Công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS

MỤC LỤC
TỪ VIẾT TẮT

4

LỜI MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MPLS

7

1.1 Giới thiệu về chuyển mạch đa giao thức (MPLS)

8

1.1.1 Các đặc điểm cơ bản của công nghệ MPLS
1.1.2 Phương thức hoạt động

9

1.2 Lịch sử phát triển và các ưu điểm của MPLS

10

1.2.1 Lịch sử phát triển MPLS
1.2.2 Ưu điểm của MPLS

11

1.3 MPLS là gì?

12

1.3.1 Chức năng của MPLS

13

1.3.2 Lợi ích của MPLS
1.3.3 Ứng dụng của MPLS

14

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH MPLS

17

2.1 Cấu trúc của nút MPLS
2.1.1 Mặt phẳng chuyển tiếp (Forwarding plane)
2.1.2Mặt phẳng điều khiển ( Control Plane)
2.2 Các phần tử chính của MPLS

23
24

2.2.1 Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn LSR
2.2.2 Đường chuyển mạch nhãn LSP

25

2.2.3 Lớp chuyển tiếp tương đương (FEC)

26

2.3 Các giao thức sử dụng trong MPLS

27

2.3.1 Giao thức phân phối nhãn
2.3.2 Giao thức đặt trước tài nguyên

33

CHƯƠNG 3: MẠNG RIÊNG ẢO MPLS VPN

35

3.1 Giới thiệu về MPLS VPN
3.2 Các thành phần của MPLS VPN

36
1


3.2.1 Hệ thống cung cấp dịch vụ MPLS VPN
3.2.2 Bộ định tuyến biên nhà cung cấp dịch vụ

37

3.2.3 Bộ định tuyến và chuyển giáp ảo

38

3.3 Các mơ hình MPLS VPN

40

3.3.1 Mơ hình L3VPN
3.3.2 Mơ hình L2VPN

42

3.4 Hoạt động của MLPS VPN

43

3.4.1 Truyền thông định tuyến
3.4.2 Địa chỉ VPN IP

45

3.4.3 Chuyển tiếp gói tin trong mạng MPLS VPN

48

3.5 Bảo mật trong MPLS VPN

52

3.6 Chất lượng dịch vụ trong MPLS VPN

54

3.6.1 Mô hình ống (pipe)
3.6.2 Mơ hình vịi (hose)

56

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG CỦA MPLS TRONG VIỆC
CUNG CẤP DỊCH VỤ IP VPN CỦA EVNELECOM

58

4.1 Ứng dụng MPLS trong mạng IP core của EVNTelecom
4.1.1 Dịch vụ kênh thuê riêng leased line

61

4.1.2 Dịch vụ IP VPN
4.2 Chất lượng dịch vụ mạng EVNTelecom

64

4.3 Giớ thiệu về việc cấp kệnh tới khách hàng

69

4.4 Khó khăn trong việc cung cấp MPLS VPN

71

KẾT LUẬN

73

TÀI LIỆU THAM KHẢO

73

2


TỪ VIẾT TẮT
Asynchnorous Tranfer Mode

Truyền dẫn không đồng bộ

BGP

Border Gateway Protocol

Giao thức cổng biên

CoS

Class of Service

Cấp độ dịch vụ

DiffServ

Differentiated Services

Dịch vụ khác biệt

FEC

Forwarding Equivalency

Class Lớp chuyển tiếp tương
đương

FTP

File Tranfer Protocol

Giao thức truyền file

HDLC

High Data Link Control

Điều khiển kết nối dữ liệu tốc

IETF

Internet Engineering Task Force

Ủy ban tư vấn kỹ thuật

IntServ

Integrated Services

Dịch vụ tích hợp

IP

Internet Protocol

Giao thức Internet

IS-IS

Intermediate System to
Intermediate System Protocol

Giao thức hệ thống trung gian
tới hệ thống trung gian

LDP

Label Distribution Protocol

Giao thức phân phối nhãn

LER

Label Edge Router

Bộ định tuyến nhãn biên ra

LFIB

Label Forwarding Information
Base

Cơ sở thông tin chuyển tiếp

LIB

Label Information Base

Bảng cơ sở dữ liệu nhãn

LSP

Label Switch Path

Tuyến chuyển mạch nhãn

LSR

Label Switch Router

Bộ định tuyến chuyển mạch
nhãn

MPLS

Multiprotool Label Switching

Chuyển mạch nhãn đa giao

thức

OSPF

Open Shortest Path First

Giao thức OSPF

ATM

3


QoS

Quanlity of Service

Chất lượng dịch vụ

RSVP

Resource Reservation Protocol

Giao thức dành sẵn tài nguyên

SLA

Service Level Agreements

Thỏa thuận cấp độ dịch vụ

VCI

Virtual Channel Identifier

Định danh kênh ảo

VPI

Virtual Packet Indentifier

Định danh gói ảo

VPN

Virtual Pravite network

Mạng riêng ảo

4


LỜI MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ truyền
thông và thông tin, nghành cơng nghiệp viễn thơng đã và đang tìm một phương
thức chuyển mạch có thể kết hợp ưu điểm của IP (như khả năng định tuyến mềm
dẻo) và của ATM (khả năng chuyển mạch tốc độ cao). Công nghệ chuyển mạch
nhãn đa giao thức (MPLS – Multi Protocol Label Switching) là kết quả phát triển
của nhiều công nghệ chuyển mạch IP, sử dụng cơ chế hoán đổi nhãn của ATM để
tăng tốc độ truyền gói tin mà khơng cần thay đổi các giao thức định tuyến của IP.

MPLS tách chức năng của bộ định tuyến IP (IP router ) ra làm hai phần riêng biệt :
chức năng chuyển gói và chức năng điều khiển .
Phần chức năng chuyển gói tin, với nhiệm vụ gửi gói tin giữa các bộ định
tuyến IP, sử dụng cơ chế hoán đổi nhãn như của ATM. Trong MPLS nhãn là một
thực thể có độ dài cố định và không phụ thuộc vào lớp mạng. Kỹ thuật hốn đổi
nhãn thực chất là tìm nhãn của một gói tin trong bảng các nhãn để xác định tuyến
của gói và nhãn mới của nó. Việc này đơn giản hơn nhiều so với việc xử lý gói tin
theo kiểu thông thường và do vậy cải thiện được khả năng của thiết bị. MPLS có
thể hoạt động được với nhiều giao thức định tuyến khác nhau như OSPF, IS-IS,
BGP, ngoài ra nó cịn có thể tương thích tốt với các mạng hiện tại như IP, ATM,
Frame Relay. Ngoài ra MPLS cung cấp khả năng mở rộng mạng lớn, cung cấp
việc quản lý chất lượng dịch vụ theo yêu cầu, khả năng điều khiển lưu lượng. Với
ý nghĩa như vậy, mục đích của việc nghiên cứu đề tài bước đầu cung cấp cái nhìn
tổng quan về cơng nghệ MPLS và tiến tới đi sâu nghiên cứu để có thể ứng dụng và
triển khai trong thực tế. Với mục tiêu như vậy đề tài gồm các phần như sau:
Chương 1: Tổng quan về công nghệ MPLS.
Chương 2: Công nghệ chuyển mạch MPLS.
Chương 3: Mạng riêng ảo MPLS.
Chương 4 : Ứng dụng của MPLS.
5


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MPLS
1.1 Giới thiệu về chuyển mạch đa giao thức (MPLS)
Như chúng ta đã biết, hiện nay, Internet đã phát triển thành một mạng lưới
rộng khắp và tạo ra một loạt các ứng dụng mới trong thương mại. Những ứng
dụng này mang đến đòi hỏi phải tăng và bảo đảm được yêu cầu băng thơng trong
mạng đường trục. Thêm vào đó, ngồi các dịch vụ dữ liệu truyền thống được cung
cấp qua Internet, dịch vụ thoại (voice) và các dịch vụ đa phương tiện đang được
phát triển và triển khai. Internet đã làm nảy sinh vấn đề hình thành một mạng hội

tụ cung cấp đầy đủ các dịch vụ. Tuy nhiên vấn đề đặt ra đối với mạng bởi các dịch
vụ và ứng dụng mới là yêu cầu về băng thông và tốc độ lại đặt gánh nặng cho
nguồn tài nguyên trên cơ sở hạ tầng Internet có sẵn.
Bên cạnh vấn đề quá tải nguồn tài nguyên mạng. Một thách thức khác liên
quan tới việc truyền các byte và bit qua mạng đường trục để cung cấp các cấp độ
dịch vụ khác nhau đối với người dùng. Sự phát triển nhanh chóng của số người
dùng và lưu lượng đã làm tăng thêm sự phức tạp của vấn đề. Vấn đề cấp độ dịch
vụ (CoS) và chất lượng dịch vụ (QoS) phải được quan tâm để có thể đáp ứng được
những yêu cầu khác nhau của lượng lớn người dùng mạng .
Nhu cầu về một phương thức chuyển tiếp đơn giản mà các đặc tính quản lý lưu
lượng và chất lượng với phương thức định tuyến, chuyển tiếp thông minh là một
yêu cầu cấp thiết. Tất cả các yêu cầu đó có thể được đáp ứng bởi chuyển mạch
nhãn đa giao thức, là một phương thức không bị hạn chế bởi các giao thức lớp 2 và
lớp 3. Với các đặc tính đó MPLS đóng một vai trò quan trọng trong việc định
tuyến, chuyển mạch và chuyển tiếp gói thơng qua các mạng thế hệ sau để đáp ứng
các yêu cầu của người dùng mạng.
1.1.1 Các đặc điểm cơ bản của công nghệ MPLS

MPLS là một cơng nghệ tích hợp tốt nhất các khả năng hiện tại để phân phát
gói tin từ nguồn tới đích qua mạng Internet. Bằng cách sử dụng các giao thức điều
6


khiển và định tuyến Internet MPLS cung cấp chuyển mạch hướng kết nối ảo qua
các tuyến Internet bằng cách hỗ trợ các nhãn và trao đổi nhãn. MPLS bao gồm
việc thực hiện các đường chuyển mạch nhãn LSP, nó cũng cung cấp các thủ tục và
các giao thức cần thiết để phân phối các nhãn giữa các chuyển mạch và các bộ
định tuyến.
Sử dụng MPLS để trao đổi khe thời gian TDM, chuyển mạch khơng gian và
các bước sóng quang là những phát triển mới nhất. Các nỗ lực này được gọi là

GMPLS (Generalized MPLS).
Nhóm làm việc MPLS đã ra danh sách với 8 bước yêu cầu để xác định MPLS
đó là:
1. MPLS phải làm việc với hầu hết các cơng nghệ liên kết dữ liệu.
2. MPLS phải thích ứng với các giao thức định tuyến lớp mạng và các cơng

nghệ Internet có liên quan khác.
3. MPLS cần hoạt động một cách độc lập với các giao thức định tuyến.
4. MPLS phải hỗ trợ mọi khả năng chuyển đổi của bất kỳ nhãn cho trước nào.
5. MPLS phải hỗ trợ vận hành quản lý và bảo dưỡng (OA & M).
6.

MPLS cần xác định và ngăn chặn chuyển tiếp vòng.

7. MPLS cần hoạt động trong mạng phân cấp.
8. MPLS phải có tính kế thừa.

Tám yêu cầu này cính là các nỗ lực phát triển cần tập trung. Liên quan đến các
yêu cầu này, nhóm làm việc cũng đã ra 8 mục tiêu chính mà MPLS cần đạt được:
1. Chỉ rõ các giao thức được tiêu chuẩn hóa nhằm duy trì và phân phối nhã để

hỗ trợ định tuyến dựa vào đích unicast mà việc chuyển tiếp được thực hiện
bằng cách trao đổi nhãn. (Định tuyến unicast chỉ ra một cách chính xác một
giao diện; định tuyến dựa vào đích ngụ ý là định tuyến dựa vào địa chỉ đích
cuối cùng của gói tin).

7


2. Chỉ rõ các giao thức được tiêu chuẩn hóa nhằm duy trì và phân phối nhãn

để hỗ trợ định tuyến dựa vào đích multicast mà việc chuyển tiếp được thực
hiện bằng cách trao đổi nhãn.
3. Chỉ rõ các giao thức được tiêu chuẩn hóa nhằm duy trì và phân phối nhãn

để hỗ trợ phân cấp định tuyến mà việc chuyển tiếp được thực hiện bằng
cách trao đổi nhãn, phân cấp định tuyến nghĩa là hiểu biết về topo mạng
trong hệ thống tự trị.
4. Chỉ rõ các giaot hức được tiêu chuẩn hóa nhằm duy trì và phân phối nhãn

để hỗ trợ các đường riêng dựa vào trao đổi nhãn. Các đường này có thể
khác so với các đường đã được tính tốn trong định tuyến IP thơng thường
(định tuyến trong IP dựa vào chuyển tiếp theo địa chỉ đích). Các đường
riêng rất quan trọng trong các ứng dụng TE.
5. Chỉ ra các thủ tục được tiêu chuẩn hóa để mang thông tin về nhãn qua các

công nghệ lớp 2.
6. Chỉ ra một phương pháp tiêu chuẩn nhằm hoạt động cùng với ATM ở mặt

phẳng điều khiển và mặt phẳng người dùng.
7. Phải hỗ trợ cho các công nghệ QoS.
8. Chỉ ra các giao thức tiêu chuẩn cho phép các host sử dụng MPLS.

1.1.2 Phương thức hoạt động

Thay thế cơ chế định tuyến lớp ba bằng cơ chế chuyển mạch lớp hai. MPLS
hoạt động trong lõi của mạng IP. Các router trong lõi phả enable MLPS trên từng
giao tiếp. Nhãn được gắn thêm vào gói IP khi gói đi vào mạng MPLS. Nhãn được
tách ra khi gói ra khỏi MPLS. Nhãn (Label) được chèn vào giữ header lớp ba và
header lớp hai. Sử dụng nhãn trong q trình gửi gói sau khi đã thiết lập đường đi.

MPLS tập trung vào q trình hốn đổi nhãn (Label Swapping). Một trong những
thế mạnh của kiến trúc MPLS là tự định nghĩa chồng nhãn (Label Stack).
Kỹ thuật chuyển mạch nhãn không phải là kỹ thuật mới. Frame relay và
8


ATM cũng sử dụng công nghệ này để chuyển các khung (frame) hoặc các cell qua
mạng. Trong Frame relay, các khung có độ dài bất kỳ, đối với ATM độ dài của cell
là cố định bao gồm phần mào đầu 5 byte và tải tin là 48 byte. Phần mào đầu của
cell ATM và khung của Frame Relay tham chiếu tới các kênh ảo mà cell hoặc
khung này nằm trên đó. Sự tương quan giữa Frame relay và ATM là tại mỗi bước
nhảy qua mạng, giá trị “nhãn” trong phần mào đầu bị thay đổi. Đây chính là sự
khác nhau trong chuyển tiếp của gói IP. Khi một router chuyển tiếp một gói IP, nó
sẽ khơng thay đơie giá trị mà gắn liền với đích đến của gói; hay nói cách khác nó
khơng thay đổi địa chỉ IP đích của gói. Thực tế là các nhãn MPLS thường được sử
dụng để chuyển tiếp các gói và địa chỉ IP đích khơng cịn phổ biến trong MPLS
nữa.
1.2 Lịch sử phát triển và các ưu điểm của MPLS
1.2.1 Lịch sử phát triển MPLS
Việc hình thành và phát triển cơng nghệ MPLS xuất phát từ nhu cầu thực tế,
được các nhà công nghiệp viễn thơng thúc đẩy nhanh chóng. Sự thành cơng và
nhanh chóng chiếm lĩnh thị trường mà cơng nghệ này có được là nhờ vào việc
chuẩn hố cơng nghệ. Q trình hình thành và phát triển cơng nghệ, những giải
pháp ban đầu của hãng như Cisco, IBM, Toshiba…. Những nỗ lực chuẩn hoá của
tổ chức tiêu chuẩn IETF trong việc ban hành về tiêu chuẩn MPLS….sẽ cung cấp
cho chúng ta những nhận định ban đầu về xu hướng phát triển MPLS.
MPLS được đề xuất đầu tiên do hãng Ipsilon một hãng rất nhỏ về công nghệ
thông tin trong triển lãm về cơng nghệ thơng tin, viễn thơng tại Texas. Sau đó
Cisco và hàng loạt hãng khác như IBM, Toshiba…công bố các sản phẩm công
nghệ chuyển mạch của họ dưới những tên khác nhau nhưng đều cùng chung bản

chất công nghệ chuyển mạch nhãn.
Thiết bị định tuyến chuyển mạch tế bào của Toshiba năm 1994 là tổng đài
ATM đầu tiên được điều khiển bằng giao thức IP thay cho báo hiệu ATM. Tổng
đài của Ipsilon cũng là ma trận chuyển mạch ATM được điều khiển bởi khối xử lý
sử dụng công nghệ IP. Công nghệ chuyển mạch thẻ của Cisco cũng tương tự
9


nhưng có bổ xung thêm một vài kỹ thuật như lớp chuyển tiếp tương đương FEC,
giao thức phân phối nhãn. Đến năm 1998 nhóm nghiên cứu IETF đã tiến hành các
công việc để đưa ra tiêu chuẩn và khái niệm về chuyển mạch nhãn đa giao thức.
Sự ra đời của MPLS được dự báo là tất yếu khi nhu cầu và tốc độ phát triển
rất nhanh của mạng Internet đòi hỏi phải có một giao thức mới đảm bảo chất
lượng dịch vụ theo u cầu. Có rất nhiều cơng nghệ xây dựng trên mạng IP:
•

IP trên nền ATM (IPoA)

•

IP trên nền SDH/SONET (IPOS)

•

IP qua WDM

•

IP qua cáp quang
Mỗi loại có những ưu và nhược điểm riêng. Trong đó cơng nghệ ATM được

sử dụng rộng rãi trong các mạng IP đường trục có tốc độ cao và đảm bảo được
dịch vụ, điều khiển luồng và một số đặc tính khác mà các mạng định tuyến truyền
thống khơng có được, trong trường hợp địi hỏi thời gian thực cao thì IpoA là giải
pháp tối ưu. MPLS được hình thành dựa trên kỹ thuật đó.
1.2.2 Ưu điểm của MPLS
- Tốc độ và độ trễ:
Chuyển mạch nhãn được cung cấp để giải quyết vấn đề về tốc độ và độ trễ
một cách hiệu quả. Chuyển mạch nhãn nhanh hơn nhiều chuyển mạch IP cổ điển
bởi vì giá trị nhãn được đặt trong header của gói đến, được sử dụng để quản lý
bảng định tuyến theo cách nhãn sẽ được sử dụng là chỉ mục trong bảng. Việc tìm
kiếm này yêu cầu chỉ một lần là tìm ra, ngược lại định tuyến cổ điển có thể phải
tìm trong bảng đó vài nghìn lần. Kết quả, trên luồng vận chuyển, các gói được gửi
thơng qua mạng nhanh hơn thông thường, giảm thời gian trễ và đáp ứng thời gian
cho người dùng.
- Khả năng mở rộng (Scalability):
Tốc độ là một mặt quan trọng của chuyển mạch nhãn, nhưng dịch vụ nhanh
không phải là tất cả mà chuyển mạch nhãn có thể cung cấp. Nó cũng có thể cung
10


cấp khả năng mở rộng, tức là điều tiết một số lượng lớn và ngày càng tăng nhanh
chóng các user trên mạng Internet. Chuyển mạch nhãn đề nghị một cách giải quyết
cho vấn đề phát triển mạng một cách nhanh chóng như vậy bằng cách cho phép
một số lượng lớn các địa chỉ IP được liên kết với nhau trên một hay một vài nhãn.
Cách tiếp cận này sẽ cắt giảm bớt bảng định tuyến và cho phép một router phục vụ
nhiều người dùng hơn tại một thời điểm và cũng khơng cần địi hỏi khả năng xử lý
cao của các router.
- Tính đơn giản:
Một ưu điểm nữa của chuyển mạch nhãn đó là, về cơ bản nó chỉ là tập hợp
của các giao thức định tuyến. Nó rất đơn giản, chuyển tiếp một gói dựa trên nhãn

của gói đó. Tất cả cơ chế điều khiển trên có thể phức tạp, nhưng chúng không làm
ảnh hưởng đến hiệu quả của đường dẫn. Tức là sẽ có rất nhiều các phương pháp
khác nhau để phân phối các nhãn dán do đường truyền, tuy nhiên sau khi các nhãn
đã được phân phối xong, hoạt động chuyển mạch nhãn sẽ được thực hiện một cách
rất nhanh chóng. Chuyển mạch nhãn có thể được thực hiện trong một phần mềm,
trong các mạch điện tử tích hợp hay trong một vi xử lý đặc biệt.
- Mức sử dụng tài nguyên:
Cơ chế điểu khiển để thiết lập một nhãn phải không làm tiêu tốn nhiều tài
nguyên. Nó khơng được làm mất nhiều tài ngun và chuyển mạch nhãn thì hồn
tồn khơng làm tiêu tốn nhiều tài nguyên để thực thi việc thành lập một con đường
chuyển mạch nhãn cho đường dẫn.
1.3 MPLS là gì?
Chuyển mạch nhãn đa giao thức (Multiprotocol Label Switching (MPLS) là một
loại kỹ thuật phân phát gói tin từ nguồn tới đích cho các mạng viễn thông hiệu suất
cao. MPLS gửi dữ liệu từ một nút mạng tới nút tiếp theo dựa trên các nhãn đường
dẫn ngắn hơn là các địa chỉ mạng đường dài, tránh các tra cứu phức tạp trong một
bảng định tuyến. MPLS sử dụng định tuyến cưỡng bức để xác định các đường mà
luồng lưu lượng sẽ đi ngang qua đó và xác định đích tới của các gói chuyển mạch
nhãn sử dụng các đường được xác định trước đó. MPLS có thể đóng gói các gói
11


tin của các giao thức mạng khác nhau, do đó nó có tên "multiprotocol". MPLS hỗ
trợ một loạt các cơng nghệ truy cập, bao gồm T1/E1, ATM, Frame Relay và DSL.
1.3.1 Chức năng của MPLS
•

Định q trình quản lý lưu lượng luồng của các mạng khác nhau, như luồng giữa
các máy, phần cứng khác nhau hoặc thậm chí luồng giữa các ứng dụng khác nhau.

•

Duy trì sự độc lập của giao thức lớp 2 và lớp 3.

•

Cung cấp cách thức để ánh xạ các địa chỉ IP thành các nhãn đơn giản có độ dài
khơng đổi được sử dụng bởi các cơng nghệ chuyển tiếp gói và chuyển mạch gói
khác nhau.

•

Giao diện dùng chung với các giao thức định tuyến RSVP hay OSPF.

•

Hỗ trợ IP, ATM, Frame Relay.
1.3.2 Lợi ích của MPLS
MPLS mang lại nhiều lợi ích như:

•

Làm việc với hầu hết các công nghệ liên kết dữ liệu như IP, ATM….

•

Tương thích với hầu hết các giao thức định tuyến và các cơng nghệ khác liên quan
đến Internet.

•

Hoạt động độc lập với các giao thức định tuyến (routing protocol).

•

Tìm đường đi linh hoạt dựa vào nhãn (label) cho trước.

•

Hỗ trợ việc cấu hình quản trị và bảo trì hệ thống (OAM).

•

Có thể hoạt động trong một mạng phân cấp.
•

Có tính tương thích cao.
12


1.3.3 Ứng dụng của MPLS

MPLS được tạo ra để kết hợp của định tuyến truyền thống và chuyển mạch
ATM trong một mạng lõi IP thống nhất ( IP-ATM cấu trúc). Tuy nhiên ưu thế thực
sự của MPLS chính là các ứng dụng khác mà nó đem lại, từ điều khiển lưu lượng
(Traffic Engineering) tới mạng riêng ảo (Virtual Private Networks). Tất cả các ứng
dụng này sử dụng chức năng miền điều khiển để thiết lập một cơ sở dữ liệu
chuyển mạch
1.3.2.1. Điều khiển lưu lượng:
Vấn đề quan trọng trong các mạng IP là thiếu khả năng điều khiển linh

hoạt các luồng lưu lượng IP để sử dụng hiệu quả dải thơng mạng có sẵn. Do vậy,
thiếu hụt này liên quan đến khả năng gửi các luồng được chọn xuống các đường
được chọn ví dụ như chọn các đường trung kế được bảo đảm cho các lớp dịch vụ
riêng. MPLS sử dụng các đường chuyển mạch nhãn LSP, đó chính là một dạng của
“lightweight VC” mà có thể được thiết lập trên cả ATM và thiết bị dựa trên gói tin.
Khả năng kỹ thuật lưu lượng của MPLS sử dụng thiết lập các LSP để điều khiển
một cách linh hoạt các luồng lưu lượng IP.
1.3.2.2. Mạng riêng ảo VPN (Virtual Private Network)
VPN thiết lập cơ sở hạ tầng cho mạng Intranet và Extranet, đó là các mạng
IP mà các cơng ty kinh doanh sẽ thiết lập trên cơ sở toàn bộ cấu trúc kinh doanh
13


của họ. Dịch vụ VPN là dịch vụ mạng Intranet và Extranet mà các mạng đó được
cung cấp bởi nhà cung cấp dịch vụ đến nhiều tổ chức khách hàng. MPLS kết hợp
với giao thức BGP cho phép một nhà cung cấp mạng hỗ trợ hàng nghìn VPN của
khách hàng. Như vậy, mạng MPLS cùng với BGP tạo ra cách thức cung cấp dịch
vụ VPN trên cả ATM và các thiết bị dựa trên gói tin rất linh hoạt, dễ mở rộng quy
mơ và dễ quản lý. Thậm chí trên các mạng của nhà cung cấp khá nhỏ, khả năng
linh hoạt và dễ quản lý của các dịch vụ BGP/MPLS VPN là ưu điểm chủ yếu.
1.3.2.3. Tích hợp IP và ATM
Do “chuyển mạch nhãn” có thể thực hiện được bởi các chuyển mạch ATM,
MPLS là một phương pháp tích hợp các dịch vụ IP trực tiếp trên chuyển mạch
ATM. Sự tích hợp này cần phải đặt định tuyến IP và phần mềm LDP trực tiếp trên
chuyển mạch ATM. Do tích hợp hoàn toàn IP trên chuyển mạch ATM, MPLS cho
phép chuyển mạch ATM hỗ trợ tối ưu các dịch vụ IP như IP đa hướng (multicast),
lớp dịch vụ IP, RSVP và mạng riêng ảo VPN
1. 3. 4. Hỗ trợ chất lượng dịch vụ Qos (Quality of Service)
Một thiếu sót của mạng IP so với mạng Frame Relay và ATM, là sự bất lực
của chúng để cung cấp dịch vụ thoả mãn nhu cầu lưu lượng. Ví dụ lưu lượng thời

gian thực như voice hay video cần dịch vụ chất lượng cao (độ trễ luồng thấp, mất
luồng thấp…) khi truyền qua mạng. Tương tự dữ liệu trong kinh tế thương mại
phải được ưu tiên qua trình duyệt web thơng thường.
Kết nối định hướng mang tính tự nhiên của MPLS cung cấp khung làm việc
hợp lý để đảm bảo chất lượng lưu lượng IP. Trong khi QoS và lớp dịch vụ CoS
(Class of Service) không phải là cơ sở đặc biệt của MPLS, chúng có thể ứng dụng
trong mạng MPLS khi kỹ thuật lưu lượng được sử dụng. Điều này cho phép nhà
cung cấp thiết lập hợp đồng mức dịch vụ SLA (Service Level Agreements) với
khách hàng để đảm bảo dịch vụ như độ rộng băng, độ trễ, mức thấp thoát. Dịch vụ
giá trị gia tăng có thể được phân phối bổ sung như truyền tải dữ liệu cơ sở, tăng
thu nhập và cuối cùng cho tiến tới mạng hội tụ.

14


Hình 1-1: Các kỹ thuật QoS trong mạng IP
Intserv and Diffserv, qua thời gian một số kỹ thuật được phát triển để thiết
lập QoS/CoS trong một mạng. Trong mơ hình dịch vụ tích hợp Intserv (Integrated
Services), RSVP đã phát triển thủ tục báo hiệu QoS qua một mạng, cho phép thiết
bị sắp xếp và thiết lập thông số lưu lượng đảm bảo như độ rộng băng và độ trễ đầu
cuối - đầu cuối. Nó sử dụng nguồn tài nguyên tại chỗ, đảm bảo dịch vụ xuống theo
luồng cơ sở. Mô hình dịch vụ khác nhau Diffserv (Differentiated Services) giảm
bớt cứng nhắc, cung cấp phân phối CoS để đối xử như nhau đối với lớp lưu lượng
có mức ưu tiên như nhau, nhưng khơng có báo hiệu hay đảm bảo dịch vụ đầu cuối
đầu cuối. Diffserv định nghĩa lại kiểu dịch vụ ToS (Type of Service) trong tiêu đề
gói IP để cung cấp sự phân loại này.
Trong khi Intserv đảm bảo độ rộng băng lưu lượng, nó xác nhận khơng thể
tăng hay thực hiện hoạt động qua mạng lớn. IETF kết hợp Difserv và kỹ thuật lưu
lượng MPLS để cung cấp QoS đảm bảo trong mạng MPLS. Thông tin Diffserv
trong tiêu đề gói IP được ánh xạ trong thơng tin nhãn của gói MPLS. Bộ định

tuyến MPLS cập nhật thơng tin ưu tiên để truyển tiếp dữ liệu thích hợp. Một số cơ
chế sử dụng gồm chia sẻ lưu lượng, đợi, và phân loại gói.
QoS thực hiện ở biên của đám mây MPLS, ở nơi lưu lượng phi nhãn từ
mạng khách hàng đi vào mạng truyền thông. Tại cổng vào này, lưu lượng thời gian
thực dễ bị ảnh hưởng như lưu lượng định dạng voice IP hay hội nghị video có thể
được ưu tiên phân phát qua sự chuyển giao dữ liệu lớn.
15


CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH MPLS
2.1 Cấu trúc của nút MPLS
Một nút của MPLS có hai mặt phẳng: mặt phẳng chuyển tiếp MPLS và mặt
phẳng điều khiển MPLS. Nút MPLS có thể thực hiện định tuyến lớp ba hoặc
chuyển mạch lớp hai. Hình sau mơ tả cấu trúc cơ bản của một nút MPLS:
Mặt phẳng điều khiển

Chuyển đổi
thông tin định

Giao thức định tuyến IP

Chuyển đổi

tuyến

thông tin liên

Giao thức phân phối nhãn
kết nhãn

Mặt phẳng chuyển tiếp
Các gói IP ra

Các gói IP

Bảng định tuyến IP
(ECF FIB)

vừa đến
Các gói được

Các gói IP được

gắn nhãn vừa

gắn nhãn ra

Cơ sở định tuyến chuyển
tiếp nhãn (LFIB)

đến
Hình 2-1 Cấu trúc một nút MPLS
2.1.1 Mặt phẳng chuyển tiếp (Forwarding plane)
Mặt phẳng chuyển tiếp sử dụng một cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn (LFIBLabel Forwarding Information Base) để chuyển tiếp các gói. Mỗi nút MPLS có hai
bảng liên quan đến việc chuyển tiếp là: cơ sở thông tin nhãn (LIB - Label
Information Base) và LFIB. LIB chứa tất cả các nhãn được nút MPLS cục bộ đánh
dấu và ánh xạ của các nhãn này đến các nhãn được nhận từ láng giềng (MPLS
16

neighbor) của nó. LFIB sử dụng một tập con các nhãn chứa trong LIB để thực hiện
chuyển tiếp gói.
Nhãn MPLS
Một nhãn MPLS là một trường 32 bit cố định với cấu trúc xác định. Nhãn
được dùng để xác định FEC (Forwarding Equivalence Classes – Nhóm chuyển
tiếp tương đương).
Đối với ATM, nhãn được đặt cả ở hoặc là trường VCI hoặc VPI của mào
đầu ATM. Tuy nhiên, nếu là khung trong Frame Relay, nhãn lại được đặt ở trường
DLCI của mào đầu Frame Relay.
Kỹ thuật lớp 2 như Ethernet, Token Ring, FDI, và kết nối point-to-point
không thể tận dụng được trường địa chỉ lớp 2 của chúng để mang nhãn đi. Những
kỹ thuật này mang nhãn trong những mào đầu đệm (shim). Đối với các dạng gói
tin khơng có cấu trúc nhãn, thì một khung 4 bytes được chèn vào như trong hình
vẽ:

Hình 2-2: Cấu trúc của một nhãn MPLS
•

20 bit đầu (0-> 19): Giá trị của nhãn, giá trị này nằm trong khoảng từ 0 đến

220-1 hoặc 1.048.575 giá trị nhãn khác nhau. Tuy nhiên, 16 giá trị đầu tiên khơng
được dùng để sử dụng; nó được sử dụng với những ý nghĩa đặc biệt.
•

3 bit( 20-> 22) bit thực nghiệm (EXP- experimental). Những bit này chỉ được sử
dụng trong chất lượng của dịch vụ (QoS); khi các gói MPLS xếp hàng có thể dùng
các bit EXP tương tự như các bit IP ưu tiên (IP Precedence). Những bit được đặt
tên là “thực nghiệm” là có lý do lịch sử. Trong quá khứ, không ai biết cách sử
dụng.
17

•

Bit 23: 1 bit, bit 23 là bit cuối của ngăn xếp. Bit này sẽ được lập là 1 khi đây là
nhãn cuối cùng của ngăn xếp, còn đối với các nhãn khác nó là 0 (bit BoS). Chồng
nhãn là sự tập trung của những nhãn mà được đặt phía trên của gói. Chồng nhãn
có thể chỉ gồm một nhãn, hoặc nhiều nhãn. Số lượng các nhãn (ở đây là trường 32
bit) mà ta có thể tìm thấy trong ngăn xếp là vơ hạn, mặc dù ta ít khi nhìn thấy một
ngăn xếp có bốn nhãn hoặc hơn.

•

8 bit cuối (24-> 31): TTL (time to love) có chức năng chống lặp bằng vòng bằng
cách định thời gian tồn tại của gói tin trong mạng MPLS tương tự như thành phần
TTL trong header gói tin IP.
Các loại nhãn đặc biệt:
•

Untagged: gói MPLS đến được chuyển thành một gói IP và chuyển tiếp đến
đích.

•

Nhãn Implicit-null hay POP: Nhãn này được gán khi nhãn trên (top label)
của gói MPLS đến bị bóc ra và gói MPLS hay IP được chuyển tiếp tới trạm
kế xi dịng. Giá trị của nhãn này là 3 (trường nhãn 20 bit). Nhãn này
được dùng trong mạng MPLS cho những trạm kế cuối.

•

Nhãn Explicit-null: Chỉ mang giá trị EXP, giá trị nhãn bằng 0, được gán để
giữ giá trị EXP cho nhãn trên (top label) của gói đến. Nhãn trên được hoán
đổi với giá trị 0 và chuyển tiếp như một gói MPLS tới trạm kế xi dịng.
Nhãn này sử dụng khi thực hiện QoS với MPLS trong mô hình Pipe Mode.

•

Nhãn Aggregate: với nhãn này, khi gói MPLS đến nó bị bóc tất cả nhãn
trong chồng nhãn ra để trở thành một gói IP và thực hiện tra cứu trong FIB
để xác định giao tiếp ngõ ra cho nó.
Ngăn xếp (Label Stack)
Ngăn xếp nhãn là kỹ thuật sử dụng trong việc đóng gói IP. Nó cho phép một

gói có thể mang nhiều hơn một nhãn. Nó được cung cấp bởi việc đưa vào một
nhãn mới (mức 2) bên trên nhãn đã tồn tại (mức 1), gói được chuyển tiếp qua
18


mạng dựa trên cơ sở các nhãn ở mức 2, sau khi qua mạng này thì nhãn mức 2 bị
loại ra và việc chuyển tiếp này hoạt động dựa trên các nhãn mức 1. Nhãn trên cùng
đứng sau header lớp 2, còn nhãn cuối đứng trước header 3. Tại mỗi bước nhảy
định tuyến chỉ xử lý nhãn trên cùng ngăn xếp nhãn.

Hình 2-3: Ngăn xếp nhãn
Chuyển mạch nhãn được thiết kế để co giãn các mạng lớn và MPLS hỗ trợ
chuyển mạch nhãn với hoạt động phân cấp, hoạt động phân cấp này dựa trên khả
năng của MPLS có thể mang nhiều hơn một nhãn trong gói. Ngăn xếp nhãn cho
phép thiết kế các LSR trao đổi thông tin với nhau và hành động này giống như
việc tạo đường viền node để tạo ra một miền mạng rộng lớn và các LSR khác.

Trong ngăn xếp nhãn thì nhãn cuối ln có giá trị S là 1, các nhãn cịn lại S
là 0.
Thơng thường các gói dữ liệu khi vào MPLS chỉ được gán một nhãn. Tuy
nhiên trong một số trường hợp phải sử dụng nhiều nhãn để đáp ứng yêu cầu dịch
vụ. Một số dịch vụ như:
-

MPLS VPN: gồm 2 nhãn, trong đó nhãn thứ hai (khơng thay đổi khi qua MPLS)
dùng để hội tụ các tuyến sử dụng MP BGP qua mạng MPLS. Nhãn đầu tiên được
các router trong MPLS xử lý như trong mạng MPLS thông thường.

-

MPLS TE: sử dụng kỹ thuật trafic engineering và phương pháp phân phối nhãn
RSVP dùng để xác định LSP cần dùng. Nhãn còn lại được dùng để hội tụ đầu cuối
với từng LSP.
Mã hóa MPLS
Ngăn xếp nhãn được đặt trước gói lớp 3- trước header của giao thức vận
chuyển, nhưng sau header của lớp 2. Ngăn xếp MPLS thường được gọi là header
19


đệm (shin header) bởi vị trí của nó.

Layer 2 Header

MPS Label Stack

Transported Protocol

Layer 2 Frame

Hình 2-4 : Vị trí của ngăn xếp nhãn cho gói được gán nhãn
Có nhiều khiểu đóng gói mà lớp 2 có thể đáp ứng hoặc liên kết được có sự
hỗ trợ của Cisco IOS như: PPP, HDLC, Ethernet …Do ngăn xếp nhãn trong khung
Lớp 2 được đặt trước header của Lớp 3 hoặc những giao thức truyền tải khác, ta có
thể có những giá trị mới trong trường giao thức lớp kết nối dữ liệu, những giá trị
này chỉ ra được phần tiếp theo của header lớp 2 sẽ là gói được dán nhãn MPLS.
Trường giao thức lớp kết nối dữ liệu là một giá trị chỉ ra loại tải mà khung lớp 2
truyền đi.

Bảng 2.1: Giá trị xác định giao thức MPLS cho các dạng đóng gói lớp 2
Cơ sở thơng tin chuyển tiếp nhãn (LFIB)
LFIB được duy trì bởi một nút MPLS chứa một chuỗi các ennty (mục
nhập). Như hình dưới đây, mỗi đường nhập vào chứa một nhãn tới và một hoặc
vài mục phụ. LFIB được lập bảng chứa các giá trị trong nhãn tới.

Incoming Label

First subentry
20

No subentry


Incoming label

Outgoing label
Outgoing interface
Next hop address

Outgoing label
Outgoing interface

Incoming labe

Outgoing label
Outgoing interface
Next hop address

Outgoing label
Outgoing interface
Next hop address

Incoming labe

Outgoing label
Outgoing interface
Next hop address

Outgoing label
Outgoing interface
Next hop address

Next hop address

Hình 2-5 : Cấu trúc của LFIB
Thuật tốn chuyển tiếp gói
Chuyển mạch nhãn sử dụng thuật toán chuyển tiếp dựa trên việc trao đổi
nhãn. Nút MPLS mà duy trì một LFIB đơn lấy giá trị nhãn từ trường nhãn tìm thấy

trong gói tới và sử dụng giá trị này như chỉ số trong LFIB. Sau khi một nhãn ra từ
mục phụ và gửi gói qua giao diện ra cụ thể tới nút tiếp cụ thể theo bởi mục phụ.
Nếu mục phụ chỉ ra một hàng đợi ra, nút MPLS đặt trong hàng đợi cụ thể.
Nếu nút MPLS duy trì nhiều LFIB cho mỗi giao diện của nó, nó sử dụng
giao diện vật lý nơi gói đến để chọn một LFIB cụ thể phục vụ để chuyển tiếp gói.
Thơng thường, thuật tốn chuyển tiếp sử dụng nhiều loại thuật toán để chuyển tiếp
unicast, multicast và gói unicast với bit ToS được thiết lập. Tuy nhiên, MPLS chỉ
sử dụng một thuật toán chuyển tiếp dựa trên trao đổi nhãn.
Một nút MPLS có thể lấy ra tất cả thơng tin nó cần để chuyển tiếp cũng như
để xác định tài nguyên dành riêng cần thiết bằng việc truy nhập bộ nhớ đơn. Tra
cứu tốc độ cao và khả năng chuyển tiếp làm cho chuyển mạch nhãn thành kỹ thuật
chuyển mạch có tính thực thi cao. MPLS cũng có thể được sử dụng để vận chuyển
giao thức lớp 3 khác như: Ipv6, IPX hoặc Apple Talk từ Ipv4. Đặc tính này giúp
MPLS có thể tương thích tốt với việc chuyển đổi các mạng từ Ipv4 sang Ipv6.

21


2.1.2 Mặt phẳng điều khiển ( Control Plane)

Mặt phẳng điều khiển MPLS chịu trách nhiệm tạo ra và lưu trữ LIB. Tất cả
các nút MPLS phải chạy một giao thức định tuyến IP để trao đổi thông tin định
tuyến đến các nút MPLS khác trong mạng. Các nút MPLS enable ATM sẽ dùng
một bộ điều khiển nhãn (LSC–Label Switch Controller) như router 7200, 7500
hoặc dùng một module xử lý tuyến (RMP – Route Processor Module).
•

Các giao thức định tuyến Link-state như OSPF và IS-IS là các giao thức

được chọn vì chúng cung cấp cho mỗi nút MPLS thông tin của tồn mạng. Trong

các bộ định tuyến thơng thường, bản định tuyến IP dùng để xây dựng bộ lưu trữ
chuyển mạch nhanh (Fast switching cache) hoặc FIB .Tuy nhiên với MPLS, bản
định tuyến IP cung cấp thơng tin của mạng đích và subnet prefix. Các giao thức
định tuyến link-state gửi thông tin định tuyến (flood) giữa một tập các router nối
trực tiếp, thông tin liên kết nhãn chỉ được phân phối giữa các router nối trực tiếp
với nhau bằng cách dùng giao thức phân phối (LDP hoặc TDP).
•

Các nhãn được trao đổi giữa các nút MPLS kế cận để xây dựng nên LFIB.

MPLS dùng một mẫu chuyển tiếp dựa trên sự hoán đổi nhãn để kết nối với các
node điều khiển khác nhau. Mỗi node điều khiển chịu trách nhiệm đánh dấu và
phân phối một tập các nhãn cũng như lưu trữ các thơng tin điều khiển có liên quan
khác. Các giao thức cổng nội IGP – Interior Gateway Potocols-được dùng để xác
nhận khả năng đến được, sự liên kết, và ánh xạ giữa FEC và địa chỉ trạm kế (nexthop address).
Thông tin liên kết nhãn chỉ được phân phối giữa các router nối trực tiếp với
nhau bằng cách dùng giao thức phân phối LDP.
Các mơđun điều khiển MPLS gồm:
•

Định tuyến Unicast (Unicast Routing)

•

Định tuyến Multicast (Multicast Routing)

•

Kỹ thuật lưu lượng (Trafic Engineer)
22

•

Mạng riêng ảo (VPN - Vitural private Network)

•

Chất lượng dịch vụ (QoS- Quality of Service)

Mặt phẳng điều khiển một nút
Điều
khiển định
tuyến
MPLS IP

mạng

Điều khiển
định tuyến
MPLS
Multicast IP

Điều khiển
định tuyến
MPLS/VP
N

Điều khiển
Lưu lượng

(MPLS TE)

Điều khiển
định tuyến
MPLS IP

Cơ sở thông tin chuyển tiếp
nhãn LFIB
Mặt phẳng dữ liệu tại một nút

mạng
Hình 2-6: Các thành phần mặt phẳng dữ liệu và mặt phẳng điều khiển của MPLS
2.2 Các phần tử chính của MPLS
Thiết bị trong giao thức MPLS có thể được phân loại thành LERs và LSRs.
2.2.1

Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn LSR

Thành phần cơ bản của mạng MPLS là thiết bị định tuyến chuyển mạch
nhãn LSR (Label Switch Router). Thiết bị này thực hiện chức năng chuyển tiếp
gói thơng tin trong phạm vi mạng MPLS bằng thủ tục phân phối nhãn. Đó là khả
năng cần thiết để hiểu được nhãn MPLS, nhận và truyền gói được gán nhãn trên
đường liên kết dữ liệu.
Các loại LSR trong mạng MPLS:
•

Ingress LSR – LSR vào nhận gói chưa có nhãn, chèn nhãn (ngăn xếp) vào
trước gói và truyền đi trên đường kết nối dữ liệu.

•

Egress LSR – LSR ra nhận các gói được gán nhãn, tách nhãn và truyền
chúng trên đường kết nối dữ liệu. LSR ra và LSR vào là các LSR biên.
23


•

LSR trung gian (intermediate LSR) – các LSR trung gian này sẽ nhận các
gói có nhãn tới, thực hiện các thao tác trên nó, chuyển mạch gói và truyền
gói đến đường kết nối dữ liệu đúng.
Một LSR có 3 chức năng chính: trao đổi thơng tin định tuyến, trao đổi nhãn

và chuyển tiếp gói dữ liệu đi dựa vào nhãn. Hoạt động trao đổi thông tin đinh
tuyến và trao đổi nhãn xảy ra trên mặt phẳng điều khiển, còn việc chuyển gói dữ
liệu đi là hoạt động của mặt phẳng dữ liệu.
Chức năng chính của một LSR là chuyển mạch nhãn. Bởi vậy, một LSR cần
có một giao thức định tuyến (OSPF, RIP, EIGRP, IS-IS) và một giao thức phân
phối nhãn.
LSR

Exchange of
routing
information

Control Plane

Routing Protocol
IP Routing Table

Exchange of
labels

LDP
Data Plane

Incoming
labeled
packets

LFIB

Outgoing
labeled

packets

Hình 2-7: Sơ đồ nguyên lý chức năng của một LSR

2.2.2

Đường chuyển mạch nhãn LSP

Là đường dẫn qua một hoặc nhiều LSR cho phép gói tin chuyển qua mạng
24


trên lớp chuyển tiếp tương đương FEC.

Hình 2-8: Đường chuyển mạch nhãn LSP

Đường đi qua một mạng chuyển mạch nhãn được quyết định bởi một trong
hai cách.
Thứ nhất, các giao thức định tuyến truyền thống (như OSPF hay BGP)
được sử dụng để phát hiện các địa chỉ IP. Thông tin này, từ nút tiếp theo đến địa
chỉ là tương đương với một nhãn, một đường chuyển mạch nhãn mềm dẻo.
Thứ hai, LSP có thể được thiết lập dựa trên ý tưởng của định tuyến cưỡng bức.
Cách này có thể dùng một giao thức định tuyến để hỗ trợ việc thiết lập LSP nhưng
LSP cũng bị cưỡng bức bởi một số nhân tố khác như sự cần thiết phải cung cấp
một mức độ QoS tốt (lưu lượng nhạy cảm với thời gian thực là thử thách đầu tiên
của định tuyến cưỡng bức).
2.2.3

Lớp chuyển tiếp tương đương (FEC)

Forwarding Equivalence Class: 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 mào đầu lớp mạng. Thuật ngữ FEC được sử dụng trong
hoạt động chuyển mạch nhãn. FEC được dùng để miêu tả sự kết hợp của các gói
riêng biệt với một địa chỉ đích thường là điểm nhận lưu lượng cuối cùng chẳng
hạn như một tổng đài host.
FEC cũng có thể liên kết một giá trị FEC với một địa chỉ đích và một lớp
lưu lượng. Lớp lưu lượng được liên kết với một chỉ số cổng đích.
Tại sao phải dùng FEC?
Vì nó cho phép nhóm các gói vào các lớp. Từ nhóm này, giá trị FEC trong
một gói có thể được dùng để thiết lập độ ưu tiên cho việc xử lý các gói. FEC cũng
25