Tài liệu Báo cáo tốt nghiệp vận hành và bảo dưỡng trong mpls

Khóa luận tốt nghiệp Nhâm Đức Long – K49ĐA MỞ ĐẦU Xu hướng hội tụ các công nghệ mạng viễn thông và công nghệ thông tin tác động nhiều đến sự phát triển của mạng viễn thông, đòi hỏi mạng viễn thông phải có cấu trúc mở, linh hoạt, cung cấp nhiều loại dịch vụ khác nhau cho người sử dụng cũng như nâng cao hiệu quả khai thác. Internet đã phát triển rất nhanh và trở nên rất phổ biến trong thời gian qua. Hiện nay nó đã trở thành phương tiện thông tin rất hiệu quả và tiện lợi phục vụ cho mục đích giáo dục, thương mại, giải trí, thông tin giữa các cộng đồng.. Khi mạng Internet ngày càng phát triển nhu cầu về lưu lượng mạng cũng như chất lượng dịch vụ, tính bảo mật, độ tin cậy ngày càng cao. Để đáp ứng được đòi hỏi này các nhà cung cấp dịch vụ Internet cần phải quan tâm đến 3 vấn đề kĩ thuật sau: đó là kiến trục mạng, khả năng mở rộng mạng và kĩ thuật điều khiển lưu lượng. Chuyển mạch nhãn đa giao thức (Multi Protocol Label Switching-MPLS) là công nghệ xuất phát từ ý tưởng hợp nhất tốc độ chuyển mạch của ATM và tính năng kiểm soát của mạng dựa trên IP. MPLS cung cấp một nền tảng công nghệ mới cho quá trình tạo các mạng đa người dùng, đa dịch vụ với hiệu năng được cải tiến và đáp ứng được yêu cầu về chất lượng dịch vụ. MPLS là một trong những công nghệ nền tảng của mạng viễn thông thế hệ sau, nó cung cấp những ứng dụng quan trọng trong xử lý chuyển tiếp gói bằng cách đơn giản hóa quá trình xử lý đồng thời tích hợp với khả năng quản lý lưu lượng tạo ra môi trường đáp ứng cho yêu cầu của người sử dụng. Khi MPLS, với những ưu điểm của nó sẽ là một trong những giải pháp cho mạng đường trục thế hệ mới, hiện nay xu thế phát triển của MPLS là mọi lưu lượng trên MPLS (Any Traffic Over MPLS - ATOM) có khả năng đáp ứng bất kì loại dịch vụ nào : thoại, video. Fax, data…Chính vì vậy đề tài vận hành và bảo dưỡng mạng MPLS làm đề tài khóa luận tốt nghiệp cung cấp một một nền tảng mạng ổn định, có thể khai thác tối đa các lợi điểm của MPLS, nâng cao chất lượng dịch vụ. Vận hành và bảo dưỡng trong MPLS 1 Trường ĐH Công Nghệ Khóa luận tốt nghiệp Nhâm Đức Long – K49ĐA LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Th.S Nguyễn Quốc Tuấn – Phó chủ nhiệm khoa Điện tử viễn thông kiêm Chủ nhiệm bộ môn Hệ thống viễn thông, khoa Điện tử viễn thông – Trường ĐH Công nghệ - ĐH Quốc Gia Hà Nội, người thầy đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn em thực hiện bài khóa luận này. Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong trường ĐH Công nghệ, đến tất cả những người thân trong gia đình và toàn thể bạn bè đã động viên giúp đỡ em trong quá trình thực hiện bài khóa luận. Cuối cùng em xin gửi lời chúc tới thầy Nguyễn Quốc Tuấn, các thầy cô giáo trong khoa Điện tử viễn thông nói riêng và tòan thể các thầy cô trong trường luôn luôn mạnh khỏe, công tác tốt. Hà nội, ngày 28/05/2008 Sinh viên Nhâm Đức Long Vận hành và bảo dưỡng trong MPLS 2 Trường ĐH Công Nghệ Khóa luận tốt nghiệp Nhâm Đức Long – K49ĐA MỤC LỤC Lời mở đầu 1 Lời cảm ơn 2 Các thuật ngữ viết tắt 7 Chương 1: Cơ sở hình thành của công nghệ MPLS 9 1.1 Xu hướng hội tụ của mạng viễn thông 9 1.2 Thực trạng của mạng IP truyền thống 10 1.3 Công nghệ ATM-mô hình hướng kết nối 11 1.4 Sự hình thành công nghệ MPLS 12 Chương 2: Tổng quan về công nghệ MPLS 14 2.1 Tổng quan 14 2.1.1 Tính thông minh phân tán 14 2.1.2 MPLS và mô hình OSI 14 2.2 Các khái niệm cơ bản trong MPLS 15 2.2.1 Miền MPLS (MPLS domain) 15 2.2.2 Lớp chuyển tiếp tương đương (FEC) 15 2.2.3 Nhãn và stack nhãn 16 2.2.4 Hoán đổi nhãn (Label Swapping) 16 2.2.5 Đường chuyển mạch nhãn LSP (Label Switched Path) 17 2.3 Mã hóa nhãn và các chế độ đóng gói nhãn MPLS 17 2.3.1 Mã hóa stack nhãn 17 2.3.2 Chế độ Frame 18 2.3.3 Chế độ Cell 19 2.4 Cấu trúc chức năng của MPLS Vận hành và bảo dưỡng trong MPLS 20 3 Trường ĐH Công Nghệ Khóa luận tốt nghiệp Nhâm Đức Long – K49ĐA 2.4.1 Kiến trúc một nút MPLS (LER và LSR) 20 2.4.2 Mặt phẳng chuyển tiếp (mặt phẳng dữ liệu) 21 2.4.3 Mặt phẳng điều khiển 23 2.5 Hoạt động chuyển tiếp MPLS 24 2.5.1 Hoạt động trong mặt phẳng chuyển tiếp 24 2.5.2 Gỡ nhãn ở hop áp cuối PHP (Penultimate Hop Popping) 25 2.6 Ưu điểm và ứng dụng của MPLS 25 2.6.1 Đơn giản hóa chức năng chuyển tiếp 25 2.6.2 Kỹ thuật lưu lượng 25 2.6.3 Định tuyến QoS từ nguồn 25 2.6.4 Mạng riêng ảo VPN 26 2.6.5 Chuyển tiếp có phân cấp (Hierachical Forwarding) 26 2.6.6 Khả năng mở rộng (Scalability) 26 Chương 3: Định tuyến và báo hiệu trong MPLS 27 3.1 Định tuyến trong MPLS 27 3.1.1 Định tuyến ràng buộc (Constrain based Routing) 27 3.1.2 Định tuyến tường minh (Explicit Routing) 28 3.2 Các chế độ báo hiệu trong MPLS 28 3.2.1 Chế độ phân phối nhãn 28 3.2.2 Chế độ duy trì nhãn 29 3.2.3 Chế độ điều khiển LSP 30 3.2.4 Các giao thức phân phối nhãn MPLS 31 3.3 Giao thức LDP (Label Distribution Protocol) 32 3.3.1 Hoạt động của LDP 32 3.3.2 Cấu trúc thông điệp LDP 34 Vận hành và bảo dưỡng trong MPLS 4 Trường ĐH Công Nghệ Khóa luận tốt nghiệp Nhâm Đức Long – K49ĐA 3.3.3 Các bản tin LDP 35 3.3.4 LDP điều khiển độc lập và phân phối theo yêu cầu 36 3.4 Giao thức CR-LDP (Constrain based Routing LDP) 37 3.4.1 Mở rộng cho định tuyến ràng buộc 38 3.4.2 Thiết lập một CR- LSP (Constrain based routing LSP) 38 3.4.3 Tiến trình dự trữ tài nguyên 39 3.5 Giao thức RSVP-TE (RSVP Traffic Engineering) 40 3.5.1 Các bản tin thiết lập dự trữ RSVP 40 3.5.2 Các bản tin Tear Down, Error và Hello của RSVP-TE 41 3.5.3 Thiết lập tuyến tường minh điều khiển tuận tự theo yêu cầu 42 3.5.4 Giảm lượng overhead làm tươi RSVP 43 3.6 Giao thức BGP 44 3.6.1 BGPv4 và mở rộng cho MPLS 44 3.6.2 Kết nối MPLS qua nhiều nhà cung cấp dịch vụ. 45 Chương 4: Vận hành và bảo dưỡng trong MPLS 47 4.1 Giới thiệu 47 4.2 Các yêu cầu của OAM MPLS 47 4.2.1 Phát hiện và chẩn đóan các lỗi của mặt phẳng dữ liệu và mặt phẳng điểu khiển. 48 4.2.2 Phát hiện lỗi trong một đường chuyển mạch nhãn (LSP) 48 4.2.3 Các gói OAM di chuyển trên cùng một tuyến như là lưu lượng dữ liệu MPLS 49 4.2.4 Mô tả đặc điểm của tuyến. 49 4.2.5 Đo đạc các SLA 50 4.2.6 Sự ảnh hưởng lẫn nhau của OAM 50 4.2.7 Các MIB 50 4.2.8 Việc tính toán. 51 Vận hành và bảo dưỡng trong MPLS 5 Trường ĐH Công Nghệ Khóa luận tốt nghiệp Nhâm Đức Long – K49ĐA 4.3 Vận hành và bảo dưỡng trên MPLS 51 4.3.1 LSP connectivity 51 4.3.1.1 Connectivity Verification (CV) 53 4.3.1.2 Chỉ thị lỗi chuyển tiếp gói tin (FDI) 54 4.3.1.3 Chỉ thị lỗi ngược (BDI) 55 4.3.2 Defect type codepoint 57 4.3.3 Tùy chọn cảnh báo router và nhãn cảnh báo router 61 4.3.3.1 Tùy chọn cảnh báo router 61 4.3.3.2 Nhãn cảnh báo router 62 4.3.4 Ping LSP MPLS 64 4.3.4.1 Các chi tiết Ping LSP 64 4.3.4.2 Điều hành Ping MPLS 69 4.3.4.3 Ping MPLS trong IOS Cisco. 70 4.3.5 Traceroute LSP MPLS 71 4.3.6 VCCV 72 4.3.7 IP Service Level Agreement 74 VRF – aware IP SLA 75 4.3.8 Netflow Accounting 76 4.3.9 SNMP/MIBs 78 4.3.9.1 Context – Based Access for SNMP over MPLS VPN 81 4.3.9.2 Các MIB VPN MPLS. 82 4.3.10 Syslog 82 * Ánh xạ thông điệp OAM (OAM Message Mapping) 83 4.3.11 Chuyển mạch bảo vệ (protection switching) 85 4.3.12 Định tuyến lại nhanh (Fast rerouting) 87 4.3.13 MPLS và kĩ thuật lưu lượng 88 Kết luận Vận hành và bảo dưỡng trong MPLS 91 6 Trường ĐH Công Nghệ Khóa luận tốt nghiệp Nhâm Đức Long – K49ĐA CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT AS ATM BGP Automonuos System – Hệ tự trị Asynchronous Transfer Mode – Chế độ truyền dẫn bất đồng bộ Border Gateway Protocol – Giao thức cổng biên CAC CBR Connection Admission Cotrol – Chức năng điều khiển chấp nhận kết nối Constraint Based Routing – Định tuyến ràng buộc CR-LDP Constraint Routing Label Distribution Protocol – Định tuyến ràng buộc với giao thức phân phối nhãn. CoS Class of Service – Lớp dịch vụ CSPF Constraint Shortest Path First – Định tuyến ràng buộc với đường ngắn nhất. EGP Exterior Gateway Protocol – Giao thức cổng ngoài Egress LSR Egress Label Switching Router – Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn lối vào ER Explicit Routing – Định tuyến tường minh FEC Forwarding Equivalence Class – Lớp chuyển tiếp tương đương. FR Frame Relay – Một giao thức truyền tin FTN FEC to NHLFE Internet Engineering Task Force – Nhóm làm việc về các cơ cấu trên Internet IGP Interior Gateway Protocol – Giao thức cổng nội Igress LSR Igress Label Switching Router – Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn lối ra ILM Incoming Label Map – Bảng ánh xạ nhãn đến. IP Internet Protocol – Giao thức Internet ISP Internet Service Provider – Nhà cung cấp dịch vụ Internet LDP Label Distribution Protocol – Giao thức phân phối nhãn. LER Label Edge Router – Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn biên LFIB Label Forwarding Information Base – Cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn LSP Label Switching Path – Đường chuyển mạch nhãn LSR Label Switching Router – Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn NHLFE Next Hop Label Forwarding Switching Entry – Entry chuyển tiếp nhãn Hop tiếp theo. MPLS Multi Protocol Label Switching – Chuyển mạch nhãn đa giao thức. IETF Vận hành và bảo dưỡng trong MPLS 7 Trường ĐH Công Nghệ Khóa luận tốt nghiệp Nhâm Đức Long – K49ĐA OSPF Open Shortest Path First – giao thức mở định tuyến theo đường ngắn nhất PHB PHP Per Hop Behavior - Ứng xử theo từng chặng. Penuntimate Hop Popping – Gỡ nhãn ở hop áp chót QoS RIP RSPV Quality of Service – Chất lượng dịch vụ Routing Information Protocol – Giao thức thông tin định tuyến Rersource Rersevation Protocol – Giao thức yêu cầu đặt trước các tài SE nguyên Shared Explicit – Chia sẻ tường minh TE ToS TTL UDP Traffic Engineering – Kĩ thuật lưu lượng Type of Service – Kiểu của dịch vụ Time To Live – Thời gian sống của gói tin User Datagram Protocol – Giao thức dữ liệu người dùng VC VCI VP VPI VPN Virtual Circuit – Mạch ảo Virtual Circuit Identifier – Nhận dạng kênh ảo Virtual Path – Tuyến ảo Virtual Path Identifier – Nhận dạng tuyến ảo Virtual Private Network – Mạng riêng ảo Vận hành và bảo dưỡng trong MPLS 8 Trường ĐH Công Nghệ Khóa luận tốt nghiệp Nhâm Đức Long – K49ĐA Chương 1 CÔNG NGHỆ MPLS Mô hình TCP/IP là nền tảng của mạng truyền thông Internet ngày nay,. Với TCP/IP cho phép hoạt động thông tin diễn ra trong bất kì một mạng nào trong liên mạng phù hợp tốt như trong hoạt động truyền tin cả ở WAN và LAN. Mô hình TCP/IP hướng đến tối đa độ linh hoạt tại lớp ứng dụng cho người phát triển phần mềm, với mô hình này sẽ không cần quan tâm đến ứng dụngnào yêu cầu dịch vụ mạng và không quan tâm đến giao thức vận chuyển nào đang được dùng, chỉ có một giao thức mạng là IP. TCP/IP sử dụng kĩ thuật chuyển tiếp gói IP cho phép phục vụ như một giao thức đa năng cho phép bất kì máy tính nào ở bất cứ đâu truyền dữ liệu vào bất cứ thời điểm nào. 1.1 Xu hướng hội tụ của mạng viễn thông Trong mạng điện thoại, các điện thoại thông thường chỉ được sử dụng để kết nối với một phía đối diện tương ứng nhằm thiết lập một cuộc gọi. Trong truyền số liệu, các đường dây chuyên dụng dùng cho một lượng hạn chế các thuê bao cũng được sử dụng. Ngoài ra các mạng lưới điện tín hiện nay cũng đang hoạt động như các mạng độc lập với các hệ thống thông tin khác. Mạt khác tầm quan trọng của việc đảm bảo các phương tiện thích hợp để trao đổi thông tin ngày càng tăng khi xã hội hiện đại ngày càng tiến gần đến thời đại thông tin. Để đương đầu với những thay đổi này các hệ thống chuyển mạch điện tử đang được tích hợp với những đặc điểm mới đang đươc phát triển. Thêm nữa việc nghiên cứu các dịch vụ mới hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu của người sử dụng cũng đang được tiến hành. Gần đây các cố gắng nhằm kết hợp các hình thức khác nhau của các hệ thống thông tin đang được thực thi nhằm tạo được hiệu quả cao khác nhau của các hệ thống thông tin đang được thực thi nhằm tạo được hiệu quả cao hơn, chi phí thấp hơn. Nói chung mục tiêu cơ bản của truyền thông có thể coi như là quá trình gửi và nhận các thông tin cần thiết qua các lọai phương tiện truyền thông khác nhau. Đồng thời sự giao tiếp máy – máy được sử dụng để xử lý các số liệu cũng như điều khiển các tín hiệu. Vận hành và bảo dưỡng trong MPLS 9 Trường ĐH Công Nghệ Khóa luận tốt nghiệp Nhâm Đức Long – K49ĐA Những dịch vụ kể trên có thể phân lọai theo chức năng thành các dịch vụ chuyển mạhc điện thoại, video và thông tin số liệu. Tùy theo dạng thông tin được xử lý mà các phương pháp phục vụ, các đặc tính lưu lượng, độ rộng các dải tần tryền dẫn và các đặc tính của các thiết bị đầu cuối sẽ được xắc định. Do vậy, để thỏa mãn nhu cầu ngày càng tăng, mạng viễn thông đòi hỏi có cấu trúc hiện đại, linh hoạt, cho phép kêt hợp các phưong tiện và nhất là phải thỏa mãn nhu cầu về truyền tải đa dịch vụ, đa phương tiện nhưng đồng thời cũng phải tận dụng được cơ sở hạ tầng của mạng viễn thông truyền thống và phải được chuẩn hóa trên toàn cầu để phá vỡ tính độc quyền. Nếu một mạng lưới thông tin với mục đích đặc biệt và dễ thiết kế đứợc thiết lập nó có thể sẽ không đủ linh hoạt để đáp ứng những đòi hỏi mới một cách có hiệu quả. Ngược lại nếu nhiều loại dịch vụ thông tin được két hợp lại thành một mạng lưới duy nhất để hoạt động thì mạng lưới đó cho dù hơi kém nhiệu quả đôi chút nhưgn nó vẫn có thể dễ dàng vận hành, thay đổi và mở rộng. Ngoài ra các tổng đài như vậy sẽ dễ dàng điều khiển. Điều này đồng nghĩa với xu thế phát triển của các hệ thống viễn thông là hội tụ về một mạng viễn thôgn duy nhất đáp ứng được các đặc điểm kể trên đó chính là mạng IP. 1.2 Thực trạng của mạng IP truyền thống. Mô hình TCP/IP vẫn có một số hạn chế nhất định đó là trong vấn đề định tuyến IP từ khả năng mở rộng cho đến việc quản lý lưu lượng của mạng. Với việc xét các trường địa chỉ cho mỗi lần định tuyến, nếu mạng mở rộng càng lớn thì việc định tuyến sẽ hết sức khó khăn. - Thứ nhất là vấn đề tốc độ và độ trễ, chuyển tiếp dựa trên IP cổ điển quá chậm để có thể điều khiển các đường truyền có lưu lượng lớn trên Internet. Tuy đã xuất hiện các phương pháp để nâng cao tốc độ như sử dụng bảng định tuyến nhanh cho các gói tin quan trọng, tuy nhiên các gói đến router vẫn lớn hơn so với khả năng xử lý của router do các giao thức đinh tuyến thường hướng lưu lượng vào cùng một số các kết nối nhất định vì vậy dẫn đến tình trạng mất gói, mất kết nối… - Thứ hai là khả năng mở rộng của mạng. Với mạng internet hiện nay, số lượng người dùng ngày càng tăng, thiết bị thêm vào mạng ngày càng nhiều Vận hành và bảo dưỡng trong MPLS 10 Trường ĐH Công Nghệ Khóa luận tốt nghiệp Nhâm Đức Long – K49ĐA đồng nghĩa với việc các router core phải hoạt động nhiều hơn và việc mở - rộng mạng là khó khăn. Thứ ba là khả năng tích hợp các kĩ thuật của các lớp với nhau. Như ta đã biết trong mô hình TCP/IP các lớp được phân ra khá cụ thể và rõ ràng về các chức năng vì vậy mà việc tích hợp kĩ thuật mạng lớp 2 và lớp 3 là tương đối khó khăn. 1.3 Công nghệ ATM – Mô hình hướng kết nối. ATM là công nghệ chuyển mạch hướng kết nối, tức là kết nối từ điểm đầu đến điểm cuối phải được thiết lập trước khi thông tin được gởi đi. Việc tạo kết nối mạch ảo có thể đạt hiệu quả trong mạng nhỏ, nhưng đối với mạng lớn thì những vấn đề có thể xảy ra: Mỗi khi một router mới đưa vào mạng lõi WAN thì mạch ảo phải được thiết lập giữa router này với các router còn lại để đảm bảo việc định tuyến tối ưu. Điều này lưu lượng định tuyến trong mạng tăng. Thông thường việc thiết lập kết nối này được thực hiện bởi giao thức báo hiệu. Giao thức này cung cấp các thông tin trạng thái liên quan đến kết nối cho các chuyển mạch nằm trên đường đã định tuyến. Chức năng điều khiển chấp nhận kết nối CAC (Connection Admission Control) đảm bảo rằng các tài nguyên liên quan đến kết nối hiện tại sẽ không được đưa vào để sử dụng cho các kết nối mới. Điều này buộc mạng phải duy trì trạng thái của từng kết nối (bao gồm thông tin về sự tồn tại của kết nối và tài nguyên mà kết nối đó sử dụng) tại các node có dữ liệu đi qua. Việc lựa chọn tuyến được thực hiện dựa trên các yêu cầu về QoS đối với kết nối và dựa trên khả năng của thuật toán định tuyến trong việc tính toán các tuyến có khả năng đáp ứng các yêu cầu QoS đó. Do khả năng nhận dạng mạng, khả năng cô lập từng kết nối với các tài nguyên liên quan đến kết nối trong suốt thời gian tồn tại của kết nối mà môi trường hướng kết nối có thể đảm bảo chất lượng cho từng luồng thông tin. Mạng sẽ giám sát từng kết nối, thực hiện định tuyến lại trong trường hợp có sự cố và việc thực hiện định tuyến lại này cũng phải thông qua báo hiệu. Vận hành và bảo dưỡng trong MPLS 11 Trường ĐH Công Nghệ Khóa luận tốt nghiệp Nhâm Đức Long – K49ĐA Từ cơ chế truyền tin ta thấy mạng hướng kết nối thích hợp với : - Các ứng dụng yêu cầu phải đảm bảo QoS một cách nghiêm ngặt. Các ứng dụng có thời gian kết nối lớn. Đối với các ứng dụng có thời gian kết nối ngắn thì môi trường hướng kết nối dường như lại không thích hợp do thời gian để thiết lập kết nối cũng như tỉ lệ phần thông tin header lại quá lớn. Với các loại lưu lượng như vậy thì môi trường phi kết nối với phương thức định tuyến đơn giản, tránh phải sử dụng các giao thức báo hiệu phức tạp sẽ phù hợp hơn. 1.4 Sự hình thành công nghệ MPLS Định tuyến IP truyền thống có nhiều giới hạn, từ vấn đề khả năng mở rông cho đến việc quản lý lưu lượng và tích hợp mạng lớp 2 đã tồn tại trong mạng của các nhà cung cấp dịnh vụ lớn. đã họat động từ lâu. Nhưng với sự phát triển nahnh chóng của mạng internet và hầu hết trong các môi trường đều chọn IP là giao thức lớp 3 thì những nhược điểm của IP truyền thống ngày càng bộc lộ rõ, trong khi đó công nghệ ATM có tốc độ truyền tin cao, đảm bảo thời jan thực và chất lượng dịch vụ theo yêu cầu định trước. Hơn nữa các dịch vụ thông tin thế hệ sau được chia thành hai xu hướng phát triển chính là: hoạt động kết nối định hướng và hoạt động không kết nối. Hai xu hướng páht triển này dần tiệm cận và hội tụ nhau tiến tới ra đời công nghệ IP over ATM. Sự kết hợp IP với ATM có thể là giải pháp kì vọng cho mạng viễn thông trong tương lai. Tuy nhiên, IP và ATM là hai công nghệ hoàn toàn khác nhau, được thiết kế cho những môi trường mạng khác nhau về giao thức, cách đánh địa chỉ, định tuyến , báo hiệu, phân bổ tài nguyên…khi các ISP càng mở rộng mạng theo hướng IP/MLPS/ATM (IP over ATM), họ càng nhận rõ nhược điểm của mô hình này, đó là sự phức tạp của mạng lưới do phải duy trì hoạt động của hai hệ thống thiết bị. Sự bùng nổ của mạng Internet dẫn tới xu hướng hội tụ của mạng viễn thông khác như mạng thoại, truyền hình dựa trên Internet, giao thức IP trở thành giao thức chủ đạo trong lĩnh vực mạng. Xu hướng của các ISP là thiết kế và sử dụng các router chuyên dụng, dung lượng chuyên tải lớn, hỗ trợ các giải pháp tích hợp, chuyển mạch đa lớp cho mạng đường trục Vận hành và bảo dưỡng trong MPLS 12 Trường ĐH Công Nghệ Khóa luận tốt nghiệp Nhâm Đức Long – K49ĐA Internet. Nhu cầu cấp thiết trong bối cảnh này là phải ra đời một công nghệ lai có khả năng kết hợp các những đặc điểm tốt của chuyển mạch kênh ATM và chuyển mạhc gói IP. Công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS ra đời đã đáp ứng được những nhu cầu của thị trường đúng theo tiêu chí páht triển của Internet đã mang lại những lợi ích thiết thực, đánh giấu một bước phát triển mới của mạng Internet trước xu thế tích hợp công nghệ thông tin và viễn thông. MPLS liên kết các ưu điểm của định tuyến lớp 3 connectionless và chuyển mạch lớp 2 connection-oriented. MPLS là một phương thức được cải tiến cho việc chuyển tiếp các gói tin trong bằng cách sử dụng các nhãn được gán thêm vào trong các gói tin IP. Mục tiêu chính của MPLS là tạo ra một cấu trúc mạng mềm dẻo để cung cấp cho đặc tính mở rộng và ổn định mạng. Điều này bao gồm kĩ thuật điều khiển lưu lượng và khả năng hoạt động của VPN và có liên quan đến chất lượng dịch vụ (QoS) và nhiều lớp dịch vụ (CoS). Vận hành và bảo dưỡng trong MPLS 13 Trường ĐH Công Nghệ Khóa luận tốt nghiệp Nhâm Đức Long – K49ĐA Chương 2 CÁC ĐẶC TÍNH MẠNG MPLS 2.1 TỔNG QUAN 2.1.1 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 thì đặt ở mạng biên (edge), ví dụ như các tổng đài nội hạt, truy nhập… Trong mạng gói IP, tính thông minh phân tán gần như chia đều cho các thiết bị trong mạng. Tất cả các router đều phải làm hai nhiệm vụ đó là định tuyến và chuyển mạch. Đấy là ưu điểm nhưng cũng là nhược điểm của mạng IP. Quan điểm của MPLS là tính thông minh càng đưa ra mạng biên thì mạng càng hoạt động tốt. Lý do là những thành phần ở mạng lõi phải chịu tải rất cao. Thành phần mạng lõi nên có độ thông minh thấp và năng lực chuyển tải cao. 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 tin với tốc độ cao dựa vào các nhãn. Tính thông minh được đẩy ra ngòai biên là một trong những ưu điểm lớn nhất của MPLS. 2.1.2 MPLS và mô hình tham chiếu OSI Nguyên lý của MPLS là tất cả các gói IP sẽ được gắn nhãn và chuyển tiếp theo một đường dẫn LSP (Label Switched Path). Các router trên đường dẫn chỉ căn cứ vào nội dung của nhãn để thực hiện quyết định chuyển tiếp gói tin mà không cần phải kiểm tra IP. Vận hành và bảo dưỡng trong MPLS 14 Trường ĐH Công Nghệ Khóa luận tốt nghiệp Nhâm Đức Long – K49ĐA 2.2 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG MPLS 2.2.1 Miền MPLS (MPLS domain) Chuẩn RFC3031 mô tả miền MPLS là “một tập hợp các nút mạng thực hiện hoạt động định tuyến và chuyển tiếp MPLS”. Một miền MPLS thường được quản lý và điều khiển bởi một nhà quản trị. Miền MPLS được chia thành 2 phần: phần mạng lõi (core) và phần mạng biên (edge). Các nút thuộc miền MPLS được gọi là router chuyển mạch nhãn LSR (Label Switch Router). Các nút ở phần mạng lõi được gọi là transit- LSR hay core-LSR, thường được gọi tắt là LSR. Các nút ở biên được gọi là router biên nhãn LER (Label Edge Router). Nếu một LER là nút đầu tiên trên đường đi của một gói xuyên qua miền MPLS thì nó được gọi là LER lối vào (ingress-LER), còn nếu là nút cuối cùng thì nó được gọi là LER lối ra(egress-LER). 2.2.2 Lớp chuyển tiếp tương đương (FEC) Lớp chuyển tiếp tương đương FEC (Forwarding Equivalence Class) là một tập hợp các gói được đối xử như nhau bởi một LSR, như vậy FEC là một nhóm các gói IP được chuyển tiếp trên cùng một đường chủyển mạch nhẵn LSR cho dù chúng có thể khác nhau về thông tin header lớp mạng. Hình dưới cho thấy cách xử lý này: Hình 2.1. Lớp chuyển tiếp tương đương Vận hành và bảo dưỡng trong MPLS 15 Trường ĐH Công Nghệ Khóa luận tốt nghiệp Nhâm Đức Long – K49ĐA 2.2.3 Nhãn và stack nhãn RFC 3031 định nghĩa nhãn là “một bộ phận nhận dạng có độ dài ngắn và cố định mang ý nghĩa cục bộ dùng để nhận biết một FEC”. Nhãn được dán lên một gói để báo cho LSR biết gói này cần đi đến đâu. Phần nội dung nhãn có độ dài 20bit không cấu trúc, như vậy số giá trị nhãn có thể có là 2. Giá trị nhãn định nghĩa chỉ số (index) để dùng trong bảng chuyển tiếp. Một gói lại có thể được “dán chồng” nhìều nhãn, các nhãn này chứa trong một nơi gọi là stack nhãn (Label Stack). Stack nhãn là một tập hợp gồm một hoặc nhiều lối vào nhãn tổ chức theo nguyên tác LIFO. Tại mỗi hop trong mạng chỉ xử lý nhãn hiện hành trên đỉnh stack. Chính nhãn này sẽ được LSR sử dụng để chuyển tiếp gói tin. Hình 2.2: Stack nhãn Nếu gói tin chưa có nhãn thì stack nhãn là rỗng (độ sâu của stack nhãn bằng 0). Nếu stack có chiều sâu là d thì mức 1 sẽ ở đáy stack (bit S trong entry nhãn đặt lên là 1) và mức d sẽ ở đỉnh của stack. Một entry nhãn có thể được cất vào (push) hoặc lấy ra (pop) khỏi stack. 2.2.4 Hoán đổi nhãn (Label Swapping) Hoán đổi nhãn là cách dùng các thủ tục để chuỷên tiếp gói tin. Để chuyển tiếp gói có nhãn, LSR kiểm tra nhãn trên đỉnh stack và dùng ánh xạ ILM (Incoming Label Map) để ánh xạ nhãn này tới một entry chuyển tiếp nhãn NHLFE (Next Hop Label Forwarding Entry). Sử dụng thông tin trong NHLFE, LSR xác định ra nơi để chuyển tiếp gói tin và thực hiện một tác vụ trên stack nhãn. Rồi nó mã hóa stack nhãn mới vào gói và chuyển gói đi. Vận hành và bảo dưỡng trong MPLS 16 Trường ĐH Công Nghệ Khóa luận tốt nghiệp Nhâm Đức Long – K49ĐA Chuyển tiếp gói chưa có nhãn cũng tương tự nhưng xảy ra ở ingress-LER. LER phải phân tích header lớp mạng để xắc định FEC rồi sử dụng ánh xạ FTN (FEC to NHLFE) để ánh xạ FEC vào một NHLFE. 2.2.5 Đường chuyển mạch nhãn LSP (Label Switched Path) Đường chuyển mạch nhãn LSP là một đường nối giữa router ngõ vào và router ngõ ra, được thiết lập bởi các nút MPLS để chuyển các gói đi xuyên qua mạng. Đường dẫn của một LSP qua mạng được định nghĩa bởi sự chuyển đổi các giá trị nhãn ở các LSR dọc theo LSP bằng cách dùng thủ tục hoán đổi nhãn. Khái niệm LSP tương tự như khái niệm mạch ảo (VC) trong ATM. Hình 2.3: Đường chuyển mạch nhãn LSP 2.3 Mã hóa nhãn và chế độ đóng gói nhãn 2.3.1 Mã hóa stack nhãn Khi nhãn được gắn lên gói, bản thân giá trị nhãn là 20 bit sẽ được mã hóa cùng với một thông tin cộng thêm để phụ trợ trong quá trình chuyển tiếp gói để hình thành một entry nhãn. Hình minh họa một dịnh dạng một entry nhãn trong stack nhãn. Hình 2.4: Định dạng một entry trong stack nhãn Vận hành và bảo dưỡng trong MPLS 17 Trường ĐH Công Nghệ Khóa luận tốt nghiệp Nhâm Đức Long – K49ĐA Một chồng nhãn 32 bit bao gồm các trường sau:  Nhãn: là nhãn thực sự, có chiều dài là 20 bit. Do đó ta có thể tạo ra được 220 giá trị nhãn khác nhau.  Exp: trường Experimental có 3 bit, được dùng để định nghĩa lớp dịch vụ.  S: bit S là bit bottom-of-stack (dưới cùng của chồng nhãn). Một gói tin có thể có nhiều nhãn, nếu nhãn thêm vào chồng nhãn là cuối cùng thì bit này được thiết lập lên 1.  TTL: trường Time to live có 8 bit, trường này mang ý nghĩa giống như bên IP. Tức là nó sẽ giảm đi 1 khi qua mỗi hop để ngăn chặn routing loop Công thức để dán nhãn gói tin là: Network Layer Packet + MPLS Label Stack Label Spaces: chia làm 2 loại Per-Platform Label Space: các interface dùng chung giá trị nhãn. Per-Interface Label Space: mỗi interface mang giá trị nhãn riêng 2.3.2 Chế độ Frame Các kĩ thuật lớp 2 như Ethernet, Token Ring, FDDI, PPP không có trường nào phù hợp trong header của frame có thể mang nhãn. Vì vậy stack nhãn sẽ được chứa trong header chêm (shim header). Shim header được chêm vào giữa header lớp liên kết và header lớp mạng, như trong hình 11. Đỉnh stack nằm liền sau header lớp 2 và đáy stack nằm liền trước header lớp mạng. Hình 2.5 : Shim header được chêm vào giữa header lớp 2 và lớp 3 Vận hành và bảo dưỡng trong MPLS 18 Trường ĐH Công Nghệ Khóa luận tốt nghiệp Nhâm Đức Long – K49ĐA Roưter gửi frame phải có cách để báo cho router nhận biết rằng frame này có chứa shim header, cách thức này khác nhau giữa các kĩ thuật lớp 2. Ethernet sử dụng cặp giá trị ethertype 0x8847 và 0x8848 để chỉ thị frame đang mang gói MPLS unicast và multicast tương ứng. PPP sử dụng NCP (Network Control Program) sửa đổi gọi là MPLSCP (MPLS Control Protocol) và đánh dấu tất cả các gói có chứa shim header bằng giá trị 0x8281 trong trường PPP protocol 2.3.3 Chế độ cell Chế độ cell được dùng khi ta có một mạng gồm cá ATM-LSR (là các chuyển mạch ATM có hỗ trợ MPLS), trong đó nó sử dụng các giao thức phân phối nhãn MPLS để trao đổi thông tin VPI/VCI, trong VPI hoặc VCI của header cell ATM. Hình 2.6 : Nhãn trong chế độ Cell ATM Cell ATM gồm có 5 byte header và 48 byte payload. Để chuyển tải gói tin có kích thước lớn hơn 48 byte từ lớp trên đưa xuống, ATM phải gói tin thành nhiều phần nhỏ hơn, việc này gọi là phân đoạn (fragmentation) [4]. Quá trình phân đoạn do lớp AAL (ATM Adaptation Layer) đảm trách. Cụ thể AAL 5 PDU sẽ đựợc chia thành nhiều đoạn 48byte, mỗi đoạn 48byte này được thêm header 5byte để tạo ra một cell ATM. Hình 2.7 : Đóng gói (encapsulation) gói có nhãn trên link ATM Khi đóng gói có nhãn MPLS trên ATM, toàn bộ stack nhãn được đặt trong AAL 5 PDU. Giá trị thực sự của nhãn đỉnh được đặt trong trường VPI/VCI, hoặc đặt trong Vận hành và bảo dưỡng trong MPLS 19 Trường ĐH Công Nghệ Khóa luận tốt nghiệp Nhâm Đức Long – K49ĐA trường VCI nếu 2 ATM-LSR kết nối nhau qua một đường ảo ATM (VP). Entry đỉnh stack nhãn phải chứa giá trị 0 (coi như entry giữ chỗ) và được bỏ qua khi nhận. Lý do các nhãn phải chứa ở cả trong AAL5 PDU và header ATM là để mở rộng độ sâu stack nhãn. Khi các cell ATM đi đến cuối LSP, nó sẽ được tái hợp lại. Nếu có nhiều nhãn trong stack nhãn, AAL5 PDU sẽ bị phân đoạn lần nữa và nhãn hiện hành trên đỉnh stack sẽ được đặt vào trường VPI/VCI. 2.4 CHỨC NĂNG MPLS 2.4.1 Kiến trúc một nút MPLS (LER và LSR) Hình dưới minh họa mặt phẳng điều khiển và chuyển tiếp của LSR và LER. Mặt phẳng điều khiển có chức năng định tuyến IP dùng để giao tiếp với các LSR, LER khác họăc các router IP thông thường bằng các giao thức định tuyyến IP. Kết quả là một cơ sở thông tin định tuyến RIB (Routing Information Base) được tạo lập gồm các thông tin miêu tả các route khả thi để tìm các prefix địa chỉ IP. LER sẽ sử dụng các thông tin này để xây dựng cơ sở thông tin chuyển tiếp FIB (Fơrwarding Information Base) trong mặt phẳng chuyển tiếp. Hình 2.8 : Cấu trúc của LER và transit LSR Vận hành và bảo dưỡng trong MPLS 20 Trường ĐH Công Nghệ