Đề tài Kỹ thuật lưu lượng trong mạng chuyển mạch nhãn đa giao thức

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Trang phụ bìa VŨ VĂN TRƯỞNG TÊN CỦA LUẬN VĂN KỸ THUẬT LƯU LƯỢNG TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC Ngành : Công nghệ Điện tử- Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60.52.70 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS TRẦN QUANG VINH Hà Nội - 2009 Trang-2- LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn bộ những nội dung và số liệu trong luận văn thạc sĩ: “Kỹ thuật lưu lượng trong mạng chuyển mạch nhãn đa giao thức” là do tôi tự nghiên cứu và thực hiện. Học viên thực hiện luận văn Vũ Văn Trưởng Trang-3- LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành chương trình cao học và viết luận văn này, Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn đến quí thầy cô trường Đại học Công nghệ- Đại học Quốc gia Hà Nội, đặc biệt là những thầy cô đã tận tình dạy bảo cho tôi suốt thời gian học tập tại trường. Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến Phó giáo sư – Tiến sĩ Trần Quang Vinh đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu và giúp tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp quí báu của quí thầy cô và các bạn. Hà Nội, tháng 12 năm 2009 Học viên Vũ Văn Trưởng Trang-4- MỤC LỤC Trang phụ bìa .................................................................................................1 LỜI CAM ĐOAN ...........................................................................................2 LỜI CẢM ƠN.................................................................................................3 MỤC LỤC ......................................................................................................4 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ..............................................................................7 DANH SÁCH CÁC BẢNG .......................................................................... 11 DANH SÁCH CÁC HÌNH MINH HỌA ..................................................... 11 MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 13 Chương 1: CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC MPLS ................ 15 1.1 Tổng quan ........................................................................................... 15 1.1.1 Tính thông minh phân tán ........................................................... 15 1.1.2 MPLS và mô hình tham chiếu OSI .............................................. 16 1.2 Các khái niệm cơ bản trong MPLS ................................................... 17 1.2.1 Miền MPLS (MPLS domain) ...................................................... 17 1.2.2 Lớp chuyển tiếp tương đương (FEC) ......................................... 18 1.2.3 Nhãn và chồng nhãn.................................................................... 18 1.2.4 Hoán đổi nhãn (Label Swapping) ............................................... 19 1.2.5 Đường chuyển mạch nhãn LSP (Label Switched Path)............. 19 1.2.6 Chuyển gói qua miền MPLS ....................................................... 21 1.3 Mã hóa nhãn và các chế độ đóng gói nhãn MPLS............................ 21 1.3.1 Mã hóa chồng nhãn ..................................................................... 21 1.3.2 Chế độ Frame .............................................................................. 23 1.3.3 Chế độ Cell................................................................................... 23 1.4 Cấu trúc chức năng MPLS ................................................................ 25 1.4.1 Kiến trúc một nút MPLS (LER và LSR).................................... 25 1.4.2 Mặt phẳng chuyển tiếp (mặt phẳng dữ liệu) .............................. 26 1.4.3 Mặt phẳng điều khiển.................................................................. 28 1.5 Hoạt động chuyển tiếp MPLS ........................................................... 28 1.5.1 Hoạt động trong mặt phẳng chuyển tiếp .................................... 28 1.5.2 Gỡ nhãn ở chặng áp cuối PHP (Penultimate Hop Popping)...... 29 1.5.3 Một ví dụ hoạt động chuyển tiếp gói........................................... 30 1.6 Ưu điểm và ứng dụng của MPLS ...................................................... 31 1.6.1 Đơn giản hóa chức năng chuyển tiếp .......................................... 31 1.6.2 Kỹ thuật lưu lượng ...................................................................... 31 1.6.3 Định tuyến QoS từ nguồn............................................................ 31 1.6.4 Mạng riêng ảo VPN ..................................................................... 31 1.6.5 Chuyển tiếp có phân cấp (Hierachical forwarding) ................... 32 1.6.6 Khả năng mở rộng (Scalability) .................................................. 32 1.7 Tổng kết chương ................................................................................ 32 Chương 2: ĐỊNH TUYẾN VÀ BÁO HIỆU MPLS ..................................... 34 2.1 Định tuyến trong MPLS .................................................................... 34 2.1.1 Định tuyến ràng buộc (Constrain-based Routing) ..................... 34 2.1.2 Định tuyến tường minh (Explicit Routing)................................. 35 2.2 Các chế độ báo hiệu MPLS................................................................. 36 2.2.1 Chế độ phân phối nhãn ............................................................... 36 Trang-5- 2.2.2 Chế độ duy trì nhãn..................................................................... 37 2.2.3 Chế độ điều khiển LSP ................................................................ 38 2.2.4 Các giao thức phân phối nhãn MPLS......................................... 39 2.3 Giao thức phân phối nhãn LDP (Label Distribution Protocol) ....... 40 2.3.1 Hoạt động của LDP ..................................................................... 40 2.3.2 Cấu trúc thông điệp LDP ............................................................ 42 2.3.3 Các bản tin LDP [1]..................................................................... 44 2.3.4 LDP điều khiển độc lập và phân phối theo yêu cầu ................... 45 2.4 Giao thức CR-LDP (Constrain-based routing LDP)........................ 46 2.4.1 Mở rộng cho định tuyến ràng buộc ............................................ 46 2.4.2 Thiết lập một CR-LSP (Constrain-based routing LSP)............. 47 2.4.3 Tiến trình dự trữ tài nguyên ....................................................... 48 2.5 Giao thức RSVP-TE (RSVP Traffic Engineering) [3]...................... 49 2.5.1 Các bản tin thiết lập dự trữ RSVP [1] ........................................ 49 2.5.2 Các bản Tear Down, Error và Hello của RSVP-TE [1]............. 50 2.5.3 Thiết lập tuyến tường minh điều khiển tuần tự theo yêu cầu.... 51 2.5.4 Giảm lượng overhead làm tươi RSVP ........................................ 52 2.6 Tổng kết chương ................................................................................ 53 Chương 3: KỸ THUẬT LƯU LƯỢNG TRONG MPLS ............................ 54 3.1 Kỹ thuật lưu lượng (Traffic Engineering) ......................................... 54 3.1.1 Các mục tiêu triển khai kỹ thuật lưu lượng ................................ 54 3.1.2 Các lớp dịch vụ dựa trên nhu cầu QoS và các lớp lưu lượng ..... 55 3.1.3 Hàng đợi lưu lượng....................................................................... 56 3.1.4 Giải thuật Leaky Bucket và Token Bucket ................................. 59 3.1.5 Giải pháp mô hình chồng phủ (Overlay Model) ......................... 62 3.2 MPLS và kỹ thuật lưu lượng .............................................................. 62 3.2.1 Khái niệm trung kế lưu lượng (traffic trunk) ............................. 63 3.2.2 Đồ hình nghiệm suy (Induced Graph) ......................................... 64 3.2.3 Bài toán cơ bản của kỹ thuật lưu lượng trên MPLS................... 64 3.3 Trung kế lưu lượng và các thuộc tính ................................................ 64 3.3.1 Các hoạt động cơ bản trên trung kế lưu lượng ........................... 65 3.3.2 Thuộc tính tham số lưu lượng (Traffic Parameter) .................... 65 3.3.3 Thuộc tính lựa chọn và quản lý đường (chính sách chọn đường) ................................................................................................................ 66 3.3.4 Thuộc tính ưu tiên / lấn chiếm (Priority/Preemption) ................ 67 3.3.5 Thuộc tính đàn hồi (Resilience) ................................................... 68 3.3.6 Thuộc tính khống chế (Policing) .................................................. 68 3.4 Các thuộc tính tài nguyên................................................................... 68 3.4.1 Bộ nhân cấp phát cực đại (maximum allocation multiplier) ...... 68 3.4.2 Lớp tài nguyên (Resource-Class) ................................................. 69 3.4.3 Độ đo TE ....................................................................................... 69 3.5 Tính toán đường ràng buộc ................................................................ 69 3.5.1 Quảng bá các thuộc tính của liên kết........................................... 69 3.5.2 Tính toán LSP ràng buộc (CR-LSP)............................................ 71 3.5.3 Giải thuật chọn đường.................................................................. 71 3.5.4 Ví dụ về chọn đường cho trung kế lưu lượng.............................. 72 Trang-6- 3.5.5 Tái tối ưu hóa (Re-optimization).................................................. 74 3.6 Bảo vệ và khôi phục đường ................................................................ 75 3.6.1 Phân loại các cơ chế bảo vệ khôi phục......................................... 76 3.6.2 Mô hình Makam ........................................................................... 77 3.6.3 Mô hình Haskin (Reverse Backup).............................................. 77 3.6.4 Mô hình Hundessa........................................................................ 78 3.6.5 Mô hình Shortest-Dynamic .......................................................... 79 3.6.6 Mô hình Simple-Dynamic ............................................................ 79 3.6.7 Mô hình Simple-Static.................................................................. 80 3.7 Tổng kết chương ................................................................................. 80 Chương 4: MÔ PHỎNG MPLS-TE VÀ ĐÁNH GIÁ ................................. 81 4.1 Phương pháp và công cụ mô phỏng ................................................... 81 4.1.1 Phương pháp phân tích ................................................................ 81 4.1.2 Chuẩn bị công cụ mô phỏng......................................................... 82 4.2 Nội dung và kết quả mô phỏng........................................................... 82 4.2.1 Mô phỏng mạng IP không hỗ trợ MPLS ..................................... 83 4.2.2 Mô phỏng định tuyến ràng buộc trong mạng MPLS .................. 84 4.2.3 Mô phỏng hoạt động lấn chiếm (Preemption) với các độ ưu tiên ................................................................................................................ 87 4.2.4 Mô phỏng khôi phục đường theo cơ chế Makam........................ 89 4.2.5 Mô phỏng khôi phục đường theo cơ chế Haskin (Reverse Backup).................................................................................................. 91 4.2.6 Mô phỏng khôi phục đường theo cơ chế Shortest-Dynamic....... 93 4.2.7 Mô phỏng khôi phục đường theo cơ chế Simple-Dynamic ......... 94 4.3 Tổng kết chương ................................................................................. 96 KẾT LUẬN................................................................................................... 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................ 99 PHỤ LỤC: MÃ NGUỒN CÁC BÀI MÔ PHỎNG.................................... 100 Trang-7- THUẬT NGỮ VIẾT TẮT AAL ATM Adaptation Layer- Lớp thích ứng ATM AS Autonomous System- Hệ thống tự trị ASIC Application-Specific Integrated Circuit- Mạch tích hợp ứng dụng riêng ATM Asynchronous Transfer Mode- Chế độ chuyển tải không đồng bộ BGP Border Gateway Protocol- Giao thức cổng biên CBQ Class Based Queueing- Hàng đợi theo lớp CBR Constant Bit Rate- Tốc độ bít không đổi CBS Committed Burst Size- Kích thước chùm xung cam kết CDR Committed Data Rate- Tốc độ dữ liệu cam kết CLIP Classical IP- IP truyền thống CQ Custom Queuing- Hàng đợi chỉ định CR Constraint-based Routing- Định tuyến ràng buộc CR-LDP Constraint-based Routing Label Distribution Protocol- Giao thức phân phối nhãn dưa trên định tuyến ràng buộc CR-LSP Constraint-based Routing Label Switched Path- Đường chuyển mạch nhãn dựa trên định tuyến ràng buộc CSPF Constrained Shortest Path First Diffserv Differentiated Service- Dịch vụ phân biệt dựa trên đường dẫn ngắn nhất có ràng buộc DLCI Data Link Connection Identifier- Nhận dạng kết nối liên kết dữ liệu DSCP Service Code Point- Điểm mã dịch vụ eBGP exterior Border Gateway Protocol- Giao thức cổng biên ngoài EBS Excess Burst Size- Kích thước chùm xung tới hạn EGP External (Exterior) Gateway Protocol- Giao thức cổng ngoài ER Explicit Route- Định tuyến tường minh ERB Explicit Route Information Base- Cơ sở thông tin định tuyến tường minh ERO Explicit Route Object- Đối tượng định tuyến tường minh EXP Experimental field- Trường ưu tiên FDDI Fibre Distributed Data Interface- Giao diện dữ liệu phân phối sợi FEC Forwarding Equivalence Class- Lớp chuyển tiếp tương đương FF Fixed Filter (RSVP reservation style)- Bộ lọc cố định Trang-8- FIB Forwarding Infomation Base- Cơ sở thông tin chuyển tiếp FIFO First-in First-out- Vào trước ra trước FIS Fault Information Signal- Tín hiệu thông tin lỗi FR Frame Relay- Chuyển mạch khung FRS Fault Recovery Signal- Tín hiệu khôi phục lỗi FTN FEC to NHLFE Map- Ánh xạ FEC tới NHLFE GFC Generic Flow Control (ATM)- Điều khiển luồng chung GMPLS Generalized MPLS- MPLS tổng quan HEC Header Error Control (ATM)- Điều khiển lỗi tiêu đề iBGP interior Border Gateway Protocol- Giao thức cổng biên nội IETF Internet Engineering Task Force- Nhóm đặc trách kỹ thuật Internet IGP Interior Gateway Protocol- Giao thức cổng nội ILM Incoming Label Map- Ánh xạ nhãn đến IP Internet Protocol- Giao thức Internet ISDN Intergrated Services Digital Network- Mạng số tích hợp đa dịch vụ IS-IS Intermediate System - to - Intermediate System- Hệ thống chuyển tiếp IS-IS TE IS-IS with Traffic Engineering- IS-IS với kỹ thuật lưu lượng LC-ATM Label Controlled ATM Interface- Nhãn được điều khiển qua giao tiếp ATM Asynchronous Transfer Mode – Chế độ truyền không đồng bộ LDP Label Distribution Protocol- Giao thức phân phối nhãn LER Label Edge Router- Router biên nhãn LFIB Label Forwarding Information Base- Cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn LIB Label Information Base- Cơ sở thông tin nhãn LIFO Last-in First-out- Vào sau ra trước LSA Link State Advertisements- Quảng bá trạng thái liên kết LSP Label Switched Path- Đường chuyển mạch nhãn LSR Label Switching Router- Router chuyển mạch nhãn MNS MPLS module for Network Simulator- Mô đun mô phỏng mạng MPLS MultiProtocol Label Switching- Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLSCP MPLS Control Protocol- Giao thức điều khiển MPLS MPLS-TE MPLS Traffic Engineering- Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS MPOA Multiprotocol over ATM- Đa giao thức trên ATM MSC Mobile Switching Centre- Trung tâm chuyển mạch di động Trang-9- MTU Maximum Transfer Unit- Đơn vị truyền cưc đại NAM Network Animator- Mô phỏng mạng NCP Network Control Program- Chương trình điều khiển mạng NGN Next Generation Network- Mạng thế hệ mới NHLFE Next Hop Label Forwarding Entry- Mục nhập chuyển tiếp nhãn ở chặng kế tiếp NHRP Next Hop Resolution Protocol- Giao thức phân giải chặng kế tiếp NS Network Simulator- Mô phỏng mạng OSI Open System Interconnection- Kết nối các hệ thống mở OSPF Open Shortest Path First- Giao thức lựa chọn đường dẫn ngắn nhất OSPF-TE OSPF with Traffic Engineering- OSPF với kỹ thuật lưu lượng PBS Peak Burst Size- Kích thước chùm xung đỉnh PDR Peak Data Rate- Tốc độ dữ liệu đỉnh PDU Protocol Data Unit- Đơn vị dữ liệu giao thức PHP Penultimate Hop Popping- Gỡ nhãn ở chặng áp cuối PoR Point of Repair- Điểm sửa chữa PPP Point to Point Protocol- Giao thức kết nối điểm điểm PQ Priority Queuing- Hàng đợi ưu tiên PSL Path Switch LSR- LSR chuyển đổi đường dẫn PTI Payload Type Identifier (ATM)- Bộ nhận dạng gói PVC Permanent Virtual Connection- Mạch ảo cố định QoS Quality of Service- Chất lượng dịch vụ RED Random Early Detection (Discard)- Sự phát hiện ngẫu nhiên sớm RFC Request for Comments - Đề nghị duyệt thảo và bình luận RIB Routing Information Base- Cơ sở thông tin định tuyến RSVP Resource reSerVation Protocol- Giao thức dự trữ tài nguyên RSVP-TE RSVP with Traffic Engineering- RSVP với kỹ thuật lưu lượng SDH Synchronous Digital Hierarchy- Phân cấp số đồng bộ SLA Service Level Agreement- Thỏa thuận mức dịch vụ SONET Synchronous Optical Network- Mạng quang đồng bộ SPF Shortest Path First- Tìm đường ngắn nhất TCP Transmission Control Protocol- Giao thức điều khiển truyền dữ liệu TE Traffic Engneering- Kỹ thuật lưu lượng TLV Type/Length/Value - Kiểu/ Độ dài/ Giá trị ToS Type of Service- Loại dịch vụ Trang-10- TT Traffic Trunk- Trung kế lưu lượng TTL Time To Live- Thời gian sống UBR Unspecified Bit Rate- Tốc độ bít không xác định UDP User Datagram Protocol- Giao thức gói tin người dùng VC Virtual Circuit- Kênh ảo VCI Virtual Circuit Identifier- Bộ nhận dạng kênh ảo VPI Virtual Path Identifier- Bộ nhận dạng đường ảo VPN Virtual Private Network- Mạng riêng ảo WFQ Weighted Fair Queuing- Hàng đợi cân bằng có trọng số Trang-11- DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 1: Một số giao thức phân phối nhãn trong MPLS..................................40 Bảng 2: Các loại bản tin LDP ...........................................................................43 Bảng 3: Các lớp dịch vụ kỹ thuật lưu lượng ....................................................56 DANH SÁCH CÁC HÌNH MINH HỌA Hình 1: MPLS và mô hình tham chiếu OSI .....................................................16 Hình 2: So sánh giữa chuyển tiếp IP và chuyển tiếp MPLS ............................16 Hình 3: Miền MPLS ..........................................................................................17 Hình 4: Upstream và downstream LSR ...........................................................17 Hình 5: Lớp chuyển tiếp tương đương trong MPLS .......................................18 Hình 6: Chồng nhãn..........................................................................................19 Hình 7: Đường chuyển mạch nhãn LSP...........................................................20 Hình 8: Phân cấp LSP trong MPLS .................................................................20 Hình 9: Gói IP đi qua mạng MPLS ..................................................................21 Hình 10: Định dạng một entry trong stack nhãn MPLS .................................22 Hình 11: Shim header được “chêm” vào giữa header lớp 2 và lớp 3..............23 Hình 12: Nhãn trong chế độ cell ATM .............................................................24 Hình 13: Đóng gói (encapsulation) gói có nhãn trên liên kết ATM ................24 Hình 14: Cấu trúc của LER và transit-LSR ....................................................25 Hình 15: FTN, ILM và