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

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG 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 1 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 2 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 LƯỢNG. Chương này nghiên cứu tổng quan về kỹ thuật lưu lượng MPLS, các khái niệm cơ 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 Học viên Nguyễn Thị Hương 3 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) 4 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 5 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 6 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) 7 TE metric 2.1.2.2 Tính toán LSP ràng buộc (CR-LSP) 2.1.2.3 Quảng bá thuộc tính của liên kết (link) 2.1.2.4 Chọn đường ràng buộc Quá trình tính toán đường ràng buộc lựa chọn đường đi cho trung kế dựa trên trọng lượng quản lí (TE cost) trên từng liên kết riêng rẽ. Trọng lượng quản lí này mặc định bằng với giá trị phí tổn trong IGP. Giá trị này chỉ được sử dụng trong quá trình tính toán đường ràng buộc. 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. 8 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. 9 Hình 2.9 là một ví dụ về giao thức dành sẵn tài nguyên RSVP. Ingress LSR Egress LSR R1 R9R8R4 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 [...]... RSVP- TE trên các router của hãng Cisco bằng phần mềm mô phỏng GNS3 Các bài mô phỏng này cho phép hiểu rõ hơn hoạt động điều khiển lưu lượng sử dụng RSVP- TE Đồng thời ở một mức độ nào đó cũng cho phép đánh giá hiệu năng của các kỹ thuật điều khiển lưu lượng với RSVP- TE 18 KẾT LUẬN Nội dung luận văn đã trình bày về kỹ thuật điều khiển lưu lượng trong MPLS và ứng dụng của giao thức báo hiệu RSVP- TE trong. .. 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 11 Destination Source Lưu lượng IP Layer3 Lưu lượng đã điều khiển Hình 2.17: Điều khiển lưu lượng với RSVP. .. hỏng, lưu lượng trên LSP chính sẽ được chuyển sang LSP dự phòng tại điểm đầu của liên kết lỗi 2.3.4.4 Trạng thái RESV khi tái định tuyến 2.4 Kết luận Nội dung chương 2 đã trình bày về kỹ thuật điều khiển lưu lượng MPLS và ứng dụng của RSVP- TE trong điều khiển lưu lượng MPLS Các giao thức định tuyến đưa lưu lượng qua mạng theo con đường ngắn nhất mà không quan tâm đến các tham số khác dẫn đến việc sử dụng. .. dụng của RSVP- TE trong điều khiển lưu lượng MPLS Với những khả năng hỗ trợ của giao thức chiếm dụng tài nguyên RSVPTE, 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  Luận văn thực hiện một số mô phỏng bằng phần mềm GNS3, để làm rõ nguyên lý hoạt động của RSVP- TE trên các router của hãng... trong điều khiển lưu lượng MPLS, từ đó làm nền tảng để nghiên cứu sâu hơn về từng vấn đề, áp dụng nó vào trong mạng để thực hiện tối ưu hóa hiệu năng mạng lưới Các nội dung chính đạt được của luận văn bao gồm:  Nghiên cứu tổng quan về MPLS và kỹ thuật lưu lượng, hiểu được các khái niệm, quá trình xử lý cơ bản của MPLS, và tổng quan về cơ chế điều khiển lưu lượng trong MPLS  Nghiên cứu ứng dụng của RSVP- TE. .. trong mạng Giao thức chiếm dụng tài nguyên RSVP, với những khả năng nó hỗ trợ, các cơ chế điều khiển lưu lượng trong mạng sẽ rất dễ dàng, giải quyết vấn đề tắc nghẽn trong mạng Một ưu điểm nữa là khả năng hồi phục nhanh, giúp giảm thiểu tỉ lệ mất gói khi xảy ra lỗi trên các liên kết hoặc các nút chuyển mạch nhãn Và thực tế, RSVP là giao thức thông dụng nhất, được lựa chọn cho quá trình điều khiển lưu. .. 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. .. 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. .. hãng Cisco, cho phép hiểu rõ hơn hoạt động điều khiển lưu lượng sử dụng RSVP- TE, đồng thời ở một mức độ nào đó cũng cho phép đánh giá hiệu năng của cá kỹ thuật điều khiển lưu lượng với RSVP- TE Do thời gian nghiên cứu còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót kính mong các thầy cô đóng góp y kiến bổ sung để em có thể tiếp tục hoàn thiện nghiên cứu và mở rộng đề tài này một cách hiệu quả Em... R3, R4, R5 25 10.10.10.24/30 26 kết nối với nhau như trong hình minh họa Hình 3.2: Mô hình Trong mô hình trên ta sẽ thực hiện cấu hình và kiểm tra các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lựa chọn đường trong kỹ thuật lưu lượng sử dụng giao thức RSVP- TE Các yếu tố ảnh hưởng đến việc chọn đường bao gồm:  Băng thông sẵn có  TE metric  Affinity bit (Attribute Flag) Ta sẽ lần lượt thay đổi các yếu tố này lên . bày về kỹ thuật điều khiển lưu lượng MPLS và ứng dụng của RSVP- TE trong điều khiển lưu lượng MPLS. Các giao thức định tuyến đưa lưu lượng qua mạng theo. cứu ứng dụng của RSVP- TE trong điều khiển lưu lượng MPLS. Với những khả năng hỗ trợ của giao thức chiếm dụng tài nguyên RSVP- TE, cơ chế điều khiển lưu lượng