PHẦN II MẠNG CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC CHƯƠNG 8 LÝ THUYẾT CƠ BẢN CỦA CHUYỂN MẠCH NHÃN 8. Tổng quan Khi mạng Internet ngày càng mở rộng cùng với sự phát triển của các dịch vụ gia tăng cũng như các yêu cầu về chất lượng dịch vụ và tính bảo mật, MPLS là một giải pháp tối ưu. Nó kết hợp các ưu điểm của IP và ATM mà chi phí triển khai cũng không quá đắt, có thể phối hợp và nâng cấp từ các mạng ATM hoặc Frame Relay đã có sẵn. Ngoài ra, MPLS còn là một giải pháp tối ưu cho dịch vụ VPN và các ứng dụng đòi hỏi về chất lượng dịch vụ và kỹ thuật lưu lượng.
Hầu hết các mạng diện rộng ở Việt Nam đều được tổ chức với kết nối sử dụng dịch vụ thuê kênh riêng, X25 hoặc Frame Relay thông qua các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông. Hầu hết chúng đều hoạt động dựa trên định tuyến IP truyền thống với không ít nhược điểm, đáp ứng chậm khi có yêu cầu xử lý luồng lưu lượng lớn trên mạng, làm cho việc xử lý tại các router bị quá tải. Hậu quả là mất lưu lượng, mất kết nối và làm giảm đặc tính mạng. Ngoài ra, mỗi nút trong mạng đều phải thực hiện hai chức năng là định tuyến và chuyển tiếp.
Quá trình chuyển tiếp chỉ dựa trên địa chỉ đích của gói mà không dựa trên các tham số chất lượng dịch vụ. MPLS được xem là giải pháp cho các vấn đề này. Điểm nổi bật của công nghệ MPLS là khả năng chuyển tiếp lưu lượng nhanh, đơn giản, điều khiển phân luồng, định tuyến linh hoạt và tận dụng tài nguyên mạng. Nó kết hợp 84 những đặc điểm tốt nhất của chuyển mạch kênh trong ATM và chuyển mạch gói trong IP, có khả năng chuyển tiếp gói rất nhanh trong mạng lõi và định tuyến như bình thường ở mạng biên.
Khi các gói đi vào miền MPLS, thường là mạng trục của nhà cung cấp dịch vụ, chúng được chuyển mạch đơn giản bằng chuyển mạch nhãn. Các nhãn còn giúp xác định chất lượng dịch vụ mà các gói nhận được. Khi chúng ra khỏi mạng thì các nhãn sẽ được cắt bỏ ở các router biên mạng và được định tuyến như thông thường. MPLS có một số ưu điểm hơn định tuyến IP như chuyển các gói qua mạng nhanh hơn router IP.
Trong IP, việc định tuyến chỉ dựa vào tiêu đề của gói còn MPLS có thể phân biệt các giao diện khác nhau, các thông tin khác nhau để xác định chính sách xử lý thích hợp, đôi khi gói có thể được định tuyến theo một đường biết trước khi gói đi vào mạng. Ta xét qua hoạt động của các router hỗ trợ MPLS, gọi là bộ định tuyến chuyển mạch nhãn LSR (Label Switching Router): Ở chặng đầu tiên trong mạng MPLS, router chuyển tiếp gói dựa vào địa chỉ đích (hoặc bất cứ thông tin nào ở phần tiêu đề theo chính sách cục bộ); sau đó nó xác định một nhãn thích hợp – giá trị này được xác định cho một lớp chuyển tiếp tương đương FEC – gán nhãn cho gói và chuyển nó tới nút tiếp theo. Ở chặng tiếp theo, router dùng giá trị của nhãn như một chỉ mục của một bảng để xác định nhãn mới. LSR gán nhãn mới rồi chuyển gói đến nút tiếp theo.
Tuyến đường mà một gói gán nhãn đi qua được gọi là đường chuyển mạch nhãn LSP (Label Switched Path). Do MPLS sử dụng nhãn để quyết định chặng tiếp theo nên router ít phải làm việc hơn và hoạt động gần giống với switch. Vì các nhãn thể hiện các tuyến đường đi trong mạng nên các nhà quản trị mạng có thể điều khiển chính xác hơn các quá trình xử lý lưu lượng trong mạng bằng cách dùng các chính sách nhãn. Khác với quá trình định tuyến và chuyển mạch thông thường của mạng IP là dựa trên tiêu đề của gói tin IP, trong mạng MPLS, quá trình chuyển mạch dựa trên một nhãn gắn thêm vào gói tin.
Còn quá trình định tuyến thì không khác biệt nhiều lắm, tức vẫn dựa vào địa chỉ IP và các giao thức định tuyến để định tuyến. Tuy nhiên router còn phải nắm giữ sự thay đổi về nhãn của các gói tin khi đi các gói này được chuyển tiếp qua router. Như vậy, khác với router thông thường, các router trong mạng MPLS phải hiểu được các giao thức phân phối nhãn. Để minh hoạ hoạt động của MPLS, ta hãy xét đường đi của một gói tin theo từng bước trong mạng sau.1: Sơ đồ mạng IP 28 IP 27 IP 24 S0/1 S0/1 S0/0 S0/0 S0/1 S0/0 S0/1 S0/0 PE1 P1 P2 PE2 S0 S0 CE1 CE2 Thiết bị Serial 0/0 Serial 0/1 Loopback 0 PE1 192.1: Địa chỉ IP các thiết bị Trước hết, các giao thức định tuyến như OSPF, IS-IS hoạt động để xây dựng những router kế cận trong bảng định tuyến của một router.
Ta có thể dùng lệnh: PE1#show ip route Kế đến, giao thức phân phối nhãn sẽ hoạt động để gán nhãn và ta sẽ có một sự tương ứng giữa một nhãn và một router kế cận cùng với cổng ngõ ra tương ứng. Trong mạng MPLS, bộ định tuyến ngoài rìa có 2 ngõ là ingress (ngõ vào) và egress (ngõ ra). Bộ định tuyến ngõ vào sẽ nhận vào một gói IP và thực hiện so sánh trong bảng định tuyến, sau đó gán những dịch vụ tương ứng lên gói tin đó, và cuối cùng gán nhãn thích hợp dựa trên những dịch vụ đó. Những nhãn khác nhau sẽ biểu thị những mức dịch vụ khác nhau trong mạng.
Và khi gói tin đã có nhãn, nó được chuyển đến thiết bị kế tiếp và router kế tiếp sẽ xem trong bảng chuyển tiếp để xác định cổng ra và nhãn cần dùng cho gói tin. Ta có thể dùng lệnh: PE1#show mpls forwarding-table 86 Sau khi đi qua một bộ chuyển mạch nhãn ở giữa thì nhãn của mỗi gói tin sẽ thay đổi. Mỗi bộ chuyển mạch nhãn ở giữa chỉ hoạt động đơn giản là chuyển đổi (swapping) nhãn. Và hoạt động tương tự như thế xảy ra ở thiết bị kế tiếp cho đến khi gói tin đến thiết bị cuối cùng là bộ định tuyến chuyển mạch nhãn ngõ ra.
Bộ định tuyến này biết nó là thiết bị cuối cùng trong mạng MPLS. Nó sẽ tách nhãn ra và gửi gói tin IP đến chặng kế tiếp tức vào mạng IP của khách hàng. Quá trình di chuyển tiếp theo của gói thì hoàn toàn tương tự như trong trường hợp mạng IP thông thường. Như vậy ở đây, ta thực hiện chuyển các gói tin trong mạng chỉ dựa vào nhãn gói tin thay vì địa chỉ.
Và qua đây ta cũng thấy được một số ưu điểm tuyệt vời của chuyển mạch nhãn. Đầu tiên là tốc độ rất nhanh và độ trễ cũng như độ trễ rung pha (jitter) là rất thấp. Do nhãn dùng để tham chiếu (index) trực tiếp đến bảng chuyển tiếp của router nên chỉ yêu cầu truy cập bảng này một lần, trong khi định tuyến truyền thống phải yêu cầu truy cập bảng định tuyến hàng ngàn lần để tìm ra địa chỉ IP phù hợp nhất. Do đó chuyển mạch nhãn giảm được độ trễ và thời gian chờ đáp ứng tại mỗi nút kéo theo làm giảm độ biến động trễ rung pha cộng dồn khi gói tin đi qua nhiều nút, điều này rất có ý nghĩa đối với các ứng dụng thời gian thực.
Tuy nhiên, lí do để sử dụng chuyển mạch nhãn không chỉ dừng ở đây mà còn do tính đơn giản và dễ mở rộng của nó. Chuyển mạch nhãn cho phép ghép nhiều địa chỉ IP với một hoặc một số nhãn mà thôi nên làm giảm kích thước của bảng địa chỉ, cho phép router hỗ trợ nhiều người dùng hơn. Và đối với các cơ sở hạ tầng mạng vốn có sẵn chức năng chuyển mạch, chuyển tiếp trong phần cứng như các router hay các chuyển mạch ATM, Frame Relay, ta chỉ cần phủ lên thêm phần mềm tương ứng để điều khiển việc chuyển mạch nhãn mà thôi. Khái niệm và hoạt động cơ bản trong MPLS 8.
Mặt phẳng dữ liệu và mặt phẳng điều khiển Một mặt phẳng điều khiển (control plane) là một tập hợp phần mềm và/hoặc phần cứng trong một thiết bị, chẳng hạn một router, và được dùng để điều khiển nhiều hoạt động thiết yếu trong mạng, như phân phối nhãn, tìm tuyến mới, và khắc phục lỗi. Nhiệm vụ của mặt phẳng điều khiển là cung cấp các dịch vụ cho mặt phẳng dữ liệu. Mặt phẳng dữ liệu chịu trách nhiệm chuyển tiếp lưu lượng người dùng qua router. Các thuật ngữ mặt phẳng người dùng (user plane) hoặc mặt phẳng truyền dẫn (transport plane) cũng được dùng để mô tả mặt phẳng dữ liệu.
Mặt phẳng dữ liệu và mặt phẳng điều khiển trong IP Router OSPF, IS-IS, BGP Mặt phẳng điều khiển OSPF, IS-IS, BGP Lớp định tuyến Bảng định tuyến Gói dữ liệu IP Mặt phẳng điều khiển Gói dữ liệu IP Lớp chuyển tiếp Hình 8.2: Mặt phẳng điều khiển và dữ liệu IP.2 mô tả mối quan hệ giữa mặt phẳng điều khiển IP và mặt phẳng dữ liệu IP. Đối với các giao thức Internet, các ví dụ của mặt phẳng điều khiển là các giao thức định tuyến như OSPF, IS-IS, BGP. Nó cho phép IP chuyển tiếp lưu lượng một cách chính xác. Các bản tin điều khiển được trao đổi giữa các router để thực hiện nhiều hoạt động khác nhau, bao gồm: • Trao đổi các bản tin giữa các nút để thiết lập một tuyến liên kết.
• Trao đổi các bản tin theo chu kì (gọi là bản tin hello) để chắc rằng các nút gần kề hoạt động tốt. • Trao đổi các bản tin quảng cáo (advertisement) về địa chỉ và tuyến để xây dựng các bảng định tuyến được sử dụng bởi IP để chuyển tiếp lưu lượng. Mặt phẳng dữ liệu và mặt phẳng điều khiển trong MPLS LSR LDP, RSVP-TE, OSPF-E, BGP-E Mặt phẳng điều khiển LDP, RSVP-TE, OSPF-E, BGP-E Lớp định tuyến LFIB Gói tin MPLS Mặt phẳng điều khiển Gói tin MPLS Lớp chuyển tiếp Hình 8.3: Mặt phẳng điều khiển và dữ liệu MPLS cũng hoạt động với các mặt phẳng điều khiển và dữ liệu, như mô tả ở hình 8. Nhiệm vụ chính của mặt phẳng điều khiển là quảng cáo các nhãn, địa chỉ và liên kết chúng.
Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn là một router được cấu hình để hỗ trợ MPLS. Nó dùng cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn (Label Forwarding Information Base_LFIB) để xác định cách xử lý các gói MPLS đến, chẳng hạn xét xem nút kế tiếp nhận gói là nút nào. Các bản tin điều khiển được trao đổi giữa các LSR để thực hiện nhiều hoạt động khác nhau, bao gồm thiết lập liên kết.