Kết hợp DiffServ và MPLS trong việc đảm bảo chất lượng dịch vụ 4.doc

Tài liệu tham khảo công nghệ thông tin ngành viễn thông Kết hợp DiffServ và MPLS trong việc đảm bảo chất lượng dịch vụ

Chương 4

Các kịch bản và kết quả mô phỏng sự kết hợp DiffServ và MPLS

 

4.1 Giới thiệu chương

Việc kết hợp giữa MPLS và DiffServ đã khai thác các điểm mạnh của mỗicông nghệ và ngày càng nâng cao chất lượng dịch vụ QoS cho khách hàng, đặc biệtlà việc sử phân bố băng thông khi trong mạng xảy ra tắt nghẽn Trong chương nàyvới việc sử dụng chương trình mô phỏng Ns2 sẽ mô phỏng một số kịch bản để dẫnchứng cho việc kết hợp DiffServ và MPLS trong việc đảm bảo chất lượng dịch vụ.

4.2 Khái quát chung về NS-2

Theo các tài liệu NS2 [18], trình mô phỏng mạng NS-2 là trình mô phỏngcác sự kiện rời rạc cho các giải pháp mạng Nó cung cấp các hỗ trợ thiết yếu choviệc mô phỏng TCP, định tuyến, và các giao thức multicast trên các mạng có dâyhoặc không dây và cả vệ tinh Ns2 hỗ trợ các đặc tính như các đường kết nối điểm-điểm, mạng LAN, định tuyến unicast, định tuyến multicast, các giao thức vậnchuyển như UDP, TCP, các giao thức lớp ứng dụng, mobile IP, các mạng di độngad-hoc……

NS-2 là ngôn ngữ hướng đối tượng được xây dựng trên 2 ngôn ngữ là C++và Tcl còn được gọi là Otcl Các đối tượng C++ lập thành mặt phẳng dữ liệu trongNs2 và các đối tượng OTcl như mặt phẳng điều khiển Sẽ có các đối tượng liên kếtTclCL để kết nối với các kiểu đối tượng khác nhau Một bài toán mô phỏng thườngđi theo các bước sau đây:

 Tạo lịch trình các sự kiện

 Khởi động dấu vết (trace) bất kỳ

 Tạo các đối tượng node và đường liên kết mạng

 Khởi tạo các giao thức lớp vận chuyển như UDP hay TCP Khởi tạo các bộ phát sinh lưu lượng cho TCP hoặc UDP

 Kết hợp giao thức lớp ứng dụng với giao thức lớp vận chuyển đã chọn

Thường đa số các thành phần bên được sử dụng trong NS-2 là các đối tượngnode và các đối tượng đường kết nối Các đối tượng node bao gồm các nhântố(agent) và các bộ phân lớp Các nhân tố thường là các điểm cuối giao thức và cácbộ phân lớp thường là các bộ giải trộn gói tin Các đối tượng đường liên kết thườnggói gọn 1 hàng đợi, trễ và có thể là kiểm tra thời gian TTL (Time To Live)

Việc mô phỏng mạng MPLS trên NS-2 (MNS) có thể mô phỏng một số ứngdụng trên MPLS mà không cần xây dựng một mạng MPLS thực để kiểm chứng.Trong kiến trúc MNS, đối tượng node NS-2 tham chiếu đến một bộ phân lớp mớigọi là bộ phân lớp MPLS, xác định các gói đã nhận dù là được gán nhãn hay chưagán nhãn Nếu đã gán nhãn, bộ phân lớp sẽ chuyển mạch lớp 2 thay vì định tuyến ởlớp 3 Còn nếu chưa gán nhãn, một đường LSP sẽ được thiết lập trước đó với cácgiao thức báo hiệu, các gói chưa gán nhãn sẽ được xử lý để gán nhãn (đây là điểm

đặc biệt của node MPLS khác với đối tượng node bình thường như trong hình 4.1).

Trong trường hợp này, node MPLS đóng vai trò như 1 router LSR đầu vào Mặckhác, gói tin được chuyển tiếp đến bộ phân lớp địa chỉ mặc định cho lớp 3 địnhtuyến Trường hợp bình thường, khi 1 gói tin đến và đã đựơc xử lý thì nó sẽ đượcchuyển đến phân lớp cổng và phân phối đến các nhân tố của node này Bộ phân lớpcổng ở đây sẽ được hiệu chỉnh sao cho MPLS sẽ phân phối đến các nhân tố nếu nhưgói đã gán nhãn và đến các nhân tố mặc định nếu như gói chưa được gán nhãn.

DiffServ được hỗ trợ trong NS2 bao gồm các đặc tính như gán DSCP chocác IP header, điều hòa các đối ứng với các hiện trạng (profile), và lập lịch các đốixử đó Các hiện trạng có thể được định nghĩa ứng với các dạng lưu lượng như EFhay AF Các hiện trạng này sẽ được thêm vào trong bộ điều hòa Khi một gói tin điqua bộ điều hòa, các hiện trạng sẽ ứng với các DSCP đã chọn Các gói tin sẽ đượckiểm tra khi chúng phù hợp với các đặc tính tốc độ lưu lượng đã được chọn tronghiện trạng Nếu gói tin ko phù hợp, tùy theo dạng lưu lượng mà nó xử lý, ví dụ như

đối với dạng lưu lượng EF, nếu ko phù hợp chúng sẽ bị loại bỏ, còn đối với AFchúng sẽ được đánh dấu lại với độ ưu tiên loại bỏ gói cao hơn Bộ lập lịch trongtrường hợp này sẽ nhiều lớp lưu lượng EF,AF và BE xen kẽ nhau

Hình 4.1 Cấu trúc node MPLS

Hình 4.2 Cấu trúc node Unicast và node Multicast

4.3 Mô hình và kết quả mô phỏng

Dưới đây là topo mạng được sử dụng trong suốt quá trình mô phỏng với cácnguồn phát lưu lượng UDP tương ứng với các nút gởi S1, S2, S3 và ba nguồn thulưu lượng tương ứng với D1, D2, D3; băng thông của đường liên kết tương ứng như

 Và cuối cùng là nguồn UDP3 được gán vào node R2 đi đến đích là R10.

Các thông số của luồng cho ở bảng 4.1

Bảng 4.1

4.3.1.2 Thực hiện và kết quả mô phỏng

Việc mô phỏng trực quan được thể hiện rõ trên cửa sổ ứng dụng NAM Việc thực hiện mô phỏng như sau:

 Tại thời điểm 0.1s cho nguồn UDP1 bắt đầu

 Đến thời điểm 1.0s nguồn UDP1 dừng và UDP2 bắt đầu Đến thời điểm 2.0s nguồn UDP2 dừng và UDP3 bắt đầu Thời điểm 3.0s cho cả 3 nguồn đều gởi gói

Kết quả được thống kê ở bảng 4.2Bảng 4.2

Hình 4.4 Mô phỏng mạng IP không sử dụng DiffServ

Hình 4.5 Đồ thị băng thông sử dụng bởi các luồng lưu lượng4.3.1.3 Nhận xét

Với đồ thị xgraph thể hiện như trên hình 4.5 ta nhận thấy rằng: tại thời điểm

0.1-1s chỉ có luồng lưu lượng UDP1 chạy trên mạng, băng thông của đường kết nốisẽ đáp ứng được yêu cầu của luồng Tương tự cho luồng UDP2 và UDP3 Nhưng tạithời điểm 3.0s khi lưu lượng trên mạng quá tải, cả 3 luồng cùng tham gia gởi gói,do mạng IP sử dụng giao thức định tuyến theo đường ngắn nhất nên cả 3 luồng cùngđi trên một đường R3-R4-R7 Trong khi băng thông của đường kết nối không đủđáp ứng cho cả 3 luồng cùng một lúc, việc chia sẻ băng thông cho cả 3 luồng thể

hiện như trên hình 4.5 Không có mức ưu tiên cho các gói tin, đối xử và loại bỏ gói

là ngẫu nhiên mất gói trên mạng sẽ xảy ra cho cả 3 luồng, mạng sử dụng băng thôngkhông hiệu quả trong lúc các đường liên kết khác lại rỗi Khi thông tin trên mạng bịmất gói quá nhiều, việc truyền tải thông tin sẽ bị gián đoạn, mất thông tin là nhượcđiểm mà cả nhà cung cấp và cả khách hàng không mong muốn đến

4.3.2 Mạng IP truyền thống sử dụng DiffServ4.3.2.1 Mô tả

Giải pháp mà các nhà cung cấp dịch vụ đưa ra là sử dụng DiffServ để cungcấp chất lượng dịch vụ ứng với mỗi khách hàng khi lưu lượng trên đường truyềnquá tải Trong bài mô phỏng này, mỗi khách hàng sẽ tương ứng với mỗi hợp đồngcung cấp dịch vụ riêng Ví dụ như khách hàng S1D1 sử dụng lưu lượng UDP_EF,yêu cầu của khách hàng là phục vụ tốt nhất Khách hàng S2D2 sử dụng lưu lượngUDP_AF Cuối cùng là khách hàng S3D3 sử dụng luồng UDP_BE

Trường hợp 1: sử dụng mode lập lịch PRI (Priority) sử dụng chế độ ưu tiên loại bỏ

gói, các thông số được cho ở bảng 4.3

Bảng 4.3

Hình 4.6 Các bảng trạng thái gói tin tại các thời điểm 5s, 10s, 15s, 20s

4.3.2.2 Thực hiện và kết quả mô phỏng

Tại các thời điểm 5s, 10s, 15s, 20s sẽ xuất ra các bảng trạng thái của gói tin

như hình 4.6

Kết quả: như trong bảng 4.3 và hình 4.8

Hình 4.7 Cửa sổ Nam cho mô phỏng IP sử dụng DiffServ

Hình 4.8 Đồ thị chia sẻ băng thông trong mạng IP có sử dụng DiffServ

Khi thay đổi tốc độ của mỗi luồng thì với độ ưu tiên như trên, sẽ có đáp ứng

như hình 4.9 kết quả thu được như trong bảng 4.4

Bảng 4.4

Luồng UDP_EF Luồng UDP_AF Luồng UDP_BE

Hình 4.9 Đáp ứng băng thông khi thay đổi tốc độ luồng

Trường hợp 2: sử dụng mode lập lịch WRR (Weight Round Robin) phục vụ quay

vòng theo trọng số Luồng có tốc độ nhỏ sẽ có trọng số nhỏ và được ưu tiên phục

vụ Bảng 4.5 mô tả các thông số và đáp ứng băng thông của các luồng lưu lượng.

Bảng 4.5

Luồng UDP_EF Luồng UDP_AF Luồng UDP_BE

Hình 4.10 Đáp ứng băng thông của mode lập lịch WRR4.3.2.3 Nhận xét

Mode lập lịch PRI thường hay sử dụng do mỗi khách hàng sẽứng với từng hợpđồng như thế nào thì được thiết lập mức ưu tiên tương ứng Ví dụ như UDP_EF vớihợp đồng cung cấp dịch vụ tốt nhất sẽ được thiết lập mức ưu tiên loại bỏ gói thấp.Còn UDP_BE không cần phục vụ tốt nhất sẽ có mức ưu tiên loại bỏ gói cao Modenày linh động hơn trong việc đáp ứng nhu cầu của khách hàng Mode WRR thìngược lại, ưu tiên phục vụ cho những khách hàng có hợp đồng cam kết với tốc độnhỏ hơn.

Nhưng không phải lúc nào các đường kết nối vẫn hoạt động tốt Vì lý do nàođó mà các đường kết nối có thể bị đứt liên kết, nhược điểm lớn nhất của DiffServkhông cung cấp bất kỳ kỹ thuật lưu lượng nào để tìm đường thay thế cho đường đãbị lỗi [4] Khi đó IGP tự động chuyển sang đường khôi phục nhưng do thời gian hộitụ chậm nên hiện tượng vòng lặp có thể xảy ra, các luồng lưu lượng không đếnđược đích Nhằm đảm bảo chất lượng dịch vụ cho khách hàng, và khắc phục nhựơcđiểm đó, các nhà cung cấp dịch vụ đã sử dụng ưu thế trong kỹ thuật định lưu lượngcủa MPLS để áp dụng cho DiffServ

Hình 4.11 Trường hợp khi có sự cố đứt liên kết xảy ra4.3.3 Mô phỏng định tuyến ràng buộc trong mạng MPLS

4.3.3.1 Mô tả

Với kỹ thuật lưu lượng, khi không sử dụng DiffServ để đảm bảo chất lượng dịch vụ, MPLS có thể tính toán, thiết lập các đường LSP theo cơ sở ràng buộc để hướng các luồng lưu lượng sao cho được phục vụ tốt nhất

Bảng 4.6

Hình 4.12 Mô phỏng định tuyến ràng buộc trong MPLS không hỗ trợ DiffServ4.3.3.2 Thực hiện và kết quả mô phỏng

Thiết lập 3 đường LSP tương ứng với ID là 1100, 1200 và 1300 với thời gian: Thời điểm 0.1s luồng UDP_EF đi trên đường LSP 1100 với ER là 3-4-7 Thời điểm 1.001s luồg UDP_EF ngưng và UDP_AF bắt đầu gởi gói trên

Hình 4.13 Kết quả mô phỏng4.3.3.3 Nhận xét

Việc thiết lập các đường LSP trong mạng MPLS, luôn đáp ứng được lượngbăng thông yêu cầu của khách hàng Đây là lợi thế kỹ thuật lưu lượng trong MPLS.Điều này không có nghĩa là tại thời điểm cao điểm, khi lượng lưu lượng tăng lênquá nhanh với số lượng lớn, số lượng LSP không đủ đáp ứng hết cho mỗi luồng lưulượng, buộc các luồng lưu lượng phải đi chung trên một LSP dẫn đến mất gói tin

như hình 4.14 Bảng 4.8 thông số các luồng và kết quả khi các lưu lượng cùng điqua 1 LSP

Bảng 4.8

Luồng UDP_EF Luồng UDP_AF Luồng UDP_BE

Hình 4.14 Mô phỏng sự quá tải trong mạng MPLS không sử dụng DiffServ

Hình 4.15 Kết quả mô phỏng

Hình 4.15 mô tả việc chia sẻ băng thông trong mạng MPLS không hỗ trợDiffServ Không giống như mạng IP, MPLS không sử dụng DiffServ việc sử dụngtài nguyên băng thông hiệu quả hơn nhờ kỹ thuật lưu lượng với việc thiết lập cácđường LSP

Mặc khác MPLS lại không định nghĩa kiến trúc QoS trong mạng [4] nên việckết hợp DiffServ vào mạng MPLS có thể cung cấp chất lượng dịch vụ khác nhaucho mỗi luồng lưu lượng khi đi chung trên một đường LSP và khai thác được ưuđiểm của MPLS là định tuyến trên đường khác khi có sự cố đứt liên kết xảy ra Đâylà đặc điểm mà các nhà cung cấp luôn muốn khai thác đến và được mô phỏng dướiđây.

4.3.4 Khôi phục đường dẫn trong mạng MPLS sử dụng DiffServ4.3.4.1 Mô tả

Khi đưa DiffServ vào mạng MPLS, tại các node MPLS sẽ khai báo thông tinDiffServ (phâp lớp, đánh dấu, chính sách, loại bỏ gói)

4.3.4.2 Thực hiện và kết quả mô phỏng

Thời gian bắt đầu và kết thúc của các luồng lưu lượng vẫn không thay đổiTại thời điểm 4.0s cho đường link giữa LSR4 và LSR7 đứt kết nối cho đến thờiđiểm 5.0s thì khôi phục lại.

Bảng 4.9

Luồng UDP_EF Luồng UDP_AF Luồng UDP_BE

Hình 4.16 Mô phỏng mạng cơ chế khôi phục đường dẫn trong mạng MPLS sử dụng

Hình 4.17 Tái định tuyến lưu lượng cho DiffServ

4.3.4.3 Nhận xét

Khi thực hiện DiffServ trong mạng MPLS, hợp đồng kí kết về việc sử dụngbăng thông trong mạng luôn được đảm bảo nên tỉ lệ mất gói là không lớn Mặckhác, với sự hỗ trợ của kỹ thuật lưu lượng TE trong MPLS và cơ chế khôi phục sẽtìm đường thay thế khi đường liên kết bị đứt kết nối Đảm bảo lưu lượng đi trênmạng không bị gián đoạn.

4.4 Kết luận

Quá trình mô phỏng cho thấy rằng, DiffServ không có khả năng khôi phụcđường khi có sự cố về đường kết nối xảy ra [4] Do đó khi kết hợp với MPLS, vớithế mạnh về kỹ thuật lưu lượng, MPLS sẽ tính toán và định tuyến lưu lượng đi trênLSP dự phòng , đảm bảo chất lượng dịch vụ cho khách hàng luôn là tiêu chí đặt lênhàng đầu của các nhà cung cấp