BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

PHAN HỮU CAN

NÂNG CAO HIỆU QUẢ HOẠT ĐỘNG
MẠNG ĐÔ THỊ THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG
BẰNG KỸ THUẬT LƯU LƯỢNG TRONG MPLS

LUẬN VĂN THẠC SĨ HỆ THỐNG THÔNG TIN

Đà Nẵng – Năm 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

PHAN HỮU CAN

NÂNG CAO HIỆU QUẢ HOẠT ĐỘNG
MẠNG ĐÔ THỊ THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG
BẰNG KỸ THUẬT LƯU LƯỢNG TRONG MPLS

Chuyên ngành: Hệ thống thông tin
Mã số: 60.48.01.04

LUẬN VĂN THẠC SĨ HỆ THỐNG THƠNG TIN
Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Hồng Hải

Đà Nẵng – Năm 2016


LỜI CAM ĐOAN

Những nội dung trong luận văn này là do tôi thực hiện dưới sự hướng
dẫn trực tiếp của thầy TS. Nguyễn Hồng Hải.
Mọi sao chép khơng hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá, tôi
xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Các số liệu nêu trong luận văn là trung thực và kết quả của luận văn
chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Tác giả luận văn

Phan Hữu Can


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ...........................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài.......................................................................1
2. Mục tiêu và nhiệm vụ đề tài ................................................................2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................3
4. Phương pháp nghiên cứu .....................................................................4
5. Mục đích và ý nghĩa của đề tài............................................................4
6. Cấu trúc của luận văn ..........................................................................5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO
THỨC ................................................................................................................7
1.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG .............................................................................7
1.2. GIỚI THIỆU VỀ MPLS..............................................................................7
1.3. KHÁI NIỆM VÀ HOẠT ĐỘNG CƠ BẢN TRONG MPLS......................8

1.3.1. Miền MPLS ...................................................................................8
1.3.2. Lớp chuyển tiếp tương đương (FEC: Forwarding Equivalence
Class) ................................................................................................................10
1.3.3. Mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu ...............................10
1.3.4. Cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn (LFIB) ...................................12
1.3.5. Hoạt động chuyển tiếp nhãn........................................................12
1.3.6. Ví dụ về hoạt động chuyển tiếp gói.............................................13
1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG.............................................................................14
CHƯƠNG 2. ĐỊNH TUYẾN TRONG MPLS .............................................15
2.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG ...........................................................................15
2.2. ĐỊNH TUYẾN TRONG MPLS ................................................................15
2.2.1. Định tuyến ràng buộc ..................................................................15
2.2.2. Định tuyến tường minh................................................................16


2.3. GIAO THỨC PHÂN PHỐI NHÃN (LDP: LABEL DISTRIBUTION
PROTOCOL) ...................................................................................................17
2.3.1. Hoạt động của LDP .....................................................................17
2.3.2. Các dạng bản tin LDP..................................................................18
2.3.3. Ví dụ thiết lập LSP bằng giao thức LDP.....................................19
2.4. CR-LDP (CONSTRAINT-BASED ROUTING LDP) .............................20
2.4.1. Hoạt động của CR-LDP...............................................................20
2.4.2. Thiết lập một CR-LSP .................................................................21
2.4.3. Ví dụ thiết lập đường bằng CR-LDP...........................................21
2.5. GIAO THỨC CHIẾM DỤNG TÀI NGUYÊN RSVP (RESOURCE
RESERVATION PROTOCOL).......................................................................23
2.5.1. Các loại thông điệp trong RSVP .................................................23
2.5.2. Thiết lập đường đi dùng RSVP ...................................................24
2.5.3. Duy trì đường đi ..........................................................................26
2.5.4. Hủy đường đi ...............................................................................27

2.5.5. Báo lỗi..........................................................................................27
2.5.6. Định dạng gói RSVP ...................................................................27
2.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG.............................................................................28
CHƯƠNG 3. KỸ THUẬT LƯU LƯỢNG TRONG MPLS .......................30
3.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG ...........................................................................30
3.2. GIỚI THIỆU KỸ THUẬT LƯU LƯỢNG TRONG MPLS .....................30
3.2.1. Khái niệm kỹ thuật lưu lượng......................................................30
3.2.2. Bài toán con cá và kỹ thuật lưu lượng MPLS .............................31
3.3. SỰ PHÂN PHỐI THƠNG TIN.................................................................34
3.3.1. Các thơng tin được phân phối .....................................................34
3.3.2. Làm tràn (flood) thông tin trong mạng.......................................35


3.4. TRUNG KẾ LƯU LƯỢNG ......................................................................37
3.4.1. Khái niệm trung kế lưu lượng .....................................................37
3.4.2. Các hoạt động cơ bản trên trung kế lưu lượng............................38
3.4.3. Các thuộc tính của trung kế lưu lượng ........................................38
3.5. ĐỊNH TUYẾN RÀNG BUỘC VÀ TÍNH TỐN ĐƯỜNG RÀNG BUỘC
CHO TRUNG KẾ LƯU LƯỢNG....................................................................41
3.5.1. Tiến trình tính tốn và giải thuật chọn đường .......................................41
3.5.2. Định tuyến ràng buộc.............................................................................42
3.6. CHUYỂN TIẾP LƯU LƯỢNG XUỐNG TRUNG KẾ LƯU LƯỢNG...43
3.7. TÁI TỐI ƯU HOÁ (RE-OPTIMIZATION) CHO TRUNG KẾ LƯU
LƯỢNG............................................................................................................44
3.8. KẾT LUẬN CHƯƠNG............................................................................44
CHƯƠNG 4. CÁC KỊCH BẢN MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN LƯU
LƯỢNG ĐỂ NÂNG CAO HOẠT ĐỘNG MẠNG ĐÔ THỊ ......................46
THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG................................................................................46
4.1. GIỚI THIỆU MẠNG ĐÔ THỊ THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG ......................46
4.2. MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG TRONG MẠNG ĐƠ THỊ

THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG................................................................................47
4.2.1. Giới thiệu trình ứng dụng mô phỏng GNS3................................47
4.2.2. Các kịch bản điều khiển lưu lượng trên mô Mạng MAN thành
phố Đà Nẵng ....................................................................................................48
4.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG.............................................................................60
KẾT LUẬN .....................................................................................................61
TÀI LIỆU THAM KHẢO
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao)
PHỤ LỤC


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Từ

Nghĩa tiếng anh

Nghĩa tiếng việt

ATM

Asynchronous Transfer Mode

Chế độ truyền không đồng
bộ

AS

Autonomous System

Hệ tự trị


CBR

Constant Bit Rate

Tốc độ bit không đổi

CBQ

Class Based Queueing

Lớp hàng đợi cơ sở

BGP

Border Gateway Protocol

Giao thức cổng ngoại

CoS

Class of Service

Lớp dịch vụ

CR

Constraint-based Routing

Định tuyến ràng buộc


CR-LDP

Constraint-based Routing LDP

Đường chuyển mạch nhãn
định tuyến ràng buộc

CR-LSP
CSPF

Constraint-based Routing Label

Đường chuyển mạch nhãn

Switched Path

được định tuyến ràng buộc

Constrainted Shortest Path First

(Thuật toán) đường dẫn ngắn
nhất ràng buộc

EIGRP

Enhanced Interior Gateway

Giao thức định tuyến cổng


Routing Protocol

nội nâng cao

EGP

Exterior Gateway Protocol

Giao thức cổng ngoại

ER

Explicit Route

Định tuyến tường minh

ERO

Explicit Route Object

Đối tượng tuyến tường minh

FEC

Forwarding Equivalence Class

Lớp chuyển tiếp tương
đương

FIB


Forwarding Information Base

Cơ sở thông tin chuyển tiếp

FIFO

First In First Out

Vào trước ra trước

FTN

FEC to NHLFE Map

FEC ứng với NHLFE


Từ

Nghĩa tiếng anh

Nghĩa tiếng việt

ILM

Incoming Label Map

Bản đồ nhãn vào


ISP

Internet Service Provider

Nhà cung cấp dịch vụ
Internet

IGP

Interior Gateway Protocol

Giao thức cổng nội

IP

Internet Protocol

Giao thức Internet

LDP

Label Distribution Protocol

Giao thức phân phối nhãn

LER

Label Edge Router

Router nhãn biên


LFIB

Label Forwarding Information

Bảng thông tin chuyển tiếp

Base

nhãn

LIB

Label Information Base

Bảng thông tin nhãn

LIFO

Last In First Out

Vào sau ra trước

LSA

Link State Advertisement

Quảng bá trạng thái kết nối

LSP


Label Switched Path

Đường chuyển mạch nhãn

LSR

Label Switching Router

Router chuyển mạch nhãn

MAN

Metropolitan Area Network

Mạng đơ thị

MNS

MPLS module for Network

Module MPLS cho chương

Simulation

trình mơ phỏng mạng NS-2

MultiProtocol Label Switching

Chuyển mạch nhãn đa giao


MPLS

thức
MPLS-TE

MPLS- Traffic Engineer

MPLS- Kỹ thuật lưu lượng

NHLFE

Next Hop Label Forwarding

Entry nhãn chuyển tiếp nút

Entry

kế

Open Shortest Path First

Giao thức định tuyến tìm

OSPF

đường đường ngắn nhất
PPP

Point to Point Protocol


Giao thức điểm- điểm

PQ

Priority Queuing

Hàng đợi ưu tiên


Từ

Nghĩa tiếng anh

Nghĩa tiếng việt

QoS

Quanlity of Service

Chất lượng dịch vụ

RED

Random Early Detection

Phát hiện sớm ngẫu nhiên

RFC


Request For Comment

Yêu cầu giả thích, là chuẩn
được ban hành bởi IETF

RIB

Routing Information Base

Bảng thơng tin chuyển tiếp

RIP

Routing Information Protocol

Giao thức thông tin định
tuyến

RSVP

Resource reSerVation Protocol

Giao thức chiếm dụng tài
nguyên

RSVP-TE

RSVP- Traffic Engineer

RSVP- kỹ thuật lưu lượng


SPF

Shortest Path First

Đường dẫn ngắn nhất đầu
tiên

ToS

Type of Service

Loại dịch vụ

TT

Traffic Trunk

Trung kế lưu lượng

TTL

Time To Live

Thời gian sống (gói tin)

UDP

User Datagram Protocol


Giao thức dữ liệu người
dùng

VC

Virtual Circuit

Mạch ảo

VCI

Virtual Circuit Identifier

Nhận diện mạch ảo

VPI

Virtual Path Identifier

Nhận diện đường ảo

VPN

Virtual Private Network

Mạng riêng ảo

VOIP

Voice over IP


Thoại trên IP

WFQ

Weighted Fair Queuing

Hàng đợi công bằng theo
trọng số


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số

Tên bảng

Trang

hiệu
2.1.

Tên bản tin ứng với giá trị Message Type trong LDP

24

2.2.

Các loại thông điệp trong RSVP

28



DANH MỤC CÁC HÌNH
Số

Tên hình

Trang

hiệu
1.1

Miền MPLS gồm các LER và LSR

8

1.2.

Vị trí nhãn MPLS trong khung lớp 2

9

1.3.

Cấu trúc của một shim header MPLS

10

1.4.


Mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu

11

1.5.

Thuật tốn chuyển tiếp nhãn

12

1.6.

Ví dụ về hoạt động chuyển tiếp gói của các LSR trong

13

MPLS
2.1.

Q trình hoạt động trao đổi thông điệp của LDP

18

2.2.

Thiết lập LSP bằng LDP

20

2.3.


Thiết lập LSP bằng CR- LDP

22

2.4.

Quá trình thiết lập đường đi dùng RSVP

25

2.5.

Minh hoạ thiết lập đường đi dùng RSVP

26

2.6.

Định dạng tiêu đề của gói RSVP

27

3.1.

Điều khiển lưu lượng trong mạng IP

31

3.2.


Điều khiển lưu lượng trong mạng ATM

32

3.3.

Điều khiển lưu lượng trong mạng MPLS

33

3.4.

Minh hoạt các trung kế lưu lượng

37

3.5.

Lưu đồ thuật tốn tính tốn đường ràng buộc

42

4.1.

Sơ đồ mạng Đơ thi thành phố Đà Nẵng

46

4.2.


Mô mạng lõi MPLS của Mạng đô thị Thành phố Đà

48

Nẵng
4.3.

Đường đi của Tunnel 10 khi chưa thay đổi TE metric

51


Số

Tên hình

Trang

hiệu
4.4.

Đường đi của Tunnel 10 sau khi thay đổi TE metric

52

4.5.

Đường đi của Tunnel 10 sau khi thay đổi băng thông dự


54

trữ
4.6.

Đường đi của Tunnel 10 sau khi thay đổi giá trị thuộc

55

tính quan hệ
4.7.

Đường đi của Tunnel 10 khi cấu các cổng bằng tham số

57

mặc định
4.8.

Kết quả Tunnel 11 chiếm đường ưu tiên của Tunnel 10

58

4.9.

Kết quả đường link được bảo vệ

60



1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Nhân loại đang sống trong những năm đầu thế kỷ 21, thời đại mà thông
tin, tri thức trở thành lực lượng sản xuất trực tiếp, thời đại của xã hội thông
tin và nền kinh tế tri thức được thành trên cơ sở phát triển và ứng dụng rộng
rãi công nghệ thông tin và truyền thông. Cuộc cách mạng thông tin đang ảnh
hưởng sâu sắc đến mọi lĩnh vực trong đời sống kinh tế - xã hội, đưa con
người chuyển nhanh từ xã hội công nghiệp sang xã hội thông tin, từ kinh tế
công nghiệp sang kinh tế tri thức, ở đó năng lực cạnh tranh phụ thuộc chủ
yếu vào năng lực sáng tạo, thu thập, lưu trữ, xử lý và trao đổi thông tin. Xu
hướng tồn cầu hố dẫn đến nhu cầu xử lý thơng tin ngày một tăng, vì vậy
nhu cầu kết nối xây dựng hệ thống mạng tối ưu, hoạt động hiệu quả là cấp
thiết đối với các tổ chức, doanh nghiệp và các cơ quan nhà nước.
Trong những năm gần đây, Công nghệ MPLS (Multi Protocol Label
Switching) phát triển rất nhanh. Nó trở thành cơng nghệ phổ biến nhờ những
tính năng ưu việt hơn hẳn những công nghệ truyền thống bằng việc sử dụng
gán nhãn vào các gói dữ liệu để chuyển tiếp chúng qua mạng. Mạng MPLS
sẽ dần thay thế các công nghệ mạng truyền thống đã lạc hậu và là tiền đề tiến
tới một hệ thống mạng thế hệ mới NGN (Next Generation Network).
Trong lộ trình xây dựng Chính quyền điện tử, Thành phố Đà Nẵng đã
đầu tư xây dựng hạ tầng CNTT hiện đại, trong đó đặc biệt là Mạng đô thị
(MAN – Metropolitan Area Network). Mạng đơ thị thành phố Đà Nẵng có
đặc thù riêng, kết nối, cung cấp dịch vụ phục vụ cho tất cả đơn vị cơ quan
nhà nước thuộc thành phố. Mạng đô thị phục vụ sự chỉ đạo điều hành của
lãnh đạo các cấp vì vậy cần được phân loại dữ liệu và ưu tiên xử lý các luồng
dữ liệu quan trọng.



2
Để bảo đảm nhiệm vụ cung cấp các dịch vụ chất lượng, thông suốt,
liên tục 24/7 cho các cơ quan nhà nước, doanh nghiệp và người dân, Mạng đô
thị thành phố Đà Nẵng cần phải được tối ưu, đặc biệt là kỹ thuật điều khiển
đường truyền chứa lưu lượng qua mạng. Mục đích là cải thiện việc sử dụng
tài nguyên mạng, tránh trường hợp một phần tử mạng bị nghẽn trong khi các
phần tử khác chưa được dùng hết. Ngoài ra, còn phải xác định và bảo đảm
luồng lưu lượng quan trọng phải được ưu tiên khi xảy ra tranh chấp tài
nguyên.
Điều khiển lưu lượng để chống tắc nghẽn là một vấn đề phức tạp, nhất
là khi mạng ngày càng phát triển rộng lớn, dịch vụ gia tăng nhanh, các dịch
vụ mới ngày càng nhiều, số người sử dụng tăng đột biến, kèm theo các vấn đề
lưu lượng tăng vọt và biến đổi động… Vì vậy điều khiển chống tắc nghẽn
trong mạng ngày càng trở nên cấp thiết.
Với mong muốn nghiên cứu sâu hơn một kỹ thuật mạng được cho là tối
ưu hiện nay - kỹ thuật lưu lượng trong MPLS, và mong muốn góp một phần
nhỏ cơng sức của mình trong cơng cuộc xây dựng chính quyền điển tử của
thành phố, em chọn đề tài làm luận văn tốt nghiệp của mình là “Nâng cao
hiệu quả hoạt động Mạng đô thị thành phố Đà Nẵng bằng kỹ thuật lưu lượng
trong MPLS”.
2. Mục tiêu và nhiệm vụ đề tài
2.1. Mục tiêu
Nghiên cứu kỹ thuật lưu lượng trong MPLS để ứng dụng vào Mạng đô
thị thành phố Đà Nẵng nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống, đặc
biệt chú trọng các vấn đề là chống nghẽn mạng; thiết lập chế độ ưu tiên đối


3
với các luồng dữ liệu quan trọng trong Mạng đô thị thành phố và sử dụng
hiệu quả tài nguyên mạng.

2.2. Nhiệm vụ
Để đạt được mục tiêu trên, nhiệm vụ của đề tài là nghiên cứu các kỹ
thuật, thuật toán chống nghẽn mạng, kỹ thuật thiết lập mức độ ưu tiên cho các
luồng dữ liệu trong mạng MPLS và đề ra kịch bản, giải pháp để áp dụng vào
Mạng đô thị thành phố Đà Nẵng.
Ø Về lý thuyết:
- Tìm hiểu về Cơng nghệ MPLS
- Tìm hiểu kỹ thuật lưu lượng trong MPLS
- Tìm hiểu quy mơ, đặc điểm, u cầu của Mạng đô thị Thành phố Đà
Nẵng
Ø Về thực tiễn:
Tiến hành các thực nghiệm trên mô mô phỏng để đánh giá các giải
pháp kỹ thuật. Đề xuất áp dụng các kỹ thuật điều khiển lưu lượng vào Mạng
đô thị thành phố Đà Nẵng để tối ưu về tài nguyên mạng và bảo đảm các luồng
thông tin quan trọng được ưu tiên bảo vệ.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
- Công nghệ mạng MPLS
- Các kỹ thuật sử dụng để điều khiển lưu lượng trong mạng MPLS
- Hệ thống Mạng đô thị thành phố Đà Nẵng
- Các ứng dụng mô phỏng mạng.


4
3.2. Phạm vi nghiên cứu
Trong khuôn khổ của luận văn, chúng tôi chỉ giới hạn việc nghiên cứu
kỹ thuật chống nghẽn mạng và kỹ thuật thiết lập độ ưu tiên cho các luồng dữ
liệu trong MPLS, đồng thời xây dựng các kịch bản điều khiển lưu lượng trên
mô Mạng đô thị thành phố Đà Nẵng.
4. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu, chúng tôi đã sử dụng hai phương pháp chính
là nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm.
4.1. Phương pháp nghiên cứu tài liệu
- Các tài liệu về cơ sở lý thuyết: Công nghệ MPLS và các kỹ thuật lưu
lượng trong MPLS.
- Các tài liệu mô tả các công cụ mô phỏng
- Tài liệu Mạng đô thị thành phố
- Các tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu
4.2. Phương pháp thực nghiệm
- Thực hiện tìm hiểu, thu thập các yêu cầu của Mạng đô thị Đà Nẵng để
đề xuất giải pháp điều khiển lưu lượng.
- Phân tích yêu cầu và phạm vi của luận văn để từ đó xác định những gì
phải làm.
- Thiết lập mơ Mạng đơ thị Thành phố Đà Nẵng trên môi trường mô
phỏng để tiến hành các kịch bản kiểm thử về kỹ thuật lưu lượng.
5. Mục đích và ý nghĩa của đề tài
5.1. Mục đích
Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển lưu lượng trong MPLS để ứng dụng


5
vào Mạng đô thị Thành phố Đà Nẵng nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động hệ
thống.
5.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài
Về khoa học: Nghiên cứu Công nghệ MPLS và các kỹ thuật điều
khiển lưu lượng trong MPLS nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động hệ thống
mạng.
Về thực tiễn: Đề tài đưa ra giải pháp nâng cao hiệu quả hoạt động của
hệ thống Mạng đô thị Thành phố Đà Nẵng, nhằm phục vụ công tác điều hành
của Lãnh đạo thành phố trong mọi điều kiện và nhu cầu sử dụng các dịch vụ

công một cách tốt nhất của Tổ chức, cá nhân.
6. Cấu trúc của luận văn
Luận văn gồm 4 chương, được tổ chức như sau:
Chương 1: Tổng quan về chuyển mạch nhãn đa giao thức
Nội dung của chương này trình bày khái quát tổng quan về công nghệ
Chuyển mạch nhãn đa giao thức (Muilti Protocol Lable Switch – MPLS).
Chương này cũng trình bày những khái niệm, hoạt động cơ bản của MPLS.
Chương 2: Định tuyến trong MPLS
Nội dung chương 2 trình bày các giao thức định tuyến trong mạng MPLS;
chương 2 cũng trình bày các giao thức hỗ việc trợ trao đổi nhãn và định tuyến ràng
buộc bao gồm giao thức LDP, CR-LDP và RSVP.
Chương 3: Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS
Nội dung chương 3 trình bày các khái niệm về kỹ thuật lưu lượng, các
cơ chế thực hiện kỹ thuật lưu lượng của MPLS. Nội dung tập trung làm rõ
các thuộc tính, hành vi của Trung kế lưu lượng nhằm phục vụ cho điều khiển


6
lưu lượng, cũng như các cơ chế tái định tuyến nhanh nhằm điều khiển chống
tắc nghẽn trong mạng MPLS.
Chương 4: Các kịch bản mô phỏng kỹ thuật lưu lượng để nâng cao
hiệu quả hoạt động mạng đô thị Thành phố Đà Nẵng
Chương 4 tập trung xây dựng các kịch bản mô phỏng kỹ thuật điều
khiển lưu lượng trên mô mạng MAN của Thành phố Đà Nẵng. Phân tích kết
quả đạt được để làm sáng tỏ phần lý thuyết về kỹ thuật điều khiển lưu lượng
trong MPLS.
Kết luận và hướng phát triển


7

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC

1.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG
Nội dung chương trình bày về các vấn đề sau:
- Các khái niệm cơ bản trong chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS:
MultiProtocol Label Switching)
- Hoạt động của các router trong miền MPLS
- Cách thức chuyển tiếp nhãn trong miền MPLS, …
1.2. GIỚI THIỆU VỀ MPLS
MPLS (MultiProtocol Label Switching) là cơng nghệ chuyển mạch
nhãn đa giao thức. Tính chất đa giao thức được thể hiện ở chỗ, MPLS có thể
tương thích với nhiều giao thức mạng như IP, IPX và có thể hoạt động trên
bất kỳ giao thức lớp liên kết nào.
MPLS kết hợp kết hợp chuyển mạch nhãn (lớp 2) với các giao thức
định tuyến IP (lớp 3). Ý tưởng chính của việc chuyển mạch nhãn là tối ưu hóa
q trình định danh FEC, thay vì lặp lại q trình xử lý các thơng tin header
IP giống nhau tại mỗi nút mạng, MPLS chỉ thực hiện một lần tại nút vào. Tại
đây, LSR thực hiện gán vào gói IP một nhãn có chiều dài cố định, các nút
sau đó chỉ dựa vào nhãn để chuyển tiếp gói mà khơng cần phân tích chi
tiết các thơng tin header IP nữa. Các LSR nhận được các gói khơng phân
tích các thơng tin header ở lớp 3 thay vào đó chúng sẽ đọc nhãn và sử
dụng nhãn này truy suất cơ sở dữ liệu để xác định nút kế tiếp và nhãn mới
cần gán vào mỗi gói.
Điểm nổi bật của công nghệ MPLS là khả năng chuyển tiếp lưu lượng
nhanh, đơn giản, điều khiển luồng, định tuyến linh hoạt và tận dụng tài


8

nguyên mạng. Do LSR dùng nhãn để quyết định chặng tiếp theo nên ít phải
làm việc hơn và hoạt động gần như switch. Các nhãn thể hiện các tuyến
đường đi trong mạng nên nhà quản trị mạng có thể điều khiển chính xác hơn
q trình xử lý lưu lượng bằng cách dùng các chính sách nhãn. LSR dùng
nhãn để tham chiếu (index) trực tiếp đến bảng chuyển tiếp của router nên chỉ
yêu cầu truy cập vào bảng này một lần, trong khi định tuyến truyền thống
phải truy cập nhiều lần để tìm ra địa chỉ IP phù hợp nhất. Do đó chuyển mạng
nhãn sẽ giảm được độ trễ và thời gian chờ đáp ứng tại mỗi nút.
1.3. KHÁI NIỆM VÀ HOẠT ĐỘNG CƠ BẢN TRONG MPLS
1.3.1. Miền MPLS
Theo RFC 3031, Miền MPLS là một tập hợp các nút mạng thực hiện
hoạt động định tuyến và chuyển tiếp MPLS. Các nút thuộc miền MPLS được
gọi là các bộ định tuyến chuyển mạch nhãn LSR (Label Switching Router).
Một miền MPLS thường được quản lý và điều khiển bởi một nhà quản trị.
Miền MPLS chia làm 2 phần là phần mạng lõi và phần mạng biên. Các
router thuộc phần lõi gọi là các transit-LSR, hay core-LSR và thường được
gọi tắt là LSR. Các router ở biên gọi là LER. 1.1 mô tả một miền MPLS gồm
các LER ở biên và các LSR ở lõi.

Hình 1.1. Miền MPLS gồm các LER và LSR


9
Trong đó
LSR: Label Switch Router (Router chuyển mạch nhãn)
LER: Label Edge Router (Router nhãn biên)
Khi gói tin được chuyển tiếp trên đường đi qua miền MPLS, nút mạng
đầu tiên mà gói tin đi qua gọi là Ingress-LER, nút cuối cùng được gọi là
Egress-LER. 2 thuật ngữ này còn được gọi là router lối vào và router lối ra
của một gói tin.

Phụ thuộc vào chiều của luồng lưu lượng mà ta có upstream-LSR ký
hiệu Ru và downstream-LSR ký hiệu Rd. Nếu luồng gói đi từ router A đến
router B thì A được gọi là Upstream của B và B là downstream của A.. Một
router có thể là Upstream của router này nhưng là downstream của router kia.
1.3.2. Nhãn và cấu trúc của nhãn
Theo RFC 3031, Nhãn là một định danh (ID) ngắn, có chiều dài cố
định, có ý nghĩa cục bộ được sử dụng để xác định một FEC. Giá trị nhãn định
nghĩa chỉ mục (Index) để dùng trong bảng chuyển tiếp. Nhãn được chèn vào
một gói để báo cho LSR biết địa chỉ chuyển gói tin qua mạng. Cấu trúc của
nó gồm 32 bit được đặt giữa tiêu đề lớp 2 và gói lớp 3 và được gọi là tiêu đề
chèn (shim header). 1.2 mơ tả vị trí nhãn MPLS được đặt giữa header lớp 2
và header lớp 3.

Hình 1.2. Vị trí nhãn MPLS trong khung lớp 2


10
Tiêu đề chèn MPLS gồm 32 bit, là sự kết hợp của trường nhãn 20 bit,
trường 3 bit experimental dùng để mang thông tin lớp dịch vụ (tương tự
trường ToS trong một gói IP), trường 1 bit (gọi là bit S) dùng để chỉ thị nhãn
cuối của ngăn xếp, và trường TTL 8 bit– tương tự với TTL trong IP.

Hình 1.3. Cấu trúc của một shim header MPLS
1.3.2. Lớp chuyển tiếp tương đương (FEC: Forwarding
Equivalence Class)
Theo RFC 3031, FEC là tập hợp các gói được LSR xử lý như nhau,
được chuyển tiếp ra cùng một giao tiếp với cùng một nhãn và nút kế tiếp,
đồng thời được gán cho một lớp của dịch vụ như nhau. Việc ánh xạ giữa các
FEC và các gói tin có thể dựa vào nhiều yếu tố như địa chỉ nguồn, đích, định
danh Router (Router ID) và cổng TCP/UDP. Một nhóm các gói được chuyển

tiếp trên cùng một đường đi và được xử lý như nhau thì có thể được LSR ánh
xạ cùng một nhãn.
1.3.3. Mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu
Mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu tồn tại trong mỗi router
MPLS.
Mặt phẳng điều khiển: có 2 chức năng là định tuyến IP dùng để giao
tiếp với các LSR, LER khác hoặc các router IP thông thường bằng các giao
thức định tuyến và báo hiệu MPLS dùng để giao tiếp với các LSR khác bằng
một giao thức phân phối nhãn. Trong mặt phẳng điều khiển chứa một cơ sở
thông tin định tuyến (RIB) và một cơ sở thông tin chuyển tiếp (FIB).
Mặt phẳng dữ liệu: có chức năng chuyển tiếp gói IP, gán nhãn cho gói
IP hoặc chuyển đổi nhãn cho các gói tin đến có nhãn. Trong mặt phẳng dữ


11
liệu chứa 2 bảng là cơ sở thông tin chuyển tiếp (FIB) và cơ sở thông tin
chuyển tiếp nhãn (LFIB). FIB được xây dựng từ RIB, LFIB được xây dựng từ
LIB và FIB. FIB có chức năng định đường đi cho gói tin đến, LFIB được sử
dụng để chuyển tiếp các gói có gắn nhãn căn cứ và ngăn xếp nhãn. Hoạt động
ở mặt phẳng dữ liệu dựa trên 2 bảng này.
1.4 mô tả chi tiết mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu.

Hình 1.4. Mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu
Trong đó:
IGP: Interior Gateway Protocol - giao thức cổng nội
BGP: Border Gateway Protocol - giao thức cổng ngoại
RIB: Routing Information Base - Cở sở thông tin định tuyến
LIB: Label Information Base – Cơ sở thông tin nhãn
FIB: Forwarding Information Base – Cơ sở thông tin chuyển tiếp
FIB: Label Forwarding Information Base – Cơ sở thông tin chuyển

tiếp nhãn


12
1.3.4. Cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn (LFIB)
Trong mạng IP, quyết định chuyển tiếp gói được xác lập bằng cách thực hiện tra
cứu địa chỉ đích trong bảng FIB để xác định nút tiếp theo và giao diện ra. Trong mạng
MPLS, mỗi LSR duy trì một bảng LFIB riêng rẽ và tách biệt với FIB. Bảng LFIB có hai
loại Entry là ILM (Incoming Label Map) và FTN (FEC-to-NHLFE). NHLFE (Next Hop
Label Forwarding Entry) là subentry chứa các trường như địa chỉ nút tiếp theo, các tác vụ
Stack nhãn, giao diện ra và thông tin mào đầu lớp 2. ILM ánh xạ một nhãn đến một hoặc
nhiều NHLFE. Nhãn trong gói đến sẽ dùng để chọn ra một Entry ILM cụ thể nhằm xác
định NHLFE. Còn FTN ánh xạ mỗi FEC vào một hoặc nhiều NHLFE. Nhờ các Entry
FTN, gói chưa có nhãn được chuyển thành gói có nhãn
1.3.5. Hoạt động chuyển tiếp nhãn
Khi một gói khơng nhãn thuộc một FEC đi vào miền MPLS, ingressLER sẽ sử dụng một entry LFIB loại FTN để chuyển tiếp gói khơng nhãn
thành gói có nhãn. Sau đó các LSR sử dụng entry LFIB loại ILM để hoán đổi
nhãn và cuối cùng tại egress-LER sử dụng một entry LFIB loại ILM để gỡ bỏ
nhãn đến và chuyển tiếp gói khơng nhãn đến router kế. Có thể tóm tắt q
trình hoạt động của một MPLS domain như sau:
Gói IP đến
Xác định
FEC

Khơng nhãn

Khơng hợp lệ

Kiểm tra nhãn
của gói

Có nhãn
ILM

FTN

Nhãn

NHLFE

Khơng có
đường ra

Hop kế

Hình 1.5. Thuật tốn chuyển tiếp nhãn

Huỷ gói


13
Trong đó:
FTN:

FEC To NHLFE map

ILM:

Incoming Label Map

NHLFE:


Next Hop Label Forwarding Entry

1.3.6. Ví dụ về hoạt động chuyển tiếp gói

Hình 1.6. Ví dụ về hoạt động chuyển tiếp gói của các LSR trong MPLS
1.6 mơ tả một ví dụ về q trình chuyển tiếp gói trong miền MPLS.
Trong gồm 2 LSP là LSP_1: E1_S1_S4_E4 và LSP_2 : E2_S1_S3_E3. Hoạt
động chuyển tiếp gói trên LSP_1 và LSP_2 như sau:
LSP_1: Gói đến có địa chỉ đích là a.b.c.d, LER E1 kiểm tra bảng FIB
của nó và xác định gói này thuộc về lớp chuyển tiếp tương đương (FEC)
a.b.c/24, LER E1 gán nhãn A, đưa ra giao tiếp số 2. LSR S1 thấy có gói đến trên
giao tiếp số 1 gắn nhãn A, LFIB của nó xác định giá trị nhãn thay thế là D và xuất
ra trên giao tiếp số 4 đến LSR S4. Do LSR S4 là hop áp cuối nên nó Pop nhãn và
gởi ra trên giao tiếp số 4 sau khi tra bảng LFIB. Ở đích là LER E4 entry FIB thao
tác trên FEC a.b.c/24 và chuyển phát gói đến hop kế trên giao tiếp ra số 3.
Hoạt động của LSP_2 hoàn toàn ttương tự với LSP_1.