CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG MPLS 1.1 Chuyển mạch nhãn: 1.1 Chuyển mạch nhãn là gì: Trong mạng máy tính và viễn thông. MPLS là một cơ chế để mang những tính chất của mạng chuyển mạch mạch vào mạng chuyển mạch gói. MPLS hoạt động ở giữa lớp 2 và 3 trong mô hình OSI nên nó được gọi là giao thức lớp 2. Nó là mạng chuyển mạch gói được thiết kế để cung cấp dịch vụ mang dữ liệu duy nhất cho cả các thuê bao của mạng chuyển mạch mạch và thuê bao của mạng chuyển mạch gói.
Nó có thể được sử dụng để mang rất nhiều loại dữ liệu gồm: IP, ATM, SONET, khung Ethernet.2 Tại sao lại phải sử dụng chuyển mạch nhãn: Phần này giới thiệu các đặc điểm của chuyển mạch nhãn, bao gồm: - Tốc độ và trễ - Khả năng mở rộng - Tính đơn giản - Tiêu tốn ít tài nguyên cho thông tin điều khiển - Điều khiển đường đi Cơ chế vận chuyển dữ liệu trong mạng IP vốn dựa trên phần mềm để thực hiện các thao tác phức tạp (như luật địa chỉ phù hợp tối đa – longest prefix matching rule) với một khối lượng dữ liệu lớn nên tốc độ thường chậm và khó có thể quản lý được một lượng tải lớn lưu lượng mạng Internet. Vì vậy, có thể gây ra hiện tượng tổn thất lưu lượng, kết nối và làm giảm hiệu suất toàn mạng. Trong chuyển mạch nhãn, giá trị nhãn được đặt trong phần tiêu đề của gói tin đến và được dùng làm chỉ mục tìm kiếm trong bảng dữ liệu. Cơ chế này có thể được thực hiện trong phần cứng.
Chính vì vậy gói tin được vận chuyển trong mạng chuyển mạch nhãn sẽ nhanh hơn rất nhiều so với IP nên thời gian trễ và đáp ứng sẽ giảm dẫn đến hiện -15- tượng jitter cũng được giảm đáng kể. Như vậy cơ chế chuyển mạch nhãn hiệu quả hơn rất nhiều nên lưu lượng qua mạng sẽ nhanh hơn, ít jitter hơn so với IP. Một đặc điểm khác của chuyển mạch nhãn là khả năng mở rộng. Khả năng mở rộng trong mạng Internet chính là khả năng hỗ trợ được nhu cầu phát triển lưu lượng nhanh chóng của cộng đồng sử dụng Internet.
Nếu Router phải lưu giữ thông tin về đường đi của tất cả những người sử dụng thì khối lượng thông tin sẽ là rất lớn và khó có thể đáp ứng được sự phát triển nhanh chóng của mạng Internet hiện nay. Chuyển mạch nhãn đưa ra giải pháp với vấn đề này bằng cách gộp một số lớn địa chỉ IP liên kết với một hoặc vài nhãn. Cách tiếp cận này làm giảm kích cỡ của bảng thông tin nhãn và cho phép một Router hỗ trợ nhiều người dùng hơn. Chuyển mạch nhãn có cơ chế chuyển tiếp dữ liệu rất đơn giản: gửi gói dữ liệu đến dựa vào nhãn của nó – nhãn có chiều dài cố định và ngắn.
Cơ chế điều khiển có thể phức tạp nhưng không làm ảnh hưởng đến luồng lưu lượng của người sử dụng. Thao tác chuyển mạch nhãn có thể được thực hiện trong các bộ vi xử lý riêng biệt. Các cơ chế điều khiển trong mạng chuyển mạch nhãn nói chung là không tiêu tốn quá nhiều tài nguyên mạng. Mạng chuyển mạch nhãn không cần nhiều tài nguyên để kích hoạt quá trình thiết lập đường đi cho lưu lượng của người sử dụng.
Việc định tuyến dựa vào địa chỉ đích có thể dẫn đến lưu lượng bị đổ dồn về một đường và việc sử dụng tài nguyên mạng trở nên không hiệu quả. Mạng chuyển mạch nhãn có thể điều khiển đường đi của lưu lượng tốt hơn bằng các cơ chế định tuyến ràng buộc, theo chính sách của nhà quản trị và thiết lập các đường đi buộc người dùng phải đi theo đó.2 Các khái niệm trong chuyển mạch nhãn: 1.1 Các thành phần của chuyển mạch nhãn MPLS: Hình 1.1 Các thành phần của chuyển mạch nhãn MPLS LSR (Label Switching Router): Là thiết bị định tuyến có tốc độ cao của mạng MPLS. Nó tham gia vào quá trình thiết lập các đường chuyển mạch nhãn (LSP) dựa vào các cơ chế báo hiệu phù hợp, và chuyển mạch lưu lượng dữ liệu có tốc độ cao trên các đường đã thiết lập. Xuôi theo chiều của dòng dữ liệu, LSR nằm phía trên là upstream LSR, LSR nằm phía dưới là downstream LSR.
LER (Label Edge Router): Là các Router biên của mạng MPLS. Nó hoạt động ở ranh giới giữa mạng MPLS và các mạng truy cập. LER hỗ trợ nhiều cổng nối đến các mạng khác nhau: (ATM, Frame Relay, Ethernet) để chuyển tiếp các lưu lượng vào trong mạng MPLS và phân phối các lưu lượng này trở lại các mạng truy cập ở đầu ra. LER có thể chia thành 2 loại tính theo hướng gói tin vào và ra khỏi mạng MPLS: Ingress LSR: Khi 1 gói tin đi vào mạng MPLS qua một LSR thì LSR đó là Ingress LSR.
Ingress LSR thực hiện những nhiệm vụ sau: • Nhận lưu lượng IP từ khách hàng • Phân loại gói tin dựa vào IP đích • Sinh ra tiêu đề MPLS và gán nhãn dựa vào sự phân loại • Đóng gói tin vào MPLS PDU • Điều chỉnh lưu lượng phù hợp với QoS • Chuyển tiếp gói đến Router tiếp theo. -17- Egress LSR: Khi gói tin đi ra khỏi mạng MPLS qua một LSR thì LSR đó là Egress LSR. Egress LSR thực hiện những nhiệm vụ sau: • Lấy lại tiêu đề MPLS • Chuyển tiếp gói tin dựa vào bảng chuyển tiếp IP Transit LSR: Những LSR nằm trong lõi của mạng MPLS. Transit LSR thực hiện những nhiệm vụ sau: • Nhận MPLS PDU và dùng tiêu đề MPLS để ra quyết định chuyển tiếp.
• Thực hiện hoán đổi nhãn: Mỗi LSR chứa một bảng liên quan đến nhãn nhận được để tráo đổi nhãn. FEC: Lớp vận chuyển tương đương chỉ một nhóm các gói có cùng yêu cầu về việc vận chuyển dữ liệu. Tất cả các gói dữ liệu thuộc cùng một nhóm sẽ được mạng xử lý như nhau. FEC được dùng để mô tả mối liên hệ giữa các gói rời rạc với một địa chỉ đích, thường là địa chỉ cuối cùng.
Phần thực hiện FEC có thể liên kết một giá trị FEC với một địa chỉ đích và một loại lưu lượng. Như vậy FEC được dùng để gom các gói dữ liệu thành các loại và hỗ trợ QoS hiệu quả hơn. Các thuộc tính của lưu lượng được xem xét để đưa lưu lượng đó vào một FEC là: Địa chỉ LAN, ATM VC ID, Frame Relay VC ID, địa chỉ IP, số hiệu cổng, lớp dịch vụ. Nhãn (Label) EXP EXP S TTL Label 20 3 1 8 GFC VPI VCI PTI CLP HEC Data Label Hình 1.2 Cấu trúc nhãn -18- Nhãn là một thực thể có độ dài ngắn và không có cấu trúc bên trong.
Nhãn không trực tiếp mã hoá thông tin của mào đầu lớp mạng như địa chỉ lớp mạng. Nhãn được gán vào một gói tin cụ thể sẽ đại diện cho FEC (Forwarding Equivalence Class- nhóm chuyển tiếp tương đương) mà gói tin đó được ấn định. Thường thì một gói tin ấn định cho một FEC (hoàn toàn hoặc một phần) dựa trên địa chỉ đích lớp mạng của nó. Tuy nhiên không bao giờ là mã hoá địa chỉ của nó.
Dạng của nhãn phụ thuộc vào phương thức truyền gói tin của lớp 2. Ví dụ các tế bào ATM sử dụng giá trị VPI/VCI như nhãn, Frame Relay sử dụng DLCI làm nhãn. Đối với các phương tiện gốc không có cấu trúc nhãn, một trường đệm được chèm thêm vào để sử dụng làm nhãn. Khuôn dạng trường đệm 4 byte có cấu trúc như trong hình sau: Nhãn MPLS có các trường sau: Nhãn: có độ dài 20 bit, chứa giá trị nhãn MPLS.
EXP: có độ dài 3 bit, biểu thị nhóm dịch vụ, tác động đến thuật toán xếp hàng đợi và loại bỏ với gói tin. MPLS cung cấp khả năng sử dụng ngăn xếp nhãn, có nghĩa là nhiều nhãn được gắn vào một gói tin. Khi môt nhãn chứa bit S có giá trị 1 thì nó là nhãn cuối cùng, nằm ở đáy của ngăn xếp nhãn (tính theo chiều từ mào đầu lớp 2 đến mào đầu lớp 3). Thao tác định tuyến được thực hiện dựa trên thông tin của nhãn nằm trên đỉnh ngăn xếp.
TTL: có độ dài 8 bit, có chức năng giống trường TTL trong mào đầu gói IP, nó quyết định số nút trên mạng mà gói tin có thể đi qua trước khi bị loại bỏ nhằm chánh sự quay vòng của gói tin trên mạng. Đối với các khung PPP hay Ethernet giá trị nhận dạng giao thức được chèn thêm vào mào đầu khung tương ứng để thông báo khung là MPLS unicast hay multicast. -19- Chồng nhãn: Hình 1.3 Chồng nhãn Khi gói tin đi qua nhiều mạng MPLS, cứ đến Ingress Router của một mạng MPLS là gói tin lại được gán thêm một nhãn mới. Như vậy bây giờ trường MPLS của gói tin không còn chỉ chứa một nhãn duy nhất nữa mà là chứa một chồng nhãn.
Các Router lõi của mạng MPLS sẽ thực hiện chuyển tiếp gói tin dựa vào nhãn nằm cao nhất trong chồng nhãn (MPLS gần trường DLC nhất). Đường chuyển mạch nhãn LSP: Hình 1.4 Các LSP Một nhóm các thiết bị hỗ trợ MPLS đặt liền nhau sẽ tạo thành một miền MPLS (MPLS domain). Trong một miền MPLS, một đường chuyển mạch nhãn (LSP – -20- Label Switched Path) được thiết lập cho một hoặc vài FEC. Sau khi LSP được thiết lập, các luồng dữ liệu thuộc LSP đó sẽ đi qua các LSR nằm trên LSP.
LSP thiết lập cho một FEC là theo một hướng nhất định.2 Các thao tác nhãn: Liên kết nhãn: Là thủ tục liên kết một nhãn (L) với một FEC (F). Quá trình liên kết nhãn được thực hiện bởi downstream LSR. Giá trị của nhãn có thể là duy nhất trong một giao diện (per-interface) hoặc duy nhất trong tất cả các giao diện của LSR ( Per- platform). Sau đó, downstream LSR thông báo cho uptream LSR về liên kết mới được tạo (L,F).
Quá trình gán nhãn thực hiện tự động bởi downstream LSR được gọi là unsolicited-downstream hoặc được thực hiện khi có yêu cầu của một LSR – được gọi là downstream-on-demand. Điều khiển gán nhãn (label Control) MPLS hỗ trợ 2 cách gán nhãn cho một FEC: độc lập và theo thứ tự. Điều khiển độc lập hoạt động như sau. Khi một LSR nhận được thông báo, nó sẽ tự động liên kết một nhãn với FEC này rồi thông báo liên kết này cho các LSR lân cận.
Điều khiển tuần tự thực hiện quá trình liên kết nhãn và thông báo theo trình tự từ LSR đầu vào hoặc đầu ra của một LSP. Thủ tục gán nhãn độc lập được thực hiện ngay sau khi có thông tin về địa chỉ, nên có thể sẵn sàng được sử dụng.