Chương 1: Công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức 1.1 Tổng quan Công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức ra đời để cải thiện tốc độ chuyển mạch gói tin trong mạng, nhằm đảm bảo chất lượng dịch vụ. Chuyển mạch nhãn đa giao thức sử dụng nhãn gán vào mỗi gói tin để chuyển tiếp trong mạng, nhãn MPLS hoạt động ở giữa chuyển mạch lớp 2 và định tuyến lớp 3. Nhãn được gán cho mỗi gói tin IP và quảng bá giữa các thiết bị router trong mạng, mỗi router xây dựng một bảng nhãn để xác định hướng chuyển tiếp gói tin. MPLS sử dụng bảng nhãn và cơ chế hoán đổi nhãn để chuyển tiếp gói tin, không sử dụng địa chỉ IP đích.
Công nghệ MPLS áp dụng cho cả các hệ thống mạng sử dụng ATM, Frame Relay. MPLS là công nghệ chuyển mạch nhanh được Cisco phát triển và IETF chuẩn hóa. Kết hợp giữa chuyển mạch Layer 2 và định tuyến Layer 3. Hỗ trợ tất cả các giao thức IP và non-IP.
Sử dụng nhãn để chuyển tiếp gói tin. MPLS được ứng dụng chủ yếu ở mạng của ISP.2 Kiến trúc mạng MPLS 1.1 Miền MPLS (MPLS Domain) Là tập hợp toàn bộ các nút mạng chạy MPLS trong cùng một hệ thống mạng. Các nút mạng trong miền MPLS là các router chuyển mạch nhãn LSR (Label Switch Router). Các nút mạng phần lõi là core-LSR, các nút mạng biên là LER (Label Edge Router).
Nếu một LER là đầu vào của luồng dữ liệu thì được gọi là ingress-LER, còn nếu là đầu ra của luồng dữ liệu thì được gọi là egress-LER, như vậy một LER vừa có thể là ingress-LER vừa là egress-LER tuỳ theo luồng lưu lượng.2: Upstream và downstream LSR. Upstream-LSR (ingress-LER) là luồng gói tin vào và downstream-LSR (egress- LER) là luồng gói tin ra.2 Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn (LSR-Label Switching Router) [3] LSR (Label Switching Router) là thiết bị thực hiện quá trình chuyển gói dữ liệu trong mạng bằng kỹ thuật chuyển mạch nhãn: gỡ nhãn cũ và gắn nhãn mới cho gói. Cấu trúc cơ bản của một thiết bị LSR có hai thành phần chính : thành phần điều khiển (control component) còn được gọi là mặt phẳng điểu khiển (control component) và thành phần định tuyến (forwarding component), còn được gọi là thành phần dữ liệu (data component). Mặt phẳng điều khiển sử dụng các giao thức định tuyến IP để xây dựng nên bảng định tuyến.
Từ những thông tin này, thành phần điều khiển sẽ tiến hành quá trình ấn định nhãn với các nút mạng lân cận. Thành phần chuyển tiếp (forwarding component) sử dụng thông tin của quá trình này để tạo bảng cơ sở thông tin nhãn LIB (Label Information Based). Khi nhận được gói dữ liệu, LSR sẽ sử dụng giá trị nhãn của gói và bảng định tuyến nhãn để tìm ra và gắn một giá trị nhãn mới thích hợp cho gói dữ liệu. LSR rìa Có hai loại : Igress LSR và Egress LSR.
Cấu trúc của Edge LSR có đôi chút khác biệt so với LSR. Gói dữ liệu khi đến Igress LSR là gói dữ liệu IP truyền thống. Căn cứ vào thông tin trong tiêu đề IP và bảng định tuyến nhãn LIB, LSR sẽ ấn định một giá trị nhãn thích hợp cho gói dữ liệu và chuyển nó đến LSR tiếp theo. Nhiệm vụ của Egress LSR thì ngược lại.
Egress LSR gỡ bỏ nhãn cuối cùng của gói dữ liệu và từ đây gói dữ liệu sẽ được định tuyến như một gói IP thông thường. Trong cấu trúc Egress LSR, thành phần chuyển tiếp (forwarding component) có thêm bảng định tuyến IP. Với thành phần này, Edge LSR có thể định tuyến các gói dữ liệu IP truyền thống.3 FEC (Forwarding equivalence class) [3] FEC là một nhóm hay một luồng gói tin được chuyển tiếp trên cùng một tuyến đường, tất cả các gói tin cùng FEC sẽ được gán cùng một nhãn giống nhau. 3 Thiết bị ingress-LER sử dụng một số đặc điểm sau để xác định các gói tin cùng FEC: - Địa chỉ IP đích thuộc cùng lớp mạng (cùng NetID).
- Các gói tin Multicast thuộc cùng một địa chỉ Multicast. - Địa chỉ IP đích thuộc bảng định tuyến của giao thức BGP, có chung BGP next- hop.4 Giao thức phân bố nhãn (LDP-Label Distribution Protocol) Khái niệm về LDP Giao thức phân phối nhãn được sử dụng để gán nhãn cho các gói tin và phân phối nhãn giữa các thiết bị thuộc cùng miền MPLS, bao gồm nhiều bản tin tra đổi để các thiết bị mạng sử dụng nhãn chuyển tiếp gói tin.3: Vùng hoạt động của LDP. Giao thức phân phối nhãn LDP có các đặc trưng cơ bản sau đây: - LDP sử dụng bản tin Hello để tìm kiếm và thiết lập neighbor giữa các thiết bị kết nối trực tiếp nhau trong miền MPLS. - Ngoài bản tin Hello để thiết lập neighbor sử dụng giao thức UDP thì LDP sử dụng giao thức TCP để đảm bảo độ tin cậy của các bản tin.
- Sơ đồ thiết lập LDP: 4 Hình 1.4: Giao thức LDP với các giao thức khác. [3] Các bản tin LDP Có tổng cộng 11 bản tin LDP: Notification, Hello, Initialization, KeepAlive, Address, Address Withdraw, Lable Mapping, Lable Request, Lable Abort Request, Lable Withdraw, Lable Release: Dạng bản tin Initialization: Bản tin được gửi ban đầu để trao đổi và thiết lập kết nối giữa 2 LSR. Các LSR nhận được sẽ trả lời KeepAlive nếu đáp ứng được các tham số trao đổi, nếu không đáp ứng được thì LSR sẽ trả lời thông báo có lỗi và kết thúc phiên. Dạng bản tin KeepAlive: Bản tin KeeepAlive gửi định kỳ theo thời gian người quản trị cấu hình để các LSR thông báo với neighbor là vẫn đang hoạt động, nếu sau thời gian trên mà các LSR không nhận được bản tin KeepAlive của một LSR nào đó thì các LSR sẽ xác định LSR đó không còn tồn tại và loại bỏ khỏi neighbor.
Dạng bản tin Label Mapping: Bản tin Label Mapping được sử dụng để quảng bá nhãn trong miền MPLS, bản tin được sử dụng khi có cập nhật mới trong mạng, hoặc khi có sự thay đổi định tuyến. Dạng bản tin Label Withdraw: Bản tin này được sử dụng để xóa bỏ nhãn không còn tồn tại do thay đổi định tuyến hoặc lỗi kết nối, thông báo cho các LSR biết liên kết không còn sử dụng được cho tuyến đường của các FEC. Dạng bản tin Label Request: Yêu cầu nút mạng nhận dữ liệu của FEC nào đó với nhãn được xác định. Dạng bản tin Label Release: Được sử dụng khi LSR nhận thấy nút mạng tiếp theo không còn chuyển tiếp được gói tin trong tuyến đường của FEC nữa.5 Đường chuyển mạch nhãn (LSP-Label Switch Path) [3] 5 Đường chuyển mạch nhãn này được thiết lập từ igress LSR đến Egress LSR để chuyển gói trong mạng bằng kỹ thuật chuyển mạch nhãn.
Các LSP được thiết lập từ thông tin định tuyến IGP hay từ sự lựa chọn con đường đến đích tốt nhất của định tuyến IGP.6 Nhãn [3] Một nhãn MPLS có độ dài 32 bit cố định với cấu trúc xác định. Nhãn được chèn thêm vào giữa chuyển mạch lớp 2 và định tuyến lớp 3. Shimheader Layer3 Layer4 Layer2header Label Data header header Hình 1.5: Cấu trúc của nhãn MPLS Các trường thông tin trong nhãn MPLS: Trường nhãn (label field): Bao gồm 20 bit đầu, bit 0 đến 15 sử dụng cho các ứng dụng đặc biệt, bit từ 16 sử dụng cho không gian nhãn. Trường EXP - experimental: Gồm 3 bit từ 20 đến 22.
Trường này được sử dụng trong QoS trên nền MPLS, đánh dấu các giá trị QoS cho các luồng dữ liệu để phân biệt và áp dụng các chính sách đảm bảo chất lượng dịch vụ trong miền MPLS. Trường ngăn xếp (stack field): chỉ có 1 bit thứ 23. Bit này có giá trị là 1 khi đây là nhãn cuối cùng trong ngăn xếp, giá trị là 0 khi đây là các nhãn khác trong ngăn xếp. sử dụng ngăn xếp nhãn để ứng dụng cho các trường hợp cần nhiều hơn một nhãn (như ứng dụng VPN trong MPLS).
Trường TTL (Time to live TTL): Gồm 8 bit từ 24 đến 31, có chức năng như ở trong IP header, giảm đi 1 khi đi qua một nút mạng. Được sử dụng để tránh vòng lặp gói tin trong mạng, khi TTL giảm về 0 mà gói tin chưa tới đích thì gói tin này sẽ bị hủy bỏ để tránh vòng lặp trong mạng. Các loại nhãn đặc biệt [2] Untagged: Gói tin đến nút Edge LSR và thực hiện bóc nhãn để chuyển thành gói tin IP và chuyển đến đích. Nhãn Implicit-null hay POP: Nhãn này được nút Edge LSR gán và quảng bá cho nút LSR kế cận, khi gói tin đến nút LSR kế cận này sẽ bóc nhãn và chuyển 6 gói tin IP đến nút Edge LSR.
Nhãn Explicit-null: Nhãn này được nút Edge LSR gán và quảng bá cho nút LSR kế cận, có gí trị bằng 0, nhằm giữ giá trị EXP trong miền MPLS đến tận nút Edge LSR để xử lý QoS cho gói tin. Nhãn Aggregate: Khi gặp nhẵn này LSR sẽ bóc hết nhãn trong ngăn xếp của gói tin để còn mỗi IP và tìm kiếm trong bảng định tuyến IP để chuyển tiếp gói tin.7 Ngăn xếp nhãn [3] Có những ứng dụng cần nhiều hơn một nhãn để chuyển tiếp gói tin trong mạng MPLS (ví dụ ứng dụng VPN). Trường ngăn xếp trong nhãn hỗ trợ việc này. Nhãn đầu tiên trong ngăn xếp là nhãn đỉnh có giá trị bit là 0, nhãn cuối cùng là nhãn đáy có giá trị bit là 1, các nhãn còn lại trong ngăn xếp có giá trị bit là 0.6: Ngăn xếp nhãn 1.8 Cơ sở dữ liệu nhãn (Label Information Base – LIB) Là bảng chứa thông tin dữ liệu phân phối nhãn trong miền MPLS của các nút mạng.
Bảng LIB là cơ sở để xây dựng nên bảng chuyển tiếp gói tin dựa vào thông tin nhãn.9 Bảng chuyển tiếp mạch nhãn (LFIB – Label Forwarding Information Base) Bảng chứa dữ liệu thông tin nhãn đấu vào, nhãn đầu ra, cổng ra của gói tin trên các LSR, phục vụ cho việc hoán đổi nhãn chuyển tiếp gói tin trong miền MPLS.10 Hoán đổi nhãn (Label Swapping) [2] Khi gói tin đến LSR thì LSR dựa vào nhãn đầu vào để ánh xạ vào bảng LFIB tìm thông tin nhãn đầu ra, cổng ra, sau đó thực hiện hoán đổi nhãn để chuyển gói tin đi. Chuyển tiếp gói chưa có nhãn được thực hiện ở ingress-LER, LER dựa vào bảng FIB xác định hưởng chuyển tiếp gói tin sau đó dựa vào bảng LFIB để gán nhãn cho gói tin và chuyển đến nút LSR kế cận.11 Mặt phẳng chuyển tiếp và mặt phẳng điều khiển 7 Một nút LSR trong miền MPLS có hai mặt phẳng: mặt phẳng chuyển tiếp và mặt phẳng điều khiển: Hình 1.7: Kiến trúc một nút MPLS Mặt phẳng chuyển tiếp (Forwarding plane) [5] Mặt phẳng chuyển tiếp sử dụng bảng LFIB để hoán đổi nhãn và chuyển tiếp gói tin tới đầu ra.