đồ án: Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS và cơ chế bảo vệ khôi phục đường và dựng chương trình mô phỏng MPLS-TE

đồ án:Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS và cơ chế bảo vệ khôi phục đường và dựng chương trình mô phỏng MPLS-TE

Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục Lục MỤC LỤC KẾT LUẬN 66 Đỗ Tiến Thành-D04VT2-Học viện công nghệ bưu chính viễn thông i Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh Mục Hình Vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: MPLS và mô hình tham chiếu OSI 1 Hình 1.2: So sánh giữa chuyển tiếp IP và chuyển tiếp MPLS 2 Hình 1.3: Miền MPLS 3 Hình 1.4: Đường lên và đường xuống LSR 3 Hình 1.5: Lớp chuyển tiếp tương đương trong MPLS 4 Hình 1.6: Ngăn xếp nhãn 4 Hình 1.7: Đường chuyển mạch nhãn LSP 5 Hình 1.8: Phân cấp LSP trong MPLS 6 Hình 1.9: Gói IP đi qua mạng MPLS 6 Hình 1.10: Định dạng một thực thể trong ngăn xếp nhãn MPLS 7 Hình 1.11: Tiêu đề shim được đệm vào giữa tiêu đề lớp 2 và lớp 3 8 Hình 1.12: Nhãn trong chế độ ATM 8 Hình 1.13: Đóng gói có nhãn trên liên kết ATM 9 Hình 1.14: Cấu trúc của LER và transit-LSR 10 Hình 1.15: Một NHLFE 11 Hình 1.16: Bên trong mặt phẳng chuyển tiếp MPLS 13 Hình 1.17: Định tuyến ràng buộc 14 Hình 1.18: Phân phối nhãn không cần yêu cầu 15 Hình 1.19: Phân phối nhãn gắn kết Nhãn-FEC 16 Hình 1.20: Duy trì nhãn tự do 16 Hình 1.21: Duy trì nhãn bảo thủ 17 Hình 1.22: Điều khiển độc lập 18 Hình 1.23: Điều khiển tuần tự 18 Hình 1.24: Vùng hoạt động của LDP 18 Hình 1.25: Trao đổi thông điệp LDP 19 Hình 1.26: LDP Hearder 20 Hình 1.28: LDP chế độ điều khiển theo yêu cầu 23 Hình 1.29: Thiết lập LSP và CR-LD 25 Hình 1.30: Thiết lập LSP với RSVP-TE 28 Hình 1.31: Nội dung bản tin BGP Update 30 Hình 1.32: BGP phân phối nhãn qua nhiều Autonomous System 31 Hình 2.1: Nhiều luồng cho mỗi lớp lưu lượng 36 Hình 2.2: Hàng đợi CQ 36 Hình 2.3: Hàng đợi PQ 37 Hình 2.4: Giải thuật thùng dò 37 Hình 2.5: Giải thuật thùng token 38 Hình 2.6: Mô hình xếp chồng 39 Hình 2.7: Băng thông khả dụng ứng với từng mức ưu tiên 44 Hình 2.8: Xem xét các ràng buộc khống chế 46 Hình 2.9: Xem xét tài nguyên khả dụng 47 Hình 2.10: Chọn đường tốt nhất 47 Hình 2.11: Mô hình MAKAM 50 Hình 2.12: Mô hình Haskin 51 Hình 2.13: Mô hình Shortest-Dynamic 52 Hình 2.14: Mô hình Simple_Dynamic 53 Hình 3.1: Tổng quan về NS dưới góc độ người dùng 55 Hình 3.2: Luồng các sự kiện cho file Tcl chạy trong NS 56 Hình 3.3: Kiến trúc của NS-2 57 Đỗ Tiến Thành-D04VT2-Học viện công nghệ bưu chính viễn thông i Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh Mục Hình Vẽ Hình 3.4: C++ và OTcl: Sự đối ngẫu 57 Hình 3.5: TclCL hoạt động như liên kết giữa A và B 58 Hình 3.6: Mô hình mạng 59 Hình 3.7: Lịch trình mô phỏng 60 Hình 3.8: Đồ thị Xgraph 61 Hình 3.9: Báo hiệu thiết lập đường làm việc và bảo vệ 61 Hình 3.10: Sử đường làm việc ER=1_3_5_7_9 62 Hình 3.11: Phát hiện lỗi 63 Hình 3.12: Chuyển sang đường bảo vệ 63 Hình 3.13: Lỗi đã được khôi phục 64 Hình 3.14: Chuyển lưu lượng trở lại đường làm việc 64 Hình 3.15: Kết thúc quá trình truyền gói 64 Đỗ Tiến Thành-D04VT2-Học viện công nghệ bưu chính viễn thông ii Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật Ngữ Viết Tắt THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ARP Address Resolution Protocol Giao thức phân giải địa chỉ ATM Asynchronous Transfer Mode Truyền dẫn không đồng bộ BGP Border Gateway Protocol Giao thức cổng đường biên CLIP Classical IP IP trên ATM CR Constrained Routing Định tuyến cưỡng bức CR-LDP Constrained Routing - LDP Định tuyến cưỡng bức - LDP CR-LSP Constrained Routing - LSP Định tuyến cưỡng bức - LSP CSPF Constrained Shortest Path First SPF cưỡng bức DiffServ Differentiated Service Các dịch vụ được phân biệt ER Explicit Routing Định tuyến hiện FEC Fowarding Equivalent Class Lớp chuyển tiếp tương đương FR Frame Relay Chuyển tiếp khung GMPLS Generalized Multiprotocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức tổng quát. IETF Internet Engineering Task Force Nhóm tác vụ kỹ thuật Internet IP Internet Protocol Giao thức Internet IPOA IP over ATM IP trên ATM LAN Local Area Network Mạng cục bộ LANE LAN Emulation Mô phỏng LAN LDP Label Distribution Protocol Giao thức phân bổ nhãn LER Label Edge Router Bộ định tuyến biên nhãn LIB Label Information Base Cơ sở thông tin nhãn LIS Logical IP Subnet Mạng con IP logic LSFT Label Switching Forwarding Table Bảng chuyển tiếp nhãn LSP Label Switched Path Đường dẫn chuyển mạch nhãn LSR Label Switch Router Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn MG Media Gateway Cổng đa phương tiện MPLS Multiprotocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức NHRP Next Hop Resolution Protocol Giao thức phân giải chặng kế tiếp Đỗ Tiến Thành-D04VT2-Học viện công nghệ bưu chính viễn thông i Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật Ngữ Viết Tắt OSPF Open Shortest Path First Giao thức đường đi ngắn nhất đầu tiên PPP Point to Point Protocol Giao thức điểm - điểm PSTN Public Switch Telephone Network Mạng thoại chuyển mạch công cộng QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RESV Resevation Bản tin dành trước RFC Request For Comment Yêu cầu ý kiến RSVP Resource Resevation Protocol Giao thức dành trước tài nguyên SG Signaling Gateway Cổng báo hiệu SLA Service Level Agreement Thoả thuận mức dịch vụ SNMP Simple Network Management Protocol Giao thức quản lý mạng đơn SONET Synchronous Optical Network Mạng truyền dẫn quang đổng bộ SPF Shortest Path First Đường đi ngắn nhất đầu tiên STM Synchronous Transmission Mode Chế độ truyền dẫn đồng bộ SVC Signaling Virtual Circuit Kênh ảo báo hiệu TCP Transission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn TGW Traffic Gateway Cổng lưu lượng TLV Type-Leng-Value Kiểu-Chiều dài-Giá trị ToS Type of Service Kiểu dịch vụ TTL Time To Live Thời gian sống UDP User Datagram Protocol Giao thức lược đồ dữ liệu VC Virtual Circuit Kênh ảo VCI Virtual Circuit Identifier Nhận dạng kênh ảo VNPT Vietnam Post&Telecommunications Tổng công ty BCVT Việt Nam VP Virtual Path Đường ảo VPI Virtual Path Identifier Nhận dạng đường ảo VPN Virtual Private Network Mạng riêng ảo WAN Wide Area Network Mạng diện rộng WFQ Weighted Fair Queuing Hàng đợi công bằng tải trọng Đỗ Tiến Thành-D04VT2-Học viện công nghệ bưu chính viễn thông ii Đồ án tốt nghiệp Đại học Mở Đầu MỞ 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 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. Những 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. Tập đoàn bưu chính viễn thông Việt Nam đã lựa chọn IP/MPLS làm công nghệ cho lớp truyền tải mạng NGN đang triển khai trên phạm vi toàn quốc. Một trong những ưu điểm lớn nhất của MPLS là ở khả năng thực hiện kỹ thuật lưu lượng. Đây cũng là đối tượng nghiên cứu chính của đồ án tốt nghiệp này. Đề tài được tổ chức thành 3 chương với các nội dung chính như sau: Chương 1- Tổng quan về chuyển mạch nhãn đa giao thức: giới thiệu tổng quan công nghệ MPLS, các khái niệm cơ bản, kiến trúc chức năng và cơ chế hoạt động của MPLS, các kỹ thuật định tuyến được hỗ trợ bởi MPLS, chế độ báo hiệu và một số giao thức báo hiệu phân phối nhãn của MPLS. Chương 2- Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS và cơ chế bảo vệ khôi phục đường: Trình bày các khái niệm và mục tiêu của kỹ thuật lưu lượng, khả năng và các cơ chế thực hiện kỹ thuật lưu lượng của MPLS. Nội dung tập trung vào vấn đề ánh xạ lưu lượng lên topology vật lý, tức là tính toán đường đi tốt nhất qua mạng của lưu lượng sao cho mạng hoạt động hiệu quả và tin cậy nhất. Các vấn đề bảo vệ khôi phục đường – một trong những nhiệm vụ của kỹ thuật lưu lượng cũng được trình bày trong chương này. Chương 3- Xây dựng chương trình mô phỏng MPLS-TE: Trình bày kết quả thực hiện mô phỏng MPLS-TE trên máy tính với phần mềm NS-2 để làm rõ cơ chế thực hiện kỹ thuật lưu lượng của MPLS. Mô hình bảo vệ khôi phục lưu lượng của MPLS cũng được mô phỏng trong phần này. Đỗ Tiến Thành-D04VT2-Học viện công nghệ bưu chính viễn thông 1 Đồ án tốt nghiệp Đại học Mở Đầu Em rất mong nhận được các ý kiến đóng góp của các thầy cô để hoàn thành thêm kiến thức trong lĩnh vực này. Qua đây, em xin gửi lời cám ơn đến TS Nguyễn Tiến Ban, giáo viên hướng dẫn đã giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đồ án này. Hà nội, tháng 11 năm 2008 Sinh viên Đỗ Tiến Thành Đỗ Tiến Thành-D04VT2-Học viện công nghệ bưu chính viễn thông 2 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC 1.1 Giới thiệu MPLS là viết tắt của “Muti-Protocol Label Switching”. Thuật ngữ Muti-Protocol để nhấn mạnh rằng công nghệ này áp dụng cho được tất cả các giao thức lớp mạng chứ không phải chỉ riêng cho IP. MPLS hoạt động tốt trên bất kì các giao thức lớp liên kết nào. Đây là một công nghệ lai kết hợp những đặc tính tốt nhất của định tuyến lớp 3 (Layer 3 routing) và chuyển mạch lớp 2 (Layer 2 swithching) (hình 1.1). Trong mạng chuyển mạch kênh, tính thông minh chủ yếu tập trung ở mạng lõi (core). Tất cả những thiết bị thông minh đều đặt trong mạng lõi như các tổng đài toll, transit, MSC…Các thiết bị kém thông minh hơn thì đặt bên trong mạng biên(egde), ví dụ như các tổng đài nội hay, truy nhập…. Trong mạng gói IP, tính thông minh càng đưa ra biên thì mạng càng hoạt động tốt. Tất cả các bộ định tuyến đều phải làm hai nhiệm vụ là định tuyến và chuyển mạch. Đây là ưu điểm nhưng cũng là nhược điểm của IP. 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 bộ định tuyến ở biên thực hiện định tuyến và gắn nhãn (label) cho gói. Còn các bộ định tuyến 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. Hình 1.1: MPLS và mô hình tham chiếu OSI Đỗ Tiến Thành-D04VT2-Học viện công nghệ bưu chính viễn thông 1 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I MPLS được xem như là một công nghệ lớp đệm (shim layer), nó nằm trên lớp 2 những dưới lớp 3 vì vậy đôi khi người ta còn gọi là lớp 2,5 (hình 1.2). Nguyên lý chung của MPLS là tất cả các gọi IP sẽ được gắn nhãn (label) và chuyển tiếp theo một đường dẫn LSP (Label Switch Path). Các bộ định tuyến 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 tiêu đề IP. Hình 1.2: So sánh giữa chuyển tiếp IP và chuyển tiếp MPLS 1.2 Các khái niệm cơ bản trong MPLS 1.2.1 Miền MPLS RFC 3031 mô tả miền MPLS là “một tập các nút trong mạng thực hiện hoạt động định tuyến và chuyển tiếp MPLS”. Một miền MPLS thường được quản lý và điều khiển bởi một nhà quản trị. Miền MPLS được chia thành 2 phần: phần mạng lõi (core) và phần mạng biên (edge). Các nút thuộc miền MPLS được gọi là bộ định tuyến chuyển mạch nhãn LSR (Label Switch Router). Các nút ở phần mạng lõi được gọi là transit-LSR hay core-LSR (thường được gọi tắt là LSR). Các nút ở biên được gọi là bộ định tuyến biên nhãn LSR (Label Edge Router) (hình 1.3). Đỗ Tiến Thành-D04VT2-Học viện công nghệ bưu chính viễn thông 2 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I Hình 1.3: Miền MPLS Nếu một LER là nút đầu tiên trên đường đi của một gói xuyên qua miền MPLS thì nó được gọi là LER lối vào (ingress-LER), còn nếu là nút cuối cùng thì nó được gọi là LER lối ra (ergress-LER). Lưu ý là các thuật ngữ này chỉ được áp dụng tùy theo chiều của luồng lưu lượng trong mạng, do vậy một LER có thể là ingress-LER vừa là egress-LER tùy theo các luồng lưu lượng đang xét như hình 1.4. A là đường lên của B B là đường xuống của A C là đường xuống của B Và là đường lên của C Chiều luồng gói Hình 1.4: Đường lên và đường xuống LSR Thuật ngữ bộ định tuyến đường lên LSR (LSR) và bộ định tuyến đường xuống LSR (downstream-LSR cũng được dùng, phụ thuộc vào chiều của luồng lưu lượng. Các tài liệu MPLS thường được dùng ký hiệu Ru để biểu thị cho upstream-LSR và dùng ký hiệu Rd để biểu thị cho downstream-LSR. 1.2.2 Lớp chuyển tiếp tương đương Lớp chuyển tiếp tương đương FEC (Forwarding Equitvalence Class) là một tập các gói được đối xử như nhau bởi một LSR. Như vậy, FEC là một nhóm các gói tin IP được chuyển tiếp trên cùng một đường chuyển mạch nhãn LSP, được đối xử theo cùng một cách thức và có thể ánh xạ vào một nhãn bởi một LSR cho dù chúng có thể khác nhau về thông tin tiêu đề lớp mạng. Hình 1.5 cho thấy các xử lý này. Đỗ Tiến Thành-D04VT2-Học viện công nghệ bưu chính viễn thông Label Switching Router(core LSR) Label Edge Router (LER) 3 [...]... băng thông khả dụng của đường ngắn nhất không đủ cho cả 2 lưu lượng 600 kbps và 500 kbps, nên lưu lượng 500 kbps được định tuyến đi theo đường mới qua R6 và R7 mặc dù nhiều hơn một chặng so với đường cũ  Vì lưu lượng 200 kbps tiếp theo, vì vẫn còn băng thông khả dụng trên đường ngắn nhất nên đường này được chọn để chuyển lưu lượng 200 kbps Định tuyến ràng buộc có 2 kiểu offline và online Kiểu online... (hopcount) 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 đều hướng đến cùng một lối vào bộ định tuyến Ta thấy rằng :  Vì lưu lượng 600 kbps được định tuyến trước nên nó đi theo đường ngắn nhất là R8-R2-R3-R4-R5 Vì băng thông khả dụng là như nhau trên tất cả các chặng kênh (1mb), nên lưu lượng 600 kbps... Đồ án tốt nghiệp Đại học I Chương bit TTL cũng có thể được đặt khác 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 khung và chế độ tế bào 1.2.7.1 Chế độ khung Các kỹ thuật lớp 2 như Ethernet, Token Ring, FDDI, PPP không có trường nào phù hợp trong tiêu đề của khung có thể mang nhãn Vì vậy, ngăn xếp nhãn sẽ được chứa trong. .. tuyến cuối cùng trên LSP 1.5 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 FEC và chọn chặng kế tiếp 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... động hóa kỹ thuật lưu lượng, khắc phục được các hạn chế của định tuyến theo đích (destination-based routing) Nó xác định các tuyến không chỉ dựa trên topolgy mạng (thuật toán chọn Đỗ Tiến Thành-D04VT2-Học viện công nghệ bưu chính viễn thông 13 Đồ án tốt nghiệp Đại học I Chương 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... nút MPLS kề sau Khi nút CR-LDP nhận bản tin Label Mapping, nó lưu thông tin nhãn và giao diện vào bảng LIB, lưu thông tin CR-LDP được yêu cầu vào bảng cơ sở thông tin tuyến tường minh ERB (Explicit Route information Base) Rồi nó gọi Resource Manager để taọ một bảng hàng đợi phục vụ cho CR-LSP được yêu cầu, và lưu Service ID của nó vào bảng ERB Cuối cùng nó chuyển tiếp bản tin LSP Mapping tới nút MPLS. .. Ethernet sử dụng cặp giá trị ethertype 0x8847 và 0x8848 để chỉ thị khung đang mang gói MPLS unicast và multicast tương ứng PPP sử dụng NCP (Network Control Program) sửa đổi gọi là MPLSCP (MPLS Control Protocol) và đánh dấu tất cả các gói có chứa tiêu đề shim bằng giá trị 0x8281 trong trường PPP Protocol 1.2.7.2 Chế độ tế bào Hình 1.12: Nhãn trong chế độ ATM Chế độ tế bào được dùng khi ta có một mạng gồm... thông 5 Đồ án tốt nghiệp Đại học I Chương Hình 1.8: Phân cấp LSP trong MPLS 1.2.6 Chuyển gói qua miền MPLS Sau đây là một ví dụ đơn giản minh họa quá trình truyền gói tin IP đi qua miền MPLS (hình 1.9) Gói tin IP khi đi từ ngoài mạng vào trong miền MPLS được bộ định tuyến A đóng vai trò là một ingress-LER sẽ gán nhãn có giá trị là 6 cho gói IP rồi chuyển tiếp đến bộ định tuyến B Bộ định tuyến B dựa vào... ảo (VC) trong ATM Hình 1.7: Đường chuyển mạch nhãn LSP Kiến trúc MPLS cho phép phân cấp các LSP, tương tự như ATM sử dụng VPI và các VCI để tạo ra các phân cấp kênh ảo (VC) nằm trong đường ảo (VP) Tuy nhiên ATM chỉ hỗ trợ 2 mức phân cấp, trong khi với MPLS thì số mức phân cấp cho phép rất lớn nhờ khả năng chứa được nhiều thực thể nhãn trong ngăn xếp nhãn Về lý thuyết, giới hạn số lượng nhãn trong ngăn... từ phía đường xuống là R3 Cả R2 và R3 đáp ứng bằng bản tin Label Mapping, kết quả là trong FIB của R1 và LFB của R2, R3 có các thực thể gắn kết nhãn hình thành nên đường chuyển mạch nhãn LSP Đỗ Tiến Thành-D04VT2-Học viện công nghệ bưu chính viễn thông 22 Đồ án tốt nghiệp Đại học I Chương Hình 1.28: LDP chế độ điều khiển theo yêu cầu LDP còn hỗ trợ các chế độ phân phối nhãn khác Khi cấu hình ở chế độ