Kỹ thuật điều khiển lưu lượng MPLS và ứng dụng cho mạng NGN của VNPT

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG MPLS VÀ ỨNG DỤNG CHO MẠNG NGN CỦA VNPT Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Học viên: NGÔ ANH TUẤN Người HD Khoa học: PGS.TS. NGUYỄN HỮU CÔNG THÁI NGUYÊN 2013 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ii LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Ngô Anh Tuấn. Học viên lớp cao học KTĐT – K13 - Trường ĐHKTCN Thái Nguyên. Tôi xin cam đoan đây là phần nghiên cứu và thể hiện đồ án tốt nghiệp của riêng tôi, không sao chép các đồ án khác. Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tài liệu tham khảo nếu sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm và chịu mọi kỷ luật của khoa và nhà trường đề ra. Thái Nguyên, tháng 11 năm 2012 Học viên thể hiện Ngô Anh Tuấn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iii MỤC LỤC Lời cam đoan Mục lục Danh mục các hình vẽ và đồ thị Danh mục chữ viết tắt Danh mục các bảng biểu NỘI DUNG Trang LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN MẠNG THẾ HỆ MỚI NGN 1 1.1.Tổng quan về mạng NGN 1 1.1.1. Định nghĩa 1 1.1.2. Đặc trưng của mạng NGN 2 1.1.2.1.Nền tảng là hệ thống mạng mở 2 1.1.2.2. Mạng NGN là do mạng dịch vụ thúc đẩy, nhưng dịch vụ phải thực hiện độc lập với mạng lưới 2 1.1.2.3. Mạng NGN là mạng chuyển mạch gói, dựa trên một giao thức thống nhất 2 1.1.2.4. Mạng có dung lượng ngày càng tăng, có tính thích ứng cũng ngày càng tăng, có đủ dung lượng để đáp ứng nhu cầu về dịch vụ 3 1.1.3. Cấu trúc mạng NGN cơ bản 3 1.1.3.1.Cấu trúc vật lý 3 1.1.3.2.Cấu hình hệ chuyển mạch thế hệ mới - NGN 5 1.2.Định hướng mạng NGN của VNPT 7 1.2.1.Sự cần thiết chuyển đổi công nghệ mạng 7 1.2.2. Các yêu cầu đối với cấu trúc mạng thế hệ mới của VNPT 8 1.2.3 Cấu trúc mạng NGN của VNPT 10 1.2.4.Các dịch vụ trên nền NGN 14 1.2.4.1.Dịch vụ điện thoại cố định 14 1.2.4.2.Dịch vụ điện thoại di động 15 1.2.4.3.Dịch vụ Internet và truyền số liệu 15 1.2.4.4. Các dịch vụ thẻ 16 1.2.5.Một số khó khăn trong quá trình triển khai 16 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iv CHƯƠNG 2: TỔNG QUANG VỀ CÔNG NGHỆ MPLS 18 2.1.Lịch sử phát triển 18 2.2.Các định nghĩa về công nghệ MPLS 18 2.3.Các thành phần trong công nghệ MPLS 19 2.3.1.MPLS Domain 20 2.3.2. Bộ định tuyến nhãn LSR (Label Switching Router) 20 2.3.3.Nhãn MPLS 21 2.3.3.1.Ngăn xếp nhãn 24 2.3.3.2.Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn 26 2.3.3.3.Đường chuyển mạch nhãn (LSP) 28 2.3.3.4.Lớp chuyển tiếp tương đương 29 2.3.3.5.Bảng cơ sở dữ liệu nhãn (LIB – Label Information Base) 30 2.3.3.6.Bảng cơ sở thông tin chuyển gói (LFIB) 30 2.4.Các chế độ hoạt động của MPLS 31 2.5. Các giao thức định tuyến trong MPLS 38 2.5.1.Các giao thức khởi đầu 38 2.5.2.Các giao thức định tuyến ràng buộc 38 2.5.3.Giao thức phân bố nhãn LDP (Label Ditribution Protocol) 38 2.5.4.Giao thức phân phối nhãn ràng buộc (CR-LDP) 39 2.5.5.Giao thức RSVP – TE 39 2.6. Ưu điểm của MPLS 40 2.7.Các ứng dụng của MPLS 40 2.7.1. Tích hợp IP và ATM 40 2.7.2.Dịch vụ mạng riêng ảo IP (VPN) 41 2.7.3.Điều khiển lưu lượng và đinh tuyến IP hiện 41 CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT LƯU LƯỢNG MPLS 42 3.1.Tổng quan về điều khiển lưu lượng trong MPLS 42 3.1.1.Hoạt động định hướng lưu lượng và định hướng tài nguyên 42 3.1.1.1.Sự phân phối thông tin (Information distribution) 42 3.1.1.2.Tính toán và thiết lập đường truyền (Path calculation and setup) 43 3.1.1.3.Thuộc tính ưu tiên (priority) và sự chiếm trước (preemption) LSP 45 3.1.1.4.Chuyển tiếp lưu lượng vào một đường hầm (Forwarding traffic down a tunnel) 45 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn v 3.1.2.Kỹ thuật sắp xếp lưu lượng 48 3.1.2.1.Hàng đợi vào trước ra trước (FIFO – First in first out) 49 3.1.2.2.Hàng đợi công bằng FQ (fair queuing) 50 3.1.2.3.Hàng đợi công bằng trọng số (WFQ) 50 3.1.2.4.Hàng đợi theo yêu cầu (CQ) – 16 hàng đợi 50 3.1.2.5.Hàng đợi ưu tiên (PQ) 51 3.1.3.Tắc nghẽn và điều khiển tắc nghẽn 51 3.1.4.Trung kế lưu lượng, luồng lưu lượng và tuyến chuyển mạch nhãn 53 3.2.Các cơ chế điều khiển lưu lượng 55 3.3.Các giao thức 58 3.3.1.Giao thức phân phối nhãn LDP 58 3.3.2.Giao thức RSVP 63 3.3.2.1.Giới thiệu về RSVP 63 3.3.2.2.Các khía cạnh liên quan đến MPLS 66 3.3.3.Giao thức RSVP-TE 69 3.3.3.1.Các bản tin thiết lập dự trữ RSVP 69 3.3.3.2.Các bản Tear Down, Error và Hello của RSVP-TE 70 3.3.3.3.Thiết lập tuyến tường minh điều khiển tuần tự theo yêu cầu 70 3.3.3.4.Giảm lượng overhead làm tươi RSVP 72 3.3.4.Giao thức CR-LDP 72 3.3.4.1.Mở rộng cho định tuyến ràng buộc 72 3.3.4.2.Thiết lập một CR-LSP 73 3.3.4.3.Tiến trình dự trữ tài nguyên 74 3.4.Tính toán đường ràng buộc 75 3.4.1.Quảng bá các thuộc tính của liên kết 75 3.4.2.Tính toán LSP ràng buộc 76 3.4.3.Giải thuật chọn đường 76 3.4.4.Ví dụ về chọn đường cho trung kế lưu lượng 77 3.4.5.Tái tối ưu hóa 78 Chương 4: BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG MPLS 80 4.1.Khả năng ứng dụng MPLS trong điều khiển lưu lượng 80 4.2.Bài toán định tuyến và vấn đề lưu lượng 81 4.2.1.Vấn đề nghẽn lưu lượng gặp phải khi định tuyến 82 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn vi 4.2.2.Các lý do để chọn điều khiển lưu lượng dựa trên MPLS 83 4.3. Bài toán thực tế 83 Bài 1: Bảo vệ và khôi phục đường 83 Bài 2 : Điều khiển lưu lượng theo các hàng đợi ưu tiên 87 Kết luận và kiến nghị 91 Tài liệu tham khảo 92 Phụ lục Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1. Cấu trúc vật lý mạng NGN 1 Hình 1.2. Mô hình phân lớp hệ chuyển mạch NGN 5 Hình 1.3. Sơ đồ triển khai mạng NGN của VNPT 10 Hình 1.4. Cấu hình kết nối lớp điều khiển và ứng dụng mạng NGN 12 Hình 2.1. Mô hình mạng MPLS 20 Hình 2.2. Cấu trúc nhãn MPLS 24 Hình 2.3. Vị trí ngăn xếp nhãn 25 Hình 2.4. Cấu trúc bộ định tuyến chuyển mạch nhãn 26 Hình 2.5. Hoạt động của MPLS 32 Hình 2.6. MPLS hoạt động trong chế độ chuyển tiếp khung 33 Hình 2.7. MPLS hoạt động trong chế độ chuyển tiếp khung (tiếp theo) 33 Hình 2.8. Định tuyến trong MPLS 34 Hình 2.9. Mạng MPLS 35 Hình 2.10. Quá trình chuyển tiếp nhãn 36 Hình 2.11. Quá trình chuyển tiếp nhãn (tiếp theo) 36 Hình 2.12. Quá trình chuyển tiếp nhãn (tiếp theo) 36 Hình 2.13. Quá trình chuyển tiếp nhãn (tiếp theo) 37 Hình 2.14. Quá trình chuyển tiếp nhãn (tiếp theo) 37 Hình 2.15. Quá trình chuyển tiếp nhãn (tiếp theo) 37 Hình 2.16. Quá trình chuyển tiếp nhãn (tiếp theo) 38 Hình 2.17. Phân phối nhãn MPLS 39 Hình 3.1. Sử dụng màu liên kết 44 Hình 3.2. Cách các LSP sử dụng giao thức IGP 46 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn viii Hình 3.3. Sắp xếp lưu lượng tại LSR lối vào 48 Hình 3.4. Tắc nghẽn gây ra bởi kỹ thuật chọn đường ngắn nhất 52 Hình 3.5. Giải pháp cho vấn đề sử dụng kỹ thuật lưu lượng 52 Hình 3.6. FEC, trung kế lưu lượng và LSP 53 Hình 3.7. Vị trí giao thức LDP trong bộ giao thức MPLS 56 Hình 3.8. Thủ tục phát hiện LSR lân cận 57 Hình 3.9. Tiêu đề LDP 62 Hình 3.10. Khuôn dạng các bản tin LDP 62 Hình 3.11.Các thực thể hoạt động RSVP 63 Hình 3.12. Các bản tin Path và Reservation 65 Hình 3.13. Bộ mô tả lưu lượng 66 Hình 3.14. Sử dụng các đối tượng bản tin RSVP để hỗ trợ định tuyến hiện 68 Hình 3.15. Thiết lập LSP với RSVP-TE 71 Hình 3.16. Thiết lập LSP và CR-LD 73 Hình 3.17. Băng thông khả dụng ứng với từng mức ưu tiên 75 Hình 3.18. Xem xét các ràng buộc khống chế. 77 Hình 3.19. Xem xét tài nguyên khả dụng 78 Hình 3.20. Chọn đường tốt nhất 78 Hình 4.1. Điều khiển lưu lượng 79 Hình 4.2. Topo mạng mẫu 81 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ix CÁC 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 CR Constrained Routing Định tuyến ràng buộc CR-LDP Constrained Routing - LDP LDP - Định tuyến ràng buộc CR-LSP Constrained Routing - LSP LSP - Định tuyến ràng buộc CSPF Constrained Shortest Path First SPF ràng buộc 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 MPLS Multiprotocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức NHRP Next Hop Resolution Protocol Giao thức phân giải chặng kế tiếp 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 RSVP Resource Resevation Protocol Giao thức dành trước tài nguyên SLA Service Level Agreement Thoả thuận mức dịch vụ SPF Shortest Path First Đường đi ngắn nhất đầu tiên SVC Signaling Virtual Circuit Kênh ảo báo hiệu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn x TCP Transission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn 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 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn [...]... nghiên cứu và giải quyết khi triển khai MPLS trong cơ sở hạ tầng mạng viễn thông của một quốc gia Tuy nhiên, trong khuôn khổ luận văn này chỉ đề cập đến một số vấn đề kĩ thuật liên quan đến bài toán điều khiển lưu lượng trong mạng lõi dựa trên nền MPLS Luận văn “KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG MPLS VÀ ỨNG DỤNG CHO MẠNG NGN CỦA VNPT với mục đích nghiên cứu một số kĩ thuật điều khiển lưu lượng, bảo vệ và khôi... lớn của thiết bị điều khiển thế hệ mới, giảm chi phí đầu tư trên mạng Lớp điều khiển có chức năng điều khiển lớp truyền tải và lớp truy nhập cung cấp các dịch vụ mạng NGN, gồm nhiều module như module điều khiển kết nối ATM, điều khiển định tuyến kết nối IP, điều khiển kết nối cuộc gọi thoại, báo hiệu số 7 Số lượng node điều khiển phụ thuộc vào lưu lượng phát sinh của từng vùng lưu lượng phát sinh của. .. cấp cho toàn mạng nhằm bảo đảm cung cấp dịch vụ đến tận nhà thuê bao một cách thống nhất và đồng bộ Số lượng nút ứng dụng và dịch vụ phụ thuộc vào lưu lượng dịch vụ cũng như số lượng và loại hình dịch vụ Node ứng dụng và dịch vụ được kết nối ở mức Gigabit Ethernet 1+1 với node điều khiển và được đặt tại các trung tâm mạng NGN tại Hà nội và Tp HCM cùng với các node điều khiển *Tổ chức lớp điều khiển. .. khiển Lớp dịch vụ & ứng dụng Service Nodes Service Nodes M.Trung Hà nội TP.HCM M.Bắc Lớp điều khiển Lớp chuyển tải M.Nam Hình 1.4: Cấu hình kết nối lớp điều khiển và ứng dụng mạng NGN Lớp điều khiển được tổ chức thành một cấp cho toàn mạng thay vì có 4 cấp như hiện nay (Quốc tế, liên tỉnh, tandem nội hạt và nội hạt) và được phân theo vùng lưu lượng, nhằm giảm tối đa cấp mạng và tận dụng năng lực xử lý... Internet cho khách hàng thông qua lớp điều khiển Hệ thống ứng dụng và dịch vụ mạng này liên kết với lớp điều khiển thông qua các giao diện mở API Nhờ giao diện mở này mà VNPT có thể phát triển các ứng dụng và triển khai nhanh chóng các dịch vụ trên mạng *Lớp điều khiển Lớp điều khiển bao gồm các hệ thống điều khiển (Call controller) kết nối cuộc gọi giữa các thuê bao thông qua việc điều khiển các... năng điều khiển cuộc gọi theo mô hình cuộc gọi, quá trình báo hiệu và cung cấp việc điều khiển Media gateway Nó cũng phải cung cấp các giao diện (giao diện chuẩn hay giao diện API mở) về phía server ứng dụng để điều khiển dịch vụ *Server ứng dụng: Còn được biết đến với các tên SCP (Secure copy) Trong mạng NGN, server ứng dụng được phát triển của trên nền tảng Web có thể thực hiện các dịch vụ điều khiển. .. ra khi dồn nhiều lưu lượng vào một liên kết không đủ tài nguyên MPLS đưa ra khái niệm FEC cho phép nhóm các luồng lưu lượng với kích cỡ thích hợp Việc vận chuyển lưu lượng theo các đường đi LSP giúp tránh được những dao động lưu lượng mạng Ngoài ra, MPLS còn cho phép thiết lập nhiều đường giữa hai cặp nút với tỷ lệ thích hợp để giải quyết vấn đề cân bằng tải Trong MPLS kĩ thuật lưu lượng được cung cấp... Riêng mạng Telex không kết nối với mạng thoại của VNPT, còn các mạng khác đều được kết nối vào mạng của VNPT thông qua các kênh trung kế hoặc các bộ MSU (Main Switch Unit), một số khác lại truy nhập vào mạng PSTN qua các kênh thuê bao bình thường, sử dụng kỹ thuật DLC (Digital Loop Carrier), kỹ thuật truy nhập vô tuyến,… Về cấu trúc mạng, mạng viễn thông của VNPT hiện nay chia thành 3 cấp: cấp quốc tế,... chuyển mạch kênh hiện nay: lớp ứng dụng và dịch vụ (Application-Service Layer), lớp điều khiển (Control Layer), lớp truyền tải dịch vụ (Service Transport Layer), lớp truy nhập (Service Access Layer) Mô hình phân lớp của hệ chuyển mạch thế hệ mới được mô tả trong hình 1.2 *Lớp ứng dụng và dịch vụ mạng Lớp ứng dụng và dịch vụ cung cấp các ứng dụng và dịch vụ như dịch vụ mạng thông minh IN trả tiền trước,... Agent), đóng vai trò phần tử điều khiển trong kiến trúc mạng mới Các giao diện mở hướng tới các ứng dụng mạng thông minh (INIntelligent Network) và các server ứng dụng mới tạo điều kiện dễ dàng cho việc nhanh chóng cung cấp dịch vụ và đảm bảo đưa ra thị trường trong thời gian ngắn Tại lớp truyền thông, các cổng được đưa vào sử dụng để làm thích ứng thoại và các phương tiện khác với mạng chuyển mạch gói Các . toán điều khiển lưu lượng trong mạng lõi dựa trên nền MPLS. Luận văn “KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG MPLS VÀ ỨNG DỤNG CHO MẠNG NGN CỦA VNPT với mục đích nghiên cứu một số kĩ thuật điều khiển lưu. i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG MPLS VÀ ỨNG DỤNG CHO MẠNG NGN CỦA VNPT Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Học viên:. xếp lưu lượng tại LSR lối vào 48 Hình 3.4. Tắc nghẽn gây ra bởi kỹ thuật chọn đường ngắn nhất 52 Hình 3.5. Giải pháp cho vấn đề sử dụng kỹ thuật lưu lượng 52 Hình 3.6. FEC, trung kế lưu lượng và