Giao thức RSVP TE và ứng dụng trong điều khiển lưu lượng

Với mục đích muốn tìm hiểu và nắm bắt được công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức và kỹ thuật điều khiển lưu lượng, trong đó tập trung vào tìm hiểu giao thức báo hiệu RSVP-TE.. Nghiên c

-

NGUYỄN THỊ HƯƠNG

GIAO THỨC RSVP – TE VÀ ỨNG DỤNG TRONG

ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã số: 60.52.70

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ

HÀ NỘI - 2012

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN TIẾN BAN

Phản biện 1: ………

Phản biện 2: ………

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc: giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

MỞ ĐẦU

Công nghệ thông tin, viễn thông thay đổi từng ngày góp phần đáp ứng các nhu cầu ngày càng cao hơn của người dùng Một trong những xu thế đó là sự ra đời của các công nghệ chuyển mạch mới (chuyển mạch mềm) nhằm thay thế cho các công nghệ chuyển mạch cũ (chuyển mạch kênh) Công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS là một công nghệ được phát triển nằm trong xu thế đó

Vì vậy tôi chọn đề tài nghiên cứu về giao thức RSVP-TE và ứng dụng trong điều khiển lưu lượng Với mục đích muốn tìm hiểu và nắm bắt được công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức và kỹ thuật điều khiển lưu lượng, trong đó tập trung vào tìm hiểu giao thức báo hiệu RSVP-TE

Nội dung tìm hiểu của luận văn chia thành 3 chương:

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MPLS VÀ KỸ THUẬT LƯU

bản, quá trình xử lý gói tin của MPLS, và kỹ thuật, cơ chế điều khiển lưu lượng trong MPLS

CHƯƠNG II: ỨNG DỤNG RSVP-TE TRONG ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG MPLS Nghiên cứu ứng dụng của RSVP-TE trong điều khiển lưu lượng MPLS, quá

trình định tuyến ràng buộc hỗ trợ điều khiển lưu lượng, Với những khả năng hỗ trợ của giao thức chiếm dụng tài nguyên RSVP-TE, cơ chế điều khiển lưu lượng trong mạng sẽ dễ dàng hơn, giải quyết vấn đề tắc nghẽn trong mạng và khả năng phục hồi nhanh giúp giảm thiểu mất gói khi xảy ra lỗi

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG SỬ DỤNG

RSVP-TE BẰNG PHẦN MỀM GNS3 Đưa ra mô hình và thực hiện một số mô phỏng để

làm rõ nguyên lý hoạt động của RSVP-TE trên các router của hãng Cisco, cho phép hiểu rõ hơn hoạt động điều khiển lưu lượng sử dụng RSVP-TE

Do nhiều mặt còn hạn chế nên nội dung của đề tài khó tránh khỏi những sai sót Em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô và bạn đọc

Em xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Tiến Ban đã tận tình hướng dẫn em hoàn thành luận văn

Hà Nội, Ngày 10 Tháng 6 Năm 2012

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MPLS VÀ KỸ THUẬT LƯU LƯỢNG

1.1 Tổng quan về MPLS

1.1.1 Lịch sử phát triển của MPLS

Việc hình thành và phát triển công nghệ MPLS xuất phát từ nhu cầu thực tế, được các nhà công nghiệp viễn thông thúc đẩy nhanh chóng Sự thành công và nhanh chóng chiếm lĩnh thị trường mà công nghệ này có được là nhờ vào việc chuẩn hoá công nghệ Quá trình hình thành và phát triển công nghệ, những giải pháp ban đầu của hãng như Cisco, IBM, Toshiba… Những nỗ lực chuẩn hoá của tổ chức tiêu chuẩn IETF trong việc ban hành về tiêu chuẩn MPLS….sẽ cung cấp cho chúng ta những nhận định ban đầu về xu hướng phát triển MPLS

MPLS được đề xuất đầu tiên do hãng Ipsilon một hãng rất nhỏ về công nghệ thông tin trong triển lãm về công nghệ thông tin, viễn thông tại Texas Sau đó Cisco và hàng loạt hãng khác như IBM, Toshiba…công bố các sản phẩm công nghệ chuyển mạch của họ dưới những tên khác nhau nhưng đều cùng chung bản chất công nghệ chuyển mạch nhãn

MPLS thực hiện một số chức năng sau:

 Hỗ trợ các giải pháp mạng riêng ảo VPN

 Định tuyến hiện (điều khiển lưu lượng)

 Hỗ trợ cục bộ cho định tuyến IP trong các tổng đài chuyển mạch ATM

Có thể thấy rằng MPLS đã phát triển nhanh chóng và hiệu quả Điều này cũng chứng minh những yêu cầu cấp bách trong công nghiệp cho một công nghệ mới Hầu hết các tiêu chuẩn MPLS hiện tại đã được ban hành dưới dạng RFC Sau khi toàn bộ các RFC được hoàn thiện, chúng sẽ được tập hợp lại để xây dựng một hệ thống tiêu chuẩn MPLS

1.1.2 Các khái niệm cơ bản của mạng MPLS

a Nhãn (Lable)

b Ngăn xếp nhãn (Lable stack)

c Bảng chuyển tiếp chuyển mạch nhãn

d Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn (LSR-Lable Switching Router)

e Lớp chuyển tiếp tương đương (FEC-Forward Equivalence Class)

f Cơ sở thông tin nhãn (LIB-Lable Information Base)

g Tuyến chuyển mạch nhãn (LSP-Lable Switching Path)

1.1.3 Quá trình xử lý cơ bản của MPLS

1.1.4 Phân biệt chuyển mạch nhãn và chuyển mạch thông thường 1.1.5 Mô hình chuyển gói tin trong MPLS

1.1.6 Ví dụ về việc chuyển gói tin trong MPLS

1.2 Kỹ thuật điều khiển lưu lượng trong MPLS

1.2.1 Tổng quan điều khiển lưu lượng trong MPLS

1.2.2 Các mục tiêu triển khai kỹ thuật lưu lượng

1.2.2.1 Phân loại

1.2.2.2 Bài toán nghẽn

1.2.3 Cơ chế điều khiển lưu lượng trong MPLS

1.3 Kết luận

CHƯƠNG II: ỨNG DỤNG RSVP-TE TRONG ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG MPLS

2.1 MPLS và kỹ thuật lưu lượng

MPLS có ý nghĩa chiến lược đối với kỹ thuật lưu lượng vì nó có thể cung cấp hầu hết các chức năng hiện có ở một mô hình chồng phủ nhưng theo cách tích hợp với chi phí thấp Điều quan trọng là MPLS còn đề xuất khả năng tự động hóa các chức năng kỹ thuật lưu lượng

2.1.1 Trung kế lưu lượng và các thuộc tính

2.1.1.1 Khái niệm trung kế lưu lượng (traffic trunk)

2.1.1.2 Các thuộc tính của trung kế lưu lượng

Thuộc tính tham số lưu lượng (traffic parameter):

Đặc tả lượng băng thông yêu cầu bởi trung kế lưu lượng Các đặc điểm lưu lượng bao gồm tốc độ đỉnh, tốc độ trung bình, kích thước cụm cho

phép Các tham số lưu lượng rất quan trọng vì nó chỉ ra các yêu cầu về tài nguyên của trung kế

Thuộc tính lựa chọn và quản lý đường

Là các tiêu chuẩn lựa chọn và duy trì đường dẫn cho trung kế lưu lượng Các thuộc tính cơ bản và các đặc trưng hành vi liên quan đến chọn đường và quản lí đường cho trung kế lưu lượng được mô tả sau đây:

 Đường tường minh đặc tả quản trị

 Phân cấp các ưu tiên đa đường

 Thuộc tính quan hệ (Affinity) lớp tài nguyên

 Thuộc tính thích ứng

Thuộc tính ưu tiên / lấn chiếm (Prority/Preemtion): Đóng vai trò quan

trọng trong các tình huống tranh chấp khi có nhiều trung kế cùng cạnh tranh tài nguyên Có 2 loại độ ưu tiên được chỉ định cho trung kế:

Ưu tiên thiết lập (priority) : chỉ ra tầm quan trọng của trung kế lưu lượng và

xác định thứ tự mà việc chọn tuyến được thực hiện khi thiết lập kết nối hoặc tái định tuyến khi xảy ra lỗi

Độ ưu tiên cầm giữ (holding priority)

Thuộc tính đàn hồi

Thuộc tính khống chế (Policing)

2.1.1.3 Các hoạt động trên trung kế lưu lượng

Là các tiến trình khác nhau xảy ra trong thời gian tồn tại của một trung kế lưu lượng:

 Establish : Tạo ra các trung kế lưu lượng bằng cách lựa chọn LSP, chỉ định

nhãn và quan trọng nhất là chỉ định tài nguyên cho trung kế

 Activate : Làm cho trung kế lưu lượng bắt đầu hoạt động bằng cách sử dụng

một vài chức năng định tuyến để đưa lưu lượng vào trung kế

 Deactivate : Dừng chuyển dữ liệu bằng trung kế bằng cách sử dụng chức

năng định tuyến và ngừng đưa dữ liệu vào trung kế

 Modified Attributes : Thay đổi các đặc điểm của trung kế lưu lượng (ví dụ

như băng thông khả dụng)

 Reroute : Chọn một con đường đi khác cho trung kế lưu lượng

 Destroy : Loại bỏ hoàn toàn trung kế lưu lượng và thu hồi tất cả các tài

nguyên được cấp phát cho nó

2.1.2 Tính toán đường ràng buộc

2.1.2.1 Thuộc tính tài nguyên liên kết

Router tại đầu nguồn (head-end) của một trung kế phải nắm được thông tin thuộc tinh tài nguyên của tất cả các liên kết trong mạng để tính toán đường LSP Điều này chỉ có thể đạt được bằng cách sử dụng các giao thức định tuyến Link-state (như IS-IS hay OSPF) vì chỉ có kiểu giao thức này mới quảng bá thông tin về tất cả các liên kết đến tất cả các router Vì vậy, OSPF và IS-IS được mở rộng để hỗ trợ MPLS-TE

Hệ số nhân cấp phát cực đại

Lớp tài nguyên (Resource - Class)

Nếu có nhiều lựa chọn cho LSP các tiêu chuẩn lựa chọn theo thứ tự lần lượt là:

 Băng thông tối thiểu lớn nhất

 Số lượng hop là nhỏ nhất

Nếu sau khi áp dụng cả 2 tiêu chuẩn trên mà vẫn có hơn 1 đường thì ta sẽ lựa chọn ngẫu nhiên Khi LSP được tính toán, RSVP được sử dụng để dự trữ băng thông, cấp phát nhãn và cuối cùng là thiết lập LSP

2.2 Định tuyến ràng buộc hỗ trợ điểu khiển lưu lượng MPLS

Định tuyến ràng buộc có hai thành phần cơ bản: Route Optimzation và Route Placement Route Optimization phải chịu trách nhiệm đối với việc chọn lựa bộ định tuyến cho lưu lượng để yêu cầu vấn đề này phải đưa ra thiết lập bởi Constraint Khi

bộ định tuyến được quyết định, bộ định tuyến sẽ sắp đặt việc thực hiện những bộ định tuyến trong mạng để những luồng lưu lượng sẽ đi theo chúng Định tuyến ràng buộc sẽ tính toán định tuyến là vấn đề nào phải ràng buộc (giống như là băng thông) và quản

lý chính sách (policy) Vì Constraint_based Routing xem xét các thừa số nhiều hơn topo mạng trong việc tính toán định tuyến, nên nó có thể tìm ra một đường dài hơn nhưng đường dẫn có tải trọng nhẹ thì hơn là đường dẫn có tải trọng nặng Do đó, lưu lượng mạng được phân phối đều hơn và tài nguyên mạng được tận dụng hiệu quả hơn

Ví dụ, hình sau mô tả kỹ thuật đường dẫn ngắn nhất giữa Router A và Router C được truyền qua Link A-C với IGP metric m=1 Nhưng bởi vì dự trữ băng thông trên đường dẫn ngắn nhất chỉ là 622 – 600 = 22 Mbit/s, nó không thể thoả mãn yêu cầu băng thông (40 Mbit/s) của LSP mới đó Định tuyến ràng buộc sẽ chọn lựa đường dẫn A-B-C dài hơn thay thế, bởi vì đường dẫn ngắn nhất không thể có băng thông cưỡng bức

2.2.1 Enhanced Link-State IGP

2.2.2 Giải pháp kỹ thuật lưu lượng

Hình 2.7: Tránh tắc nghẽn

Cùng với sự giúp đỡ của MPLS, Định tuyến ràng buộc và Enhanced IGP thì việc điều khiển lưu lượng có thể được thực hiện hiệu quả hơn Hai vấn đề được thảo luận tại điểm bắt đầu của hình dưới đã được giải quyết

Đầu tiên, đối với việc thiết lập độ rộng băng thông dự trữ lớn nhất của mỗi link

và cho mỗi LSP, Định tuyến ràng buộc sẽ tự động tránh những nơi có quá nhiều LSP trên một link Giải pháp này là giải pháp thứ nhất Ví dụ, ở hình 2.7, Định tuyến ràng buộc sẽ tự động chọn LSP B –> E trên một đường dẫn dài hơn để tránh tắc nghẽn trong đường link C –> E thông qua LSP sử dụng kỹ thuật đường dẫn ngắn nhất

2.3 Ứng dụng RSVP-TE trong điều khiển lưu lượng MPLS

2.3.1 Một số đặc điểm cơ bản về giao thức RSVP

- RSVP là giao thức báo hiệu đóng vai trò quan trọng trong mạng MPLS, được

sử dụng để dành trước tài nguyên cho một phiên truyền trong mạng Internet

- RSVP được thiết kế để thiết lập các đường truyền cũng như bảo vệ giải thông trên các đường truyền trong khi các giao thức IP là giao thức không kết nối nó không

hỗ trợ việc thiết lập các đường cho luồng lưu lượng

- RSVP yêu cầu các máy nhận lưu lượng về yêu cầu chất lượng dịch vụ QoS cho luồng dữ liệu Các ứng dụng tại máy nhận phải giải quyết các thuộc tính QoS sẽ được truyền tới RSVP Sau khi phân tích các yêu cầu này, RSVP được sử dụng để gửi các bản tin tới tất cả các nút nằm trên tuyến đường của gói tin

Hình 2.9 là một ví dụ về giao thức dành sẵn tài nguyên RSVP

Ingress

LSR

Egress LSR

Route RSVP = {R1, R4, R8, R9}

Hình 2.9: Ví dụ về giao thức dành sãn tài nguyên

- RSVP sẽ thiết lập một giao thức dành sãn tài nguyên đi theo đường xác định theo tuyến từ R1 đến R9 đã được lựa chọn theo IGP Và sau đó phân phối nhãn ngược

trở lại để thiết lập đường truyền vận chuyển lưu lượng

2.3.2 Thiết lập đường sử dụng RSVP

RSVP đóng vai trò quan trọng trong việc thiết lập đường LSP và hỗ trợ các ứng dụng unicast hoặc multicast RSVP thích ứng với các thay đổi trong nhóm multicast hoặc trong bảng định tuyến Việc duy trì được thực hiện thông qua việc gửi các bản tin làm tươi định kì gửi theo LSP để duy trì trạng thái Trong kỹ thuật lưu lượng , các phiên RSVP xảy ra giữa các router ở các điểm đầu cuối trung kế Các bản tin được sử dụng trong quá trình thiết lập đường bao gồm: PATH, RESV, PATH_TEAR, PATH_ERR, RESV_ERR

2.3.2.1 Bản tin Path yêu cầu thiết lập đường RSVP

1 Đối tượng yêu cầu nhãn Label_Request

2 Đối tượng định tuyến rõ ràng Explicit_Route (ERO)

3 Đối tượng định tuyến mảnh tin Record_Route (RRO)

4 Đối tượng Session_Attribute

5 Đối tượng Session

2.3.2.2 Bản tin RESV đáp ứng thiết lập đường RSVP

2.3.2.3 Quá trình thiết lập đường trong RSVP

Hình 2.14: Một LSP bao gồm LSR1, LSR2

Trên hình vẽ cho thấy, định tuyến IP truyền thống xác định đường đi của dữ liệu từ ingress LSR1 đến egress LSR4 sẽ qua một mạng trung gian Router A Trong khi đó, định tuyến có ràng buộc xác định đường định tuyến xác định explicit route cho

dữ liệu từ LSR1 đến LSR4 qua các nút mạng trung gian là LSR2 và LSR3

2.3.3 Điều khiển lưu lượng với RSVP

Nhu cầu sử dụng RSVP bắt đầu từ việc sử dụng mạng IP để vận chuyển các lưu lượng thời gian thực như thoại, hội nghị truyền hình vốn yêu cầu chặt chẽ về ràng buộc thời gian Để đảm bảo yêu cầu, các ứng dụng sẽ được đặt trước tài nguyên, tức tài nguyên khi này sẽ được dành riêng cho ứng dụng RSVP định nghĩa cách thức đặt trước tài nguyên này Khi đó với mỗi ứng dụng ví dụ như truyền file, truyền video, RSVP sẽ thực hiện cho phép ứng dụng đặt trước tài nguyên mà các ứng dụng cần thiết

và router sẽ từ chối nếu không có tài nguyên đặt trước không có sẵn

Nơi nhận thực hiện đặt trước tài nguyên là điều hợp lý là vì nó biết rõ về tài nguyên mà ứng dụng sẽ cần Hơn nữa người dùng cũng dễ dàng tham gia hoặc không tham gia nữa mà không gây ảnh hưởng đến phía gửi

Hình dưới thể hiện dòng lưu lượng trong mạng, việc điều khiển lưu lượng để tối

ưu hóa tài nguyên sử dụng Nó chuyển lưu lượng từ đường học được từ IGP sang đường LSP ít nghẽn hơn

Source Destination

Lưu lượng IP Layer3 Lưu lượng đã điều khiển

Hình 2.17: Điều khiển lưu lượng với RSVP

2.3.4 Duy trì đường sử dụng RSVP

2.3.4.1 Giám sát đường

2.3.4.2 Tái định tuyến, tái tối ưu hóa

LSP phải được tái định tuyến khi xảy ra lỗi hoặc có sự thay đổi tài nguyên Khi tài nguyên ở các phần khác của mạng sẵn sàng, các trung kế lưu lượng có thể được tái tối ưu hóa

Router đầu dòng cố gắng báo hiệu một đường LSP tốt hơn và chỉ sau khi thiết lập thành công đường LSP mới thì lưu lượng mới được chuyển sang đường mới

a Lỗi liên kết

b Tái tối ưu hóa, tái định tuyến không phá vỡ (non disruptive)

c Khởi tạo trước khi phá vỡ (Make before break)

2.3.4.3 Bảo vệ liên kết và bảo vệ tuyến

Để tăng tốc quá trình tái định tuyến hoặc tái tối ưu hóa đường trong khi headend tính toán đường mới, tùy chọn Fast Reroute được sử dụng

Khi xảy ra lỗi liên kết hoặc lỗi nút trên LSP chính mà không có LSP dự phòng, LSR ngõ vào sẽ tiếp tục chuyển tiếp lưu lượng đến đích như là gói IP sử dụng đường ngắn nhất theo IGP nếu đường đó tồn tại Các loại bảo vệ trong MPLS TE bao gồm:

Bảo vệ nút : mục đích của bảo vệ nút là để bảo vệ LSP khi xảy ra lỗi nút Trong bảo vệ nút, đường LSP dự phòng tách rời khỏi khỏi LSP chính tại các nút cụ thể được bảo vệ Khi nút bị lỗi, lưu lượng trên đường LSP chính sẽ được chuyển sang đường LSP dự phòng tại nút upstream kết nối trực tiếp với nút bị lỗi

Bảo vệ đường : bảo vệ LSP khi xảy ra lỗi tại bất kì điểm nào trên đường

đã được định tuyến Trong bảo vệ đường LSP dự phòng tách rời hoàn