LUẬN VĂN "Tìm hiểu công nghệ chuyển mạch nhãn MPLS" Sinh Viên: Hoàng Xuân Diệu hoangxudi@gmail.com - 1 - ðề tài nghiên cứu: Công nghệ chuyển mạch nhãn MPLS Sinh viên : Hoàng Xuân Diệu Mã số : 20707006 Email : hoangxudi@gmail.com Lớp : C6ðTVT Email của lớp : SVC6DTVT1@gmail.com Sinh Viên: Hoàng Xuân Diệu hoangxudi@gmail.com - 2 - Sinh Viên: Hoàng Xuân Diệu hoangxudi@gmail.com - 3 - 1, Sơ lược lịch sử Khi mạng Internet phát triển và mở rộng, lưu lượng Internet bùng nổ. Các ISP xử lý bằng cách tăng dung lượng các kết nối và nâng cấp bộ ñịnh tuyến (router) nhưng vẫn không tránh khỏi nghẽn mạch. Lý do là các giao thức ñịnh tuyến thường hướng lưu lượng vào cùng một số các kết nối nhất ñịnh dẫn ñến kết nối này bị quá tải trong khi một số tài nguyên khác không ñược sử dụng. ðây là tình trạng phân bố tải không ñồng ñều và sử dụng lãng phí tài nguyên mạng Internet. Vào thập niên 90, các ISP phát triển mạng của họ theo mô hình chồng lớp (overlay) bằng cách ñưa ra giao thức IP ứng dụng trong ATM (IP over ATM). ATM là công nghệ ñịnh hướng kết nối (connection-oriented), thiết lập các kênh ảo (Virtual Circuit), tuyến ảo (Virtual Path) tạo thành một mạng logic nằm trên mạng vật lý giúp ñịnh tuyến, phân bố tải ñồng ñều trên toàn mạng. Tuy nhiên, IP và ATM là hai công nghệ hoàn toàn khác nhau, ñược thiết kế cho những môi trường mạng khác nhau, khác nhau về giao thức, cách ñánh ñịa chỉ, ñịnh tuyến, báo hiệu, phân bổ tài nguyên. Khi các ISP càng mở rộng mạng theo hướng IP over ATM, họ càng nhận rõ nhược ñiểm của mô hình này, ñó là sự phức tạp của mạng lưới do phải duy trì hoạt ñộng của hai hệ thống thiết bị. Sự bùng nổ của mạng Internet dẫn tới xu hướng hội tụ các mạng viễn thông khác như mạng thoại, truyền hình dựa trên Internet, giao thức IP trở thành giao thức chủ ñạo trong lĩnh vực mạng. Xu hướng của các ISP là thiết kế và sử dụng các bộ ñịnh tuyến chuyên dụng, dung lượng chuyển tải lớn, hỗ trợ các giải pháp tích hợp, chuyển mạch ña lớp cho mạng trục Internet. Nhu cầu cấp thiết trong bối cảnh này là phải ra ñời một công nghệ có khả năng kết hợp những ñặc ñiểm tốt của chuyển mạch kênh ATM và chuyển mạch gói IP. Công nghệ MPLS (Multiprotocol Label Switching) ra ñời trong bối cảnh này ñáp ứng ñược nhu cầu của thị trường ñúng theo tiêu chí phát triển của Internet ñã mang lại những lợi ích thiết thực, ñánh dấu một bước phát triển mới của mạng Internet trước xu thế tích hợp công nghệ thông tin và viễn thông (ICT - Information Communication Technology) trong thời kỳ mới. 2, MPLS và mô hình tham chiếu OSI - MPLS là một công nghệ kết hợp ñặc ñiểm tốt nhất giữa ñịnh tuyến lớp ba và chuyển mạch lớp hai cho phép chuyển tải các gói rất nhanh trong mạng lõi (core) và ñịnh tuyến tốt ở mạng biên (edge) bằng cách dựa vào nhãn (label). MPLS là một phương pháp cải tiến Sinh Viên: Hoàng Xuân Diệu hoangxudi@gmail.com - 4 - việc chuyển tiếp gói trên mạng bằng các nhãn ñược gắn với mỗi gói IP, tế bào ATM, hoặc frame lớp hai. Phương pháp chuyển mạch nhãn giúp các Router và MPLS-enable ATM switch ra quyết ñịnh theo nội dung nhãn tốt hơn việc ñịnh tuyến phức tạp theo ñịa chỉ IP ñích. MPLS kết nối tính thực thi và khả năng chuyển mạch lớp hai với ñịnh tuyến lớp ba. Cho phép các ISP cung cấp nhiều dịch vụ khác nhau mà không cần phải bỏ ñi cơ sở hạ tầng sẵn có. Cấu trúc MPLS có tính mềm dẻo trong bất kỳ sự phối hợp với công nghệ lớp hai nào. MPLS hỗ trợ mọi giao thức lớp hai, triển khai hiệu quả các dịch cụ IP trên một mạng chuyển mạch IP. MPLS hỗ trợ việc tạo ra các tuyến khác nhau giữa nguồn và ñích trên một ñường trục Internet. Bằng việc tích hợp MPLS vào kiến trúc mạng, Các ISP có thể giảm chi phí, tăng lợi nhuận, cung cấp nhiều hiệu quả khác nhau và ñạt ñược hiệu quả cạnh tranh cao. mô hình tham chiếu OSI Hình 1.1 MPLS ñược xem như là một công nghệ lớp ñệm (shim layer), nó nằm trên lớp 2 nhưng dưới lớp 3, vì vậy ñôi khi người ta còn gọi nó là lớp 2,5. Sinh Viên: Hoàng Xuân Diệu hoangxudi@gmail.com - 5 - Hình 1.2 Nguyên lý của MPLS ñược thể hiện ở hình 1.2. Tất cả các gói IP sẽ ñược gắn nhãn (label) và chuyển tiếp theo một ñường dẫn LSP (Label Switched Path). Các bộ ñịnh tuyến (router) trên ñường dẫn chỉ căn cứ vào nội dung của nhãn ñể thực hiện quyết ñịnh chuyển tiếp gói mà không cần phải kiểm tra phần ñầu (header) của IP. 3. Các khái niệm trong MPLS • LDP (Label Distribution Protocol): Giao thức phân bố nhãn. • LSP (Label Switched Path): ðường dẫn chuyển mạch nhãn. • FEC (Forwarding Equivalence Class): Lớp chuyển tiếp tương ñương. • LSR (Label Switching Router) Bộ ñịnh tuyến chuyển mạch nhãn. • LER (Label Edge Router): Bộ ñịnh tuyến nhãn biên. • NHLFE (Next Hop Label Forwarding Entry): Mục chuyển tiếp chặng tiếp theo. • FTN (FEC to NHLFE): Ánh xạ FEC sang NHLFE. Sinh Viên: Hoàng Xuân Diệu hoangxudi@gmail.com - 6 - • LIB (Label Information Base): Cơ sở thông tin nhãn. Miền MPLS (MPLS Domain) Miền MPLS là một tập hợp các nút mạng thực hiện hoạt ñộng ñịnh tuyến và chuyển tiếp MPLS. Một miền MPLS thường ñược quản lý và ñiều khiển bởi một nhà quản trị. Miền MPLS ñược chia thành hai phần: phần mạng lõi (core) và phần mạng biên (edge). Các nút thuộc miền MPLS ñược gọi là bộ ñịnh tuyến (router) chuyển mạch nhãn LSR (Label Switch Router). Các nút ở phần mạng lõi ñược gọi là LSR chuyển tiếp (transit-LSR) hay LSR lõi (core-LSR) (thường ñược gọi tắt là LSR). Các nút ở biên ñược gọi là bộ ñịnh tuyến nhãn biên LER (Label Edge Router). Nếu một LER là nút ñầu tiên trên ñường ñi của một gói xuyên qua miền MPLS thì nó ñược gọi là LER lối vào (ingress-LER), còn nếu là nút cuối cùng thì nó ñược gọi là LER lối ra (egress-LER). Lưu ý là các thuật ngữ này ñược áp dụng tuỳ theo chiều của luồng lưu lượng trong mạng, do vậy một LER có thể là LER lối vào vừa là LER lối ra tuỳ theo các luồng lưu lượng ñang xét. Hình 1.3 Lớp chuyển tiếp tương ñương FEC Lớp chuyển tiếp tương ñương FEC (Forwarding Equivalence Class) là một tập hợp các gói ñược ñối xử như nhau bởi một LSR. Như vậy, FEC là một nhóm các gói IP ñược chuyển tiếp trên cùng một ñường chuyển mạch nhãn LSP, ñược ñối xử theo cùng một cách thức và có thể ánh xạ vào một nhãn bởi một LSR cho dù chúng có thể khác nhau về thông tin ñầu (header) lớp mạng. Hình 1.4 cho thấy cách xử lý này. Sinh Viên: Hoàng Xuân Diệu hoangxudi@gmail.com - 7 - Hình 1.4 Hoán ñổi nhãn (Label Swapping) Hoán ñổi nhãn là cách dùng các thủ tục ñể chuyển tiếp gói. ðể chuyển tiếp gói có nhãn, LSR kiểm tra nhãn trên ñỉnh ngăn xếp và dùng ánh xạ ILM (Incoming Label Map) ñể ánh xạ nhãn này tới một mục chuyển tiếp nhãn NHLFE (Next Hop Label Forwarding Entry). Sử dụng thông tin trong NHLFE, LSR xác ñịnh ra nơi ñể chuyển tiếp gói và thực hiện một tác vụ trên ngăn xếp nhãn. Rồi nó mã hoá ngăn xếp nhãn mới vào gói và chuyển gói ñi. Chuyển tiếp gói chưa có nhãn cũng tương tự nhưng xảy ra ở LER lối vào (ingress- LER). LER phải phân tích ñầu (header) lớp mạng ñể xác ñịnh FEC rồi sử dụng ánh xạ FTN (FEC-to-NHLFE) ñể ánh xạ FEC vào một NHLFE. ðường chuyển mạch nhãn LSP (Label Switched Path) ðường chuyển mạch nhãn LSP là một ñường nối giữa bộ ñịnh tuyến ngõ vào và bộ ñịnh tuyến ngõ ra, ñược thiết lập bởi các nút MPLS ñể chuyển các gói ñi xuyên qua mạng. ðường dẫn của một LSP qua mạng ñược ñịnh nghĩa bởi sự chuyển ñổi các giá trị nhãn ở các LSR dọc theo LSP bằng cách dùng thủ tục hoán ñổi nhãn. Sinh Viên: Hoàng Xuân Diệu hoangxudi@gmail.com - 8 -  ðặc điểm mạng MPLS: - Không có MPLS API, cũng không có thành phần giao thức phía host. - MPLS chỉ nằm trên các router. - MPLS là giao thức ñộc lập nên có thể hoạt ñộng cùng với giao thức khác IP như IPX, ATM, Frame Relay,… - MPLS giúp ñơn giản hoá quá trình ñịnh tuyến và làm tăng tính linh ñộng của các tầng trung gian.  Phương thức hoạt động: - Thay thế cơ chế ñịnh tuyến lớp ba bằng cơ chế chuyển mạch lớp hai. MPLS hoạt ñộng trong lõi của mạng IP. Các Router trong lõi phải enable MPLS trên từng giao tiếp. Nhãn ñược gắn thêm vào gói IP khi gói ñi vào mạng MPLS. Nhãn ñược tách ra khi gói ra khỏi mạng MPLS. Nhãn (Label) ñược chèn vào giữa header lớp ba và header lớp hai. Sử dụng nhãn trong quá trình gửi gói sau khi ñã thiết lập ñường ñi. MPLS tập trung vào quá trình hoán ñổi nhãn (Label Swapping). Một trong những thế mạnh của khiến trúc MPLS là tự ñịnh nghĩa chồng nhãn (Label Stack). - Công thức ñể gán nhãn gói tin là: Network Layer Packet + MPLS Label Stack - Không gian nhãn (Label Space): có hai loại.  Một là, các giao tiếp dùng chung giá trị nhãn (per-platform label space).  Hai là, mỗi giao tiếp mang giá trị nhãn riêng, (Per-interface Label Space). - Bộ ñịnh tuyến chuyển nhãn (LSR – Label Switch Router): ra quyết ñịnh chặng kế tiếp dựa trên nội dung của nhãn, các LSP làm việc ít và hoạt ñộng gần giống như Switch. - Con ñường chuyển nhãn (LSP – Label Switch Path): xác ñịnh ñường ñi của gói tin MPLS. Gồm hai loại: Hop by hop signal LSP - xác ñịnh ñường ñi khả thi nhất theo kiểu best effort và Explicit route signal LSP - xác ñịnh ñường ñi từ nút gốc.  Một số ứng dụng của MPLS: - Internet có ba nhóm ứng dụng chính: voice, data, video với các yêu cầu khác nhau. Voice yêu cầu ñộ trễ thấp, cho phép thất thoát dữ liệu ñể tăng hiếu quả. Video cho phép thất thoát dữ liệu ở mức chấp nhận ñược, mang tính thời gian thực (realtime). Data yêu cầu ñộ bảo mật và chính xác cao. MPLS giúp khai thác tài nguyên mạng ñạt hiệu quả cao. Một số ứng dụng ñang ñược triển khai là: - MPLS VPN: Nhà cung cấp dịch cụ có thể tạo VPN lớp 3 dọc theo mạng ñường trục cho nhiều khách hàng, chỉ dùng một cơ sở hạ tầng công cộng sẵn có, không cần các ứng dụng encrytion hoặc end-user. - MPLS Traggic Engineer: Cung cấp khả năng thiết lập một hoặc nhiều ñường ñi ñể ñiều khiển lưu lượng mạng và các ñặc trưng thực thi cho một loại lưu lượng. - MPLS QoS (Quality of service): Dùng QoS các nhà cung cấp dịch vụ có thể cung cấp nhiều loại dịch vụ với sự ñảm bảo tối ña về QoS cho khách hàng. MPLS Unicast/Multicast IP routing. Sinh Viên: Hoàng Xuân Diệu hoangxudi@gmail.com - 9 - 3,ðiểm vượt trội của MPLS so với mô hình IP over ATM: - Khi hợp nhất với chuyển mạch ATM, chuyển mạch nhãn tận dụng những thuận lợi của các tế bào ATM - chiều dài thích hợp và chuyển với tốc ñộ cao. Trong mạng ña dịch vụ chuyển mạch nhãn cho phép chuyển mạch BPX/MGX nhằm cung cấp dịch vụ ATM, Frame, Replay và IP Internet trên một mặt phẳng ñơn trong một ñường ñi tốc ñộ cao. Các mặt phẳng (Platform) công cộng hỗ trợ các dịch vụ này ñể tiết kiệm chi phí và ñơn giản hóa hoạt ñộng cho nhà cung cấp ña dịch vụ. ISP sử dụng chuyển mạch ATM trong mạng lõi, chuyển mạch nhãn giúp các các dòng Cisco, BPX8600, MGX8800, Router chuyển mạch ña dịch vụ 8540 và các chuyển mạch Cisco ATM giúp quản lí mạng hiệu quả hơn xếp chồng (overlay) lớp IP trên mạng ATM. Chuyển mạch nhãn tránh những rắc rối gây ra do có nhiều router ngang hàng và hỗ trợ cấu trúc phân cấp (hierarchical structure) trong một mạng của ISP.  Sự tích hợp: MPLS xác nhập tính năng của IP và ATM chứ không xếp chồng lớp IP trên ATM. MPLS giúp cho cơ sở hạ tầng ATM thấy ñược ñịnh tuyến IP và loại bỏ các yêu cầu ánh xạ giữa các ñặc tính IP và ATM. MPLS không cần ñịa chỉ ATM và kỹ thuật ñịnh tuyến (như PNNI).  ðộ tin cậy cao hơn: Với cơ sở hạ tầng ATM, MPLS có thể kết hợp hiệu quả với nhiều giao thức ñịnh tuyến IP over ATM thiết lập một mạng lưới (mesh) dịch vụ công cộng giữ các router xung quanh một ñám mây ATM. Tuy nhiên có nhiều vấn ñề xảy ra do các PCV link giữa các router xếp chồng trên mạng ATM. Cấu trúc mạng ATM không thể thấy bộ ñịnh tuyến. Một link ATM bị hỏng làm hỏng nhiều router-to-router link, gây khó khăn cho lượng cập nhật thông tin ñịnh tuyến và nhiều tiến trình xử lí kéo theo.  Trực tiếp thực thi các loại dịch vụ: MPLS sử dụng hàng ñợi và bộ ñếm của ATM ñể cung cấp nhiều loại dịch vụ khác nhau. Nó hỗ trợ quyền ưu tiên IP và loại dịch vụ (class of service – cos) trên chuyển mạch ATM mà không cần chuyển ñổi phức tạp sang các lớp ATM Forum Service.  Hỗ trợ hiệu quả cho Mulicast và RSVP: Khác với MPLS, xếp lớp IP trên ATM nảy sinh nhiều bất lợi, ñặc biệt trong việc hỗ trợ các dịch vụ IP như IP muticast và RSVP( Resource Reservation Protocol - RSVP). MPLS hỗ [...]... nh tuy n B B ñ nh tuy n B d a vào b ng hoán ñ i nhãn ñ ki m tra nhãn c a gói tin Nó thay giá tr nhãn m i là 3 và chuy n ti p ñ n router C T i C, vi c ki m tra cũng tương t như B và s hoán ñ i nhãn, gán cho gói tin m t nhãn m i là 9 và ti p t c ñư c ñưa ñ n b ñ nh tuy n D B ñ nh tuy n D ñóng vai trò LER ngõ ra s ki m tra trong b ng hoán ñ i nhãn và g b nhãn 9 ra kh i gói tin r i ñ nh tuy n gói IP m t... ng cáo ánh x nhãn t i FEC Notification: báo hi u l i 8,Phân ph i nhãn b ng giao th c phân ph i nhãn LDP - Trong m t mi n MPLS, m t nhãn gán t i m t ñ a ch (FIB) ñích ñư c phân ph i t i các láng gi ng ngư c dòng sau khi thi t l p session Vi c k t n i gi a m ng c th v i nhãn c c b và m t nhãn tr m k (nh n t router xuôi dòng) ñư c lưu tr trong LFIB và LIB MPLS dùng các phương th c phân ph i nhãn như sau:... n ti p nhãn (Label Forwarding Algorithm) - B chuy n nhãn s d ng m t thu t toán chuy n ti p d a vào vi c hoán ñ i nhãn Nút MPLS l y giá tr trong nhãn c a gói v a ñ n làm ch m c ñ n LFIB Khi giá tr nhãn tương hoangxudi@gmail.com - 14 - Sinh Viên: Hoàng Xuân Di u -ng ñư c tìm th y, MPLS s thay th nhãn trong... s thông tin chuy n ti p nhãn (LFIB - Label Forwarding Information Base) ñ chuy n ti p các gói M i nút MPLS có hai b ng liên quan ñ n vi c chuy n ti p là: cơ s thông tin nhãn (LIB - Label Information Base) và LFIB LIB ch a t t c các nhãn ñư c nút MPLS c c b ñánh d u và ánh x c a các nhãn này ñ n các nhãn ñư c nh n t láng gi ng (MPLS neighbor) c a nó LFIB s d ng m t t p con các nhãn ch a trong LIB ñ th... ti p c a MPLS - Th c hi n chuy n ti p d li u v i MPLS g m các bư c sau: • • • • Gán nhãn MPLS (trên LSR) Giao th c phân ph i nhãn (LDP - label distribution protocol hay TDP - tag distribution protocol ) th c hi n gán nhãn và trao ñ i nhãn gi a các LSR trong mi n MPLS ñ thi t l p các phiên làm vi c (session) Vi c gán nhãn có th gán c c b trên router ho c trên giao ti p c a router Thi t l p LDP/TDP gi... tra các giá tr c a nhãn, so sánh trong b ng và chuy n ti p Vì v y t c ñ x lý trong mi n MPLS s nhanh hơn nhi u so v i ñ nh tuy n IP truy n th ng ðư ng ñi t b ñ nh tuy n A ñ n b ñ nh tuy n D ñư c g i là ñư ng chuy n m ch nhãn LSP (Label Switched Path) 5 ,Nhãn (Label) trong MPLS Ki u khung (Frame mode): - Ki u khung là thu t ng khi chuy n ti p m t gói v i nhãn g n trư c tiêu ñ l p ba M t nhãn ñư c mã hoá... nhau M t gói có nhi u nhãn, g i là ch ng nhãn (label stack) m i ch ng trong m ng ch có m t nhãn bên ngoài ñư c xem xét - Trong ñó: - EXP=Experimental (3 bit): dành cho th c nghi m Cisco IOS s d ng các bit này ñ gi các thông báo cho QoS; khi các gói MPLS x p hàng có th dùng các bit EXP tương t như các bit IP ưu tiên (IP Precedence) - S=Bottom of stack (1 bit): là bít cu i ch ng Nhãn cu i ch ng bit này... thi t l p bit ToS Tuy nhiên, MPLS ch dùng m t thu t toán chuy n ti p d a trên s hoán ñ i nhãn (Label swapping) M t nút MPLS truy xu t b nh ñơn ñ l y ra các thông tin như quy t ñ nh dành ra tài nguyên c n thi t ñ chuy n ti p gói Kh năng chuy n ti p và tra c u t c ñ nhanh giúp chuy n nhãn (label switching) tr thành công ngh chuy n m ch có tính th c thi cao MPLS còn có th dùng ñ chuy n v n các giao th c... trúc khác là cơ s thông tin nhãn (LIB – Label Information Base) và cơ s thông tin chuy n ti p nhãn (LFIB – Label Forwarding Information Base) Giao th c phân ph i s d ng gi a các láng gi ng MPLS có nhi m v t o ra các ch m c (entry) trong hai b ng này LIB thu c m t ph ng ñi u khi n và ñư c giao th c phân ph i nhãn s d ng khi ñ a ch m ng ñích trong b ng ñ nh tuy n ñư c ánh x v i nhãn nh n ñư c t router xuôi... m t ph ng d li u và ch a nhãn c c b (local label) ñ n nhãn tr m k ánh x v i giao ti p ngõ ra (outgoing interface), ñư c dùng ñ chuy n ti p các gói ñư c gán nhãn Như v y, thông tin v các m ng ñ n ñư c do các giao th c ñ nh tuy n cung c p dùng ñ xây d ng b ng ñ nh tuy n (RIB - Routing Information Base) RIB cung c p thông tin cho FIB LIB ñư c t o nên d a vào giao th c phân ph i nhãn và t LIB k t h p v . "Tìm hiểu công nghệ chuyển mạch nhãn MPLS" Sinh Viên: Hoàng Xuân Diệu hoangxudi@gmail.com - 1 - ðề tài nghiên cứu: Công nghệ chuyển mạch nhãn. cần thiết ñể chuyển tiếp gói. Khả năng chuyển tiếp và tra cứu tốc ñộ nhanh giúp chuyển nhãn (label switching) trở thành công nghệ chuyển mạch có tính