Chương 1 Công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS
(Multiprotocol Label Switching).
1.1 Chuyển mạch nhãn đa giao thức là gì?
Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS (Multi-Protocol Label Switching) là
một công nghệ đưa ra phương thức cải tiến cho việc chuyển tiếp gói tin qua mạng.
MPLS là sự kết hợp giữa kỹ thuật định tuyến lớp 3 và chuyển mạch lớp 2 cho
phép nâng cao tốc độ chyển tiếp lưu lượng trên mạng lõi và định tuyến tốt ở mạng
biên bằng cách sử dụng các nhãn gắn thêm vào các gói tin. Ý tưởng chính của
MPLS sử dụng nhãn gắn kèm với các gói tin để quyết định việc chuyển tiếp gói tin
đến nút tiếp theo trong mạng.
Vị trí và dạng của nhãn đính kèm vào gói tin phụ thuộc vào công nghệ truyền
tải được sử dụng ở lớp 2. 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 của mạng. Điều này bao
gồm kỹ thuật điều khiển lưu lượng và khả năng hoạt động của VPN và có liên
quan đến Chất lượng dịch vụ (QoS) với nhiều lớp dịch vụ (Cos).
Hình 1.1 Tổng quan về mạng MPLS
Trong hình 1.1 khi các gói tin đến biên của mạng MPLS thì bộ định tuyến ở
biên [A] thực hiện việc phân nhóm, gán nhãn cho các gói tin và xác định đường đi
cho các gói tin xuyên qua mạng MPLS. Các bộ định tuyến bên trong mạng MPLS
[B,C] thực hiện việc thay đổi giá trị nhãn và chuyển tiếp gói tin. Khi các gói tin
đến bộ định tuyến [D] ở biên của mạng, [D] gỡ bỏ nhãn ra khỏi các gói tin. Các
gói tin được định tuyến một cách bình thường sau khi ra khỏi mạng MPLS. Do các
bộ định tuyến [B,C] bên trong mạng không kiểm tra toàn bộ header của các gói tin
mà chỉ dựa vào thông tin trong nhãn đính kèm ở mỗi gói tin và thông tin duy trì tại
mỗi nút để chuyển tiếp gói tin. Do vậy tốc độ xử lý trong miền MPLS sẽ nhanh
hơn rất nhiều lần so với định tuyến IP theo từng chặng truyền thống. Một số khái
niệm được dùng trong mạng MPLS sẽ được trình bày ở phân sau của tài liệu này.
Ưu điểm của công nghệ chuyên mạch nhãn đa giao thức MPLS:
 Đơn giản, chuyển tiếp lưu lượng nhanh và định tuyến linh hoạt dựa vào
nhãn được đính kèm trong các gói tin.
 Điều khiển chính xác dung lượng đường truyền hỗ trợ chất lượng dịch

đương là đích cần đến. Do đó, các gói hành lý có cùng nơi đến sẽ được phân vào
cùng nhóm và vận chuyển đến đích theo cùng một cách. Trong ví dụ trên ta có các
nhóm chuyển tiếp tương đương FEC Afghanistan, FEC Middle East và FEC USA.
1.2.2 Nhãn, gói tin được gán nhãn và ngăn xếp nhãn.
Nhãn là một thực thể có độ dài ngắn, cố định không có cấu trúc bên trong, và
thường có ý nghĩa cục bộ. Nhãn được gán vào một gói tin cụ thể sẽ đại diện cho
FEC mà gói tin đó được ấn. Việc gắn nhãn cho gói tin và xác định đường đi cho
gói tin qua mạng phải được thực hiện trược khi chuyển gói tin qua mạng.
Vị trí và dạng của nhãn đính kèm vào gói tin phụ thuộc vào công nghệ truyền
tải được sử dụng ở lớp 2. Trong mạng ATM nhãn chứa trong các trường VCI/VPI,
tương tự trong mạng Frame Relay nhãn chính là trường DLCI. Đối với các công
nghệ lớp 2 không hỗ trợ trường nhãn như Ethernet, token ring, FDDI, point-to-
point thì nhãn được chèn vào giữa lớp 2 và lớp 3. Nhãn được thêm vào giữa phần
mào đầu lớp 2 và lớp 3 còn được gọi với tên khác là shim header.
Cấu trúc của nhãn MPLS:
Hình 1.3 Cấu trúc của nhãn MPLS
Mô tả các trường trong nhãn:
 Label: độ dài 20 bits, chứa giá trị của nhãn.
 CoS: độ dài 3 bits được sử dụng để phân chia lớp dịch vụ.
 S có độ lớn 1 bit chỉ định nhãn cuối của ngăn xếp nhãn, nhãn cuối stack
S có giá trị 1.
TTL (Time to Live) có độ dài 8 bits, xác định thời gian tồn tại của gói tin tính
băng giây để tránh tình trạng một gói tin luẩn quẩn trên mạng. Thời gian được cho
bởi trạm gửi và giảm đi một đơn vị khi qua mỗi router của liên mạng.
 Gói tin được gán nhán: là gói tin mà nhãn đã được mã hoá, đính kèm vào
phần đầu của gói tin.
 Ngăn xếp nhãn: nhiều nhãn có thể đình kèm trong một gói tin và được tổ chức
theo nguyên tắc vào sau ra trước được gọi là ngăn xếp nhãn. Ngăn xếp nhãn
được sử dụng để chuyển tải thông tin về nhiều FEC và các LSP tương ứng mà
gói tin sẽ đi qua. Các LSR dọc đường đi của gói tin có thể thêm vào (push),

Label Information Base) được lưu trữ và quản lý bởi thành phần này. Tất cả các
nút LSR trong mạng sử dụng các giao thức định tuyến IP như OSPF, IS-IS…để
thay đổi thông tin định tuyến trong mạng. Việc lan truyền nhãn và quản lý thông
tin trong lưu LIB, LIFB sử dụng các giao thức như LDP, TDP, BGP, RSVP, CR-
LDP, CR-LDP.
1.2.3.2 Thành phần chuyển tiếp.
Thành phần chuyển tiếp dựa vào thông tin được duy trì tại mỗi nút và thông tin
chứa trong các gói tin để thực hiện việc chuyển tiếp gói tin đến điểm tiếp theo trên
mạng. Bảng chuyển tiếp IP (FIB-IP Forwading Table) được sử dụng để chuyển
tiếp các gói tin IP. Việc chuyển tiếp các gói tin gán nhãn đến nút tiếp theo thông
tin trong cơ sở chuyển tiếp nhãn (LFIB-Label Forwading Base) và nhãn gắn kèm
trên các gói tin.
1.2.3.3 Cơ sở thông tin nhãn (LIB-Label Information Base).
Cơ sở thông tin nhãn là một bảng được duy trì tại mỗi nút LSR. Bảng này cùng
với LFIB lưu trữ các thông tin phục vụ cho việc phân loại gói tin vào các FEC,
gãn nhãn cho các gói tin xác định đường đi LSPs cho các FEC xuyên qua mạng.
Đồng thời, LIB cũng được sử để xây dựng, cập nhật thông tin trong LFIB nằm
trong vùng chuyển tiếp phục vụ cho việc chuyển tiếp gói tin. LIB chứa thông tin
nhãn được gán tại mỗi nút LSR và các nhãn nhận được từ các nút liền kề giúp cho
việc ánh xạ đến các nút lân cận. Các giao thức phân phối nhãn chịu trách nhiệm
khởi tạo, cập nhật thông tin trong LIB, LFIB và lan truyền nhãn giữa các LSR.
1.2.3.4 Cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn (LFIB-Label Forwarding
Information Base).
Cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn hay bảng chuyển tiếp nhãn là một bảng gồm
một hay nhiều hàng được lưu trữ trong vùng chuyển tiếp. Vùng chuyển tiếp dựa
vào giá trị nhãn và cổng vào của gói tin đến, thực hiện so sánh thông tin trên trong
LFIB để thực hiện việc pop, push hay swap nhãn trong đỉnh ngăn xếp của gói tin
và chuyển tiếp gói tin đến nút tiếp theo. Pop hay push sẽ lấy ra hay thêm nhãn vào
ngăn xếp của gói tin đến, còn swap chỉ thay đổi giá trị của nhãn ở đỉnh ngăn xếp.
Sau đó xác định cổng ra cho gói tin đến nút tiếp theo.

lưu lại thông tin này rồi thông báo sự liên kết này đến các nút xung quanh mà
không phải chờ thông tin trả lời từ LSR lối ra. Việc thông báo liên kết nhãn đến
các nút xung quang do giao thức phân phối nhãn thực hiện.
1.3 Hoạt động của MPLS.
Trong mạng MPLS có hai chế độ hoạt động: chế độ hoạt động khung và chế độ
hoạt động tế bào.
1.3.1 Chế độ hoạt động khung.
Chế độ hoạt động này xuất hiện khi xây dựng mạng MPLS trong môi trường
các thiết bị định tuyến thuần điều khiển IP điểm-điểm. Các gói tin gán nhãn dựa
trên cơ sở khung lớp 2.
Quá trình chuyển tiếp một gói tin IP qua mạng MPLS được thực hiện qua một
số bước cơ bản sau đây:
 LSR lối vào nhận gói tin IP kiểm tra thông tin, phân loại gói tin vào lớp
chuyển tiếp tương đương và gán nhãn cho gói tin theo phương thức điều
khiển độc lập hay tuần tự với ngăn xếp tương ứng đã được xác định. Sau
khi xác định được đường đi LSP của gói tin qua mạng LSR lối vào chuyển
tiếp gói tin đến nút tiếp theo.
 LSR chuyển tiếp nhận gói tin có nhãn, căn cứ vào nhãn đính kèm trong gói
tin và sử dụng cơ sở dữ liệu chuyển tiếp nhãn (LFIB) thực hiện thay đổi
thông tin nhãn trong ngăn xếp nhãn và chuyển tiếp gói tin đến nút tiếp theo.
 Khi gói tin đến LSR lối ra, LSR lối ra loại bỏ nhãn ở đỉnh ngăn xếp trong
gói tin.
Hình dưới xem xét ví dụ đơn giản về chế độ hoạt động khung
Hình 1.7 Minh hoạ chuyển tiếp gói tin qua miền MPLS
Trong ví dụ minh hoạ ở trên ta thấy, LSR1 đóng vai trò là LSR biên lối vào của
mạng. Gói tin IP có địa chỉ đích 151.45.20.1 cần chuyển đến đích B xuyên qua
mạng MPLS. Tại LSR1 xem xét thông tin của gói tin đến và dựa vào thông tin
trong LFIB để phân gói tin vào nhóm chuyển tiếp tương đương, đường đi của gói
tin được xác định LSR1-LSR2-LSR4, nhãn7 được thêm vào ngăn xếp nhãn của
gói tin và chuyển đến LSR2 qua cổng 1. LSR2 thay đổi giá trị nhãn 7 thành 8 và

 ATM-LSR lối vào: tiếp nhận gói tin gói tin đến có nhãn hay không có
nhãn phân gói tin vào các tế bào ATM, xác định nhãn cho cac tế bào và
gửi các tế bào đến nút ATM-LSR tiếp theo.
 ATM-LSR lối ra: tiếp nhận gói tin đến từ ATM-LSR lân cận, tái tạo gói
tin từ các tế bào ATM, sau đó thực hiện việc chuyển tiếp gói tin.
• ATM-LSR: nằm trong lõi của mạng MPLS thực hiện chức năng định tuyến
gói IP và chuyển mạch tế bào ATM.
 Giao diện ATM điều khiển chuyển mạch nhãn (LC-ATM): là giao diện
ATM trong tổng đài ATM hoặc trong bộ định tuyến mà giá trị VPI/VCI
được gán bằng thủ tục điều khiển MPLS (LDP) (1).
 Miền ATM-LSR: là tập hợp các ATM-LSR được kết nối với nhau thông
qua giao diện LC-ATM.
1.3.2.2 Quá trình hoạt động.
Việc chuyển tiếp các gói tin được thực hiện trực tiếp qua các bước sau:
 ATM-LSR biên lối vào nhận gói tin có nhãn hay không nhãn, thực hiện
kiểm tra cơ sở thông tin nhãn LIB hay cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn
LFIB và tìm ra giá trị VPI/VCI đầu ra để sử dụng như nhãn lối ra. Các
gói tin có nhãn được phân chia thành các tế bào ATM và gửi đến ATM-
LSR tiếp theo. Giá trị VPI/VCI được gắn vào mào đầu của từng tế bào.
 Các nút ATM-LSR chuyển mạch tế bào theo giá trị VPI/VCI trong mào
đầu của tế bào theo cơ chế chuyển mạch nhãn ATM truyền thống. Cơ
chế phân bổ và phân phối nhãn phải đảm bảo việc chuyển đổi giá trị
VPI/VCI nội vùng và ngoại vùng là chính xác.
 ATM-LSR tại biên lối ra khỏi miền ATM-LSR tái tạo lại các gói có
nhãn từ các tế bào, thực hiện việc kiểm tra nhãn và chuyển tiếp gói tin
đến nút tiếp theo.
Chú ý:
 Việc chuyển tiếp các tế bào qua miền ATM-LSR dựa trên kênh ảo nhãn
(LVC-Label Virtual Circuit), LVC được thiết lập bởi các thủ tục phân
phối nhãn xuyên qua miền ATM-LSR, LVC được biết như đường

mạng MPLS bao gồm: giao thức LDP (Label Distribution Protocol) với phần mở
rộng của nó CR-LDP (Constrained-based Routing LDP) và giao thức RSVP
(Resource Reservation Protocol) với phân mở rộng RSVP-TE (RSVP Traffic
Engineering). Các giao thức trên sẽ được xem xét ở phân tiếp theo.
1.4.2 Phương thức hoạt động.
Để đảm bảo việc trao đổi các bản tin LDP được truyền giữa các LSR là tin cậy,
trung thực và theo đúng thứ tự thì yêu cầu phải thiết lập kết nối TCP giữa các
LSR. Các bản tin LDP có thể xuất phát từ bất cứ một LSR nào (điều khiển đường
chuyển mạch nhãn LSP độc lập) hay từ LSR biên lối ra (điều khiển thiết lập LSP
theo thứ tự hay theo lệnh) và chuyển từ LSR phía trước đến LSR sau cận kề. Việc
trao đổi các bản tin LDP có thể được khởi phát bởi sự xuất hiện của luồng số liệu
đặc biệt, bản tin lập dự trữ RSVP hay cập nhật thông tin định tuyến nhận được từ
LSR lân cận. Khi một căp LSR đã trao đổi bản tin LDP cho một FEC nhất định thì
một đường chuyển mạch nhãn LSP từ đầu vào đến đầu ra được thiết lập sau khi
mỗi LSR ghép nhãn đầu vào với nhãn đầu ra trương ứng trong LIB của nó. (1)
1.4.3 Giao thức LDP và CR-LDP.
1.4.3.1 Giao thức LDP.
Giao thức này được nhóm nghiên cứu MPLS của IETF xây dựng và định nghĩa
cụ thể trong RFC 3036 và phiên bản mới nhất được công bố năm 2001. Giao thức
LDP là một giao thức được sử dụng để trao đổi thông tin liên kết nhãn giữa các
LSR đồng cấp và thiết lập đường chuyển mạch nhãn. Khi một LSR gán một nhãn
cho một FEC cụ thể nào đó thì nó cần thông báo cho các LSR đồng cấp biết nhãn
đó. Việc thiết lập LSP từ LSR biên lối vào đến LSR biên lối ra sử dụng một tập
các thủ tục để phân phối nhãn giữa các LSR đồng cấp.
Các nhóm bản tin được sử dụng bởi giao thưc LDP bao gồm:
DISCOVERY: Nhóm bản tin này dùng để loan báo và duy trì sự hiện diện của
LSR trong mạng MPLS. Nhóm bản tin này chạy qua cổng UDP và sử dụng bản tin
đa hướng để nghiên cứu các LSR xung quanh có kết nối trực tiếp.
Khi LSR nhận biết địa chỉ của LSR khác bằng cơ chế này thì nó sẽ thiết lập
kết nối TCP đến LSR đó. Khi đó phiên LDP được thiết lập giữa 2 LSR. Phiên

được gọi là upstream (LSR phía sau), LSR kia trong liên kết được gọi là
downstream (LSR phía trước).
Hình 1.8 Minh họa Upstream LSR và Downstream LSR.
Như hình minh họa 1.8 ở trên, trong liên kết giữa LSR A và LSR B thì LSR A
là đóng vai trò là Upstream LSR, còn LSR B là downstream LSR do luồng dữ liệu
trên liên kết được truyền từ LSR A đến LSR B. LSR phía sau (LSR A) chuyển tiếp
luồng dữ liệu đến LSR phía trước (LSR B) trong liên kết.
• Chế độ gán nhãn không theo yêu cầu: Cấu trúc của MPLS cho phép một
LSR phân phối nhãn đến các LSR láng giềng của nó mà không cần có yêu cẩu
từ LSR phía sau (upstream). Chế độ này được gọi là chế độ gán nhãn không
theo yêu cầu. Trong chế độ này thì LSR phía trước sẽ thông báo liên kết nhãn
đến LSR phía sau ngay cả khi không có yêu cầu. Như được minh họa trong
hình 1.9 a.
• Chế độ gán nhãn theo yêu cầu phía trước: trong chế độ này LSR phía sau
(upstream) gửi yêu cầu Label Request gán nhãn cho một FEC đến cho LSR
phía trước (downstream). Sau khi LSR phía trước liên kết nhãn cho FEC yêu
cầu nó sẽ trả lời sự ánh xạ đó cho LSR phía sau thông qua bản tin Lable
Mapping. Hình bên dưới cho ta hình dung về chế độ gán nhãn theo yêu cầu
phía trước.
Như trong hình minh họa 1.9.b LSR1 (upstream) gửi yêu cầu gán nhãn đến
LSR2 (downstream), LSR2 sau khi ánh xạ nhãn vào FEC sẽ trả lời liên kết nhãn
đến cho LSR1.
Hình 1.9 Các chế độ phân phối nhãn.
Chú ý: Hai chế độ gán nhãn ở trên có thể tồn tại trong cùng một mạng và trong
cùng một thời gian. Các LSR phải thỏa thuận chế độ nào được sử dụng trong
phân khởi tạo phiên LDP thông qua bản tin Initalization.
• Chế độ duy trì tự do: trong chế độ này các nút LSR chỉ duy trì những nhãn
tương ứng với FEC nào đó mà nó cần tại thời điểm hiện tại. Các chuyển đổi
khác được hủy bỏ.
• Chế độ duy trì tiên tiến: với chế độ duy trì tiên tiến LSR sẽ giữ lại tất cả các

yêu cầu làm tươi định kỳ và có thể gán độ ưu tiên khác nhau.
1.4.4 Giao thức RSVP và RSVP-TE.
1.4.4.1 Giao thức RSVP.
RSVP là giao thức báo hiệu đóng vai trò quan trọng trong mạng MPLS. RSVP
cho phép các ứng dụng thông báo các yêu cầu về QoS với mạng và mạng sẽ đáp
ứng bằng những thông báo thành công hay thất bại. Khác với LDP, RSVP thực
hiện việc thông báo và yêu cầu việc dành sẵn tài nguyên cho LSP được thiết lập.
Việc thiết lập LSP dựa vào phương thức điều khiển thứ tự, nghĩa LSR biên vào
yêu cầu, LSR biên ra xem xét gán nhãn và trả lời yêu cầu. Chú ý rằng các bản tin
được nhận và chuyển tiếp bởi tất cả các bộ định tuyến dọc theo đường truyền
thông tin, nên việc cấp phát tài nguyên có thể thực hiện tại các nút mạng cần thiết.
Theo cách này, cho phép LSP được thiết lập chính xác theo yêu cầu từ phía nguồn
và được gọi là định tuyến nguồn, tức là dựa vào yêu cầu đến LSR lối vào sẽ thiết
lập LSP phù hợp để đáp ứng. Định tuyến từ phía nguồn sử dụng thuật toán tìm
đường đi ngắn nhất và kèm theo một số điều kiện ràng buộc như là yêu cầu về lưu
lượng hay quản trị. RSVP sử dụng giao thức UDP để trao đổi thông tin, do đó
không yêu cầu thiết lập phiên TCP.
Các đặc trưng của giao thức RSVP:
 Giao thức RSVP hỗ trợ các ứng dụng đơn hướng cũng như đa hướng
nhờ khả năng tự động thay đổi thành viên của nhóm cũng như thay đổi
tuyến đường.
 RSVP là hệ đơn công nghĩa là thực hiện việc dự trữ luông dữ liệu theo
hướng duy nhất.
 Nơi nhận sẽ tạo ra và duy trì tài nguyên dành riêng để sử dụng cho
luồng dữ liệu
 RSVP là giao thức trạng thái mềm nghĩa là nó sẽ tự động hết hiệu lực
sau một khoảng thời gian trừ khi nó được làm tươi một cách liên tục
theo chu kỳ.
 Giao thức này cung cấp nhiều loại hình cũng như kiểu dành riêng để phù
hợp với nhiều loại ứng dụng khác nhau.

việc chọn đường đi cho các luồng dữ liệu, nhằm cân bằng tải cho các liên kết, bộ
định tuyến và bộ chuyển mạch trên mạng, sử dụng hiệu và đạt được mục tiêu cân
bằng việc sử dụng tài nguyên mạng.
Mục tiêu chất lượng cơ bản của TE có thể phân thành các loại sau:
 Các mục tiêu định hướng lưu lượng: nâng cao chất lượng dịch vụ QoS
nhờ: giảm thiểu thất thoát gói tin, giảm độ trễ, tăng tối đa băng thông.
 Các mục tiêu định hướng tài nguyên: tối ưu hóa sử dụng tài nguyên.
Băng thông được xem coi là tham số quan trọng nhất trong tài nguyên
mạng. Vấn đề của TE sẽ quản lý băng thông một cách hiệu quả, và hệ
quả tất yếu của mục tiêu này là giảm thiểu tắc nghẽn mạng xảy ra.
1.6.2 Kỹ thuật lưu lượng trong mạng MPLS.
Kỹ thuật lưu lượng được áp dụng trong mạng MPLS bao gồm ba quá trình:
Phân phối và cập nhật thông tin tài nguyên, thiết lập đường truyền và vận chuyển
lưu lượng theo các tunnel LSPs. Các quá trình trên được hỗ trợ bởi mạng MPLS,
các giao thức phân phối nhãn như CR-LDP và RSVP-TE được phát triển để hỗ trợ
kỹ thuật lưu lượng: cung cấp việc thiết lập đường LSP xuyên qua mạng từ đầu vào
đến đầu ra thỏa mãn các điều kiện ràng buộc về tài nguyên và quản trị (định tuyến
hiện), cân bằng tải giữa các liên kết trong mạng, hỗ trợ chất lượng dịch vụ theo độ
ưu tiên, khắc phục sự cố nếu xảy ra lỗi bằng việc tái định tuyến linh hoạt và sử
dụng đường chuyển mạch phụ.