Đồ án: Tìm hiểu giao thức phát hiện và sửa lỗi MPLS

Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu giao thức phát hiện, sửa lỗi trong mạng MPLS. Tìm hiểu cơ chế hoạt động, ưu điểm và ứng dụng thực tế của giao thức.

• Tác giả: Nguyễn Vũ Tài
• Người hướng dẫn: Nguyễn Thị Huyền Trang
• Trường học: Trường Cao đẳng Công nghệ thông tin Hữu nghị Việt - Hàn
• Chuyên ngành: Tin học viễn thông
• Đề tài: Tìm hiểu các giao thức phát hiện và sửa lỗi trong mạng chuyển mạch nhãn đa giao thức
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Đà Nẵng

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG I: CÔNG NGHỆ MPLS VÀ CÁC ĐẶC TÍNH
• 1.1. SỰ HÌNH THÀNH CÔNG NGHỆ MPLS
• 1.2. TỔNG QUAN CÁC ĐẶC TÍNH CỦA MẠNG MPLS
• 1.2.1. Tính thông minh phân tán
• 1.2.2. MPLS và mô hình tham chiếu OSI
• 1.3. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG MPLS
• 1.4. MÃ HÓA NHÃN VÀ CHẾ ĐỘ ĐÓNG GÓI NHÃN
• 1.5. CHỨC NĂNG MPLS
• 1.6. CHUYỂN TIẾP MPLS
• 1.7. ƯU ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG CỦA MPLS
• 2. CHƯƠNG II: GIAO THỨC PHÁT HIỆN VÀ SỮA LỖI TRONG CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC
• 2.1. CÁC YÊU CẦU CỦA OAM - MPLS
• 2.2. GIAO THỨC PHÁT HIỆN VÀ SỮA LỖI
• 2.3. IP Service Level Agreement
• 2.4. Net flow Accounting
• 2.5. Chuyển mạch bảo vệ (protection switching)
• 2.6. Định tuyến lại nhanh (Fast rerouting)
• 2.7. MPLS và kĩ thuật lưu lượng
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Khám phá MPLS Giao thức nền tảng cho mạng WAN hiện đại

MPLS, viết tắt của Multiprotocol Label Switching (Chuyển mạch nhãn đa giao thức), là một công nghệ cốt lõi trong việc xây dựng các mạng hiệu suất cao. Công nghệ này ra đời để giải quyết những hạn chế cố hữu của định tuyến IP truyền thống, đặc biệt là về tốc độ xử lý và khả năng quản lý lưu lượng. Thay vì thực hiện tra cứu phức tạp trong bảng định tuyến tại mỗi router, MPLS gán các nhãn (label) ngắn, có độ dài cố định cho các gói tin ngay tại lối vào mạng. Các router bên trong mạng lõi chỉ cần đọc nhãn này để đưa ra quyết định chuyển tiếp, giúp tăng tốc độ xử lý một cách đáng kể. Công nghệ này hoạt động ở một lớp trung gian, thường được gọi là lớp 2.5, nằm giữa Lớp 2 (Data Link) và Lớp 3 (Network) trong mô hình OSI. Sự kết hợp này cho phép MPLS tận dụng tốc độ của chuyển mạch Lớp 2 và sự thông minh, linh hoạt của định tuyến Lớp 3. Mục tiêu chính của MPLS là tạo ra một cấu trúc mạng mềm dẻo, cung cấp nền tảng vững chắc cho các dịch vụ đòi hỏi chất lượng dịch vụ (QoS) cao, kỹ thuật lưu lượng (Traffic Engineering) tiên tiến và bảo mật mạng doanh nghiệp thông qua các ứng dụng như MPLS VPN. Nền tảng này không chỉ cải thiện hiệu suất mà còn nâng cao khả năng chịu lỗi, giúp mạng lưới hoạt động ổn định và tin cậy hơn.

1.1. Định nghĩa Multiprotocol Label Switching MPLS là gì

MPLS là một phương thức cải tiến cho việc chuyển tiếp gói tin, hoạt động độc lập với giao thức lớp 2 và lớp 3. Về bản chất, MPLS tạo ra các đường đi chuyển mạch nhãn (LSP), tương tự như các mạch ảo (Virtual Circuit) trong công nghệ ATM. Khi một gói tin IP đi vào miền MPLS tại bộ định tuyến biên nhãn (LER), nó sẽ được phân loại vào một Lớp chuyển tiếp tương đương (FEC - Forwarding Equivalence Class). FEC là một nhóm các gói tin có cùng đặc điểm và được xử lý theo cùng một cách. Sau khi được phân loại, gói tin sẽ được gán một nhãn và đẩy vào LSP tương ứng. Các bộ định tuyến chuyển mạch nhãn (LSR) bên trong mạng lõi chỉ cần hoán đổi nhãn (label swapping) để chuyển tiếp gói tin đến chặng tiếp theo, mà không cần phân tích header IP.

1.2. Tại sao MPLS ra đời để thay thế định tuyến IP truyền thống

Định tuyến IP truyền thống dựa trên thuật toán so khớp tiền tố dài nhất (longest prefix match) tại mỗi hop. Quá trình này tiêu tốn tài nguyên xử lý và có thể gây ra độ trễ thấp không mong muốn, đặc biệt trong các mạng lõi quy mô lớn. Hơn nữa, định tuyến IP truyền thống không cung cấp cơ chế hiệu quả để điều khiển luồng lưu lượng một cách chủ động. Lưu lượng thường chỉ đi theo con đường ngắn nhất, có thể dẫn đến tình trạng tắc nghẽn trên một số liên kết trong khi các liên kết khác lại chưa được sử dụng hết. MPLS ra đời để khắc phục những nhược điểm này. Bằng cách tách biệt mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng chuyển tiếp, MPLS đơn giản hóa chức năng chuyển tiếp tại các router lõi, đồng thời cung cấp khả năng kỹ thuật lưu lượng (MPLS-TE) mạnh mẽ, cho phép nhà quản trị mạng định tuyến lưu lượng theo các đường đi được xác định trước để tối ưu hóa tài nguyên và đảm bảo SLA.

1.3. Các thành phần chính LER LSR và đường chuyển mạch nhãn LSP

Kiến trúc MPLS bao gồm ba thành phần chính. Đầu tiên là Bộ định tuyến biên nhãn (LER - Label Edge Router), nằm ở rìa của mạng MPLS, có nhiệm vụ gán nhãn cho gói tin đi vào (Ingress LER) và gỡ nhãn cho gói tin đi ra (Egress LER). Thứ hai là Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn (LSR - Label Switch Router), là các router trong mạng lõi, thực hiện chức năng chuyển tiếp gói tin dựa trên việc hoán đổi nhãn. Cuối cùng là Đường đi chuyển mạch nhãn (LSP - Label Switched Path), là đường dẫn một chiều được thiết lập sẵn cho một FEC cụ thể đi qua mạng MPLS. Các thành phần này phối hợp với nhau thông qua giao thức phân phối nhãn (LDP) để trao đổi thông tin nhãn và xây dựng nên cơ sở hạ tầng chuyển mạch hiệu quả.

II. Thách thức lớn của mạng WAN vai trò MPLS trong khắc phục

Các mạng diện rộng (WAN) truyền thống đối mặt với nhiều thách thức lớn khi nhu cầu về lưu lượng, độ tin cậy và các dịch vụ thời gian thực ngày càng tăng. Một trong những vấn đề cốt lõi là sự khó khăn trong việc đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) một cách nhất quán. Định tuyến IP tiêu chuẩn không có cơ chế hiệu quả để ưu tiên các loại lưu lượng quan trọng như VoIP hay hội nghị truyền hình, dẫn đến hiện tượng giật, lag và trải nghiệm người dùng kém. Thêm vào đó, việc tối ưu hóa hiệu suất toàn mạng là một bài toán nan giải. Lưu lượng có xu hướng tập trung vào các đường đi ngắn nhất, gây quá tải cục bộ trong khi các tài nguyên khác bị lãng phí. Vấn đề bảo mật mạng doanh nghiệp cũng là một mối lo ngại khi kết nối các chi nhánh qua Internet công cộng. Công nghệ MPLS được thiết kế để giải quyết trực tiếp những thách thức này. Nó cung cấp một nền tảng mạng WAN riêng biệt, có khả năng kiểm soát lưu lượng chặt chẽ, đảm bảo hiệu suất và tăng cường bảo mật, mang lại một giải pháp toàn diện và đáng tin cậy hơn so với việc chỉ dựa vào Internet công cộng hay các kênh thuê riêng đắt đỏ.

2.1. Vấn đề về khả năng chịu lỗi và thời gian hội tụ mạng

Trong các giao thức định tuyến IP truyền thống như OSPF hay BGP, khi một liên kết hoặc một nút mạng gặp sự cố, quá trình hội tụ lại của toàn mạng có thể mất từ vài giây đến vài phút. Khoảng thời gian chết này là không thể chấp nhận được đối với các ứng dụng kinh doanh quan trọng. MPLS giải quyết vấn đề này bằng cơ chế Fast Reroute (FRR). FRR cho phép tính toán và thiết lập sẵn một đường đi dự phòng (backup LSP). Khi liên kết chính gặp sự cố, lưu lượng sẽ được chuyển sang đường dự phòng chỉ trong vòng 50 mili giây. Khả năng phục hồi gần như tức thời này giúp nâng cao đáng kể khả năng chịu lỗi của mạng, đảm bảo tính liên tục cho các dịch vụ quan trọng.

2.2. Khó khăn khi triển khai chất lượng dịch vụ QoS đồng nhất

Việc triển khai QoS trên mạng IP thuần túy thường phức tạp và không nhất quán. Mỗi router trên đường đi phải tự phân loại và xử lý các gói tin, gây ra sự thiếu đồng bộ. Ngược lại, MPLS tích hợp QoS một cách tự nhiên. Việc phân loại lưu lượng chỉ cần thực hiện một lần tại LER lối vào. Các thông số QoS sau đó được mã hóa vào trường EXP (Experimental) dài 3 bit trong header của nhãn MPLS. Các LSR trong mạng lõi chỉ cần dựa vào giá trị của trường EXP này để áp dụng chính sách QoS tương ứng (ví dụ: ưu tiên hàng đợi, cấp phát băng thông) mà không cần kiểm tra sâu vào gói tin. Điều này giúp việc thực thi QoS trở nên đơn giản, nhanh chóng và đồng nhất trên toàn bộ mạng WAN.

2.3. Hạn chế của kỹ thuật lưu lượng trong định tuyến IP thông thường

Như đã đề cập, định tuyến IP truyền thống bị giới hạn trong việc điều khiển đường đi của lưu lượng. Các nhà cung cấp dịch vụ không thể dễ dàng chuyển hướng lưu lượng để tránh các điểm tắc nghẽn hoặc để cân bằng tải trên toàn mạng. Kỹ thuật lưu lượng MPLS (MPLS-TE) cung cấp một giải pháp mạnh mẽ. Nó cho phép các nhà quản trị định nghĩa các đường đi tường minh (Explicit Routes) cho các LSP, dựa trên các ràng buộc về tài nguyên như băng thông, độ trễ. Nhờ đó, lưu lượng có thể được phân bổ một cách thông minh qua hạ tầng mạng, tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên, ngăn ngừa tắc nghẽn và đảm bảo hiệu suất cam kết cho các dịch vụ quan trọng, điều mà định tuyến IP thông thường không thể làm được.

III. Phương pháp MPLS OAM phát hiện lỗi mạng trong tích tắc

Để đảm bảo một mạng lưới luôn ổn định, việc phát hiện sớm các sự cố là yếu tố sống còn. MPLS giới thiệu một bộ công cụ mạnh mẽ gọi là MPLS OAM (Operation, Administration, and Maintenance) để giám sát và chẩn đoán lỗi trên cả mặt phẳng dữ liệu và mặt phẳng điều khiển. Khác với các công cụ giám sát IP truyền thống chỉ kiểm tra kết nối lớp 3, MPLS OAM tập trung vào việc xác minh tính toàn vẹn của các đường đi chuyển mạch nhãn (LSP). Các công cụ này cho phép phát hiện nhanh chóng các vấn đề như LSP bị đứt, gói tin bị gửi sai đường, hoặc các cấu hình lỗi trên bộ định tuyến chuyển mạch nhãn (LSR). Theo tài liệu nghiên cứu, mục tiêu của OAM MPLS là "phát hiện, báo cáo, và vá lại vấn đề trước khi một người dùng gọi nó lên". Điều này thể hiện vai trò chủ động của MPLS trong việc duy trì khả năng chịu lỗi và sự ổn định của mạng. Bằng cách gửi các gói tin thăm dò đặc biệt đi trên cùng một đường với dữ liệu người dùng, MPLS OAM đảm bảo rằng các lỗi trên mặt phẳng dữ liệu sẽ được phát hiện một cách chính xác và nhanh chóng, giúp giảm thiểu thời gian gián đoạn dịch vụ.

3.1. Cơ chế Connectivity Verification CV thẩm tra liên kết LSP

Chức năng Xác minh tính kết nối (Connectivity Verification - CV) là một cơ chế giám sát liên tục. Ingress LER của một LSP sẽ đều đặn gửi các gói tin CV OAM đến Egress LER với tần suất định trước (ví dụ: mỗi giây một gói). Các gói tin này là trong suốt đối với các transit LSR. Egress LER sẽ kiểm tra các gói CV nhận được. Nếu nó không nhận được gói CV trong một khoảng thời gian nhất định (ví dụ 3 giây), nó sẽ coi như LSP đã gặp sự cố mất kết nối (dLOCV). Cơ chế này giúp phát hiện nhanh chóng các lỗi đứt gãy trên đường truyền hoặc các lỗi cấu hình làm gián đoạn luồng dữ liệu của một LSP cụ thể.

3.2. Sử dụng LSP Ping để xác minh mặt phẳng dữ liệu

Ping IP truyền thống không đủ hiệu quả để chẩn đoán lỗi trong mạng MPLS. Một LSP có thể bị đứt (ví dụ do phiên LDP bị down), nhưng Ping IP giữa hai đầu cuối vẫn thành công vì các gói tin sẽ được chuyển sang định tuyến IP thông thường. Để giải quyết vấn đề này, Ping LSP MPLS đã được phát minh. Công cụ này gửi các gói yêu cầu echo MPLS đặc biệt, được ép buộc đi theo một FEC cụ thể. Gói tin này kiểm tra xem mỗi LSR trên đường đi có thông tin chuyển tiếp nhãn chính xác cho FEC đó hay không. Nó xác minh sự nhất quán giữa mặt phẳng điều khiển (thông tin định tuyến) và mặt phẳng dữ liệu (bảng chuyển tiếp nhãn LFIB). Nếu có bất kỳ sự không nhất quán nào, Ping LSP MPLS sẽ báo lỗi, cung cấp thông tin chẩn đoán chính xác.

3.3. Dấu vết tuyến LSP MPLS Traceroute để định vị lỗi

Tương tự như traceroute trong IP, Dấu vết tuyến LSP MPLS được sử dụng để kiểm tra toàn bộ đường đi của một LSP và xác minh hoạt động của từng LSR trên đường đi đó. Công cụ này hoạt động bằng cách gửi một chuỗi các gói yêu cầu echo MPLS với giá trị TTL của nhãn tăng dần. Mỗi LSR nhận được gói tin có TTL bằng 1 sẽ gửi một gói tin trả lời, chứa thông tin về chính nó và thông tin ánh xạ downstream (nhãn mà nó sẽ gán cho hop tiếp theo). Quá trình này cho phép quản trị viên không chỉ nhìn thấy toàn bộ đường đi của LSP mà còn kiểm tra được sự chính xác của việc hoán đổi nhãn tại mỗi hop, giúp định vị chính xác vị trí xảy ra lỗi trên đường đi chuyển mạch nhãn (LSP).

IV. Bí quyết MPLS sửa lỗi mạng và đảm bảo khả năng chịu lỗi

Khả năng "sửa lỗi" trong MPLS không có nghĩa là sửa các bit dữ liệu bị hỏng, mà là khả năng phục hồi mạng một cách nhanh chóng khi có sự cố xảy ra. Đây là một trong những ưu điểm vượt trội nhất của giao thức này. Thay vì chờ đợi các giao thức định tuyến hội tụ lại một cách thụ động, MPLS cung cấp các cơ chế chủ động để đảm bảo tính liên tục của dịch vụ. Cốt lõi của khả năng này là cơ chế Fast Reroute (FRR), được thiết kế để định tuyến lại lưu lượng trong thời gian dưới 50 mili giây, một ngưỡng tiêu chuẩn cho các dịch vụ thoại và video thời gian thực. Bằng cách thiết lập sẵn các đường đi dự phòng và cơ chế chuyển mạch bảo vệ, MPLS xây dựng một hạ tầng mạng WAN có khả năng chịu lỗi cực kỳ cao. Các cơ chế này không chỉ phản ứng với lỗi mà còn có thể được sử dụng kết hợp với MPLS-TE (Traffic Engineering) để chủ động điều hướng lưu lượng, tránh các điểm nóng tiềm tàng và tối ưu hóa hiệu suất tổng thể của mạng. Nhờ vậy, MPLS trở thành lựa chọn hàng đầu cho các doanh nghiệp yêu cầu độ tin cậy và tính sẵn sàng cao cho các ứng dụng quan trọng.

4.1. Định tuyến lại nhanh Fast Reroute FRR dưới 50ms

Cơ chế Fast Reroute (FRR) là một kỹ thuật phục hồi cục bộ. Mỗi LSR trên một LSP chính (protected LSP) có thể tính toán trước một đường đi thay thế (backup LSP) để đi vòng qua liên kết hoặc nút mạng tiếp theo. Đường đi dự phòng này được cài đặt sẵn trong bảng chuyển tiếp. Khi LSR phát hiện sự cố ở chặng tiếp theo, thay vì thông báo cho Ingress LER và chờ một LSP mới được thiết lập, nó sẽ ngay lập tức chuyển toàn bộ lưu lượng sang đường đi dự phòng đã được chuẩn bị. Toàn bộ quá trình chuyển đổi này diễn ra cục bộ và cực kỳ nhanh chóng, thường dưới 50 mili giây, giúp người dùng cuối gần như không cảm nhận được sự gián đoạn.

4.2. Cơ chế chuyển mạch bảo vệ Protection Switching toàn diện

Ngoài FRR, chuyển mạch bảo vệ (protection switching) là một cơ chế bảo vệ đầu cuối (end-to-end). Trong mô hình này, một LSP dự phòng hoàn chỉnh sẽ được thiết lập song song với LSP chính từ Ingress LER đến Egress LER. Khi có sự cố xảy ra ở bất kỳ đâu trên LSP chính, Ingress LER sẽ được thông báo và nhanh chóng chuyển toàn bộ lưu lượng của FEC đó sang LSP dự phòng. Mặc dù thời gian phục hồi có thể lâu hơn FRR một chút, cơ chế này cung cấp khả năng bảo vệ toàn diện hơn cho toàn bộ đường đi, đảm bảo lưu lượng luôn có một con đường thay thế tin cậy để đến đích.

4.3. FDI và BDI Giao thức báo hiệu lỗi ngược và xuôi

Để các cơ chế phục hồi hoạt động hiệu quả, việc thông báo lỗi một cách nhanh chóng là rất quan trọng. MPLS sử dụng hai giao thức báo hiệu chính. Dấu hiệu lỗi chuyển tiếp gói tin (Forward Defect Indication – FDI) được Egress LSR gửi đi theo hướng xuôi (về phía các lớp client cao hơn) khi nó phát hiện lỗi, nhằm ngăn chặn các báo động leo thang không cần thiết. Ngược lại, Chỉ thị lỗi ngược (Backward Defect Indication – BDI) được gửi ngược về Ingress LSR để thông báo về một sự cố ở phía downstream. Tín hiệu BDI này là yếu tố kích hoạt cho các cơ chế phục hồi như chuyển mạch bảo vệ, cho phép Ingress LSR hành động kịp thời để duy trì kết nối.

V. Top ứng dụng thực tiễn của giao thức MPLS cho doanh nghiệp

Nhờ vào các đặc tính vượt trội về hiệu suất, bảo mật và độ tin cậy, MPLS đã trở thành công nghệ nền tảng cho nhiều dịch vụ mạng quan trọng của doanh nghiệp. Ứng dụng phổ biến và thành công nhất của nó là MPLS VPN, cho phép các nhà cung cấp dịch vụ tạo ra các mạng riêng ảo an toàn và tách biệt cho từng khách hàng trên cùng một hạ tầng vật lý chung. Điều này giúp doanh nghiệp kết nối các chi nhánh một cách an toàn và hiệu quả, tương tự như sử dụng kênh thuê riêng nhưng với chi phí tối ưu hơn nhiều. Hơn nữa, khả năng đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) của MPLS làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng để truyền tải các ứng dụng nhạy cảm với độ trễ thấp như thoại (VoIP) và video. Giao thức này cũng đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng các mạng lõi của nhà cung cấp dịch vụ, nơi kỹ thuật lưu lượng giúp tối ưu hóa hàng terabit dữ liệu mỗi giây. Ngay cả trong thời đại của SD-WAN, MPLS vẫn là một thành phần không thể thiếu, đóng vai trò là lớp underlay tin cậy cho các kết nối quan trọng nhất.

5.1. Xây dựng mạng riêng ảo MPLS VPN Layer 2 và Layer 3

MPLS VPN cho phép tạo ra các mạng riêng ảo hoàn toàn tách biệt. MPLS Layer 3 VPN là loại phổ biến nhất, trong đó nhà cung cấp dịch vụ tham gia vào việc định tuyến của khách hàng, tạo ra một mạng WAN riêng tư và an toàn. Mỗi khách hàng có một bảng định tuyến riêng (VRF), đảm bảo lưu lượng không bị rò rỉ sang các VPN khác. Trong khi đó, MPLS Layer 2 VPN (VPLS) mở rộng mạng Lớp 2 của khách hàng giữa các địa điểm khác nhau, làm cho nhiều chi nhánh trông giống như đang kết nối vào cùng một switch Ethernet. Cả hai giải pháp đều cung cấp mức độ bảo mật mạng doanh nghiệp cao vì lưu lượng của khách hàng được cách ly hoàn toàn trên mạng của nhà cung cấp.

5.2. Đảm bảo độ trễ thấp cho VoIP và Video Conference

Các ứng dụng thời gian thực như VoIP và hội nghị video đòi hỏi mạng phải có độ trễ thấp và Jitter (biến động trễ) tối thiểu. Nhờ cơ chế QoS tích hợp, MPLS có thể ưu tiên các gói tin thoại và video này hơn các loại lưu lượng khác. Bằng cách phân loại và gán chúng vào các hàng đợi ưu tiên cao tại mỗi bộ định tuyến chuyển mạch nhãn (LSR), MPLS đảm bảo rằng chúng sẽ được chuyển tiếp nhanh chóng và nhất quán, mang lại chất lượng cuộc gọi và hình ảnh rõ ràng, không bị gián đoạn, đáp ứng các Thỏa thuận mức dịch vụ (SLA) khắt khe nhất.

5.3. So sánh MPLS và SD WAN Lựa chọn nào là tối ưu

SD-WAN (Software-Defined WAN) là một công nghệ mới hơn, mang lại sự linh hoạt trong việc sử dụng nhiều loại kết nối mạng (bao gồm MPLS, Internet băng rộng, 4G/5G). Trong khi MPLS vượt trội về độ tin cậy, hiệu suất được đảm bảo và bảo mật, thì SD-WAN lại mạnh về khả năng quản lý tập trung, tối ưu hóa chi phí và triển khai nhanh chóng. Lựa chọn tối ưu thường không phải là 'MPLS hay SD-WAN' mà là 'MPLS và SD-WAN'. Nhiều doanh nghiệp hiện nay triển khai mô hình hybrid, sử dụng đường truyền MPLS cho các lưu lượng kinh doanh cốt lõi, yêu cầu độ tin cậy tuyệt đối, và sử dụng các kết nối Internet thông qua SD-WAN cho các lưu lượng ít quan trọng hơn, nhằm cân bằng giữa hiệu suất và chi phí.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: CÔNG NGHỆ MPLS VÀ CÁC ĐẶC TÍNH Mô hình TCP/IP là nền tảng của mạng truyền thông Internet ngày nay,. Với TCP/IP cho phép hoạt động thông tin diễn ra trong bất kì một mạng nào trong liên mạng phù hợp tốt như trong hoạt động truyền tin cả ở WAN và LAN. Mô hình TCP/IP hướng đến tối đa độ linh hoạt tại lớp ứng dụng cho người phát triển phần mềm, với mô hình này sẽ không cần quan tâm đến ứng dụngnào yêu cầu dịch vụ mạng và không quan tâm đến giao thức vận chuyển nào đang được dùng, chỉ có một giao thức mạng là IP. TCP/IP sử dụng kĩ thuật chuyển tiếp gói IP cho phép phục vụ như một giao thức đa năng cho phép bất kì máy tính nào ở bất cứ đâu truyền dữ liệu vào bất cứ thời điểm nào.1 SỰ HÌNH THÀNH CÔNG NGHỆ MPLS Định tuyến IP truyền thống có nhiều giới hạn, từ vấn đề khả năng mở rông cho đến việc quản lý lưu lượng và tích hợp mạng lớp 2 đã tồn tại trong mạng của các nhà cung cấp dịnh vụ lớn.

đã họat động từ lâu. Nhưng với sự phát triển nahnh chóng của mạng internet và hầu hết trong các môi trường đều chọn IP là giao thức lớp 3 thì những nhược điểm của IP truyền thống ngày càng bộc lộ rõ, trong khi đó công nghệ ATM có tốc độ truyền tin cao, đảm bảo thời jan thực và chất lượng dịch vụ theo yêu cầu định trước. Hơn nữa các dịch vụ thông tin thế hệ sau được chia thành hai xu hướng phát triển chính là: hoạt động kết nối định hướng và hoạt động không kết nối. Hai xu hướng phát triển này dần tiệm cận và hội tụ nhau tiến tới ra đời công nghệ IP over ATM.

Sự kết hợp IP với ATM có thể là giải pháp kì vọng cho mạng viễn thông trong tương lai. Tuy nhiên, IP và ATM là hai công nghệ hoàn toàn khác nhau, được thiết kế cho những môi trường mạng khác nhau về giao thức, cách đánh địa chỉ, định tuyến , báo hiệu, phân bổ tài nguyên…khi các ISP càng mở rộng mạng theo hướng IP/MLPS/ATM (IP over ATM), họ càng nhận rõ nhược điểm của mô hình này, đó là sự phức tạp của mạng lưới do phải duy trì hoạt động của hai hệ thống thiết bị. Sự bùng nổ của mạng Internet dẫn tới xu hướng hội tụ của mạng viễn thông khác như mạng thoại, truyền hình dựa trên Internet, giao thức IP trở thành giao thức chủ đạo trong lĩnh vực mạng. Xu hướng của các ISP là thiết kế và sử dụng các router chuyên dụng, dung lượng SVTH: Nguyễn Vũ Tài – Lớp: CCVT03B 2 Tìm hiểu các giao thức phát hiện và sửa lỗi trong mạng chuyển mạch nhãn đa giao thức chuyên tải lớn, hỗ trợ các giải pháp tích hợp, chuyển mạch đa lớp cho mạng đường trục Internet.

Nhu cầu cấp thiết trong bối cảnh này là phải ra đời một công nghệ lai có khả năng kết hợp các những đặc điểm tốt của chuyển mạch kênh ATM và chuyển mạch gói IP. Công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS ra đời đã đáp ứng được những nhu cầu của thị trường đúng theo tiêu chí páht triển của Internet đã mang lại những lợi ích thiết thực, đánh giấu một bước phát triển mới của mạng Internet trước xu thế tích hợp công nghệ thông tin và viễn thông. MPLS liên kết các ưu điểm của định tuyến lớp 3 connectionless và chuyển mạch lớp 2 connection-oriented. MPLS là một phương thức được cải tiến cho việc chuyển tiếp các gói tin trong bằng cách sử dụng các nhãn được gán thêm vào trong các gói tin IP.

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 mạng. Điều này bao gồm kĩ thuật điều khiển lưu lượng và khả năng hoạt động của VPN và có liên quan đến chất lượng dịch vụ (QoS) và nhiều lớp dịch vụ (CoS).2 TỔNG QUAN CÁC ĐẶC TÍNH CỦA MẠNG MPLS 1.1 Tính thông minh phân tán Trong mạng chuyển mạch kênh, tính thông minh chủ yếu tập trung ở mạng lõi. Tất cả những thiết bị thông minh nhất đều đặt trong mạng lõi như các tổng đài toll, transit, MSC…Các thiết bị kém thông minh hơn thì đặt ở mạng biên, ví dụ như các tổng đài nội hạt, truy nhập… Trong mạng gói IP, tính thông minh phân tán gần như chia đều cho các thiết bị trong mạng. Tất cả các router đều phải làm hai nhiệm vụ đó là định tuyến và chuyển mạch.

Đấy là ưu điểm nhưng cũng là nhược điểm của mạng IP. Quan điểm của MPLS là tính thông minh càng đưa ra mạng biên thì mạng càng hoạt động tốt. Lý do là những thành phần ở mạng lõi phải chịu tải rất cao. Thành phần mạng lõi nên có độ thông minh thấp và năng lực chuyển tải cao.

MPLS phân tách hai chức năng định tuyến và chuyển mạch: các router ở biên thực hiện định tuyến và gắn nhãn cho gói. Còn các router ở mạng lõi chỉ tập trung làm nhiệm vụ chuyển tiếp gói tin với tốc độ cao dựa vào các nhãn. Tính thông minh được đẩy ra ngòai biên là một trong những ưu điểm lớn nhất của MPLS. SVTH: Nguyễn Vũ Tài – Lớp: CCVT03B 3 Tìm hiểu các giao thức phát hiện và sửa lỗi trong mạng chuyển mạch nhãn đa giao thức 1.2 MPLS và mô hình tham chiếu OSI Hình 1.1: Mô hình tham chiếu của MPLS trong OSI.

MPLS được xem như là một công nghệ lớp đệm, nó nằm trên lớp 2 nhưng dưới lớp 3, vì vậy đôi khi người ta còn gọi là lớp 2,5. Nguyên lý của MPLS là tất cả các gói IP sẽ được gán nhãn và chuyển tiếp theo một đường chuyển mạch nhãn LSP (Label Swiched Path). Các router trên đường dẫn chỉ căn cứ vào nội dun của nhãn để thực hiện quyết định chuyển tiếp gói mà không cần phải kiểm tra Header IP 1.3 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG MPLS 1.1 Miền MPLS (MPLS domain) Chuẩn RFC3031 mô tả miền MPLS là “một tập hợp các nút mạng thực hiện hoạt động định tuyến và chuyển tiếp MPLS”. Một miền MPLS thường được quản lý và điều khiển bởi một nhà quản trị.

Miền MPLS được chia thành 2 phần: phần mạng lõi và phần mạng biên. Các nút thuộc miền MPLS được gọi là router chuyển mạch nhãn LSR (Label Switch Router). Các nút ở phần mạng lõi được gọi là transit- LSR hay core-LSR, thường được gọi tắt là LSR. Các nút ở biên được gọi là router biên nhãn LER (Label Edge Router).

Nếu một LER là nút đầu tiên trên đường đi của một gói xuyên qua miền MPLS thì nó được gọi là LER lối vào, còn nếu là nút cuối cùng thì nó được gọi là LER lối ra.2 Lớp chuyển tiếp tương đương (FEC) Lớp chuyển tiếp tương đương FEC (Forwarding Equivalence Class) là một tập hợp các gói được đối xử như nhau bởi một LSR, như vậy FEC là một nhóm các gói IP được chuyển tiếp trên cùng một đường chủyển mạch nhẵn LSR cho dù chúng có thể khác nhau về thông tin header lớp mạng. Hình dưới cho thấy cách xử lý này: SVTH: Nguyễn Vũ Tài – Lớp: CCVT03B 4 Tìm hiểu các giao thức phát hiện và sửa lỗi trong mạng chuyển mạch nhãn đa giao thức Hình 1. Lớp chuyển tiếp tương đương 1.3 Nhãn và stack nhãn RFC 3031 định nghĩa nhãn là “một bộ phận nhận dạng có độ dài ngắn và cố định mang ý nghĩa cục bộ dùng để nhận biết một FEC”. Nhãn được dán lên một gói để báo cho LSR biết gói này cần đi đến đâu.

Phần nội dung nhãn có độ dài 20bit không cấu trúc, như vậy số giá trị nhãn có thể có là 2. Giá trị nhãn định nghĩa chỉ số để dùng trong bảng chuyển tiếp. Một gói lại có thể được “dán chồng” nhìều nhãn, các nhãn này chứa trong một nơi gọi là stack nhãn. Stack nhãn là một tập hợp gồm một hoặc nhiều lối vào nhãn tổ chức theo nguyên tác LIFO.

Tại mỗi hop trong mạng chỉ xử lý nhãn hiện hành trên đỉnh stack. Chính nhãn này sẽ được LSR sử dụng để chuyển tiếp gói tin.2: Stack nhãn Nếu gói tin chưa có nhãn thì stack nhãn là rỗng (độ sâu của stack nhãn bằng 0). Nếu stack có chiều sâu là d thì mức 1 sẽ ở đáy stack (bit S trong entry nhãn đặt lên là 1) và mức d sẽ ở đỉnh của stack. Một entry nhãn có thể được cất vào (push) hoặc lấy ra (pop) khỏi stack.

SVTH: Nguyễn Vũ Tài – Lớp: CCVT03B 5 Tìm hiểu các giao thức phát hiện và sửa lỗi trong mạng chuyển mạch nhãn đa giao thức 1.4 Hoán đổi nhãn (Label Swapping) Hoán đổi nhãn là cách dùng các thủ tục để chuyển tiếp gói tin. Để chuyển tiếp gói có nhãn, LSR kiểm tra nhãn trên đỉnh stack và dùng ánh xạ ILM (Incoming Label Map) để ánh xạ nhãn này tới một entry chuyển tiếp nhãn NHLFE (Next Hop Label Forwarding Entry). Sử dụng thông tin trong NHLFE, LSR xác định ra nơi để chuyển tiếp gói tin và thực hiện một tác vụ trên stack nhãn. Rồi nó mã hóa stack nhãn mới vào gói và chuyển gói đi.

Chuyển tiếp gói chưa có nhãn cũng tương tự nhưng xảy ra ở ingress-LER. LER phải phân tích header lớp mạng để sác định FEC rồi sử dụng ánh xạ FTN (FEC to NHLFE) để ánh xạ FEC vào một NHLFE.5 Đường chuyển mạch nhãn LSP (Label Switched Path) Đường chuyển mạch nhãn LSP là một đường nối giữa router ngõ vào và router ngõ ra, được thiết lập bởi các nút MPLS để chuyển các gói đi xuyên qua mạng. Đường dẫn của một LSP qua mạng được định nghĩa bởi sự chuyển đổi các giá trị nhãn ở các LSR dọc theo LSP bằng cách dùng thủ tục hoán đổi nhãn. Khái niệm LSP tương tự như khái niệm mạch ảo (VC) trong ATM.3: Đường chuyển mạch nhãn LSP 1.4 MÃ HÓA NHÃN VÀ CHẾ ĐỘ ĐÓNG GÓI NHÃN 1.1 Mã hóa stack nhãn Khi nhãn được gắn lên gói, bản thân giá trị nhãn là 20 bit sẽ được mã hóa cùng với một thông tin cộng thêm để phụ trợ trong quá trình chuyển tiếp gói để hình thành một entry nhãn.

Hình minh họa một dịnh dạng một entry nhãn trong stack nhãn. SVTH: Nguyễn Vũ Tài – Lớp: CCVT03B 6 Tìm hiểu các giao thức phát hiện và sửa lỗi trong mạng chuyển mạch nhãn đa giao thức Hình 1.4: Định dạng một entry trong stack nhãn Một chồng nhãn 32 bit bao gồm các trường sau: Nhãn: là nhãn thực sự, có chiều dài là 20 bit. Do đó ta có thể tạo ra được 220 giá trị nhãn khác nhau. Exp: trường Experimental có 3 bit, được dùng để định nghĩa lớp dịch vụ.

S: bit S là bit bottom-of-stack (dưới cùng của chồng nhãn).