Đồ án ( kèm file mô phỏng) _ KT lưu lượng MPLS + mô phỏng trên NS2

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN
Đề tài tập trung nghiên cứu tổng quan về chuyển mạch nhãn đa giao thức,
kỹ thuật lưu lượng trong MPLS và các cơ chế bảo vệ khôi phục, bao gồm các nội
dung chính:
 Giới thiệu tổng quan về chuyển mạch nhãn đa giao thức.
 Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS và các cơ chế khôi phục, bảo vệ.
 Xây dựng chương trình mơ phỏng (sử dụng phần mềm mô phỏng NS2)
MPLS-TE.

1


MỞ ĐẦU
Sự phát triển nhanh chóng các dịch vụ IP và sự bùng nổ Internet đã dẫn
đến một loạt thay đổi trong nhận thức kinh doanh của các nhà khai thác.Lưu
lượng lớn nhất hiện nay trên mạng trục là lưu lượng IP.Giao thức IP thống trị
toàn bộ các giao thức lớp mạng,hệ quả là tất cả các xu hướng phát triển công
nghệ lớp dưới đều hỗ trợ IP.Nhu cầu thị trường cấp bách cho mạng tốc độ cao với
chi phí thấp là cơ sở cho một loạt các công nghệ mới ra đời,trong đó có MPLS.
Những năm gần đây là khoảng thời gian mà công nghệ MPLS đã chứng
minh được tính ứng dụng thực tiễn các tính năng vượt trội của nó so với các cơng
nghệ chuyển mạch truyền thống khác như ATM.Tập đồn bưu chính viễn thơng
Việt Nam đã lựa chọn IP/MPLS làm công nghệ cho lớp truyền tải mạng NGN
đang triển khai trên phạm vi toàn quốc.Một trong những ưu điểm lớn nhất của
MPLS là ở khả năng thực hiện kỹ thuật lưu lượng.Đây cũng là đối tượng nghiên
cứu chính của đồ án tốt nghiệp này.
Đồ án tốt nghiệp “Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS và mô phỏng trên
NS2” đã nghiên cứu tổng quan về chuyển mạch nhãn đa giao thức, kỹ thuật lưu
lượng MPLS đồng thời mô phỏng MPLS-TE bằng phần mềm mô phỏng NS2. Bố
cục đề tài gồm 3 chương:
 Chương 1: Tổng quan về chuyển mạch nhãn đa giao thức.

 Chương 2: Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS và các cơ chế bảo vệ
khôi phục.
 Chương 3: Xây dựng chương trình mơ phỏng MPLS-TE.
Trong q trình thực hiện đề tài em khơng tránh khỏi những sai sót. Em
mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn để đề tài được hoàn
thiện hơn. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cơ giáo KS. Đỗ Thị Loan đã
tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện giúp đỡ em hoàn thành đề tài này.
Em xin chân thành cảm ơn!

2


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN...........................................................................................i
LỜI CẢM ƠN....................................................................................................ii
LỜI CAM ĐOAN.............................................................................................iii
MỞ ĐẦU..........................................................................................................iv
MỤC LỤC.........................................................................................................v
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT..............................................................................viii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH........................................................................x
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN MẠCH NHÃNĐA GIAO
THỨC................................................................................................................1
1.1.Giới thiệu chung.......................................................................................1
1.1.1.So sánh giữa chuyển mạch trong mạng IP truyền thống và MPLS.....2
1.1.2.Đặc điểm MPLS.................................................................................2
1.2.Các thành phần của MPLS.......................................................................4
1.2.1. Các thiết bị trong mạng MPLS..........................................................4
1.2.2.Đường chuyển mạch nhãn LSP..........................................................4
1.2.3.Lớp chuyển tiếp tương đương............................................................5
1.2.4. Nhãn và ngăn xếp nhãn.....................................................................5

1.3.Chuyển gói qua miền MPLS.....................................................................7
1.4.Hoạt động của MPLS...............................................................................7
1.5.Định tuyến trong MPLS..........................................................................10
1.5.1. Định tuyến ràng buộc......................................................................10
1.5.2.Định tuyến tường minh....................................................................12
1.6.Các chế độ báo hiệu MPLS.....................................................................12
1.6.1. Chế độ phân phối nhãn....................................................................12
1.6.2. Chế độ duy trì nhãn.........................................................................13
1.6.3. Chế độ điều khiển LSP....................................................................14
1.7.Các giao thức phân phối nhãn.................................................................15
1.7.1.Giao thức phân phối nhãn LDP........................................................16
1.7.2. Giao thức CR-LDP..........................................................................19
3


1.7.3. Giao thức BGP với việc phân bổ nhãn............................................21
1.8.Ưu điểm và ứng dụng của MPLS...........................................................22
1.8.1. Ưu điểm của MPLS.........................................................................22
1.8.2.Nhược điểm của MPLS....................................................................23
1.8.3.Ứng dụng của MPLS........................................................................23
1.9.Kết luận chương.....................................................................................24
CHƯƠNG 2: KĨ THUẬT LƯU LƯỢNG TRONG MPLS VÀ CƠ CHẾ
BẢO VỆ, KHÔI PHỤC...................................................................................25
2.1. Tổng quan về kỹ thuật lưu lượng...........................................................25
2.1.1. Khái niệm kỹ thuật lưu lượng.........................................................25
2.1.2. Bài toán tắc nghẽn...........................................................................26
2.2. Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS............................................................27
2.3. Trung kế lưu lượng................................................................................28
2.3.1. Các hoạt động cơ bản trên trung kế lưu lượng................................29
2.3.2. Các thuộc tính của trung kế lưu lượng............................................30

2.4. Tính tốn đường ràng buộc....................................................................33
2.4.1. Quảng bá các thuộc tính của liên kết...............................................33
2.4.2. Tính tốn LSP ràng buộc.................................................................34
2.4.3. Giải thuật chọn đường.....................................................................34
2.4.4. Ví dụ về chọn đường cho trung kế lưu lượng..................................35
2.4.5. Tái tối ưu hóa..................................................................................37
2.5. Bảo vệ và khơi phục đường...................................................................37
2.5.1. Phân loại các cơ chế bảo vệ khơi phục............................................38
2.5.2. Mơ hình Makam..............................................................................39
2.5.3. Mơ hình Haskin...............................................................................40
2.5.4. Mơ hình Hundessa..........................................................................41
2.5.5. Mơ hình Shortest-Dynamic.............................................................41
2.5.6. Mơ hình Simple-Dynamic...............................................................42
2.5.7. Mơ hình Simple-Static....................................................................43
2.5.8. So sánh hiệu năng các mơ hình bảo vệ, khơi phục đường...............44
4


2.6. Kết luận chương....................................................................................47
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG MPLS-TE
......................................................................................................................... 48
3.1. Lựa chọn công cụ mô phỏng..................................................................48
3.2. Môi trường mô phỏng NS2....................................................................51
3.2.1. Kiến trúc NS2.................................................................................52
3.2.2. C++ và OTcl....................................................................................54
3.3. Xây dựng chương trình mơ phỏng.........................................................56
3.3.1. Mục tiêu mơ phỏng.........................................................................56
3.3.2. Thực hiện và kết quả.......................................................................57
3.4. Kết luận chương....................................................................................64
KẾT LUẬN......................................................................................................66

5


THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
ATM

Asynchronous Transfer Mode

Truyền dẫn không đồng bộ

BGP
CR
CR-LDP
CR-LSP
CSPF
DiffServ
ER
FEC
FR
IP
IPOA
LDP
LER
LIB
LSFT
LSP
LSR

Border Gateway Protocol

Constrained Routing
Constrained Routing-LDP
Constrained Routing-LSP
Constrained Shortest Path First
Differentiated Service
Explicit Routing
Fowarding Equivalent Class
Frame Relay
Internet Protocol
IP over ATM
Label Distribution Protocol
Label Edge Router
Label Information Base
Label Switching Forwarding Table
Label Switched Path
Label Switch Router

Giao thức cổng đường biên
Định tuyến cưỡng bức
Định tuyến cưỡng bức-LDP
Định tuyến cưỡng bức-LSP
SPF cưỡng bức
Các dịch vụđược phân biệt
Định tuyến hiện
Lớp chuyển tiếp tương đương
Chuyển tiếp khung
Giao thức Internet
IP trên ATM
Giao thức phân bổ nhãn
Bộ định tuyến biên nhãn

Cơ sở thông tin nhãn
Bảng chuyển tiếp nhãn
Đường dẫn chuyển mạch nhãn
Bộ định tuyến chuyển mạch

MG
MPLS
NHRP

Media Gateway
Multiprotocol Label Switching
Next Hop Resolution Protocol

nhãn
Cổng đa phương tiện
Chuyển mạch nhãnđa giao thức
Giao thức phân giải chặng kế

OSPF

Open Shortest Path First

tiếp
Giao thức đường đi ngắn nhất

Public Switch Telephone Network

đầu tiên
Mạng thoại chuyển mạch công

Quality of Service
Resevation
Request For Comment
Resource Resevation Protocol
Signaling Gateway
Synchronous Optical Network
Shortest Path First
Synchronous Transmission Mode
Signaling Virtual Circuit
Transission Control Protocol
Type-Leng-Value
Time To Live
User Datagram Protocol

cộng
Chất lượng dịch vụ
Bản tin dành trước
Yêu cầuý kiến
Giao thức dành trước tài nguyên
Cổng báo hiệu
Mạng truyền dẫn quang đổng bộ
Đường đi ngắn nhất đầu tiên
Chế độ truyền dẫn đồng bộ
Kênh ảo báo hiệu
Giao thức điều khiển truyền dẫn
Kiểu-Chiều dài-Giá trị
Thời gian sống
Giao thức lược đồ dữ liệu

PSTN

QoS
RESV
RFC
RSVP
SG
SONET
SPF
STM
SVC
TCP
TLV
TTL
UDP

6


VC
VCI
VNPT
VP
VPI
VPN

Virtual Circuit
Virtual Circuit Identifier
Vietnam Post&Telecommunications
Virtual Path
Virtual Path Identifier
Virtual Private Network

7

Kênh ảo
Nhận dạng kênh ảo
Tổng công ty BCVT ViệtNam
Đườngảo
Nhận dạngđườngảo
Mạng riêng ảo


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: MPLS và mơ hình tham chiếu OSI...................................................1
Hình 1.2: Đường chuyển mạch nhãn LSP..........................................................4
Hình 1.3: Lớp chuyển tiếp tương đương trong MPLS.......................................5
Hình 1.4: Khn dạng tiêu đề nhãn....................................................................5
Hình 1.5: Cấu trúc ngăn xếp nhãn......................................................................6
Hình 1.6: Chuyển gói qua miền MPLS..............................................................7
Hình 1.7: Hoạt động chuyển gói tin qua miền MPLS........................................8
Hình 1.8: Định tuyến ràng buộc.......................................................................11
Hình 1.9: Phân phối nhãn khơng cần u cầu.................................................13
Hình 1.10: Phân phối nhãn gắn kết Nhãn-FEC................................................13
Hình 1.11: Duy trì nhãn tự do..........................................................................14
Hình 1.12: Duy trì nhãn bảo thủ.......................................................................14
Hình 1.13: Điều khiển độc lập.........................................................................15
Hình 1.14: Điều khiển tuần tự..........................................................................15
Hình 1.15: Vùng hoạt động của LDP...............................................................16
Hình 1.16: Trao đổi thơng điệp LDP................................................................18
Hình 1.17: LDP chế độ điều khiển theo yêu cầu..............................................19
Hình 1.18: Thiết lập LSP và CR-LD................................................................20

Hình 2.1: Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS......................................................28
Hình 2.2: Băng thông khả dụng ứng với từng mức ưu tiên..............................33
Hình 2.3: Xem xét các ràng buộc khống chế....................................................35
Hình 2.4: Xem xét tài nguyên khả dụng...........................................................36
Hình 2.5: Chọn đường tốt nhất.........................................................................36
Hình 2.6: Mơ hình MAKAM...........................................................................40
Hình 2.7: Mơ hình Haskin................................................................................41
Hình 2.8: Mơ hình Shortest-Dynamic..............................................................42
Hình 2.9: Mơ hình Simple Dynamic................................................................43
Hình 3.1: Tổng quan về NS dưới góc độ người dùng.......................................52
Hình 3.2: Luồng các sự kiện cho file Tcl chạy trong NS..................................54
8


Hình 3.3: Kiến trúc của NS-2...........................................................................54
Hình 3.4: C++ và OTcl: Sự đối ngẫu................................................................55
Hình 3.5: TclCL hoạt động như liên kết giữa A và B.......................................55
Hình 3.6: Mơ hình mạng..................................................................................56
Hình 3.7: Đồ thị Xgraph của mạng IP thơng thường........................................57
Hình 3.8: Luồng 1 truyền lưu lượng................................................................58
Hình 3.9: Luồng 2 truyền lưu lượng................................................................58
Hình 3.10: Kết thúc q trình truyền gói tin....................................................59
Hình 3.11: Đồ thị Xgraph.................................................................................60
Hình 3.12: Báo hiệu thiết lập đường làm việc và bảo vệ..................................60
Hình 3.13: Sử dụng đường làm việc ER=1_3_5_7_9......................................61
Hình 3.14: Phát hiện lỗi...................................................................................61
Hình 3.15: Chuyển sang đường bảo vệ............................................................62
Hình 3.16: Lỗi đã được khơi phục...................................................................62
Hình 3.17: Chuyển lưu lượng trở lại đường làm việc.......................................63
Hình 3.18: Kết thúc quá trình truyền gói..........................................................63

9


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN MẠCH NHÃN
ĐA GIAO THỨC
Mạng chuyển mạch nhãn đa giao thức là công nghệ kết hợp đặc điểm tốt
nhất giữa định tuyến lớp ba và chuyển mạch lớp hai, cho phép truyền tải các gói
rất nhanh trong mạng lõi và định tuyến tốt ở mạng biên bằng cách dựa vào
nhãn. MPLS là một phương pháp cải tiến việc chuyển tiếp gói trên mạng, dựa
trên việc gán nhãn vào mạng IP tương ứng. Do đó mỗi gói IP, cell ATM hoặc
frame lớp 2 đều được gắn nhãn. Hiện nay mạng MPLS là giải pháp cho các nhu
cầu về tốc độ, khả năng mở rộng, quản lý chất lượng dịch vụ và điều khiển lưu
lượng. MPLS cũng cung cấp một giải pháp hàng đầu để đáp ứng nhu cầu về
băng thông và dịch vụ yêu cầu cho các mạng IP thế hệ kế tiếp.

1.1.Giới thiệu chung
MPLS là viết tắt của “Muti-Protocol Label Switching”. Thuật ngữ MutiProtocol để nhấn mạnh rằng công nghệ này áp dụng cho được tất cả các giao
thức lớp mạng chứ không phải chỉ riêng cho IP. MPLS hoạt động tốt trên bất kì
các giao thức lớp liên kết nào. Đây là một công nghệ lai kết hợp những đặc tính
tốt nhất của định tuyến lớp 3 và chuyển mạch lớp 2.
MPLS phân tách hai chức năng định tuyến và chuyển mạch: Các bộ định
tuyến ở biên thực hiện định tuyến và gắn nhãn(label) cho gói.Cịn các bộ định
tuyến ở mạng lõi chỉ tập trung làm nhiệm vụ chuyển tiếp gói với tốc độ cao dựa
vào nhãn.

Hình 1.1: MPLS và mơ hình tham chiếu OSI

1

MPLS được xem như là một công nghệ lớp đệm (shim layer), nó nằm trên
lớp 2 những dưới lớp 3 vì vậy đơi khi người ta cịn gọi là lớp 2,5.Nguyên
lýchung của MPLS là tất cả các gọi IP sẽ được gắn nhãn (label) và chuyển tiếp
theo một đường dẫn LSP(Label Switch Path). Các bộ định tuyến trên đường dẫn
chỉ căn cứ vào nội dung của nhãn để thực hiện quyết định chuyển tiếp gói mà
khơng cần phải kiểm tra tiêu đề IP.
1.1.1. So sánh giữa chuyển mạch trong mạng IP truyền thống và MPLS
Trong mạng IP truyền thống, các giao thức định tuyến được sử dụng để
phân phối thông tin định tuyến lớp ba. Gói được chuyển đi dựa vào địa chỉ đích
trong IP header. Khi nhận được một gói IP, router dị tìm trong bảng định tuyến
thơng tin trong bản routing mạng đích của gói, từ đó xác định next-hop rồi
chuyển gói đi. Việc xác định next-hop được lặp lại tại mỗi hop từ nguồn đến
đích.
Trong MPLS, gói được chuyển đi dựa trên nhãn. Các nhãn này có thể
tương ứng với các địa chỉ IP đích hoặc các thông số khác như các lớp QoS và
địa chỉ nguồn. Nhãn được phát đi trên từng router và được nhận biết một cách
nội bộ trong chính router đó. Router gán nhãn đến các đường đi định trước gọi
là LSP giữa các điểm cuối. Vì vậy, chỉ có router ở biên mới làm nhiệm vụ dị
tìm bảng định tuyến.
Nhờ chuyển mạch dựa trên nhãn ở mạng lõi, MPLS sẽ có tốc độ xử lý
gói nhanh hơn so với mạng IP. Thay vì dị tìm trong một bảng định tuyến dài,
gói tin trong MPLS chỉ so sánh nhãn với bảng chuyển mạch nhãn mà nó học
được. Đó là lý do người ta nói rằng MPLS là cơng nghệ kết hợp các đặc điểm
tốt nhất giữa chuyển mạch lớp 2 và định tuyến lớp 3.
1.1.2. Đặc điểm MPLS
 Tốc độ và trễ: Chuyển mạch nhãn nhanh hơn nhiều bởi vì giá trị nhãn
được đặt ở header của gói được sử dụng để truy nhập bảng chuyển tiếp tại
router, nghĩa là nhãn được sử dụng để tìm kiếm trong bảng. Việc tìm kiếm

này chỉ yêu cầu một lần truy nhập tới bảng, khác với truy nhập bảng định
tuyến truyền thống việc tìm kiếm có thể cần hàng ngàn lần truy nhập. Kết
2


quả là lưu lượng người sử dụng trong gói được gửi qua mạng nhanh hơn
nhiều so với chuyển tiếp IP truyền thống.
 Jitter: Là sự thay đổi độ trễ của lưu lượng người sử dụng do việc chuyển
gói tin qua nhiều node trong mạng để chuyển tới đích của nó. Tại từng
node, địa chỉ đích trong gói phải được kiểm tra và so sánh với danh sách
địa chỉ đích khả dụng trong bảng định tuyến của node, do đó trễ và biến
thiên trễ phụ thuộc vào số lượng gói và khoảng thời gian mà bảng tìm
kiếm phải xử lý trong khoảng thời gian xác định. Kết quả là tại node cuối
cùng, jitter là tổng cộng tất cả các biến thiên độ trễ tại mỗi node giữa bên
gửi và bên thu. Với gói là thoại thì cuộc thoại bị mất đi tính liên tục. Do
chuyển mạch nhãn hiệu quả hơn, lưu lượng người dùng được gửi qua
mạng nhanh hơn và ít jitter hơn so với định tuyến IP truyền thống.
 Khả năng mở rộng mạng: Chuyển mạch nhãn cung cấp các giải pháp cho
sự phát triển nhanh chóng và xây dựng các mạng lớn bằng việc cho phép
một lượng lớn các địa chỉ IP được kết hợp với một hay vài nhãn. Giải
pháp này giảm đáng kể kích cỡ bảng địa chỉ và cho phép router hỗ trợ
nhiều người sử dụng hơn.
 Tính đơn giản: Chuyển mạch nhãn là giao thức chuyển tiếp cơ bản,
chuyển tiếp gói chỉ dựa vào nhãn. Do tách biệt giữa điều khiển và chuyển
tiếp nên kỹ thuật điều khiển dù phức tạp cũng không ảnh hưởng đến hiệu
quả của dòng lưu lượng người sử dụng. Cụ thể là sau khi ràng buộc nhãn
được thực hiện, các hoạt động chuyển mạch nhãn để chuyển tiếp lưu
lượng là đơn giản, có thể được thực hiện bằng phần mềm, bằng mạch tích
hợp chuyên dụng hay bằng các bộ xử lý đặc biệt.
 Sử dụng tài nguyên: Các mạng chuyển mạch nhãn không cần nhiều tài

nguyên mạng để thực hiện các công cụ điều khiển trong việc thiết lập các
đường đi chuyển mạch nhãn cho lưu lượng người sử dụng.
 Điều khiển đường đi: Chuyển mạch nhãn cho phép các đường đi qua một
liên mạng được điều khiển tốt hơn. Nó cung cấp một cơng cụ để bố trí các
node và liên kết lưu lượng phù hợp hơn, thuận lợi hơn, cũng như đưa ra
3


phân lớp chính xác các phân lớp lưu lượng (dựa trên các yêu cầu về QoS)
khác nhau của dịch vụ.
1.2. Các thành phần của MPLS
1.2.1. Các thiết bị trong mạng MPLS
LSR (Label Switch Router)là một thiết bị định tuyến tốc độ cao trong lõi
của một mạng MPLS, nó tham gia trong việc thiết lập các đường dẫn chuyển
mạch nhãn (LSP) bằng việc sử dụng giao thức báo hiệu nhãn thích ứng và thực
hiện chuyển mạch tốc độ cao lưu lượng số liệu dựa trên các đường dẫn được thiết
lập.
LER (Label Edge Router)là một thiết bị hoạt động tại biên của mạng truy
nhập và mạng lõi MPLS. Các LER hỗ trợ đa cổng được kểt nối tới các mạng không
giống nhau (chẳng hạn FR, ATM và Ethernet). LER đóng vai trị quan trọng trong
việc chỉ định và huỷ bỏ nhãn, khi lưu lượng vào trong hay đi ra khỏi mạng MPLS.
Sau đó, tại lối vào nó thực hiện việc chuyển tiếp lưu lượng vào mạng MPLS sau khi
đã thiết lập LSP nhờ các giao thức báo hiệu nhãn và phân bổ lưu lượng trở lại mạng
truy nhập tại lối ra.
1.2.2. Đường chuyển mạch nhãn LSP
Đường chuyển mạch nhãn LSP (Label Switched Path)là một đường nối
giữa bộ định tuyến lối vào và bộ định tuyến lối ra,được thiết lập bởi các nút
MPLS để chuyển các gói đi xuyên qua mạng. Đường dẫn của một LSP qua mạng
được định nghĩa bởi sự chuyển đổi giá trị các nhãn ở các LSR dọc theo LSP bằng
cách dùng thủ tục hốn đổi nhãn.

Hình 1.2: Đường chuyển mạch nhãn LSP

4


1.2.3. Lớp chuyển tiếp tương đương
Lớp chuyển tiếp tương đương FEC (Forwarding Equitvalence Class) là
một tập các gói được đối xử như nhau bởi một LSR. Như vậy, FEC là một nhóm
các gói tin IP được chuyển tiếp trên cùng một đường chuyển mạch nhãn LSP,
được đối xử theo cùng một cách thức và có thể ánh xạ vào một nhãn bởi một
LSR cho dù chúng có thể khác nhau về thơng tin tiêu đề lớp mạng.

Hình 1.3: Lớp chuyển tiếp tương đương trong MPLS
1.2.4. Nhãn và ngăn xếp nhãn

Hình 1.4: Khuôn dạng tiêu đề nhãn
Nhãnlà một bộ nhận dạng có độ dài ngắn và cố định, mang theo ý nghĩa
cục bộ dùng để nhận biết một FEC. Nhãn được gán lên một gói để báo cho LSR
biết gói này cần đi đâu. Phần nội dung nhãn có độ dài 20 bit không cấu trúc, như
vậy số giá trị nhãn có thể có là 2 20 giá trị. Giá trị nhãn định nghĩa chỉ mục (index)
để dùng trong bảng chuyển tiếp.Ý nghĩa các trường :
 Nhãn: là một thực thể có chiều dài cố định (20 bit) dùng làm cơ sở cho
việc chuyển tiếp.
 Exp (Experimental): Các bit Exp được dự trữ về mặt kỹ thuật cho sử dụng
thực tế. Chẳng hạn sử dụng những bit này để chỉ thị QoS - thường là một
bản sao trực tiếp của các bit chỉ thị độ ưu tiên trong gói IP. Khi các gói
5

MPLS bị xếp hàng, có thể sử dụng các bit Exp như cách sử dụng các bit
chỉ thị độ ưu tiên IP.
 S (Bottom of stack):Có thể có hơn một nhãn với một gói. Bit này dùng để
chỉ thị cho nhãn ở cuối ngăn xếp nhãn. Nhãn ở đáy của ngăn xếp nhãn có
giá trị S bằng 1. Các nhãn khác có giá trị bit S bằng 0.
 TTL (Time To Live): Thông thường các bit TTL là một bản sao trực tiếp
của các bit TTL trong tiêu đề gói IP. Chúng giảm giá trị đi một đơn vị khi
gói đi qua mỗi chặng để tránh lặp vịng vơ hạn. TTL cũng có thể được sử
dụng khi các nhà điều hành mạng muốn dấu cấu hình mạng nằm bên dưới.
Ngăn xếp nhãn là một tập các nhãn có thứ tự được chỉ định cho gói. Việc
xử lý các nhãn này cũng tn theo một thứ tự .
Tiêu đềMPLS

GóiIP

Nhãn MPLS(20bit)

Nhãn#m

Nhãn#2

EXP

S

Nhãn#1

TTL

GóiIP

Hình 1.5: Cấu trúc ngăn xếp nhãn
Nếu ngăn xếp nhãn của gói có độ sâu m thì nhãn tại đáy của ngăn xếp được
xem như là nhãn mức 1, nhãn trên nó là nhãn mức 2, và nhãn trên cùng là nhãn
mức m. Mục đích ngăn xếp nhãn: tăng cường các dịch vụ (VPN, CoS), cho mở
rộng mạng (phân cấp) …

6


1.3.Chuyển gói qua miền MPLS

Hình 1.6: Chuyển gói qua miền MPLS
Hình 1.6 là ví dụ minh họa q trình truyền gói IP đi qua miền MPLS. Gói
tin IP khi đi từ Customer 1 vào miền MPLS được Router A đóng vai trị là một
Ingress-LER sẽ gán nhãn có giá trị là 6 cho gói IP rồi chuyển tiếp tới Router B.
Router B dựa vào bảng hoán đổi nhãn để kiểm tra nhãn của gói tin. Nó thay giá
trị nhãn mới là 3 và chuyển tiếp tới Router C. Tại Router C, việc kiểm tra cũng
tương tự như ở Router B và sẽ hốn đổi nhãn, gán cho gói tin một nhãn mới là 9
và tiếp tục được đưa đến Router D.
Router D đóng vai trị Egress-LER sẽ kiểm tra trong bảng hoán đổi nhãn
và gỡ bỏ nhãn 9 ra khỏi gói tin rồi định tuyến gói IP một cách bình thường đi ra
khỏi miền MPLS. Với kiểu làm việc này thì các LSR trung gian như Router B và
C sẽ khơng phải thực hiện việc kiểm tra tồn bộ header IP của gói tin mà nó chỉ
kiểm tra giá trị của nhãn, so sánh trong bảng và chuyển tiếp. Vì vậy tốc độ xử lý
trong miền MPLS sẽ nhanh hơn nhiều so với định tuyến IP truyền thống. Đường
đi từ RouterA đến D gọi là đường chuyển mạch nhãn LSP (Label Switched Path).

1.4.Hoạt động của MPLS
Khi một gói tin vào mạng MPLS thì LSR lối vào kiểm tra nhiều trường

trong tiêu đề của gói để xác định xem gói thuộc FEC nào:
 Nếu chưa có một ràng buộc nhãn FEC thì gói được phân loại gói tin vào
trong các FEC, sau đó nhãn được ánh xạ vào trong FEC. Nhiệm vụ ấn
7


định và phân bổ các ràng buộc FEC/nhãn cho các LSR do LDP đảm
nhiệm. Khi LDP hoàn thành nhiệm vụ, một LSP được xây dựng từ lối vào
đến lối ra.
 Nếu đã có một ràng buộc nhãn FEC thì LSR lối vào gán nhãn cho gói và
định hướng gói tới giao diện đầu ra tương ứng.
Sau đó gói được hốn đổi nhãn qua mạng cho đến khi nó đến LSR đầu ra.
Lúc này nhãn được loại bỏ và gói được xử lý tại lớp 3.
MPLS thực hiện bốn bước như minh họa trên hình 2.18 để chuyển gói tin
qua một miền MPLS.

Hình 1.7: Hoạt động chuyển gói tin qua miền MPLS
Bước 1 - Báo hiệu
Với bất kì loại lưu lượng nào vào mạng MPLS, các bộ định tuyến sẽ xác
định một liên kết giữa nhãn với lớp chuyển tiếp FEC của lưu lượng đó. Sau khi
thực hiện thủ tục liên kết nhãn như trên, mỗi bộ định tuyến sẽ tạo các mục trong
bảng cơ sở dữ liệu thông tin nhãn LIB. Tiếp đó, MPLS thiết lập một đường dẫn
chuyển mạch nhãn LSP và các tham số về QoS của đường đó.
8


Để thực hiện bước 1, cần phải có hai giao thức cho phép trao đổi thông tin
giữa các bộ định tuyến là:
- Giao thức định tuyến bên trong một miền để trao đổi các thông tin về
đường đi;

- Giao thức phân bổ nhãn.
Giao thức định tuyến cho phép xác định cấu trúc cũng như tình trạng hoạt
động hiện thời của mạng. Dựa vào các thơng tin đó, một LSP có thể được gán
cho một FEC. Như vậy, giao thức định tuyến phải có khả năng thu thập và sử
dụng thơng tin để hỗ trợ các yêu cầu QoS của FEC.
Các nhãn được gán cho các gói ứng với FEC của nó. Vì giá trị của nhãn chỉ
mạng tính cục bộ giữa hai bộ định tuyến kề nhau nên cần phải có cơ chế đảm
bảo tính xun suốt giữa các bộ định tuyến trên cùng LSP nhằm thống nhất về
việc liên kết giá trị nhãn với FEC. Như vậy, cần có một giao thức để phân bổ
nhãn giữa các LSR.
Bước 2 - Dán nhãn
Khi một gói đến bộ định tuyến LER đầu vào, LER sau khi xác định các
tham số QoS sẽ phân gói này vào một loại FEC, tương ứng với một LSP nào đó.
Sau đó, LER gán cho gói này một nhãn phù hợp và chuyển tiếp gói dữ liệu vào
trong mạng. Nếu LSP chưa có sẵn thì MPLS phải thiết lập một LSP mới như ở
bước 1.
Bước 3 - Vận chuyên gói dữ liệu
Sau khi đã vào trong mạng MPLS, tại mỗi LSR gói dữ liệu sẽ được xử lý như
sau:
- Bỏ nhãn các gói đến và gán cho chúng một nhãn mới ở đầu ra (đổi
nhãn);
- Chuyển tiếp gói dữ liệu đến LSR kế tiếp dọc theo LSP.
Bước 4 - Tách nhãn
Bộ định tuyến biên LER ở đầu ra của miền MPLS sẽ cắt bỏ nhãn, phân tích
tiêu đề IP (hoặc xử lý nhãn tiếp theo trong ngăn xếp) và chuyển tiếp gói dữ liệu
đó đến đích.
9


1.5.Định tuyến trong MPLS

Tính năng định tuyến là một thành phần không thể thiếu trong kiến trúc
chức năng của MPLS, định tuyến nằm trong mặt phẳng điều khiển với nhiệm vụ
cơ bản là thu thập và phân phối thông tin cần thiết về tuyến đường nội miền
MPLS cũng như thỏa thuận gắn nhãn các tuyến đường này cho mỗi LSR/LER để
xây dựng các đường dẫn LSP xuyên suốt giữa các LER hay trao đổi thông tin
định tuyến với các miền bên ngoài MPLS.
MPLS hỗ trợ cả hai kỹ thuật định tuyến: định tuyến từng chặng (hop-byhop) và định tuyến ràng buộc (constrain-based routing). Định tuyến từng chặng
cho phép mỗi nút nhận dạng FEC và chọn chặng kế tiếp cho mỗi FEC một cách
độc lập, giống như định tuyến trong mạng IP. Tuy nhiên, nếu muốn triển khai kỹ
thuật lưu lượng với MPLS, bắt buộc phải sử dụng kiểu định tuyến ràng buộc.
1.5.1. Định tuyến ràng buộc
Định tuyến ràng buộc là một phương tiện để thực hiện xử lý tự động hóa
kỹ thuật lưu lượng, khắc phục được các hạn chế của định tuyến theo đích
(destination-based routing). Nó xác định các tuyến khơng chỉ dựa trên topolgy
mạng (thuật tốn chọn đường ngắn nhất SPF) mà còn sử dụng các metric đặc thù
khác như băng thông, trễ, cost và biến động trễ. Giải thuật chọn đường có khả
năng tối ưu hóa theo một hoặc nhiều metric này, thông thường người ta dùng
metric dựa trên số chặng và băng thông.
Để đường được chọn có số chặng nhỏ nhất nhưng phải đảm bảo băng
thơng khả dụng trên tất cả chặng liên kết, quyết định cơ bản như sau: chọn đường
ngắn nhất trong số tất cả các đường có băng thơng khả dụng thỏa mãn yêu cầu.

10


Hình 1.8: Định tuyến ràng buộc
Để minh họa hoạt động của định tuyến ràng buộc, xét cấu trúc mạng như
hình 1.8. Giả sử rằng định tuyến ràng buộc sử dụng số chặng (hop-count) và
băng thông khả dụng làm các metric. Lưu lượng 600 kbps được định tuyến trước
tiên, sau đó là lưu lượng 500 kbps và 200 kbps. Cả 3 loại lưu lượng đều hướng

đến cùng một lối vàobộ định tuyến. Ta thấy rằng :


Vì lưu lượng 600 kbps được định tuyến trước nênnó đi theo đường ngắn

nhất là R8-R2-R3-R4-R5. Vì băng thơng khả dụng là như nhau trên tất cả các
chặng kênh (1Mbps), nên lưu lượng 600 kbps chiếm 60% băng thơng.


Sau đó, vì băng thơng khả dụng của đường ngắn nhất không đủ cho cả 2

lưu lượng 600 kbps và 500 kbps, nên lưu lượng 500 kbps được định tuyến đi theo
đường mới qua R6 và R7 mặc dù nhiều hơn một chặng so với đường cũ.


Vì lưu lượng 200 kbps tiếp theo, vì vẫn cịn băng thơng khả dụng trên

đường ngắn nhất nên đường này được chọn để chuyển lưu lượng 200 kbps.
Định tuyến ràng buộc có 2 kiểu offline và online. Kiểu online cho phép
các bộ định tuyến tính đường cho các LSP bất kỳ lúc nào. Trong kiểu offline, một
server tính đường cho các LSP theo định kỳ (chu kỳ có thể được chọn bởi nhà
quản trị, thường là vài giờ hoặc vài ngày). Các LSP được báo hiệu thiết lập theo
các đường đã được chọn.
1.5.2. Định tuyến tường minh
Định tuyến tường minh (ER – Explicit Routing) là một tập con của định
tuyến ràng buộc CBR, trong đó việc tính tốn ràng buộc được thực hiện với các
11


đối tượng xác định tường minh. Đường dẫn tường minh ER là một danh sách vắn

tắt các nút (abstract node) mà một đường dẫn đơn hướng ràng buộc CR-LSP phải
đi qua. Các nút có thể là một nút (thể hiện bằng địa chỉ IP của một giao diện trên
nút) hoặc một nhóm các nút (thể hiện bằng nhiều địa chỉ IP của một nhóm các
giao diện trên các nút). Nếu ER chỉ quy định CR-LSP chỉ đi qua một nhóm trong
số các nút thì CR-LSP đó được gọi là đường dẫn đơn hướng ràng buộc thả lỏng,
ngược lại nếu ER quy định CR-LSP phải đi qua toàn bộ các nút trong tập các nút
thì CR-LSP đó được gọi là đường dẫn đơn hướng ràng buộc nghiêm ngặt.
Định tuyến tường minh ER mã hóa và thiết lập các CR-LSP theo một
chuỗi các ER-NextHop (chặng tường minh) chứa trong các bản tin phụ trợ TLV
(Type-Length-Value) ràng buộc. CR-LSP sẽ được thiết lập đi tới nhóm các nút
theo thứ tự ER-NextHop định trước.Mỗi ER-Hop có thể xác định một nhóm các
nút. CR-LSP khi đó bao gồm tất cả các nhóm nút đã được xác định theo thứ tự
xuất hiện trong cấu trúc TLV.

1.6.Các chế độ báo hiệu MPLS
1.6.1. Chế độ phân phối nhãn
MPLS cho phép hai chế độ hoạt động của các LSR để phân phối các ánh
xạ nhãn, đó là phân phối không cần yêu cầu và phân phối theo yêu cầu.
a) Phân phối nhãn không cần yêu cầu
Bộ định tuyến đường xuốngLSR phân phối các gán kết nhãn đến bộ định
tuyến đường lên LSR mà khơng cần có u cầu thực hiện việc liên kết nhãn. Nếu
bộ định tuyến đường xuống chính là chặng kế đối với định tuyến IP cho một
FEC cụ thể thì bộ định tuyến đường lên LSR có thể sử dụng kiểu kết nhãn này
để chuyển tiếp các gói trong FEC đến bộ định tuyến đường xuống.

Hình 1.9: Phân phối nhãn không cần yêu cầu
b) Phân phối nhãn theo yêu cầu
12

Bộ định tuyến đường lên LSR phải yêu cầu rõ ràng một gán kết nhãn cho
một FEC cụ thể thì bộ định tuyến đường xuống mới phân phối. Trong phương
thức này, đường xuống của bộ định tuyến không nhất thiết phải là chặng kế đối
với định tuyến IP cho FEC đó, điều này rất quan trọng đối với các LSP định
tuyến tường minh.

Hình 1.10: Phân phối nhãn gắn kết Nhãn-FEC
1.6.2. Chế độ duy trì nhãn
Một bộ định tuyến đường lên LSR có thể nhận các gán kết cho cùng một
FEC X từ nhiều bộ định tuyến đường xuống. Có hai chế độ duy trì các gán kết
nhãn nhận được là duy trì nhãn tự do(liberal label retention) và duy trì nhãn bảo
thủ (consvervative label retention).
a) Duy trì nhãn tự do
Phía bộ định tuyến đường lên (LSR1) lưu giữ tất cả các gán kết nhãn nhận
được, bất chấp việc bộ định tuyến đường xuống có phải là chặng kế đối với định
tuyến IP hay khơng (hình 1.11). Ưu điểm chính của duy trì nhãn tự do là có thể
phản ứng nhanh với sự thay đổi định tuyến vì các gán kết nhãn đã có sẵn. Nhược
điểm là LSR phải duy trì nhiều gán kết nhãn khơng dùng và có thể gây ra lặp
định tuyến tạm thời khi thay đổi định tuyến.

13


Hình 1.11: Duy trì nhãn tự do
b) Duy trì nhãn bảo thủ
Bộ định tuyến đường lên LSR hủy tất cả các gán kết nhãn khác, chỉ giữ lại
gán kết nhãn gửi từ bộ định tuyến đường xuống đang là chặng kế hiện hành
(hình 1.12). Chế độ này có ưu điểm là LSR chỉ cần duy trì số gán kết FECnhãn ít
hơn, nhưng đáp ứng chậm khi thay đổi định tuyến vì gán kết nhãn mới phải được
yêu cầu và phân phối lại. Đây là chế độ thích hợp cho các LSR chỉ hỗ trợ một số

lượng nhãn hạn chế (như các chuyển mạch ATM).

Hình 1.12: Duy trì nhãn bảo thủ
1.6.3. Chế độ điều khiển LSP
Khi một FEC ứng với một tiền tố địa chỉ được phân phối bởi định tuyến
IP, việc thiết lập mối kết hợp giữa các gán kết nhãn tại một LSR có thể thực hiện
theo hai cách sau đây:
a) Điều khiển độc lập
Khi mỗi LSR nhận dạng ra một FEC thì nó quyết định gán kết ngay một
nhãn cho FEC đó và cơng bố ln gán kết cho các đối tác phân phối nhãn (label
distribution peer). Điều này tương tự như định tuyến IP thông thường, ở đó mỗi
bộ định tuyến ra quyết định độc lập về nơi cần chuyển gói đi. Điều khiển độc lập
có ưu điểm là thiết lập nhanh vì việc kết nhãn diễn ra song song giữa nhiều cặp
LSR và dòng lưu lượng có thể bắt đầu truyền mà khơng cần đợi cho tất cả các
gán kết nhãn thiết lập xong.

14


Hình 1.13: Điều khiển độc lập
b) Điều khiển tuần tự
Một bộ định tuyến đường xuống thực hiện kết nhãn cho một FEC và
thơng báo gán kết đó chỉ nếu nó là LSR lỗi ra hoặc nếu nó nhận được một gán
kết nhãn cho FEC đó từ bộ định tuyến hướng đường xuống của nó (hình 1.14).
Việc thiết lập LSP tuần tự bắt đầu ở LSR lối ra và diễn ra nối tiếp theo hướng
ngược về LSR lối vào. Các LSP định tuyến tường minh bắt buộc phải sử dụng
kiểu điều khiển tuần tự và quá trình phân phối nhãn theo chuỗi có thứ tự sẽ tạo
ra thời gian trễ trước khi dịng lưu lượng đi trên LSP có thể bắt đầu. Tuy nhiên,
điều khiển tuần tự cũng cấp phương tiện tránh lặp và đạt được mức độ thu
gomchắc chắn hơn.

Hình 1.14: Điều khiển tuần tự

1.7.Các giao thức phân phối nhãn
Giao thức phân phối nhãn là một tập các thủ tục mà nhờ nó một LSR có
thể lưu thơng báo cho một LSR khác biết về các mối gán kết nhãn FEC mà nó đã
tiến hành. Kiến trúc MPLS khơng chỉ định một giao thức phân phối nhãn duy
nhất nào, do đó có thể có nhiều lựa chọn, mỗi giao thức có ưu điểm và nhược
điểm riêng.
1.7.1. Giao thức phân phối nhãn LDP

15


LDP(label distribution protocol) được chuẩn hóa trong RFC 3036, nó
được thiết kế để thiết lập và duy trì các LSP định tuyến khơng ràng buộc.Vùng
hoạt động của LDP có thể là giữa các LSR láng giềng trực tiếp hoặc gián tiếp.

Hình 1.15: Vùng hoạt động của LDP
Nguyên tắc hoạt động cơ bản của LDP là mỗi LER/LSR ban đầu thực hiện
gắn nhãn nội bộ (Local Binding) cho tất cả các mạng trong bảng RIB, sau đó
thiết lập phiên làm việc LDP với các LER/LSR lân cận hoặc cách quãng (nếu
được cấu hình) và quảng bá các nhãn nội bộ tới các LER/LSR đã xác lập phiên.
Mỗi LER/LSR lưu trữ các nhãn nội bộ và các nhãn nhận được vào bảng cơ sở dữ
liệu nhãn LIB. Nhãn nội bộ Local Binding của LER/LSR quảng bá đi sẽ là nhãn
từ xa Remote Binding đối với LER/LSR nhận được. Một LER/LSR có thể nhận
được nhiều nhãn Remote Binding, nhưng nó sẽ chọn ra nhãn Remote Binding
nào được quảng bá bởi LER/LSR trên đường xuống của LSP gắn với FEC được
chỉ ra bởi bảng RIB. Đối với một tuyến đường thì mỗi LER/LSR khi nhận được
gói tin có gắn nhãn với giá trị nhãn nội bộ Local Binding của mình thì nó sẽ thực

hiện thủ tục hoán đổi nhãn trên đỉnh ngăn xếp nhãn từ giá trị Local Binding nội
bộ sang giá trị Remote Binding nhận được từ LER/LSR lân cận.
a) Chức năng hoạt động và các bản tin
LDP có 4 chức năng chính đó là: phát hiện LER/LSR lân cận; thiết lập và
duy trì phiên làm việc; quảng bá và trao đổi nhãn; ra thơng báo. Tương ứng với
các chức năng này có các loại bản tin LDP như sau:
 Chức năng Discovery: LER/LSR định kỳ trao đổi các bản tin Hello hoạt
động trên nền UDP với địa chỉ IP đích là 224.0.0.2, địa chỉ cổng đích 646
(với TDP là 711). Khi LER/LSR ở lân cận nhận được bản tin này, nó sẽ
thiết lập một phiên TCP về nguồn đã phát ra bản tin Hello. Do mỗi
16