Giải pháp tối ưu hóa mạng đô thị với MPLS TE

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Tô Hồng Đức GIẢI PHÁP TỐI ƢU HOÁ MẠNG ĐÔ THỊ VỚI MPLS TE Chuyên ngành: Công nghệ thông tin LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƢỜI HƢỚNG DẪN: TS Nguyễn Tuấn Dũng Hà Nội – 2016 LỜI CAM ĐOAN Những kiến thức trình bày luận văn tìm hiểu, nghiên cứu trình bày theo kiến thức tổng hợp cá nhân Kết nghiên cứu luận văn chƣa đƣợc công bố công trình khác Trong trình làm luận văn, có tham khảo tài liệu có liên quan ghi rõ nguồn tài liệu tham khảo Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu không chép Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm, sai, xin chịu hình thức kỷ luật theo quy định Hà Nội, ngày 15 tháng năm 2016 Học viên Tô Hồng Đức LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo TS Nguyễn Tuấn Dũng tận tình hƣớng dẫn, bảo có nhận xét, góp ý quý báu giúp em suốt trình thực luận văn Em xin cảm ơn đến tất thầy cô giáo trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, tận tình giảng dạy, bảo tạo điều kiện để em đƣợc nghiên cứu, học tập môi trƣờng thuận lợi Hà Nội, ngày 15 tháng năm 2016 Tác giả luận văn Tô Hồng Đức DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh ADM ATM BGP add/drop multiplexers Asynchronous Transfer Mode Border Gateway Protocol BRAS Broadband Remote Access Server Tiếng Việt DAC DSL digital access cross-connect Digital subscriber line Digital subscriber line access DSLAM multiplexer ESCON Enterprise System Connection ETTx FICON HDLC Ethernet to the X (X = everywhere) IGP IPTV LAN LSP Fiber Connectivity High-level Data Link Control Institute of Electrical and Electronics Engineers Interior Gateway Protocol Internet protocol television Local area network Label Switch Path LSR Label Switch Router IEEE MAC MPLS PDH PE Media Access Control Multiprotocol Label Switching PLESIOCHRONOUS DIGITAL HIERARCHY Passive Optical Network Point to point Protocol Quality of Service RSTP Rapid Spanning Tree Protocol RSVP Resource Reservation Protocol SYNCHRONOUS DIGITAL HIERARCHY Spanning Tree Protocol SDH STP Viện kỹ nghệ điện điện tử Giao thức định tuyến nội vùng Truyền hình giao thức internet Mạng nội Đƣờng vận chuyển mạch nhãn Router làm nhiệm vụ chuyển mạch nhãn miền MPLS Giao thức điều khiển truy nhập Chuyển mạch nhãn đa giao thức Truyền dẫn cận đồng Router biên làm nhiệm vụ kết nối tới khách hàng Mạng quang thụ động Giao thức kết nối điểm - điểm Quản lý chất lƣợng dịch vụ Tƣơng tự nhƣ giao thức STP nhƣng tốc độ cao Giao thức chiếm trƣớc tài nguyên Provider Edge PON PPP QoS Bộ ghép kênh số xen rớt luồng Chế độ truyền tải bất đồng Giao thức định tuyến liên vùng Thiết bị cung cấp địa ip động tĩnh cho thuê bao adsl Bộ ghép kênh số kết nối chéo Dịch vụ thuê bao số Thiết bị cung cấp dịch vụ ADSL dùng cáp đồng Hệ thống kết nối tới doanh nghiệp lớn Bất kì thiết bị hay kết nối sử dụng Ethernet Kết nối sử dụng cáp quang Giao thức liên kết liệu mức cao Truyền dẫn đồng Giao thức ngăn chặn lặp vòng TCP/IP TDM TE UMTS VLAN VNPT VoD VoIP VPN WAN Transmission Control Protocol /Internet Protocol Time Division Multiplexing Traffic engineering Universal Mobile Telecommunications Systems Virtual Local Area Network Vietnam Post & Telecommunications Video on Demand Voice over Internet Protocol Virtual Private Network Wide area network Giao thức điều khiển truyền tải giao thức internet Ghép kênh phân thời Kỹ thuật điều khiển lƣu lƣợng Hệ thống viễn thông di động toàn cầu Mạng nội ảo Tập đoàn Bƣu Viễn thông Việt Nam Dịch vụ truyền hình theo yêu cầu Phƣơng thức truyền âm qua Internet Mạng riêng ảo Mạng diện rộng DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU Hình 1-1: Sơ đồ tổng quát mạng Metro 12 Hình 1-2: Băng thông TDM 14 Bảng 1-3: So sánh chi phí Ethernet TDM 15 Hình 1-4: Kiến trúc Metro Ethernet 17 Hình 1-5: Sơ đồ mạng MAN-E HNT 19 Hình 1-6: Sơ đồ mạng MAN-E mở rộng 20 Hình 1-7: Router 7609-S 21 Hình 1-8: Kết nối Core Switch 22 Hình 1-9: Kết nối Access Switch 23 Hình 2-1: Truyền Ethernet qua SONET 24 Hình 2-2: Chức chuyển mạch ánh xạ nằm ADM 25 Hình 2-3: Chức chuyển mạch ánh xạ EOS nằm Switch 25 Hình 2-4: Móc nối ảo Virtual Concatenation 27 Hình 2-5: Vận chuyển Ethernet SONET dựa kĩ thuật VCAT 28 Hình 2-6: EOS bên thiết bị truyền dẫn 30 Hình 2-7: Chức tập trung EOS bên thiết bị truyền dẫn 31 Hình 2-8: EOS với chuyển mạch tập trung 32 Hình 2-9: EOS với mạch phân tán 33 Hình 2-10: Trƣờng hợp khác chuyển mạch phân tán 33 Hình 2-11: Triển khai công nghệ RPR 36 Hình 2-12: Vòng RPR 37 Hình 2-13: Chức MAC Datapath 38 Hình 2-14: Kiến trúc đệm gói đơn 39 Hình 2-15: Kiến trúc đệm gói kép 40 Hình 2-16: Đƣờng liệu trƣớc sợi quang bị đứt 42 Hình 2-17: Đƣờng liệu sau Wrap 42 Hình 2-18: Đƣờng liệu sau phát topo 43 Hình 2-19: Ethernet MAC VLAN 46 Hình 2-20: Giao diện trunk 47 Hình 2-21: Vị trí VLAN 48 Hình 2-22: Cấu hình Gigabit Ethernet Hub-and-Spoke 49 Hình 2-23: Cấu hình Gigabit Ethernet ring 50 Hình 3-1: Cấu trúc nhãn MPLS 53 Hình 3-2: Vị trí nhãn MPLS frame 54 Hình 3-3: Nguyên lí ho ạt động MPLS 56 Hình 3-4: Pseudo wire đƣợc tạo router PE 58 Hình 3-5: Quá trình gắn nhãn cho frame qua miền MPLS 59 Hình 3-6: Giao thức báo hiệu targeted-LDP 60 Bảng 3-7: Các loại PW đƣợc ấn định IANA 61 Hình 3-8: Định dạng vị trí từ điều khiển 64 Hình 4-1: Hoạt động giao thức phân phối nhãn RSVP 69 Hình 5-1: LSP không bị đứt kết nối 70 Hình 5-2: LSP đứt kết nối có đƣờng dự phòng 71 Hình 5-3: LSP đƣợc bảo vệ không lƣu lƣợng 71 Hình 5-4: Đƣờng TE FRR 72 Hình 5-5: Đƣờng TE FRR dự phòng 72 Hình 5-6: Sơ đồ mô tả vòng ring c mạng MAN Hà Nội 73 Hình 5-7: Sơ đồ mạng mô 74 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .4 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU LỜI MỞ ĐẦU 10 CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ MẠNG ĐÔ THỊ 12 1.1 Giới thiệu 12 1.1.1 Khái niệm mạng Metro 12 1.1.2 Ethernet mạng Metro 13 1.1.3 Kiến trúc mạng Metro Ethernet 17 1.2 Giải pháp Metro Ethernet đƣợc áp dụng mạng Metro Hà Nội 18 1.2.1 Kiến trúc tổng thể 18 1.2.2 Dòng sản phẩm sử dụng 20 CHƢƠNG CÔNG NGHỆ TRUYỀN DẪN TRONG MẠNG METRO 24 2.1 Công nghệ SONET/SDH 24 2.1.1 Ethernet SONET/SDH 24 2.1.2 Vai trò móc nối ảo – Virtual Concatenation 26 2.1.3 Điều chỉnh dung lƣợng liên kết – Link Capacity Adjusment Scheme 28 2.1.4 Các mô hình triển khai Ethernet SONET/SDH 29 2.1.5 Kết luận 34 2.2 Công nghệ RPR – Resilient Packet Ring 34 2.2.1 Khái niệm RPR 34 2.2.2 Các thuộc tính RPR 36 2.2.3 Kết luận 43 2.3 Công nghệ truyền tải Ethernet truyền thống 44 2.3.1 Phƣơng thức họat động 44 2.3.2 Kết luận 51 2.4 So sánh công nghệ truyền tải 51 CHƢƠNG 3: ETHERNET TRÊN NỀN MPLS 53 3.1 Giới thiệu công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS 53 3.1.1 Khái niệm MPLS 53 3.1.2 Ƣu điểm MPLS 56 3.2 Ethernet MPLS 57 3.2.1 Kiến trúc EoMPLS 57 3.2.2 Mặt phẳng liệu EoMPLS 59 3.2.3 Báo hiệu Pseudo Wire 60 3.2.4 Từ điều khiển 63 3.2.5 Ƣu điểm EoMPLS 65 CHƢƠNG 4: KỸ THUẬT LƢU LƢỢNG TE TRONG MPLS 67 4.1 Sự cần thiết MPLS TE 67 4.2 Tổng quan MPLS TE 67 4.3 Các mục tiêu triển khai kỹ thuật lƣu lƣợng 68 4.3.1 Phân loại 68 4.3.2 Bài toán nghẽn 68 4.4 Giao thức phân phối nhãn RSVP 68 4.5 Kỹ thuật tái định tuyến nhanh FRR 69 CHƢƠNG 5: ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP TỐI ƢU HÓA MẠNG MAN HÀ NỘI VỚI MPLS TE 70 5.1 Ƣu điểm công nghệ MPLS TE+FRR 70 5.2 MPLS TE+FRR bảo vệ kết nối cho mạng MAN 71 5.3 Mô hình mô kết 73 5.3.1 Giới thiệu công cụ mô GNS thiết bị mô 73 5.3.2 Mục tiêu kết cần đạt đƣợc sau mô phỏng: 75 5.3.3 Các bƣớc tiến hành thử nghiệm kết thu đƣợc 75 5.3.4 Tổng hợp kết kết luận 80 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 LỜI MỞ ĐẦU Trong thời gian qua, số thành phố lớn nhƣ Hà Nội, TP Hồ Chí Minh… triển khai hàng loạt dự án lớn nhƣ: tin học hóa quản lí nhà nƣớc-chính phủ điện tử, cao ốc công nghệ thông tin-viễn thông, hệ thống đối thoại doanh nghiệp-chính quyền thành phố… Các dự án vào hoạt động đem lại lợi ích thiết thực cho công việc quản lí hành nhà nƣớc nhu cầu ngƣời dân Việc triển khai dự án yêu cầu mô hình mạng đô thị có khả mở rộng linh hoạt với băng thông cao có khả hỗ trợ đa dịch vụ tốt mô hình mạng MAN Ethernet đƣợc đầu tƣ phát triển để đáp ứng yêu cầu Mạng MAN Ethernet (Metropolitan Area Network Ethernet) gọi tắt Metro Ethernet mạng đô thị băng thông rộng sử dụng công nghệ Ethernet sở tích hợp cấu trúc mạng hệ NGN (Next Generation Network) có khả cung cấp siêu xa lộ thông tin, cho phép nhà cung cấp dịch vụ mang đến cho khác hàng mô hình dịch vụ kết nối tốc độ cao MAN/WAN với giao diện Ethernet (Ethernet UNI) Metro Ethernet thực chức thu gom lƣu lƣợng thiết bị truy nhập mạng (MSAN/IP-DSLAM…), lƣu lƣợng khách hàng kết nối trực tiếp vào mạng MAN để truyền tải nội tỉnh đồng thời kết nối lên mạng trục để truyền tải lƣu lƣợng liên tỉnh quốc tế Việc áp dụng công nghệ Ethernet vào mạng đô thị đem lại nhiều lợi ích cho nhà cung cấp dịch vụ nhƣ khách hàng nhờ đặc điểm bật nhƣ băng thông cao, chi phí rẻ, tính linh hoạt dễ sử dụng Tuy nhiên, nhu cầu sử dụng c ngƣời ngày gia tăng, yêu cầu chất lƣợng dịch vụ ngày cao nhƣ: băng thông lớn hơn, độ trễ thấp hơn, mạng tin cậy cho dịch vụ: VoIP, VoD, IPTV, truyền hình hội nghị, chia sẻ liệu Chính nhu cầu ngày gia tăng đòi hòi hệ thống mạng Metro phải liên tục thay đổi công nghệ để đáp ứng đƣợc nhu cầu ngƣời cách tốt Do làm luận văn với đề tài “Giải pháp tối ƣu hóa mạng đô thị với MPLS TE” với mục đích nhằm giới thiệu tổng quan mạng Metro xu hƣớng phát triển 10 CHƢƠNG 4: KỸ THUẬT LƢU LƢỢNG TE TRONG MPLS 4.1 Sự cần thiết MPLS TE Mục đích việc định tuyến tìm đƣờng xuyên qua mạng nhanh Do giao thức định tuyến dùng giá trị đƣờng để tính toán, nhƣ OSPF, IS-IS, RIP, EIGRP Khi có nhiều đƣờng tới đích, giao thức định tuyến chọn đƣờng tối ƣu để chuyển tiếp gói tin Các đƣờng khác đƣợc để trống không sử dụng Vấn đề xảy lƣu lƣợng đƣờng tối ƣu vƣợt mức băng thông đƣờng đó, nhiều gói tin đến sau bị hủy gây chậm dịch vụ Kỹ thuật TE đƣợc sinh để giải vấn đề 4.2 Tổng quan MPLS TE Traffic Engineering (TE) điều khiển lƣu lƣợng trình mà luồng liệu chọn lựa tuyến đƣờng với mục đích làm cho mạng trở nên hiệu tin cậy tối ƣu đƣợc băng thông tài nguyên mạng Mạng IP có điểm yếu có chế điều khiển luồng lƣu lƣợng thay đổi metric đƣờng truyền giao thức IGP nhƣ OSPF Tuy nhiên, cách làm nhƣ làm thay đổi tất gói qua liên kết Các cách không cung cấp tối ƣu động không đƣợc xem đặc điểm lƣu lƣợng khả mạng thực định định tuyến Trong mạng có sử dụng công nghệ MPLS TE, đƣờng chuyển mạch nhãn (LSP) đƣợc thay đổi động từ đƣờng tắc nghẽn đến đƣờng khác Điều thể hiệu mạng IP, ngƣời quản trị mạng cho mạng hoạt động với khả cao điều kiện bình thƣờng, trƣớc tắt nghẽn xuất vài lƣu lƣợng dễ dàng đƣợc chuyển đƣờng khác Hơn nữa, ngƣời quản trị mạng sử dụng thuật toán tổng quát để cung cấp ánh xạ từ luồng lƣu lƣợng đến đƣờng truyền vật lý MPLS TE cho phép nhà cung cấp dịch vụ định nghĩa đƣờng xác, tƣơng tự nhƣ định tuyến nguồn, xuyên qua mạng họ điều khiển lƣu lƣợng đƣờng Kỹ thuật Traffic Engineering thực thi cân tải có chi phí không cân dựa CEF đƣờng hầm 67 4.3 Các mục tiêu triển khai kỹ thuật lƣu lƣợng 4.3.1 Phân loại Các mục tiêu triển khai kỹ thuật lƣu lƣợng phân biệt theo hai hƣớng sau: - Hƣớng lƣu lƣợng Hƣớng tài nguyên Các mục tiêu hƣớng lƣu lƣợng liên quan đến tăng cƣờng QoS cho luồn lƣu lƣợng Trong mô hình đa lớp (dịch vụ best-effort), mục tiêu gồm: giảm thiểu gói độ trễ, tăng cƣờng tối đa thông lƣợng tuân thủ hợp đồng mức dịch vị Các mục tiêu hƣớng lƣu lƣợng bị chặn thống kê ( nhƣ thay đổi độ trễ đỉnh-đỉnh, tỉ lệ gói, trễ truyền tối đa) hữu ích mô hình phân biệt Các mục tiêu hƣớng tài nguyên liên quan đến việc tối ƣu hóa sử dụng tài nguyên Băng thông tài nguyên cốt yếu mạng, chức trọng tâm kỹ thuật lƣu lƣợng quản lý hiệu tài nguyên băng thông 4.3.2 Bài toán nghẽn Nghẽn thƣờng xuyên xảy theo hai cách nhƣ sau: - Khi thân tài nguyên mạng không đủ để cung cấp cho tải yêu cầu Khi dòng lƣu lƣợng đƣợc ánh xạ không hiệu lên tài nguyên, làm cho số tập hợp tài nguyên tải số khác nhàn rỗi Có thể giải nghẽn cách cách: - Tăng dung lƣợng ứng dụng kỹ thuật điều khiển nghẽn cổ điển (giới hạn tốc độ, điều khiển luồng…) Dùng kỹ thuật lƣu lƣợng nghẽn cấp phát tài nguyên chƣa hiệu Đối tƣợng giải kỹ thuật lƣu lƣợng nghẽn kéo dài nghẽn thời bùng phát lƣu lƣợng 4.4 Giao thức phân phối nhãn RSVP Giao thức RSVP dùng để xác định đƣờng TE tồn mạng hay không trƣớc sử dụng chúng Thực tế kết nối mạng đứt lúc nào, để chắn LSP tồn ta cần dùng RSVP để báo hiệu RSVP sử dụng tin để báo hiệu PATH RESV PATH tin gửi từ đầu đến cuối TE, RESV đƣợc gửi từ cuối đến đầu TE đê xác định đƣờng TE tồn 68 Hình 4-1: Hoạt động giao thức phân phối nhãn RSVP [3] 4.5 Kỹ thuật tái định tuyến nhanh FRR Khi kết nối mạng giao thức định tuyến thông thƣờng thời gian để hội tụ lại mạng, mạng lớn thời gian hội tụ lâu Trong kho ảng thời gian mạng hội tụ lại toàn lƣu lƣợng qua kết nối bị hủy gây gián đoạn dịch vụ Một ứng dụng quan trọng TE việc tái định tuyến nhanh FRR, giúp cho mạng IP tái định tuyến có kết nối bị đứt nhanh nhiều lần so với phƣơng pháp truyền thống Một toán cụ thể áp dụng FRR đƣợc đề cập chƣơng sau 69 CHƢƠNG 5: ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP TỐI ƢU HÓA MẠNG MAN HÀ NỘI VỚI MPLS TE Căn yêu cầu cần xây dựng phƣơng án giảm thiểu tối đa thời gian hội tụ mạng theo tiêu chuẩn VNPT (