin
cần thiết cho việc định tuyến và điều khiển. Các gói đó được xử lý chậm hơn do
chúng được thực hiện bằng phần mềm.

2.4 Các khái niệm cơ bản của MPLS
2.4.1 FEC-Forwarding Equ4alence Class
FEC là một tập hợp các gói lớp mạng được chuyển qua cùng một đường theo
cùng một phương thức. FEC có thể tương đương với địa chỉ mạng con.
Mỗi khi gói tin IP bắt đầu vào mạng MPLS nó sẽ được Router ở biên (lề)

mạng gán vào một FEC. Quá trình gán này chỉ được thực hiện duy nhất một lần tại

11


Công nghệ GMPLS

router biên, đây là điểm khác biệt so với phương thức IP truyền thống (sự phân chia
các gói vào FEC được thực hiện qua mỗi chặng). Mỗi FEC sau đó được ánh xạ vào
một giá trị có chiều dài ngắn ,cố định được gọi là nhãn.

2.4.2 Nhãn –Label
Nhãn MPLS là một thành phần nhận dạng có chiều dài ngắn, cố định dùng để
xác định FEC. Nhãn được gắn vào gói và đại diện cho FEC mà gói đã ấn định. Một
điều quan trọng là: nhãn MPLS không phải là sự mã hóa của địa chỉ mạng. Với các
cơng nghệ chuyển mạch lớp liên kết dữ liệu như ATM và FR, nhãn MPLS được
chèn vào trường nhãn dùng trong các giao thức đặc biệt. Với ATM, trường
VPI\VCI được sử dụng cho nhãn MPLS.
Trong trường hợp MPLS được sử dụng để chuyển các gói IP khơng hỗ trợ
nhãn thì Header MPLS được chèn vào giữa Header lớp 2 và Header lớp 3 được gọi
là Shim Header.

Hình.2.3 Trường MPLS Header được chèn

12


Cơng nghệ GMPLS

Mỗi Header MPLS có độ dài 32 bít bao gồm bốn trường:

• Trường nhãn.
• Trường EXP.
• Trường Stack.
• Trường TTL.
Các trường được biểu diễn trong hình dưới

20 Bit
NHÃN

3 Bit

1 Bit

EXP

S

8 Bit
TTL

Hình.2.4 Các thành phần trong mào đầu MPLS

• Trường nhãn MPLS.
Trường nhãn MPLS mang giá trị thực của nhãn MPLS ,được sử dụng cho
các hoạt động gán nhãn, trao đổi nhãn và gỡ bỏ nhãn. Trường nhãn có độ dài
20 bít Một nhãn chỉ có ý nghĩa cục bộ giữa hai LSR đang truyền thông với
nhau .
Độ dài nhãn là ngắn so với các địa chỉ lớp liên kết và lớp mạng (IPv4 là 32
bit. IP v6 là 128 bit), đặc điểm này sẽ làm tăng tốc độ chuyển mạch của các
gói MPLS qua mạng. Các nhãn khơng có cấu trúc và được lưu trữ trong cơ

sở thơng tin nhãn LIB(Label Information Base).
• Trường EXP (Experimental Bits Field).
Trường EXP gồm 3 bit có thể tác động đến các thuật tốn hàng đợi được
cung cấp cho các gói khi chuyển qua mạng. Trường này được chuẩn hóa để
sử dụng với DiffServ và cung cấp các dịch vụ khác nhau .
• Trường ngăn xếp nhãn S.
Một bit trong ngăn xếp nhãn được sử dụng để hỗ trợ sự phân cấp nhãn trong
ngăn xếp nhãn .Ngăn xếp nhãn hỗ trợ theo phương thức Last-in Fist-out.
• Trường TTL (Time To L4e).

13


Công nghệ GMPLS

Trường TTL trong MPLS cũng hoạt động tương tự trường TTL như trong IP
truyền thống: có chức năng ngăn loop. Nó chỉ thị một số lượng mà một gói
có thể đi qua. Nếu gói khơng đạt đến nút cục bộ hoặc đích của nó mà bộ đếm
đã trở về 0 thì gói có thể bị từ chối hoặc phát lại.

2.4.3 Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn –LSR(Label Switch Router)
Thành phần quan trọng trong MPLS là các thiết bị định tuyến chuyển mạch
nhãn LSR. Thiết bị này thực hiện chuyển gói tin IP bằng thủ tục phân phối nhãn
.LSR vừa có chức năng chuyển mạch vừa có chức năng định tuyến. LSR có thể
được xem như một số kết hợp giữa hệ thống chuyển mạch ATM với các bộ định
tuyến truyền thống, gồm đơn vị điều khiển và khối chuyển mạch.

=

+

Router

ATM
switching

MPLS
router

Hình.2.5 Bộ định tuyến MPLS

Theo vị trí và chức năng của LSR ta có các loại LSR như sau:

♦ Đối với các gói IP truyền thống:
• LSR đầu vào (Ingress LSR): LSR đầu vào xử lý các gói khi chúng bắt
đầu vào miền MPLS. Các gói IP phải được phân tích các Header, quyết
định thành viên FEC của chúng và được ấn định vào nhãn ban đầu. LSR
đầu vào là một LSR biên (Edge LSR) theo vị trí vật lý trong mạng.
• LSR trung gian: Thực hiện việc trao đổi nhãn của các gói và thực hiện
chuyển các gói đi trong miền MPLS.
• LSR đầu ra (Egress LRS): 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 nằm ở
vị trí biên của mạng.

14


Cơng nghệ GMPLS

♦ Đối với các tế bào ATM:

• ATM-LSR: là các tổng đài ATM có thể thực hiện chức năng như LSR.
Các ATM-LSR thực hiện chức năng định tuyến gói IP và gán nhãn trong
mảng điều khiển và chuyển tiếp số liệu trên cơ chế chuyển mạch tế bào
ATM trong mảng số liệu. Như vậy các tổng đài chuyển mạch ATM
truyền thống có thể nâng cấp phần mềm để thực hiện chức năng của LSR.
• ATM-LSR biên: Nhận gói có nhãn hoặc khơng nhãn, phân vào các tế bào
ATM và gửi các tế bào đến nút ATM-LSR tiếp theo. Nhận các tế bào
ATM từ ATM-LSR cận kề, tái tạo các gói từ các tế bào ATM và chuyển
tiếp gói có nhãn hoặc khơng nhãn.

2.4.4 Đường chuyển mạch nhãn –LSP (Label Switching Path)
LSP là tuyến đường mà các gói MPLS từ một FEC sử dụng để chuyển qua một
tập các LSR trong miền MPLS. LSP là một kết nối có định hướng bởi vì nó được
thiết lập trước khi chuyển gói tin. Có hai loại LSP:
• LSP thiết lập tĩnh: là một LSP được cấu hình tại mỗi LSR. Khơng có giao
thức báo hiệu nào được sử dụng, nó sử dụng quản lý mạng để thiết lập
nhãn 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 cũng được
quan tâm như đường “best-effort”. LSP được định tuyến trực tiếp có thể
cung cấp các thỏa thuận mức dịch vụ đặc biệt. Giao thức báo hiệu và
phân phối nhãn LDP(Label Distribution Protocol) được sử dụng phổ biến
cho loại LSP này.
LSP cịn có các thuộc tính gia tăng như:
• 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 LSP có độ ưu tiên thấp hơn sẽ bị hủy.

15