Bài giảng Công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS (Multiprotocol Label Switching)

Chương 1 Công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS (Multiprotocol Label Switching). Chuyển mạch nhãn đa giao thức là gì? Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS (Multi-Protocol Label Switching) là một công nghệ đưa ra phương thức cải tiến cho việc chuyển tiếp gói tin qua mạng. MPLS là sự kết hợp giữa kỹ thuật định tuyến lớp 3 và chuyển mạch lớp 2 cho phép nâng cao tốc độ chyển tiếp lưu lượng trên mạng lõi và định tuyến tốt ở mạng biên bằng cách sử dụng các nhãn gắn thêm vào các gói tin. Ý tưởng chính của MPLS sử dụng nhãn gắn kèm với các gói tin để quyết định việc chuyển tiếp gói tin đến nút tiếp theo trong mạng. Vị trí và dạng của nhãn đính kèm vào gói tin phụ thuộc vào công nghệ truyền tải được sử dụng ở lớp 2. Mục tiêu chính của MPLS là tạo ra một cấu trúc mạng mềm dẻo để cung cấp cho đặc tính mở rộng và ổn định của mạng. Điều này bao gồm kỹ thuật điều khiển lưu lượng và khả năng hoạt động của VPN và có liên quan đến Chất lượng dịch vụ (QoS) với nhiều lớp dịch vụ (Cos). Hình 1.1 Tổng quan về mạng MPLS Trong hình 1.1 khi các gói tin đến biên của mạng MPLS thì bộ định tuyến ở biên [A] thực hiện việc phân nhóm, gán nhãn cho các gói tin và xác định đường đi cho các gói tin xuyên qua mạng MPLS. Các bộ định tuyến bên trong mạng MPLS [B,C] thực hiện việc thay đổi giá trị nhãn và chuyển tiếp gói tin. Khi các gói tin đến bộ định tuyến [D] ở biên của mạng, [D] gỡ bỏ nhãn ra khỏi các gói tin. Các gói tin được định tuyến một cách bình thường sau khi ra khỏi mạng MPLS. Do các bộ định tuyến [B,C] bên trong mạng không kiểm tra toàn bộ header của các gói tin mà chỉ dựa vào thông tin trong nhãn đính kèm ở mỗi gói tin và thông tin duy trì tại mỗi nút để chuyển tiếp gói tin. Do vậy tốc độ xử lý trong miền MPLS sẽ nhanh hơn rất nhiều lần so với định tuyến IP theo từng chặng truyền thống. Một số khái niệm được dùng trong mạng MPLS sẽ được trình bày ở phân sau của tài liệu này. Ưu điểm của công nghệ chuyên mạch nhãn đa giao thức MPLS: Đơn giản, chuyển tiếp lưu lượng nhanh và định tuyến linh hoạt dựa vào nhãn được đính kèm trong các gói tin. Điều khiển chính xác dung lượng đường truyền hỗ trợ chất lượng dịch vụ QoS. Hỗ trợ thiết lập mạng riêng ảo MPLS-VPN. MPLS hỗ trợ nhiều giao thức ở lớp mạng (network layer) hiện có như IPv4, IPv6, IPX và Apple Talk và các giao thức ở lớp liên kết dữ liệu (data link layer) như Ethernet, token -ring, FDDI, ATM, frame relay và liên kết point-to-point. Cung cấp khả năng mở rộng dễ dạng cho mạng tương lai. Ứng biến linh hoạt và phục hồi nhanh trong các trường hợp xảy ra lỗi và sự cố mạng (ví dụ như lỗi phần mềm hoặc phần cứng của các bộ định tuyến, lỗi của các kết nối trong mạng). Thành phần cơ bản của MPLS. Phần này trình bày các thành phần cở bản của MPLS, cung cấp các khái niệm, thuật ngữ được sử dụng và xem xét qua ví dụ minh hoạ về nguyên tắc hoạt động. Nhóm chuyển tiếp tương đương FEC (Forwarding equivalency class). Nhóm chuyển tiếp tương đương FEC là một khái niệm dùng để chỉ một nhóm các gói tin lớp 3 được đối sử như nhau qua mạng MPLS ngay cả khi có sự khác biệt giữa các gói tin thể hiện trong phần tiêu để của lớp mạng. Các gói tin thuộc cùng một FEC được gán nhãn giống nhau, được đối sử bình đẳng và được chuyển tiếp qua mạng theo cùng một đường được gọi là đường chuyển mạch nhãn LSPs. Những FEC có thể cung cấp việc chuyển tiếp nhanh hay chậm dựa vào một số lượng thông tin để cân nhắc cho việc thiết lập sự tương đương. Ví dụ các gói tin có cùng địa chỉ mạng trong bản định tuyến hoặc các gói tin cùng địa chỉ mạng và cùng loại dịch vụ được thuộc cùng một nhóm tương đương. Trong mạng MPLS các gói tin trong cùng một FEC được gán nhãn đầu vào giống nhau và được đối sử theo cùng một cách khi đi qua các nút mạng. Hình 1.2 Ví dụ về nhóm chuyển tiếp tương đương FEC. Hình ảnh minh hoạ ở trên là một ví dụ vui cho ta cái nhìn trực quan về phân loại gói tin theo nhóm chuyển tiếp tương đương. Ở đây mỗi gói hành lý là ví dụ tượng trưng cho một gói tin và tiêu chí để phân loại theo nhóm chuyển tiếp tương đương là đích cần đến. Do đó, các gói hành lý có cùng nơi đến sẽ được phân vào cùng nhóm và vận chuyển đến đích theo cùng một cách. Trong ví dụ trên ta có các nhóm chuyển tiếp tương đương FEC Afghanistan, FEC Middle East và FEC USA. Nhãn, gói tin được gán nhãn và ngăn xếp nhãn. Nhãn là một thực thể có độ dài ngắn, cố định không có cấu trúc bên trong, và thường có ý nghĩa cục bộ. Nhãn được gán vào một gói tin cụ thể sẽ đại diện cho FEC mà gói tin đó được ấn. Việc gắn nhãn cho gói tin và xác định đường đi cho gói tin qua mạng phải được thực hiện trược khi chuyển gói tin qua mạng. Vị trí và dạng của nhãn đính kèm vào gói tin phụ thuộc vào công nghệ truyền tải được sử dụng ở lớp 2. Trong mạng ATM nhãn chứa trong các trường VCI/VPI, tương tự trong mạng Frame Relay nhãn chính là trường DLCI. Đối với các công nghệ lớp 2 không hỗ trợ trường nhãn như Ethernet, token ring, FDDI, point-to-point thì nhãn được chèn vào giữa lớp 2 và lớp 3. Nhãn được thêm vào giữa phần mào đầu lớp 2 và lớp 3 còn được gọi với tên khác là shim header. Cấu trúc của nhãn MPLS: Hình 1.3 Cấu trúc của nhãn MPLS Mô tả các trường trong nhãn: Label: độ dài 20 bits, chứa giá trị của nhãn. CoS: độ dài 3 bits được sử dụng để phân chia lớp dịch vụ. S có độ lớn 1 bit chỉ định nhãn cuối của ngăn xếp nhãn, nhãn cuối stack S có giá trị 1. TTL (Time to Live) có độ dài 8 bits, xác định thời gian tồn tại của gói tin tính băng giây để tránh tình trạng một gói tin luẩn quẩn trên mạng. Thời gian được cho bởi trạm gửi và giảm đi một đơn vị khi qua mỗi router của liên mạng. Gói tin được gán nhán: là gói tin mà nhãn đã được mã hoá, đính kèm vào phần đầu của gói tin. Ngăn xếp nhãn: nhiều nhãn có thể đình kèm trong một gói tin và được tổ chức theo nguyên tắc vào sau ra trước được gọi là ngăn xếp nhãn. Ngăn xếp nhãn được sử dụng để chuyển tải thông tin về nhiều FEC và các LSP tương ứng mà gói tin sẽ đi qua. Các LSR dọc đường đi của gói tin có thể thêm vào (push), lấy ra (pop) hoặc hoán chuyển (swap) nhãn ở đỉnh của ngăn xếp để phục vụ cho việc chuyển tiếp gói tin trên mạng. Bộ định tuyến chuyên mạch nhãn (LSR-Label Switch Router). Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn LSR là thiết bị hay node mạng thực thi việc điều khiển và chuyển tiếp các gói tin trong mạng MPLS bao gồm cả gói tin được gán nhãn và các gói tin không được gán nhãn. Đối với việc chuyển tiếp các gói tin có nhãn, việc điều khiển và chuyển tiếp các gói tin dựa vào thông tin tại mỗi nút và nhãn đính kèm trên các gói tin. Dựa vào chức năng và vị trí có thể chia LSR thành các loại sau đây: LSR biên, LSR chuyển tiếp. 1.4 LSR trong mạng MPLS LSR biên: hay LER nằm ở biên của mạng MPLS và kết nối trực tiếp với mạng của người dùng. LSR biên tiếp nhận hay gửi các gói tin đến mạng khác như IP, Frame Relay, ATM, MPLS…Các LSR biên chịu trách nhiệm gắn thêm hay loại bỏ nhãn ra khỏi ngăn xếp nhãn của gói tin khi các gói tin đến hoặc đi khỏi mạng MPLS. LSR biên được chia làm 2 loại: Chức năng của LSR lối vào (Ingress Router) là tiếp nhận các gói tin đến, phân gói tin vào nhóm chuyển tiếp tương đương, xác định đường đi LSPs cho FEC từ đầu vào đến LSR lối ra xuyên qua mạng MPLS và gán nhãn thích hợp cho các gói tin. Chức năng của LSR lối ra là kiểm tra, loại bỏ nhãn ra khỏi gói tin chuyển tiếp gói tin đến nút tiếp theo bên ngoài mạng MPLS. LSR chuyển tiếp: hay LSR lõi là các LSR nằm bên trong mạng MPLS thực hiện việc hoán chuyển nhãn và chuyển tiếp gói tin xuyên qua mạng. Cấu trúc của LSR được chia làm 2 phần: thành phần chuyển tiếp và thành phần điều khiển: Hình 1.5 Cấu trúc của nút LSR MPLS. Thành phần điều khiển. Thành phân điều khiển chịu trách nhiệm điều khiển và phân phối thông tin định tuyến và lan truyền nhãn giữa các bộ định tuyến trong mạng MPLS. Bảng định tuyến IP (RIB-IP Routing Table) và cơ sở thông tin nhãn (LIB-Label Information Base) được lưu trữ và quản lý bởi thành phần này. Tất cả các nút LSR trong mạng sử dụng các giao thức định tuyến IP như OSPF, IS-IS…để thay đổi thông tin định tuyến trong mạng. Việc lan truyền nhãn và quản lý thông tin trong lưu LIB, LIFB sử dụng các giao thức như LDP, TDP, BGP, RSVP, CR-LDP, CR-LDP. Thành phần chuyển tiếp. Thành phần chuyển tiếp dựa vào thông tin được duy trì tại mỗi nút và thông tin chứa trong các gói tin để thực hiện việc chuyển tiếp gói tin đến điểm tiếp theo trên mạng. Bảng chuyển tiếp IP (FIB-IP Forwading Table) được sử dụng để chuyển tiếp các gói tin IP. Việc chuyển tiếp các gói tin gán nhãn đến nút tiếp theo thông tin trong cơ sở chuyển tiếp nhãn (LFIB-Label Forwading Base) và nhãn gắn kèm trên các gói tin. Cơ sở thông tin nhãn (LIB-Label Information Base). Cơ sở thông tin nhãn là một bảng được duy trì tại mỗi nút LSR. Bảng này cùng với LFIB lưu trữ các thông tin phục vụ cho việc phân loại gói tin vào các FEC, gãn nhãn cho các gói tin xác định đường đi LSPs cho các FEC xuyên qua mạng. Đồng thời, LIB cũng được sử để xây dựng, cập nhật thông tin trong LFIB nằm trong vùng chuyển tiếp phục vụ cho việc chuyển tiếp gói tin. LIB chứa thông tin nhãn được gán tại mỗi nút LSR và các nhãn nhận được từ các nút liền kề giúp cho việc ánh xạ đến các nút lân cận. Các giao thức phân phối nhãn chịu trách nhiệm khởi tạo, cập nhật thông tin trong LIB, LFIB và lan truyền nhãn giữa các LSR. Cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn (LFIB-Label Forwarding Information Base). Cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn hay bảng chuyển tiếp nhãn là một bảng gồm một hay nhiều hàng được lưu trữ trong vùng chuyển tiếp. Vùng chuyển tiếp dựa vào giá trị nhãn và cổng vào của gói tin đến, thực hiện so sánh thông tin trên trong LFIB để thực hiện việc pop, push hay swap nhãn trong đỉnh ngăn xếp của gói tin và chuyển tiếp gói tin đến nút tiếp theo. Pop hay push sẽ lấy ra hay thêm nhãn vào ngăn xếp của gói tin đến, còn swap chỉ thay đổi giá trị của nhãn ở đỉnh ngăn xếp. Sau đó xác định cổng ra cho gói tin đến nút tiếp theo. Hình 1.6 Bảng chuyển tiếp nhãn Trong hình minh hoạ ở trên ta thấy khi gói tin đến có nhãn ở đỉnh ngăn xếp có giá trị là 80 và cổng vào là G thì thành phần chuyển tiếp thay nhãn ở đỉnh bằng nhãn mới có giá trị là 67 và chuyển đến điểm tiếp theo qua cổng B. Tương tự nếu gói tin đến có nhãn là 27 và cổng vào là A thì nhãn này được đưa ra khỏi ngăn xếp và gói tin được chuyển đến hop tiếp qua cổng C. Đường chuyển mạch nhãn (LSP-Label Switching Path). Đường chuyển mạch nhãn là tuyến được bắt đầu tại một LSR hướng vào thông qua một hoặc nhiều hoặc thậm chí là không LSR chuyển tiếp nào và cuối cùng kết thúc tại một LSR hướng ra. LSP chính là đường đi của các FEC thông qua mạng MPLS sử dụng cơ chế chuyển đỗi nhãn. Các gói tin thuộc cùng một FEC sẽ được truyền qua mạng theo cùng một LSP. LSP phải được thiết lập trước khi các gói tin được tuyền qua mạng. Các LSP được thiết lập bởi các giao thức phân phối nhãn (Label Distribution Protocols) như LDP, CR-LDP, RSVP, RSVP-TE. Trong mạng MPLS LSPs có thể được thiết lập theo 2 cách đó là điều khiển LSP độc lập và điểu khiển LSP thứ tự. Điều khiển LSP độc lập và điều khiển LSP thứ tự có thể cùng tồn tại chung trong mạng. Ví dụ trong hình hình 2.d đường chuyển mạch LSP R1-R4-R8-R9 xuyên qua mạng MPLS. Điều khiển thứ tự. Trong phương thức điểu khiển thứ tự để thiết lập LSP thì các bộ định tuyến lối vào điều khiển việc thiết lập LSP từ nguồn đến LSR lối ra. LSR lối vào gửi yêu cầu cần thiết lập LSP đến LSR lối ra. Sau khi nhận được yêu cầu, LSR lối ra sẽ sinh nhãn liên kết với FEC. Thông tin được truyền ngược trở lại LSR để thiết lập LSP. Các LSR trên đường đi của LSP thực hiện trao đổi nhãn với các nút liền kề để thiết lập. Phương thức điều khiển thứ tự trong việc thiết lập LSP đòi hỏi phải trao đổi nhãn được truyền qua tất cả LSR trước khi LSP được thiết lập. Điều khiển thứ tự giúp tránh được tình trạng lặp LSP. Điều khiển độc lập. Khác so với phương thức điều khiển thứ tự, trong phương thức điều khiển độc lập khi một nút LSR nhận biết một FEC mới thì nó sẽ sinh nhãn liên kết với FEC lưu lại thông tin này rồi thông báo sự liên kết này đến các nút xung quanh mà không phải chờ thông tin trả lời từ LSR lối ra. Việc thông báo liên kết nhãn đến các nút xung quang do giao thức phân phối nhãn thực hiện. Hoạt động của MPLS. Trong mạng MPLS có hai chế độ hoạt động: chế độ hoạt động khung và chế độ hoạt động tế bào. Chế độ hoạt động khung. Chế độ hoạt động này xuất hiện khi xây dựng mạng MPLS trong môi trường các thiết bị định tuyến thuần điều khiển IP điểm-điểm. Các gói tin gán nhãn dựa trên cơ sở khung lớp 2. Quá trình chuyển tiếp một gói tin IP qua mạng MPLS được thực hiện qua một số bước cơ bản sau đây: LSR lối vào nhận gói tin IP kiểm tra thông tin, phân loại gói tin vào lớp chuyển tiếp tương đương và gán nhãn cho gói tin theo phương thức điều khiển độc lập hay tuần tự với ngăn xếp tương ứng đã được xác định. Sau khi xác định được đường đi LSP của gói tin qua mạng LSR lối vào chuyển tiếp gói tin đến nút tiếp theo. LSR chuyển tiếp nhận gói tin có nhãn, căn cứ vào nhãn đính kèm trong gói tin và sử dụng cơ sở dữ liệu chuyển tiếp nhãn (LFIB) thực hiện thay đổi thông tin nhãn trong ngăn xếp nhãn và chuyển tiếp gói tin đến nút tiếp theo. Khi gói tin đến LSR lối ra, LSR lối ra loại bỏ nhãn ở đỉnh ngăn xếp trong gói tin. Hình dưới xem xét ví dụ đơn giản về chế độ hoạt động khung Hình 1.7 Minh hoạ chuyển tiếp gói tin qua miền MPLS Trong ví dụ minh hoạ ở trên ta thấy, LSR1 đóng vai trò là LSR biên lối vào của mạng. Gói tin IP có địa chỉ đích 151.45.20.1 cần chuyển đến đích B xuyên qua mạng MPLS. Tại LSR1 xem xét thông tin của gói tin đến và dựa vào thông tin trong LFIB để phân gói tin vào nhóm chuyển tiếp tương đương, đường đi của gói tin được xác định LSR1-LSR2-LSR4, nhãn7 được thêm vào ngăn xếp nhãn của gói tin và chuyển đến LSR2 qua cổng 1. LSR2 thay đổi giá trị nhãn 7 thành 8 và chuyển tiếp gói tin đến LSR4 theo cổng số 2. LSR4 đóng vai trò là một LSR lối ra sẽ loại bỏ nhãn khỏi đỉnh ngăn xếp và chuyển tiếp gói tin đến B. Tại đây gói tin được chuyển tiếp đến host đích có địa chỉ 151.45.20.1 theo bảng định tuyến lớp 3 truyền thống. Như ta thấy trong ví dụ trên LSR lõi LSR2 không quan tâm đến header của gói tin đến mà chỉ dựa vào nhãn đính kèm để chuyển tiếp gói tin và bảng chuyển tiếp nhãn. Bảng chuyển tiếp này phải được cập nhật đầy đủ để đảm bảo mỗi LSR hay bộ định tuyến trong mạng MPLS có đầy đủ thông tin và tất cả các hướng chuyển tiếp. Quá trình này xảy ra trước khi gói tin được truyền đi trong mạng và thường được gọi là quá trình liên kết nhãn (label binding). Các giao thức phân phối nhãn đảm nhận vai trò này. Chế độ hoạt động tế bào. Việc triển khai mạng MPLS qua ATM cần phải giải quyết một số vấn đề sau: Thứ nhất: Không thể thực hiện việc trao đổi trực tiếp gói tin IP giữa hai nút MPLS lân cận qua giao diện ATM. Tất cả giữ liệu trao đổi giữa các giao diện ATM phải thông qua kênh ảo ATM. Thứ hai: Các tổng đài ATM không thể thực hiện việc kiểm tra nhãn và các địa chỉ lớp 3 của gói tin IP. Khả năng duy nhất của các tổng đài ATM là chuyển đổi VC đầu vào sang VC đầu ra của giao diện ra. Như vậy cần thiết phải xây dựng một số cơ chế để đảm bảo thực thi MPLS qua ATM như sau: Các gói tin IP trong mảng điều khiển không thể trao đổi trực tiếp qua giao diện ATM. Một kênh ảo VC phải được thiết lập giữa hai nút MPLS cận kề để trao đổi gói thông tin điều khiển. Gia trị nhãn trên cùng trong ngăn xếp nhãn phải được sử dụng cho giá trị VPI/VCI. Các thủ tục gán nhãn và trao đổi nhãn phải được sửa đổi để đảm bảo các tổng đài ATM không phải kiểm tra địa chỉ lớp 3. (1) Một số khái niệm liên quan ATM-LSR biên: chia làm 2 loại ATM-LSR lối vào và ATM-LSR lối ra ATM-LSR lối vào: tiếp nhận gói tin gói tin đến có nhãn hay không có nhãn phân gói tin vào các tế bào ATM, xác định nhãn cho cac tế bào và gửi các tế bào đến nút ATM-LSR tiếp theo. ATM-LSR lối ra: tiếp nhận gói tin đến từ ATM-LSR lân cận, tái tạo gói tin từ các tế bào ATM, sau đó thực hiện việc chuyển tiếp gói tin. ATM-LSR: nằm trong lõi của mạng MPLS thực hiện chức năng định tuyến gói IP và chuyển mạch tế bào ATM. Giao diện ATM điều khiển chuyển mạch nhãn (LC-ATM): là giao diện ATM trong tổng đài ATM hoặc trong bộ định tuyến mà giá trị VPI/VCI được gán bằng thủ tục điều khiển MPLS (LDP) (1). Miền ATM-LSR: là tập hợp các ATM-LSR được kết nối với nhau thông qua giao diện LC-ATM. Quá trình hoạt động. Việc chuyển tiếp các gói tin được thực hiện trực tiếp qua các bước sau: ATM-LSR biên lối vào nhận gói tin có nhãn hay không nhãn, thực hiện kiểm tra cơ sở thông tin nhãn LIB hay cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn LFIB và tìm ra giá trị VPI/VCI đầu ra để sử dụng như nhãn lối ra. Các gói tin có nhãn được phân chia thành các tế bào ATM và gửi đến ATM-LSR tiếp theo. Giá trị VPI/VCI được gắn vào mào đầu của từng tế bào. Các nút ATM-LSR chuyển mạch tế bào theo giá trị VPI/VCI trong mào đầu của tế bào theo cơ chế chuyển mạch nhãn ATM truyền thống. Cơ chế phân bổ và phân phối nhãn phải đảm bảo việc chuyển đổi giá trị VPI/VCI nội vùng và ngoại vùng là chính xác. ATM-LSR tại biên lối ra khỏi miền ATM-LSR tái tạo lại các gói có nhãn từ các tế bào, thực hiện việc kiểm tra nhãn và chuyển tiếp gói tin đến nút tiếp theo. Chú ý: Việc chuyển tiếp các tế bào qua miền ATM-LSR dựa trên kênh ảo nhãn (LVC-Label Virtual Circuit), LVC được thiết lập bởi các thủ tục phân phối nhãn xuyên qua miền ATM-LSR, LVC được biết như đường chuyển mạch nhãn sử dụng trong chế độ họat động khung. Trong chế độ hoạt động tế bào, việc phân phối nhãn để thiết lập LVC được thực hiện dựa trên phương thức điều khiển thứ tự theo yêu cầu phía trước, nghĩa là ATM-LSR biên ra sẽ trả lời nhãn để thiết lập LVC cho yêu cầu của ATM-LSR biên vào. Giao diện LC-ATM được sử dụng để trao đổi dữ liệu giữa các ATM-LSR trong miềm. Xem xét ví dụ bên dưới để hiểu rõ hơn nguyên tắc hoạt động của mạng MPLS trong chế độ này: Hình 1.8 Chuyển tiếp gói tin qua miên ATM-LSR. Như trong minh họa ở hình 1.8, khi gói tin X có nhãn là 9 đến biên của miền ATM-LSR, do X là gói tin có nhãn nên ATM-LSR biên vào dựa vào giá trị nhãn đính kèm gói tin và bảng chuyển tiếp nhãn LFIB để xác định nhãn lối ra là 5. Sau đó chia nhỏ X thành thành các tế bào ATM, gắn giá trị 5 cho trường VPI/VCI cho từng tế bào, và gửi đến ATM-LSR lõi. ATM-LSR lõi dựa vào thông tin trong bảng LFIB, thay giá trị nhãn 5 bằng nhãn 3 và chuyển tiếp đến ATM-LSR biên ra theo cổng số 0. ATM-LSR biên ra tái tạo lại gói tin X ban đầu và chuyển tiếp đến nút LSR tiếp theo bên ngoài miền ATM-LSR. Đối với gói tin Y qua trình chuyển tiếp được thực hiện tương tự, nhưng do Y là gói tin IP thông thường nên ATM-LSR biên vào dựa vào thông tin trong header để xác định nhãn ra, còn việc chuyển tiếp các tế bào qua miền ATM-LSR được thực hiện một cách tương tự. Tại ATM-LSR biên ra, gói tin Y được tái tạo lại từ các tế bào và chuyển đến nút tiếp theo. Giao thức phân phối nhãn. Giới thiệu về giao thức phân phối nhãn. Giao thức phân phối nhãn được sử dụng trong việc gán nhãn cho gói tin theo nhóm chuyển tiếp tương đương, lan truyền nhãn giữa các nút LSR lân cận và thiết lập đường đi LSP qua mạng MPLS cho các nhóm chuyển tiếp tương đương. Giao thức này đuợc thành phần điều khiển tại mỗi nút để thay đổi thông tin phục vụ cho việc chuyển tiếp gói tin tại mỗi nút. Mỗi mạng MPLS không chỉ sử dụng một giao thức duy nhất cho việc phân phối nhãn. Các giao thức phổ biến sử dụng trong mạng MPLS bao gồm: giao thức LDP (Label Distribution Protocol) với phần mở rộng của nó CR-LDP (Constrained-based Routing LDP) và giao thức RSVP (Resource Reservation Protocol) với phân mở rộng RSVP-TE (RSVP Traffic Engineering). Các giao thức trên sẽ được xem xét ở phân tiếp theo. Phương thức hoạt động. Để đảm bảo việc trao đổi các bản tin LDP được truyền giữa các LSR là tin cậy, trung thực và theo đúng thứ tự thì yêu cầu phải thiết lập kết nối TCP giữa các LSR. Các bản tin LDP có thể xuất phát từ bất cứ một LSR nào (điều khiển đường chuyển mạch nhãn LSP độc lập) hay từ LSR biên lối ra (điều khiển thiết lập LSP theo thứ tự hay theo lệnh) và chuyển từ LSR phía trước đến LSR sau cận kề. Việc trao đổi các bản tin LDP có thể được khởi phát bởi sự xuất hiện của luồng số liệu đặc biệt, bản tin lập dự trữ RSVP hay cập nhật thông tin định tuyến nhận được từ LSR lân cận. Khi một căp LSR đã trao đổi bản tin LDP cho một FEC nhất định thì một đường chuyển mạch nhãn LSP từ đầu vào đến đầu ra được thiết lập sau khi mỗi LSR ghép nhãn đầu vào với nhãn đầu ra trương ứng trong LIB của nó. (1) Giao thức LDP và CR-LDP. Giao thức LDP. Giao thức này được nhóm nghiên cứu MPLS của IETF xây dựng và định nghĩa cụ thể trong RFC 3036 và phiên bản mới nhất được công bố năm 2001. Giao thức LDP là một giao thức được sử dụng để trao đổi thông tin liên kết nhãn giữa các LSR đồng cấp và thiết lập đường chuyển mạch nhãn. Khi một LSR gán một nhãn cho một FEC cụ thể nào đó thì nó cần thông báo cho các LSR đồng cấp biết nhãn đó. Việc thiết lập LSP từ LSR biên lối vào đến LSR biên lối ra sử dụng một tập các thủ tục để phân phối nhãn giữa các LSR đồng cấp. Các nhóm bản tin được sử dụng bởi giao thưc LDP bao gồm: DISCOVERY: Nhóm bản tin này dùng để loan báo và duy trì sự hiện diện của LSR trong mạng MPLS. Nhóm bản tin này chạy qua cổng UDP và sử dụng bản tin đa hướng để nghiên cứu các LSR xung quanh có kết nối trực tiếp. Khi LSR nhận biết địa chỉ của LSR khác bằng cơ chế này thì nó sẽ thiết lập kết nối TCP đến LSR đó. Khi đó phiên LDP được thiết lập giữa 2 LSR. Phiên LDP là phiên hai chiều có nghĩa là các LSR ở hai đầu kết nối có thể yêu cầu gửi và nhận liên kết nhãn.Bản tin Hello được sử dụng để phát hiện các LSR xung quanh. Bản tin này được gửi lúc bắt đầu khởi tạo mạng cũng như là gửi định kỳ. SESSION: bao gồm các bản tin initialization, keep alive, shutdown session. Bản tin initialization: bản tin này được sử dụng để thiết lập một phiên LDP. Bản tin Keep Alive: bản tin này được sử dụng để thông báo cho các bên trong phiên LDP biết thành phần kia đang hoạt động tốt. Bản tin Shutdown: bản tin này được sử dụng để thông báo kết thúc phiên giao dịch LDP. ADVERTISEMENT: gồm các bản tin Label Mapping, Label Request, Label Withdrawal, Label Release, Label Abort Request. Bản tin Label Mapping: dùng để quản bá liên kết giữa một FEC và nhãn. Bản tin Label Request: bản tin này được gửi bởi LSR đến thành phần LDP đồng cấp để yêu cầu ánh xạ nhãn cho một FEC. Bản tin Label Withdrawal: bản tin này được sử dụng để thông báo xóa bỏ liên kết giữa nhãn và FEC vừa thực hiện. Lable Abort Request: bản tin này thông báo hủy bỏ yêu cầu ánh xạ nhãn cho FEC khi yêu cầu này chưa được thực hiện. Label Release: được LSR sử dụng khi nhận được chuyển đổi nhãn mà nó không cần thiết nữa. NOTIFICATION: Bản tin này dùng để thông báo với các phần tử LDP về một lỗi nào đó hoặc tình trạng phiên giao dịch LDP. Các chế độ phân phối nhãn được sử dụng trong giao thức LDP. Trước khi đi vào tìm hiểu các chế độ phân phối nhãn được sử dụng, chúng ta cần làm rõ các thuật ngữ upstream và downstream. Như ta đã biết đường chuyển mạch nhãn chuyển tiếp dữ liệu từ nguồn đến đích xuyên qua mạng MPLS bao gồm một tập các liên kết. Trong một liên kết giữa hai LSR, dữ liệu sẽ được gửi từ đầu này đến đầu kia của liên kết, LSR gửi dữ liệu sẽ được gọi là upstream (LSR phía sau), LSR kia trong liên kết được gọi là downstream (LSR phía trước). Hình 1.8 Minh họa Upstream LSR và Downstream LSR. Như hình minh họa 1.8 ở trên, trong liên kết giữa LSR A và LSR B thì LSR A là đóng vai trò là Upstream LSR, còn LSR B là downstream LSR do luồng dữ liệu trên liên kết được truyền từ LSR A đến LSR B. LSR phía sau (LSR A) chuyển tiếp luồng dữ liệu đến LSR phía trước (LSR B) trong liên kết. Chế độ gán nhãn không theo yêu cầu: Cấu trúc của MPLS cho phép một LSR phân phối nhãn đến các LSR láng giềng của nó mà không cần có yêu cẩu từ LSR phía sau (upstream). Chế độ này được gọi là chế độ gán nhãn không theo yêu cầu. Trong chế độ này thì LSR phía trước sẽ thông báo liên kết nhãn đến LSR phía sau ngay cả khi không có yêu cầu. Như được minh họa trong hình 1.9 a. Chế độ gán nhãn theo yêu cầu phía trước: trong chế độ này LSR phía sau (upstream) gửi yêu cầu Label Request gán nhãn cho một FEC đến cho LSR phía trước (downstream). Sau khi LSR phía trước liên kết nhãn cho FEC yêu cầu nó sẽ trả lời sự ánh xạ đó cho LSR phía sau thông qua bản tin Lable Mapping. Hình bên dưới cho ta hình dung về chế độ gán nhãn theo yêu cầu phía trước. Như trong hình minh họa 1.9.b LSR1 (upstream) gửi yêu cầu gán nhãn đến LSR2 (downstream), LSR2 sau khi ánh xạ nhãn vào FEC sẽ trả lời liên kết nhãn đến cho LSR1. Hình 1.9 Các chế độ phân phối nhãn. Chú ý: Hai chế độ gán nhãn ở trên có thể tồn tại trong cùng một mạng và trong cùng một thời gian. Các LSR phải thỏa thuận chế độ nào được sử dụng trong phân khởi tạo phiên LDP thông qua bản tin Initalization. Chế độ duy trì tự do: trong chế độ này các nút LSR chỉ duy trì những nhãn tương ứng với FEC nào đó mà nó cần tại thời điểm hiện tại. Các chuyển đổi khác được hủy bỏ. Chế độ duy trì tiên tiến: với chế độ duy trì tiên tiến LSR sẽ giữ lại tất cả các chuyển đổi mà nó được thông báo ngay cả khi những chuyển đổi không được sử dụng tại thời điểm hiện tại. Hoạt động của chế độ này có thể được hình dung như sau: LSR1 gửi liên kết nhãn với một FEC cụ thể nào đó đến các LSR lân cận chẳng hạn LSR2. LSR2 nhận thấy rằng LSR1 hiện tại không phải là nút tiếp theo đối với FEC đó và nó không sử dụng liên kết này cho mục đích chuyển tiếp tại thời điểm hiện tại nhưng nó vấn lưu giữ liên kết này. Khi có sự thay đổi định tuyến và LSR1 trở thành nút tiếp theo của LSR2 đối với FEC đó thì LSR2 sẽ cập nhật trong bảng định tuyến tương ứng và có thể chuyển tiếp gói tin đến LSR1 mà không phải khởi tạo phiên LDP hay quá trình phân bố nhãn mới. Ưu điểm lớn nhất của chế độ này duy trì tiên tiến là khả năng phản ứng nhanh hơn khi có sự thay đổi định thông tin định tuyến trong mạng. Nhược điểm của nó là lãng phí bộ nhớ cho việc duy trì nhãn cũng như lãng phí nhãn. Giao thức CR-LDP. Giao thức CR-LSP là sự mở rộng của giao thức phân phối nhãn LDP. Giao thức CR-LDP cho phép thiết lập các đường chuyên mạch nhãn CR-LSP hỗ trợ kỹ thuật lưu lượng và yêu cầu theo cầu bảo đảm chất lượng dịch vụ. Cũng giống như giao thức LDP, nó sử dụng phiên TCP giữa các LSR đồng cấp để gửi các bản tin phân phối nhãn. Sự khác nhau cơ bản giữa CR-LDP và LDP là giao thức LDP chỉ đơn thuần là giao thức sử dụng để lan truyền nhãn và thiết lập LSP mà không cung cấp việc thiết lập LSP dựa trên ràng buộc hay nói đúng hơn là LDP không được thiết kế để hỗ trợ kỹ thuật lưu lượng. CR-LSP là đường chuyển mạch nhãn được thiết lập bởi giao thức CR-LDP. Việc thiết lập đường chuyển mạch nhãn CR-LSP sử dụng chế độ gán nhãn theo yêu cầu phía trước với phương thức điều khiển thứ tự. CR-LSP được xác định theo thuật toán tìm đường đi ngắn nhất và có tính đến các yếu tố rảng buộc như băng thông trên các liên kết, độ ưu tiên và các yêu cầu về mặt quản trị. CR-LSP cho phép cung cấp kỹ thuật lưu lượng và đảm bảo chất lượng dịch vụ. CR-LSP không yêu cầu làm tươi định kỳ và có thể gán độ ưu tiên khác nhau. Giao thức RSVP và RSVP-TE. Giao thức RSVP. RSVP là giao thức báo hiệu đóng vai trò quan trọng trong mạng MPLS. RSVP cho phép các ứng dụng thông báo các yêu cầu về QoS với mạng và mạng sẽ đáp ứng bằng những thông báo thành công hay thất bại. Khác với LDP, RSVP thực hiện việc thông báo và yêu cầu việc dành sẵn tài nguyên cho LSP được thiết lập. Việc thiết lập LSP dựa vào phương thức điều khiển thứ tự, nghĩa LSR biên vào yêu cầu, LSR biên ra xem xét gán nhãn và trả lời yêu cầu. Chú ý rằng các bản tin được nhận và chuyển tiếp bởi tất cả các bộ định tuyến dọc theo đường truyền thông tin, nên việc cấp phát tài nguyên có thể thực hiện tại các nút mạng cần thiết. Theo cách này, cho phép LSP được thiết lập chính xác theo yêu cầu từ phía nguồn và được gọi là định tuyến nguồn, tức là dựa vào yêu cầu đến LSR lối vào sẽ thiết lập LSP phù hợp để đáp ứng. Định tuyến từ phía nguồn sử dụng thuật toán tìm đường đi ngắn nhất và kèm theo một số điều kiện ràng buộc như là yêu cầu về lưu lượng hay quản trị. RSVP sử dụng giao thức UDP để trao đổi thông tin, do đó không yêu cầu thiết lập phiên TCP. Các đặc trưng của giao thức RSVP: Giao thức RSVP hỗ trợ các ứng dụng đơn hướng cũng như đa hướng nhờ khả năng tự động thay đổi thành viên của nhóm cũng như thay đổi tuyến đường. RSVP là hệ đơn công nghĩa là thực hiện việc dự trữ luông dữ liệu theo hướng duy nhất. Nơi nhận sẽ tạo ra và duy trì tài nguyên dành riêng để sử dụng cho luồng dữ liệu RSVP là giao thức trạng thái mềm nghĩa là nó sẽ tự động hết hiệu lực sau một khoảng thời gian trừ khi nó được làm tươi một cách liên tục theo chu kỳ. Giao thức này cung cấp nhiều loại hình cũng như kiểu dành riêng để phù hợp với nhiều loại ứng dụng khác nhau. RSVP hỗ trợ IPv4 cũng như giao thức IPv6. Họat động của giao thức này có thể mô ta qua ví dụ sau: Hình 1.9 Thiết lập LSP trong giao thức RSVP. Trong hình mimh họa ở trên, khi LSR A biên vào cần thiết lập đường LSP đến LSR C biên ra. A xem xét điều kiện ràng buộc (băng thông) của luồng dữ liệu và đích đến, xây dựng yêu cầu và gửi đến B. B nhận được yêu cầu, vì B không phải là biên lối ra nên nó sửa đổi thông điệp yêu cầu và gửi đến C. Tại đây do C là biên lối ra, C xem xét yêu cầu, cấp phát băng thông và chọn nhãn 32 để thiết lập LSP. Thông tin này được truyền ngược lại B sử dụng bản tin RESV. B nhận được bản tin RESV trả lời từ C, xem xét băng thông và nhãn cấp phát lưu thông tin vào bảng chuyển tiếp, cấp phát nhãn mới 17, xây dựng bản tin RESV trả lời yêu cầu của A. A cập nhật thông tin RESV nhận được từ B nhưng không cấp phát nhãn mới vì A là biên lối ra của LSP. Lúc này LSP được thiết lập với băng thông theo yêu cầu, và A có thể thực hiện gửi lưu lượng này qua mạng. Giao thức RSVP-TE. RSVP-TE là sự mở rộng của giao thưc RSVP, giao thức này được sử dụng trong mạng MPLS, GMPLS để thiết lập các đường chuyển mạch nhãn và hỗ trợ kỹ thuật lưu lượng. Cũng giống như CR-LDP, nó chủ yếu được sử dụng để cung cấp hỗ trợ chất lượng dịch vụ, cân bằng tải trên mạng lõi, và cung cấp khả năng mở rộng để họat động trong mạng quang. Generalized Multi-Protocol Label Switching (GMPLS). GMPLS là sự mở rộng của MPLS, cung cấp sự hỗ trợ các đặc trưng mới như mạng quang, kỹ thuật đường chuyển mạch nhãn LSPs hai chiều (bi-directional LSPs) và điều khiển tại nguồn các nhãn và liên kết. GMPLS mạng lại sự kết hợp giữa mạng IP và kỹ thuật ghép kênh chia bước sóng WDM, và được ứng dụng trên các mạng lõi. Trong mạng GMPL cơ sở dựa vào đó để thực hiện việc chuyển mạch có thể dựa vào các thuộc tính như bước sóng, cổng hoặc timeslots. Kỹ thuật lưu lượng trong mạng MPLS. Kỹ thuật lưu lượng là gì? Kỹ thuật lưu lượng (TE-Traffic Engineering) được hiểu là quá trình điều khiển việc chọn đường đi cho các luồng dữ liệu, nhằm cân bằng tải cho các liên kết, bộ định tuyến và bộ chuyển mạch trên mạng, sử dụng hiệu và đạt được mục tiêu cân bằng việc sử dụng tài nguyên mạng. Mục tiêu chất lượng cơ bản của TE có thể phân thành các loại sau: Các mục tiêu định hướng lưu lượng: nâng cao chất lượng dịch vụ QoS nhờ: giảm thiểu thất thoát gói tin, giảm độ trễ, tăng tối đa băng thông. Các mục tiêu định hướng tài nguyên: tối ưu hóa sử dụng tài nguyên. Băng thông được xem coi là tham số quan trọng nhất trong tài nguyên mạng. Vấn đề của TE sẽ quản lý băng thông một cách hiệu quả, và hệ quả tất yếu của mục tiêu này là giảm thiểu tắc nghẽn mạng xảy ra. Kỹ thuật lưu lượng trong mạng MPLS. Kỹ thuật lưu lượng được áp dụng trong mạng MPLS bao gồm ba quá trình: Phân phối và cập nhật thông tin tài nguyên, thiết lập đường truyền và vận chuyển lưu lượng theo các tunnel LSPs. Các quá trình trên được hỗ trợ bởi mạng MPLS, các giao thức phân phối nhãn như CR-LDP và RSVP-TE được phát triển để hỗ trợ kỹ thuật lưu lượng: cung cấp việc thiết lập đường LSP xuyên qua mạng từ đầu vào đến đầu ra thỏa mãn các điều kiện ràng buộc về tài nguyên và quản trị (định tuyến hiện), cân bằng tải giữa các liên kết trong mạng, hỗ trợ chất lượng dịch vụ theo độ ưu tiên, khắc phục sự cố nếu xảy ra lỗi bằng việc tái định tuyến linh hoạt và sử dụng đường chuyển mạch phụ.