Nghiên cứu công nghệ chuyển mạch mềm trong mạng viễn thông

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Lê Việt Hùng NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH MỀM TRONG MẠNG VIỄN THÔNG Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện tử viễn thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Kỹ thuật Điện tử viễn thông NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS Nguyễn Viết Nguyên Hà Nội – Năm 2011 Công nghệ GMPLS LỜI CAM ĐOAN Học viên xin cam đoan cơng trình nghiên cứu độc lập Luận văn hồn thành cá nhân hướng dẫn Thầy giáo, TS Nguyễn Viết Nguyên Thầy, Cô giáo Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Các tài liệu tham khảo, công thức, sử dụng Luận văn ghi nguồn cụ thể, rõ ràng Hà Nội, ngày tháng năm 2011 Học viên cao học Lê Việt Hùng Công nghệ GMPLS MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH MỀM 1.1 Khái niệm chuyển mạch mềm 1.2 Tính chất đặc điểm 1.3 Các công nghệ chuyển mạch (IP, ATM, MPLS, GMPLS) 1.3.1 Công nghệ chuyển mạch IP 1.3.2 Công nghệ chuyển mạch ATM 1.3.3 Công nghệ chuyển mạch nhãn (MPLS) 1.3.4 Công nghệ chuyển mạch nhãn tổng quát (GMPLS) CHƯƠNG CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC 2.1 Định nghĩa MPLS 2.2 Đặc điểm MPLS 2.3 Kiến trúc MPLS 10 2.4 Các khái niệm MPLS 11 2.4.1 FEC-Forwarding Equ4alence Class 11 2.4.2 Nhãn –Label 12 2.4.3 Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn –LSR(Label Switch Router) 14 2.4.4 Đường chuyển mạch nhãn –LSP (Label Switching Path) 15 2.4.5 Cơ sở liệu nhãn –LIB-Label Information Base 16 2.4.6 Cơ sử liệu chuyển tiếp nhãn-LFIB-Label Forwarding Information Base 16 2.4.7 Ngăn xếp nhãn 16 2.5 Các chế độ hoạt động khung mạng MPLS 16 2.5.1 Các bước hoạt động 16 2.5.2 Chức Penultimate Hop Popping (PHP) 18 2.5.3 Quá trình liên kết lan truyền nhãn 18 2.6 Giao thức phân phối nhãn-Label Distribution Protocol 19 Cơng nghệ GMPLS 2.6.1 Các tính chất giao thức LDP 19 2.6.2 Các bước hoạt động LDP 19 CHƯƠNG CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC TỔNG QUÁT (GMPLS) 22 3.1 Định nghĩa GMPLS 22 3.2 Các khái niệm GMPLS 23 3.2.1 Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn GMPLS(LSR) 23 3.2.2 Giao diện định tuyến chuyển mạch nhãn 23 3.2.3 Đường chuyển mạch nhãn GMPLS (LSP) 25 3.3 Ưu điểm GMPLS 25 3.4 Tách biệt lớp điều khiển lớp liệu 29 3.5 Định tuyến GMPLS 29 3.5.1 Giao thức OSPF mở rộng 29 3.5.2 Các khái niệm định tuyến GMPLS 34 3.6 Báo hiệu GMPLS 39 3.6.1 Giao thức RSVP-TE mở rộng cho GMPLS 39 3.6.2 Yêu cầu nhãn (General Label Request) 48 3.6.3 Báo hiệu đường hướng 52 3.6.4 Thiết lập nhãn 53 3.6.5 Kiến trúc báo hiệu 56 3.7 Giao thức quản lý kết nối LMP (Link Management Protocol) 58 3.7.1 Tại phải có LMP 58 3.7.2 Loại liên kết liệu 59 3.7.3 Các chức giao thức LMP 60 3.8 Điều khiển lưu lượng mạng GMPLS 67 3.8.1 Điều khiển lưu lượng 67 3.8.2 Giao thức điều khiển lưu lượng GMPLS 69 3.8.3 Bó liên kết điều khiển lưu lượng 70 3.8.4 Vùng điều khiển lưu lượng lớp chuyển mạch 71 3.9 Mơ hình dịch vụ GMPLS 73 3.9.1 Mơ hình ngang hàng (Peer Model) 73 3.9.2 Mơ hình chồng lấn (Overlay Model) 75 3.9.3 Mơ hình lai ghép (Hybird Model) 76 3.10 Ứng dụng GMPLS mạng chuyển mạch quang tự động (ASON) 76 CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỬ NGHIỆM BẢN TIN BÁO HIỆU RSVPTE/GMPLS 79 Công nghệ GMPLS 4.1 Phần mềm DRAGON 79 4.2 Xây dựng mơ hình thử nghiệm 80 4.2.1 Mơ hình mạng 80 4.2.2 Cài đặt phần mềm 80 4.2.3 Khai báo cấu hình tham số 81 4.2.4 Kết 85 4.2.5 Đánh giá 92 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO Công nghệ GMPLS DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ Viết Tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ATM Asynchronus Transfer Mode Truyền không đông BGP Border Gateway Protocol Giao thức địng tuyến biên DRAGON Dynamic Resource Allocation via Phần mềm GMPLS GMPLS Optical Network DWDM Dense Wavelength D4ision Ghép kênh phân chia theo bước Multiplexing sóng FEC Forwarding Equ4alence Class Lớp nhãn tương ứng FSC Fiber Switch Capable Khả chuyển mạch sợi quang GMPLS Generalized Multi-Protocol Label Chuyển mạch nhãn tổng quát đa Switching giao thức IETF Internet Engineering Task Force IGP Internal Gateway Protocol Giao thức định tuyến vùng IP Internet Protocol Giao thức internet LDP Label Distribution Protocol Giao thức phân phối nhãn LIB Label Information Base Cơ sở liệu nhãn LMP Link Management Protocol Giao thức quản lý liên kết LSA Link-State Advertisement Quảng bá trạng thái liên kết LSC Lamda Switch Capable Khả chuyển mạch bước sóng LSP Label Switching Path Đường chuyển mạch nhãn LSR Label Switching Router Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn MPLS Multi-Protocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức MTU Maximum Transmission Unit Đơn vị truyền liệu OSPF Open Shortest Path First Tìm đường ngắn Công nghệ GMPLS OXC Optical Corss Connect Kết nối chéo quang PSC Packet Switch Capable Khả chuyển mạch gói QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RSVP Reservation Protocol Giao thức dành sẵn tài nguyên RSVP-TE Reservation Protocol Traffic Giao thức dành sẵn tài nguyên- Engineering điều khiển lưu lượng SONET Synchronous Optical Network Mạng quang đồng TDM Time D4ision Multiplex Ghép kênh phân chia theo thời gian TLV Time-Length-Variable Thời gian-Chiều dài-Biến VLSR Virtual Label Switching Router Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn ảo BGP Border Gateway Protocol Giao thức địng tuyến biên WDM Wavelenght D4ision Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng Cơng nghệ GMPLS DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng.3.1 Bảng miêu tả loại đơn vị TLV 37 Bảng.3.2 Các tin giao thức RSVP-TE 41 Bảng.3.3 Miêu tả trường Common Message Header 42 Bảng.3.4 Miêu tả trường Object 43 Bảng.3.5 Bảng định nghĩa loại liệu 50 Công nghệ GMPLS DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình.2.1 Kiến trúc nút mạng MPLS 10 Hình.2.2 Trao đổi thơng tin nút MPLS 11 Hình.2.3 Trường MPLS Header chèn 12 Hình.2.4 Các thành phần mào đầu MPLS 13 Hình.2.5 Bộ định tuyến MPLS 14 Hình.2.6 Q trình chuyển gói IP mạng 17 Hình.2.7 Minh họa hoạt động MPLS 20 Hình.3.1 Kiến trúc phân lớp mạng 23 Hình.3.2 Khái niệm nhãn GMPLS 24 Hình.3.3 Đường chuyển mạch nhãn phân cấp(LSP) 25 Hình.3.4 Cơ chế điều khiển IP/MPLS 26 Hình.3.5 Cơ chế điều khiển GMPLS 27 Hình.3.6 Cơ chế điều khiển tích hợp phân tán GMPLS 27 Hình.3.7 Kiến trúc giao thức GMPLS 28 Hình.3.8 Mơ hình lớp giao thức GMPLS 28 Hình.3.9 Tách biệt mặt logic mặt phẳng điều khiển mặt phẳng liệu kiến trúc GMPLS 29 Hình.3.10 Giao thức định tuyến link state 30 Hình.3.11 Khái niệm trạng thái liên kết “flooding” 30 Hình.3.12 Ví dụ tìm đường dựa băng thông-độ trễ 33 Hình.3.13 Khái niệm liên kết TE 34 Hình.3.14 Bản tin “opaque” LSA 36 Hình.3.15 Mơ hình giao thức RSVP-TE 40 Hình.3.16 Đóng gói tin RSVP-TE 42 Hình.3.17 Khn dạng Common Message Header 42 Hình.3.17 Khuôn dạng Object 43 Hình.3.18 Quá trình xử lý tin PATH 44 Cơng nghệ GMPLS Hình.3.19 Q trình xử lý tin RESV 44 Hình.3.20 Quá trình xử lý tin PathTear 45 Hình.3.21 Quá trình xử lý tin ResvTear 45 Hình.3.22 Thiết lập đường chuyển mạch nhãn(LSP) 46 Hình.3.23 Ví dụ thiết lập LSP RSVP-TE 47 Hình.3.24 Khuôn dạng đối tượng yêu cầu nhãn (Label-request object) 49 Hình.3.25 Nhãn hướng vào (upstream label) 52 Hình.3.26 Thiết lập nhãn 54 Hình.3.27 Phân cấp đường chuyển mạch nhãn 57 Hình.3.28 Các loại liên kết liệu 59 Hình.3.29 Giao thức quản lý liên kết 61 Hình.3.30 Các thành phần mạng 71 Hình.3.31 Các mạng riêng lẻ TDM, bước sóng 72 Hình.3.32 Mơ hình ngang hàng 74 Hình.3.33 Mơ hình chồng lấn 75 Hình.3.34 Ứng dụng GMPLS mạng ASON 77 Hình.4.1 Mơ hình test mạng GMPLS 80 Công nghệ GMPLS 4.2 Xây dựng mơ hình thử nghiệm 4.2.1 Mơ hình mạng Cấu trúc mạng sử dụng máy tính: Cấu hình tối thiểu: CPU 500Mhz, RAM 256M, HDD 4G máy tính đóng vai trị CSA1 CSA2 máy tính đóng vai trị VLSR Hệ điều hành Linux (kernel version 2.4.20 cao hơn) Hub Gre2 Gre1 Eth1: 192.174.42.40 Gre1: 10.10.0.2 Gre2: 10.20.0.2 TE: 10.1.10.2 TE: 10.1.10.5 VLSR CSA1 CSA2 Virtual switch Eth1:192.174.42.39 Gre1: 10.10.0.1 TE: 10.1.10.1 Eth2: 192.168.100.39 Eth1:192.174.42.41 Gre1: 10.20.0.1 TE: 10.1.10.6 Eth2: 192.168.100.5 Hình.4.1 Mơ hình test mạng GMPLS 4.2.2 Cài đặt phần mềm Cài đặt hệ điều hành UBUNTU 8.0 cho ba máy tính bổ sung đầy đủ thư viện cần thiết Tải thư viện cần thiết cho việc cài đặt DRAGON http://dragon.east.isi.edu/twiki/pub/Main/VLSR/dragon.dependencies.tar.gz Cài đặt thư viện sau: # tar –zxf dragon.dependencies.tar.gz 80 Công nghệ GMPLS # cd dependence-package #./makealldeps.sh Cài đặt Dragon VLSR máy tính đóng vai trị VLSR Tải phần mềm DRAGON http://dragon.east.isi.edu # tar –zxf dragon-sw-snapshoot.xxxx.tar.gz Ta cần cấu hình virtual switch lớp nói chuyện với VLSR nên việc cấu hình DRAGON VLSR phải khai báo tham số vlsr-linux # /do_build.sh vlsr-linux # sudo sh do_install.sh Cài đặt Dragon VLSR máy tính đóng vai trị CSA1/CSA2 # /do_build.sh csa # sudo sh do_install.sh 4.2.3 Khai báo cấu hình tham số Trên máy CSA1 /usr/local/dragon/etc/dragon.conf hostname cn1_host1-dragon password uva /usr/local/dragon/etc/ospfd.conf hostname cn1_host1-ospf password uva enable password uva log stdout log file /var/log/ospfd.log interface gre1 description GRE tunnel between cn1_host1 and cn1_vlsr1 ip ospf network point-to-point router ospf ospf router-id 129.174.42.39 network 10.10.0.0/30 area 0.0.0.0 ospf-te router-address 129.174.42.39 ospf-te interface gre1 level gmpls data-interface ip 10.1.10.1 swcap l2sc encoding ethernet exit line vty /usr/local/dragon/etc/RSVPD.conf interface gre1 tc none mpls api 4000 /usr/local/dragon/etc/zebra.conf ¡ -*- zebra -*- 81 Công nghệ GMPLS ¡ zebra configuration file for cn1_host1 Hostnam cn1_host1-zebra Password uva ! ! interface description Interface lo Interface gre1 ! description test of desc Script tạo gre tunnel cho tin báo hiệu CSA1 # GRE between cn1_host1 and cn1-vlsr1 ip tunnel del gre1 ip tunnel add gre1 mode gre remote 129.174.42.40 local 129.174.42.39 ttl 255 ip link set gre1 up ip addr add 10.10.0.1/30 dev gre1 ip route add 10.10.0.2/30 dev gre1 Trên máy CSA2 /usr/local/dragon/etc/dragon.conf hostname cn2_host2-dragon password uva /usr/local/dragon/etc/ospfd.conf hostname cn2_host2-ospf password uva enable password uva log stdout log file /var/log/ospfd.log interface gre2 description GRE tunnel between cn1_host1 and cn1_vlsr1 ip ospf network point-to-point router ospf ospf router-id 129.174.42.41 network 10.20.0.0/30 area 0.0.0.0 ospf-te router-address 129.174.42.41 ospf-te interface gre2 level gmpls data-interface ip 10.1.10.6 swcap l2sc encoding ethernet exit line vty /usr/local/dragon/etc/RSVPD.conf interface gre2 tc none mpls api 4000 /usr/local/dragon/etc/zebra.conf ¡ -*- zebra -*¡ zebra configuration file for cn1_host1 Hostnam cn2_host2-zebra Password uva ! ! interface description Interface lo 82 Công nghệ GMPLS Interface gre2 ! description test of desc Script tạo gre tunnel cho tin báo hiệu CSA2 # GRE between cn2_host2 and cn1-vlsr1 ip tunnel del gre2 ip tunnel add gre2 mode gre remote 129.174.42.40 local 129.174.42.41 ttl 255 ip link set gre2 up ip addr add 10.20.0.1/30 dev gre1 ip route add 10.20.0.2/30 dev gre1 Trên máy VLSR /usr/local/dragon/etc/dragon.conf hostname cn1_vlsr1-dragon password uva /usr/local/dragon/etc/ospfd.conf ! -*- ospf -*! ! OSPFd sample configuration file ! hostname cn1-vlsr1-ospf password uva enable password uva log stdout log file /var/log/ospfd.log ! ! interface gre1 description GRE tunnel between cn1_vlsr1 and cn1_host1 ip ospf network point-to-point ! interface gre2 description GRE tunnel between cn1_vlsr1 and cn2_host2 ip ospf network point-to-point ! router ospf ospf router-id 129.174.42.40 network 10.10.0.0/30 area 0.0.0.0 network 10.20.0.0/30 area 0.0.0.0 ospf-te router-address 129.174.42.40 ospf-te interface gre1 level gmpls data-interface ip 10.1.10.2 protocol snmp switch-ip 129.174.42.54 switch-port swcap l2sc encoding ethernet max-bw 125000000 max-rsv-bw 125000000 max-lsp-bw 125000000 max-lsp-bw 125000000 max-lsp-bw 125000000 max-lsp-bw 125000000 max-lsp-bw 125000000 max-lsp-bw 125000000 max-lsp-bw 125000000 83 Công nghệ GMPLS max-lsp-bw 125000000 vlan 100 to 200 metric 10 exit ospf-te interface gre2 level gmpls data-interface ip 10.1.10.5 protocol snmp switch-ip 129.174.42.54 switch-port swcap l2sc encoding ethernet max-bw 125000000 max-rsv-bw 125000000 max-lsp-bw 125000000 max-lsp-bw 125000000 max-lsp-bw 125000000 max-lsp-bw 125000000 max-lsp-bw 125000000 max-lsp-bw 125000000 max-lsp-bw 125000000 max-lsp-bw 125000000 vlan 100 to 200 metric 10 exit /usr/local/dragon/etc/RSVPD.conf interface gre1 tc none mpls interface gre2 tc none mpls api 4000 /usr/local/dragon/etc/zebra.conf ¡ -*- zebra -*¡ zebra configuration file for cn1_host1 Hostnam cn1_vlsr1-zebra Password uva ! ! interface description Interface lo Interface gre1 Interface gre2 ! description test of desc Chạy chương trình máy /usr/local/dragon/bin/dragon.sh start-vlsr 84 Công nghệ GMPLS 4.2.4 Kết Giao thức OSPF Thiết lập đường LSP Csa1_pc:~# telnet localhost 2611 Password: ******** Cn1-host1-dragon> edit lsp Cn1-host1-dragon(edit-lsp-hung)# set source ip-address 129.174.42.39 lsp-id 1001 destination ip-address 129.174.42.40 2001 Cn1-host1-dragon(edit-lsp-hung)# set bandwidth eth100M swcap l2sc encoding ethernet gpid ethernet Cn1-host1-dragon(edit-lsp-hung)# set vtag any Cn1-host1-dragon(edit-lsp-hung)# exit Cn1-host1-dragon > commit lsp Trạng thái LSP 85 Công nghệ GMPLS Bản tin PATH RESV capture 86 Công nghệ GMPLS Chi tiết lớp IP RSVP tin PATH 87 Công nghệ GMPLS Chi tiết lớp trường RSVP tin PATH 88 Công nghệ GMPLS Chi tiết lớp IP RSVP tin RESV 89 Công nghệ GMPLS Chi tiết trường RSVP tin RESV 90 Công nghệ GMPLS Bản tin PATHTEAR xóa LSP Chi tiết lớp IP RSVP tin PATHTEAR 91 Công nghệ GMPLS Chi tiết trường RSVP tin PATHTEAR 4.2.5 Đánh giá Kết mô trực quan thu theo yêu cầu lý thuyết trình bầy phần giao thức báo hiệu RSVP-TE /GMPLS Giao thức định tuyến OSPF giao thức báo hiệu chạy đường riêng gọi đường điều khiển (control plane) điểm khác biệt giao thức GMPLS so với giao thức MPLS Ngoài ta thấy với trường mở giao thức RSVP-TE giúp việc thiết lập, quản lý đường LSP mạng IP, TDM hay optical giúp mạng GMPLS triển khai hiệu diện rộng hay nói khác mạng khác dùng chung lớp điều khiển, mạng MPLS đáp ứng đường LSP mạng IP Mơ hình thực nghiệm xấy dựng có tảng cho việc tìm hiểu giao thức định tuyến OSPF-TE hay giao thức báo hiệu RSVP-TE 92 Công nghệ GMPLS KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ GMPLS giao thức chuyển mạch nhãn đa giao thức tổng quát với ưu điểm bật khắc phục hạn chế giao thức MPLS ví dụ cho mạng quang Bằng việc mở rộng giao thức định tuyến OSPF-TE giao thức báo hiệu RSVP-TE trường thêm vào giúp GMPLS quản lý tài ngun mạng, băng thơng, loại giao diện đa dạng IP, TDM, fiber, đồng nghĩa với việc hội tụ nhiều mạng nhỏ khác thành mạng lớn quản lý lớp điều khiển Ngoài GMPLS tăng khả khôi phục nhờ định tuyến động, linh hoạt giao thức định tuyến OSPF-TE khả phát lỗi nhanh Bản thân giao thức RSVP-TE có chế phát lỗi dựa việc định kỳ phát tin PATH & RESV trình trì quản lý báo hiệu Xu hướng ngày hội tụ mạng yêu cầu tất yếu việc phát triển giao thức điều khiển hợp mạng, đặc biệt mạng quang có tốc độ cao Vì nghiên cứu giao thức GMPLS nhu cầu thực tế cấp bách Trở lại với phạm vi nghiên cứu mô đồ án, ta tiếp tục mở rộng phát triển thành phòng Lab nhỏ phục vụ cho việc học tập quan tâm muốn nghiên cứu lĩnh vực 93 Công nghệ GMPLS TÀI LIỆU THAM KHẢO Adrian Farrel and Igor Bryskin, (2006), Architecture and Applications, Elsevier, Oxford UK Alexander Lindstrom, (2007), GMPLS multi-layer networking, Stockholm Sweden Mark Meijerink, (2006), Sara, Un4ersiteit van Amsterdam Naoaki Yamanaka, (2006), GMPLS Technologies, Broadband Backbone Networks and Systems, Taylor and Francis Group, Tokio Japan Website: http://dragon.east.isi.edu 94 ... vào việc nghiên cứu cơng nghệ chuyển mạch mềm nói chung cơng nghệ chuyển mạch mạng IP nói riêng Cơng nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS công nghệ phát triển nằm xu đó: đường chuyển mạch nhãn... 1.3.2 Công nghệ chuyển mạch ATM 1.3.3 Công nghệ chuyển mạch nhãn (MPLS) 1.3.4 Công nghệ chuyển mạch nhãn tổng quát (GMPLS) CHƯƠNG CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO... CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH MỀM 1.1 Khái niệm chuyển mạch mềm 1.2 Tính chất đặc điểm 1.3 Các công nghệ chuyển mạch (IP, ATM, MPLS, GMPLS) 1.3.1 Công nghệ chuyển mạch