1.2. Các công nghệ mới xây dựng trên nền IP
1.2.3.2. MPLS và các thiết bị trên mạng MPLS
MPLS do IETF đề xuất (Internet Engineering Task Force) – cho phép thiết kế, định tuyến, chuyển hướng và chuyển mạch các luồng giao thông trên mạng.
MPLS thực hiện các chức năng sau:
- Chỉ ra các cơ cấu để quản lý các luồng thông tin trên mạng, chẳng hạn nh−
các luồng thông tin giữa các phần cứng, giữa các thiết bị khác nhau hoặc thậm chí giữa các áp dụng khác nhau.
- Độc lập với các giao thức lớp 2 và lớp 3
- Cung cấp một công cụ để đơn giản hoá việc lập bản đồ địa chỉ IP và các nhãn có chiều dài cố định.
- Phù hợp với các giao thức định tuyến hiện có chẳng hạn nh− giao thức RSVP (Resource Reservation Protocol) và OSPE (Open Shortest Path First),...
- Hỗ trợ các giao thức lớp 2 của IP, ATM, và frame-relay.
Trong MPLS, dữ liệu đ−ợc truyền trên các LSP (label-switched path). LSP gồm một chuỗi các nhãn nhận tại từng nút mạng từ nguồn tới đích. LSP đ−ợc thiết lập hoặc tr−ớc khi truyền dữ liệu (h−ớng điều khiển control-driven) hoặc là phụ thuộc vào việc dò tìm luồng dữ liệu chính (h−ớng dữ liệu data-driven). Nhãn có chức năng nhận biết các giao thức, đ−ợc phân bổ theo giao thức LDP (label distribution protocol) hoặc RSVP hoặc vận chuyển các giao thức định tuyến giống nh− là BGP (Border Gateway Protocol) và OSPE. Mỗi gói dữ liệu sẽ đóng gói và vận chuyển các nhãn trong suốt hành trình từ nguồn tới đích. Vì các nhãn có chiều dài cố định đ−ợc chèn vào mỗi khi bắt đầu một gói tin hoặc tế bào đ−ợc truyền đi nên dữ liệu sẽ đ−ợc chuyển mạch với tốc độ cao, ngoài ra có thể dùng phần cứng để chuyển mạch gói tin một cách nhanh chóng.
LSR và LER
Các thiết bị chính dùng trong MPLS gồm LER (Label Edge Router) và LSR (Label Switching Router).
Một LSR là một bộ định tuyến tốc độ cao trong lõi của mạng MPLS chúng tham gia vào quá trình thiết lập LSP sử dụng các giao thức gãn nhãn và chuyển mạch tốc độ cao của luồng dữ liệu dựa trên các đường dẫn đã được thiết lập.
Một LER là một thiết bị hoạt động tại biên của mạng truy cập và mạng MPLS. LER hỗ trợ nhiều cổng để kết nối tới các mạng khác nhau (chẳng hạn nh−
frame-relay, ATM, và Ethernet) và chuyển h−ớng luồng thông tin này vào trong mạng MPLS sau khi thiết lập LSP, sử dụng giao thức gán nhãn tại lối vào và phân bổ luồng trở lại mạng truy cập tại lối ra. LER đóng vai trò rất quan trọng trong việc gán và loại bỏ các nhãn khi luồng dữ liệu vào hoặc ra khỏi mạng MPLS.
FEC
FEC (Forward Equivalence Class) biểu diễn cho một nhóm gói tin, các gói tin này có cùng các yêu cầu khi chúng lưu chuyển trên mạng. Tất cả các gói tin trong một nhóm sẽ có cùng một cách xử lý để tới được đích. Khác với chuyển hướng gói tin IP, trong MPLS, việc chuyển một gói tin thành một gói tin FEC chỉ đ−ợc thực hiện 1 lần khi gói tin thâm nhập vào mạng. Các FEC đ−ợc thiết lập dựa trên các yêu cầu dịch vụ cho một tập hợp các gói tin. Mỗi LSR xây dựng một bảng LIB (Label Information Base), bảng này chỉ ra cách một gói tin sẽ đ−ợc chuyển đi.
Nhãn và gán nhãn
Một nhãn với dạng đơn giản nhất sẽ nhận biết đường dẫn một gói tin sẽ đi qua. Một nhãn đ−ợc vận chuyển hoặc đ−ợc đóng gói trong phần tiêu đề lớp 2. Bộ
định tuyến nhận gói tin sẽ kiểm tra gói tin để tìm phần nội dung của nhãn để quyết
định chặng tiếp theo. Khi một gói tin đã đ−ợc gán nhãn, phần còn lại của hành trình của gói tin sẽ dựa trên việc chuyển mạch theo nhãn. Các giá trị của nhãn chỉ có ý nghĩa nội bộ, có nghĩa là chúng chỉ liên quan đến chặng giữa các LSR.
Khi một gói tin đ−ợc phân loại vào một FEC mới hoặc FEC đã có, một nhãn sẽ đ−ợc gán cho gói tin đó. Các giá trị của nhãn đ−ợc phân phát tới lớp liên kết dữ
liệu. Đối với các điểm nhận dạng lớp liên kết dữ liệu, chẳng hạn nh− nhận biết
đ−ờng kết nối liên kết dữ liệu DLCI (Data Link Connection Identifier) trong tr−ờng hợp mạng frame-relay hoặc nhận biết đ−ờng dẫn ảo VPI/ nhận biết kênh ảo VCI trong tr−ờng hợp mạng ATM, có thể đ−ợc sử dụng trực tiếp nh− các nhãn. Các gói tin khi đó đ−ợc chuyển đi dựa trên các giá trị nhãn của chúng.
Có hai cách gán nhãn cho một FEC. Có thể gán nhãn theo h−ớng dữ liệu (data-driven binding) hoặc gán nhãn theo h−ớng điều khiển (control-driven binding). Cách gán nhãn theo h−ớng điều khiển đ−ợc sử dụng nhiều trong MPLS.
Các quá trình gán nhãn có thể đ−ợc thực hiện dựa trên các tiêu chí sau:
- Theo đích duy nhất gói tin cần tới - Theo lưu lượng thông tin trên mạng - Gói tin cần tới nhiều đích
- Mạng riêng ảo (VPN) - Chất l−ợng QoS
Định dạng của nhãn nói chung đ−ợc minh hoạ trên hình 1.20. Nhãn có thể
đ−ợc chèn thêm vào trong phần tiêu đề của lớp liên kết dữ liệu (ATM VCI/VPI biểu
diễn trên hình 1.21 và frame-relay DLCI biểu diễn trên hình 1.22) hoặc trong phần chèn thêm giữa phần tiêu đề lớp 2 và phần tiêu đề lớp 3, nh− là biểu diễn trên hình 1.16.
Hình 1.16: Định dạng nh∙n trong MPLS
Hình 1.17: Định dạng nh∙n đối với mạng ATM
Hình 1.18: Định dạng nh∙n trong mạng Frame Relay
Hình 1.19: Định dạng nh∙n đối với kiểu kết nối PPP/Ethernet Quá trình tạo nh∙n
h Link layer header
MPLS SHIM
Network layer header
Other layers header and data
Label
3 bit 1 bit 1 bit Exp bit
32 bit
20 bit
IP packet
Labelling of the packet
ATM Cell
IP header Data
Shim headerr IP header Data
VPI/VCI Data VPI/VCI Data
IP Packet
Labelling of the packet
FR frames
IP header Data
Shim header IP header Data
DLCI Data DLCI Data
PPP Header (Packet over SONET/SDH)
LAN MAC Header Label Creation
PPP Header Shim Header Layer 3 header
MAC header Shim header Layer 3 header
Có một số phương pháp sau đây được sử dụng để tạo nhãn:
- Ph−ơng pháp tạo nhãn theo mô hình kết nối vật lý của mạng: sử dụng các quá
trình xử lý thông thường của các giao thức định tuyến (chẳng hạn như OSPF và BGF)
- Ph−ơng pháp tạo nhãn theo các yêu cầu: chẳng hạn nh− RSVP - Phương pháp tạo nhãn theo lưu lượng thông tin trên mạng
Các ph−ơng pháp tạo nhãn theo mô hình kết nối vật lý của mạng mạng và theo yêu cầu là các ví dụ của cách gán nhãn theo hướng điều khiển trong khi đó phương pháp tạo nhãn theo lưu lượng thông tin trên mạng là ví dụ của gán nhãn theo h−ớng dữ liệu.
Phân bổ nh∙n
Quá trình phân bổ nhãn không chịu sự chi phối của bất kỳ giao thức báo hiệu
đơn lẻ nào. Với các giao thức định tuyến đã có chẳng hạn nh− BGF, chúng tiếp tục
đ−ợc nâng cấp và cải tiến để mang thêm thông tin nhãn bên trong nội dung của giao thức. Giao thức RSVP cũng đ−ợc mở rộng để hỗ trợ cho việc trao đổi các nhãn. Tổ chức IETF cũng đã đ−a ra một giao thức mới gọi là LDP để báo hiệu và giám sát miền nhãn. Những phần mở rộng của giao thức LDP sẽ hỗ trợ việc định tuyến trực tiếp dựa trên các đòi hỏi về QoS và CoS. Những phần mở rộng này đ−ợc giữ lại trong CR (Constraint-base Routing) – có chức năng xác định giao thức LDP.
Một số cách trao đổi nhãn gồm:
- LDP – ánh xạ địa chỉ IP vào trong nhãn - RSVP, CR-LDP
- PIM (Protocol-Independent Multicast) - BGF – các nhãn bên ngoài (VPN) - LSP (Label-Switched Path)
Bên trong miền MPLS, mỗi một gói tin sẽ lưu chuyển trên mạng theo một
đ−ờng dẫn đ−ợc thiết lập tr−ớc và theo giá trị FEC. Có hai cách thiết lập LSP trong miÒn MPLS:
- Định tuyến hop-by-hop: mỗi một LSR lựa chọn một cách độc lập chặng kế tiếp theo giá trị FEC cho tr−ớc. Ph−ơng pháp này t−ơng tự nh− ph−ơng pháp
đang đ−ợc dùng trong các mạng IP. LSR có thể sử dụng bất kỳ giao thức định tuyến nào, chẳng hạn nh− OSPF, PNNI (Private network-to-network interface),...
- Định tuyến rõ ràng (explicit routing) - LSR lối vào (chẳng hạn nh−, LSR nơi mà luồng dữ liệu sẽ đến đầu tiên) đ−a ra một danh sách các nút mạng mà ER-LSR sẽ đi qua. Đường dẫn đã chỉ ra này có thể là không tối ưu. Theo
đường dẫn, các nguồn thông tin có thể được bảo mật để bảo đảm chất lượng QoS của luồng dữ liệu.
LSP thiết lập cho một FEC chỉ dùng theo một chiều duy nhất. H−ớng ng−ợc lại sẽ nhận một LSP khác.
Các không gian nhãn (label space)
LSR sử dụng các nhãn để tạo thành FEC – các quá trình gán nhãn đ−ợc phân loại nh− sau:
- Per platform – các giá trị nhãn là duy nhất đối với LSR. Các nhãn đ−ợc chỉ
định từ một quỹ chung. Hai nhãn trên hai giao diện khác nhau không thể có cùng giá trị.
- Per interface – Các dải giá trị của nhãn kết hợp với các giao diện. Các quỹ giá trị nhãn xác định các giao diện, và các nhãn gán cho các giao diện đ−ợc lấy từ các quỹ riêng. Các giá trị nhãn gán cho các giao diện khác nhau có thể có cùng giá trị.
Quá trình hợp nhất nhãn (label merging)
Các luồng dữ liệu đi vào từ các giao diện khác nhau có thể đ−ợc hợp nhất lại với nhau và đ−ợc chuyển mạch bằng cách sử dụng một nhãn chung nếu chúng tới cùng một đích cuối cùng. Quá trình đó đ−ợc xem nh− là quá trình hợp nhất luồng dữ
liệu hoặc sự kết hợp (aggregation) của các luồng.
Nếu mạng truyền dẫn bên d−ới là mạng ATM, các LSR có thể tận dụng việc hợp nhất dựa trên các đ−ờng ảo hoặc kênh ảo.
Điều khiển nhãn
MPLS xác định các chế độ để phân bổ các nhãn tới các LSR kề cận nh− sau:
- Độc lập – trong chế độ này, một LSR nhận biết một FEC đặc biệt và đ−a ra quyết định để gán một nhãn với FEC một cách độc lập. Các FEC mới đ−ợc nhận biết mỗi khi bộ định tuyến nhìn thấy các định tuyến mới.
- Có thứ tự - trong chế độ này, một LSR nhận biết một FEC đặc biệt khi và chỉ khi nó là bộ định tuyến lối ra hoặc nó đã nhận một quá trình gán nhãn cho FEC từ LSR chặng kế tiếp của nó.
Các cơ cấu báo hiệu
- Yêu cầu nhãn (label request) - sử dụng cơ chế này, một LSR yêu cầu một nhãn từ luồng lên của nó để nó có thể gán nhãn đó cho một FEC cụ thể. Cơ
cấu này có thể đ−ợc tận dụng cho chuỗi LSR ngoại trừ LER lối ra.
- ánh xạ nhãn (label mapping) - ng−ợc lại với yêu cầu nhãn, một LSR luồng lên sẽ gửi một nhãn tới bộ khởi tạo luồng xuống bằng cách sử dụng cơ
cấu ánh xạ nhãn.
Các khái niệm trên đối với yêu cầu nhãn và ánh xạ nhãn đ−ợc giải thích cụ thÓ trong h×nh 1.20.
Hình 1.20: Các cơ cấu báo hiệu
LDP là một giao thức mới dùng để phân bố thông tin gán nhãn tới các LSR trong một mạng MPLS. Nó đ−ợc sử dụng để ánh xạ FEC vào các nhãn, do đó tạo ra các LSP. Các phiên LDP đ−ợc thiết lập giữa từng cặp LDP trong mạng MPLS, các cặp sẽ trao đổi các bản tin sau:
- Các bản tin phát hiện (discovery messages) – thông báo và duy trì một LSR trong một mạng.
- Các bản tin về phiên (session messages) - thiết lập, duy trì, và ngắt các phiên giữa từng cặp LDP
- Các bản tin thông báo (advertisement messages) - tạo, thay đổi và xoá các
ánh xạ nhãn cho các FEC
- Các bản tin khai báo (notification message) – cung cấp thông tin t− vấn và thông tin báo lỗi
Ingress (LER) Router A
Egress (LER) Router C LSR
Router C Label Mapping
Use label 5
Label Mapping Use label 9
Label Request For Dest C
Label Request For Dest C
Ngăn xếp nhãn (label stack)
Cơ cấu ngăn xếp nhãn cho phép hoạt động theo phân cấp trong miền MPLS.
Mỗi một mức trong một phân đoạn nhãn liên quan tới một số mức phân cấp. Điều
đó tạo điều kiện thuận lợi cho chế độ đường hầm (tunneling) của chế độ hoạt động trong MPLS.