18/09/2015 08:04:31 AM

Bài viết sưu tầm

Multi-Protocol Label Switching (MPLS)

CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC

(Multi-Protocol Label Switching)

I. Định tuyến IP truyền thống

Định tuyến IP truyền thống dựa trên các yếu tố cơ bản sau:

- Giao thức định tuyến được sử dụng để phân phối thông tin định tuyến ở lớp 3.

- Chuyển tiếp chỉ dựa vào địa chỉ đích.

- Định tuyến từng chặng.

Hình 6.1: Định tuyến IP truyền thống

Định tuyến dựa vào đích được thực hiện trên mỗi hop. Các router có thể yêu cầu đầy đủ các thông tin về mọi lộ trình trong mạng.

IP over ATM

Hình 6.2: IP over ATM

- Topo lớp 2 (ATM) có thể khác với topo lớp 3 (IP).

- Thiết bị lớp 2 khó biêt được thông tin định tuyến lớp 3.

- Sự khác biệt giữa kết nối có hướng (ATM) và không kết nối (IP).

Định tuyến

Định tuyến liên quan đến phương thức được sử dụng để chọn LSP cho một FEC.
MPLS hỗ trợ hai kỹ thuật định tuyến: định tuyến từng chặng (hop-by-hop) và định tuyến
tường minh.

Định tuyến hop-by-hop cho phép mỗi node chọn chặng tiếp theo độc lập cho mỗi FEC. Đây là kiểu định tuyến trong mạng IP đang tồn tại.

Định tuyến tường minh có thể hữu dụng trong một số mục đích như kiểm soát
định tuyến hay kỹ thuật lưu lượng. Trong MPLS, một đường tường minh cần được xác
định ở thời điểm mà các nhãn được ấn định mà không phải xác định với mỗi gói. Điều
này làm cho việc định tuyến tường minh của MPLS hiệu quả hơn nhiều so với IP.

Các phương pháp trao đổi thông tin định tuyến từ node A đến node B:

- Broadcast Routing: Thông tin định tuyến truyền từ A đến mọi B mà không yêu cầu hướng ngược lại.

- Hop-by-hop Routing: Yêu cầu liên lạc qua các chặng nối đến B.

- Source Routing: A yêu cầu danh sách các node (hop) nối đến B.

Nhãn

Nhãn có chiều dài cố định, ngắn, là định danh mang tính cục bộ mà được sử dụng
để xác định một FEC. Một gói được dán nhãn là một gói với nhãn đã được mã hóa. Nhãn
được dán vào một gói cụ thể tiêu biểu cho lớp chuyển tiếp tương đương mà gói được ấn
định. Một gói có thể được ấn định đến một FEC trên cơ sở địa chỉ đích lớp mạng của nó nhưng nhãn không được mã hóa trực tiếp các thông tin từ header lớp mạng. Nhãn có thể cư ngụ trong header đóng gói gọi là header chèn hay một ngõ vào stack. Nó có thể ở trong khung lớp tuyến dữ liệu nào đó, miễn là có một trường sẵn sàn cho mục đích này.

Các đóng gói nhãn MPLS được nhắm đến để hoạt động qua nhiều lớp tuyến dữ liệu như:

ATM: trong đó, nhãn được chứa trong trường VPI/VCI của header ATM, được vận chuyển bên trong gói.

Frame Relay: trong đó, nhãn được chứa trong trường DLCI trong header FR, vận chuyển bên trong khung.

TDM: Nhãn là một khe thời gian.

X.25: Nhãn là LCN.

…

Nhãn là một giá trị.

II. MPLS (Multi-Protocol Label Switching)

Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS (Multi-Protocol Label Switching) được phát triển từ các giải pháp của chuyển mạch IP nhanh, được đề nghị khoảng giữa thập kỷ 90 bởi các công ty như Ipsilon, Cisco và IBM. MPLS được IETF (Internet Engineering Task Force) chuẩn hoá với đối tượng chính là tích hợp chuyển tiếp chuyển mạch nhãn ở lớp tuyến dữ liệu với định tuyến ở lớp mạng.

Sự bùng nổ của Internet và yêu cầu ngày càng tăng của các dịch vụ cũng
như các vật mang, đòi hỏi một mạng tin cậy với khả năng cung cấp hoạt động mạng kiên
định và có thể dự đoán được. Mạng IP cung cấp khả năng linh hoạt và co giãn, nhưng cần phải được nâng cấp về mặt khả năng sử dụng, độ tin cậy và chất lượng dịch vụ
QoS.

Mạng ATM được thiết kế với tính co giãn lớn, băng thông cao, dễ quản lý và linh họat trong vấn đề phục vụ cho các loại lưu lượng đa phương tiện khác nhau, đồng thời, tốc độ bit có thể thay đổi, đáp ứng được yêu cầu chất lượng dịch vụ QoS. Tuy nhiên, ATM gặp một số khó khăn trong việc khai thác tối ưu các tiềm năng của nó, đó là sự phức tạp trong sơ đồ quản lý và sơ đồ điều khiển. Bởi vì ATM luôn cố gắng hỗ trợ tốt nhất đồng thời tất cả các loại dịch vụ khác nhau với các đặc tính, tốc độ bit, QoS rất khác nhau, nên việc tận dụng tài nguyên trên mạng là phức tạp, không tuyến tính và cấu trúc điều khiển là phân bố, không tập trung. Tính phức tạp càng nâng cao trong vấn đề điều khiển lưu lượng, đòi hỏi một cơ chế điều khiển lưu lượng linh họat và thật hiệu quả để đáp ứng được các yêu cầu về lưu lượng mà hiện nay các nhà nghiên cứu vẫn đang tìm tòi để giải bài toán khó này.

Trong định tuyến lớp mạng thông thường, khi một gói của giao thức lớp mạng không đấu nối đi từ router bày đến router tiếp theo, thì mỗi router tiến hành một quyết định chuyển tiếp (forwarding) độc lập cho gói. Nghĩa là mỗi router phân tích header của gói và mỗi router thực hiện một thuật giải định tuyến lớp mạng. Mỗi router phân tích chặng tiếp theo cho gói một cách độc lập trên cơ sở phân tích các header của gói và kết quả của việc thực hiện thuật giải định tuyến.

Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS (Multi Protocol Label Switching) được đề
xuất từ IETF (Internet Engineering Task Force) nhằm giải quyết vấn đề này, với đối
tương chính là việc chuyển tiếp chuyển mạch nhãn tích hợp với định tuyến lớp mạng.

Trong mô hình chuyển tiếp MPLS, khi một gói được ấn định một FEC (Forwarding Equivalency Class) thì các router sau không phân tích header của nó nữa, mọi sự chuyển tiếp đều dựa vào nhãn. Điều này dẫn đến một số thuận lợi so với định tuyến lớp mạng thông thường:

∙ Chuyển tiếp của MPLS có thể hoàn thành bởi các chuyển mạch mà có khả
năng tiến hành tra cứu và thay thế nhãn, nhưng không có khả năng phân tích
header lớp mạng, hay không có khả năng phân tích các header lớp mạng tại
tốc độ thích hợp.

∙ Từ khi một gói được ấn định một FEC, khi nó chuyển vào trong mạng, router
ngõ vào có thể sử dụng bất kỳ thông tin của nó trong việc xác định và ấn định.
Thậm chí từ những thông tin lượm lặt từ header lớp mạng. Ví dụ: các gói đến
các cổng khác nhau có thể được ấn định đến các FEC khác nhau. Còn trong
chuyển tiếp thông thường thì chỉ có thể xét thông tin đi cùng với gói trong
header của gói.

∙ Một gói chuyển vào mạng tại một router cụ thể có thể được dán nhãn khác
nhau mà cùng gói đi vào mạng tại một router khác và kết quả của việc chuyển
tiếp quyết định theo router ngõ vào thì có thể dễ dàng trong việc thực hiện
hơn. Điều này không thể thực hiện trong chuyển tiếp lớp mạng thông thường.

∙ Không quan tâm rằng việc xác định gói được ấn định đến một FEC có thể
phức tạp như thế nào, vì không có bất kỳ sự tác động tại tất cả các router mà
chỉ đơn thuần chuyển tiếp các gói được dán nhãn.

∙ Đôi khi, nó muốn tác động một gói theo một đường cụ thể mà đã được chọn
tường minh tại lúc hay trước lúc gói đi vào mạng đúng hơn là được chọn bởi
thuật giải định tuyến động thông thường khi các gói đi qua mạng. Điều này là
một vấn đề của việc kiểm soát hay hỗ trợ kỹ thuật lưu lượng. Trong chuyển
tiếp thông thường, yêu cầu một gói thực hiện một sự mã hóa đường của nó
kèm theo nó “định tuyến nguồn”. Trong MPLS, một nhãn có thể được sử dụng
để biểu diễn một đường để đồng nhất đường tường minh không cần phải mang
theo gói.

Một vài router phân tích header lớp mạng của gói không chỉ đơn thuần là chọn chặng tiếp theo của gói mà còn xác định “quyền ưu tiên” hay “lớp dịch vụ”

MPLS gọi là chuyển mạch nhãn “đa giao thức” bởi vì các kỹ thuật của nó có thể được áp dụng cho BẤT KỲ giao thức lớp mạng nào.

Định tuyến ở biên, chuyển mạch ở trung tâm.

Hình 6.3: Định tuyến và chuyển tiếp

II.1 MPLS tích hợp IP và ATM

MPLS kết hợp tốt giữa IP và ATM

Hình 6.4: MPLS tích hợp IP và ATM

Các lớp chuyển tiếp tương đương FEC (Forwarding Equivalence Classes)

Lớp chuyển tiếp tương đương là một tập hợp các gói được đối xử như nhau bởi
các router, nghĩa là chúng được chuyển tiếp cùng giao tiếp với cùng chặng tiếp theo và
được ấn định cùng lớp phục vụ. Khi một gói vào miền MPLS tại một node ngõ vào,
chúng được ánh xạ đến một FEC (Forwarding Equivalency Class). Việc ánh xạ tùy thuộc
vào số dữ kiện, nghĩa là điạ chỉ prefix, địa chỉ nguồn, địa chỉ đích hay giao tiếp ngõ vào.
Tại thời điểm hiện nay có 3 nguyên tố FEC được định nghĩa, đó là địa chỉ prefix, ID và
luồng của router.

Hình 6.5: Lớp chuyển tiếp tương đương(FEC)

Miền MPLS

Hình 6.6: Một miền MPLS tiêu biểu

- Router chuyển mạch nhãn LSR (Label Switching Router) là thiết bị mà có khả năng chuyển tiếp các gói ở lớp 3 và chuyển tiếp các khung đóng thành gói ở lớp 2. Cơ chế chuyển đổi nhãn được thực hiện ở lớp 2.

- Router nhãn biên LER (Label Edge Router) gồm một router và một chuyển mạch lớp 2 mà có khả năng chuyển tiếp các khung MPLS đến và đi từ miền MPLS. Nó tiến hành liên kết IP đến FEC MPLS bao gồm sự thoả thuận các luồng đưa đến. Nó còn giao tiếp với các LSR bên trong của MPLS để chuyển đổi các liên kết nhãn. Thường xét như một LSR ngõ vào hay ngõ ra bởi vì nó đặt ở vị trí biên của miền MPLS.

Hình 6.7: Đường dẫn chuyển mạch nhãn LSP

- Đường dẫn chuyển mạch nhãn (LSP Label Switched Path) có thể là một phần của cây từ nguồn đến đích.

LSR (Label Switching Router): Trong MPLS, các router gọi là router chuyển mạch nhãn LSR (Label Switching Router). LSR biên (còn gọi là LER: Label Edge Router) cung cấp giao tiếp giữa mạng IP với LSP.

Router trung tâm (Core LSR) cung cấp dịch vụ chuyển tiếp qua miền MPLS sử dụng LSP được thiết lập trước.

Trên ngõ vào của miền MPLS, LER dán nhãn vào các gói IP và chuyển trên LSP, LER ngõ ra sẽ gỡ nhãn này để khôi phục lại gói IP ban đầu.

Định tuyến tường minh ER-LSP

- Họat động định tuyến linh họat (dựa trên chính sách hoặc trên QoS).

- Có thể sử dụng các đường dẫn ngắn nhất.

- Có thể tính tóan các đường dẫn dựa trên các ràng buộc chính xác.

- Ngăn ngừa nghẽn từ mức truy nhập.

Hình 6.8: Định tuyến tường minh ER-LSP

II.2. Các “đóng gói” nhãn

Đóng gói MPLS có thể thực hiện trên nhiều môi trường khác nhau đồng thời hoặc nhãn chèn.

Hình 6.9: Các đóng gói nhãn

MPLS được thiết kế để có thể họat động trên nhiều giao thức khác nhau của lớp tuyến. Việc phiên dịch giữa các giao thức lớp tuyến khác nhau phải được hỗ trợ. MPLS gọi là “đa giao thức” bởi lý do trên.

Định tuyến từng chặng và định tuyến tường minh

Định tuyến phân bố	Định tuyến nguồn
Xây dựng tập hợp các cây phân chia từ nguồn đến đích	Xây dựng một đường dẫn từ nguồn đến đích
Tái định tuyến khó khăn bởi thời gian hội tụ của giao thức định tuyến	Tái định tuyến tự động hoặc nhân công, tiến hành trên các đường dẫn thay thế, dự phòng sẽ khiến thời gian tái định tuyến nhanh hơn.
Định tuyến dựa vào prefix của đích.	Định tuyến linh họat, dựa trên chính sách hoặc chất lượng dịch vụ (policy-based, QoS-based).
Khó khăn tiến hành kỹ thuật lưu lượng, định tuyến cơ sở QoS.	Thích hợp tốt với kỹ thuật lưu lượng