PHẦN II
MẠNG CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC
CHƯƠNG 8
LÝ THUYẾT CƠ BẢN CỦA CHUYỂN MẠCH NHÃN

8.1. 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 khơng quá đắt, có thể phối hợp và nâng cấp từ các
mạng ATM hoặc Frame Relay đã có sẵn. Ngồi 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 khơng 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. Ngồi 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 khơng 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 thơng 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 cịn MPLS có thể phân biệt các giao diện khác nhau, các thông tin khác
nhau để xác định chính sách xử lý thích hợp, đơi 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 thơng
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 q trình xử lý lưu lượng trong mạng bằng cách dùng
các chính sách nhãn.
Khác với q trình định tuyến và chuyển mạch thơng 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. Cịn q trình định tuyến thì
khơng 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. (Tuy nhiên, với định tuyến ràng buộc, ta có thể chỉ
định một con đường độc lập với các giao thức định tuyến).
Để minh hoạ hoạt động của MPLS, ta hãy xét đường đi của một gói tin
theo từng bước trong mạng sau.
85


Hình 8.1: Sơ đồ mạng
IP

IP

27

S0/0

S0/1

S0/0

IP

24

S0/1

S0/0

S0/1


S0/1
S0

28

S0/0
PE1

P1

P2

PE2

CE1

S0

CE2

Thiết bị

Serial 0/0

Serial 0/1

Loopback 0

PE1


192.168.1.10

192.168.1.1

P1

192.168.1.9

192.168.1.14

192.168.1.2

P2

192.168.1.13

192.168.1.18

192.168.1.3

PE2

192.168.1.17

192.168.1.4

Bảng 8.1: 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. (Router kế

cận là router kế tiếp mà gói tin cần được truyền đến để đến được một đích nào
đó).
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 ngồi 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 hồn tồn 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 khơng chỉ dừng ở đây mà cịn 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 thơi 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.
8.2. Khái niệm và hoạt động cơ bản trong MPLS
8.2.1. 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.
87


8.2.2. Mặt phẳng dữ liệu và mặt phẳng điều khiển trong IP
Router
OSPF, IS-IS, BGP


Mặt phẳng điều khiển
Lớp định tuyến

OSPF, IS-IS, BGP

Bảng định
tuyến

Gói dữ liệu IP

Mặt phẳng điều khiển
Lớp chuyển tiếp

Gói dữ liệu IP

Hình 8.2: Mặt phẳng điều khiển và dữ liệu IP.

Hình 8.2 mơ 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.

88


8.2.3. Mặt phẳng dữ liệu và mặt phẳng điều khiển trong MPLS
LSR
LDP, RSVP-TE, OSPF-E, BGP-E

Mặt phẳng điều khiển
Lớp định tuyến

LDP, RSVP-TE, OSPF-E, BGP-E

LFIB

Gói tin MPLS

Mặt phẳng điều khiển
Lớp chuyển tiếp

Gói tin MPLS

Hình 8.3: Mặt phẳng điều khiển và dữ liệu


MPLS cũng hoạt động với các mặt phẳng điều khiển và dữ liệu, như mơ
tả ở hình 8.3. 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. Sau khi hoạt động này hoàn
thành, các nút được gọi là các LSR ngang hàng (peer), trao đổi các bản tin chu
kì (bản tin hello) để chắc rằng các nút gần kề hoạt động tốt, trao đổi các bản
tin địa chỉ và nhãn để liên kết các địa chỉ với nhãn và xây dựng bảng chuyển
tiếp cho mặt phẳng dữ liệu MPLS. Mặt phẳng dữ liệu MPLS sẽ chuyển tiếp
lưu lượng bằng cách kiểm tra nhãn trong tiêu đề gói MPLS, địa chỉ IP khơng
cần kiểm tra. Tiêu đề nhãn sau đó bị bỏ đi, và địa chỉ IP lại được dùng để
phân phối lưu lượng đến người dùng cuối.
8.2.4. Những lớp chuyển tiếp tương đương FEC
* Lớp chuyển tiếp tương đương FEC
Thuật ngữ lớp chuyển tiếp tương đương FEC (Forwarding Equivalence
Classes) được sử dụng trong hoạt động chuyển mạch nhãn. FEC mô tả sự liên
hệ giữa các gói với địa chỉ đích người nhận cuối, FEC cũng có thể liên kết với
một địa chỉ đích và loại lưu lượng liên quan đến một cổng đích nào đó.
89


Tại sao lại sử dụng FEC? Trước tiên, nó cho phép nhóm các gói vào các
lớp khác nhau, có thể sử dụng để hỗ trợ chất lượng dịch vụ hiệu quả. Ví dụ,
FEC có thể liên kết với độ ưu tiên cao, lưu lượng thực …
FEC được xác định duy nhất bằng việc sử dụng một nhãn. Đối với các

lớp dịch vụ khác nhau, người ta sử dụng các FEC và các nhãn liên kết khác
nhau. Với Internet, các giá trị sau được sử dụng để thành lập một FEC: địa chỉ
IP nguồn và/hoặc đích, số cổng nguồn và/hoặc đích, nhận diện giao thức
(PID), điểm mã (codepoint) của các dịch vụ khác biệt IPv4, dịng nhãn IPv6.
Chúng ta có thể nghĩ về các thủ tục được sử dụng bởi thành phần định
tuyến như là cách chia thành tập tất cả các gói mà router có thể định tuyến vào
một số hữu hạn các subnet rời nhau. Từ quan điểm định tuyến, những gói
trong mỗi subnet được router đối xử như nhau (nghĩa là chúng đều được gửi
đến cùng một trạm kế tiếp) ngay cả nếu những gói trong subnet khác nhau về
những thơng tin cịn lại trong tiêu đề (header) lớp mạng. Chúng ta xem các
subnet như là các lớp chuyển tiếp tương đương (FEC). Nguyên nhân mà
router định tuyến tất cả các gói trong 1 FEC giống nhau là vì sự ánh xạ giữa
thơng tin được mang trong tiêu đề lớp mạng và những mục trong bảng định
tuyến là nhiều – một (mà một - một là trường hợp đặc biệt). Nghĩa là những
gói khác nhau về nội dung trong tiêu đề lớp mạng có thể được ánh xạ vào
cùng một mục trong bảng định tuyến khi mục đó được gắn với một FEC xác
định.
Một ví dụ của FEC là một tập các gói unicast mà địa chỉ đích lớp mạng
có cùng tiền tố địa chỉ IP xác định. Một ví dụ khác của FEC là một tập các gói
multicast có cùng địa chỉ nguồn và đích lớp mạng.
Một phần quan trọng của một mục định tuyến được duy trì bởi router đó
là địa chỉ router kế tiếp. Một gói khi rơi vào một FEC mà liên kết với một
mục định tuyến xác định thì được định tuyến đến router kế tiếp được chỉ rõ
bởi mục đó. Do đó việc xây dựng bảng định tuyến bởi thành phần điều khiển
có thể xem như là việc xây dựng một tập FEC và trạm kế tiếp cho mỗi FEC
đó.
Một tính chất quan trọng của một FEC là tính định tuyến phân cấp của
nó. Ví dụ như một FEC có thể bao gồm những gói mà có địa chỉ đích lớp
mạng gắn với cùng một tiền tố địa chỉ xác định. Kiểu này của FEC cung cấp
định tuyến thô. Mặc khác, một FEC có thể bao gồm chỉ những gói thuộc vào

một ứng dụng xác định chạy giữa hai máy tính, nghĩa là nó chỉ bao gồm
những gói có cùng địa chỉ nguồn và đích lớp mạng (địa chỉ hai máy tính) cũng
90


như cùng số port lớp vận chuyển (những port này xác định ứng dụng trong
máy tính). Kiểu này của FEC cung cấp định tuyến tinh.
Có thể thấy rõ ràng là định tuyến thơ cần thiết cho việc mở rộng tồn
mạng. Nhưng mặc khác nếu chỉ hỗ trợ định tuyến thô sẽ làm mạng hoạt động
không được uyển chuyển, như vậy nó khơng cho phép có nhiều kiểu lưu lượng
khác nhau. Những nhận định trên cho thấy muốn xây dựng một hệ thống lớn và
có nhiều chức năng thì u cầu hệ thống phải hỗ trợ nhiều kiểu định tuyến cũng
như khả năng trộn lẫn và kết hợp nhiều kiểu định tuyến khác nhau.
8.2.5. Định tuyến nhất quán
Một hệ thống định tuyến chính xác u cầu có sự nhất qn qua nhiều
router. Sự nhất quán này được thiết lập bởi sự kết hợp của nhiều cơ chế.
Thành phần điều khiển chịu trách nhiệm phân bố nhất quán các thông tin
định tuyến được sử dụng bởi router cho việc xây dựng bảng định tuyến của
nó. Thành phần điều khiển cịn chịu trách nhiệm trong việc nhất quán các thủ
tục mà router dùng để xây dựng bảng định tuyến. Kết hợp hai yếu tố này cho
phép có sự nhất quán giữa các bảng định tuyến.
Thành phần định tuyến chịu trách nhiệm nhất quán các thủ tục trong
việc lấy thơng tin từ các gói cũng như việc sử dụng thơng tin này để tìm một
mục thích hợp trong bảng định tuyến, kết quả là có sự nhất quán trong ánh xạ
những gói vào các FEC qua nhiều router. Và sự nhất quán này cho phép hệ
thống có chức năng định tuyến chính xác.
8.3. Thành phần định tuyến
Sự phân tích việc định tuyến lớp mạng ra làm hai phần: điều khiển và
định tuyến không chỉ được áp dụng vào kiểu định tuyến truyền thống mà cịn
có thể áp dụng cho kỹ thuật chuyển mạch nhãn. Trong phần này chúng ta mô

tả vài lý thuyết nền tảng liên quan đến thành phần định tuyến của chuyển
mạch nhãn.
Thuật toán mà thành phần định tuyến của chuyển mạch nhãn sử dụng để
đưa ra quyết định định tuyến cho một gói tin sẽ sử dụng hai nguồn thơng tin:
thơng tin thứ nhất là bảng định tuyến được duy trì bởi một router chuyển
mạch nhãn LSR (Label Switching Router) và thứ hai là một nhãn chứa trong
gói.

91


8.3.1. Nhãn là gì?
Nhãn là một khung nhận dạng ngắn, có chiều dài cố định và khơng có
cấu trúc. Một nhãn không thực hiện trực tiếp bất cứ thông tin nào từ tiêu đề
lớp mạng. Dạng của nhãn sẽ được xét ở phần sau.
8.3.2. Bảng chuyển mạch nhãn
LIB và LFIB
192.168.20.9

192.168.20.1

192.168.20.7

I

A

30

192.168.20.3

40

48
192.168.20.4
38

D

LIB

B
192.168.20.2

67
192.168.20.6
E

47

192.168.20.5

87

35

C

G

53


89
J

192.168.20.10

F

192.168.20.0/24

Nút cuối

77
H
192.168.20.8

Với địa chỉ 192.168.20.0/24
Địa chỉ
192.168.20.3
192.168.20.9
192.168.20.10
192.168.20.5

Nhãn
40
48
87
38

Hình 8.4: LIB cho nút D


Hình 8.4 là cơ sở dữ liệu thông tin nhãn LIB của nút D cho các liên kết
nhãn mà nó tạo và nhận được từ các hàng xóm MPLS cho tiền tố địa chỉ
192.168.20.0/24. Các thực thể LIB của các LSR khơng phải kế cận thì khơng
cần lưu trong LIB vì khơng cần thiết cho việc chuyển tiếp gói. Theo hoạt
động của các giao thức định tuyến, nút D có thể đến 192.168.20.0/24 thông
qua nút I, E hoặc J. Một câu hỏi rất hợp lí được đặt ra là tại sao nó phải chứa
tất cả liên kết nhãn của tất cả các hàng xóm trong khi một số trong chúng
khơng phải là xi dịng theo địa chỉ đích và thậm chí một số không ở trong
LSP. Câu trả lời sẽ được giải thích ở phần sau.
Hình 8.5 là bảng LFIB tại nút D cho tiền tố địa chỉ 192.168.20.4/24. Lưu
ý rằng bảng này chỉ chứa thông tin cần thiết để chuyển tiếp gói đến chặng kế
trong LSP, nó chính là tập con của LIB. Nhãn 40 được dùng cho LSP giữa nút
C và D, nhãn 38 giữa D và E, nhãn 47 giữa E và F. Nhãn 40 là nhãn nội (local
label) của nút D vì nó được tạo bởi D và phân phối đến tất cả các “ngang cấp”
92


của D. Còn nhãn 38 được cấp bởi nút E. Do đó hai nhãn này là nhãn được gán
bởi nút xi dịng đến nút ngược dịng tương ứng với tiền tố 192.168.20.0/24.
Trong bảng LFIB tại D ta thấy (a) nhãn nội cho tiền tố địa chỉ
192.168.20.0/24 là 40, (b) nhãn ra là 38 vốn được gán trước đó bởi nút E, (c)
giao tiếp vật lý để đến chặng kế tức hop E là giao tiếp n. Hai điều quan trọng
cần nhớ là nếu LSR không nhận thông điệp liên kết nhãn từ LSR kế, gói tin sẽ
được chuyển đi bình thường mà khơng gán nhãn. Cịn nếu LSR nhận được
thơng điệp liên kết nhãn từ LSR kế thì nhãn này và nhãn nội sẽ được thêm
vào LFIB.
Khi một liên kết hay một nút bị phát hiện là hư bằng giao thức phân phối
nhãn hay bằng giao thức định tuyến lớp 3, các sự kiện sau sẽ lần lượt xảy ra:
ví dụ nút D phát hiện liên kết đến E bị hư. LFIB được cập nhận để phản ánh

sự hư hỏng này bằng cách xóa liên kết từ D đến E. Giao tiếp của liên kết bị hư
cũng được xóa khỏi bảng định tuyến. Việc xóa này kích hoạt OSPF chọn ra
một liên kết thay thế khác và đưa vào bảng định tuyến, ví dụ liên kết giữa D
và J. Việc thêm một FEC mới vào bảng định tuyến lớp 3 sẽ kích hoạt nút D
cập nhật LFIB mà khơng cần triệu gọi giao thức phân phối nhãn bởi vì trước
đó nút D đã thiết lập mối quan hệ MPLS ngang hàng với tất cả nút lân cận và
đã cài đặt liên kết nhãn cho những nút này trong bảng LIB rồi. Do đó nút D sẽ
gắn nhãn 87 cho các gói đến 192.168.20.0/24 và gửi chúng đến nút J. J lúc
này là thành viên mới của con đường chuyển mạch nhãn đến 192.168.20.0/24.
192.168.20.9

192.168.20.1

192.168.20.7

I

A

30

192.168.20.3
C

40

38

D


LIB

35
192.168.20.2

67
192.168.20.6
E

47

192.168.20.5

87

B

G

53

48
192.168.20.4

89
J

192.168.20.10

F


192.168.20.0/24

Nút cuối

77
H
192.168.20.8

Với địa chỉ 192.168.20.0/24
Nhãn nội
40

Nhãn ra
38

Giao diện
n

Hình 8.5: LFIB cho nút D

Một bảng định tuyến bao gồm chuỗi các mục, mỗi mục bao gồm một
nhãn vào và một hay nhiều mục con, mỗi mục con bao gồm một nhãn ra, một
93


giao diện ngõ ra và một địa chỉ trạm kế (hình 8.6). Những mục con khác nhau
trong từng mục riêng có thể có cùng hoặc khác nhãn ra. Ở đây có nhiều mục
con là để kiểm sốt định tuyến multicast, khi mà một gói đến từ một ngõ vào
cần được gửi đến nhiều giao diện ngõ ra.

Nhãn vào

Mục con thứ nhất

Mục con thứ hai

Nhãn vào

Nhãn ra
Giao diện ra
Địa chỉ trạm kế

Nhãn ra
Giao diện ra
Địa chỉ trạm kế

Hình 8.6: Mục trong bảng định tuyến

Bảng định tuyến được đánh chỉ số mục bởi giá trị chứa trong nhãn vào.
Nghĩa là giá trị chứa trong nhãn vào của mục thứ N trong bảng là N.
Ngồi thơng tin dùng để điều khiển định tuyến một gói, một mục trong
bảng định tuyến có thể chứa thơng tin liên quan đến những tài ngun mà gói
tin có thể sử dụng, như là một hàng đợi ngõ ra mà gói tin được đặt vào.
Một LSR có thể duy trì một bảng định tuyến đơn hay là nhiều bảng định
tuyến, mỗi bảng cho mỗi giao diện của nó. Với trường hợp sau, việc xử lý
một gói tin được xem xét khơng bởi chỉ nhãn chứa trong gói mà cả giao diện
nào mà gói tin đi tới, cịn trong trường hợp đầu thì chỉ cần thơng tin chứa
trong nhãn. LSR có thể sử dụng trường hợp một hoặc hai như là một tuỳ chọn,
hay có thể kết hợp cả hai.
8.3.3. Khả năng mang nhãn trong gói

Một chức năng quan trọng của thành phần định tuyến chuyển mạch nhãn
là khả năng mang nhãn trong gói, có nhiều cách để thực hiện điều này.
Với các kỹ thuật lớp liên kết, như ATM và Frame Relay, có thể mang
nhãn như một phần của tiêu đề (header) lớp liên kết của nó. Cụ thể, với ATM,
nhãn có thể được mang trong trường VCI hay VPI của tiêu đề ATM. Còn với
Frame Relay, nhãn có thể được mang trong trường DLCI của tiêu đề Frame
Relay.
Sử dụng tùy chọn việc mang nhãn như là một phần của tiêu đề lớp liên
kết cho phép hỗ trợ chuyển mạch nhãn với một số kỹ thuật lớp liên kết chứ
không phải là tất cả. Bắt buộc chuyển mạch nhãn chỉ cho những kỹ thuật lớp
liên kết mà có thể mang nhãn trong tiêu đề lớp liên kết sẽ giới hạn nhiều đến
94


sự hữu dụng của chuyển mạch nhãn (hạn chế sự sử dụng chuyển mạch nhãn
trên những môi trường khác như Ethernet hay liên kết point-to-point).
Một cách cho phép chuyển mạch nhãn hoạt động trên nhiều kỹ thuật lớp
liên kết khi mà những kỹ thuật đó khơng thể mang nhãn trong tiêu đề của nó
là bằng cách mang nhãn trong một tiêu đề nhãn riêng. Tiêu đề nhãn này được
xen vào giữa tiêu đề lớp mạng và tiêu đề lớp liên kết (xem hình 8.7), nên do
đó có thể được sử dụng bởi bất cứ kỹ thuật lớp liên kết nào như Ethernet,
FDDI, Token Ring, point-to-point.

Tiêu đề
lớp liên kết

Tiêu đề thêm
chứa nhãn

Tiêu đề

lớp mạng

Dữ liệu
lớp mạng

Hình 8.7: Mang nhãn trong tiêu đề thêm
8.3.4. Thuật toán định tuyến chuyển mạch nhãn
Thuật toán định tuyến mà được sử dụng bởi thành phần định tuyến của
chuyển mạch nhãn dựa vào sự hoán đổi nhãn. Thuật tốn hoạt động như sau:
Khi LSR nhận một gói tin, nó sẽ lấy nhãn trong gói làm chỉ mục để xác
định trong bảng định tuyến. Một khi mục trong bảng định tuyến được tìm thấy
(mục này có nhãn vào bằng với nhãn chứa trong gói tin), trong mỗi mục con
sẽ thay thế nhãn trong gói tin bằng với nhãn ra của nó và gửi gói tin ra giao
diện ngõ ra để đến trạm kế tiếp được xác định bởi mục con đó.
Trong phần trước, chúng ta giả sử là một LSR duy trì một bảng định
tuyến đơn, tuy nhiên, một LSR có thể duy trì 1 bảng định tuyến riêng biệt cho
mỗi giao diện của nó. Trong trường hợp này, sau khi LSR nhận gói tin, LSR
sử dụng giao diện mà gói tin đi tới để lựa chọn bảng định tuyến để định tuyến
gói tin đó.
Những ai quen thuộc với ATM chú ý rằng khi LSR duy trì bảng định
tuyến trên mỗi giao diện của nó, thuật tốn định tuyến trên tùy thuộc vào thuật
toán định tuyến của chuyển mạch ATM. Đây là yếu tố quan trọng của một số
nghiên cứu chuyển mạch nhãn và chúng ta sẽ thảo luận ở phần sau.
Một nhãn luôn luôn mang thông tin định tuyến và cịn có thể mang cả
thơng tin tài nguyên dành riêng. Nhãn mang thông tin định tuyến là vì nội
dung của nó xác định một mục trong bảng định tuyến và mục này chứa thông
tin xác định phải định tuyến gói tin đi đâu. Cịn nhãn có thể mang thông tin về
95



việc để dành tài nguyên là vì mục mà được xác định bởi nhãn có thể, tùy
chọn, bao gồm thơng tin liên quan tới tài nguyên nào mà gói tin có thể sử
dụng, ví dụ như là một hàng đợi xác định mà gói tin được đặt vào. Khi nhãn
được mang trong tiêu đề ATM (header ATM) hay Frame Relay, nhãn phải
mang cả hai thông tin định tuyến và tài nguyên dành riêng. Còn khi nhãn
được mang trong một tiêu đề riêng, thì thơng tin về tài ngun mà gói tin có
thể sử dụng có thể bị mã hóa như là một phần của tiêu đề đó, nên nhãn chỉ
mang thơng tin về định tuyến. Nhưng việc mã hóa phần thơng tin của nhãn là
tùy chọn do đó một nhãn ở trong tiêu đề riêng có thể mang cả hai thơng tin
trên.
Đơn giản hóa thuật tốn định tuyến mà được sử dụng bởi thành phần
định tuyến chuyển mạch nhãn sẽ làm đơn giản việc tạo thuật toán bằng phần
cứng và sẽ cho phép định tuyến nhanh hơn mà không cần đến các phần cứng
đắt tiền.
Một tính chất quan trọng của thuật toán định tuyến được sử dụng bởi
chuyển mạch nhãn là một LSR có thể lấy tất cả thơng tin cần thiết cho việc
định tuyến một gói tin cũng như phải quyết định tài nguyên nào mà gói tin có
thể sử dụng chỉ trong một lần truy cập bộ nhớ. Bởi vì một mục trong bảng
định tuyến có chứa tất cả các thơng tin cần thiết và nhờ có nhãn mà ta sẽ xác
định đúng mục cần tìm. Chính đặc điểm này làm cho chuyển mạch nhãn thích
hợp như là một kỹ thuật cho hiệu quả định tuyến cao.
Việc trao đổi nhãn kết hợp với khả năng mang nhãn trong các kỹ thuật
lớp liên kết sẽ cho phép nhiều thiết bị khác nhau có thể được sử dụng để làm
LSR. Ví dụ, mang nhãn trong trường VCI của tế bào ATM cho phép biến
phần cứng của chuyển mạch ATM thành LSR với việc cung cấp thêm phần
mềm điều khiển thích hợp. Tương tự, việc mang nhãn trong tiêu đề riêng
trong gói tin làm cho các router truyền thống có thể xử lý nó bằng phần mềm,
do đó, với một phần mềm thích hợp, một router truyền thống có thể trở thành
một LSR.
8.3.5. Thuật toán định tuyến đơn

Trong kiến trúc định tuyến truyền thống, những chức năng khác nhau
được cung cấp bởi thành phần điều khiển (như là định tuyến unicast, định
tuyến multicast, định tuyến unicast với kiểu của dịch vụ) yêu cầu những thuật
toán khác nhau trong thành phần định tuyến (xem hình 8.8).

96


Chức năng
định tuyến

Định tuyến
unicast

Định tuyến unicast
với Loại dịch vụ

Thuật toán
định hướng

Kết hợp dài
nhất với
địa chỉ đích

Kết hợp dài nhất
với địa chỉ đích +
kết hợp chính xác
với Loại dịch vụ

Định tuyến

multicast
Kết hợp dài nhất với địa
chỉ nguồn + kết hợp
chính xác với địa chỉ đích
và giao diện ngõ vào

Hình 8.8: Kiến trúc định tuyến truyền thống.

Một tính chất quan trọng của chuyển mạch nhãn là sẽ khơng có nhiều
thuật tốn định tuyến khác nhau trong thành phần định tuyến của nó, thành
phần định tuyến chỉ gồm một thuật toán dựa trên việc trao đổi nhãn (xem hình
8.9). Đây là điểm phân biệt quan trọng giữa hai kiểu kiến trúc định tuyến.
Chức năng
định tuyến

Định tuyến
unicast

Thuật toán
định hướng

Định tuyến unicast
với Loại dịch vụ

Định tuyến
multicast

Thuật tốn định hướng chung
(trao đổi nhãn)


Hình 8.9: Kiến trúc chuyển mạch nhãn

Chúng ta có thể nghĩ rằng nếu thành phần định tuyến chỉ có một thuật
tốn định tuyến có thể hạn chế đến các chức năng được hỗ trợ bởi chuyển
mạch nhãn. Nhưng thật sự thì khơng phải vậy, khả năng hỗ trợ nhiều chức
năng định tuyến với chỉ một thuật toán định tuyến là một trong những điểm
quan trọng của chuyển mạch nhãn. Thực sự, như chúng ta sẽ xem sau, thì
chức năng mà chuyển mạch nhãn hỗ trợ nhiều hơn so với các kiến trúc định
tuyến truyền thống.
8.3.6. Đa giao thức: trên và dưới
Từ những mô tả trước về thành phần định tuyến chuyển mạch nhãn,
chúng ta có thể thấy rõ hai điều quan trọng. Điều đầu tiên là thành phần định
tuyến không làm rõ là với một lớp mạng nào cả, ví dụ, cùng một thành phần
định tuyến có thể được sử dụng để chuyển mạch nhãn với IP cũng như chuyển
mạch nhãn với IPX. Điều này làm cho chuyển mạch nhãn như là một giải
pháp đa giao thức (multiprotocol) tương thích với các giao thức lớp mạng
(xem hình 8.10).

97


IPv6

IPv4

IPX

Apple Talk

Giao thức

lớp mạng

Điểm - điểm
(Point-to-Point)

Frame Relay

ATM

FDDI

Ethernet

Chuyển mạch nhãn
(Label Switching)

Giao thức
lớp liên kết

Hình 8.10: Đa giao thức: trên và dưới.

Ngồi ra, khả năng đa giao thức của chuyển mạch nhãn vượt xa khả
năng hỗ trợ nhiều giao thức lớp mạng khác nhau, chuyển mạch nhãn cịn có
khả năng hoạt động trên bất kỳ giao thức lớp liên kết nào. Điều này làm cho
chuyển mạch nhãn như là một giải pháp đa giao thức tương thích với các giao
thức lớp liên kết.
Những tính chất trên của chuyển mạch nhãn đã giải thích tại sao nhóm
làm việc IETF đặt tên cho việc tiêu chuẩn hoá kỹ thuật mới này là Chuyển
mạch nhãn đa giao thức - MPLS (Multiprotocol Label Switching).
8.4. Thành phần điều khiển

Như ta đã đề cập ở trên, việc tách phần định tuyến lớp mạng thành hai
phần định tuyến và điều khiển không chỉ áp dụng cho kiểu kiến trúc định
tuyến truyền thống mà cịn có thể áp dụng cho chuyển mạch nhãn. Thành
phần điều khiển của chuyển mạch nhãn chịu trách nhiệm về việc phân bố các
thông tin định tuyến giữa các LSR và những thủ tục mà những LSR đó sử
dụng để đổi các thơng tin này thành bảng định tuyến để sử dụng bởi thành
phần định tuyến trong hệ thống. Giống như các thành phần điều khiển của các
hệ thống định tuyến khác, thành phần điều khiển của chuyển mạch nhãn phải
đáp ứng sự phân bố nhất quán về thông tin định tuyến giữa các LSR cũng như
các thủ tục nhất quán để xây dựng bảng định tuyến.
Có sự giống nhau rất lớn về thành phần điều khiển giữa kiểu kiến trúc
truyền thống và chuyển mạch nhãn. Thực tế, thành phần điều khiển của
chuyển mạch nhãn bao gồm tất cả các giao thức định tuyến (như là OSPF,
BGP, PIM,…) đã được sử dụng bởi thành phần điều khiển của kiểu định
tuyến trước. Và có thể hiểu là thành phần định tuyến kiểu truyền thống là một
phần của thành phần định tuyến chuyển mạch nhãn.
98


Tuy nhiên, thành phần điều khiển của kiểu định tuyến truyền thống
không đủ để hỗ trợ chuyển mạch nhãn. Bởi vì thơng tin định tuyến được cung
cấp bởi thành phần này không đủ để xây dựng bảng định tuyến cho thành
phần định tuyến của chuyển mạch nhãn, vì bảng này phải chứa sự ánh xạ giữa
nhãn và trạm kế tiếp.
Để có thể hỗ trợ được thì chúng ta cần có những thủ tục để LSR có thể
•

Tạo sự kết hợp giữa nhãn và FEC.

•


Thơng tin cho các LSR khác về sự kết hợp này.

•

Sử dụng hai thủ tục trên để xây dựng và duy trì bảng định tuyến để
chuyển mạch nhãn sử dụng.

Toàn bộ cấu trúc của thành phần điều khiển chuyển mạch nhãn được
trình bày như trong hình 8.11.
Những giao thức
định tuyến lớp mạng
(OSPF, BGP, PIM)

Những thủ tục
tạo kết nối
giữa nhãn và FEC

Những thủ tục
phân bố thông tin
kết hợp nhãn

Sự duy trì bảng định hướng

Hình 8.11: Thành phần điều khiển chuyển mạch nhãn

Những giao thức định tuyến lớp mạng cung cấp cho LSR sự ánh xạ giữa
các FEC và địa chỉ trạm kế tiếp. Những thủ tục để tạo ra sự kết hợp giữa nhãn
và FEC, và phân bố thông tin kết hợp này giữa các thiết bị chuyển mạch nhãn
cung cấp cho LSR sự ánh xạ giữa các FEC và nhãn. Sự kết hợp hai ánh xạ

trên cung cấp những thông cần thiết để xây dựng bảng định tuyến được sử
dụng bởi thành phần định tuyến chuyển mạch nhãn (xem hình 8.12).

99


Những thủ tục
tạo kết nối
giữa nhãn và FEC

Những thủ tục
phân bố thông tin
kết hợp nhãn

giữ

a

EC
aF

FE

iữ

C

ạg

và


hx

nh

Án

ãn

Những giao thức
định tuyến lớp mạng
(OSPF, BGP, PIM)

m

Án

trạ

h

xạ

và
kế

Bảng định hướng chuyển mạch nhãn
(ánh xạ nhãn đến trạm kế)

Hình 8.12: Quá trình xây dựng một bảng định hướng

8.4.1. Kết hợp trong và kết hợp ngoài
Nhắc lại là mỗi mục trong bảng định tuyến được duy trì bởi LSR chứa
một nhãn vào và một hay nhiều nhãn ra. Tương ứng với hai kiểu nhãn trong
bảng định tuyến, thành phần điều khiển cung cấp hai kiểu kết hợp nhãn. Kiểu
kết hợp đầu tiên xảy ra khi router tạo sự kết hợp với nhãn được chọn và gán
một cách nội bộ. Kiểu kết hợp nhãn thứ hai xảy ra khi router nhận các thông
tin kết hợp nhãn của những LSR khác.
Điểm khác nhau quan trọng giữa kết hợp trong và kết hợp ngoài là với
kết hợp trong nhãn đuợc chọn một cách nội bộ, bởi chính LSR đó, trong khi
đó thì với kết hợp ngồi thì nhãn được chọn bởi các LSR khác.
8.4.2. Kết hợp ngược dòng và kết hợp xi dịng
Thành phần điều khiển chuyển mạch nhãn sử dụng cả hai kiểu kết hợp
trong và ngoài để xây dựng bảng định tuyến với nhãn vào và nhãn ra. Có hai
cách để thực hiện điều này. Cách đầu tiên là khi nhãn từ kết hợp trong được
dùng là nhãn vào và nhãn từ kết hợp ngoài được dùng là nhãn ra. Cách thứ hai
thì hồn tồn ngược lại, nhãn từ kết hợp trong được dùng làm nhãn ra và nhãn
được dùng từ kết hợp ngoài được dùng làm nhãn vào.
Cách đầu tiên được gọi là kết hợp nhãn xi dịng (downstream label
binding) vì sự kết hợp giữa một nhãn được mang trong gói tin và một FEC
được tạo bởi một LSR xi dịng (downstream LSR) so với LSR gắn nhãn
100


vào gói tin (xem hình 8.13). Rõ ràng rằng với kết hợp nhãn xi dịng, gói tin
mang nhãn chạy ngược hướng so với chiều chạy của luồng thông tin kết hợp
nhãn.
Cách thứ hai gọi là kết hợp ngược dòng (upstream label binding) bởi vì
sự kết hợp giữa một nhãn được mang trong gói tin và một FEC được tạo bởi
cùng một LSR mà đặt nhãn vào gói tin, nghĩa là sự kết hợp nhãn ở “ngược
dòng” so với luồng chảy của gói tin (xem hình 8.13). Rõ ràng rằng với kết

hợp nhãn ngược dịng, gói tin mang nhãn chạy cùng hướng so với chiều chạy
của luồng thông tin kết hợp nhãn.
Các gói với
nhãn X

Các gói với
nhãn X

Thơng tin
kết hợp cho
nhãn X

Xi dịng

Thơng tin
kết hợp cho
nhãn X

Ngược dịng

Hình 8.13: Kết hợp nhãn ngược dịng và xi dịng
8.4.3. Nhãn tự do
Một LSR ln có một tập các nhãn tự do (nhãn chưa có kết hợp). Khi
LSR được khởi tạo, tập này chứa tất cả các nhãn mà LSR có thể dùng để kết
hợp trong. Kích thước của tập sẽ xác định bao nhiêu sự kết hợp nhãn đồng
thời mà LSR có thể hỗ trợ. Khi router tạo ra một kết hợp trong mới, router lấy
một nhãn trong tập, khi router hủy bỏ một kết hợp, nó sẽ trả lại nhãn này cho
tập nhãn.
Nhắc lại là một LSR có thể duy trì một bảng định tuyến đơn hay là nhiều
bảng định tuyến, mỗi bảng cho một giao diện. Khi router duy trì một bảng

định tuyến, nó sẽ duy trì một tập nhãn tự do, cịn khi router duy trì nhiều bảng
thì nó sẽ duy trì nhiều tập nhãn, mỗi tập cho một bảng.
8.4.4. Kết hợp nhãn tuyến điều khiển và tuyến dữ liệu
LSR tạo ra hay hủy bỏ một kết hợp nhãn giữa một nhãn và một FEC khi
có một sự kiện xảy ra. Sự kiện đó có thể được kích hoạt bởi những gói dữ liệu
101


mà được định tuyến bởi LSR đó hay bởi những thông tin điều khiển định
tuyến (như là các bản tin OSPF routing updates, PIM JOIN/PRUNE, RSVP
PATH / RESV) mà được xử lý bởi LSR đó. Khi việc tạo ra hay hủy bỏ kết
hợp được kích hoạt bởi các gói dữ liệu thì chúng ta gọi đó là kết hợp nhãn
tuyến dữ liệu (data_driven label binding), cịn khi được kích hoạt bởi thông
tin điều khiển, chúng ta gọi là kết hợp nhãn tuyến điều khiển (control_driven
label binding).
Có nhiều tùy chọn đối với cả hai loại trên. Ví dụ, phần tuyến dữ liệu sẽ
tạo ra sự kết hợp cho một luồng gói của một ứng dụng ngay khi nó thấy gói
tin đầu tiên của luồng, hay nó sẽ đợi cho đến khi có nhiều gói tin hơn để
luồng đủ dài để được phép tạo kết hợp.
Sự lựa chọn giữa các phương pháp thiết lập kết hợp rõ ràng ảnh hưởng
đến hiệu quả và vấn đề phát triển (được đề cập ở phần trước), nghĩa là phương
pháp thiết lập đó hoạt động như thế nào khi mạng phát triển. Và chúng ta
cũng xét vài ảnh hưởng đến sự linh hoạt, được hiểu là các phương pháp hoạt
động như thế nào trong các điều kiện khác nhau.
8.4.4.1. Hiệu quả
Điều đầu tiên phải chú ý về hiệu quả là, dưới điều kiện lý tưởng, một
LSR có thể định tuyến dữ liệu tại bất cứ tốc độ nào mà thành phần định tuyến
chuyển mạch nhãn hoạt động, bất kể đến LSR sử dụng kết hợp nhãn tuyến dữ
liệu hay là tuyến điều khiển. Trong nhiều trường hợp, điều này được quyết
định bởi tốc độ phần cứng nằm dưới. Do đó, ví dụ, nếu một chuyển mạch

nhãn chạy trên một chuyển mạch ATM, thì hiệu quả định tuyến cao nhất là
hiệu quả cao nhất của chuyển mạch ATM đó. Hầu hết chuyển mạch ATM có
thể định tuyến lưu lượng với vận tốc “đường dây” tại tất cả giao tiếp của nó.
Do đó, ví dụ, một chuyển mạch 16 cổng OC-3 sẽ có khả năng định tuyến gần
tới 16*155 Mb/s = 2.5 Gb/s. Trong điều kiện lý tưởng, bất cứ chuyển mạch
nhãn nào sử dụng chuyển mạch này đều có thể đạt được cùng thơng lượng
trên.
Điều quan trọng ở đây là “trong điều kiện lý tưởng”. Câu hỏi được đặt ra
là môi trường hoạt động thực tế gần với điều kiện lý tưởng như thế nào. Câu
hỏi này thật sự khó mà trả lời, đặc biệt đối với kết hợp hướng dữ liệu. Ví dụ,
điều kiện lý tưởng cho kết hợp hướng dữ liệu mà nhãn được liên kết với luồng
dữ liệu ứng dụng là khi luồng đó có chiều dài vơ tận. Trong trường hợp này,
cái giá thiết lập đường dẫn chuyển mạch nhãn cho một luồng được trả dần qua
chiều dài vơ hạn của luồng đó trở nên không thể chấp nhận được.
102


Các nghiên cứu đã được thực hiện để xác định các mạng thực tế cách xa
bao nhiêu so với điều kiện lý tưởng. Phần khó khăn của các nghiên cứu trên là
tìm các số liệu thống kê lưu lượng thực tế, vì hầu hết các nhà vận hành mạng
rất khơng thích thú trước việc đưa ra chi tiết các dấu tích lưu lượng của họ
trước cơng chúng. Ngồi ra, ngay cả nếu có lấy được các dữ liệu cần thiết thì
cũng khơng đảm bảo rằng nó sẽ phản ánh chính xác một mạng tiêu biểu ngay
tại thời điểm nó được thu thập.
Kết hợp nhãn tuyến dữ liệu giả sử rằng một LSR hỗ trợ cả hai thành
phần định tuyến của chuyển mạch nhãn và của kiểu định tuyến truyền thống.
Hiệu quả chính của tuyến dữ liệu khi điều kiện hoạt động chệch khỏi điều
kiện lý tưởng là các gói tin nào khơng được chuyển mạch nhãn thì phải được
xử lý bởi thành phần định tuyến truyền thống, và đương nhiên, khả năng định
tuyến của nó phải bé hơn so với thành phần định tuyến của chuyển mạch

nhãn. Điều quan tâm ở đây là bao nhiêu tải có thể được chuyển cho thành
phần định tuyến truyền thống.
Nếu chúng ta thích tạo kết hợp nhãn bằng kết hợp tuyến dữ liệu, ví dụ,
bằng cách tạo kết hợp nhãn tại gói tin đầu tiên của một luồng mới, thì có thể
chúng ta khơng cần dùng tới thành phần định tuyến truyền thống vì thành phần
này chỉ định tuyến một gói cho mỗi luồng. Nhưng điều này sẽ có ảnh hưởng
ngược lại lên vấn đề phát triển, và trong lúc ban đầu để tạo kết hợp nhãn chúng
ta phải đợi quá trình phân bố và thiết lập kết hợp nhãn tại các LSR khác, sẽ hiệu
quả hơn nếu trong khi đó, các gói tin bắt đầu của một luồng được định tuyến
bằng thành phần định tuyến truyền thống. Nhưng chúng ta cần phải biết ở đây
là bao nhiêu gói tin bắt đầu của một luồng được định tuyến bởi thành phần định
tuyến truyền thống thì đủ (trong q trình kết hợp nhãn), các gói sau đó sẽ được
định tuyến bằng chuyển mạch nhãn (khi q trình kết hợp nhãn xong). Phần gói
tin được định tuyến bởi thành phần định tuyến truyền thống phụ thuộc vào tốc
độ của luồng mới đến và số lượng gói tin mỗi luồng mà không được chuyển
mạch nhãn. Tốc độ của luồng đến PPS (Packet per second) bằng với tải đưa ra
trong các gói tin trong một giây chia cho số lượng gói tin trung bình trong mỗi
luồng.
PPS u cầu = (các gói được định tuyến mỗi luồng) *
(PPS đưa ra)/(số gói mỗi luồng).
Phần khó ở chỗ này là số các gói được định tuyến mỗi luồng. Ngay cả
nếu phần nhận dạng dịng có một quy luật đơn giản như “tạo kết hợp nhãn cho
bất cứ luồng nào mà dài hơn 10 gói”, sẽ có nhiều luồng chỉ có một gói, sẽ đặt
nhiều tải lên phần định tuyến truyền thống.

103


Sự thống nhất của nghiên cứu là hiệu quả của kết hợp tuyến dữ liệu
trong điều kiện tải thực tế khá cao 70-80% và do đó có thể đạt được hiệu suất

của phần cứng nằm dưới. Phần quan tâm chính của tuyến dữ liệu là vấn đề
phát triển và sự linh hoạt trong điều kiện có sự thay đổi lưu lượng.
Một hệ quả nữa phát sinh bởi việc tuyến dữ liệu (và ít ảnh hưởng bởi
tuyến điều khiển) là phần tài nguyên được yêu cầu của thành phần điều khiển
chuyển mạch nhãn. Mỗi lần một LSR quyết định một luồng có thể được
chuyển mạch nhãn, nó cần phải trao đổi thông tin kết hợp nhãn với các LSR
xung quanh, mà nó có thể cần thay đổi vài trạng thái kết hợp trong của nó. Tất
cả các việc trên sẽ tiêu tốn tài nguyên của thành phần điều khiển chuyển mạch
nhãn. Thật là khó mà tính được hoạt động của việc thiết lập và phân bố kết
hợp nhãn sẽ tiêu tốn bao nhiêu tài nguyên, nhưng mà ta dễ dàng thấy được
hiệu quả của tuyến dữ liệu dễ bị ảnh hưởng bởi việc này nhất. Nếu LSR
không thiết lập và phân bố trạng thái kết hợp nhãn tại tốc độ yêu cầu bởi thuật
tốn phát hiện dịng (flow detection algorithm), thì chỉ có phần nhỏ của luồng
được chuyển mạch nhãn, và do đó hiệu quả cũng giảm.
Thế thì cịn kết hợp tuyến điều khiển thì sao? Giống như tuyến dữ liệu,
nó có thể hoạt động tại tốc độ phần cứng nằm dưới trong điều kiện lý tưởng,
nhưng định nghĩa cho “lý tưởng” thì rất khác. Ví dụ, khi cung cấp chức năng
định tuyến dựa vào địa chỉ đích, thì điều kiện lý tưởng cho hướng điều khiển
khá đơn giản: chừng nào mà cấu trúc mạng cịn ổn định, thì tất cả lưu lượng
mà đến tại một LSR (khơng phải ở rìa) có thể được chuyển mạch nhãn mà
khơng có 1 gói nào phải được chuyển cho phần xử lý điều khiển. Khơng
giống với tuyến dữ liệu, chúng ta có thể tưởng tượng mạng trong điều kiện lý
tưởng có thể tồn tại trong một khoảng thời gian dài.
Khi cấu trúc mạng thay đổi, thì vẫn có khả năng cho tuyến điều khiển
đạt được hiệu quả lý tưởng, nhắc lại là một kết hợp tuyến điều khiển có thể
biết thơng tin kết hợp cho router từ những “láng giềng”(neighbor) mà không
phải là trạm kế tiếp của router đó, trong trường hợp cấu hình mạng thay đổi
làm những “láng giềng” đó trở thành những trạm kế tiếp thì chuyển mạch
nhãn cũng khơng bị gián đoạn (có thể có trên vài nền phần cứng, có một vài
gói tin bị mất trong khi bảng định tuyến bị thay đổi).

Chú ý là khi cấu hình mạng thay đổi thì cũng ảnh hưởng đến hiệu quả của
tuyến dữ liệu. Nếu đường dẫn của một luồng thay đổi, thì đối với các LSR mới
trên đường dẫn đó xem như là một luồng mới được tạo ra. Và những luồng đó
đầu tiên phải được định tuyến bằng thành phần định tuyến truyền thống. Do đó,
khi mạng thay đổi sẽ đặt gánh nặng lên LSR nào bị trở thành một trạm kế mới
104


cho vài LSR khác. Đầu tiên, nó đột nhiên nhận được một lượng lớn các luồng
mà thường đi bằng đường dẫn khác. Sau đó các luồng mới này cần được phân
tích bởi các thuật tốn phát hiện luồng, và nó sẽ đặt thêm tải lên cả hai thành
phần định tuyến truyền thống và chuyển mạch nhãn làm giảm hiệu quả của
chuyển mạch nhãn.
Một vấn đề đáng chú ý về hiệu quả phát sinh khi có sự tập trung định
tuyến xảy ra. Và chúng ta lại sẽ thấy có sự xung đột giữa vấn đề phát triển và
hiệu quả. Hình 8.14 trình bày tình huống có sự tập trung định tuyến xảy ra,
LSR X có thể giao tiếp với mạng có tiền tố 10.0.1/24 (/24 nghĩa là tiền tố này
có 24 bit) qua LSR Y và có thể giao tiếp với mạng có tiền tố 10.0.0/24 qua
LSR Z. Những tiền tố này có cùng 23 bit cao và do đó chúng có thể được tổng
hợp lại thành 10.0.0/23. Do đó, LSR X có thể quảng bá tiền tố tổng hợp này
cho LSR M, nghĩa là, nếu LSR X và M tạo kết hợp nhãn cho tiền tố tổng hợp
này trong bảng định tuyến của nó, thì X chỉ có thể quảng bá một nhãn đơn
đến M cho tiền tố tổng hợp này. Khi LSR X nhận những gói từ M mà chứa
nhãn này, nó khơng thể xác định chính xác là phải định tuyến gói tin đi đâu và
nó phải dùng định tuyến truyền thống sử dụng tiêu đề lớp 3 để định tuyến.
Chú ý rằng X vẫn có thể chuyển mạch nhãn cho các gói khác, các gói từ Y
sang Z và ngược lại.
Vùng định tuyến A

Vùng định tuyến B


Y
10.0.1/24

X

M

10.0.0/24
Z

Hình 8.14: Ảnh hưởng của tập trung tuyến.

Tình huống này là tình huống tệ nhất đối với tuyến điều khiển LSR. Vấn
đề phát triển chỉ ra rằng sự kết hợp địa chỉ là tốt, nhưng nó lại tạo ra tình
huống mà định tuyến kiểu truyền thống thực hiện nhiều hơn chuyển mạch
nhãn. Sự ảnh hưởng đến hiệu quả đương nhiên tùy thuộc vào bao nhiêu phần
của lưu lượng không thể thực hiện bằng chuyển mạch nhãn và vào sự tương
quan của hai thành phần định tuyến.
105


Chúng ta cũng nên chú ý rằng việc kết hợp địa chỉ khơng phải xảy ra
ngẫu nhiên, nó được chọn kỹ lưỡng bởi các nhà thiết kế mạng để nâng cao
khả năng phát triển mạng. Do đó, có thể dự đốn trước ở chỗ nào nó sẽ gây ra
ảnh hưởng, và việc thiết kế mạng như vậy, có sự kết hợp địa chỉ, không được
đặt ở những nơi mà chuyển mạch nhãn được sử dụng chủ yếu, như là phần
chính của mạng đường trục (backbone) tốc độ cao. Và các nhà thiết kế mạng
phải cẩn thận đảm bảo rằng nếu một LSR được đặt tại một điểm kết hợp thì
nó phải có đủ khả năng định tuyến kiểu truyền thống để xử lý một phần lưu

lượng không thể được chuyển mạch nhãn.
8.4.4.2. Vấn đề phát triển
Như chúng ta đã vừa thảo luận, hiệu quả và vấn đề phát triển khá liên
quan đến nhau và thường xung đột với nhau. Một cách để ước định tính chất
phát triển của một chuyển mạch nhãn là xem bao nhiêu nhãn được chỉ định
trong các tình huống khác nhau.
Tổng quát, những bước để nâng cao hiệu quả như tăng sự nhạy cảm của
thuật toán phát hiện dịng, có những ảnh hưởng ngược lại đối với vấn đề phát
triển vì tăng số lượng nhãn. Để có cái nhìn sâu hơn về mối quan hệ giữa hiệu
quả và vấn đề phát triển của kết hợp tuyến dữ liệu, chúng ta sẽ xem xét một
vài dữ liệu lưu lượng được thu thập từ năm 1995 tại một điểm trao đổi
Internet ở vịnh San Francisco. Dữ liệu này được phân tích bởi các nhà nghiên
cứu của Ipsilon đã dưa ra các hình vẽ 8.15 và 8.16. Chúng ta chú ý là tổng các
lưu lượng chạy qua điểm thu thập tương đối nhỏ (so với nước Mỹ), chỉ vào
khoảng 30-40 Mbps, nên thông tin chủ yếu ở đây chủ yếu là về ý tưởng hơn là
các số liệu chính xác.
Hình 8.15 chỉ ra cả hai số lượng nhãn (được kết hợp) tức thời và số
lượng trao đổi thông tin kết hợp nhãn (để thiết lập kết nối) trên mỗi giây được
yêu cầu như là một chức năng của số lượng gói tin trong một luồng xem xét
trước khi thiết lập đường chuyển mạch nhãn. Dễ dàng trong thấy, nếu giảm sự
nhạy của thuật tốn phát hiện dịng sẽ nhanh chóng làm giảm số lượng nhãn
cần thiết.

106


Số kết nối thiết lập / giây

500
400

300
200
100
0
0

10

20

30

40

50

60

80

70

90

Tổng các kết nối

45000
40000
35000
30000

25000
20000
15000
10000
5000
0

600

Số kết nối
Tổng kết nối

100

Các gói được nhận trước khi chuyển mạch luồng

Phần trăm

Hình 8.15: Ảnh hưởng của độ nhạy tới phân loại dịng
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10

0

Phần trăm byte được
chuyển mạch
Phần trăm gói được
chuyển mạch

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Các gói được nhận trước khi chuyển mạch luồng


Hình 8.16: Ảnh hưởng của độ nhạy tới phân loại dịng

Hình 8.16 cho thấy phần trăm của số byte và số gói tin kết thúc được
chuyển mạch nhãn, một lần nữa là một chức năng của số lượng các gói tin
được xem xét tại bắt đầu mỗi luồng trước khi nó được chuyển mạch nhãn.
Điều tốt ở đây là tổng lượng dữ liệu mà có thể được chuyển mạch nhãn được
đo bằng byte hoặc bằng gói sẽ giảm chậm số lượng nhãn u cầu cho thuật
tốn phát hiện dịng giảm (chú ý rằng một nhãn là tương đương với một kết
nối). Nó có nghĩa là chúng ta sẽ xem xét nhiều gói tin hơn trước khi quyết
định chuyển mạch nhãn cho một luồng.
Với kết hợp tuyến điều khiển, tính chất phát triển khơng phụ thuộc vào
tính tự nhiên của lưu lượng dữ liệu nhưng vào tính chất của lưu lượng điều
khiển, mà nó lại phụ thuộc vào cấu trúc mạng. Ví dụ, trong kết hợp nhãn
tuyến điều khiển cho mỗi tiền tố trong bảng định tuyến, số lượng của nhãn dễ
dàng có thể tính được, vào năm 2000, những bảng định tuyến lớn nhất trong
107


backbone Internet chứa khoảng 60.000 tiền tố mạng. Đương nhiên, không kết
hợp một nhãn cho mỗi mục trong bảng định tuyến. Như chúng ta sẽ thấy ở
sau, ví dụ một LSR tại lõi của Internet có thể kết hợp một nhãn cho mỗi router
ở rìa (edge router) của một miền mà nó ở trong, trên thứ tự vài trăm nhãn.
8.4.4.3. Độ linh hoạt
Trong khi so sánh độ linh hoạt của các nghiên cứu khác nhau, chúng ta
cố gắng trả lời câu hỏi “Cái nào dễ bị ảnh hưởng hơn về hiệu quả và vấn đề
phát triển khi môi trường mạng thay đổi ?”. Như vài thảo luận trước đã chỉ ra,
kết hợp tuyến dữ liệu dường như không theo kịp với tuyến điều khiển. Bởi vì
điều này khá trực giác: sự thay đổi của luồng dữ liệu ln khó dự đốn hơn
luồng thơng tin điều khiển. Để tạo thay đổi trong luồng dữ liệu là một ứng

dụng mới hay là một thay đổi trong việc sử dụng của một ứng dụng đang
dùng. Ví dụ, giả sử một Web site cung cấp vài dịch vụ giao dịch như định giá
cổ phiếu trên Internet, đột nhiên luồng lưu lượng đến website đó sẽ bao gồm
nhiều luồng nhỏ mà không thể được chuyển mạch nhãn, làm gia tăng tải lưu
lượng lên thành phần định tuyến truyền thống.
Khơng khó để đưa ra nhiều tình huống khác nhau về sự thay đổi cách sử
dụng của người sử dụng hay của ứng dụng sẽ có thể gây ảnh hưởng nghiêm
trọng trong kết hợp tuyến dữ liệu. Nhưng những thay đổi đó khó có thể ảnh
hưởng đến tuyến điều khiển. Thường thường, khơng có sự thay đổi của thông
tin định tuyến trong một khoảng thời gian ngắn, chỉ có những thay đổi căn
bản thực sự trong cách xây dựng mạng mới có thể ảnh hưởng đến kết hợp
tuyến điều khiển.
8.4.5. Phân bố thông tin kết hợp nhãn
Một khi tạo ra hay hủy bỏ một kết hợp giữa một nhãn được chọn nội bộ
và một FEC, LSR cần thông báo cho các LSR khác về việc này để các LSR
khác tạo ra hay hủy bỏ kết hợp nhãn ngồi. Phân bố thơng tin kết hợp nhãn có
thể thực hiện bởi nhiều cách.
8.4.5.1. Đặt trên đỉnh của các giao thức định tuyến
Một cách để phân bố thông tin kết hợp là đặt thông tin này vào các giao
thức định tuyến. Điều này chỉ thực hiện được đối với kết hợp tuyến điều
khiển, bởi vì nó “cột” (ties) phân bố thông tin nhãn vào phân bố thông tin điều
khiển (định tuyến), và nó có vài tính chất khá hấp dẫn. Đầu tiên, nó làm phân
bố thơng tin kết hợp nhãn phù hợp với phân bố của thông tin định tuyến. Nó
cịn tránh được hiện tượng tranh chấp, khi thơng tin kết hợp nhãn (kết hợp
108