Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS Sinh viên thực hiện : Bùi Quang Thái
Lời nói đầu
Sự phát triển nhanh chóng các dịch vụ IP và sự bùng nổ Internet đã dẫn đến một loạt
thay đổi trong nhận thức kinh doanh của các nhà khai thác. Lưu lượng lớn nhất hiện
nay trên mạng trục là lưu lượng IP. Giao thức IP thống trị toàn bộ các giao thức lớp
mạng, hệ quả là tất cả các xu hướng phát triển công nghệ lớp dưới đều hỗ trợ cho IP.
Nhu cầu thị trường cấp bách cho mạng tốc độ cao với chi phí thấp là cơ sở cho một
loạt các công nghệ mới ra đời, trong đó có MPLS.
Trong 5 năm gần đây là khoảng thời gian mà công nghệ MPLS đã chứng minh được
tính ứng dụng thực tiễn các tính năng vượt trội của nó so với các công nghệ chuyển
mạch truyền thống khác như ATM.
Công nghệ MPLS là kết quả phát triển của công nghệ chuyển mạch IP sử dụng cơ
chế hoán đổi nhãn như của ATM để tăng tốc độ truyền gói tin mà không cần thay đổi
các giao thức định tuyến của IP. MPLS tách chức năng của IP thành hai phần riêng
biệt: chức năng chuyển gói tin và chức năng điều khiển. Bên cạnh đó, MPLS cũng hỗ
trợ việc quản lý dễ dàng hơn.
Do thời gian và trình độ có hạn, nên chắc chắn những vấn đề được đề cập trong
đồ án sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự lượng thứ và ý
kiến đóng góp của các thầy, cô cũng như những ai quan tâm.
Trong quá trình học tập tại trường đại học Bách Khoa Hà Nội và thực hiện đồ án
tốt nghiệp, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô đã trực tiếp và gián tiếp giúp đỡ em
hoàn thành tốt chương trình học tập. Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo
Thạc sĩ Nguyễn Khắc Kiểm đã trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành tốt đồ án tốt
nghiệp này.
Hà Nội, ngày tháng năm 2009
Sinh viên
Bùi Quang Thái
1
Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS Sinh viên thực hiện : Bùi Quang Thái
Tóm tắt đồ án
MPLS đã được lựa chọn để đơn giản hoá và tích hợp mạng trong mạng lõi. Nó cho
chapters will in turn present the basic issues and trffic engineering of MPLS network
• Chapter 1 : The multi protocol label switching MPLS : Overview of MPLS ,
basic define , fuction and performance of MPLS .
• Chapter 2 : Routing and signalling in MPLS :Present routing mechanism used
by MPLS , the signalling modes and somes distribution label protocol .
• Chapter 3 : Traffic engineering in MPLS : Present the define , ambition of
MPLS techonogy and the mechanism to operate the taffic engineering of
MPLS. The problem about protection and repair road – most important
mission of trffic engineering is presented in this chapter.
• Chapter 4 : Simulation MPLS-TE and summary.
3
Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS Sinh viên thực hiện : Bùi Quang Thái
Mục lục
Lời nói đầu..................................................................................................................................1
Tóm tắt đồ án..............................................................................................................................2
Mục lục.......................................................................................................................................4
Các hình vẽ sử dụng trong luận văn...........................................................................................7
DANH MỤC BẢNG BIỂU........................................................................................................8
Các Thuật Ngữ Viết Tắt.............................................................................................................9
Chương 1: CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC MPLS............................................11
1.1 Tổng quan.......................................................................................................................11
1.1.1 Tính thông minh phân tán.......................................................................................12
1.1.2 MPLS và mô hình tham chiếu OSI.........................................................................13
1.2 Các khái niệm cơ bản trong MPLS................................................................................14
1.2.1 Miền MPLS (MPLS domain)..................................................................................14
1.2.2 Lớp chuyển tiếp tương đương (FEC)......................................................................16
1.2.3 Nhãn và Stack nhãn.................................................................................................16
1.2.4 Hoán đổi nhãn (Label Swapping)...........................................................................17
1.2.5 Đường chuyển mạch nhãn LSP (Label Switched Path).........................................17
1.2.6 Chuyển gói qua miền MPLS...................................................................................18
2.6.2 Kết nối MPLS qua nhiều nhà cung cấp dịch vụ.....................................................42
2.7 Tổng kết chương.............................................................................................................44
Chương 3:Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS.............................................................................44
3.1 Kỹ thuật lưu lượng (Traffic Engineering)......................................................................44
3.1.1 Các mục tiêu triển khai kỹ thuật lưu lượng............................................................44
3.1.2 Các lớp dịch vụ dựa trên nhu cầu QoS và các lớp lưu lượng.................................45
3.1.3 Hàng đợi lưu lượng.................................................................................................46
3.1.4 Giải thuật thùng rò và thùng token..........................................................................49
3.1.5 Giải pháp mô hình chồng phủ (Overlay Model).....................................................51
3.2 MPLS và kỹ thuật lưu lượng..........................................................................................52
3.2.1 Khái niệm trung kế lưu lượng (traffic trunk)..........................................................52
3.2.2 Đồ hình nghiệm suy (Induced Graph)....................................................................53
3.2.3 Bài toán cơ bản của kỹ thuật lưu lượng trên MPLS...............................................53
3.3 Trung kế lưu lượng và các thuộc tính............................................................................53
3.3.1 Các hoạt động cơ bản trên trung kế lưu lượng.......................................................54
3.3.2 Thuộc tính tham số lưu lượng (Traffic Parameter)................................................54
3.3.3 Thuộc tính lựa chọn và quản lý đường (chính sách chọn đường)..........................54
3.3.4 Thuộc tính ưu tiên / lấn chiếm (Priority/Preemption)............................................56
3.3.5 Thuộc tính đàn hồi (Resilience)..............................................................................56
3.3.6 Thuộc tính khống chế (Policing).............................................................................56
3.4 Các thuộc tính tài nguyên...............................................................................................57
3.4.1 Bộ nhân cấp phát cực đại (maximum allocation multiplier)..................................57
3.4.2 Lớp tài nguyên (Resource-Class)............................................................................57
3.4.3 TE Metric.................................................................................................................58
3.5 Tính toán đường ràng buộc............................................................................................58
5
Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS Sinh viên thực hiện : Bùi Quang Thái
3.5.1 Quảng bá các thuộc tính của link............................................................................58
3.5.2 Tính toán LSP ràng buộc (CR-LSP).......................................................................59
3.5.3 Giải thuật chọn đường.............................................................................................60
Tài liệu tham khảo..................................................................................................................100
Phụ lục....................................................................................................................................101
6
Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS Sinh viên thực hiện : Bùi Quang Thái
Các hình vẽ sử dụng trong luận văn
Hình 1.1: MPLS và mô hình tham chiếu OSI..........................................................................13
Hình 1.2: So sánh giữa chuyển tiếp IP và chuyển tiếp MPLS................................................14
Hình 1.3: Miền MPLS..............................................................................................................15
Hình 1.4: Upstream và downstream LSR................................................................................15
Hình 1.5: Lớp chuyển tiếp tương đương trong MPLS.............................................................16
Hình 1.6 : Stack nhãn................................................................................................................17
Hình 1.7:Đường chuyển mạch nhãn MPLS.............................................................................17
Hình 1.8 : Phân cấp LSP trong MPLS......................................................................................18
Hình 1.9 : Gói IP đi qua mạng MPLS......................................................................................18
Hình 1.10: Định dạng một entry trong stack nhãn MPLS......................................................19
Hình 1.11 : Shim header...........................................................................................................21
Hình 1.12 : Nhãn trong chế độ cell ATM................................................................................21
Hình 1.13 : Encapsulation gói có nhãn trên link ATM............................................................22
Hình 2.1: Một ví dụ định tuyến ràng buộc...............................................................................23
Hình 2.2: Phân phối nhãn không cần yêu cầu..........................................................................25
Hình 2.3: Phân phối nhãn theo yêu cầu....................................................................................25
Hình 2.4: Duy trì nhãn tự do.....................................................................................................26
Hình 2.5: Duy trì nhãn bảo thủ.................................................................................................27
Hình 2.6: Điều khiển độc lập....................................................................................................27
Hình 2.7: Điều khiển tuần tự....................................................................................................28
Hình 2.8 : Vùng hoạt động của LDP........................................................................................29
Hình 2.9: Trao đổi thông điệp LDP..........................................................................................30
Hình 2.10: LDP header.............................................................................................................31
Hình 2.11: Format thông điệp LDP..........................................................................................31
Hình 2.12: Ví dụ LDP chế độ điều khiển độc lập theo yêu cầu.............................................34
Hình 4.9 : Cửa sổ Network Imformation.................................................................................96
Hình 4.10 : Mô hình mạng mô phỏng......................................................................................96
Hình 4.11 :Đồ thị kết quả mô phỏng........................................................................................97
Hình 4.12 : Kết quả mô phỏng.................................................................................................98
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 : Các chế độ của các giao thức phân phối nhãn MPLS............................................28
Bảng 2.2: Các loại bản tin LDP................................................................................................31
Bảng 3.1 : Các lớp dịch vụ lưu lượng......................................................................................46
8
Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS Sinh viên thực hiện : Bùi Quang Thái
Các Thuật Ngữ Viết Tắt
Từ viết tắt Từ đầy đủ Chú giải tiếng Việt
AAL ATM Adapter Layer Lớp tương thích ATM
ACL Access Control List Danh sách điều khiển truy cập
AS Autonomous System Hệ thống tự trị
ASBR Autonomous System Border
Router
Bộ định tuyến biên hệ thống tự trị
ATM Asynchronous Transfer Mode Cơ chế truyền tải không đồng bộ
BGP Border Gateway Protocol Giao thức định tuyến cổng miền
CE Customer Edge Thiết bị biên của mạng người dùng
CEM Circuit Emulation Service over
MPLS
Dịch vụ mô phỏng kênh trên MPLS
CEP Circuit Emulation over Packet Mô phỏng kênh trên gói
CoS Class of Service Lớp dịch vụ
DLCI Data Link Connection Identifier Nhận dạng kết nối lớp kênh dữ liệu
EGP External Gateway Protocol Giao thức định tuyến liên miền
FEC Forwarding Equivalence Class Lớp chuyển tiếp tương đương
FR Frame Relay Chuyển mạch khung
NAS Network Access Server Máy chủ truy cập mạng
NGN Next Generation Network Mạng thế hệ kế tiếp
OSPF Open Shortest Path First Giao thức đường đi ngắn nhất đầu
tiên
PAC PPTP Access Concentrator Bộ tập trung truy cập PPTP
PE Provider Edge Thiết bị biên của mạng nhà cung
cấp
PNS PPTP Network Server Máy chủ mạng PPTP
POP Point of Presence Điểm truy cập truyền thống
PPP Point to Point Tunneling
Protocol
Giao thức đường hầm điểm tới
điểm
PVC Permanent Virtual Circuit Kênh ảo cố định
PW Pseudowire Dây giả
QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ
RD Route Distinguisher Thuộc tính phân biệt tuyến
RSVP Resource Reservation Protocol Giao thức dành trước tài nguyên
RT Route Target Thuộc tính tuyến đích
SDH Synchronous Digital Hierachy Phân cấp số đồng bộ
10
Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS Sinh viên thực hiện : Bùi Quang Thái
SDU Service Data Unit Đơn vị dữ liệu dịch vụ
SONET Synchronous Optical Network Mạng quang đồng bộ
SP Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ
TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn
TDP Tag Distribution Protocol Giao thức phân phối thẻ
UDP User Datagram Protocol Giao thức lược đồ dữ liệu
VC Virtual Circuit Kênh ảo
VCI Virtual Circuit Identifier Nhận dạng kênh ảo
Quan điểm của MPLS là tính thông minh càng đưa ra 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 với tốc độ cao dựa vào nhãn. Tính thông minh được đẩy ra
ngoài biên là một trong những ưu điểm lớn nhất của MPLS. Do MPLS hỗ trợ việc
điều khiển lưu lượng và cho phép thiết lập tuyến cố định, việc đảm bảo chất lượng
dịch vụ của các tuyến là hoàn toàn khả thi. Đây là một điểm vượt trội của MPLS so
với các định tuyến cổ điển.
Tóm lại, MPLS là một công nghệ chuyển mạch IP có nhiều triển vọng. Với tính chất
cơ cấu định tuyến của mình, MPLS có khả năng nâng cao chất lượng dịch vụ của
mạng IP truyền thống. Bên cạnh đó, thông lượng của mạng sẽ được cải thiện một
cách rõ rệt.
12
Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS Sinh viên thực hiện : Bùi Quang Thái
1.1.2 MPLS và mô hình tham chiếu OSI
Hình 1.1: MPLS và mô hình tham chiếu OSI
MPLS được xem như là một công nghệ lớp đệm (shim layer), nó nằm trên lớp 2
nhưng dưới lớp 3, vì vậy đôi khi người ta còn gọi nó là lớp 2,5.
13
Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS Sinh viên thực hiện : Bùi Quang Thái
Hình 1.2: So sánh giữa chuyển tiếp IP và chuyển tiếp MPLS
Nguyên lý của MPLS là tất cả các gói IP sẽ được gắn nhãn (label) và được 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 mà không cần
phải kiểm tra header IP.
1.2 Các khái niệm cơ bản trong MPLS
1.2.1 Miền MPLS (MPLS domain)
RFC 3031 mô tả miền MPLS là “một tập hợp các nút mạng thực hiện hoạt động định
nghĩa cục bộ dùng để nhận biết một FEC”. Nhãn được “dán” lên một gói để báo cho
LSR biết gói này cần đi đâu. Phần nội dung nhãn có độ dài 20 bit không cấu trúc, như
vậy số giá trị nhãn có thể có là 220 (hơn một triệu giá trị). Giá trị nhãn định nghĩa chỉ
mục (index) để dùng trong bảng chuyển tiếp.
Một gói lại có thể được “dán chồng” nhiều nhãn, các nhãn này chứa trong một nơi
gọi là stack nhãn (label stack). Stack nhãn là một tập hợp gồm một hoặc nhiều entry
nhãn tổ chức theo nguyên tắc FIFO. 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.
16
Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS Sinh viên thực hiện : Bùi Quang Thái
Hình 1.6 : 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 1) và
mức d sẽ ở đỉnh của stack. Một entry nhãn có thể được đặt thêm vào (push) hoặc lấy
ra (pop) khỏi stack.
1.2.4 Hoán đổi nhãn (Label Swapping)
Hoán đổi nhãn là cách dùng các thủ tục để chuyển tiếp gói. 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 và thực hiện một tác vụ trên stack nhãn. Rồi nó mã hóa stack nhãn mới vào
gói và chuyển gói đi.
Chuyển tiếp gói chưa có nhãn cũng tương tự nhưng xảy ra ở ingress-LER. LER
phải phân tích header lớp mạng để xác định FEC rồi sử dụng ánh xạ FTN (FEC-to-
NHLFE) để ánh xạ FEC vào một NHLFE.
1.2.5 Đường chuyển mạch nhãn LSP (Label Switched Path)
Đường chuyển mạch nhãn LSP là một đường nối giữa router ngỏ vào và router ngỏ
ra, được thiết lập bởi các nút MPLS để chuyển các gói đi xuyên qua mạng. Đường
Hình 1.7:Đường chuyển mạch nhãn MPLS
17
Path).
1.3 Mã hóa nhãn và các chế độ đóng gói nhãn MPLS
1.3.1 Mã hóa stack nhãn
Khi nhãn được gắn lên gói, bản thân giá trị nhãn 20 bit sẽ được mã hoá cùng với một
số thông tin cộng thêm để phụ trợ trong quá trình chuyển tiếp gói để hình thành một
entry nhãn. Hình 10 minh họa định dạng một entry nhãn trong stack nhãn.
19
Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS Sinh viên thực hiện : Bùi Quang Thái
Nhóm 32 bit ở hình trên là một entry trong stack nhãn, trong đó phần giá trị nhãn
thực sự chỉ có 20 bit. Tuy nhiên người ta thường gọi chung cho cả entry 32 bit nói
trên là một nhãn. Vì vậy khi thảo luận về nhãn cần phân biệt là đang xem xét giá trị
nhãn 20 bit hay nói về entry 32 bit trong stack nhãn. Phần thông tin 12 bit cộng thêm
gồm các trường sau đây:
EXP (một số tài liệu gọi là CoS - Class of Service ) – Gồm 3 bit, có thể là một hàm
của trường TOS (Type of Service) hoặc Diffserv trong gói IP. Đa số các nhà sản xuất
sử dụng các bit này để mang chỉ thị QoS, thường là copy trực tiếp từ các bit TOS
trong gói IP. Khi gói MPLS vào hàng đợi, có thể sử dụng các bit EXP theo cách
giống như các bit ưu tiên trong IP.
S – Gồm 1 bit, chỉ thị đáy của stack nhãn. Khi một nhãn nằm ở đáy stack nhãn, thì bit
S đặt lên 1; còn các nhãn khác có bit S đặt về 0. Bit S là phương tiện để xác định đáy
của stack nhãn nằm ở đâu.
TTL – Gồm 8 bit, thường là copy trực tiếp từ trường TTL của header IP, được giảm
đi 1 qua mỗi hop để chặn loop định tuyến giống như IP. Tuy nhiên, các bit TTL cũng
có thể được đặt khác với TTL trong gói IP, thường dùng khi nhà khai thác mạng
muốn che giấu topology mạng MPLS.
MPLS có thể hoạt động ở các chế độ: chế độ frame và chế độ cell.
1.3.2 Chế độ Frame
Các kỹ 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
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
Hình 1.13 : Encapsulation gói có nhãn trên link ATM
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.
Chương 2:ĐỊNH TUYẾN VÀ BÁO HIỆU MPLS
2.1 Định tuyến trong MPLS
MPLS hỗ trợ cả hai kỹ thuật định tuyến: định tuyến từng chặng (hop-by-hop) và
định tuyến ràng buộc (constrain-based routing). Định tuyến từng chặng cho phép mỗi
nút nhận dạng các FEC và chọn hop kế cho mỗi FEC một cách độc lập, giống như
định tuyến trong mạng IP. Tuy nhiên, nếu muốn triển khai kỹ thuật lưu
lượng với MPLS, bắt buộc phải sử dụng kiểu định tuyến ràng buộc.
22
Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS Sinh viên thực hiện : Bùi Quang Thái
2.1.1 Định tuyến ràng buộc (Constrain-based Routing)
Định tuyến ràng buộc là một phương tiện để thực hiện xử lý tự động hóa kỹ thuật lưu
lượng, khắc phục được các hạn chế của định tuyến theo đích (destination-based
routing). Nó xác định các route không chỉ dựa trên topology mạng (thuật toán chọn
đường ngắn nhất SPF) mà còn sử dụng các metric đặc thù khác như băng thông, trễ,
cost và biến động trễ. Giải thuật chọn đường có khả năng tối ưu hóa theo một hoặc
nhiều metric này, thông thường người ta dùng metric dựa trên số lượng hop và băng
thông.Để đường được chọn có số lượng hop nhỏ nhất nhưng phải đảm bảo băng
thông khả dụng trên tất cả các chặng liên kết, quyết định cơ bản như sau: chọn đường
ngắn nhất trong số tất cả các đường có băng thông khả dụng thỏa mãn yêu cầu.
Hình 2.1: Một ví dụ định tuyến ràng buộc
Để minh họa hoạt động của định tuyến ràng buộc, xét cấu trúc mạng “con
cá” kinh điển như hình trên. Giả sử rằng định tuyến ràng buộc sử dụng số hop (hop-
count) và băng thông khả dụng làm các metric. Lưu lượng 600 Kbps được định tuyến
trước tiên, sau đó là lưu lượng 500 Kbps và 200 Kbps.
Cả 3 loại lưu lượng này đều hướng đến cùng một egress-router. Ta thấy rằng:
là phân phối không cần yêu cầu (Downstream Unsolicited) và phân phối theo yêu cầu
24
Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS Sinh viên thực hiện : Bùi Quang Thái
(Downstream on Demand). Thuật ngữ downstream ở đây ngụ ý rằng phía
downstream sẽ thực hiện gán kết nhãn và thông báo gán kết đó cho phía upstream.
2.2.1.a Phân phối nhãn không cần yêu cầu (Downstream Unsolicited)
Downstream-LSR phân phối các gán kết nhãn đến upstream-LSR mà không cần có
yêu cầu thực hiện việc kết nhãn. Nếu downstream-LSR chính là hop kế đối với định
tuyến IP cho một FEC cụ thể thì upstream-LSR có thể sử dụng kiểu kết nhãn này để
chuyển tiếp các gói trong FEC đó đến downstream-LSR.
Hình 2.2: Phân phối nhãn không cần yêu cầu
2.2.1.b Phân phối nhãn theo yêu cầu (Downstream on Demand)
Upstream-LSR phải yêu cầu rõ ràng một gán kết nhãn cho một FEC cụ thể
thì downstream-LSR mới phân phối. Trong phương thức này, downstream-router
không nhất thiết phải là hop kế đối với định tuyến IP cho FEC đó, điều này rất quan
trọng đối với các LSP định tuyến tường minh.
Hình 2.3: Phân phối nhãn theo yêu cầu
25
Copyright: Tài liệu đại học ©