Luận án Công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức (MultiProtocol Label Switching - MPLS)

Đồ án tốt nghiệp khoá 44 CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH NHÃN – MPLS Mục lục Lời Mở đầu Chương I: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ CÔNG NGHỆ MPLS................................................7 I.1. Động lực phát triển...................................................................................................7 I.2. Công nghệ chuyển mạch nền tảng...........................................................................9 I.2.1. IP........................................................................................................................10 I.2.2. ATM...................................................................................................................10 I.2.3. MPLS.................................................................................................................11 I.3. Quá trình phát triển và giải pháp ban đầu của các hãng....................................14 I.3.1. IP over ATM......................................................................................................14 I.3.2. Tohsiba’s CSR...................................................................................................14 I.3.3. Cisco’s Tag Switching.......................................................................................15 I.3.4. IBM’s ARIS và Nortel’s VNS...........................................................................15 I.3.5. Công việc chuẩn hoá MPLS..............................................................................15 Chương II: NGHIÊN CỨU CÁC VẤN ĐỀ KỸ THUẬT CỦA CÔNG NGHỆ MPLS ...........................................................................................................................20 II.1. Cấu trúc và thành phần, khái niệm MPLS.........................................................20 II.1.1. Giới thiệu chung...............................................................................................20 II.1.2. Các Khái niệm cơ bản của MPLS....................................................................20 II.1.3. Thành phần cơ bản của MPLS.........................................................................24 II.2. Hoạt động của MPLS............................................................................................26 II.2.1. Các chế độ hoạt động của MPLS.....................................................................26 II.2.1.1. Chế độ hoạt động khung MPLS...............................................................26 II.2.1.1.1 Hoạt động của mảng số liệu...............................................................27 II.2.1.2. Chế độ hoạt động tế bào MPLS................................................................30 II.2.2. Hoạt động của MPLS trong mạng ATM-PVC.................................................35 II.3. Các giao thức sử dụng trong mạng MPLS..........................................................36 Nguyễn Văn Dũng CĐ 1A - K44 - 1 - Đồ án tốt nghiệp khoá 44 CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH NHÃN – MPLS II.3.1. Giao thức phân phối nhãn(LDP)......................................................................36 II.3.1.1. Phát hiện LSR lân cận..............................................................................37 II.3.1.2. Giao thức truyền tải tin cậy......................................................................37 II.3.1.3. Bản tin LDP..............................................................................................38 II.3.2. Giao thức CR-LDP...........................................................................................40 II.3.2.1. Khái niệm định tuyến cưỡng bức.............................................................40 II.3.2.2. Các phần tử định tuyến cưỡng bức...........................................................43 II.3.2.2.1. Định tuyến cưỡng bức “ chọn đường gắn nhất”...............................44 II.3.2.2.2. Sử dụng MPLS làm phương tiện chuyển tiếp thông tin...................48 II.3.3. Giao thức RSVP...............................................................................................48 II.3.3.1. MPLS hỗ trợ RSVP..................................................................................50 II.3.3.2. RSVP và khả năng mở rộng.....................................................................52 II.3.4. So sánh CR-LDP và RSVP..............................................................................53 II.4. So sánh MPLS và MPOA......................................................................................54 II.5. Chất lượng dịch vụ................................................................................................55 II.5.1. Dịch vụ cố gắng tối đa( Best Effort)................................................................56 II.5.2. Dịch vụ tích hợp(Intserv).................................................................................56 II.5.3. Dịch vụ Dffserv................................................................................................58 II.5.4. Chất lượng dịch vụ MPLS................................................................................60 II.6. Kỹ thuật lưu lượng trong mạng MPLS...............................................................60 II.6.1. Mục tiêu chất lượng của kỹ thuật lưu lượng(TE).............................................61 II.6.2. Những hạn chế của cơ chế điều khiển IGP hiện tại..........................................61 II.6.3. Quản lý lưu lượng MPLS.................................................................................61 II.6.3.1. Những vấn đề cơ bản của quản lý lưu lượng qua MPLS..........................62 II.6.4. Những khả năng tăng cường cho quản lý lưu lượng qua MPLS......................62 II.6.5. Các thuộc tính tài nguyên.................................................................................63 II.6.5.1. Bộ phân bổ lớn nhất..................................................................................64 II.6.5.2. Thuộc tính lớp tài nguyên.........................................................................64 Nguyễn Văn Dũng CĐ 1A - K44 - 2 - Đồ án tốt nghiệp khoá 44 CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH NHÃN – MPLS II.6.6. Triển khai định tuyến cưỡng bức MPLS..........................................................64 II.7. Phát hiện và phòng ngừa trường hợp định tuyến vòng.....................................65 II.7.1. Phát hiện và phòng ngừa chuyển tiếp vòng đối với MPLS ở chế độ khung....65 II.7.2. Phát hiện và phòng ngừa chuyển tiếp vòng đối với MPLS ở chế độ tế bào ...........................................................................................................................66 Chương III: ỨNG DỤNG CỦA MPLS TRONG MẠNG RIÊNG ẢO...........................73 III.1. Khái niệm mạng riêng ảo(VPN).........................................................................73 III.2. Mô hình Overlay..................................................................................................74 III.3. Mô hình ngang cấp...............................................................................................78 III.4. Phân phối cưỡng bức thông tin định tuyến.......................................................80 III.5. Bảng đa chuyển tiếp.............................................................................................83 III.6. Địa chỉ IP trong mạng VPN.................................................................................84 III.7. Chuyển tiếp gói tin bằng MPLS.........................................................................86 III.8. Khả năng mở rộng...............................................................................................90 III.9. Bảo mật.................................................................................................................91 III.10. Hỗ trợ QoS trong MPLS VPN..........................................................................92 Chương IV: ỨNG DỤNG MPLS TRONG MẠNG NGN...............................................97 IV.1. Mô hình tổng đài đa dịch vụ................................................................................97 IV.1.1. Mô hình tổng đài đa dịch vụ MSF..................................................................97 IV.1.1.2. Mô hình Softswitch (ISC):....................................................................101 IV.1.2. Khả năng triển khai MPLS qua các mô hình................................................102 IV.1.2.1. Thủ tục điều khiển và truyền tải qua MPLS..........................................102 IV.1.2.1.1. IP/ATM/MPLS...............................................................................102 IV.1.2.1.2. IP truyền thống..............................................................................107 Kết luận .........................................................................................................................112 Thuật ngữ và chữ viết tắt...............................................................................................114 Tài liệu tham khảo.........................................................................................................121 Nguyễn Văn Dũng CĐ 1A - K44 - 3 - Đồ án tốt nghiệp khoá 44 CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH NHÃN – MPLS LỜI MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp viễn thông đã và đang tìm một phương thức chuyển mạch có thể phối hợp ưu điểm của IP (như cơ cấu định tuyến) và của ATM ( như thông lượng chuyển mạch). Công nghệ MPLS( MultiPotocol Label Switching) là kết quả phát triển của nhiều công nghệ chuyển mạch IP ( IP Switching) sử dụng cơ chế hoán đổi nhãn như của ATM để tăng tốc độ truyền gói tin mà không cần phải thay đổi các giao thức định tuyến của IP. MPLS tách chức năng của IP router ra làm hai phần riêng biệt: chức năng chuyển gói tin và chức năng điều khiển. Phần chức năng chuyển gói tin, với nhiệm vụ gửi gói tin giữa các IP router, sử dụng cơ chế hoán đổi nhãn tương tự như của ATM. Trong MPLS, nhãn là một số có độ dài cố định và không phụ thuộc vào lớp mạng. Kỹ thuật hoán đổi nhãn về bản chất là việc tìm nhãn của một gói tin trong một bảng các nhãn để xác định tuyến của gói và nhãn mới của nó. Việc này đơn giản hơn nhiều so với việc xử lý gói tin theo kiểu thông thường, và do vậy cải thiện khả năng của thiết bị. Các router sử dụng kỹ thuật này được gọi là LSR (Label switching router). Phần chức năng điều khiển của MPLS bao gồm các giao thức định tuyến lớp mạng với nhiệm vụ phân phối thông tin giữa các LSR, và chủ tục gán nhãn để chuyển thông tin định tuyến thành các bảng định tuyến cho việc chuyển mạch. MPLS có thể hoạt động được với các giao thức định tuyến Internet khác như OSPF (Open Shortest Path First) và BGP (Border Gateway Protocol). 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 tính năng vượt trội của MPLS so với các giao thức định tuyến cổ điển. Ngoài ra, MPLS còn có cơ chế định tuyến lại nhanh (fast rerouting). Do MPLS là công nghệ chuyển mạch định hướng kết nối, khả năng bị ảnh hưởng bởi lỗi đường truyền thường cao hớn các công nghệ khác. Trong khi đó, các dịch vụ tích hợp mà MPLS phải hỗ trợ lại yêu cầu chất lượng vụ cao, do vậy, khả năng phục hồi của MPLS đảm bảo khả năng cung cấp dịch vụ của mạng không phụ thuộc vào cơ cấu khôi phục lỗi của lớp vật lý bên dưới. Nguyễn Văn Dũng CĐ 1A - K44 - 4 - Đồ án tốt nghiệp khoá 44 CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH NHÃN – MPLS Bên cạnh độ tin cậy, công nghệ MPLS cũng khiến việc quản lý mạng được dễ dàng hơn. Do MPLS quản lý việc chuyển tin theo các luồng thông tin, các gói tin thuộc một FEC có để được xác định bởi giá trị của nhãn. Do vậy, trong miền MPLS, các thiết bị đo lưu lượng mạng có thể dựa trên nhãn để phân loại các gói tin. Bằng cách giám sát lưu lượng tại các LSR, nghẽn lưu lượng sẽ được phát hiện và vị trí xảy ra nghẽn lưu lượng có thể được xác định nhanh chóng. Tuy nhiên, giám sát lưu lượng theo phương thức này không đưa ra được toàn bộ thông tin về chất lượng dịch vụ (ví dụ như trễ xuyên suốt của miền MPLS). Việc đo trễ có thể được thực hiện bởi giao thức lớp 2. Để giám sát tốc độ của mỗi luồng và đảm bảo các luồng lưu lượng tuân thủ tính chất lưu lượng đã được định trước, hệ thống giám sát có thể dùng một thiết bị nắn lưu lượng. Thiết bị này sẽ cho phép giám sát và đảm bảo tuân thủ tính chất lưu lượng mà không cần thay đổi các giao thức hiện có. MPLS là một công nghệ chuyển mạch IP có nhiều triển vọng. Với tính chất của 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. Cùng với sự phát triển của các công nghệ mạng, công nghệ chuyển mạch cũng tiến thêm một bước. Công nghệ chuyển mạch gói đang dần dần thay thế công nghệ chuyển mạch kênh, và trong tương lai nó sẽ chiếm vị trí độc tôn trong mạng NGN. Do sự phân lớp mạng và cũng do sự phong phú về các công nghệ truyền dẫn nên chuyển mạch được thể hiện dưới nhiều hình thức khác nhau. Ở mức điều khiển dịch vụ thì sẽ là chuyển mạch mềm – Softswitch – để báo hiệu và điều khiển kết nối dịch vụ. Ở mức truyền dẫn xuyên suốt thì sẽ là chuyển mạch gói IP tương ứng với lớp 3, ở mức truyền dẫn điểm điểm thì chuyển mạch MPLS, DWDM, ... Đề tài này nhằm mục tiêu tìm hiểu, nghiên cứu đón đầu công nghệ chuyển mạch mới áp dụng trong mạng thế hệ sau. Đây là nhu cầu cấp thiết của Việt nam trong giai đoạn hiên nay khi chúng ta đang chuẩn bị xây dựng mạng trục, mạng truy nhập cho các dịch vụ mới trên cơ sở công nghệ gói. Đề tài này sẽ góp phần giải quyết một số vấn đề về mặt công nghệ khi quyết định triển khai MPLS trong mạng thế hệ mới của Việt nam. Nguyễn Văn Dũng CĐ 1A - K44 - 5 - Đồ án tốt nghiệp khoá 44 CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH NHÃN – MPLS Được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của các thây giáo; thây Nguyễn Văn Thắng, Thầy Nguyễn Xuân Dũng, Tôi đã nghiên cứu thực hiện luận văn: Công Nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức ( MultiPotocol Label Switching-MPLS) Nội dung luận án gồm bốn chương: Chương I: Nghiên cứu cơ sở công nghệ MPLS Chương II: Nghiên cứu các vấn đề kỹ thuật của công nghệ MPLS Chương III: Ứng dụng của MPLS trong mạng riêng ảo(VPN) Chương IV: Ứng dụng của MPLS trong mạng NGN Đây là một vấn đề kỹ thuật mới, do vậy việc đi sâu nghiên cứu, tìm hiểu để nắm bắt được công nghệ là rất cần thiết trong điều kiện mạng viễn thông Việt Nam hiện nay, nhằm góp phần vào việc triển khai, ứng dụng công nghệ mới này tại Việt Nam trong tương lai. Do thời gian và tài liệu tham khảo còn hạn chế, nên đồ án này không tránh khỏi một số thiếu sót và có nhiều vấn đề không được trình bầy giải quyết một cách thoả đáng. Vì vậy tôi rất mong được sự góp ý và giúp đỡ của thầy cô và các bạn. Sau cùng cho phép tôi được bầy tỏ lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới các thầy; thầy Nguyễn Văn Thắng, thầy Nguyễn Xuân Dũng và cán bộ hướng dẫn TS. Lê Ngọc Giao, cùng gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận án này. Người thực hiện Nguyễn Văn Dũng Nguyễn Văn Dũng CĐ 1A - K44 - 6 - Đồ án tốt nghiệp khoá 44 CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH NHÃN – MPLS CHƯƠNG I NGHIÊN CỨU CƠ SỞ CÔNG NGHỆ MPLS I.1. ĐỘNG LỰC PHÁT TRIỂN Ý tưởng đầu tiên về MPLS được đưa ra bởi hãng Ipsilon, một hãng rất nhỏ về công nghệ thông tin trong triển lãm về công nghệ thông tin, viễn thông tại Texas. Một thời gian ngắn sau đó, Cisco và một loạt các hãng lớn khác như IBM, Toshiba...công bố các sản phẩm của họ sử dụng công nghệ chuyển mạch được đặt dưới nhiều tên khác nhau nhưng đều cùng chung bản chất đó là công nghệ chuyển mạch dựa trên nhãn. Thiết bị CSR (Cell switch router) của Toshiba ra đời năm 1994 là tổng đài ATM đầu tiên được điều khiển bằng giao thức IP thay cho báo hiệu ATM. Tổng đài IP của Ipsilon về thực chất là một ma trận chuyển mạch ATM được điều khiển bởi khối xử lý sử dụng công nghệ IP. Công nghệ Tag switching của Cisco cũng tương tự nhưng có bổ sung thêm một số điểm mới như FEC (Forwarding equivalence class), giao thức phân phối nhãn, v.v...Cisco phát hành ấn bản đầu tiên về chuyển mạch thẻ (tag switching) vào tháng 3 năm 1998 và trong thời gian gần đây, nhóm nghiên cứu IETF đã tiến hành các công việc để đưa ra tiêu chuẩn và khái niệm về chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS. Sự ra đời của MPLS được dự báo là tất yếu khi nhu cầu và tốc độ phát triển rất nhanh của mạng Internet yêu cầu phải có một giao thức mới đảm bảo chất lượng dịch vụ theo yêu cầu đồng thời phải đơn giản và tốc độ xử lý phải rất cao. Tồn tại rất nhiều công nghệ để xây dựng mạng IP, như IPOA (IP qua ATM), IPOS (IP qua SDH/SONET), IP qua WDM và IP qua cáp quang. Mỗi công nghệ có ưu điểm và nhược điểm nhất định. Công nghệ ATM được sử dụng rộng rãi trên toàn cầu trong các mạng IP xương sống do tốc độ cao, chất lượng dịch vụ QoS, điều khiển luồng và các đặc tính khác của nó mà các mạng định tuyến truyền thống không có. Nó cũng được phát triển để hỗ trợ cho IP. Hơn nữa, trong các trường hợp đòi hỏi thời gian thực cao, IPOA sẽ là sự lựa chọn số một. IPOA truyền thống là một công nghệ lai ghép. Nó đặt IP (công nghệ lớp thứ 3) trên ATM (công nghệ lớp thứ 2). Các giao thức của hai lớp là hoàn toàn độc lập. Chúng được kết nối với nhau bằng một loạt các giao thức (như NHRP, ARP, v.v..). Cách tiếp cận này hình thành tự nhiên và nó được sử dụng rộng rãi. Khi xuất hiện sự bùng nổ lưu lượng mạng, phương thức này dẫn đến một loạt các vấn đề cần giải quyết. Nguyễn Văn Dũng CĐ 1A - K44 - 7 - Đồ án tốt nghiệp khoá 44 CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH NHÃN – MPLS  Thứ nhất, trong phương thức lai ghép, cần phải thiết lập các kết nối PVC cho tất cả các nút nghĩa là để thiết lập mạng với tất cả các kết nối như được biểu diễn trong hình I-1. Điều này sẽ tạo ra hình vuông N. Khi thiết lập, duy trì và ngắt kết nối giữa các nút, các mào đầu liên quan (như số kênh ảo, số lượng thông tin điều khiển) sẽ chỉ thị về độ lớn của hình vuông N của số các nút. Khi mạng mở rộng, mào đầu sẽ ngày càng lớn và tới mức không thể chấp nhận được.  Phương thức lai ghép phân chia toàn bộ mạng IPOA thành rất nhiều các LIS (Mạng con IP Logic), thậm chí với các LIS trong cùng một mạng vật lý. Các LIS được kết nối nhờ các bộ định tuyến trung gian được biểu diễn trong hình I- 2. Cấu hình multicast giữa các LIS khác nhau trên một mặt và giữa các bộ định  tuyến này sẽ trở nên hạn chế khi luồng lưu lượng lớn. Cấu hình như vậy chỉ áp dụng cho các mạng nhỏ như mạng doanh nghiệp, mạng trường sở, v.v.. và không phù hợp với nhu cầu cho các mạng xương xống Internet trong tương lai. Cả hai đều khó mở rộng. Không phải tất cả mọi cân nhắc được đưa ra trong quá trình thiết kế IP và ATM. Điều này tạo nên sự liên kết giữa chúng phụ thuộc vào một loạt các giao thức phức tạp và các bộ định tuyến xử lý các giao thức này. Sự phức tạp sẽ gây ra các hiệu ứng bất lợi đến độ tin cậy của các mạng xương sống. Hình I – 1:Sự mở rộng mạng IPOA Các công nghệ như MPOA, và LANE đã được hình thành để giải quyết các tồn tại này. Tuy nhiên các giải pháp đó không thể giải quyết được tất cả các tồn tại. Trong khi ấy, nổi bật lên trên một loạt các công nghệ IPOA khác với phương thức lai ghép là chuyển mạch nhãn theo phương thức tích hợp. Chúng cung cấp giải pháp hợp lý để giải Nguyễn Văn Dũng CĐ 1A - K44 - 8 - Đồ án tốt nghiệp khoá 44 CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH NHÃN – MPLS quyết những tồn tại này. Các khả năng cơ bản mà MPLS cung cấp cho việc phân phối các dịch vụ thương mại IP bao gồm:  Hỗ trợ VPN  Định tuyến hiện (cũng được biết đến như là định tuyến có điều tiết hay điều khiển lưu lượng)  Hỗ trợ cục bộ cho định tuyến IP trong các tổng đài chuyển mạch ATM. Hình I –2: Nút cổ chai trong mạng IPOA Khái niệm chuyển mạch nhãn xuất phát từ quá trình nghiên cứu hai thiết bị cơ bản trong mạng IP: tổng đài chuyển mạch và bộ định tuyến. Chúng ta có thể thấy rằng chỉ xét