BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----[\[\-----

NGUYỄN THỊ THANH THÚY

ĐỊNH TUYẾN TRONG MPLS
ỨNG DỤNG MPLS TRÊN MẠNG VN2 - VNPT
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS. NGUYỄN ĐỨC MINH

HÀ NỘI – 2010


1

Định tuyến trong MPLS

Ứng dụng MPLS trên mạng VN2 - VNPT

LỜI CAM ĐOAN
Kính gửi : Trung tâm Đào tạo và Bồi dưỡng sau Đại học
Trường Đại học Bách khoa Hà nội

Tên tôi là : Nguyễn Thị Thanh Thúy

Sinh ngày: 13 – 03 – 1984
Học viên cao học khóa 2008 – 2010
Tôi xin cam đoan, toàn bộ kiến thức và nội dung trong bài luận văn
của mình là các kiến thức tự nghiên cứu từ các tài liệu tham khảo trong và
ngoài nước, không có sự sao chép hay vay mượn dưới bất kỳ hình thức nào
để hoàn thành bản luận văn tốt nghiệp cao học chuyên ngành Điện tử Viễn
thông.
Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về nội dung của luận văn này
trước Trung tâm Đào tạo và Bồi dưỡng sau Đại học – Trường Đại học
Bách khoa Hà nội.
Hà Nội, ngày 21 tháng 10 năm 2010
Học viên

Nguyễn Thị Thanh Thúy

Nguyễn Thị Thanh Thúy

Cao học ĐTVT 2008 - 2010


Định tuyến trong MPLS

2

Ứng dụng MPLS trên mạng VN2 - VNPT

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè, tới các thầy cô giáo
của Trung tâm đào tạo và bồi dưỡng sau Đại Học, Khoa Điện tử - Viễn thông,

Ban Giám hiệu Trường Đại học Bách Khoa Hà nội đã hết sức tạo điều kiện,
động viên và truyền thụ các kiến thức bổ ích. Đặc biệt tôi xin gửi lời cám ơn
chân thành đến thầy giáo – T.S Nguyễn Đức Minh cùng các đồng nghiệp đã tận
tình giúp đỡ để tôi có thể hoàn thành tốt bài luận văn này.
Mặc dù hết sức cố gắng và nỗ lực hoàn thiện đề tài, tuy nhiên trong quá trình
thực hiện bản luận văn khó tránh khỏi những hạn chế, thiếu sót nhất định. Kính
mong được sự chỉ bảo, đóng góp chân thành của các quý thầy cô, các bạn bè, đồng
nghiệp để bản luận văn được hoàn thành tốt hơn.

Hà Nội, ngày 21 tháng 10 năm 2010
Học viên

Nguyễn Thị Thanh Thúy

Nguyễn Thị Thanh Thúy

Cao học ĐTVT 2008 - 2010


Định tuyến trong MPLS

3

Ứng dụng MPLS trên mạng VN2 - VNPT

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................................1
LỜI CẢM ƠN........................................................................................................................2
MỤC LỤC .............................................................................................................................3
THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT........................................................................................5

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU .........................................................................10
LỜI NÓI ĐẦU .....................................................................................................................12
CHƯƠNG 1 .........................................................................................................................13
TỔNG QUAN VỀ MPLS ....................................................................................................13
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG ..........................................................................................13
1.2. KHÁI NIỆM VÀ HOẠT ĐỘNG CƠ BẢN TRONG MPLS....................................14
1.2.1. Tính thông minh phân tán ..................................................................................14
1.2.2. Các thành phần cơ bản của mạng MPLS ...........................................................16
1.2.3. Giao thức phân phối nhãn LDP (Label Distribution Protocol)..........................25
1.2.4. Giao thức CR – LDP (Constraint-Based Routing-LDP)....................................30
1.2.5. Giao thức dành trước tài nguyên RSVP (Resource Reservation Protocol) .......31
1.2.6. Giao thức RSVP mở rộng ..................................................................................33
1.3. TỔNG KẾT CHƯƠNG ........................................................................................36
CHƯƠNG 2 .........................................................................................................................37
ĐỊNH TUYẾN TRONG MPLS...........................................................................................37
2.1. GIỚI THIỆU .............................................................................................................37
2.2. THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN CHUYỂN MẠCH NHÃN ....................................38
2.2.1. Tính toán và thiết lập tuyến với thuật toán CSPF..............................................40
2.2.2. Định tuyến ràng buộc MPLS với chức năng kỹ thuật lưu lượng.......................42
2.2.3. Vai trò của định tuyến trong việc cung cấp chất lượng dịch vụ .......................47
2.3. CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN..........................................................................52
2.3.1. Giao thức thông tin định tuyến RIP (Routing Information Protocol)................52
2.3.2. Giao thức định tuyến cổng nội IGRP (Interior Gateway Routing Protocol) ....54
2.3.3. Giao thức định tuyến cổng nội cao cấp EIGRP (Enhanced Interior Gateway
Routing Protocol).........................................................................................................55
2.3.4. Giao thức OSPF (Open Shortest Path First) .....................................................57
2.3.5. Giao thức cổng biên BGP (Border Gateway Protocol).....................................59
2.4. MÔ PHỎNG ĐỊNH TUYẾN RÀNG BUỘC TRONG MPLS .................................61
2.4.1. Phân tích ............................................................................................................61
2.4.2. Mô hình và kết quả mô phỏng ...........................................................................61

2.5. TỔNG KẾT CHƯƠNG ............................................................................................65
CHƯƠNG 3 .........................................................................................................................66
ỨNG DỤNG MPLS TRÊN MẠNG VN2 CỦA VNPT ......................................................66
3.1. CẤU TRÚC CHỨC NĂNG MẠNG NGN CỦA VNPT.........................................66
3.1.1. Lớp truy nhập và truyền dẫn của mạng NGN....................................................66
3.1.2. Lớp truyền thông của mạng NGN .....................................................................66
3.1.3. Các thành phần của NGN ..................................................................................68
3.1.4. Sơ đồ tổng thể mạng NGN của tập đoàn VNPT ................................................70
3.2. CÁC MÔ HÌNH TRIỂN KHAI MẠNG ĐƯỜNG TRỤC ỨNG DỤNG MPLS.....72
3.2.1. Mô hình 1: MPLS trong mạng lõi......................................................................73

Nguyễn Thị Thanh Thúy

Cao học ĐTVT 2008 - 2010


Định tuyến trong MPLS

4

Ứng dụng MPLS trên mạng VN2 - VNPT

3.2.2. Mô hình 2: ATM lõi, MPLS ở các tổng đài đa dịch vụ .....................................74
3.2.3. Mô hình 3: Mạng MPLS hoàn toàn: ..................................................................76
3.3. MPLS TRONG MẠNG VN2 CỦA VNPT ..............................................................79
3.3.1. Các phần tử trong mạng:....................................................................................79
3.3.2. Các dịch vụ VNPT cung cấp trên VN2..............................................................81
3.3.3. Các giao thức định tuyến và điều khiển trong mạng VN2.................................83
3.3.4. Các giai đoạn chuyển sang mạng VN2..............................................................86
KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG ........................................................................................88

ABSTRACT OF MASTER THESIS...................................................................................89
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................90

Nguyễn Thị Thanh Thúy

Cao học ĐTVT 2008 - 2010


5

Định tuyến trong MPLS

Ứng dụng MPLS trên mạng VN2 - VNPT

THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT
AAA

Authentication, Authorization

Xác thực, Phân quyền, tính cước

and Accounting
ADSL

Asymmetric Digital Subscriber

Đường dây thuê bao số bất đối

Line


xứng

AG

Access Gateway

Cổng truy nhập

ATM

Asynchronous Transfer Mode

Chế độ truyền dẫn không đồng
bộ

AS

Application Server

Máy chủ ứng dụng

ASON

Automatically switched optical

Mạng tự động chuyển mạch

network

quang


BGP

Border Gateway Protocol

Giao thức cổng đường biên

B-ISDN

Broadband Integrated Services

Mạng tổ hợp dịch vụ số băng

Digital Network

rộng

Broadband Remote Access

Máy chủ quản lý truy cập từ xa

Server

băng thông rộng

BSS

Business Support System

Các hệ thống hỗ trợ kinh doanh


CE

Customer Edge

Mạng biên của khách hàng

CESoPSN

Circuit Emulation Service over

Dịch vụ nhái mạch thông qua

Packet Switching Networks

mạng chuyển mạch gói

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo mã

CMTS

Cable Modem Terminal System

Hệ thống modem cáp đầu cuối

CR-LDP


Constrained Routing-LDP

Định tuyến cưỡng bức-LDP

CR-LSP

Constrained Routing-LSP

Định tuyến cưỡng bức-LSP

CSPF

Constrained Shortest Path First

Đường dẫn ngắn nhất bắt buộc

DeffServ

Differentiated Service

Mô hình dịch vụ phân biệt

DSP

Digital signal processing

Xử lý Tín hiệu Số

EGP


Edge Gateway Protocol

Giao thức định tuyến cổng biên

EIGRP

Enhanced Interior Gateway

Giao thức định tuyến nội cao cấp

BRAS

Nguyễn Thị Thanh Thúy

Cao học ĐTVT 2008 - 2010


Định tuyến trong MPLS

6

Ứng dụng MPLS trên mạng VN2 - VNPT

Routing Protocol
FS

Feature Server

Máy chủ chức năng


DWDM

Dense Wavelength Division

Ghép kênh phân chia theo bước

Multiplexing

sóng với mật độ cao

FR

Frame Relay

Chuyển tiếp khung

FEC

Fowarding Equivalent Class

Lớp chuyển tiếp tương đương

GMPLS

Generalized Multiprotocol Label

Chuyển mạch nhãn đa giao thức

Switching


tổng quát

GPRS

General Packet Radio Service

Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp

GSM

Global System for Mobile

Hệ thống thông tin di động toàn

Communications

cầu

ISDN Digital Subscriber Line

Mạng số tích hợp đa dịch vụ

IDSL

đường dây thuê bao số
IETF

Internet Engineering Task Force


Nhóm tác vụ kỹ thuật Internet

IntServ

Integrated Service

Mô hình tích hợp dịch vụ

IGP

Interior Gateway Protocol

Giao thức cổng nội

IP

Internet Protocol

Giao thức Internet

IPSec

Internet Protocol Security

Giao thức mạng về bảo mật

ISDN

Integrated Service Digital


Mạng số tích hợp đa dịch vụ

Network
ISP

Internet Service Provider

Nhà cung cấp dịch vụ Internet

IVR

Interactive Voice Response

Hệ thống trả lời tự động

LC - ATM

Label-controlled ATM

Điều khiển nhãn trong ATM

LAN

Local Area Network

Mạng cục bộ

LDP

Label Distribution Protocol


Giao thức phân bổ nhãn

LER

Label Edge Router

Router biên nhãn

LFIB

Label Forwarding Information

Cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn

Base
LIB

Label Information Base

Nguyễn Thị Thanh Thúy

Cơ sở thông tin nhãn

Cao học ĐTVT 2008 - 2010


Định tuyến trong MPLS

7


Ứng dụng MPLS trên mạng VN2 - VNPT

LSP

Label Switched Path

Đường dẫn chuyển mạch nhãn

LSA

Link-state advertisement

Quảng bá trạng thái kết nối

LSR

Label Switch Router

Router chuyển mạch nhãn

MGC

Media Gateway Controller

Điều khiển cổng phương tiện

MGCP

Media Gateway Controller


Giao thức điều khiển cổng

Protocol

phương tiện

MNS

MPLS Network Simulation

Mô phỏng mạng MPLS

MPLS

Multiprotocol Label Switching

Chuyển mạch nhãn đa giao thức

MS

Media Server

Máy chủ phương tiện

NGN

Next Generation Network

Mạng thế hệ kế tiếp


OSI

Open Systems Interconnection

Mô hình tham chiếu kết nối các
hệ thống mở

OSPF

Open Shortest Path First

Giao thức đường đi ngắn nhất
đầu tiên

OSS

Operations Support System

Các hệ thống hỗ trợ vận hành

PE

Provider Edge

Mạng biên của nhà cung cấp

PDH

Plesiochronous Digital


Phân cấp số cận đồng bộ

Hierarchy
PON

Passive Optical Networks

Mạng quang thụ động

PSTN

Public Switch Telephone

Mạng chuyển mạch điện thoại

Network

công cộng

PVC

Permanent virtual circuit

Mạch ảo cố định

QoS

Quality of Service


Chất lượng dịch vụ

RESV

Resevation

Bản tin dành trước

RFC

Request For Comment

Yêu cầu ý kiến

RIP

Routing Information Protocol

Giao thức định tuyến thông tin

RG

Residential Gateway

Cổng kết nối riêng

RSVP

Resource Resevation Protocol


Giao thức dành trước tài nguyên

RTP

Real-time Transport Protocol

Giao thức Vận chuyển Thời gian

Nguyễn Thị Thanh Thúy

Cao học ĐTVT 2008 - 2010


Định tuyến trong MPLS

8

Ứng dụng MPLS trên mạng VN2 - VNPT

Thực
RTCP

Real-Time Transport Control

Giao thức điều khiển Vận

Protocol

chuyển Thời gian Thực


PVC

Permanent virtual circuit

Kênh ảo

SAToP

Structure Agnostic TDM over

Mô phỏng cấu trúc TDM qua

Packet

packet

SDH

Synchronous Digital Hierachy

Hệ thống phân cấp số đồng bộ

SHDSL

High-speed Digital Subscriber

Đường dây thuê bao số tốc độ

Line


cao

SPF

Shortest Path First

Đường đi ngắn nhất đầu tiên

STM

Synchronous Transmission

Chế độ truyền dẫn đồng bộ

Mode
SVC

Switched Virtual Circuit

Mạch ảo chuyển mạch

SWG

Signaling Gateway

Cổng báo hiệu

TCP

Transission Control Protocol


Giao thức điều khiển truyền dẫn

TGW

Traffic Gateway

Cổng lưu lượng

TMN

Telecommunications

Mạng điều hành viễn thông

Management Network
TLV

Type-Leng-Value

Kiểu-Chiều dài-Giá trị

UDP

User Datagram Protocol

Giao thức lược đồ dữ liệu

UMTS


Universal Mobile

Hệ thống viễn thông di động

Telecommunications System

toàn cầu

VC

Virtual Circuit

Kênh ảo

VCI

Virtual Circuit Identifier

Nhận dạng kênh ảo

VNPT

Vietnam Post &

Tổng công ty BCVT Việt Nam

Telecommunications
VLL

Virtual Leased Line


Kênh thuê riêng ảo

VP

Virtual Path

Đường ảo

VPN

Virtual Private Network

Mạng riêng ảo

Nguyễn Thị Thanh Thúy

Cao học ĐTVT 2008 - 2010


Định tuyến trong MPLS

9

Ứng dụng MPLS trên mạng VN2 - VNPT

VPLS

Virtual Private LAN Service


VPRN

Virtual Private Routed Networks Mạng định tuyến riêng ảo

VPI

Virtual Path Identifier

Nhận dạng đường ảo

xDSL

x Digital Subcriber Line

Kênh thuê bao số

WAN

Wide Area Network

Mạng diện rộng

WDM

Wavelength Division

Ghép kênh quang theo bước

Multiplexing


sóng

Nguyễn Thị Thanh Thúy

Dịch vụ mạng LAN riêng ảo

Cao học ĐTVT 2008 - 2010


Định tuyến trong MPLS

10

Ứng dụng MPLS trên mạng VN2 - VNPT

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU
Hình 1. 1: Phân loại mạng viễn thông .................................................................................13
Hình 1. 2: MPLS domain, LSR, MPLS node ......................................................................16
Hình 1. 3: Cấu trúc nút của MPLS.......................................................................................16
Hình 1. 4: Mặt phẳng điều khiển và dữ liệu: a) IP; b) MPLS .............................................18
Hình 1. 5: Các thành phần mặt phẳng dữ liệu và mặt phẳng điều khiển của MPLS ...........19
Hình 1. 6: Định dạng cấu trúc nhãn .....................................................................................20
Hình 1. 7: Ngăn xếp nhãn ....................................................................................................21
Hình 1. 8: Ví dụ về sử dụng ngăn xếp nhãn ........................................................................22
Hình 1. 9: LSP qua mạng MPLS .........................................................................................24
Hình 1. 10: Mô hình LSP Nested.........................................................................................24
Hình 1. 11: Thủ tục phát hiện LSR lân cận .........................................................................26
Hình 1. 12: Định dạng LDP PDU và TLV ..........................................................................29
Hình 1. 13: Quá trình xây dựng LSP bằng giao thức CR – LDP.........................................30
Hình 1. 14: Cơ chế hoạt động của RSVP.............................................................................34

Hình 2. 1: Đường dẫn chuyển mạch nhãn ...........................................................................37
Hình 2. 2: Ví dụ về thuật toán CSPF .....................................................................................41
Hình 2. 3: OSPF và định tuyến ràng buộc ...........................................................................45
Hình 2. 4: Luồng thông điệp PATH và RESV ....................................................................49
Hình 2. 5: E-LSP.................................................................................................................51
Hình 2. 6: L - LSP................................................................................................................51
Hình 2. 7: Các khu vực trong một hệ thống tự trị................................................................57
Hình 2. 8: Ví dụ về mô hình mạng của các AS ...................................................................60
Hình 2. 9: Topology vật lý mạng thực hiện mô phỏng........................................................61
Hình 2. 10: Mô phỏng mạng IP không hỗ trợ MPLS ..........................................................62
Hình 2. 11: Băng thông sử dụng bởi các luồng lưu lượng khi mô phỏng mạng IP không hỗ
trợ MPLS .............................................................................................................................63
Hình 2. 12: Mô phỏng định tuyến ràng buộc trong MPLS ..................................................64
Hình 2. 13: Băng thông sử dụng bởi các luồng lưu lượng khi mô phỏng định tuyến ràng
buộc trong MPLS.................................................................................................................65

Nguyễn Thị Thanh Thúy

Cao học ĐTVT 2008 - 2010


Định tuyến trong MPLS

11

Ứng dụng MPLS trên mạng VN2 - VNPT

Hình 3. 1: Cấu trúc chức năng của NGN .............................................................................68
Hình 3. 2: Các thành phần của NGN ...................................................................................69
Hình 3. 3: Sơ đồ tổng thể mạng NGN của VNPT ...............................................................71

Hình 3. 4: Cấu hình tổ chức mạng MPLS phương án 1.......................................................73
Hình 3. 5: Cấu hình tổ chức mạng MPLS phương án 2.......................................................75
Hình 3. 6: Cấu hình tổ chức mạng MPLS phương án 3.......................................................77
Hình 3. 7: Sơ đồ mạng VN2 của VNPT .............................................................................79
Hình 3. 8: VN2 MPLS Topology.........................................................................................85
Hình 3. 9: Mức độ ưu tiên giữa các gói dịch vụ trong mạng ...............................................83
Bảng 2. 1: Kiến trúc định tuyến truyền thống......................................................................39
Bảng 2. 2: Kiến trúc định tuyến chuyển mạch nhãn ............................................................39
Bảng 2. 3: So sánh hai mô hình chất lượng dịch vụ ............................................................48
Bảng 2. 4: Các loại lớp dịch vụ phân biệt............................................................................50
Bảng 2. 5: Kết quả mô phỏng mạng IP không hỗ trợ MPLS...............................................62
Bảng 2. 6: Kết quả mô phỏng định tuyến ràng buộc trong MPLS domain .........................64
Bảng 3. 2: Khả năng cung cấp dịch vụ của ALU 7750 .......................................................82

Nguyễn Thị Thanh Thúy

Cao học ĐTVT 2008 - 2010


12

Định tuyến trong MPLS

Ứng dụng MPLS trên mạng VN2 - VNPT

LỜI NÓI ĐẦU
Khi mạng Internet ngày càng mở rộng, các vấn đề về mạng bắt đầu bộc lộ. Các
nhà cung cấp mạng và các nhà cung cấp dịch vụ cũng đã có nhiều nỗ lực để nâng
cấp cũng như xây dựng hạ tầng mạng mới. Nhiều công nghệ mạng và công nghệ
chuyển mạch đã được phát triển, trong số đó chúng ta phải kể đến công nghệ

chuyển mạch nhãn đa giao thức (Multi Protocol Label Switching).
Chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS) được tổ chức quốc tế IETF chính thức
đưa ra vào cuối năm 1977 và đã phát triển nhanh chóng trên toàn cầu. MPLS có thể
phối hợp và nâng cấp từ các mạng ATM hoặc Frame Relay đã có sẵn. Là công nghệ
đề xuất cho mạng lõi nên yêu cầu đối với các cơ chế định tuyến trong MPLS cần
phải đảm bảo tốc độ tính toán nhanh nhất và đạt hiệu năng tổng thể cho nhiều luồng
lưu lượng khác nhau. Hơn nữa việc cải thiện hiệu năng định tuyến luôn là một bài
toán được quan tâm hàng đầu trong mạng.
Hiện nay VNPT đang tiến hành xây dựng mạng thế hệ mới VN2 và sử dụng
công nghệ MPLS trong mạng lõi, luận văn “Định tuyến trong MPLS - Ứng dụng
MPLS trên mạng VN2 - VNPT” đã nghiên cứu về MPLS, các giao thức định tuyến
trong MPLS và ứng dụng trong mạng lõi của mạng truyền tải VN2.
Luận văn gồm 3 chương:
™ Chương 1 : Tổng quan về MPLS: Trình bày tổng quan về công nghệ chuyển
mạch nhãn đa giao thức MPLS gồm khái niệm, ưu điểm và những ứng dụng của
MPLS.
™ Chương 2 : Định tuyến trong MPLS: Trình bày về các thuật toán và giao thức
định tuyến trong MPLS. Mô phỏng định tuyến ràng buộc trong MPLS bằng
phần mềm NS2.
™ Chương 3: Ứng dụng MPLS trên mạng VN2 của VNPT: Trình bày về cấu
trúc mạng của VNPT, các mô hình triển khai MPLS trên mạng đường trục và
ứng dụng trên mạng truyền tải VN2.

Nguyễn Thị Thanh Thúy

Cao học ĐTVT 2008 - 2010


13


Định tuyến trong MPLS

Ứng dụng MPLS trên mạng VN2 - VNPT

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ MPLS
1.1.

GIỚI THIỆU CHUNG

Mạng viễn thông được phân thành mạng chuyển mạch (Switched
communication networks) và mạng quảng bá (Broadcast communition networks).
Mạng chuyển mạch với hai kỹ thuật chuyển mạch kênh (Circuit – Switched
networks) và chuyển mạch gói (Packet – Switched networks) đã được phát triển từ
rất lâu, trong đó chuyển mạch gói ngày càng chiếm ưu thế với sự ra đời lần lượt của
các kỹ thuật: X.25, ATM, Frame Relay, MPLS và GMPLS. Hình 1.1 mô tả cụ thể
phân loại mạng viễn thông.
Communication Networks

Switched
communication networks

Broadcast
communication networks
- Ethernet
- Packet radio network
- Satellite network

Circuit - Switched networks


Packet - Switched networks

- Telephone network
- Wavelength routing network

Connection – oriented
networks
- X.25
- ATM
- Frame relay
- MPLS

Connectionless networks
- IP network

Hình 1. 1: Phân loại mạng viễn thông
Chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS) là kết quả của quá trình phát triển
nhiều giải pháp chuyển mạch IP, được chuẩn hóa bởi IETF. MPLS đưa ra cấu trúc

Nguyễn Thị Thanh Thúy

Cao học ĐTVT 2008 - 2010


Định tuyến trong MPLS

14

Ứng dụng MPLS trên mạng VN2 - VNPT


hướng liên kết cho mạng phi liên kết IP. Tên gọi của nó bắt nguồn từ thực tế đó là
hoán đổi nhãn được sử dụng như là kỹ thuật chuyển tiếp nằm ở bên dưới, “đa giao
thức” có nghĩa là MPLS có thể hỗ trợ nhiều giao thức lớp mạng, không chỉ riêng IP.
“Nhãn” ở đây là một số được gán tại bộ định tuyến IP ở biên của miền MPLS hoặc
chuyển mạch nhãn xác định tuyến qua mạng để các gói được định tuyến một cách
nhanh chóng không cần phải tìm kiếm địa chỉ đích trong gói IP.
Kỹ thuật chuyển mạch nhãn không phải là kỹ thuật mới. Với các kỹ thuật lớp
liên kết như Frame relay và ATM , nhãn có thể được mang như một phần tiêu đề
(header) của lớp liên kết của nó để chuyển các khung (frame) hoặc các cell qua
mạng. 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.
MPLS dựa trên mô hình ngang cấp, vì vậy mỗi một thiết bị MPLS chạy một
giao thức định tuyến IP, trao đổi thông tin định tuyến với các thiết bị lân cận, và duy
trì một không gian cấu hình mạng và một không gian địa chỉ.
Trong chương này, chúng ta sẽ nghiên cứu các khái niệm và hoạt động cơ bản
của MPLS: Giao thức phân phối nhãn LDP (Label Distribution Protocol) và mở
rộng là giao thức phân phối nhãn định tuyến dựa trên ràng buộc CR – LDP
(Constraint - Base Routing LDP); Giao thức dành trước tài nguyên mạng RSVP
(Resource Reservation Protocol) và mở rộng là RSVP – TE (RSVP Traffic
Engineering).
1.2. KHÁI NIỆM VÀ HOẠT ĐỘNG CƠ BẢN TRONG MPLS
1.2.1. Tính thông minh phân tán
Trong mạng chuyển mạch kênh, tính thông minh chủ yếu tập trung ở mạng lõi
(core), 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 đặt ở mạng biên (edge),
ví dụ như các tổng đài nội hạt, truy nhập, ...

Nguyễn Thị Thanh Thúy


Cao học ĐTVT 2008 - 2010


Định tuyến trong MPLS

15

Ứng dụng MPLS trên mạng VN2 - VNPT

Trong mạng IP, tính thông minh gần như chia đều cho các thiết bị trong mạng.
Tất cả các router đều phải làm hai nhiệm vụ là định tuyến và chuyển mạch. Đây là
ưu điểm và cũng là nhược điểm của IP.
Quan điểm của MPLS là tính thông minh càng đưa ra biên thì mạng hoạt động
càng tốt. Lý do là những thành phần ở mạng lõi phải chịu tải rất cao nên năng lực
chuyển tải cần được ưu tiên hơn độ thông minh. MPLS phân tách hai chức năng
định tuyến và chuyển mạch: các router ở biên thực hiện định tuyến và gắn nhãn
(label) cho gói, còn các router ở mạng lõi chỉ tập trung làm nhiệm vụ chuyển tiếp
gói với tốc độ cao dựa vào nhãn. Tính thông minh được đẩy ra ngoài biên là một
trong những ưu điểm lớn nhất của MPLS.
Để hiểu rõ về cấu trúc MPLS, trước hết chúng ta phải hiểu hoạt động của IP
router. Một IP router bao gồm thành phần điều khiển và thành phần chuyển tiếp.
Thành phần điều khiển bao gồm các giao thức định tuyến như: Open Shortest Path
First (OSPF), Border gateway protocol (BGP) và Protocol Independent multicast
(PIM) dùng để cấu hình định tuyến cho các IP router. Các thông tin về định tuyến
được lưu trong bảng FIB (Forwarding Information Base).
Thành phần chuyển tiếp bao gồm các thủ tục để IP router chuyển tiếp các gói IP.
Router chuyển gói IP dựa vào tiền tố của địa chỉ IP (tiêu đề của gói). Các địa chỉ có
cùng tiền tố được xếp vào cùng một lớp chuyển tiếp tương đương FEC. Các gói IP
có cùng FEC sẽ có cùng giao diện đầu ra. Còn trong MPLS, mỗi FEC được liên kết
tới một nhãn khác nhau. Nhãn này được dùng để xác định giao diện đầu ra của gói

IP mà không cần tham chiếu đến địa chỉ của nó trong FIB. Như vậy, MPLS có thể
phân biệt các giao diện khác nhau, các thông tin khác nhau để xác định chính sách
xử lý thích hợp, đôi khi gói được định tuyến theo một đường biết trước khi gói đi
vào mạng.
Một mạng MPLS gồm các bộ định tuyến chuyển mạch nhãn Label Switching
Routers (LSR) và MPLS nodes. Hình 1.2 mô tả MPLS domain, LSR và MPLS node
(LSR). Một LSR là một IP router chạy các giao thức của MPLS, tách nhãn ra khỏi
FEC, chuyển các gói IP dựa trên thông tin nhãn và chuyển tiếp gói IP thông thường

Nguyễn Thị Thanh Thúy

Cao học ĐTVT 2008 - 2010


Định tuyến trong MPLS

16

Ứng dụng MPLS trên mạng VN2 - VNPT

bằng cách tra bảng FIB dựa trên tiêu đề gói. Một MPLS node là một LSR không
cần thiết phải có khả năng chuyển tiếp gói IP dựa trên tiêu đề của gói IP đó.

Hình 1. 2: MPLS domain, LSR, MPLS node
1.2.2. Các thành phần cơ bản của mạng MPLS
Một nút của MPLS có hai mặt phẳng: mặt phẳng chuyển tiếp MPLS và
mặt phẳng điều khiển MPLS. Nút MPLS có thể thực hiện định tuyến lớp ba hoặc
chuyển mạch lớp hai. Hình sau mô tả cấu trúc cơ bản của một nút MPLS

Hình 1. 3: Cấu trúc nút của MPLS

a. Mặt phẳng chuyển tiếp, mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu

Nguyễn Thị Thanh Thúy

Cao học ĐTVT 2008 - 2010


Định tuyến trong MPLS

17

Ứng dụng MPLS trên mạng VN2 - VNPT

Mặt phẳng chuyển tiếp (Forwarding plane):
Chuyển tiếp (forwarding) là hoạt động chuyển (switch) và định tuyến (route)
một gói: nhận gói ở một ngõ vào, xác định nó cần đi đến đâu bằng cách xem xét
trường thông tin trong nó và gửi nó ra đúng ngõ ra thích hợp.
Mặt phẳng chuyển tiếp có trách nhiệm chuyển tiếp gói dựa trên giá trị
chứa trong nhãn. Mặt phẳng chuyển tiếp sử dụng một cơ sở thông tin chuyển tiếp
nhãn LFIB (Label Forwading Information Base) để xác định cách xử lý các gói
MPLS đến, chẳng hạn xem xét nút kế tiếp nhận gói là nút nào.
Thuật toán mà được sử dụng bởi phần tử chuyển tiếp chuyển mạch nhãn sử dụng
thông tin chứa trong LFIB như là các thông tin chứa trong giá trị nhãn. Mỗi nút
MPLS có hai bảng liên quan đến việc chuyển tiếp là: cơ sở thông tin nhãn LIB và
LFIB. LIB chứa tất cả các nhãn được nút MPLS cục bộ đánh dấu và ánh xạ của các
nhãn này đến các nhãn được nhận từ láng giềng (MPLS neighbor) của nó.
LFIB sử dụng một tập con các nhãn chứa trong LIB để thực hiện chuyển tiếp gói.
Mặt phẳng điều khiển (control plane) và mặt phẳng dữ liệu (data plane):
Một mặt phẳng điều khiển là một tập hợp phần mềm và/hoặc phần cứng trong
một thiết bị, chẳng hạn như router, được dùng để điều khiển hoạt động thiết yếu

trong mạng như: phân phối nhãn, tìm tuyến mới, 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), mặt phẳng truyền dẫn (transport plane) cũng được
dùng để mô tả mặt phẳng dữ liệu.
Hình 1.4a mô tả mặt phẳng điều khiển và 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.

Nguyễn Thị Thanh Thúy

Cao học ĐTVT 2008 - 2010


18

Định tuyến trong MPLS

-

Ứng dụng MPLS trên mạng VN2 - VNPT

Trao đổi các bản tin theo chu kỳ (gọi là bản tin hello) để chắc rằng các nút
gần kề hoạt động tốt.


-

Trao đổi các bản tin quảng cáo (advertisment) về địa chỉ và tuyến để xây
dựng các bảng định tuyến được sử dụng bởi IP để chuyển tiếp lưu lượng.

Hình 1.4b mô tả hoạt động của MPLS với các mặt phẳng điều khiển và dữ liệu.
Trong đó 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.

a)

b)

Hình 1. 4: Mặt phẳng điều khiển và dữ liệu: a) IP; b) MPLS
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 kỳ (bản tin hello)
để chắc rằng các nút gần kề hoạt động tốt, trao đổi các bản tin địa chỉ và nhãn để
liên 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 không 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.

Nguyễn Thị Thanh Thúy

Cao học ĐTVT 2008 - 2010


19


Định tuyến trong MPLS

Ứng dụng MPLS trên mạng VN2 - VNPT

Hình 1.5 mô tả các thành phần mặt phẳng dữ liệu và mặt phẳng điều khiển của
MPLS.

Hình 1. 5: Các thành phần mặt phẳng dữ liệu và mặt phẳng điều khiển
của MPLS
Các module điều khiển MPLS bao gồm:
• Định tuyến Unicast (Unicast Routing)
• Định tuyến Multicast (Multicast Routing)
• Kỹ thuật lưu lượng (Traffic Engineering)
• Mạng riêng ảo (VPN – Virtual Private Network)
• Chất lượng dịch vụ (QoS – Quality of Service)
b. Lớp chuyển tiếp tương đương FEC
Thuật ngữ lớp chuyển tiếp tương đương FEC( Forwarding Equivalence Class)
được sử dụng trong chuyển mạch nhãn để mô tả sự liên hệ giữa các gói với địa chỉ
đích người nhận cuối, cho phép nhóm các gói vào các lớp khác nhau.
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/ đích, số cổng nguồn/ đích, nhận diện giao thức (Protocol ID), điểm
mã (code point) của các dịch vụ khác biệt IPv4, dòng nhãn IPv6.

Nguyễn Thị Thanh Thúy

Cao học ĐTVT 2008 - 2010



20

Định tuyến trong MPLS

Ứng dụng MPLS trên mạng VN2 - VNPT

c. Định dạng cấu trúc nhãn
Nhãn (label) là một khung nhận dạng có chiều dài cố định dùng để định tuyến
các gói. Một thiết bị chuyển mạch nhãn sẽ thay nhãn trong gói bằng một giá trị mới
trước khi chuyển tiếp nó tới điểm tiếp theo, do đó chúng ta gọi thuật toán định tuyến
là thuật toán trao đổi nhãn.
Đối với những kỹ thuật lớp liên kết dữ như ATM, thông tin thẻ được mang trong
header và vì thế, cho phép sử dụng lại những chức năng chuyển mạch có sẵn (ví dụ
như phần cứng của chuyển mạch ATM). Trong MPLS, thông tin nhãn được ghi
trong một thẻ riêng gọi là “Shim label”, chèn vào giữa tiêu đề lớp mạng và lớp liên
kết dữ liệu của gói dữ liệu. Cấu trúc của “Shim label” được mô tả trong hình 1.6.

Hình 1. 6: Định dạng cấu trúc nhãn
-

Trường nhãn (20-bits) mang giá trị thẻ, vùng này cho số lượng thẻ lên đến
220 = 1.048.576 thẻ (từ 0 đến 220 – 1).

-

Trường CoS (The Class of Service) gồm 3-bits dùng để xác định lớp dịch vụ
gói dữ liệu. Trường CoS gồm 3 bits do đó sẽ có 8 lớp dịch vụ riêng biệt được
duy trì. Giá trị vùng CoS được sử dụng tương tự như giá trị vùng IP
Precedence trong tiêu đề IP. Khi bộ định tuyến chuyển mạch nhãn rìa (edge
LSR - Label Switching Router) rìa gắn thẻ đầu tiên cho gói dữ liệu, chính

edge LSR này cũng sẽ quyết định lớp dịch vụ dành cho gói và ấn định một
giá trị tương ứng cho vùng CoS. Khi một LSR trung gian gắn thêm vào gói
một mức thẻ mới, giá trị CoS trong thẻ mới này sẽ giữ lại giá trị CoS của
mức thẻ cao nhất trước đây hoặc LSR này sẽ ấn định một giá trị mới.

Nguyễn Thị Thanh Thúy

Cao học ĐTVT 2008 - 2010


21

Định tuyến trong MPLS

-

Ứng dụng MPLS trên mạng VN2 - VNPT

Vùng chồng Stack (S) có 1 bít. Nếu S=1, thẻ này là thẻ cuối cùng (hay mực
nhãn thấp nhất) trong chồng thẻ. Ngược lại, S=0.

-

Vùng TTL (Time – to – Live) có chiều dài 8 bít, tương tự như vùng TTL
trong tiêu đề IP và các TSR chỉ xử lý vùng TTL của mức thẻ cao nhất.

d. Ngăn xếp nhãn (label stack)
Một trong những điều thú vị khi đưa ra chuyển mạch nhãn đó là ngăn xếp nhãn
hay còn gọi là chồng nhãn. Hình 1.7 mô tả ngăn xếp nhãn. S=1 cho biết thẻ này là
thẻ cuối cùng (hay mực nhãn thấp nhất) trong chồng thẻ.

Nhãn (20 bits)

CoS (3 bits)

S=0

TTL (8 bits)

Nhãn (20 bits)

CoS (3 bits)

S=0

TTL (8 bits)

S=1

TTL (8 bits)

.
.
.

Nhãn (20 bits)

CoS (3 bits)

Hình 1. 7: Ngăn xếp nhãn
Đó là kỹ thuật sử dụng trong việc đóng gói IP cho phép một gói có thể mang

nhiều hơn một nhãn. Nó được cung cấp bởi việc đưa vào một nhãn mới (mức 2) bên
trên nhãn đã tồn tại (mức 1). Gói được chuyển tiếp qua mạng trên cơ sở các nhãn ở
mức 2, sau khi qua mạng này thì các nhãn mức 2 bị loại ra và việc chuyển tiếp này
hoạt động dựa trên các nhãn mức 1. Do vậy, cấu trúc chồng nhãn cho phép MPLS
hỗ trợ định tuyến phân cấp và tích hợp nhiều LSP vào một trung kế LSP (trunk
LSP).
Một ví dụ về cách sử dụng ngăn xếp nhãn được chỉ ra trong hình 1.7. Có 3
domains MPLS (A, B, C), xét tuyến LSR1 (trong MPLS domain A) đến LSR 6
(trong MPLS domain C). Nhãn ra tại LSR 1 là 60, tại LSR2 nhãn ra được thay
thành nhãn ra của MPLS domain B (70) và nhãn vào của MPLS domain B (40)
được thêm vào bên trên ngăn xếp nhãn. Từ LSR 3 đến LSR 4, nhãn trên đỉnh ngăn
xếp lần lượt được thay bởi các giá trị 22, 54, 66. Tại LSR 4, nhãn 66 được lấy ra
khỏi ngăn xếp nhãn, gói được chuyển đến LSR 5 rồi tới LSR 6. Gói tới LSR 6 với
nhãn 30.

Nguyễn Thị Thanh Thúy

Cao học ĐTVT 2008 - 2010


Định tuyến trong MPLS

22

Ứng dụng MPLS trên mạng VN2 - VNPT

Hình 1. 8: Ví dụ về sử dụng ngăn xếp nhãn
Dùng ngăn xếp nhãn cho phép thiết lập đường hầm LSP. Chúng ta có thể hiểu
đường dẫn từ LSR 3 đến LSR 4 trong MPLS domain B (được xác định bởi các nhãn
22, 54, 66) là đường hầm nối LSR2 và LSR5. Khi LSR 2 gửi gói đến đường hầm

này, nó dùng nhãn 40. Ở đầu kia của đường hầm, để gói đi tới LSR6, nhãn vào của
LSR 5 phải có giá trị 70 và LSR 5 sẽ chuyển gói đến LSR 6. Như vậy, giả sử ta sở
hữu mạng thứ nhất (A), vấn đề là việc truyền dữ liệu phải được thực hiện qua mạng
thứ 2 (B). Mạng này lại không phải thuộc quyền quản lý của ta. Để có thể chắc chắn
rằng mạng thứ hai xử lý việc truyền dữ liệu như ý, phù hợp với tương thích mức
dịch vụ (SLA-Service-level agreement) của mạng mà ta sở hữu, ta cần phương thức
xếp chồng các nhãn lên nhau và tạo ra đường hầm dữ liệu đi qua mạng thứ hai.
Cách thức xây dựng như trên đảm bảo tính toàn vẹn của hệ thống mạng trong khi
cho phép các mạng khác hoạt động độc lập.
e. Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn LSR
LSR (Label Switching Router) là thiết bị có khả năng định tuyến gói tại lớp 3
(lớp mạng) và chuyển mạch gói tại lớp 2 (lớp liên kết dữ liệu), thực hiện quá trình

Nguyễn Thị Thanh Thúy

Cao học ĐTVT 2008 - 2010


Định tuyến trong MPLS

23

Ứng dụng MPLS trên mạng VN2 - VNPT

chuyển gói dữ liệu trong mạng bằng kỹ thuật chuyển mạch nhãn: gỡ nhãn cũ và gắn
nhãn mới cho gói. Ở chặng đầu tiên trong MPLS, router chuyển tiếp gói dựa vào địa
chỉ đích (hoặc bất cứ thông tin nào ở phần tiêu đề theo chính sách cục bộ); sau đó
nó xác định một nhãn thích hợp – giá trị này được xác định cho một lớp chuyển tiếp
tương đương FEC, gán nhãn cho gói và chuyển nó tới nút tiếp theo. Ở chặng tiếp
theo, router dùng giá trị của nhãn như một chỉ mục của một bảng để xác định nhãn

mới. LSR gán nhãn mới rồi chuyển gói đến nút tiếp theo.
Cấu trúc cơ bản của một thiết bị LSR gồm 2 thành phần chính: Thành phần điều
khiển còn gọi là mặt phẳng điều khiển và thành phần chuyển tiếp còn được gọi là
thành phần dữ liệu.
Mặt phẳng điều khiển sử dụng các giao thức định tuyến IP để xây dựng nên
bảng định tuyến. Từ những thông tin này, mặt phẳng điều khiển sẽ tiến hành quá
trình ấn định nhãn với các nút mạng lân cận.
Thành phần chuyển tiếp sử dụng thông tin của quá trình này để tạo bảng cơ sở
thông tin nhãn LIB. Khi nhận được gói dữ liệu, LSR sẽ sử dụng giá trị nhãn của gói
và bảng định tuyến nhãn để tìm ra và gắn một giá trị nhãn mới thích hợp cho gói dữ
liệu.
f. LSR biên:
Có 2 loại LSR biên là igress LSR và egress LSR. Trong cấu trúc LSR biên,
thành phần chuyển tiếp có thêm bảng định tuyến IP, do đó LSR biên có thể định
tuyến các gói dữ liệu IP truyền thống.
Gói dữ liệu đến igress LSR là gói dữ liệu IP truyền thống. Căn cứ vào thông tin
trong tiêu đề IP và bảng định tuyến nhãn LIB, LSR sẽ ấn định một giá trị nhãn thích
hợp cho gói dữ liệu và chuyển nó đến LSR tiếp theo. Nhiệm vụ của egress LSR thì
ngược lại. Egress LSR tháo bỏ nhãn cuối cùng của gói dữ liệu và từ đây, gói dữ liệu
sẽ được định tuyến như một gói IP thông thường.
g. Đường chuyển mạch nhãn LSP (Label Switching Path)
Về cơ bản, LSP là một đường dẫn qua mạng MPLS hoặc một phần mạng mà
gói đi qua. LSR đầu tiên của LSP là một LSR vào, ngược lại LSR cuối cùng của

Nguyễn Thị Thanh Thúy

Cao học ĐTVT 2008 - 2010


24


Định tuyến trong MPLS

Ứng dụng MPLS trên mạng VN2 - VNPT

LSP là một LSR ra. Tất cả các LSR ở giữa LSR vào và ra chính là các LSR
trung gian. LSP được xây dựng bằng các giao thức như LDP, RSVP, ...

Hình 1. 9: LSP qua mạng MPLS
Hình 1.9 mô tả một đường chuyển mạch nhãn qua mạng MPLS, mũi tên ở
trên cùng chỉ hướng.
LSR vào của LSP không nhất thiết phải là bộ định tuyến đầu tiên gán nhãn vào
gói. Gói có thể đã được gán nhãn bởi các LSR trước đó. Trong trường hợp này ta
có LSP lồng ghép (LSP Nested).

Hình 1. 10: Mô hình LSP Nested
Hình 1.10 mô tả đường dẫn chuyển mạch nhãn lồng ghép. Ta thấy một LSP
trải rộng toàn bộ độ rộng mạng MPLS và một LSP khác bắt đầu tại LSR thứ
ba và kết thúc ở trước LSR cuối cùng. Khi một gói đi vào LSP thứ hai trên cổng
LSR vào của nó (LSR thứ ba), nó đã thực sự được gán nhãn. LSR vào của LSP
nested sau đó gán một nhãn thứ hai lên trên gói. Ngăn xếp nhãn của gói trên LSP

Nguyễn Thị Thanh Thúy

Cao học ĐTVT 2008 - 2010