Nghiên cứu công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức không dây wmpls

TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ===== ===== N tốt nghiệp đại học ti: NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC KHÔNG DÂY WMPLS n d n Sn v nt p c : ThS Ngun anh qnh n : th¸i b¸ sáng : 49K - ĐTVT NGH AN - 01/2013 B GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH - BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Thái Bá Sáng Mã số sinh viên: 0851080348 Ngành: Điện tử - Viễn thơng Khố: 49 Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Anh Quỳnh Cán phản biện: ThS Đặng Thái Sơn Nội dung thiết kế tốt nghiệp: Nhận xét cán phản biện: Ngày tháng năm Cán phản biện (Ký, ghi rõ họ tên) MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU .i TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ii DANH MỤC HÌNH VẼ iii DANH MỤC BẢNG BIỂU .iv DANH MỤC BẢNG BIỂU .iv THUẬT NGỮ VIẾT TẮT v CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC MPLS 1.1 Giới thiệu chung chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS 1.1.1 Khái niệm MPLS 1.1.2 Lý đời 1.1.3 Đặc điểm MPLS 1.2 Các thành phần MPLS 1.2.1 Các thiết bị mạng 1.2.2 Đường chuyển mạch nhãn LSP 1.2.3 Nhãn vấn đề liên quan 1.3 Hoạt động MPLS 1.3.1 Hoạt động 1.3.2 Định tuyến 1.3.3 Các chế độ hoạt động 11 1.4 Các giao thức MPLS 13 1.4.1 Giao thức phân bổ nhãn LDP 13 1.4.2 Giao thức dành trước tài nguyên RSVP 20 1.5 Kết luận chương 25 CHƢƠNG 2: CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC KHÔNG DÂY WMPLS 26 2.1 Giới thiệu chung IP di động 26 2.1.1 Xu hướng thách thức 26 2.1.2 Định tuyến mạng IP di động 27 2.2 Chuyển mạch nhãn đa giao thức không dây WMPLS 31 2.2.1 Nhu cầu phát triển WMPLS 31 2.2.2 Cấu trúc gói tin WMPLS 31 2.2.3 Giao thức sử dụng WMPLS 33 2.2.4 Lựa chọn phổ tần cho WMPLS 36 2.2.5 Mạng MPLS di động 41 2.3 Kết luận chương 45 CHƢƠNG 3: QUẢN LÝ DI ĐỘNG CHO CÁC MẠNG WMPLS 46 3.1 Giới thiệu 46 3.2 Một số giải pháp liên quan 48 3.3 Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS di động Micro 49 3.3.1 Thủ tục đăng ký MPLS di động Micro 50 3.3.2 Hỗ trợ chuyển giao MPLS di động Micro 51 3.3.3 Các chế chuyển giao MPLS di động Micro 54 3.3.4 Phân tích ước lượng hiệu suất 60 3.4 Kết luận chương 67 KẾT LUẬN 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 LỜI NÓI ĐẦU Để đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin ngày cao xã hội cơng nghệ khơng ngừng phát triển Ngày có nhiều dịch vụ chất lượng dịch vụ yêu cầu cao Nhiều công nghệ mạng đời nhằm đáp ứng tốt nhu cầu khách hàng giải vấn đề nảy sinh Trong số phải kể đến công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS Công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS kết phát triển nhiều công nghệ chuyển mạch IP sử dụng chế hoán đổi nhãn ATM Hiện nay, công nghệ mạng không dây có xu hướng phát triển mạnh mẽ Do đó, việc mở rộng MPLS sang lĩnh vực khơng dây xu hướng tất yếu Chuyển mạch nhãn đa giao thức không dây WMPLS vấn đề quan tâm nhiều Với mong muốn tiếp cận công nghệ nên em lựa chọn đề tài : “ n cứu côn n c uyển mạc n ãn đa ao t ức k ôn dây WMPLS” làm đồ án tốt nghiệp Đồ án bao gồm nội dung sau : Chương 1: Tổng quan cơng nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS Chương 2: Công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức không dây WMPLS Chương : Quản lý di động cho mạng WMPLS Do cơng nghệ WMPLS cịn tương đối mới, việc tìm hiểu vấn đề WMPLS địi hỏi phải có kiến thức sâu rộng lâu dài Do đồ án khơng tránh khỏi sai sót Rất mong nhận phê bình, góp ý thầy cô giáo bạn Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo T S uyễn An Quỳn cung cấp tài liệu, tận tình hướng dẫn nội dung phương pháp để em hoàn thành tốt đồ án Xin trân trọng cảm ơn thầy cô giáo khoa Điện Tử Viễn Thông giúp đỡ chúng em suốt thời gian nghiên cứu học tập Vinh, tháng 01 năm 2013 Sinh viên Thái Bá Sáng i TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đồ án tìm hiểu tổng quan cơng nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS xu hướng phát triển lên công nghệ WMPLS công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức không dây WMPLS với yêu cầu đặt : Độ tin cậy , giảm băng thơng, giảm chi phí, loại bỏ chu kì lập lệnh dài hạn cải thiện tốc độ truyền dẫn Để hiểu rõ WMPLS phải tìm hiểu cấu trúc gói tin , giao thức, cách thức hoạt động việc lựa chọn phổ tần cho WMPLS Trong đồ án cịn tìm hiểu chi tiết việc quản lí di động cho mạng WMPLS sử dụng chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS di động Micro ABSTRACT This thesis is about views on two new wireless protocols that can support soft handoff over the wireless network In this thesis, a mechanism in high-performance telecommunications networks called MPLS and a novel data layer protocol called WMPLS protocol have been introduced WMPLS has been insisted on being trust, diminishing broadband and money, removing the cycles, setting up command and improving speed transmission In this paper, we can see that WMPLS can also applied for Wireless Cellular Phone network Management, satellite communication applications, like direct broadcast or direct multicast of high-volume traffic content, due to the MPLS robust design for backbone network data transmission ii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Khn dạng tiêu đề nhãn MPLS Hình 1.2: Cấu trúc ngăn xếp nhãn Hình 1.3: Định tuyến 10 Hình 1.4: Khung MPLS với PPP/Ethernet lớp liên kết liệu 12 Hình 1.5: Khung MPLS với ATM lớp liên kết liệu 12 Hình 1.6: Khung MPLS với FR lớp liên kết liệu 13 Hình 1.7: Vị trí giao thức LDP giao thức MPLS 14 Hình 1.8: Tiêu đề LDP 15 Hình 1.9: Mã hố TLV 16 Hình 1.10: Khn dạng tin LDP 16 Hình 1.11: Các thực thể hoạt động RSVP 20 Hình 1.12: Các tin PATH RESV 21 Hình 1.13: Nhãn phân phối bảng tin RESV 23 Hình 2.1: Chức mạng IP di động 29 Hình 2.2a: Tiêu đề WMPLS khơng có trường Control CRC 32 Hình 2.2b: Tiêu đề WMPLS có trường Control CRC 33 Hình 2.3a: Mở rộng cho tin yêu cầu nhãn CR-LDP 34 Hình 2.3b: Mở rộng cho tin liên kết nhãn CR-LDP 34 Hình 2.4a: Khn dạng tin PATH 35 Hình 2.4b: Khn dạng tin RESV 35 Hình 2.5: Khn dạng LABEL_REQUEST 36 Hình 2.6b: Thực thể SESSION đường hầm LSP_IPv6 36 Hình 2.7: Cấu trúc mạng MMDS với anten bao phủ vùng 38 Hình 2.8: Cấu trúc mạng LMDS với nhiều anten bao phủ vùng 38 Hình 2.9: Kiến trúc lớp WMPLS 39 Hình 2.10: Thiết lập đường với thủ tục chuyển giao WMPLS 41 Hình 2.11: Mạng di động MPLS 42 Hình 2.12: Thiết lập đường chuyển mạch nhãn mạng di động 43 Hình 3.1: Kiến trúc mạng truy nhập không dây MPLS di động Micro 50 Hình 3.2: Đăng ký nút di động MPLS Micro di động 51 Hình 3.3: Thủ tục chuyển giao LER MPLS Micro di động 54 Hình 3.4a: Hoạt động FH-Micro trước chuyển giao 56 Hình 3.4b: FH-Micro trình chuyển giao 56 Hình 3.5: Hoạt động FC-Micro 58 Hình 3.6: Cây nhị phân đầy đủ độ sâu ℓ mạng truy nhập 60 iii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Giá trị bit cờ tiêu đề gói tin WMPLS 33 Bảng 2.2: Các bit điều khiển báo nhận lỗi điều khiển luồng tiêu đề WMPLS 33 Bảng 3.1: Bảng nhãn LERG sau đăng ký 51 Bảng 3.2: Bảng nhãn LER/FA sau chuyển giao LER 53 Bảng 3.3: Bảng nhãn LERG sau chuyển giao LER 54 iv THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Thuật ngữ Tên Tiếng Anh Chú giải AP Access Point Điểm truy nhập ARP Address Resolution Protocol Giao thức phân giải địa ATM Asynchronous Transfer Mode Truyền dẫn không đồng BGP Border Gateway Protocol Giao thức cổng đường biên BS Base Station Trạm gốc CMR Call-to-Mobility Ratio Tỉ số tốc độ gói đến tốc độ di động CoS Class of Service Phân lớp dịch vụ CQR Classing-Queing-Scheduling Phân lớp-Hàng đợi lập lịch CRC Cycle Redundant Check Kiểm tra dư chu trình CR Constrained Routing Định tuyến cưỡng CR-LDP Constrained Routing – LDP Định tuyến cưỡng - LDP CTMC Continuous-Time Markov Chain Chuỗi Markov thời gian liên tục ER Explicit Routing Định tuyến FA Foreign Agent Đại diện ngoại trú FCC Frequence Control Community Cục quản lý tần số FEC Fowarding Equivalent Class Lớp chuyển tiếp tương đương FMIP Fast-handoff Mobile IP Cơ chế chuyển giao nhanh cho IP di động HA Home Agent Đại diện thường trú ICMP Internet-Control-Message Giao thức tin điều khiển ID Identifier Nhận dạng ID IETF Internet Engineering Task Force Nhóm tác vụ kỹ thuật Internet IGMP Internet Group Management Giao thức quản lý nhóm Internet Protocol IP Internet Protocol Giao thức liên mạng LC-ATM Label Controlled-ATM ATM điều khiển nhãn LDP Label Distribution Protocol Giao thức phân bổ nhãn v Bộ chuyển mạch nhãn biên LER Label Edge Router LFIB Label Forwarding Information Cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn Base LMDS Local Multipoint Distribution Hệ thống phân bố đa điểm cục System LSP Label Switched Path Đường dẫn chuyển mạch nhãn LSR Label Switch Router Router chuyển mạch nhãn MAC Media Access Controller Bộ điều khiển truy nhập phương tiện MH Mobile Host Host di động MIP-RR Mobile IP- Regional Registration Cơ chế cập nhật đăng ký cho IP di động Multichannel Multipoint Dịch vụ phân bố đa điểm - đa Distribution Service kênh MPLS Multiprotocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức MSO Mobile Switching Office Trung tâm chuyển mạch di động PDU Protocol Data Unit Đơn vị liệu giao thức PHB Per Hop Behavior Bộ ứng xử chặng PNNI Pravite-Network-Network Giao diện mạng riêng PPP Point to Point Protocol Giao thức điểm - điểm QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RA Routing Area Vùng định tuyến RESV Resevation Bản tin dành trước RFC Request For Comment Yêu cầu ý kiến RSVP Resource Resevation Protocol Giao thức dành trước tài nguyên SONET Synchronous Optical Network Mạng truyền dẫn quang TCP Transission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn TLV Type-Length-Value Kiểu mã hóa độ dài-giá trị TTL Time To Live Thời gian sống UDP User Datagram Protocol Giao thức lược đồ liệu MMDS vi LSP chủ động LSP từ LERG đến LER/FA phục vụ thời LSP thường sử dụng để truyền liệu Còn LSP bị động LSP từ LERG đến mạng mà MN di chuyển vào LSP thường không sử dụng tận hoạt hóa FH-Micro sử dụng chế phát di chuyển thuộc lớp liên kết để dự đoán miền mà MN đến Như nhìn thấy hình 3.4a, MN vào vùng giao tế bào biên thuộc hai mạng con, nhận cảnh báo (Beacon) từ AP (bước 1) Ngay lập tức, MN thơng báo với LER/FA thời khả chuyển giao cách gửi tin báo hiệu Khởi đầu chuyển giao (Handoff initiate), có chứa địa MAC AP (bước 2) Chú ý trường hợp này, MN chưa kết nối tới liên kết vô tuyến mạng nằm kết nối với AP cũ Mỗi LER/FA có bảng Liên kết hàng xóm chứa địa IP MAC tồn AP hàng xóm Do đó, LER/FA thời nhận tin báo hiệu Khởi đầu chuyển giao, nhìn vào bảng Liên kết hàng xóm để lấy địa IP LER/FA sau thơng báo với LERG hoạt động chuyển giao xảy (bước 3a) Ngay lập tức, LERG khởi đầu thủ tục thiết lập LSP với LER/FA trước chuyển giao lớp xảy (ví dụ, trước MN nhận tin quảng bá IP di động từ FA mới) Điều có nghĩa là, FH-Micro tái thiết lập LSP thụ động bổ sung LERG mạng mà MN vào (bước 4) Cùng thời điểm bước 3a, LER/FA thông báo cho MN biết địa RCoA (địa IP LER/FA mới) cách sử dụng tin báo hiệu Quảng bá hàng xóm (Neighbor Advertisement) (bước 3b) Do vậy, MN bắt đầu thủ tục đăng ký với LERG trước nhận tin Quảng bá IP di động từ FA Chú ý việc đăng ký MN với LERG khởi tạo chuyển giao lớp thực Cụ thể, chuyển giao lớp khởi đầu MN cường độ báo hiệu nhận từ phía AP hiệu thời xuống mức ngưỡng 55 Hình 3.4a minh họa hoạt động FH-Micro trước chuyển giao Hình 3.4a Hoạt động FH-Micro trước chuyển giao Hình 3.4b minh họa hoạt động FH-Micro trình chuyển giao Hình 3.4b FH-Micro trình chuyển giao Khi báo hiệu từ AP thấp mức ngưỡng, MN thông báo với LER/FA thời để khởi động chế đệm cách gửi tin báo hiệu di chuyển (nhìn 56 hình 3.4b, bước 1) Khi chuyển giao lớp hồn tất chuyển giao lớp khởi đầu MN, chí trước MN nhận tin quảng bá IP di động từ FA MN hồn tồn nhận biết RCoA (bước 2) FA chuyển tin Yêu cầu đăng ký IP di động tới LERG (bước 3a) thông báo với LER/FA cũ kiện chuyển giao (bước 3b) Ngay LERG nhận Yêu cầu đăng ký IP di động, kích hoạt LSP bị động tái thiết lập lưu lượng phân phát thông qua LSP (bước 4a) Mặt khác, LER/FA thông báo việc chuyển giao, gói tin luồng chuyển tiếp tới MN thông qua FA (bước 4b) Bằng cách sử dụng chế chuyển giao nhanh, cải thiện hiệu suất chuyển giao MPLS di động Micro giảm tượng phá hủy dịch vụ 3.3.3.2 Cơ c ế c uỗ c uyển ao: FC-Micro Biến thể thứ hai đưa để điều khiển tính di động cục cách hiệu quản gọi MPLS di động FC-Micro Cơ chế dựa khái niệm chuỗi chuyển tiếp (một tập đường chuyển tiếp) Trong kỹ thuật này, thời điểm mà MN di chuyển vào mạng RCoA đăng ký với LER/FA cũ thay đăng ký với LERG, hình 3.5 Bằng thủ tục này, LSP thời LERG mạng cũ mở rộng từ FA cũ tới FA Kết chuỗi chuyển tiếp FA tạo cho MN Để làm điều này, MN phải trì đệm để lưu trữ địa IP LER/FA khách Các gói tin di chuyển đến MN bị FA chuỗi chặn lại (được gọi FA chủ), tận dụng ưu điểm LSP thời LERG LER/FA chủ, sau chuyển dọc theo chuỗi FA tới MN Dễ dàng nhận thấy chế gây trễ không mong muốn chuỗi FA dài Để tránh chuỗi chuyển tiếp dài, thiết lập ngưỡng độ dài ký hiệu Lth (chỉ thị số lần dịch chuyển) Khi đạt đến ngưỡng, MN đăng ký với LERG xóa tồn địa đệm Nghĩa chuỗi chuyển tiếp MN làm LER/FA khách trở thành FA chủ Chú ý chế cho phép giảm đáng kể tin cập nhật đăng ký gửi MN tới LERG Các đăng ký LERG thay cập nhật chuỗi chuyển tiếp đơn giản (các cập nhật cục bộ) Hơn nữa, chế phù hợp với 57 MN có tính di động cao, gói liệu cần chuyển tiếp nhanh chóng tới vùng chúng Hình 3.5 Hoạt động FC-Micro Hoạt động chế MPLS di động FC-Micro miêu tả hình 3.5 Trong trường hợp này, MN di chuyển từ mạng đến mạng Giả sử ngưỡng độ dài chuỗi chuyển tiếp Khi MN di chuyển đến mạng 2, đăng ký RCoA LER/FA1 trước đó, LER/FA chủ Tương tự MN di chuyển vào mạng 3, thơng báo RCoA cho LER/FA2 trước Trong trường hợp này, gói liệu MN bị chặn lại LERG gửi tới LER/FA chủ cách sử dụng LSP thời LERG LER/FA1 Sau đó, gói tin chuyển tiếp dọc theo chuỗi FA đến MN Nhờ vậy, chi phí cập nhật vùng giảm nhiều khoảng cách hai LER/FA lân cận thường ngắn khoảng cách LER/FA LERG Ngưỡng độ dài chuỗi chuyển tiếp đạt MN đăng ký với LERG cập nhật RCoA tới gốc miền Cùng thời điểm đó, LER/FA4 trở thành FA chủ chuỗi chuyển tiếp Cơ chế MPLS di động FC-Micro miêu tả mã sau %Các t ủ tục đăn ký vùn Khởi tạo i=0; IF (MN vào mạng mới) 58 So sánh địa LER/FA với địa đệm; IF (Địa có sẵn đệm) Lấy từ đệm hàng (rg) mạng này; i=rg; ELSE Ghi lại địa LER/FA vào đệm; i=i+1; ENDIF IF (i