Nghiên cứu các công nghệ mạng IP và áp dụng để tối ưu cho mạng truyền số liệu chuyên dùng

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

NGUYEN THÀNH TRUNG

ÁP DỤNG DE TOI UU CHO MẠNG TRUYEN SO LIEU CHUYEN DUNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thôngMa số: 60.52.02.08

TOM TAT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUAT

HÀ NỘI - 2015

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIEN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THONG

Người hướng dẫn khoa học: TS Vũ Văn San

Phản biện 1: TS Hoàng Ứng Huyền

Phản biện 2: TS Hoàng Văn Võ

Luận văn sẽ được bảo vệ trước hội đông châm luận văn thạc sĩ tại Học Viện Công

Nghệ Bưu Chính Viễn Thông

Vào lúc 13 giờ 45 ngày 20 tháng 09 năm 2015

Có thê tìm hiệu luận van tai:

-Thư viện của Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông

LOI MỞ DAU

Những năm gan đây, mang Internet nói chung và mang truyền số liệu nói riêng

đã và đang giữ vai trò hết sức quan trọng trong đời sống xã hội Trên cơ sở hạ tầng mạng băng rộng sẵn có, công nghệ Internet mang đến nhiều loại hình dịch vụ đa dạng, nó phục vụ hoạt động của con người từ làm việc tới giải trí, kết nối moi người từ bất ké nơi nào trên trái đất.

Việc nghiên cứu các công nghệ mạng lõi trong những năm gần đây được đặc biệt quan tâm Các công nghệ mạng lõi ngày một hoàn chỉnh sẽ giúp tối ưu hóa mạng lưới dé đáp ứng các nhu cầu mới, đồng thời giảm chi phí đầu tư tối đa có thé Tuy nhiên, việc nghiên cứu các công nghệ mang IP dé tối ưu mạng truyền số

liệu chuyên dùng có những đặc thù riêng và cần phải xem xét, nghiên cứu một cách có hệ thống Với lý do đó đề tài này được tiến hành với mong muốn làm rõ

hơn việc triển khai công nghệ mạng IP trong mạng truyền số liệu Các công nghệ

sau khi nghiên cứu sẽ được đề xuất áp dụng cho mạng TSLCD ( truyền số liệu

chuyên dùng) của Cục Bưu Điện Trung Ương.

CHUONG 1- TONG QUAN CÔNG NGHỆ MẠNG IP

Chương I giới thiệu tổng quan nhất về mạng IP thông qua các mô hình OSI và

mô hình TCP/IP Đồng thời nghiên cứu cấu trúc gói tin IP và khung ethernet, đây

sẽ là căn cứ dé phân tích phần mô phỏng trong luận văn 1.1 Téng quan về hạ tang mang IP:

Mang IP có rat nhiều các giao thức sử dụng cho các mục đích khách nhau Việc chia thành các lớp sẽ giúp cho quá trình nghiên cứu được rõ ràng hơn.

1.2 Mô hình OSI và mô hình TCP/IP

1.2.1 Phân tích 7 lớp trong mô hình OSI

Mô hình OSI phân chia chức năng của một giao thức ra thành một chuỗi các

tầng cấp Mỗi một tầng cấp có một đặc tính là nó chỉ sử dụng chức năng của tầng

dưới nó, đồng thời chỉ cho phép tầng trên sử dụng các chức năng của mình Có 7

tầng trong mô hình OSI, mỗi tầng có chức năng riêng 1.2.2 Phân tích mô hình TCP/IP:

Bộ giao thức TCP/IP có thé được coi là một tập hợp các tang, mỗi tầng giải quyết một tập các van dé có liên quan đến việc truyền dữ liệu, và cung cấp cho

các giao thức tầng cấp trên một dịch vụ được định nghĩa rõ ràng dựa trên việc sử dụng các dịch vụ của các tầng thấp hơn Về mặt lôgIc, các tầng trên gần VỚI nguoi

dùng hơn và làm việc với dữ liệu trừu tượng hơn, chúng dựa vào các giao thức

tang cấp dưới dé biến đổi dữ liệu thành các dạng mà cuối cùng có thé được truyền

đi một cách vật lý.

1.2.3 TCP

Trong bộ giao thức TCP/IP, TCP là tầng trung gian giữa giao thức IP bên dưới

và một ứng dụng bên trên Các ứng dụng thường cần các kết nói đáng tin cậy kiêu

đường ống dé liên lạc với nhau, trong khi đó, giao thức IP không cung cấp những dòng kiểu đó, mà chỉ cung cấp dịch vụ chuyên gói tin không đáng tin cậy TCP

làm nhiệm vụ của tầng giao vận trong mô hình OSI đơn giản của các mạng máy

tính.

1.2.4 IP

IPv4 cùng với IPv6 (giao thức Internet phiên bản 6) là nòng cốt của giao tiếp

internet Hiện tại, IPv4 vẫn là giao thức được triển khai rộng rãi nhất trong bộ giao thức của lớp internet.

IPv4 là giao thức hướng đữ liệu, được sử dụng cho hệ thống chuyển mạch gói (tương tự như chuẩn mang Ethernet) Đây là giao thức truyền dữ liêu hoạt động

dựa trên nguyên tắc tốt nhất có thé, trong đó, nó không quan tâm đến thứ tự truyền

gói tin cũng như không đảm bảo gói tin sẽ đến đích hay việc gây ra tình trạng lặp gói tin ở đích đến Việc xử lý van dé này dành cho lớp trên của chồng giao thức TCP/IP Tuy nhiên, IPv4 có cơ chế đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu thông qua sử dụng những gói kiểm tra (checksum).

1.2.5 Ethernet

Một gói dữ liệu truyền trên một kết nối Ethernet được gọi là một gói tin Ethernet, nó vận chuyền một khung Ethernet như tải tin của nó.

1.3 Kết luận chương

Mang IP sử dụng rất nhiều các giao thức khách nhau dé truyền, nhận thông tin.

Chúng được phát triển qua nhiều năm do đó sự phức tạp ngày càng tăng lên Dé

nghiên cứu cần phải có phương pháp tiếp cận phù hợp, đó chính là phương pháp phân lớp mô hình OSI và TCP/IP như phan trên đã dé cập.

Tiếp nối sau phương pháp tiếp cận là nghiên cứu một số giao thức tiêu biểu hay được sử dụng nhất có thể kế ra các giao thức:

TCP (Transmission Control Protocol): thiết lập kết nối giữa các máy tinh dé

truyền dữ liệu Nó chia nhỏ dé liệu ra thành những gói (packet) và đảm bảo việc

truyền dữ liệu thành công.

IP (Internet Protocol): định tuyến (route) các gói dữ liệu khi chúng được truyền

qua Internet, đảm bảo dữ liệu sẽ đến đúng nơi cần nhận.

Ethernet: truyền nhận dữ liệu ở lớp 2

Việc nghiên cứu các van dé cơ bản của chương nay sẽ làm tiên dé dé di sâu hơncác nội dung của chương sau.

CHƯƠNG 2- NGHIÊN CỨU CÁC CÔNG NGHE, GIẢI PHÁP MẠNG IP

Chương 2 sẽ tập trung phân tích sâu công nghệ: FRR một áp dụng của kỹ thuật điều khiển lưu lượng TE Dong thời dua ra tổng quan giao thức định tuyến liên

vung BGP giữa các mạng quy mô lớn cuối cùng là các kịch bản chuyển đổi từ

IPv4 lên IPv6 Ba kỹ thuật này sẽ là căn cứ dé thực hiện ba trường hợp mô phỏng toi ưu mạng TSLCD.

2.1 Kiến trúc MPLS

2.1.1 Giới thiệu về nhãn trong MPLS

Một nhãn MPLS có 32 bit được cấu trúc bao gồm: 20 bit đầu tiên chứa giá trị

của nhãn Bit thứ 20 đến 22 là những bit đặc biệt, chúng được sử dụng cho giải

pháp QoS Bit thứ 23 là đáy của ngăn xếp Bit thứ 24 đến 31 là TTL ( Time to

live) Nó có ý nghĩa tương tự như TTL trong mào đầu của gói IP.

2.1.2 MPLS và mô hình OSI

MPLS thực tế không được phù hợp với mô hình OSI cho lắm Do vậy cách thức đơn giản nhất là dé nó nắm ở lớp 2,5 trong mô hình OSI.

2.1.3 Thiết bị định tuyến chuyén mạch nhãn LSR

LSR là một thiết bị định tuyến hỗ trợ MPLS Nó có khả năng hiéu nhãn MPLS

và nhận, chuyền tiếp nhãn qua mỗi kết nối.

Một thiết bị LSR sẽ thực hiện 3 hành động là: Pop, Push hoặc Swap Pop là

việc lấy 1 hoặc nhiều nhãn ra khỏi ngăn xếp nhãn, Push là việc đưa 1 nhãn hay nhiều nhãn vào gói tin Còn swap sẽ thay thế 1 hoặc nhiều nhãn bằng các nhãn

khác khi đi qua nút mạng.

2.1.4 Đường chuyển mạch nhãn LSP

Đường chuyên mạch nhãn LSP là thứ tự các LSR chuyên tiếp gói tin được gắn nhãn quang mang mang MPLS LSR đầu tiên được gọi là Ingress LSR và LSR

cuối cùng được gọi là Egress LSR, các LSR trung gian được gọi là Intermediate

LSR.

2.1.5 Lớp chuyển tiếp trơng đương FEC

Các thiết bị định tuyến sẽ quyết định những gói tin nào thuộc FEC nào ở Ingress

LSR Theo logic thì Ingress LSR sẽ phân loại và gắn nhãn cho mỗi gói tin 2.1.6 Tổng quan về giao thức phân phối nhãn LDP

Giao thức LDP dùng đề phần phối nhãn giữa các LSR 2.1.7 Bảng chuyển tiếp LFIB

Bảng LFIB-Label Forwarding Information Based là bảng chứa đựng thông tin

các nhãn đến các mạng đích, một gói tin có nhãn khi đi vào một LSR nó sẽ sử

dụng bang tra LFIB dé tìm ra hop kế tiếp , ngõ ra của gói tin này có thé là gói tin

có nhãn cũng có thê là gói tin không nhãn Với các egress router sẽ gán nhãn nội

bộ vào FEC

2.1.8 Tải tin MPLS

Nhãn của MPLS không được nhận dang ở lớp 3 Các trường ở lớp 2 chi ra giao thức lớp 3 là gì Vậy làm cách nào LSR biết được giao thức đằng sau mỗi nhãn hay LSR biết được tải tin MPLS Hau hết các LSR không cần biết giao thức lớp trên là gì, chúng chỉ nhận nhãn thực hiện việc swap nhãn đó là trường hợp của P

router Các egress router sẽ biết tương tứng với mỗi nhãn là 1 giao thức nhận định.

2.1.9 Kỹ thuật lưu lượng TE trong MPLS

2.1.10 Sự can thiết cia MPLS TE

Van đề xảy ra khi lưu lượng trên đường định tuyến tối ưu vượt mức băng thông của đường đó, khi đó rất nhiều gói tin đến sau sẽ bị hủy gây chậm các dịch vụ Kỹ

thuật TE được sinh ra dé giải quyết van đề đó 2.1.11 Tổng quan về MPLS TE

Traffic Engineering (TE) điều khiến lưu lượng là quá trình mà luéng dữ liệu chọn lựa tuyến đường đi với mục đích làm cho mạng trở nên hiệu quả và tin cậy hơn trong khi vẫn tối ưu được băng thông và các tài nguyên mạng.

2.1.12 Moi liên hệ giữa giao thức định tuyến nội vùng IGP và TE LSP

Mỗi TE LSP có nhiều thuộc tính như :

e Băng thông tối đa

e Co thuộc tính

e Giá của TE

e©_ Nhóm kết nối có thé chia sẻ

e Băng thông tối đa cho kết dải kết nối con

Trong đó giá của TE sẽ được dùng dé tính toán định tuyến IGP 2.1.13 Giao thức phân phối nhãn RSVP

Giao thức RSVP dùng dé xác định một đường TE còn tồn tại trên mang hay

không trước khi sử dụng chúng.

2.1.14 Kỹ thuật tái định tuyễn nhanh FRR

Một ứng dụng quan trọng của TE là việc tái định tuyến nhanh FRR, nó giúp

cho mạng IP tái định tuyến khi có kết nối bị đứt nhanh hơn nhiều lần so với phương pháp truyền thống.

2.2 Kiến trúc định tuyến liên vùng BGP

2.2.1 Tổng quan về giao thức định tuyến liên vùng

Khác với các giao thức tìm đường khác như RIP (vector độ dài), OSPF (trạng

thái liên kết), BGP chọn đường băng một tập các chính sách và luật.

2.2.2 Các bộ định tuyến và quá trình định tuyến

Các thiết bị định tuyến chuyên dữ liệu trực tiếp từ đầu cuối này đến đầu cuối khác Chúng xây dựng bảng định tuyến băng cách thu thập thông tin về đường đi

tối ưu nhất và làm cách nào đề đạt được điều đó.

2.2.3 Các giao thức định tuyến

Các giao thức định tuyến nhìn chung được chia thành 2 loại cơ bản là: định tuyến vector khoảng cách và định tuyến trạng thái liên kết

Các giao thức sử dụng vector khoảng cách có: RIP v1.2, IGRP

Các giao thức sử dung thang thái liên kết gồm: OSPF, IS-IS

2.2.4 Vùng định tuyến độc lập

Giao thức BGP được sinh ra nhằm mục đích chính là kiểm soát việc mở rộng bảng định tuyến trên thiết bị Dé thực hiện điều đó, các mạng lớn sẽ được chia

nhỏ ra thành nhiều vùng định tuyến độc lập AS Ở mỗi vùng đó việc định tuyến nội vùng sẽ hoàn toàn độc lập mà không liên quan gì đến các vùng khác.

2.2.5 Giao thức định tuyến BGP phiên bản 4

Giao thức BGP hỗ trợ tìm đường liên vùng phi lớp (CIDR Classless

Inter-Domain Routing) và dùng kỹ thuật kết hợp đường đi dé giảm kích thước bảng tìm

2.2.6 Cách thức BGP làm việc

BGP sử dụng giao thức TCP cổng 179 Điều này đảm bảo rằng tất cả các gói

tin được truyền tin cậy (như phát lại khi gói tin bị lỗi) do đó đơn giản hóa sự phức tạp liên quan đến việc thiết kế độ tin cậy.

2.2.7 Các bước bắt tay trong BGP

Thiết bị định tuyến chạy giao thức BGP sẽ gửi một thông điệp OPEN, trong thông điệp này có chứa thông tin tương thích Bên nhận được thông điệp sẽ kiểm tra tính tương thích Nếu nó không chấp nhận tính tương thích sẽ gửi lại thông điệp NOTIFICATION Nếu điều này xảy ra bên gứi sẽ gửi lại thông điệp mà

không có thông tin về tính tương thích

2.2.8 Mớ rộng nhiều giao thức cho BGP

Giao thức MBGP Hay còn gọi là BGP 4+ Nó cung cấp khả năng mang thông

tin cua giao thức mạng khác như: IPv4 cũng như IPv6 và IPX Và đây là giao thứcđược sử dụng rộng rãi hiện nay.

2.2.9 Lựa chọn chữ ký TCP MDS

Tùy chon TCP M5 giúp thiết bị chạy BGP tự bảo vệ mình trong một số trường

hợp: phân đoạn TCP, Giả mạo, thiết lập lại kết nối phan chữ ký MDS được dùng thuật toán tiêu chuân MDS.

2.3 Chiến lược chuyền tiếp từ IPv4 lên IPv6

2.3.1 Tổng quan về IPv6

Trong tương lai, mỗi thiết bị kết nối mạng Internet sẽ được gắn với một địa chỉ IP đề kết nối với nhau, trong khi đó sự gia tăng ngày càng nhanh của các thiết bị di động trên thế giới nói chung và tại Việt Nam nói riêng sẽ đã làm cạn kiệt dần nguồn địa chỉ IPv4 trên toàn cầu Tại Viện Nam, VNNIC cũng bắt đầu chính thức

triển khai áp dụng chính sách cấp phát IPv6 cho giai đoạn cạn kiệt IPv4.

2.3.2 Các giải pháp kỹ thuật chuyển đổi IPv4 sang IPv6

Kỹ thuật đường hầm (Tunneling)

Cơ chế đường ham cho phép cô lập dau cuối người dùng, máy chủ, thiết bị định tuyến IPv6 đi qua hạ tang mạng IPv4 Thậm chí IPv6 được thiết lập phiên kết nối từ đầu cuối đến đầu cuối sử dụng IPv4 như lớp truyền tải ( transport layer) Cơ chế đường ham sẽ đóng gói các gói IPv6 vào các gói Ipv4 sau đó truyền qua mạng

như | gói IPv4 bình thường Tại nút mạng đích sé làm nhiệm vụ ngược lại là chuyên gói tin từ Ipv4 thành IPv6.

Kỹ thuật DualStack

Thiết bi đầu cuối, máy chủ, thiết bị định tuyến, có thé hỗ trợ đồng thời IPv4 va IPv6 Nếu các nút mạng hỗ trợ đồng thời 2 giao thức cùng lúc, nó sẽ cung cấp cơ chế mén dẻo thiết lập phiên kết nối sử dụng IPv6 hoặc Ipv4 tùy thuộc vào dau

Phương pháp biên dich từ mạng IPv4 sáng IPv6 cũng tương tự như phương

pháp trước đây đã áp dụng thành công khi triển khai mô hình IPv4 trong IPX,

DECnet, va AppleTalk.

Kỹ thuật biên dich giao thức (NAT - PT)

Được sử dung tại những nút mạng biên giữa IPv4 và IPv6 Nút mạng này đóngvai trò như phiên dịch viên giữa IPv4 và IPv6

IPv6 được thiết kế thỏa mãn nhiều yêu cầu trong đó có yêu cầu tương thích ngược với IPv4 Do đó khi kết nối giữa mạng sử dụng IPv4 và IPv6 sẽ có những cách thức khác nhau được chia thành 2 loại chính: ALGs ( Application-level

gateways) và NAT-PT Các kỹ thuật này được trình bay cụ thể như sau:

Sử dụng ALGs

Kỹ thuật này sử dụng thiết bị hỗ trợ cả 2 giao thức tại những vùng biên kết nối.

2.4 Kết luận chương

Các kỹ thuật đã được nghiên cứu bao gồm : MPLS, TE, BGP là những kỹ thuật

hết sức quan trọng trong mạng lõi IP Đó là những kỹ thuật then chốt của tất cả

các mang IP lớn hiện nay Trong thực tế việc ứng dụng các kỹ thuật này dé tối ưu mạng lưới sẽ có nhiều thách thức nhưng cũng rất hiệu quả khi áp dụng thành công.

CHUONG 3- DE XUAT AP DUNG GIAI PHAP TOI UU CHO MANG

TRUYEN SO LIEU CHUYEN DUNG CUA CUC BƯU ĐIỆN TRUNG

ƯƠNG VA ĐÁNH GIA

Chương 3 sẽ giới thiệu tổng quan về mạng TSLCD và công cu dùng dé mô

phỏng mạng Sau đó sẽ đưa ra ba bài toán thực tế can toi uu của mạng lưới bao gốm: giảm thời gian hội tụ mạng trong các vòng ring, chia tải internet déu cho

ba miễn, cung cấp IPv6 cho khách hang dự trên ha tang sẵn có Các bài toán này sẽ được dé xuất giải pháp và chứng minh bằng quá trình mô phỏng.

3.1 Giới thiệu tổng quan về mạng TSLCD

3.2 Giới thiệu công cụ mô phỏng thiết bị định tuyến GNS3

GNS3 là phần mềm dùng dé giả lập cisco router do Cristophe Fillot viết ra, nó tương tự như VMWare Tuy nhiên nó sử dung IOS thực của Cisco dé giả lập

Phần mềm này được viết ra nhằm:

Giúp mọi người làm quen với thiết bị Cisco.

Y Kiểm tra và thử nghiệm những tính năng trong cisco IOS Y Test các mô hình mạng trước khi đi vào cau hình thực tế 3.3 Tối ưu các vòng ring trong mạng TSLCD

Căn cứ trên nhu cầu của Cục Bưu Điện Trung Ương cần xây dựng phương án giảm thiêu tối đa thời gian hội tụ của mạng theo tiêu chuẩn của VNPT (<50ms)

trên các vòng MAN Ring của Hà Nội, Đà Nẵng và TP HCM.

Mô hình mô phỏng và kết quả

Mô phỏng các vòng ring của mạng TSLCD So sánh thời gian hội tụ mạng khi

không áp dụng FRR và trường hợp có áp dụng FRR

3.4 Tối ưu việc chia tải internet 3 miền trong mạng TSLCD

Đặt van đề

Hiện tại mạng CPT gặp phải van đề đó là khả năng share tải ra 3 đường internet

trên 3 thiết bị IGR đặt tại Hà Nội, Đà Nẵng , TP HCM Tại Hà Nội và TP HCM đường internet có băng thông 1Gbps trong khi tại Đà Nẵng đường internet chỉ có

băng thông 200 Mbps Khi lưu lượng tại Đà Nẵng tăng cao, mạng sẽ xảy ra tình

trạng tắc nghẽn tại đường kết nối 200 Mbps và nó không thể share tải với các đường có băng thông lớn hơn tại Hà Nội và TP HCM.

Mô hình mô phỏng và kết quả

Mô phòng dé liệu truyền từ PE tại miền trung di ra ngoài internet được chỉ tải đều cho 3 công ra của mạng TSLCD.

3.5 Mô hình áp dụng IPv6 cho mạng TSLCD

Mô hình giải pháp 6VPE cho mạng TSLCD có các ưu điểm như sau:

v Tach riêng được lưu lượng IPv6 của từng khách hàng vào các VRF tương ứng

* Cần Upgrade IOS mới cho toàn bộ thiết bị Dual-Stack

v Enable chức năng 6VPE trên các PE router, cau hình định nghĩa các VRF Đề

cung cấp dịch vụ Internet cần Import và Export các VRF được định nghĩa vào

VRE Internet.

Y Các IGR router cần được câu hình EBGP IPv6 ra mạng IPv6 của VNPT

Vv Là giải pháp toàn diện nhất cho mạng TSLCD.

Mô hình mô phỏng và kết quả

Mô phỏng trường hợp khách hàng chi sử dụng IPv6 dé truyền dit liệu trong khi mạng TSLCD vẫn sử dụng IPv4 đề định tuyến Khách hàng không nhìn thay IPv4

cua mang TSLCD.

3.6 Kết luận chương