Công nghệ chuyển mạch MPLS

Sinh Viên: Hoàng Xuân Diệu ---------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- hoangxudi@gmail.com - 1 - ðề tài nghiên cứu: Công nghệ chuyển mạch nhãn MPLS Sinh viên : Hoàng Xuân Diệu Mã số : 20707006 Email : hoangxudi@gmail.com Lớp : C6ðTVT Email của lớp : SVC6DTVT1@gmail.com Sinh Viên: Hoàng Xuân Diệu ---------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- hoangxudi@gmail.com - 2 - Sinh Viên: Hoàng Xuân Diệu ---------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- hoangxudi@gmail.com - 3 - 1, Sơ lược lịch sử Khi mạng Internet phát triển và mở rộng, lưu lượng Internet bùng nổ. Các ISP xử lý bằng cách tăng dung lượng các kết nối và nâng cấp bộ ñịnh tuyến (router) nhưng vẫn không tránh khỏi nghẽn mạch. Lý do là các giao thức ñịnh tuyến thường hướng lưu lượng vào cùng một số các kết nối nhất ñịnh dẫn ñến kết nối này bị quá tải trong khi một số tài nguyên khác không ñược sử dụng. ðây là tình trạng phân bố tải không ñồng ñều và sử dụng lãng phí tài nguyên mạng Internet. Vào thập niên 90, các ISP phát triển mạng của họ theo mô hình chồng lớp (overlay) bằng cách ñưa ra giao thức IP ứng dụng trong ATM (IP over ATM). ATM là công nghệ ñịnh hướng kết nối (connection-oriented), thiết lập các kênh ảo (Virtual Circuit), tuyến ảo (Virtual Path) tạo thành một mạng logic nằm trên mạng vật lý giúp ñịnh tuyến, phân bố tải ñồng ñều trên toàn mạng. Tuy nhiên, IP và ATM là hai công nghệ hoàn toàn khác nhau, ñược thiết kế cho những môi trường mạng khác nhau, khác nhau về giao thức, cách ñánh ñịa chỉ, ñịnh tuyến, báo hiệu, phân bổ tài nguyên. Khi các ISP càng mở rộng mạng theo hướng IP over ATM, họ càng nhận rõ nhược ñiểm của mô hình này, ñó là sự phức tạp của mạng lưới do phải duy trì hoạt ñộng của hai hệ thống thiết bị. Sự bùng nổ của mạng Internet dẫn tới xu hướng hội tụ các mạng viễn thông khác như mạng thoại, truyền hình dựa trên Internet, giao thức IP trở thành giao thức chủ ñạo trong lĩnh vực mạng. Xu hướng của các ISP là thiết kế và sử dụng các bộ ñịnh tuyến chuyên dụng, dung lượng chuyển tải lớn, hỗ trợ các giải pháp tích hợp, chuyển mạch ña lớp cho mạng trục Internet. Nhu cầu cấp thiết trong bối cảnh này là phải ra ñời một công nghệ có khả năng kết hợp những ñặc ñiểm tốt của chuyển mạch kênh ATM và chuyển mạch gói IP. Công nghệ MPLS (Multiprotocol Label Switching) ra ñời trong bối cảnh này ñáp ứng ñược nhu cầu của thị trường ñúng theo tiêu chí phát triển của Internet ñã mang lại những lợi ích thiết thực, ñánh dấu một bước phát triển mới của mạng Internet trước xu thế tích hợp công nghệ thông tin và viễn thông (ICT - Information Communication Technology) trong thời kỳ mới. 2, MPLS và mô hình tham chiếu OSI - MPLS là một công nghệ kết hợp ñặc ñiểm tốt nhất giữa ñịnh tuyến lớp ba và chuyển mạch lớp hai cho phép chuyển tải các gói rất nhanh trong mạng lõi (core) và ñịnh tuyến tốt ở mạng biên (edge) bằng cách dựa vào nhãn (label). MPLS là một phương pháp cải tiến Sinh Viên: Hoàng Xuân Diệu ---------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- hoangxudi@gmail.com - 4 - việc chuyển tiếp gói trên mạng bằng các nhãn ñược gắn với mỗi gói IP, tế bào ATM, hoặc frame lớp hai. Phương pháp chuyển mạch nhãn giúp các Router và MPLS-enable ATM switch ra quyết ñịnh theo nội dung nhãn tốt hơn việc ñịnh tuyến phức tạp theo ñịa chỉ IP ñích. MPLS kết nối tính thực thi và khả năng chuyển mạch lớp hai với ñịnh tuyến lớp ba. Cho phép các ISP cung cấp nhiều dịch vụ khác nhau mà không cần phải bỏ ñi cơ sở hạ tầng sẵn có. Cấu trúc MPLS có tính mềm dẻo trong bất kỳ sự phối hợp với công nghệ lớp hai nào. MPLS hỗ trợ mọi giao thức lớp hai, triển khai hiệu quả các dịch cụ IP trên một mạng chuyển mạch IP. MPLS hỗ trợ việc tạo ra các tuyến khác nhau giữa nguồn và ñích trên một ñường trục Internet. Bằng việc tích hợp MPLS vào kiến trúc mạng, Các ISP có thể giảm chi phí, tăng lợi nhuận, cung cấp nhiều hiệu quả khác nhau và ñạt ñược hiệu quả cạnh tranh cao. mô hình tham chiếu OSI Hình 1.1 MPLS ñược xem như là một công nghệ lớp ñệm (shim layer), nó nằm trên lớp 2 nhưng dưới lớp 3, vì vậy ñôi khi người ta còn gọi nó là lớp 2,5. Sinh Viên: Hoàng Xuân Diệu ---------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- hoangxudi@gmail.com - 5 - Hình 1.2 Nguyên lý của MPLS ñược thể hiện ở hình 1.2. Tất cả các gói IP sẽ ñược gắn nhãn (label) và chuyển tiếp theo một ñường dẫn LSP (Label Switched Path). Các bộ ñịnh tuyến (router) trên ñường dẫn chỉ căn cứ vào nội dung của nhãn ñể thực hiện quyết ñịnh chuyển tiếp gói mà không cần phải kiểm tra phần ñầu (header) của IP. 3. Các khái niệm trong MPLS • LDP (Label Distribution Protocol): Giao thức phân bố nhãn. • LSP (Label Switched Path): ðường dẫn chuyển mạch nhãn. • FEC (Forwarding Equivalence Class): Lớp chuyển tiếp tương ñương. • LSR (Label Switching Router) Bộ ñịnh tuyến chuyển mạch nhãn. • LER (Label Edge Router): Bộ ñịnh tuyến nhãn biên. • NHLFE (Next Hop Label Forwarding Entry): Mục chuyển tiếp chặng tiếp theo. • FTN (FEC to NHLFE): Ánh xạ FEC sang NHLFE. Sinh Viên: Hoàng Xuân Diệu ---------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- hoangxudi@gmail.com - 6 - • LIB (Label Information Base): Cơ sở thông tin nhãn. Miền MPLS (MPLS Domain) Miền MPLS là một tập hợp các nút mạng thực hiện hoạt ñộng ñịnh tuyến và chuyển tiếp MPLS. Một miền MPLS thường ñược quản lý và ñiều khiển bởi một nhà quản trị. Miền MPLS ñược chia thành hai phần: phần mạng lõi (core) và phần mạng biên (edge). Các nút thuộc miền MPLS ñược gọi là bộ ñịnh tuyến (router) chuyển mạch nhãn LSR (Label Switch Router). Các nút ở phần mạng lõi ñược gọi là LSR chuyển tiếp (transit-LSR) hay LSR lõi (core-LSR) (thường ñược gọi tắt là LSR). Các nút ở biên ñược gọi là bộ ñịnh tuyến nhãn biên LER (Label Edge Router). Nếu một LER là nút ñầu tiên trên ñường ñi của một gói xuyên qua miền MPLS thì nó ñược gọi là LER lối vào (ingress-LER), còn nếu là nút cuối cùng thì nó ñược gọi là LER lối ra (egress-LER). Lưu ý là các thuật ngữ này ñược áp dụng tuỳ theo chiều của luồng lưu lượng trong mạng, do vậy một LER có thể là LER lối vào vừa là LER lối ra tuỳ theo các luồng lưu lượng ñang xét. Hình 1.3 Lớp chuyển tiếp tương ñương FEC Lớp chuyển tiếp tương ñương FEC (Forwarding Equivalence Class) là một tập hợp các gói ñược ñối xử như nhau bởi một LSR. Như vậy, FEC là một nhóm các gói IP ñược chuyển tiếp trên cùng một ñường chuyển mạch nhãn LSP, ñược ñối 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 thông tin ñầu (header) lớp mạng. Hình 1.4 cho thấy cách xử lý này. Sinh Viên: Hoàng Xuân Diệu ---------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- hoangxudi@gmail.com - 7 - Hình 1.4 Hoán ñổi nhãn (Label Swapping) Hoán ñổi nhãn là cách dùng các thủ tục ñể chuyển tiếp gói. ðể chuyển tiếp gói có nhãn, LSR kiểm tra nhãn trên ñỉnh ngăn xếp và dùng ánh xạ ILM (Incoming Label Map) ñể ánh xạ nhãn này tới một mục chuyển tiếp nhãn NHLFE (Next Hop Label Forwarding Entry). Sử dụng thông tin trong NHLFE, LSR xác ñịnh ra nơi ñể chuyển tiếp gói và thực hiện một tác vụ trên ngăn xếp nhãn. Rồi nó mã hoá ngăn xếp nhãn mới vào gói và chuyển gói ñi. Chuyển tiếp gói chưa có nhãn cũng tương tự nhưng xảy ra ở LER lối vào (ingress- LER). LER phải phân tích ñầu (header) lớp mạng ñể xác ñịnh FEC rồi sử dụng ánh xạ FTN (FEC-to-NHLFE) ñể ánh xạ FEC vào một NHLFE. ðường chuyển mạch nhãn LSP (Label Switched Path) ðường chuyển mạch nhãn LSP là một ñường nối giữa bộ ñịnh tuyến ngõ vào và bộ ñịnh tuyến ngõ ra, ñược thiết lập bởi các nút MPLS ñể chuyển các gói ñi xuyên qua mạng. ðường dẫn của một LSP qua mạng ñược ñịnh nghĩa bởi sự chuyển ñổi các giá trị nhãn ở các LSR dọc theo LSP bằng cách dùng thủ tục hoán ñổi nhãn. Sinh Viên: Hoàng Xuân Diệu ---------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- hoangxudi@gmail.com - 8 -
ðặc điểm mạng MPLS: - Không có MPLS API, cũng không có thành phần giao thức phía host. - MPLS chỉ nằm trên các router. - MPLS là giao thức ñộc lập nên có thể hoạt ñộng cùng với giao thức khác IP như IPX, ATM, Frame Relay,… - MPLS giúp ñơn giản hoá quá trình ñịnh tuyến và làm tăng tính linh ñộng của các tầng trung gian.
Phương thức hoạt động: - Thay thế cơ chế ñịnh tuyến lớp ba bằng cơ chế chuyển mạch lớp hai. MPLS hoạt ñộng trong lõi của mạng IP. Các Router trong lõi phải enable MPLS trên từng giao tiếp. Nhãn ñược gắn thêm vào gói IP khi gói ñi vào mạng MPLS. Nhãn ñược tách ra khi gói ra khỏi mạng MPLS. Nhãn (Label) ñược chèn vào giữa header lớp ba và header lớp hai. Sử dụng nhãn trong quá trình gửi gói sau khi ñã thiết lập ñường ñi. MPLS tập trung vào quá trình hoán ñổi nhãn (Label Swapping). Một trong những thế mạnh của khiến trúc MPLS là tự ñịnh nghĩa chồng nhãn (Label Stack). - Công thức ñể gán nhãn gói tin là: Network Layer Packet + MPLS Label Stack - Không gian nhãn (Label Space): có hai loại.  Một là, các giao tiếp dùng chung giá trị nhãn (per-platform label space).  Hai là, mỗi giao tiếp mang giá trị nhãn riêng, (Per-interface Label Space). - Bộ ñịnh tuyến chuyển nhãn (LSR – Label Switch Router): ra quyết ñịnh chặng kế tiếp dựa trên nội dung của nhãn, các LSP làm việc ít và hoạt ñộng gần giống như Switch. - Con ñường chuyển nhãn (LSP – Label Switch Path): xác ñịnh ñường ñi của gói tin MPLS. Gồm hai loại: Hop by hop signal LSP - xác ñịnh ñường ñi khả thi nhất theo kiểu best effort và Explicit route signal LSP - xác ñịnh ñường ñi từ nút gốc.
Một số ứng dụng của MPLS: - Internet có ba nhóm ứng dụng chính: voice, data, video với các yêu cầu khác nhau. Voice yêu cầu ñộ trễ thấp, cho phép thất thoát dữ liệu ñể tăng hiếu quả. Video cho phép thất thoát dữ liệu ở mức chấp nhận ñược, mang tính thời gian thực (realtime). Data yêu cầu ñộ bảo mật và chính xác cao. MPLS giúp khai thác tài nguyên mạng ñạt hiệu quả cao. Một số ứng dụng ñang ñược triển khai là: - MPLS VPN: Nhà cung cấp dịch cụ có thể tạo VPN lớp 3 dọc theo mạng ñường trục cho nhiều khách hàng, chỉ dùng một cơ sở hạ tầng công cộng sẵn có, không cần các ứng dụng encrytion hoặc end-user. - MPLS Traggic Engineer: Cung cấp khả năng thiết lập một hoặc nhiều ñường ñi ñể ñiều khiển lưu lượng mạng và các ñặc trưng thực thi cho một loại lưu lượng. - MPLS QoS (Quality of service): Dùng QoS các nhà cung cấp dịch vụ có thể cung cấp nhiều loại dịch vụ với sự ñảm bảo tối ña về QoS cho khách hàng. MPLS Unicast/Multicast IP routing. Sinh Viên: Hoàng Xuân Diệu ---------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- hoangxudi@gmail.com - 9 - 3,ðiểm vượt trội của MPLS so với mô 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 ñộ cao. Trong mạng ña 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 ñơn trong một ñường ñi tốc ñộ cao. Các mặt phẳng (Platform) công cộng hỗ trợ các dịch vụ này ñể tiết kiệm chi phí và ñơn giản hóa hoạt ñộng cho nhà cung cấp ña dịch vụ. ISP sử dụng chuyển mạch ATM trong mạng lõi, chuyển mạch nhãn giúp các các dòng Cisco, BPX8600, MGX8800, Router chuyển mạch ña 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 không xếp chồng lớp IP trên ATM. MPLS giúp cho cơ sở hạ tầng ATM thấy ñược ñịnh tuyến IP và loại bỏ các yêu cầu ánh xạ giữa các ñặc tính IP và ATM. MPLS không cần ñịa chỉ ATM và kỹ thuật ñịnh tuyến (như PNNI).
ðộ tin cậy cao hơn: Với cơ sở hạ tầng ATM, MPLS có thể kết hợp hiệu quả với nhiều giao thức ñịnh tuyến IP over ATM thiết lập một mạng lưới (mesh) dịch vụ công cộng giữ các router xung quanh một ñám mây ATM. Tuy nhiên có nhiều vấn ñề xảy ra do các PCV link giữa các router xếp chồng trên mạng ATM. Cấu trúc mạng ATM không thể thấy bộ ñịnh tuyến. Một link ATM bị hỏng làm hỏng nhiều router-to-router link, gây khó khăn cho lượng cập nhật thông tin ñịnh tuyến và nhiều tiến trình xử lí kéo theo.
Trực tiếp thực thi các loại dịch vụ: MPLS sử dụng hàng ñợi và bộ ñếm của ATM ñể cung cấp nhiều loại dịch vụ khác nhau. Nó hỗ trợ quyền ưu tiên IP và loại dịch vụ (class of service – cos) trên chuyển mạch ATM mà không cần chuyển ñổi 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, ñặc biệt trong việc hỗ trợ các dịch vụ IP như IP muticast và RSVP( Resource Reservation Protocol - RSVP). MPLS hỗ Sinh Viên: Hoàng Xuân Diệu ---------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- hoangxudi@gmail.com - 10 - 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 ñặc trưng IP&ATM.
Sự ño lường và quản lí VPN: MPLS có thể tính ñược các dịch vụ IP VPN và rất dễ quản lí các dịch vụ VPN quan trọng ñể 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 ñơn.Với một ñường trục MPLS, thông tin VPN chỉ ñược xử lí tại một ñiểm ra vào. Các gói mang nhãn MPLS ñi qua một ñường trục và ñến ñiểm ra ñúng của nó. Kết hợp MPLS với MP-BGP (Mutiprotocol Broder Gateway Protocol) tạo ra các dịch vụ VNP dựa trên nền MPLS (MPLS-based VNP) dễ quản lí hơn với sự ñiều hành chuyển tiếp ñể quản lí phía VNP và các thành viên VNP, dịch vụ MPSL-based VNP còn có thể mở rộng ñể hỗ trợ hàng trăm nghìn VPN.
Giảm tải trên mạng lõi: Các dịch vụ VPN hướng dẫn cách MPLS hỗ trợ mọi thông tin ñịnh tuyến ñể phân cấp. Hơn nữa,có thể tách rời các ñịnh tuyến Internet khỏi lõi mạng cung cấp dịch vụ. Giống như dữ liệu VPN, MPSL chỉ cho phép truy suất bảng ñịnh tuyến Internet tại ñiểm ra vào của mạng. Với MPSL, kĩ thuật lưu lượng truyền ở biên của AS ñược gắn nhãn ñể liên kết với ñiểm tương ứng. Sự tách rời của ñịnh tuyến nội khỏi ñịnh tuyến Internet ñầy ñủ cũng giúp hạn chế lỗi, ổn ñịnh và tăng tính bảo mật.
Khả năng ñiều khiển lưu lượng: MPLS cung cấp các khả năng ñiều khiển lưu lượng ñể 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 ñiểm ñích, loại lưu lượng, tải, thời gian,… 4,Các hình thức hoạt ñộng của MPLS: Mạng MPLS dùng các nhãn ñể chuyển tiếp các gói. Khi một gói ñi vào mạng, Node MPLS ở lối vào ñánh dấu một gói ñến lớp chuyển tiếp tương ñương (FEC –Forwarding Equivalence Class) cụ thể. Trong mạng MPLS nhãn ñiều khiển mọi hoạt ñộng chuyển tiếp. ðiều này có nhiều thuận lợi hơn sự chuyển tiếp thông thường: Sự chuyển tiếp MPLS có thể thực hiện bằng các bộ chuyển mạch (switch), có thể tra cứu (lookup) thay thế nhãn mà không ảnh hưởng ñến header lớp mạng. Các bộ chuyển ATM thực hiệc các chức năng chuyển các tế bào dựa trên giá trị nhãn. ATM-switch cần ñược ñiều khiển bởi một thành phần ñiều khiển MPLS dựa vào IP (IP-base MPLS control element) như bộ ñiều khiển chuyển mạch nhãn (LSC - Label Switch Controller). ðây là dạng cơ bản của sự kết hợp IP với ATM. - Khi một gói vào mạng nó ñược chuyển ñến lớp chuyển tiếp tương ñương (FEC - Forwarding Equivalence Class). Router có thể sử dụng thông tin gói, như cổng vào Sinh Viên: Hoàng Xuân Diệu ---------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- hoangxudi@gmail.com - 11 - (ingress) hay giao tiếp (interface). Các gói ñi vào mạng ñược gán các nhãn khác nhau. Quyết ñịnh chuyển tiếp ñược thực hiện dễ dàng bởi router ngõ vào. ðiều này không có trong sự chuyển tiếp thông thường, vì sự xác ñịnh lộ trình của router khác với thông tin lộ trình trên gói. - Mạng ñược quản lý lưu lượng buộc gói ñi theo một con ñường cụ thể, một con ñường chưa ñược sử dụng. Con ñường ñó ñược chọn trước hoặc ngay khi gói ñi vào mạng tốt hơn sự lựa chọn bởi các thuật toán ñịnh tuyến thông thường. Trong MPLS, một nhãn có thể ñược dùng ñể ñại diện cho tuyến, không cần kèm trong gói. ðây là dạng cơ bản của MPLS Traffic Engineering. - "Lớp dịch vụ (Class of service)" của gói ñược xác ñịnh bởi nút MPLS vào (ingress MPLS node). Một nút MPLS vào có thể huỷ tuyến hay sửa ñổi lịch trình ñể ñiều khiển các gói khác nhau. Các trạm sau có thể ñịnh lại ràng buộc dịch vụ bằng cách thiết lập PBH (per- hop behavior). MPLS cho phép (không yêu cầu) ñộ ưu tiên một phần hoặc hoàn toàn của lớp dịch vụ từ nhãn. Trường lợp này nhãn ñại diện cho sự kết hợp của một FEC với ñộ ưu tiên hoặc lớp dịch vụ. ðây là dạng cơ bản của MPLS QoS. Chuyển gói qua miền MPLS Hình dưới ñây là một ví dụ ñơn giản minh hoạ quá trình truyền gói IP ñi qua miền MPLS. Gói tin IP khi ñi từ ngoài mạng vào trong miền MPLS ñược bộ ñịnh tuyến (router) A ñóng vai trò là một LER ngõ vào sẽ gán nhãn có giá trị là 6 cho gói IP rồi chuyển tiếp ñến bộ ñịnh tuyến B. Bộ ñịnh tuyến B dựa vào bảng hoán ñổi nhãn ñể kiểm tra nhãn của gói tin. Nó thay giá trị nhãn mới là 3 và chuyển tiếp ñến router C. Tại C, việc kiểm tra cũng tương tự như ở B và sẽ hoán ñổi nhãn, gán cho gói tin một nhãn mới là 9 và tiếp tục ñược ñưa ñến bộ ñịnh tuyến D. Bộ ñịnh tuyến D ñóng vai trò LER ngõ ra sẽ kiểm tra trong bảng hoán ñổi nhãn và gỡ bỏ nhãn 9 ra khỏi gói tin rồi ñịnh tuyến gói IP một cách bình thường ñi ra khỏi miền MPLS. Với kiểu làm việc này thì các LSR trung gian như bộ ñịnh tuyến B và C sẽ không phải thực Sinh Viên: Hoàng Xuân Diệu ---------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- hoangxudi@gmail.com - 12 - hiện kiểm tra toàn bộ phần ñầu (header) IP của gói tin mà nó chỉ việc kiểm tra các giá trị của nhãn, so sánh trong bảng và chuyển tiếp. Vì vậy tốc ñộ xử lý trong miền MPLS sẽ nhanh hơn nhiều so với ñịnh tuyến IP truyền thống. ðường ñi từ bộ ñịnh tuyến A ñến bộ ñịnh tuyến D ñược gọi là ñường chuyển mạch nhãn LSP (Label Switched Path). 5,Nhãn (Label) trong MPLS
Kiểu khung (Frame mode): - Kiểu khung là thuật ngữ khi chuyển tiếp một gói với nhãn gắn trước tiêu ñề lớp ba. Một nhãn ñược mã hoá với 20bit, nghĩa là có thể có 220 giá trị khác nhau. Một gói có nhiều nhãn, gọi là chồng nhãn (label stack). Ở mỗi chặng trong mạng chỉ có một nhãn bên ngoài ñược xem xét. - Trong ñó: - EXP=Experimental (3 bit): dành cho thực nghiệm. Cisco IOS sử dụng các bit này ñể giữ các thông báo cho QoS; khi các gói MPLS xếp hàng có thể dùng các bit EXP tương tự như các bit IP ưu tiên (IP Precedence). - S=Bottom of stack (1 bit): là bít cuối chồng. Nhãn cuối chồng bit này ñược thiết lập lên 1, các nhãn khác có bít này là 0. - TTL=Time To Live (8 bit): thời gian sống là bản sao của IP TTL. Giá trị của nó ñược giảm tại mỗi chặng ñể tránh lặp (giống như trong IP). Thường dùng khi người ñiều hành mạng muốn che dấu cấu hình mạng bên dưới khi tìm ñường từ mạng bên ngoài.
Kiểu tế bào (Cell mode): - Thuật ngữ này dùng khi có một mạng gồm các ATM LSR dùng MPLS trong mặt phẳng ñiều khiển ñể trao ñổi thông tin VPI/VCI thay vì dùng báo hiệu ATM. Trong kiểu tế bào, nhãn là trường VPI/VCI của tế bào. Sau khi trao ñổi nhãn trong mặt phẳng ñiều khiển, ở mặt phẳng chuyển tiếp, router ngõ vào (ingress router) phân tách gói thành các tế bào ATM, dùng giá trị VCI/CPI tương ứng ñã trao ñổi trong mặt phẳng ñiều khiển và truyền tế bào ñi. Các ATM LSR ở phía trong hoạt ñộng như chuyển mạch ATM – chúng chuyển tiếp một tế bào dựa trên VPI/VCI vào và thông tin cổng ra tương ứng. Cuối cùng, router ngõ ra (egress router) sắp xếp lại các tế bào thành một gói. - Trong ñó: • GFC (Generic Flow Control): ðiều khiển luồng chung • VPI (Virtual Path Identifier): nhận dạng ñường ảo • VCI (Virtual Channel Identifier): nhận dạng kênh ảo • PT (Payload Type): Chỉ thị kiểu trường tin • CLP (Cell Loss Priority): Chức năng chỉ thị ưu tiên huỷ bỏ tế bào • HEC (Header error check): Kiểm tra lỗi tiêu ñề. Sinh Viên: Hoàng Xuân Diệu ---------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- hoangxudi@gmail.com - 13 -
Cấu trúc nút của MPLS: - Một nút của MPLS có hai mặt phẳng: mặt phẳng chuyển tiếp MPLS và mặt phẳng ñiều khiển MPLS. Nút MPLS có thể thực hiện ñịnh tuyến lớp ba hoặc chuyển mạch lớp hai. Kiến trúc cơ bản của một nút MPLS như sau: +Mặt phẳng chuyển tiếp (Forwarding plane): - Mặt phẳng chuyển tiếp sử dụng một cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn (LFIB - Label Forwarding Information Base) ñể chuyển tiếp các gói. Mỗi nút MPLS có hai bảng liên quan ñến việc chuyển tiếp là: cơ sở thông tin nhãn (LIB - Label Information Base) và LFIB. LIB chứa tất cả các nhãn ñược nút MPLS cục bộ ñánh dấu và ánh xạ của các nhãn này ñến các nhãn ñược nhận từ láng giềng (MPLS neighbor) của nó. LFIB sử dụng một tập con các nhãn chứa trong LIB ñể thực hiện chuyển tiếp gói. +Mặt phẳng ñiều khiển (Control Plane) - Mặt phẳng ñiều khiển MPLS chịu trách nhiệm tạo ra và lưu trữ LFIB. Tất cả các nút MPLS phải chạy một giao thức ñịnh tuyến IP ñể trao ñổi thông tin ñịnh tuyến ñến các nút MPLS khác trong mạng. Các nút MPLS enable ATM sẽ dùng một bộ ñiều khiển nhãn (LSC – Label Switch Controller) như router 7200, 7500 hoặc dùng một mô ñun xử lý tuyến (RMP – Route Processor Module) ñể tham gia xử lý ñịnh tuyến IP. - Các giao thức ñịnh tuyến Link-state như OSPF và IS-IS là các giao thức ñược chọn vì chúng cung cấp cho mỗi nút MPLS thông tin của toàn mạng. Trong các bộ ñịnh tuyến thông thường, bản ñịnh tuyến IP dùng ñể xây dựng bộ lưu trữ chuyển mạch nhanh (Fast switching cache) hoặc FIB (dùng bởi CEF - Cisco Express Forwarding). Tuy nhiên với MPLS, bản ñịnh tuyến IP cung cấp thông tin của mạng ñích và subnet prefix. Các giao thức ñịnh tuyến link-state gửi thông tin ñịnh tuyến (flood) giữa một tập các router nối trực tiếp (adjacent), thông tin liên kết nhãn chỉ ñược phân phối giữa các router nối trực tiếp với nhau bằng cách dùng giao thức phân phối (LDP – Label Distribution Protocol) hoặc TDP (Cisco ‘s proproetary Tag Distribution protocol). - Các nhãn ñược trao ñổi giữa các nút MPLS kế cận ñể xây dựng nên LFIB. MPLS dùng một mẫu chuyển tiếp dựa trên sự hoán ñổi nhãn ñể kết nối với các mô ñun ñiều khiển khác nhau. Mỗi mô ñun ñiều khiển chịu trách nhiệm ñánh dấu và phân phối một tập các nhãn cũng như lưu trữ các thông tin ñiều khiển có liên quan khác. Các giao thức cổng nội (IGP – Interior Gateway Potocols) ñược dùng ñể xác nhận khả năng ñến ñược, sự liên kết, và ánh xạ giữa FEC và ñịa chỉ trạm kế (next-hop address). Các mô ñun ñiều khiển MPLS gồm: • ðịnh tuyến Unicast (Unicast Routing) • ðịnh tuyến Multicast (Multicast Routing) • Kỹ thuật lưu lượng (Traffic engineering) • Mạng riêng ảo (VPN – Virtual private Network) • Chất lượng dịch vụ (QoS – Quality of service) +Các thành phần mặt phẳng dữ liệu và mặt phẳng ñiều khiển của MPLS - Cisco Express Forwarding (CEF) là nền tảng cho MPLS và hoạt ñộng trên các router của Cisco. Do ñó, CEF là ñiều kiện tiên quyết trong thực thi MPLS trên mọi thiết bị của Cisco ngoại trừ các ATM switch chỉ hỗ trợ chức năng của mặt phẳng chuyển tiếp dữ liệu. CEF là Sinh Viên: Hoàng Xuân Diệu ---------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- hoangxudi@gmail.com - 14 - một cơ chế chuyển mạch thuộc sở hữu của Cisco nhằm làm tăng tính ñơn giản và khả năng chuyển tiếp gói IP. CEF tránh việc viết lại overhead của cache trong môi trường lõi IP bằng cách sử dụng một cơ sở thông tin chuyển tiếp (FIB – Forwarding Information Base) ñể quyết ñịnh chuyển mạch. Nó phản ánh toàn bộ nội dung của bảng ñịnh tuyến IP (IP routing table), ánh xạ 1-1 giữa FIB và bảng ñịnh tuyến. Khi router sử dụng CEF, nó duy trì tối thiểu 1 FIB, chứa một ánh xạ các mạng ñích trong bảng ñịnh tuyến với các trạm kế tiếp (next-hop adjacencies) tương ứng. FIB ở trong mặt phẳng dữ liệu, nơi router thực hiện cơ chế chuyển tiếp và xử lý các gói tin. Trên router còn duy trì hai cấu trúc khác là cơ sở thông tin nhãn (LIB – Label Information Base) và cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn (LFIB – Label Forwarding Information Base). Giao thức phân phối sử dụng giữa các láng giềng MPLS có nhiệm vụ tạo ra các chỉ mục (entry) trong hai bảng này. LIB thuộc mặt phẳng ñiều khiển và ñược giao thức phân phối nhãn sử dụng khi ñịa chỉ mạng ñích trong bảng ñịnh tuyến ñược ánh xạ với nhãn nhận ñược từ router xuôi dòng. LFIB thuộc mặt phẳng dữ liệu và chứa nhãn cục bộ (local label) ñến nhãn trạm kế ánh xạ với giao tiếp ngõ ra (outgoing interface), ñược dùng ñể chuyển tiếp các gói ñược gán nhãn. Như vậy, thông tin về các mạng ñến ñược do các giao thức ñịnh tuyến cung cấp dùng ñể xây dựng bảng ñịnh tuyến (RIB - Routing Information Base). RIB cung cấp thông tin cho FIB. LIB ñược tạo nên dựa vào giao thức phân phối nhãn và từ LIB kết hợp với FIB tạo ra LFIB. 6,Thuật toán chuyển tiếp nhãn (Label Forwarding Algorithm) - Bộ chuyển nhãn sử dụng một thuật toán chuyển tiếp dựa vào việc hoán ñổi nhãn. Nút MPLS lấy giá trị trong nhãn của gói vừa ñến làm chỉ mục ñến LFIB. Khi giá trị nhãn tương Sinh Viên: Hoàng Xuân Diệu ---------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- hoangxudi@gmail.com - 15 - ứng ñược tìm thấy, MPLS sẽ thay thế nhãn trong gói ñó bằng nhãn ra (outgoing label) từ mục con (subentry) và gửi gói qua giao tiếp ngõ ra tương ứng ñến trạm kế ñã ñược xác ñịnh. Nếu nút MPLS chứa nhiều LFIB trên mỗi giao tiếp, nó sử dụng giao tiếp vật lý nơi gói ñến ñể chọn một LFIB cụ thể phục vụ chuyển tiếp gói. Các thuật toán chuyển tiếp thông thường sử dụng nhiều thuật toán như unicast, multicast và các gói unicast có thiết lập bit ToS. Tuy nhiên, MPLS chỉ dùng một thuật toán chuyển tiếp dựa trên sự hoán ñổi nhãn (Label swapping). Một nút MPLS truy xuất bộ nhớ ñơn ñể lấy ra các thông tin như quyết ñịnh dành ra tài nguyên cần thiết ñể chuyển tiếp gói. Khả năng chuyển tiếp và tra cứu tốc ñộ nhanh giúp chuyển nhãn (label switching) trở thành công nghệ chuyển mạch có tính thực thi cao. MPLS còn có thể dùng ñể chuyển vận các giao thức lớp ba khác như IPv6, IPX, hoặc Apple Talk. Các thuộc tính này giúp MPLS có thể tương thích tốt với việc chuyển ñổi các mạng từ IPv4 lên IPv6. 7,Hoạt ñộng chuyển tiếp của MPLS - Thực hiện chuyển tiếp dữ liệu với MPLS gồm các bước sau: • Gán nhãn MPLS (trên LSR). • Giao thức phân phối nhãn (LDP - label distribution protocol hay TDP - tag distribution protocol ) thực hiện gán nhãn và trao ñổi nhãn giữa các LSR trong miền MPLS ñể thiết lập các phiên làm việc (session). Việc gán nhãn có thể gán cục bộ trên router hoặc trên giao tiếp của router. • Thiết lập LDP/TDP giữa LSR/ELSR. • Mặc ñịnh trên router sử dụng LDP. Cấu hình: Router(config)#mpls label protocol {ldp | tdp} - Thực hiện lệnh khi router không măc ñịnh dùng LDP hoặc muốn chuyển từ LDP sang TDP. Lệnh này có thể ñược cấu hình toàn cục hoặc trên giao tiếp: Router(config-if)#mpls label protocol {ldp | tdp} - Nếu cấu hình trên giao tiếp thì nó sẽ ghi ñè lên lệnh toàn cục. TDP dùng cổng TCP 711. LDP dùng cổng TCP 646. - Có 4 loại thông ñiệp LDP: • Discovery: quảng cáo và chấp nhận sự có mặt của LSR trong mạng. • Session: Thiết lập, bảo dưỡng và hủy phiên làm việc giữa các LSR. • Advertisement: quảng cáo ánh xạ nhãn tới FEC • Notification: báo hiệu lỗi. 8,Phân phối nhãn bằng giao thức phân phối nhãn LDP - Trong một miền MPLS, một nhãn gán tới một ñịa chỉ (FIB) ñích ñược phân phối tới các láng giềng ngược dòng sau khi thiết lập session. Việc kết nối giữa mạng cụ thể với nhãn cục bộ và một nhãn trạm kế (nhận từ router xuôi dòng) ñược lưu trữ trong LFIB và LIB. MPLS dùng các phương thức phân phối nhãn như sau: Sinh Viên: Hoàng Xuân Diệu ---------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- hoangxudi@gmail.com - 16 - • Yêu cầu xuôi dòng (Downstream on demand). • Tự nguyện xuôi dòng (Unsolicited downstream). The end.