Đề tài Nghiên cứu mô phỏng đánh giá chất lượng dịch vụ trên mạng mpls

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN HOÀNG TRƯỜNG NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRÊN MẠNG MPLS LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2009 2 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC ...........................................................................................................1 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................................5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ....................................................................................7 DANH MỤC CÁC BẢNG .........................................................................................9 MỞ ĐẦU .........................................................................................................10 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC .11 1.1. Khái quát về Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS ...............................11 1.1.1. Giới thiệu .................................................................................................11 1.1.2. Vấn đề của mạng IP và ATM ...................................................................12 1.2. Công nghệ Chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS) ................................14 1.2.1. Sự ra đời của MPLS .................................................................................14 1.2.2. Một số đặc điểm của MPLS......................................................................15 1.2.3. Một số ưu điểm của MPLS .......................................................................17 1.3. Các thành phần cơ bản Chuyển mạch nhãn Đa giao thức .........................20 1.3.1. Định tuyến Cơ bản....................................................................................20 1.3.2. Các Khái niệm Cơ sở................................................................................22 1.4. Các Thành phần điều khiển hoạt động của Hệ thống MPLS ....................25 1.4.1. Thành phần chuyển tiếp chuyển mạch nhãn..............................................25 1.4.2. Các thiết bị cơ bản của MPLS ..................................................................28 1.4.3. Các Giao thức sử dụng trong MPLS .........................................................28 1.5. Các ứng dụng của Chuyển mạch nhãn Đa giao thức .................................30 CHƯƠNG 2: CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC ..................................................................................34 2.1. Vấn đề Chất lượng dịch vụ (QoS) ...............................................................34 2.1.1. Chất lượng dịch vụ là gì ?.........................................................................34 2.1.2. Những lợi ích của QoS .............................................................................34 2.2. Các đặc tính QoS..........................................................................................36 2.2.1. Băng thông (bandwidth) ...........................................................................36 3 2.2.2. Độ trễ (delay) ...........................................................................................37 2.2.3. Độ trượt (Jitter) ........................................................................................37 2.2.4. Mất gói (loss) ...........................................................................................38 2.2.5. Hoạt động của QoS...................................................................................38 2.3. Các công nghệ QoS ......................................................................................39 2.3.1. Cơ chế Xử lý Lưu thông ...........................................................................39 2.3.2. Các cơ chế cung cấp và thiết lập ...............................................................41 2.3.3. Chất lượng................................................................................................43 2.4. Chất lượng dịch vụ trong MPLS .................................................................43 2.4.1. Kỹ thuật lưu lượng trước MPLS ...............................................................44 2.4.2. Kỹ thuật lưu lượng với MPLS ..................................................................44 2.5. MPLS và công nghệ định luồng...................................................................48 CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ ĐỊNH LUỒNG (STREAMING) ...........................50 3.1. Tổng Quan về Công nghệ Streaming Media...............................................50 3.1.1. Codecs – Nén dữ liệu ...............................................................................50 3.1.2. Luồng Video làm việc như thế nào ? ........................................................52 3.1.3. Các thiết bị của Hệ thống Luồng Video ....................................................53 3.1.4. Các Thông số mạng cần quan tâm ............................................................54 3.2. Bộ Mã hoá/Giải mã và các chuẩn định luồng Media..................................58 3.2.1. H.263 .......................................................................................................58 3.2.2. Tổng quan về MPEG-1.............................................................................60 3.2.3. Tổng quan MPEG-2 .................................................................................60 3.2.4. MPEG-4 ...................................................................................................61 3.3. Các giao thức Định luồng Video..................................................................66 3.3.1. Tổng quan về các giao thức. .....................................................................66 3.3.2. Real-Time Transport Protocol (RTP)........................................................67 3.3.3. Real-Time Control Protocol (RTCP) ........................................................69 3.3.4. Resource Reservation Protocol (RSVP)....................................................71 3.3.5. Real-Time Streaming Protocol .................................................................73 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG TRONG ĐỊNH LUỒNG MPLS ....................................................................77 4.1 Lựa chọn tiêu chí đánh giá chất lượng Định luồng Đa phương tiện..........77 4.1.1. Những Tiêu chuẩn Chất lượng Định luồng ...............................................77 4.1.2. Thiết lập các tiêu chí kiểm tra chất lượng định luồng................................80 4.1.3. Lựa chọn các tiêu chuẩn đánh giá chất lượng Định luồng Đa phương tiện khi sử dụng Chuyển mạch nhãn Đa giao thức ...........................................81 4 4.2 Xây dựng mô hình thực nghiệm mô phỏng Công nghệ định luồng trên MPLS..........................................................................................................83 4.2.1. Phương pháp tiến hành .............................................................................83 4.2.2. Xây dựng mô hình thực nghiệm................................................................83 4.3 Xây dựng Phần mềm Đánh giá Chất lượng định luồng MPLS..................90 4.3.1. Phân rã Chức năng ...................................................................................90 4.3.2. Sơ đồ luồng dữ liệu ..................................................................................91 4.3.3. Lựa chọn Công cụ Lập trình .....................................................................93 4.3.4. Mô tả chi tiết các Module Chương trình ...................................................93 4.3.5. Kết xuất các Tiêu chí thời gian .................................................................97 4.3.6. Kết xuất Tiêu chí Chất lượng Hình ảnh, Âm thanh ...................................98 4.4 Kết quả và Đánh giá.....................................................................................99 4.4.1. Các tiêu chí thời gian..............................................................................100 4.4.2. Độ mất mát gói tin..................................................................................100 KẾT LUẬN .......................................................................................................109 TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................110 PHỤ LỤC A .......................................................................................................111 PHỤ LỤC B .......................................................................................................115 PHỤ LỤC C .......................................................................................................119 5 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ Truyền không đồng bộ BGP Border Gateway Protocol Giao thức Cổng biên CoS Class of Service Lớp dịch vụ CBR Constant Bit Rate Ứng dụng phát ra các yêu cầu truyền có tốc độ bit không đổi CR-LDP Constraint-base routing LDP Giao thức phân phối nhãn dùng định tuyến dựa vào các ràng buộc EGP Exterior Gateway Protocol Giao thức Cổng ngoài FEC Forwarding Equivalence Class Lớp tương đương về mặt chuyển tiếp. Khái niệm của MPLS để chỉ việc phân loại các gói tin về phương diện chuyển tiếp FTN FEC to NHLFE Map Ánh xạ từ FEC và NHLFE GMPLS Generalized Multiprotocol Label Switching Chuyển mạch nhãn Đa giao thức Tổng quát hoá IETF Internet Engineering Task Force Nhóm làm việc về các cơ cấu trên Internet IGP Interior Gateway Protocol Giao thức Cổng Nội bộ IML Incoming Label Map Ánh xạ Nhãn đến LDP Label Distribution Protocol Giao thức Phân phối nhãn LER Label Edge Router Định tuyến Nhãn Biên LIB Label Information Base Cơ sở thông tin nhãn LSP Label Switching Path Tuyến Chuyển mạch nhãn LSR Label Switching Router Định tuyến chuyển mạch nhãn MPLambdaS Multiprotocol Lambda Switching Chuyển mạch nhãn Đa giao thức dựa vào Thông tin quang MPLS Multiprotocol Label Switching Chuyển mạch nhãn Đa giao thức MPEG Moving Picture Experts Group Nhóm các chuyên gia về Hình ảnh chuyển động, đồng tgời là tên chuẩn mã hoá dữ liệu đa phương tiện mà nhóm này đưa ra NHLFE Next Hop Label Forwarding Entry Mục Chuyển Nhãn cho điểm tiếp theo NS Network Simulation Mô phỏng Mạng - Sản phẩm mô phỏng của Phòng thí nghiệm Lawrence Berkeley National Laboratory OSPF Open Shortest Path First Phương pháp lựa chọn định tuyến dựa và đường đi ngắn nhất PCM Pulse Code Modulator Bộ điều chế xung mã QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RIP Routing Information Protocol Giao thức Thông tin định tuyến RSVP Resource Reservation Protocol Giao thức Đặt trước Tài nguyên 6 RTP Real-Time Protocol Giao thức Thời gian thực – Giao thức vân chuyển chính của các Công nghệ thời thực RTCP Real-Time Control Protocol Giao thức Điều khiển Thời gian thực RTSP Real-Rime Streaming Protocol Giao thức định luồng thời gian thực. Giao thức mức ứng dụng của công nghệ định luồng TE Traffic Engineering Kỹ thuật điều khiển lưu lượng TTL Time-To-Live Thời gian sống. Thường là thời gian tồn tại của một gói tin trên đường truyền UDP Universal Datagram Protocol Giao thức Mô hình dữ liệu Tổng quát VC Virtual Chanel Kênh ảo. Khái niệm của ATM để chỉ một tuyến dữ liệu VCI Virtual Chanel Định danh mạch ảo 7 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Định tuyến trong mạng IP .........................................................................12 Hình 1.2: Mô hình chồng lấn trên mạng IP/ATM .......................................................14 Hình 1.3: Ví dụ về chuyển mạch truyền thống ............................................................20 Hình 1.4: Ví dụ về MPLS TE ......................................................................................22 Hình 1.5: Định dạng nhãn MPLS chung ....................................................................23 Hình 1.6: Lớp liên kết dữ liệu ATM............................................................................23 Hình 1.7: Ngăn xếp nhãn. ..........................................................................................24 Hình 1.8: Minh hoạ lớp chuyển tiếp tương đương. .....................................................24 Hình 1.9: Giao thức LDP với các giao thức khác. ......................................................29 Hình 1.10: Thủ tục báo hiệu trong RSVP. ..................................................................30 Hình 1.11: Mạng Nhà cung cấp dich vụ ....................................................................30 Hình 1.12: IP over ATM với vấn đề N(N-1)/2.............................................................31 Hình 1.13: MPLS trên các mạng ATM đã tồn tại .......................................................32 Hình 1.14: Ánh xạ MPLS/ATM QoS ...........................................................................32 Hình 2.1: Ví dụ về độ trượt ........................................................................................37 Hình 2.2: Mất gói trong mạng....................................................................................38 Hình 2.3: Mối liên hệ giữa Công nghệ định luồng và MPLS ......................................49 Hình 3.1: Truyền dữ liệu Video bằng phương pháp Download file Video...................52 Hình 3.2: Truyền Video theo phương pháp Luồng Video............................................53 Hình 3.3: Bộ đệm ra được sử dụng để lưu trữ truyền đẳng thời .................................53 Hình 3.4: Máy chủ gửi các luồng video riêng biệt đến mỗi điểm ................................55 Hình 3.5: Multicast ....................................................................................................55 Hình 3.6: Ethernet chuyển mạch cho truyền trên mạng LAN tín hiệu Video luồng .....56 Hình 3.7: Tín hiệu Video được định luồng thông qua Internet....................................57 Hình 3.8: Thâm nhập Video đã định luồng thông qua mạng truyền thông công cộng 57 Hình 3.9: Bộ mã hoá trong mã hoá H.263..................................................................59 Hình 3.10: Quá trình giải mã H.263 ..........................................................................60 Hình 3.11: Mô hình hệ thống MPEG-1 và MPEG-2 ...................................................61 Hình 3.12: Kiến trúc Dựa vào đối tượng (Object-Based) ...........................................63 Hình 3.13: Truyền dữ liệu đã định luồng....................................................................65 Hình 3.14: Các phiên bản của MPEG-4.....................................................................66 Hình 3.15: Các Giao thức Định luồng và ngăn xếp TCP/IP .......................................67 Hình 3.16: Đóng gói RTP ..........................................................................................68 Hình 3.17: Khuôn dạng Header RTP .........................................................................69 Hình 3.18: Gói tin RTCP Sender Report ....................................................................71 Hình 3.19: Kết hợp các yêu cầu RSVP Multicast........................................................72 Hình 3.20: Quy trình Yêu cầu RSVP ..........................................................................73 8 Hình 3.21: Kết nối điều khiển RTSP...........................................................................75 Hình 3.22: Kết nối RTSP............................................................................................76 Hình 3.23: Các trạng thái của RTSP[12] ...................................................................76 Hình 4.1: Mô hình thực nghiệm.................................................................................87 Hình 4.2: Mô hình mô phỏng trên NS2.......................................................................88 Hình 4.3: Khuôn dạng file log. ...................................................................................89 Hình 4.4: Quy trình tiến hành thực nghiệm ................................................................90 Hình 4.5: Phân rã Chức năng của Chương trình........................................................91 Hình 4.6: Sơ đồ luồng dữ liệu ....................................................................................92 Hình 4.7: Lưu đồ Thuật toán Mô phỏng Máy trạm Định luồng ..................................96 Hình 4.8: Lưu đồ Thuật toán Kết xuất các Tiêu chí thời gian .....................................98 Hình 4.9: Lưu đồ Thuật toán Kết xuất Tiêu chí Chất lượng Hình ảnh Âm thanh ........99 Hình 4.10: Độ mất mát gói tin toàn thể của 3 đoạn phim .........................................101 Hình 4.11: Độ mất mát gói tin của Phim Công viên kỷ Jura ( không MPLS) ............103 Hình 4.12: Độ mất mát gói tin của Phim Ngài Bean ( không MPLS) ........................103 Hình 4.13: Độ mất mát gói tin của Phim Aladdin và cây đèn thần (không MPLS)....104 Hình 4.14: Độ mất mát gói tin của Phim Công viên kỷ Jura (có MPLS) ...................104 Hình 4.15: Độ mất mát gói tin của Phim Ngài Bean ( có MPLS)..............................105 Hình 4.16: Độ mất mát gói tin của Aladdin và cây đèn thần ( có MPLS)..................105 Hình 4.17: So sánh độ mất mát gói tin giữa 2 trường hợp (có MPLS và không MPLS) của Phim Công viên kỷ Jura ...................................................................106 Hình 4.18: So sánh độ mất mát gói tin giữa 2 trường hợp (có MPLS và không MPLS) của Phim Ngài Bean ...............................................................................106 Hình 4.19: So sánh độ mất mát gói tin giữa 2 trường hợp (có MPLS và không MPLS) của Aladdin và cây đèn thần ...................................................................107 Hình 4.20: So sánh Độ mất mát cực đại trên 2 hệ thống ..........................................107 Hình 4.21: So sánh Độ mất mát trung bình trên 2 hệ thống......................................108 9 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Các công nghệ chuyển mạch đa lớp ...........................................................15 Bảng 2.1: Một số vấn đề gặp phải khi mạng không hỗ trợ QoS .................................35 Bảng 4.1 Các tiêu chí lựa chọn để đánh giá chất lượng định luồng ...........................82 Bảng 4.2 Khuôn dạng của file dữ liệu mã hóa............................................................85 Bảng 4.3 Các bộ phim lựa chọn và thể loại................................................................86 Bảng 4.4 Thông số kỹ thuật của Phim Công viên kỷ Jura...........................................86 Bảng 4.5 Thông số kỹ thuật của Phim Ngài Bean.......................................................86 Bảng 4.6 Thông số kỹ thuật của Phim Aladin và Cây đèn thần...................................87 Bảng 4.7 Các Tham số của Mô hình thực nghiệm ......................................................87 Bảng 4.8 Các Module chức năng của Chương trình...................................................91 Bảng 4.9 Thống kê gói tin của Công viên kỷ Jura ....................................................102 Bảng 4.10 Thống kê gói tin của Ngài Bean ..............................................................102 Bảng 4.11 Thống kê gói tin của Aladdin và cây đèn thần .........................................102 10 MỞ ĐẦU Trong thời gian qua mạng Internet đã phát triển một cách bùng nổ, với các dịch vụ mạng phổ biến như mạng xã hội, blog, chia sẻ video, và đặc biệt là các dịch vụ điện toán đám mây. Đằng sau các thành công rực rỡ của dịch vụ trực tuyến trên có thể kể đến sự trợ giúp đắc lực của công nghệ mạng lõi và đặc biệt là Công nghệ Chuyển mạch nhãn Đa giao thức (MPLS). Vậy với công nghệ như vậy, bên cạnh việc tìm hiểu để làm chủ công n