Công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức mpls và ứng dụng mpls vpn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:
CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO
THỨC MPLS VÀ ỨNG DỤNG MPLS VPN

Sinh viên thực hiện
Lớp

: TRẦN ĐÌNH QUỐC
: 54 K1 – KT ĐTTT

Giảng viên hướng dẫn : THS. LƯƠNG NGỌC MINH

NGHỆ AN - 2018
1


LỜI NĨI ĐẦU
Sự phát triển nhanh chóng của các dịch vụ IP và sự bùng nổ thông tin trên
mạng Internet đã dẫn đến những nhận thức mới trong vấn đề kinh doanh của các
nhà cung cấp dịch vụ. Nhu cầu cấp bách của thị trường cho một kết nối tốc độ cao
với chi phí thấp là cơ sở cho một loạt các cơng nghệ mới ra đời, trong đó có MPLS.
Công nghệ MPLS (Multi Protocol Label Switching) được tổ chức quốc tế IETF
chính thức đưa ra vào cuối năm 1997 và đã phát triển nhanh chóng trên tồn cầu.
Có thể nói VPN là mơ ̣t trong những ứng du ̣ng quan tro ̣ng nhấ t của MPLS.
Công nghệ mạng riêng ảo MPLS VPN đưa ra mô ̣t thay đổ i cơ bản trong cơng nghê ̣

VPN. Chính vì vậy, đồ án tốt nghiệp này đã nghiên cứu về “Công nghệ chuyển
mạch nhãn đa giao thức MPLS và ứng dụng MPLS VPN”. Qua đó nghiên cứu kĩ
càng hơn những kiến thức về công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS và
ứng dụng của MPLS trong mạng riêng ảo VPN.
Nội dung đồ án gồm có ba chương:
Chương 1: Tổng quan về công nghệ MPLS.
Chương 2: Cấu trúc và hoạt động của MPLS.
Chương 3: Ứng dụng của MPLS trong mạng riêng ảo VPN.
Do thời gian và kiến thức còn hạn hẹp nên trong q trình làm đồ án khơng thể
tránh khỏi sai sót, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy, cơ giáo
để đồ án được hồn thiện hơn. Qua đây, tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn chân
thành tới ThS. Lương Ngọc Minh đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong thời gian
qua.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Nghệ An, tháng 06 năm 2018
Sinh viên thực hiện

Trần Đình Quốc

2


TÓM TẮT
Multi-Protocol Label Switching (MPLS) which was introduced by Internet
Engineering Task Force (IETF). MPLS is a packet-forwarding technology which
uses labels to make data forwarding decisions is usually used in communication
networks which started attracting all the internet service provider(ISP) networks
with its brilliant and excellent features that provide quality of services (QOS)and
guarantees to traffic which carries data from one network to another network
directly through labels.

Virtual Private Network (VPN) is one of the highly useful MPLS applications
which allow a service provider or a large enterprise network to offer network Layer
VPN services that guarantee and carries traffic securely and privately from
customer’s one to another through the service provider’s network. VPN service
offers a cost effective way to expand geographically or to replace expensive
dedicated.

ABSTRACT
Chuyển đổi nhãn đa giao thức (MPLS) được giới thiệu bởi Internet
Engineering Task Force (IETF). MPLS là cơng nghệ chuyển tiếp gói sử dụng nhãn
để đưa ra quyết định chuyển tiếp dữ liệu. MPLS thường được sử dụng trong các
mạng truyền thông thu hút được rất nhiều nhà cung cấp dịch vụ internet (ISP) với
các tính năng tuyệt vời đáp ứng chất lượng dịch vụ (QOS) và đảm bảo cho lưu
lượng truy cập mang dữ liệu từ một mạng đến mạng khác trực tiếp thông qua nhãn.
Mạng riêng ảo (VPN) là một trong những ứng dụng MPLS rất hữu ích cho
phép nhà cung cấp dịch vụ hoặc doanh nghiệp mạng lớn cung cấp các dịch vụ VPN
đảm bảo và mang lưu lượng truy cập một cách an toàn và riêng tư từ khách hàng
đến một mạng khác thông qua mạng của nhà cung cấp dịch vụ. Dịch vụ VPN cung
cấp một cách hiệu quả về chi phí để mở rộng về mặt địa lý hoặc thay thế cho những
dịch vụ đắt tiền chuyên dụng.
3


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU.............................................................................................................1
TÓM TẮT ...................................................................................................................3
MỤC LỤC ...................................................................................................................4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .....................................................................................6
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT.............................................................................8
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MPLS ...........................................10

1.1 Giới thiệu về chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS. ........................................10
1.1.1 Khái niệm. ....................................................................................................10
1.1.2 Đặc điểm mạng MPLS. ................................................................................10
1.1.3 Các lợi ích của MPLS. .................................................................................10
1.1.4 Lịch sử phát triển của MPLS. ......................................................................10
1.2 Công nghệ chuyển mạch nền tảng.......................................................................12
1.2.1 Công nghệ IP. ..............................................................................................12
1.2.2 Công nghệ chuyển mạch ATM. ................................................................... 13
1.2.3 Công nghệ chuyển mạch MPLS. .................................................................15
1.2.4 Mơ hình MPLS so với mơ hình IP over ATM. ............................................17
1.3 Mơ hình MPLS và Mơ hình tham chiếu OSI ......................................................19
1.4 Một số khái niệm thường gặp trong MPLS. ........................................................20
1.4.1 Miền MPLS (MPLS domain). .....................................................................20
1.4.2 Nhãn và ngăn xếp nhãn. ...............................................................................20
1.4.3 Upstream và Downstream. ...........................................................................21
CHƯƠNG II. CẤU TRÚC VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA MPLS....................................22
2.1. Các phần tử chính của MPLS. ............................................................................22
2.1.1 LSR (Label Switch Router). ........................................................................22
2.1.2 Đường dẫn chuyển mạch nhãn LSP (Label Switch Path). ..........................23
2.1.3 FEC (Forwarding Equivalence Class). ........................................................24
2.2 Cấu trúc của nút MPLS. ......................................................................................26
2.2.1 Mặt phẳng chuyển tiếp (Forwarding Plane). ...............................................27
2.2.2 Mặt phẳng điều khiển (Control Plane).........................................................30
2.3 Các giao thức sử dụng trong MPLS. ...................................................................31
2.3.1 Phân phối nhãn.............................................................................................31
4


2.3.2 Giao thức đặt trước tài nguyên. ...................................................................38
2.4 Hoạt động của MPLS. .........................................................................................43

2.5 Ưu điểm và nhược điểm của MPLS. ...................................................................46
2.6 Ứng dụng của mạng MPLS. ................................................................................47
2.6.1 Mạng riêng ảo VPN. ....................................................................................47
2.6.2 Điều khiển lưu lượng trong MPLS. .............................................................48
2.6.3 Chất lượng dịch vụ trong MPLS (QoS). ......................................................50
CHƯƠNG III. ỨNG DỤNG CỦA MPLS TRONG MẠNG RIÊNG ẢO VPN .......53
3.1 Công nghệ MPLS VPN .......................................................................................53
3.1.1 Khái niệm VPN ............................................................................................53
3.1.2 So sánh VPN truyền thống và MPLS VPN. ................................................55
3.1.2.1 VPN truyền thống. ............................................................................................ 55
3.1.2.2 MPLS VPN. ........................................................................................................ 56

3.2 Lợi ích của MPLS VPN. .....................................................................................57
3.3 Mơ hình MPLS VPN ...........................................................................................58
3.4 Định tuyến trong MPLS. .....................................................................................63
3.4.1 Định tuyến ràng buộc (Constrain-based routing). .......................................63
3.4.2 Định tuyến tường minh (Explicit Routing)..................................................65
3.5 Kiến trúc và quá trình vận hành của VPN trong MPLS. .....................................65
3.5.1 Quá trình chuyển tiếp định tuyến ảo VRF. ..................................................65
3.5.2 Route Distinguisher (RD). ...........................................................................67
3.5.3 Route Target (RT). .......................................................................................68
3.5.4 Phân tán tuyến trong mạng MPLS VPN. .....................................................69
3.5.5 Chuyển tiếp gói tin trong mạng MPLS VPN. ..............................................70
3.6 Vấn đề bảo mật trong MPLS VPN. ....................................................................72
3.6.1 Khoảng địa chỉ và định tuyến riêng biệt. .....................................................72
3.6.2 Che giấu cấu trúc lõi của MPLS. .................................................................72
3.6.3 Chống lại các cuộc tấn công. .......................................................................73
3.6.4 Giả nhãn. ......................................................................................................74
KẾT LUẬN ...............................................................................................................76
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................77

5


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1. 1 Mạng chuyển mạch ATM .........................................................................13
Hình 1. 2 Định tuyến IP qua ATM ............................................................................14
Hình 1. 3 Mơ hình tham chiếu OSI, TCP/IP và MPLS .............................................19
Hình 1. 4 Miền MPLS (MLPS Domain) ...................................................................20
Hình 1. 5 Upstream và Downstream LS ...................................................................21

Hình 2. 1 Đường chuyển mạch nhãn .........................................................................23
Hình 2. 2 Mơ hình LSP Nested [2]............................................................................24
Hình 2. 3 Lớp chuyển tiếp tương đương trong mạng MPLS ....................................25
Hình 2. 4 Mạng MPLS chạy iBGP ............................................................................26
Hình 2. 5 Cấu trúc một nút MPLS ............................................................................27
Hình 2. 6 FTN, ILM và NHLFE ...............................................................................28
Hình 2. 7 Thuật tốn chuyển tiếp nhãn .....................................................................29
Hình 2. 8 NHLFE ......................................................................................................30
Hình 2. 9 Quan hệ giữa các LDP với các giao thức khác .........................................33
Hình 2. 10 Thủ tục phát hiện LSR lân cận ................................................................35
Hình 2. 11 Thủ tục báo hiệu trong RSVP .................................................................40
Hình 2. 12 Nhãn phân phối trong bản tin RESV.......................................................41
Hình 2. 13 Phương thức phân phối nhãn ...................................................................43
Hình 2. 14 Hoạt động của mạng MPLS ....................................................................44
Hình 2. 15 Điều khiển lưu lượng trong MPLS ..........................................................49
Hình 2. 16 Điều khiển lưu lượng trong MPLS ..........................................................49
Hình 2. 17 Các kỹ thuật QoS trong mạng IP .............................................................52

Hình 3. 1 Mơ hình VPN ............................................................................................53

Hình 3. 2 Mơ hình phân tách dựa vào VRF trong MPLS VPN ................................57
Hình 3. 3 Mơ hình MPLS VPN .................................................................................58
Hình 3. 4 Các kết nối văn phòng ở xa và các phòng ban bộ phận ............................61
Hình 3. 5 Định tuyến ràng buộc ................................................................................64
Hình 3. 6 Mô tả các bảng định tuyến ảo trong PE ....................................................66
6


Hình 3. 7 Mơ tả định dạng RD ..................................................................................67
Hình 3. 8 RT trong MPLS VPN Extranet .................................................................69
Hình 3. 9 Các bước phân tán tuyến từ router CE ở site A đến site B .......................70
Hình 3. 10 Quá trình chuyển tiếp gói tin trong mạng MPLS VPN ...........................71

7


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ASIC

Application Specific Intergrated Circuits Mạch tích hợp chun dụng

ATM

Asynchnorous Tranfer Mode

Truyền dẫn khơng đồng bộ

AToM

Any Transport over MPLS

Truyền tải qua MPLS

BGP

Border Gateway Protocol

Giao thức cổng biên

CE

Custome Edge

Biên phía khách hàng

DiffServ Differentiated Services

Dịch vụ khác biệt

E-LSR

Egress LSR

LSR biên ra

FEC

Forwarding Equivalency Class

Lớp chuyển tiếp tương đương

HDLC

High Data Link Control

Điều khiển kết nối dữ liệu tốc
độ cao

I-LSR

Ingress LSR

LSR biên vào

IntServ

Integrated Services

Dịch vụ tích hợp

IP

Internet Protocol

Giao thức Internet

IPX

Internetwork Packet Exchange

Trao đổi gói dữ liệu mạng

ISP

Internet Service Provider

Nhà cung cấp dịch vụ Internet

LAN

Local Area Network

Mạng địa phương

LDP

Label Distribution Protocol

Giao thức phân phối nhãn

LER

Label Edge Router

Bộ định tuyến nhãn biên

LFIB

Label Forwarding Information Base

LIB

Label Information Base

Cơ sở dữ liệu nhãn

LSP

Label Switch Path

Tuyến chuyển mạch nhãn

LSR

Label Switch Router

Bộ định tuyến chuyển mạch

Cơ sở thông tin chuyển tiếp
nhãn

nhãn
8


MPLS

Chuyển mạch nhãn đa giao

Multiprotool Label Switching

thức
MPLS

Multiprotool Label Switching

Mạng riêng ảo dùng chuyển

VPN

Virtual Pravite network

mạch nhãn đa giao thức

MP-BGP MPLS – Border Gateway Protocol

Đa giao thức cổng biên

OSPF

Open Shortest Path First

Giao thức OSPF

PE

Provider Edge

Biên nhà cung cấp

PPP

Point-to-Point Protocol

Giao thức điểm - điểm

PQ

Priority Queue

Hàng đợi ưu tiên

PVC

Permanent Virtual Circuit

Mạch ảo cố định

QoS

Quanlity of Service

Chất lượng dịch vụ

RSVP

Resource Reservation Protocol

Giao thức dành sẵn tài nguyên

TCP

Tranmission Control Protocol

Giao thức điều khiển truyền
dẫn

TDP

Tag Distribution Protocol

Giao thức phân phối tag

TTL

Time To Live

Thời gian sống

UDP

User Datagram Protocol

Giao thức UDP

VC

Virtual Channel

Kênh ảo

VCI

Virtual Channel Identifier

Định danh kênh ảo

VoATM Voice over ATM

Thoại qua ATM

VoIP

Voice over IP

Thoại qua IP

VP

Virtual Path

Tuyến ảo

VPI

Virtual Packet Indentifier

Định danh gói ảo

VPN

Virtual Pravite network

Mạng riêng ảo
9


CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MPLS
1.1 Giới thiệu về chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS
1.1.1 Khái niệm
MPLS là viết tắt của Multi Protocol Label Switching hay còn gọi là chuyển
mạch nhãn đa giao thức. MPLS là một công nghệ lai kết hợp những đặc điểm tốt
nhất giữa định tuyến lớp 3 (layer 3 routing), và chuyển mạch lớp 2 (layer 2
switching) cho phép chuyển tải các gói rất nhanh trong mạng lõi (core) và định
tuyến tốt ở các mạng biên (edge) bằng cách dựa vào nhãn (label). [1]
Giống như các mạng chuyển mạch, nó là một biện pháp linh hoạt để giải quyết
những vấn để khó khăn trong mạng hiện nay như tốc độ, quy mô, chất lượng dịch
vụ, quản trị và kỹ thuật lưu lượng.
1.1.2 Đặc điểm mạng MPLS
-

Khơng cần có một giao diện lập trình ứng dụng, cũng khơng có thành phần

giao thức phía host.
-

MPLS chỉ nằm trên các router.

-

MPLS là giao thức độc lập nên có thể hoạt động cùng với giao thức khác IP

như IPX, ATM, Frame Relay, …
-

MPLS giúp đơn giản hoá quá trình định tuyến và làm tăng tính linh động của

các tầng trung gian.
1.1.3 Các lợi ích của MPLS
- Việc sử dụng hạ tầng mạng thống nhất
- Ưu điểm vượt trội so với mơ hình IP over ATM
- Giao thức cổng biên (BGP) – lõi tự do
- Mơ hình peer to peer cho MPLS VPN
- Chuyển lưu lượng quang
- Điều khiển lưu lượng
1.1.4 Lịch sử phát triển của MPLS

10


MPLS được đề xuất đầu tiên do hãng Ipsilon một hãng rất nhỏ về công nghệ
thông tin trong triển lãm về công nghệ thông tin, viễn thông tại Texas. Sau đó Cisco
và hàng loạt hãng khác như IBM, Toshiba…cơng 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 nhưng có

bổ sung thêm một vài kỹ thuật như lớp chuyển tiếp tương đương FEC, giao thức
phân phối nhãn. Đến năm 1997 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 địi 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.
• MPLS thực hiện một số chức năng sau:
- Hỗ trợ các giải pháp mạng riêng ảo VPN
- Định tuyến hiện (điều khiển lưu lượng)
- Hỗ trợ cục bộ cho định tuyến IP trong các tổng đài chuyển mạch ATM

11


Khái niệm chuyển mạch nhãn xuất phát từ hai khái niệm: Tổng đài chuyển
mạch và bộ định tuyến.
Xét trên góc độ chuyển mạch, phương thức điều khiển luồng, tỉ lệ giá cả và
chất lượng tổng đài chuyển mạch sẽ tốt hơn bộ định tuyến. Song bộ định tuyến lại
có khả năng định tuyến mềm dẻo mà tổng đài chuyển mạch khơng có được.
Do đó, chuyển mạch nhãn ra đời là sự kết hợp và kế thừa các ưu điểm trên
cũng như khắc phục những nhược điểm của cả tổng đài và bộ định tuyến truyền

thống.
1.2 Công nghệ chuyển mạch nền tảng
Trong các công nghệ chuyển mạch hiện nay, IP và ATM đang được sự quan
tâm đặc biệt do tính năng riêng của chúng. Các phần sau sẽ tóm lược một số điểm
chính của từng loại cơng nghệ này cũng như một công nghệ mới cho chuyển mạch
IP và MPLS.
1.2.1 Công nghệ IP
IP là thành phần chính của kiến trúc của mạng Internet. Trong kiến trúc này,
IP đóng vai trị lớp 3. 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 chứa địa chỉ của
bên nhận, địa chỉ là một số duy nhất trong tồn mạng và mang đầy đủ thông tin cần
cho việc chuyển gói tin tới đích. [1]
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 môi
trường mạng gồm nhiều nút. Kết quả tính tốn của cơ cấu định tuyến được lưu trong
các bảng chuyển tin (forwarding table) chứa thông tin về chặng tiếp theo để có thể
gửi gói tin tới hướng đích.
Dựa trên các bảng chuyển tin, cơ cấu chuyển tin chuyển mạch các gói IP
hướng tới đích. Phương thức chuyển tin truyền thống là theo từng chặng một. Ở
cách này, mỗi nút mạng tính tốn bảng chuyển tin một cách độc lập. Do vậy, phương
thức này yêu cầu kết quả tính tốn của phần định tuyến tại tất cả các nút phải nhất

12


quán với nhau. Sự không thống nhất của kết quả sẽ dẫn tới việc chuyển gói tin sai
hướng, điều này đồng nghĩa với việc mất gói tin.
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 mà đi qua cùng một nút thì

chúng sẽ được truyền qua cùng một tuyến tới điểm đích. Điều này khiến mạng
không thể thực hiện một số chức năng khác như định tuyến theo đích, theo loại dịch
vụ,…
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.
Với các phương thức như CIDR (Classless Interdomain Routing), kích thước
của bảng chuyển tin được duy trì ở mức chấp nhận được, và do việc tính tốn định
tuyến đều do các nút tự thực hiện, mạng có thể mở rộng mà khơng cần thực hiện bất
kỳ một thay đổi nào.
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. Ngoài ra, IP cũng không hỗ trợ chất lượng dịch vụ.
1.2.2 Công nghệ chuyển mạch ATM

Hình 1. 1 Mạng chuyển mạch ATM [1]
13


ATM (Asynchronous Transfer Mode) là một kỹ thuật truyền tin tốc độ cao.
ATM nhận thông tin ở nhiều dạng khác nhau như thoại, số liệu, video và cắt ra
thành nhiều phần nhỏ gọi là tế bào. Các tế bào này, sau đó, được truyền qua các kết
nối ảo VC (Virtual Connection). Vì ATM có thể hỗ trợ thoại, số liệu và video với
chất lượng dịch vụ trên nhiều công nghệ băng rộng khác nhau, nó được coi là cơng
nghệ chuyển mạch hàng đầu và thu hút được nhiều quan tâm. [1]
Nhưng ATM cũng có nhược điểm là tốn băng thơng (do mỗi tế bào có kích
thước đến 53 bytes), nên gói tin nhỏ bị hạn chế tác dụng khi tốc độ đường truyền
vật lý tăng nhiều.
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. Một điểm khác biệt nữa là
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 thời gian kết nối.
Trong quá trình thiết lập kết nối, các tổng đài ATM trung gian cấp cho kết nối
một nhãn. Việc này thực hiện hai điều: dành cho kết nối một số tài nguyên và xây
dựng bảng chuyển tế bào tại mỗi tổng đài. Bảng chuyển tế bào này có tính cục bộ và
chỉ chứa thông tin về các kết nối đang hoạt động đi qua tổng đài. Điều này khác với
thông tin về tồn mạng chứa trong bảng chuyển tin của router dùng IP.
Internet Service
Provide

ATM Switch
R1

R2

ATM Switch

ATM Switch

Hình 1. 2 Định tuyến IP qua ATM [1]
14


Quá trình chuyển tế bào qua tổng đài ATM cũng tương tự như việc chuyển gói
tin qua Router. Tuy nhiên, ATM có thể chuyển mạch nhanh hơn vì nhãn gắn trên
các cell có kích thước cố định ( nhỏ hơn của IP), kích thước của bảng chuyển tin
nhỏ hơn nhiều so với của IP router, và việc này được thực hiện trên các thiết bị phần

cứng chuyên dụng. Do vậy, thông lượng của tổng đài ATM thường lớn hơn thông
lượng của IP router truyền thống.
IP và ATM là hai công nghệ thuộc hai lớp khác nhau trong mơ hình OSI. Các
ATM switch chỉ vận chuyển lưu lượng dựa trên giá trị VPI/VCI mà các router IP
không thể nhận biết. Tượng tự, các router IP là các thiết bị lớp 3, chỉ quan tâm đến
việc chuyển tiếp gói tin dựa trên các thơng tin chứa trong gói tin, mà các ATM
switch không thể hiểu được các thông tin này.
1.2.3 Công nghệ chuyển mạch MPLS
Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp viễn thơng đã và đang tìm một
phương thức chuyển mạch có thể phối hợp ưu điểm của IP (như cơ cấu định tuyến)
và của ATM (như thông lượng chuyển mạch). Mơ hình IP-over-ATM của IETF coi
IP như một lớp nằm trên lớp ATM và định nghĩa các mạng con IP trên nền mạng
ATM. Phương thức tiếp cận xếp chồng này cho phép IP và ATM hoạt động với
nhau mà không cần thay đổi giao thức của chúng. Tuy nhiên, cách này không tận
dụng được hết khả năng của ATM.
Công nghệ MPLS ( MultiProtocol Label Switching ) là kết quả phát triển của
nhiều công nghệ chuyển mạch IP ( IP switching ) sử dụng cơ chế chuyển gói của
ATM để tăng tốc độ truyền gói tin mà khơng cần thay đổi các giao thức định tuyến
của IP. Thiết bị CSR (Cell Switch Router) của Toshiba ra đời năm 1994 là tổng đài
ATM đầu tiên được điều khiển bằng giao thức IP thay cho báo hiệu ATM. Tổng đài
IP của Ipsilon về thực chất là một ma trận chuyển mạch ATM được điều khiển bởi
khối xử lý sử dụng công nghệ IP. Cơng nghệ Tag switching của Cisco cũng tương
tự nhưng có bổ sung thêm một số điểm mới như FEC (Forwarding Equivalence
Class), giao thức phân phối nhãn, v.v… [2]
MPLS tách chức năng của IP router ra làm hai phần riêng biệt: chức năng
chuyển gói tin và chức năng điều khiển:
15


Từ những kết quả trên, nhóm làm việc về MPLS được thành lập năm 1997 với

nhiệm vụ phát triển một công nghệ chuyển mạch nhãn IP thống nhất mà kết quả của
nó là cơng nghệ MPLS.
Phần chức năng chuyển gói tin, với nhiệm vụ gửi gói tin giữa các IP router, sử
dụng cơ chế hốn đổi nhãn tương tự như của ATM. Trong MPLS, nhãn là một số có
độ dài cố định và không phụ thuộc vào lớp mạng. Kỹ thuật hốn đổi nhãn về bản
chất là việc tìm nhãn của một gói tin trong một 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 thơng thường, do vậy cải thiện khả năng của thiết bị. Các router sử dụng thuật
này được gọi là LSR (Label Switching Router).
Phần chức năng điều khiển của MPLS bao gồm các giao thức định tuyến lớp
mạng với nhiệm vụ phân phối thông tin giữa các LSR, và thủ tục gán nhãn để
chuyển thông tin định tuyến thành các bảng định tuyến cho việc chuyển mạch.
MPLS có thể hoạt động được với các giao thức định tuyến Internet khác như: OSPF
(Open Shortest Path First) và BGP (Border Gateway Protocol). Do MPLS hỗ trợ
việc điều khiển lưu lượng và cho phép thiết lập tuyến cố định nên việc đảm bảo chất
lượng dịch vụ của các tuyến là hồn tồn khả thi. Đây là một tính năng vượt trội của
MPLS so với các giao thức định tuyến cổ điển.
Ngoài ra, MPLS cịn có cơ chế chuyển tuyến (fast rerouting). Do MPLS là
công nghệ chuyển mạch hướng kết nối, khả năng bị ảnh hưởng bởi lỗi đường truyền
thường cao hơn các cơng nghệ khác. Trong khi đó, các dịch vụ tích hợp mà MPLS
phải hỗ trợ lại yêu cầu chất lượng vụ cao. Do vậy, khả năng phục hồi của MPLS
đảm bảo khả năng cung cấp dịch vụ của mạng không phụ thuộc vào cơ cấu khôi
phục lỗi của lớp vật lý bên dưới.
Bên cạnh độ tin cậy, công nghệ MPLS cũng khiến việc quản lý mạng được dễ
dàng hơn. Do MPLS quản lý việc chuyển tin theo các luồn thơng tin, các gói tin
thuộc một FEC có để được xác định bởi giá trị của nhãn. Do vậy, trong miền MPLS
các thiết bị đo lưu lượng mạng có thể dựa trên nhãn để phân loại các gói tin. Lưu
lượng đi qua các đường chuyển nhãn (LSP) được giám sát một cách dễ dàng dùng
RTFM (Real-time Flow Measurement). Bằng cách giám sát lưu lượng tại các LSR,
16

nghẽn lưu lượng sẽ được phát hiện và vị trí xảy ra nghẽn lưu lượng có thể được xác
định nhanh chóng.
Tuy nhiên, giám sát lưu lượng theo phương thức này không đưa ra được tồn
bộ thông tin về chất lượng dịch vụ (ví dụ như trễ từ điểm đầu đến điểm cuối của
miền MPLS). Việc đo trễ có thể được thực hiện bởi giao thức lớp 2. Để giám sát tốc
độ của mỗi luồng và đảm bảo các luồng lưu lượng tuân thủ tính chất lưu lượng đã
được định trước, hệ thống giám sát có thể dùng một thiết bị nắn lưu lượng. Thiết bị
này sẽ cho phép giám sát và đảm bảo tuân thủ tính chất lưu lượng mà khơng cần
thay đổi các giao thức hiện có.
Tóm lại, MPLS là một cơng nghệ chuyển mạch IP có nhiều triển vọng. Với
tính chất của cơ cấu định tuyến của mình, MPLS có khả năng nâng cao chất lượng
dịch vụ của mạng IP truyền thống. Bên cạnh đó, thơng lượng của mạng sẽ được cải
thiện một cách rõ rệt. Tuy nhiên, độ tin cậy là một vấn đề thực tiễn có thể khiến việc
triển khai.
1.2.4 Mơ hình MPLS so với mơ hình IP over ATM
Khi hợp nhất với chuyển mạch ATM, chuyển mạch nhãn tận dụng những
thuận lợi của các tế bào ATM - chiều dài thích hợp và chuyển với tốc độ cao. Trong
mạng đa dịch vụ chuyển mạch nhãn cho phép chuyển mạch BPX/MGX nhằm cung
cấp dịch vụ ATM, Frame, Replay và IP Internet trên một mặt phẳng đơn trong một
đường đi tốc độ cao. Các mặt phẳng (Platform) công cộng hỗ trợ các dịch vụ này để
tiết kiệm chi phí và đơn giản hóa hoạt động cho nhà cung cấp đa dịch vụ. ISP sử
dụng chuyển mạch ATM trong mạng lõi, chuyển mạch nhãn giúp các dòng Cisco,
BPX8600, MGX8800, Router chuyển mạch đa dịch vụ 8540 và các chuyển mạch
Cisco ATM giúp quản lí mạng hiệu quả hơn xếp chồng (overlay) lớp IP trên mạng
ATM. Chuyển mạch nhãn tránh những rắc rối gây ra do có nhiều router ngang hàng
và hỗ trợ cấu trúc phân cấp (hierarchical structure) trong một mạng của ISP.
- Sự tích hợp: MPLS xác nhập tính năng của IP và ATM chứ khơng xếp chồng
lớp IP trên ATM. MPLS giúp cho cơ sở hạ tầng ATM thấy được định tuyến IP và

loại bỏ các yêu cầu ánh xạ giữa các đặc tính IP và ATM. MPLS không cần địa chỉ
ATM và kỹ thuật định tuyến.
17


- Độ tin cậy cao hơn: Với cơ sở hạ tầng ATM, MPLS có thể kết hợp hiệu quả
với nhiều giao thức định tuyến IP over ATM thiết lập một mạng lưới (mesh) dịch vụ
công cộng giữa các router xung quanh một đám mây ATM. Tuy nhiên có nhiều vấn
đề xảy ra do các PVC link giữa các router xếp chồng trên mạng ATM. Cấu trúc
mạng ATM không thể thấy bộ định tuyến. Một link ATM bị hỏng làm hỏng nhiều
router-to-router link, gây khó khăn cho lượng cập nhật thơng tin định tuyến và
nhiều tiến trình xử lí kéo theo.
- Trực tiếp thực thi các loại dịch vụ: MPLS sử dụng hàng đợi và bộ đếm của
ATM để cung cấp nhiều loại dịch vụ khác nhau. Nó hỗ trợ quyền ưu tiên IP và cấp
dịch vụ CoS trên chuyển mạch ATM mà không cần chuyển đổi phức tạp sang các
lớp ATM Forum Service.
- Hỗ trợ hiệu quả cho Mulicast và RSVP: Khác với MPLS, xếp lớp IP trên
ATM nảy sinh nhiều bất lợi, đặc biệt trong việc hỗ trợ các dịch vụ IP như IP
muticast và RSVP (giao thức dành trước tài nguyên). MPLS hỗ trợ các dịch vụ này,
kế thừa thời gian và công việc theo các chuẩn và khuyến khích tạo nên ánh xạ xấp
xỉ của các đặc trưng.
- Sự đo lường và quản lí VPN: MPLS có thể tính được các dịch vụ IP VPN và
rất dễ quản lí các dịch vụ VPN quan trọng để cung cấp các mạng IP riêng trong cơ
sở hạ tầng của nó. Khi một ISP cung cấp dịch vụ VPN hỗ trợ nhiều VPN riêng trên
một cơ sở hạ tầng đơn.Với một đường trục MPLS, thông tin VPN chỉ được xử lí tại
một điểm ra vào. Các gói mang nhãn MPLS đi qua một đường trục và đến điểm ra
đúng của nó. Kết hợp MPLS với MP- BGP (đa giao thức cổng biên) tạo ra các dịch
vụ VNP dựa trên nền MPLS (MPLS-based VNP) dễ quản lí hơn với sự điều hành
chuyển tiếp để quản lí phía VNP và các thành viên VNP, dịch vụ MPLS - based
VNP cịn có thể mở rộng để hỗ trợ hàng trăm nghìn VPN.

- Giảm tải trên mạng lõi: Các dịch vụ VPN hướng dẫn cách MPLS hỗ trợ mọi
thông tin định tuyến để phân cấp. Hơn nữa, có thể tách rời các định tuyến Internet
khỏi lõi mạng cung cấp dịch vụ. Giống như dữ liệu VPN, MPSL chỉ cho phép truy
suất bảng định tuyến Internet tại điểm ra vào của mạng. Với MPSL, kĩ thuật lưu
lượng truyền ở biên của AS được gắn nhãn để liên kết với điểm tương ứng. Sự tách
18


rời của định tuyến nội khỏi định tuyến Internet đầy đủ cũng giúp hạn chế lỗi, ổn
định và tăng tính bảo mật.
- Khả năng điều khiển lưu lượng: MPLS cung cấp các khả năng điều khiển lưu
lượng để sửng dụng hiệu quả tài nguyên mạng. Kỹ thuật lưu lượng giúp chuyển tải
từ các phần quá tải sang các phần còn rỗi của mạng dựa vào điểm đích, loại lưu
lượng, tải, thời gian,…
1.3 Mơ hình MPLS và Mơ hình tham chiếu OSI
OSI MODEL

TCP/IP MODEL

MPLS MODE

Application

Application

Transport

Transport

Layer 7: Application

Layer 6: Presentation

Layer 5: Session

Layer 4 : Transport

Layer 3 : Network

Internet/ Network

Internet/ Network

Label Switching
Layer 2 : Data Link
Network access

Network access

Layer 1: physical

Hình 1. 3 Mơ hình tham chiếu OSI, TCP/IP và MPLS [1]
Mơ hình tham chiếu OSI có 7 lớp, mỗi lớp có một nhiệm vụ riêng biệt trong
q trình truyền thơng: lớp ứng dụng (Application), lớp trình bày (Presentation), lớp
phiên (Session), lớp giao vận (Transport), lớp mạng (Network), lớp liên kết dữ liệu
(Data Link), và cuối cùng là lớp vật lý (Physical).
Việc chia lớp của mơ hình OSI có nhiều tác dụng, ví dụ như mơ hình OSI giúp
đơn giản hóa việc tìm hiểu và phân tích mạng, chuẩn hóa các thành phần mạng để
cho phép phát triển mạng từ nhiều nhà sản xuất và ngăn chặn tình trạng thay đổi của
một lớp làm ảnh hưởng đến lớp khác, giúp mỗi lớp có thể phát triển độc lập và

nhanh chóng hơn.
MPLS được xem như là cơng nghệ lớp đệm (Shim Layer), nó nằm trên lớp 2
nhưng dưới lớp 3. Nguyên lý của MPLS là tất cả các gói IP sẽ được gán nhãn
(Lable) và chuyển tiếp theo một đường dẫn LSP (Label Switched Path). Các Router
19


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 Header IP.
1.4 Một số khái niệm thường gặp trong MPLS
1.4.1 Miền MPLS (MPLS domain)
Miền MPLS là tập các nút mạng thực hiện hoạt động định tuyến và chuyển
tiếp MPLS.
Miền MPLS được chia thành 2 phần: Phần mạng lõi (core) và phần mạng biên
(edge). Trên ngõ vào của miền MPLS, LER dán nhãn vào các gói IP và truyền trên
LSP, LER ngõ ra sẽ gỡ nhãn này để khơi phục lại gói IP ban đầu.

Hình 1. 4 Miền MPLS (MLPS Domain) [1]
1.4.2 Nhãn và ngăn xếp nhãn
•

Nhãn (label): là một bộ nhận dạng có độ dài ngắn và cố định, mạng ý nghĩa

cục bộ dùng để nhận biết một FEC. Nhãn sẽ được dán lên một gói để báo cho LSR
biết gói này cần đi đâu. Phần nội dung nhãn có độ dài 20 bit. Giá trị nhãn định nghĩa
chỉ mục để dùng trong bảng chuyển tiếp.
•

Ngăn xếp nhãn (Label Stack): là một tập hợp có thứ tự các nhãn gắn theo

các gói tin để truyền tải thông tin về nhiều FEC và về các LSP tương ứng mà gói sẽ
đi qua. Ngăn xếp nhãn cho phép MPLS hỗ trợ định tuyến phân cấp (một nhãn cho
EGP và một nhãn cho IGP) và tổ chức đa LSP trong một trung kế LSP.

20


1.4.3 Upstream và Downstream
Upstream và downstream là các khái niệm then chốt để hiểu hoạt động của sự
phân phối nhãn và chuyển tiếp dữ liệu trong MPLS. Dữ liệu mà router định gửi đi
cho một mạng xác định gọi là downstream, cịn việc cập nhập thơng tin (giao thức
định tuyến hoặc phân phối nhãn) từ một router khác gọi là upstream. Có thể hiểu là
thơng tin về nhãn của một router được chính nó gửi đi cho các LSR kế cận được gọi
là downstream. Cịn thơng tin định tuyến thì gọi là upstream.

Hình 1. 5 Upstream và Downstream LSR [1]

21


CHƯƠNG II
CẤU TRÚC VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA MPLS
2.1. Các phần tử chính của MPLS
2.1.1 LSR (Label Switch Router)
Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn LSR (Label Switching Router) là bộ định
tuyến có hỗ trợ MPLS, bao gồm các giao thức điều khiển MPLS, các giao thức định
tuyến lớp mạng và cách thức xử lý nhãn MPLS.
Thành phần cơ bản của mạng MPLS là thiết bị định tuyến chuyển mạch nhãn
LSR. 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. Có 3
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.
-

Intermediate LSR – 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.
LSR phải có khả năng lấy ra một hoặc nhiều nhãn (tách một hoặc nhiều nhãn
từ phía trên của ngăn xếp nhãn) trước khi chuyển mạch gói ra ngồi. Một LSR cũng
phải có khả năng gắn một hoặc nhiều nhãn vào gói nhận được. Nếu gói nhận được
đã có sẵn nhãn, LSR đẩy một hoặc một vài nhãn lên trên ngăn xếp nhãn và chuyển
mạch gói ra ngồi. Nếu gói chưa có nhãn, LSR tạo một ngăn xếp nhãn và gán nhãn
lên gói. Một LSR phải có khả năng trao đổi nhãn. Nó có ý nghĩa rất đơn giản khi nó
nhận được gói đã gán nhãn, nhãn trên cùng của ngăn xếp nhãn được trao đổi với
nhãn mới và gói được chuyển mạch trên đường kết nối dữ liệu ra.
LSR mà gắn nhãn lên trên gói đầu tiên được gọi là LSR imposing (gắn) bởi vì
nó là LSR đầu tiên đặt nhãn lên trên gói. Đây là một việc bắt buộc đối với một LSR
22

vào. Một LSR mà tách tất cả các nhãn từ gói có dán nhãn trước khi chuyển mạch
gói là một LSR Disposing (tách) hay là một LSR ra.
Trong MPLS VPN, các LSR ra và vào được biết đến như một bộ định tuyến
cung cấp biên (PE). LSR trung gian được biết đến như là bộ định tuyến của nhà
cung cấp. Bộ định tuyến PE và P trở lên phổ biến đến nỗi nó thường xuyên được sử
dụng khi mạng MPLS không chạy MPLS VPN.
2.1.2 Đường dẫn chuyển mạch nhãn LSP (Label Switch Path)
Mỗi một gói tin khi tham gia mạng MPLS tại LSR vào và ra khỏi mạng MPLS
tại một LSR ngõ ra. Cơ chế này tạo ra Đường chuyển mạch nhãn LSP (Label
Switched Path), được mô tả như là một nhóm các LSR mà các gói tin được gán
nhãn phải đi qua để tới LSR ngõ ra cho một FEC cụ thể. LSP này chỉ theo một
hướng duy nhất, có nghĩa là một LSP khác được sử dụng để cho lưu lượng có thể
trở về từ một FEC nào đó. LSP là hướng kết nối (connection-oriented) bởi vì đường
dẫn được tạo ra trước khi có sự vận chuyển lưu lượng. Tuy nhiên, việc thiết lập kết
nối này dựa trên thơng tin về mơ hình mạng hơn là u cầu về luồng lưu lượng. Khi
gói tin đi qua mạng MPLS, mỗi LSR sẽ hoán đổi nhãn đi vào với một nhãn đi ra
cho đến LSR cuối cùng.

Hình 2. 1 Đường chuyển mạch nhãn [2]
LSR vào của một LSP không nhất thiết phải là bộ định tuyến đầu tiên gán
nhãn vào gói. Gói có thể đã được gán nhãn bởi các LSR trước đó. Đây là trường
hợp này là một LSP xếp lồng (ghép), hay là có một LSP trong một LSP khác.
23


Trong hình 2. 2, ta có thể thấy LSP mà trải rộng toàn bộ độ rộng mạng MPLS.
Một LSP khác bắt đầu tại LSR thứ ba và kết thúc ở trước LSR cuối cùng.Do đó, khi
một gói đi vào LSP thứ hai trên cổng LSR vào của nó (có nghĩa là LSR thứ ba), nó
đã thực sự được dán nhãn. LSR vào của LSP nested (ghép) sau đó gán một nhãn thứ

hai lên trên gói.
Ngăn xếp nhãn của gói trên LSP thứ hai bây giờ đã có 2 nhãn. Nhãn trên cùng
sẽ phụ thuộc vào LSP nested (ghép), và nhãn dưới cùng sẽ phụ thuộc vào LSP mà
trải rộng hết toàn bộ mạng MPLS. Đường hầm điều khiển lưu lượng dự phịng là
một ví dụ cho LSP nested (ghép).

Hình 2. 2 Mơ hình LSP Nested [2]
2.1.3 FEC (Forwarding Equivalence Class)
Lớp chuyển tiếp tương đương FEC (Forwarding Equivalence Class) là một
nhóm các gói, nhóm các gói này chia sẻ cùng yêu cầu trong sự chuyển tiếp chúng
qua mạng. Tất cả các gói trong một nhóm như vậy được cung cấp cùng cách chọn
đường tới đích. Khác với chuyển tiếp IP truyền thống, trong MPLS việc gán một
gói cụ thể vào một FEC cụ thể chỉ được thực hiện một lần khi các gói vào trong
mạng.
MPLS khơng ra quyết định chuyển tiếp với mỗi datagram lớp 3 mà sử dụng
khái niệm FEC. FEC phụ thuộc vào một số các yếu tố, ít nhất là phụ thuộc vào địa
chỉ IP và có thể là phụ thuộc cả vào kiểu lưu lượng trong datagram (thoại, dữ liệu,
fax…).
24


Hình 2. 3 Lớp chuyển tiếp tương đương trong mạng MPLS [2]

Bộ định tuyến mà quyết định gói nào thuộc một FEC nào chính là LSR biên
vào. Đây là logic vì LSR biên vào sắp xếp và dán nhãn vào gói. Sau đây là một vài
ví dụ về FEC:
- Những gói với địa chỉ IP đích lớp 3 khớp (match) với một tiền tố nào đó.
- Gói với cùng phương thức chuyển tiếp, dựa trên thứ tự ưu tiên hoặc trường
điểm mã DiffServ IP (DSCP).
- Khung lớp 2 chuyển qua MPLS nhận được trên một VC hoặc một giao diện

LSR biên vào và truyền trên một VC hoặc giao diện trên LSR biên ra.
- Những gói với địa chỉ đích IP lớp 3 mà thuộc một tập tiền tố BGP Giao thức
cổng biên, tất cả với cùng BGP bước tiếp theo.
- Ví dụ cuối cùng của FEC là một sự quan tâm đặc biệt. Tất cả các gói trên
LSR biên vào mà địa chỉ IP đích chỉ tới một tập các tuyến BGP trong bảng định
tuyến – tất cả cùng địa chỉ bước nhảy tiếp theo BGP – thuộc cùng một FEC. Điều
này có nghĩa tất cả các gói đi vào trong mạng MPLS có được một nhãn tùy thuộc
vào bước nhảy BGP tiếp theo là gì.
Hình 10 đưa ra ví dụ mạng MPLS tại đó tất cả các LSR biên chạy BGP trong
(iBGP).

25