Giải pháp trong điều khiển lưu lượng để tránh tắc nghẽn trong mạng MPLS của VNPT

Giải pháp trong điều khiển lưu lượng để tránh tắc nghẽn trong mạng MPLS của VNPT 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 Texas14. 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 chung bản chất công nghệ chuyển mạch nhãn.

i LỜI CAM ĐOAN Trước hết tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể các thầy cô trường Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông đã tạo ra một môi trường tốt để tôi học tập và nghiên cứu.Xin cảm ơn các thầy cô trong khoa đào tạo sau đại học đã quan tâm đến khóa học này, tạo điều kiện cho các học viên có điều kiện thuận lợi nhất để học tốt.Và đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo TS. Đỗ Mạnh Quyết, thầy đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và sửa chữa cho nội dung của luận văn này. Tôi xin cam đoan rằng nội dung của luận văn này là hoàn toàn do tôi tìm hiểu, nghiên cứu và viết ra. Phần lý thuyết và cả phần thực hành đều được tôi thực hiện cẩn thận và có sự định hướng và sửa chữa của giáo viên hướng dẫn. Tôi xin chịu trách nhiệm với những nội dung trong luận án này. Tác giả ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ v Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1 1.1 Tổng quan về MPLS 1 1.1.1 Khái niệm cơ bản về chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS 1 1.1.2 Cấu trúc và các thành phần của của một miền MPLS 7 1.1.3 Mô hình chuyển gói tin MPLS 11 1.2 Tổng quan về nội dung nghiên cứu 11 1.2.1 Những nghiên cứu hiện tại về điều khiển lưu lượng MPLS 11 1.2.2 Lựa chọn hướng nghiên cứu, giải quyết trong điều khiển lưu lượng MPLS của luận văn. 13 1.3 Kết luận chương 14 Chương 2: KỸ THUẬT LƯU LƯỢNG VÀ BÀI TOÁN TẮC NGHẼN TRONG MẠNG MPLS 15 2.1 Kỹ thuật lưu lượng 15 2.1.1 Khái niệm kỹ thuật lưu lượng 15 2.1.2 Bài toán lưu lượng 16 2.1.3 Thiết lập đường truyền thiết kế lưu lượng sử dụng MPLS-TE: 20 2.2 Điều khiển nghẽn 25 2.2.1 Điều khiển lưu lượng trong mạng MPLS 25 2.2.2 Cơ chế điều khiển lưu lượng trong mạng MPLS 27 2.2.3 Các giao thức phân bổ nhãn 31 2.2.4 Giao thức dự trữ tài nguyên RSVP 36 2.3 Giải quyết tắc nghẽn trong mạng MPLS 43 2.3.1 Các khái niệm về tắc nghẽn 43 2.3.2 Hiện tượng tắc nghẽn 44 iii 2.3.3 Phương pháp giải quyết tắc nghẽn 46 2.3 Kết luận chương 51 Chương 3: GIẢI PHÁP TRONG ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG ĐỂ TRÁNH NGHẼN MẠNG XẨY RA 52 3.1 Cấu hình mạng VNPT 52 3.1.1 Kiến trúc mạng IP/MPLS của VNPT 52 3.1.2 Mô hình mạng và thành phần chính cấu thành lên mạng 53 3.1.3 Định tuyến IP trong mạng VN2 56 3.1.4 Các dạng lưu lượng trong mạng MPLS 58 3.1.5 Một số dịch vụ IP trên mạng VN2 58 3.2 Giải pháp xử lý tắc nghẽn của trong mạng MPLS của VNPT 61 3.3.1 Đo lường và giám sát lưu lượng trên mạng: 61 3.3.2 Điều khiển lưu lượng trong mạng Core-MPLS của VTN 69 3.3.3 Cơ chế để điều khiển nghẽn trong mạng 74 3.3 Kết luận chương 77 IV. KẾT LUẬN 4.1 Dự kiến đóng góp của luận văn 77 4.2 Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo 78 V. DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT IOS Inter-work Operating System IP Internet Protocol TCP Transmission Control Protocol LSA LinkState Algorithm CSPF Constrained Shorsters Path First LAN Local Area Network FEC Label Forwading Equivalence ISP Internet Service Provider ASBR Autonomous System Boundary Router AS Autonomous System RIP Routing Information Protocol BGP Border Gateway Protocol IGRP Interior Gateway Routing Protolcol OSPF Open Shorst Path First EIGRP Enhanced Interior Gateway Protocol LER Label Edge Router NGN Next Genaration Network LSR Label Switching Router VLSM Variable Length Subnet Masking SPF Shorts Path First EGP Exterior Gateway Protocol AD Administrative Distance CSNP Complete Sequence Number Packet DIS Designated System CLNP Connectionless Network Protocol ES End System MTU Maximum Transmision Unit NET Network Entity Title CLNS Connectionless Netwok Service NSEL Network Selector NSAP Network Service Access Point PDU Protocol Data Unit PSNP Partial Sequence Number Packet IS Intermediate Sytem LDP Label Distrubution Protocol RR Router Reflector IBGP Interior Border Gateway Protocol PDU Protocol Data Unit ARP Address Resolution Protocol LSP Link State PDU ICMP Internet Protocol Message Protocol LSP Lable Switch Path EBGP Exterior Border Gateway Protocol MED Multi Exit Disc RSVP Resource ReserVation Protocol P Provider Router MPLS Multi Protocol Label Switch TE Traffic Engineering IGP Interior Gateway Protocol PE Provider Edge Router v DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Cấu trúc nhãn trong MPLS 3 Hình 1.2: Ngăn xếp nhãn trong MPLS 4 Hình 1.3: Mô hình trung chuyển lưu lượng 5 Hình 1.4: Quá trình xử lý thông tin trong MPLS 7 Hình 1.5 Cấu trúc miền MPLS 8 Hình 1.6 Quá trình hoạt động của LSR 9 Hình 1.7 Mô hình transit trong mạng MPLS 10 Hình 1.8 Mô hình chuyển gói tin trong MPLS 11 Hình 2.1 Mô hình mạng đơn giản 16 Hình 2.2 Lựa chọn đường sử dụng Phương pháp định tuyến tĩnh 17 Hình 2.3 Lựa chọn đường sử dụng phương pháp định tuyến OSPF 19 Hình 2.4 Lựa chọn đường sử dụng Phương pháp định tuyến RIP 19 Hình 2.5: Ví dụ về CSPF 22 Hình 2.6 Phân chia lưu lượng dựa theo định tuyến tĩnh 26 Hình 2.7 Chia lưu lượng thành hai phần 26 Hình 2.8 Tắc nghẽn gây ra bởi kỹ thuật chon đường ngắn nhất 30 Hình 2.9 Giải pháp cho vấn đề sử dụng kỹ thuật lưu lượng 30 Hình 2.10 Vị trí giao thức LDP trong bộ giao thức MPLS 32 Hình 2.11 Thủ tục phát hiện LSR lân cận 34 Hình 2.12 Tiêu đề LDP 35 Hình 2.13 Khuôn dạng các bản tin LDP 35 Hình 2.14: Ví dụ về giao thức dành sãn tài nguyên 37 Hình 2.15: Bản tin PATH 38 Hình 2.16: Ví dụ về hop chặt 40 Hình 2.17: Ví dụ về hop lỏng 41 Hình 2.18: Bản tin RESV 43 vi Hình 2.19 Các vấn đề tắc nghẽn tiềm tàng 45 Hình 2.20: Sự thiết lập lưu lượng 49 Hình 2.21 Cấu hình các bộ đệm dọc theo LSP 50 Hình 2.22 Lưu lượng truyền tải giữa nguồn phát và nguồn đích 50 Hình 3.1Mô hình mạng IP/MPLScủa nhà cung cấp dịch vụ 53 Hình 3.2 Kiến trúc router RR trong mạng 54 Hình 3.3 Sơ đồ kết nối mạng riêng ảo MegaWan 59 Hình 3.4 Sơ đồ kết nối mạng dịch vụ internet 61 Hình 3.5 : Mô hình mạng tại tỉnh Cao Bằng với các link kết nối 62 Hình 3.7 : Lưu lượng PE1/ CBG <-> CBG00TLH trong 2 giờ,2 ngày, 30 ngày 64 Hình 3.8 : Lưu lượng PE1 / CBG <-> CBG00TTM trong 2giờ,2 ngày,30 ngày 65 Hình 3.9 : Lưu lượng PE1 / CBG <-> E320/CBG trong 2 giờ,2 ngày, 30 ngày 66 Hình 3.10: Lưu lượng PE1 / CBG <-> VDC/CBG trong 2 giờ,2 ngày , 30 ngày 67 Hình 3.11 : Lưu lượng PE1/ CBG <-> VASC/CBG trong 2 giờ,2 ngày,30 ngày 68 Hình 3.12: Topo hiện tại của mạng IP của VNPT Phú Thọ 69 Hình 3.13 : Lưu lượng HNI-P1-VTN <-> PTO-PE1 trong 2 ngày 70 Hình 3.14 : Lưu lượng HNI-P2-VTN <-> PTO-PE1 trong 2 ngày 71 Hình 3.15 : Lưu lượng HNI-P1-VTN <-> PTO-PE1 trong 2 ngày sau khi điều khiển 73 Hình 3.16: Lưu lượng HNI-P1-VTN <-> PTO-PE1 trong 2 ngày sau khi điều khiển 74 Hình 3.17 : Quy trình điều khiển lưu lượng 76 1 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về MPLS 1.1.1Khái niệm cơ bản về chuyển mạch nhãn đa giao thức 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[14]. 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 chung bản chất công nghệ chuyển mạch nhãn. Thiết bị định tuyến chuyển mạch tế bào của Toshiba năm 1994 là tổng đài ATM đầu tiên được điều khiển bằng giao thức IP thay cho báo hiệu ATM. Tổng đài của Ipsilon cũng là ma trận chuyển mạch ATM được điều khiển bởi khối xử lý sử dụng công nghệ IP. Công nghệ chuyển mạch thẻ của Cisco cũng tương tự nhưng có bổ xung thêm một vài kỹ thuật như lớp chuyể tiếp tương đương FEC, giao thức phân phối nhãn.Đến năm 1998 nhóm nghiên cứu IETF đã tiến hành các công việc để đưa ra tiêu chuẩn và khái niệm về chuyể mạch nhãn đa giao thức. Sự ra đời của MPLS được dự báo là tất yếu khi nhu cầu và tốc độ phát triển rất nhanh của mạng Internet đòi hỏi phải có một giao thức mới đảm bảo chất lượng dịch vụ theo yêu cầu. Mỗi loại có những ưu và nhược điểm riêng. Trong đó công nghệ ATM được sử dụng rộng rãi trong các mạng IP đường trục có tốc độ cao và đảm bảo được dịch vụ, điều khiển luồng và một số đặc tính khác mà các mạng định tuyến truyền thống không có được, trong trường hợp đòi hỏi thời gian thực cao thì IpoA là giải pháp tối 2 ưu. MPLS được hình thành dựa trên kỹ thuật đó và 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 Khái niệm chuyển mạch nhãn xuất phát từ hai khái niệm: Tổng đài chuyển mạch và bộ định tuyến. Xét trên góc độ chuyển mạch, phương thức điều khiển luồng, tỉ lệ giá cả và chất lượng tổng đài chuyển mạch sẽ tốt hơn bộ định tuyến.Song bộ định tuyến lại có khả năng định tuyến mềm dẻo mà tổng đài chuyển mạch không có được. Do đó, chuyển mạch nhãn ra đời là sự kết hợp và kế thừa các ưu điểm trên cũng như khắc phục những nhược điểm của cả tổng đài và bộ định tuyến truyền thống. 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. Phần tiếp theo, các khái niệm cơ bản của MPLS được trình bày. a. Nhãn (Lable) Nhãn là một thực thể có độ dài ngắn và cố định không có cấu trúc bên trong.Nhãn không trực tiếp mã hoá thông tin của mào đầu lớp mạng như địa chỉ mạng. Nhãn được gắn vào một gói tin cụ thể sẽ đại diện cho một FEC (Forwarding Equivalence Classes: Nhóm chuyển tiếp tương đương) mà gói tin được ấn định. Thường thì một gói tin được ấn định một FEC (hoàn toàn hoặc một phần) dựa trên địa chỉ đích lớp mạng của nó.Tuy nhiên nhãn không phải là mã hoá của địa chỉ đó. Nhãn trong dạng đơn giản nhất xác định đường đi mà gói tin có thể truyền qua. Nhãn được mang hay được đóng gói trong tiêu đề lớp 2 cùng với gói tin. Bộ định tuyến kiểm tra các gói tin qua nội dung nhãn để xác định các bước chuyển kế tiếp. Khi gói tin được gán nhãn, các chặng đường còn lại của gói tin thông qua mạng đường trục dựa 3 trên chuyển mạch nhãn.Giá trị nhãn chỉ có ý nghĩa cục bộ nghĩa là chúng chỉ liên quan đến các bước chuyển tiếp giữa các LSR. Dạng của nhãn phụ thuộc vào phương thức truyền tin mà gói tin được đóng gói. Kiểu khung (Frame mode): Kiểu khung là thuật ngữ khi chuyển tiếp một gói nhãn gán trước tiêu đề lớp ba. Một nhãn được mã hoá với 20 bỉt, nghĩa là có thể có 2 mũ 20 giá trị khác nhau. Một gói có nhiều nhãn gọi là chồng nhãn (Lable stack). Ở mỗi chặng trong mạng chỉ có một nhãn bên ngoài được xem xét Hình 1.1: Cấu trúc nhãn trong MPLS EXP (EXPERIMENTAL)=3 bits S (BOTTOM OF STACK)=1 bit TTL (TIME TO LIVE)=8 bits Trong đó:  EXP: dành cho thực nghiệm. Khi các gói tin xếp hàng có thể dùng các bít này tương tự như các bit IP ưu tiên (IP Precedence)  S: là bít ngăn xếp . Nhãn cuối trong ngăn xếp có bit này được thiết lập là 1,các nhãn khác có giá trị bít này là 0.  TTL: thời gian sống là bản sao của IP TTL. Giá trị của nó được giảm tại mỗi chặng để tránh lặp như IP. Thường dùng khi người điều hành mạng muốn che dấu cấu hình mạng bên dưới khi tìm đường từ mạng bên ngoài. 4 b. Ngăn xếp nhãn (Lable stack) Hình 1.2: Ngăn xếp nhãn trong MPLS Khi gói tin được gán nhiều hơn một nhãn thì tập hợp các nhãn đó được gọi là ngăn xếp nhãn. Trong quá trình chuyển tiếp gói tin, nhãn ở đỉnh của ngăn xếp được sử dụng để chuyển tiếp gói tin. Các nút mạng dựa vào giá trị của trường S để tìm ra gói tin ở đỉnh ngăn xếp (ứng với S=1). Label Stack được sử dụng cho một số ứng dụng của MPLS - MPLS VPNs (2 nhãn – nhãn ở đỉnh ngăn xếp được dùng để chuyển tiếp gói tin trong core, nhãn thứ 2 để phân biệt các VPN) - MPLS TE (2 nhãn) - MPLS VPNs comined with MPLS TE (3 nhãn hoặc nhiều hơn) Một mô hình trung chuyển lưu lượng Label Stack: [...]... giao thức báo hiệu RSVP-TE trong điều khiển lưu lượng MPLS Thứ hai, luận văn sẽ nghiên cứu về bài toán lưu lượng và điều khiển tránh tắc nghẽn mạng Cụ thể, luân văn sẽ tìm hiều các phương pháp điều khiển nghẽn mạng như các phương pháp DECbit, Điều khiển chống tắc nghẽn trong TCP, FATE, EWA và FEWA [12] Đồng thời, để điều khiển tránh tắc nghẽn mạng xẩy ra, ngoài các phương pháp nêu trên, luận văn cũng... nghẽn 2.2.1 Điều khiển lưu lượng trong mạng MPLS Đây là một phương pháp được sử dụng đầu tiên để điều khiển lưu lượng trong mạng IP Phương pháp này phần nào khắc phục được tồn tại mà kế hoạch định tuyến để lại Kĩ thuật lưu lượng dựa trên chính sách định tuyến IP vẫn là phương pháp khá phổ biến, nhưng đây không phải là phương pháp tối ưu Phương thức chủ yếu để điều khiển hướng lưu lượng IP đi qua mạng là... được đề cập đến trong nội dung nghiên cứu của chương này 15 Chương2: KỸ THUẬT LƯU LƯỢNG VÀ BÀI TOÁN TẮC NGHẼN TRONG MẠNG MPLS 2.1 Kỹ thuật lưu lượng 2.1.1 Khái niệm kỹ thuật lưu lượng Kỹ thuật lưu lượng (TE- Traffic Engineering) là kỹ thuật điều khiển đường truyền chứa lưu lượng qua mạng Mục đích để cải thiện việc sử dụng tài nguyên mạng, tránh trường hợp một phần tử mạng bị nghẽn trong khi các phần... định tuyến cũng để lại vấn đề lưu lượng Tuy nhiên, người ta cũng đã chứng minh được rằng có thể sử dụng định tuyến như một kĩ thuật để điều khiển lưu lượng trong mạng IP Chúng ta sẽ xem xét bài toán lưu lượng bằng chính nhược điểm của định tuyến IP 1.2.2 Lựa chọn hướng nghiên cứu, giải quyết trong điều khiển lưu lượng MPLS của luận văn Sau khi nghiên cứu các giải pháp của một số tác giả trong nước và... chế băng tần của các luồng lưu lượng với các yêu cầu chất lượng dịch vụ QoS khác nhau Hiện nay, có rất nhiều các nghiên cứu vềphương pháp điều khiển lưu lượng Ví dụ như tác giả Trần Công Hùng, về vấn đề điều khiển lưu lượng đã trình bầy phương pháp sử dụng định tuyến ràng buộc và Enhanced IGP [11] thì việc điều khiển lưu lượng trong MPLS có thể được thực hiện hiệu quả hơn Trong khi đó để giải quyết vấn... lí để điều khiển hướng mà lưu lượng chấp nhận trên cơ sở nơi mà lưu lượng đến từ đâu – mà chỉ là lưu lượng sẽ đi tới đâu Sử dụng kĩ thuật lưu lượng IP phù hợp với nhiều mạng mạng lớn, tuy nhiên vẫn còn có một số vấn đề mà kĩ thuật lưu lượng IP không giải quyết được 26 Các phần tử trong mạng IP ứng xử với các gói tin bằng các phân tích thông tin mào đầu của gói tin IP (điều khiển hướng gói) Nếu mạng. .. phương pháp kĩ thuật lưu 20 lượng, đó là: - TE dựa trên IP - TE dựa trên ATM - TE dựa trên MPLS Bài toán lưu lượng trong mạng IP xuất hiện rất sớm Ngay từ khi mạng IP được hình thành thì người ta nhận thấy rằng tầm quan trọng của việc điều khiển lưu lượng Qua một quá trình phát triển cho đến ngày nay, đã xuất hiện nhiều giải pháp đưa ra cho việc điều khiển lưu lượng Nhưng cũng không thể khẳng định được giải. .. phương pháp điều khiển lưu lượng trong mạng một cách tối ưu để đáp ứng được nhu cầu người sử dụng Các phương pháp điều khiển lưu lượng truyền thống như IP, ATM cũng phần nào giải quyết được bài toán lưu lượng trong mạng IP Tuy nhiên các phương pháp này bộc lộ một số hạn chế nhất định Chuyển mạnh nhãn đa giao thức, một công nghệ chuyển mạch nhãn định hướng kết nối cung cấp các khả năng mới trong các mạng. .. tế trong mạng của nhà khai thác tại Việt Nam, luận văn sẽ đi sâu vào giải quyết vấn đề điều khiển lưu lượng IP /MPLS nhằm cân bằng tốt nhất cho lưu lượng vào giờ cao điểm tại các nút mạng lõi và biên của miền MPLS Nội dung nghiên cứu của luận văn dự kiến sẽ tập trung, đi sâu vào nghiên cứu hai lĩnh vực Thứ nhất, luận văn sẽ đi sâu vào tìm hiểu phương pháp điều khiển lưu lượng sử dụng hai phương pháp: ... Trong khi một số tuyến có rất ít lưu lượng đi qua nó Có thể nói ngắn gọn, kĩ thuật lưu lượng trong mạng IP là tổng hợp nhiều kế hoạch và chính sách của nhà quản trị mạng để sao cho các liên kết được sử dụng một cách hiệu quả nhất, tránh hiện tượng tắc nghẽn cục bộ trên một vài liên kết trong khi các liên kết khác vẫn còn dư thừa Có rất nhiều phương pháp điều khiển lưu lượng khác nhau, nếu căn cứ vào . lên mạng 53 3.1.3 Định tuyến IP trong mạng VN2 56 3.1.4 Các dạng lưu lượng trong mạng MPLS 58 3.1.5 Một số dịch vụ IP trên mạng VN2 58 3.2 Giải pháp xử lý tắc nghẽn của trong mạng MPLS của VNPT. về bài toán lưu lượng và điều khiển tránh tắc nghẽn mạng. Cụ thể, luân văn sẽ tìm hiều các phương pháp điều khiển nghẽn mạng như các phương pháp DECbit, Điều khiển chống tắc nghẽn trong TCP,. chương 51 Chương 3: GIẢI PHÁP TRONG ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG ĐỂ TRÁNH NGHẼN MẠNG XẨY RA 52 3.1 Cấu hình mạng VNPT 52 3.1.1 Kiến trúc mạng IP /MPLS của VNPT 52 3.1.2 Mô hình mạng và thành phần chính