Công nghệ chuyển mạch mpls và ứng dụng trong trung tâm chiếu phim quốc gia

LỜI CẢM ƠN Để hồn thành luận văn này, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè, tới thầy giáo khoa sau ñại học ban lãnh ñạo ñồng nghiệp Trung tâm chiếu phim Quốc Gia ñã quan tâm giúp ñỡ bảo tận tình, tạo ñiều kiện, ñộng viên truyền thụ kiến thức bổ ích q trình thực đề tài Nhờ tơi tiếp thu nhiều ý kiến đóng góp nhận xét q báu Đặc biệt tơi xin gửi lời cám ơn chân thành đến thầy giáo TS Nguyễn Hồi Giang trực tiếp hướng dẫn, định hướng chun mơn, quan tâm giúp đỡ tận tình tạo ñiều kiện thuận lợi trình cơng tác thực luận văn Mặc dù cố gắng q trình thực luận văn khơng thể tránh khỏi thiếu sót Tác giả mong nhận góp ý q thầy cô bạn bè Xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH VẼ LỜI MỞ ĐẦU 10 CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH MPLS 11 1.1 GIỚI THIỆU VỀ CHUYỂN MẠCH ĐA GIAO THỨC (MPLS) 11 1.1.1 MPLS ? 11 1.1.2 Lợi ích MPLS 13 1.2 KIẾN TRÚC CỦA MPLS: 13 1.2.1 Mặt phẳng chuyển tiếp (Forwarding Plane) 14 1.2.2 Control Plane Data Plane 24 1.3 Các thành phần MPLS 26 1.3.1.Bộ ñịnh tuyến chuyển mạch nhãn 26 1.3.2 Tuyến chuyển mạch nhãn 28 1.3.3.Giao thức phân phối nhãn: 34 CHƯƠNG 2: CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ (QoS) 36 2.1 Dịch vụ tích hợp IntServ 36 2.1.1.Phân lớp dịch vụ IntServ 37 2.1.2 RSVP 37 2.2 Dịch vụ phân biệt DiffServ 39 2.2.1.Xử lý chặn 39 2.2.2.Kiến trúc dịch vụ DiffServ 42 2.2.3 Cơ chế dịch vụ DiffServ 43 2.2.4.Thực thi PHB 44 2.3 Modular QoS CLI 45 2.4 Triển khai dịch vụ DiffServ mạng MPLS : 46 2.4.1.MPLS hỗ trợ DiffServ 46 2.4.2 Mơ hình đường hầm DiffServ qua mạng MPLS 48 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MƠ HÌNH DIFFSERV TRONG VIỆC ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ MẠNG MPLS TẠI TRUNG TÂM CHIẾU PHIM QUỐC GIA 53 3.1 Hiện trạng hạ tầng truyền thông Trung tâm chiếu phim Quốc Gia: 53 3.1 Giới thiệu hạ tầng truyền thông Trung tâm chiếu phim Quốc Gia 53 3.1.2 Kết nối logic 54 3.1.3 Kết nối vật lý 54 3.2 Thiết kế truy cập cho Trung tâm chiếu phim Quốc gia 54 3.2.1 Đề suất cải tiến chất lượng dịch vụ ñường truyền Trung tâm 57 3.2.2 Các lớp dịch vụ tuwơng ứng với IP Precedence 58 3.2.3 Giới hạn băng thông 59 3.2.4 Loại bỏ có chọn lọc gói tin 59 3.2.5 Các chế xếp hàng gói tin (Queueing) 60 3.3 ỨNG DỰNG MÔ HÌNH DIFFSERV CHO MƠ HÌNH THIẾT KẾ TẠI TRUNG TÂM CHIẾU PHIM QUỐC GIA 61 3.3.1 Kết đo đạc thơng lượng ñường truyền MPLS Trung tâm chiếu phim 61 3.3.2.Thực nghiệm kiểm chứng hiệu việc áp dụng mơ hình DiffServ cơng cụ mô NS2 67 KẾT LUẬN 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 PHỤ LỤC 78 DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ Viết Tên tiếng Anh tắt Tên tiếng Việt ATM Asynchnorous Tranfer Mode Truyền dẫn khơng đồng IP Internet Protocol Giao thức Internet MPLS Multiprotocol Label Switching Chuyển mạch nhãn ña giao thức LSP Label Switch Path Tuyến chuyển mạch nhãn LSR Label Switch Router Bộ ñịnh tuyến chuyển mạch nhãn LFIB Label Forwarding Information Base Cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn FEC Forwarding Equivalency Class Lớp chuyển tiếp tương ñương CoS Class of Service Lớp dịch vụ CEF Cisco Express Forwarding Chuyển tiếp nhanh Cisco LDP Label Distribution Protocol Giao thức phân phối nhãn QoS Quanlity of Service Chất lượng dịch vụ OSPF Open Shortest Path First Giao thức OSPF IS-IS Intermediate System to Intermediate System Giao thức ñịnh tuyến IS-IS TDP Tag Distribution Protocol Giao thức phân phối tag RSVP Resource Reservation Protocol Giao thức dành sẵn tài nguyên CR Constraint-based routing Định tuyến ràng buộc DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 : Giá trị xác ñịnh giao thức MPLS cho dạng gói lớp Bảng 1.2 : Bảng 1.3 : LFIB cho việc phân phối nhãn Bảng 2.1 : Bảng mã chuyển tiếp tin cập mô hình DiffServ Bảng 3.1 : Bảng 3.2 : Bảng 3.3 : Những hoạt động khác thực gói gán nhãn LSR Các lớp dịch vụ IP Precedence hệ thống Trung tâm chiếu phim Bảng tóm tắt kết mơ mạng MPLS không sử dụng DiffServ Bảng thống kê thông lượng mạng MPLS (có DiffServ ) DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 : Cấu trúc mạng MPLS Hình 1.2 : Kiến trúc nút mạng MPLS Hình 1.3 : Cấu trúc nhãn MPLS Hình 1.4 : Các loại nhãn đặc biệt Hình 1.5 : Ngăn xếp nhãn Hình 1.6 : Vị trí ngăn xếp nhãn Hình 1.7 : Cấu trúc LFIB Hình 1.8 : Chuyển tiếp IP Hình 1.9 : Chuyển tiếp MPLS Hình 1.10 : Data plane Control Plane Hình 1.11 : Hình động LSR gói tin với mức ngăn xếp Hình 1.12 : Hình động LSR gói tin với nhiều mức ngăn xếp Hình 1.13 : Các mức chuyển tiếp LSP Hình 1.14 : Thiết lập LSP điều khiển độc lập Hình 1.15 : Thiết lập LSP điều khiển thứ tự Hình 2.1 : Luồng thơng điệp PATH RESV Hình 2.2 : Giá trị trường DSCP PHB Hình 2.3 : Kiến trúc dịch vụ DiffServ Hình 2.4 : Cơ chế thành phần QoS CLI Hình 2.5 : MPLS E-LSP Hình 2.6 : MPLS L-LSP Hình 2.7 : Mơ hình đường ống Hình 2.8 : Mơ hình đường ống ngắn với PHP Hình 2.9 : Mơ hình đường ống ngắn khơng có PHP Hình 2.10 : Mơ hình đường hầm thống với PHP Hình 2.11 : Mơ hình đường hầm thống khơng có PHP Hình 3.1 : Hình 3.2 : Hình 3.3 : Mơ hình kết nối tổng qt GRE Tunnel Hình 3.4 : Mơ hình kết hợp DiffSer vào mạng MPLS Hình 3.5 : Các lớp dịch vụ khác chia sẻ băng thơng Hình 3.6 : Vị trí lắp đặt Packetshaper Data Center Hình 3.7 : Vị trí lắp ñặt Packetshaper hãng phim ñại diện Hình 3.8 : Thơng lượng truy cập vào TTL Hình 3.9 : Mười ứng dụng đứng đầu truy cập vào TTL Hình 3.10 : Thơng lượng vào hãng phim đại diện Hình 3.11 : Mười ứng dựng truy cập chi nhánh phim đại diện Hình 3.12 : Cấu trúc thư mực NS-allinone Hình 3.13 : Cấu trúc node Unicast node Multicast Hình 3.14 : Mơ hình MNS NS2 Hình 3.15 : Cấu trúc node MPLS Hình 3.16 : Topo mạng sử dụng q trình mơ Hình 3.17 : Mạng MPLS khơng DiffServ với luồng UDP có lưu lượng thấp Mơ hình liên kết mạng TT chiếu phim Quốc gia hãng phi khác Mô hình kết nối cho nhánh Trung tâm chiếu phim Quốc gia Hình 3.18 : Mạng MPLS khơng DiffServ với luồng UDP có lưu lượng cao Hình 3.19 : Mạng MPLS có DiffServ với luồng UDP có lưu lượng thấp Hình 3.20 : Mạng MPLS có DiffServ với luồng UDP có lưu lượng cao LỜI MỞ ĐẦU Cơng nghệ MPLS (Multi Protocol Label Switching) tổ chức quốc tế IETF thức đưa vào cuối năm 1997, phát triển nhanh chóng tồn cầu Hạ tầng truyền thơng Trung tâm chiếu phim Quốc Gia triển khai mạng MPLS năm gần ñây Những tiện lợi ñưa vào sử dụng hệ thống mạng MPLS vơ to lớn Trung tâm chiếu phim Quốc Gia giúp đảm bảo cho ứng dụng quản lý hoạt động thơng suốt ñạt hiệu cao thông qua mạng Trung tâm chiếu phim Quốc Gia tiến hành cơng cải cách đại hóa cơng tác quản lý đặc biệt đẩy mạnh việc tích hợp ứng dụng Để đảm bảo ứng dụng Trung tâm hoạt động theo hướng tập trung hóa việc đảm bảo chất lượng đường truyền kết nối vơ quan trọng Luận văn “Mạng MPLS ứng dụng Trung tâm chiếu phim Quốc Gia” ñã nghiên cứu kiến thức cơng nghệ mạng MPLS đề suất sử dụng mơ hình DiffServ việc đảm bảo chất lượng dịch vụ hệ thống mạng MPLS cho Trung tâm chiếu phim Quốc Gia Luận văn gồm 03 chương: o Chương 1: Công nghệ chuyển mạch MPLS o Chương 2: Chất lượng dịch vụ QoS o Chương 3: Ứng dụng mơ hình DiffServ việc đảm bảo chất lượng dịch vụ mạng MPLS Trung tâm chiếu phim Quốc Gia 10 # # mplsdiff.tcl # # Network simulation topology: # # Node0 # \ # \1Mb # \ Node9 1Mb 1Mb / # LSR2 - LSR5 LSR6 # /|(ingress) | | \ # /| | # / |1Mb |1Mb # 1Mb/ | # / | 1Mb | \ / / 1Mb| | | | 1Mb LSR7 / (engress) | / # / LSR3 - LSR4 LSR8 # Node1 (engress)\ # \1Mb # \ # Node10 # - set ns [new Simulator] #Open the CAO trace file -85 /1Mb set nf [open mplsdiff.cao w] set tf [open mplsdiff.tr w] $ns caotrace-all $nf $ns trace-all $tf ### Tạo giá trị làm hỏng băng thông set cir0 100000 set pir0 500000 set rate0 4000000 set cir1 400000 set pir1 1000000 set rate1 2000000 set packetSize 1000 ### Kết thúc trình proc finish {} { global ns nf tf $ns flush-trace #Close the CAO trace file close $nf #Close the Trace file close $tf #Execute CAO on the trace file exec cao mplsdiff.cao & exit } 86 ### Tạo lưu lượng node proc attach-expoo-traffic { node sink size burst idle rate } { global ns set source [new Agent/CBR/UDP] $ns attach-agent $node $source set traffic [new Traffic/Expoo] $traffic set packet-size $size $traffic set burst-time $burst $traffic set idle-time $idle $traffic set rate $rate $source attach-traffic $traffic $ns connect $source $sink return $source } ### Tạo node mạng MPLS set Node0 [$ns node] set Node1 [$ns node] set LSR2 [$ns mpls-node] set LSR3 [$ns mpls-node] set LSR4 [$ns mpls-node] set LSR5 [$ns mpls-node] set LSR6 [$ns mpls-node] set LSR7 [$ns mpls-node] set LSR8 [$ns mpls-node] 87 set Node9 [$ns node] set Node10 [$ns node] ### Tạo link $ns duplex-link $Node0 $LSR2 1Mb 10ms DropTail $ns duplex-link $Node1 $LSR2 1Mb 10ms DropTail $ns duplex-link $LSR2 $LSR3 1Mb 10ms DropTail $ns duplex-link $LSR3 $LSR4 1Mb 10ms DropTail $ns duplex-link $LSR4 $LSR8 1Mb 10ms DropTail $ns simplex-link $LSR2 $LSR5 1Mb 10ms dsRED/edge $ns simplex-link $LSR5 $LSR2 1Mb 10ms dsRED/core $ns duplex-link $LSR5 $LSR6 1Mb 10ms DropTail $ns duplex-link $LSR5 $LSR4 1Mb 10ms DropTail $ns duplex-link $LSR7 $LSR6 1Mb 10ms dsRED/edge $ns simplex-link $LSR6 $LSR7 1Mb 10ms dsRED/core $ns duplex-link $LSR6 $LSR8 1Mb 10ms DropTail $ns duplex-link $LSR7 $LSR8 1Mb 10ms DropTail $ns duplex-link $LSR7 $Node9 1Mb 10ms DropTail $ns duplex-link $LSR8 $Node10 1Mb 10ms DropTail set qE1C [[$ns link $LSR2 $LSR5] queue] set qE2C [[$ns link $LSR7 $LSR6] queue] set qCE1 [[$ns link $LSR5 $LSR2] queue] set qCE2 [[$ns link $LSR6 $LSR7] queue] 88 # Orient links to make topology clear - $ns duplex-link-op $Node0 $LSR2 orient 1.667 $ns duplex-link-op $Node1 $LSR2 orient 0.333 $ns duplex-link-op $LSR2 $LSR3 orient down $ns duplex-link-op $LSR3 $LSR4 orient right $ns duplex-link-op $LSR4 $LSR8 orient right $ns duplex-link-op $LSR2 $LSR5 orient right $ns duplex-link-op $LSR5 $LSR6 orient right $ns duplex-link-op $LSR5 $LSR4 orient down $ns duplex-link-op $LSR6 $LSR7 orient 1.667 $ns duplex-link-op $LSR6 $LSR8 orient down $ns duplex-link-op $LSR8 $LSR7 orient 0.333 $ns duplex-link-op $LSR7 $Node9 orient 0.333 $ns duplex-link-op $LSR8 $Node10 orient 1.667 # configure ldp agents on all mpls nodes $ns configure-ldp-on-all-mpls-nodes # set ldp-message colors $ns ldp-request-color $ns ldp-mapping-color blue red 89 $ns ldp-withdraw-color $ns ldp-release-color magenta orange $ns ldp-notification-color yellow # set ldp events $ns enable-control-driven ### Cấu hình router biên ñến router biên 5: $qE1C meanPktSize $packetSize $qE1C set numQueues_ $qE1C setNumPrec $qE1C addPolicyEntry [$Node0 id] [$Node9 id] TSW3CM 10 $cir0 $pir0 $qE1C addPolicyEntry [$Node1 id] [$Node9 id] TSW3CM 20 $cir1 $pir1 $qE1C addPolicyEntry -1 -1 TSW3CM 10 $cir1 $pir1 $qE1C addPolicerEntry TSW3CM 10 11 12 $qE1C addPolicerEntry TSW3CM 20 21 22 $qE1C addPHBEntry 10 0 $qE1C addPHBEntry 11 $qE1C addPHBEntry 12 $qE1C addPHBEntry 20 0^M $qE1C addPHBEntry 21 1^M $qE1C addPHBEntry 22 2^M 90 $qE1C addPHBEntry 0 $qE1C configQ 0 20 40 0.02 $qE1C configQ 10 20 0.10 $qE1C configQ 10 0.20 $qE1C configQ 20 40 0.02^M $qE1C configQ 1 10 20 0.10^M $qE1C configQ 10 0.20^M ### Cấu hình biên LSR7 đến LSR $qE2C meanPktSize $packetSize $qE2C set numQueues_ $qE2C setNumPrec $qE2C addPolicyEntry [$Node9 id] [$Node0 id] TSW3CM 10 $cir0 $pir0 $qE2C addPolicyEntry [$Node9 id] [$Node1 id] TSW3CM 20 $cir1 $pir1 $qE2C addPolicyEntry -1 -1 TSW3CM 10 $cir1 $pir1 $qE2C addPolicerEntry TSW3CM 10 11 12 $qE2C addPolicerEntry TSW3CM 20 21 22 $qE2C addPHBEntry 10 0 $qE2C addPHBEntry 11 $qE2C addPHBEntry 12 $qE2C addPHBEntry 20 0^M $qE2C addPHBEntry 21 1^M $qE2C addPHBEntry 22 2^M $qE2C addPHBEntry 0 91 $qE2C configQ 0 20 40 0.02 $qE2C configQ 20 20 0.10 $qE2C configQ 10 0.20 $qE2C configQ 20 40 0.02^M $qE2C configQ 1 20 20 0.10^M $qE2C configQ 10 0.20^M ### Cấu hình LSR5 to LSR2: $qCE1 meanPktSize $packetSize $qCE1 set numQueues_ $qCE1 setNumPrec $qCE1 addPHBEntry 10 0 $qCE1 addPHBEntry 11 $qCE1 addPHBEntry 12 $qCE1 addPHBEntry 20 0^M $qCE1 addPHBEntry 21 1^M $qCE1 addPHBEntry 22 2^M $qCE1 addPHBEntry 0 2^M $qCE1 configQ 0 20 40 0.02 $qCE1 configQ 10 20 0.10 $qCE1 configQ 10 0.20 $qCE1 configQ 20 40 0.02^M $qCE1 configQ 1 10 20 0.10^M 92 $qCE1 configQ 10 0.20^M ### Cấu hình mầu cho LSR6 đến LSR7: $qCE2 meanPktSize $packetSize $qCE2 set numQueues_ $qCE2 setNumPrec $qCE2 addPHBEntry 10 0 $qCE2 addPHBEntry 11 $qCE2 addPHBEntry 12 $qCE2 addPHBEntry 20 0^M $qCE2 addPHBEntry 21 1^M $qCE2 addPHBEntry 22 2^M $qCE2 addPHBEntry 0 2^M $qCE2 configQ 0 20 40 0.02 $qCE2 configQ 10 20 0.10 $qCE2 configQ 10 0.20 $qCE2 configQ 20 40 0.02^M $qCE2 configQ 1 10 20 0.10^M $qCE2 configQ 10 0.20^M ###Tạo lưu lượng node set sink0 [new Agent/LossMonitor] $ns attach-agent $Node9 $sink0 $sink0 clear 93 ### Tạo lưu lượng nguồn set src0 [attach-expoo-traffic $Node0 $sink0 100 0 90k] $src0 set fid_ $ns color orange ### Tạo giao thức TCP set tcp0 [new Agent/TCP] $ns attach-agent $Node0 $tcp0 set ftp0 [new Application/FTP] $tcp0 set packetSize_ 1024 $ftp0 attach-agent $tcp0 set sink1 [new Agent/TCPSink] $ns attach-agent $Node9 $sink1 $ns connect $tcp0 $sink1 $tcp0 set fid_ $ns color blue set tcp1 [new Agent/TCP] $ns attach-agent $Node1 $tcp1 set ftp1 [new Application/FTP] $tcp1 set packetSize_ 1024 $ftp1 attach-agent $tcp1 set sink2 [new Agent/TCPSink] 94 $ns attach-agent $Node9 $sink2 $ns connect $tcp1 $sink2 $tcp1 set fid_ $ns color magenta # set MPLS modules # for {set i 2} {$i < 9} {incr i} { set a LSR$i set m [eval $$a get-module "MPLS"] eval set LSRmpls$i $m } $qE1C printPolicyTable $qE1C printPolicerTable # Schedule starting & stoping of traffic resources $ns at 1.1 "$ftp0 start" $ns at 1.5 "$ftp1 start" $ns at 1.9 "$src0 start" $ns at 25.9 "$src0 stop" $ns at 25.1 "$ftp0 stop" $ns at 25.5 "$ftp1 stop" $ns at 26.0 "finish" $ns run 95 ### End: # Type: perl Scripts_1.pl # To compute average throughput during simulation time # of the flow "flow id" at the node "required node" # -$infile=$ARGV[0]; $flow_id=$ARGV[1]; $tonode=$ARGV[2]; $start_time=0; $end_time=0; # To compute how many bytes of "flow id" were received at the "required node" # during simulation time # $sum=0; open (DATA,"