Lời cam đoan
Đồ án tốt nghiệp là một thước đo đánh giá kết quả học tập sau 5 năm học của
sinh viên tại giảng đường đại học Bách Khoa, mỗi sinh viên lựa chọn cho mình một
đề tài tốt nghiệp phù hợp với hướng nghề nghiệp của mình trong tương lai. Ý thức
được điều này em đã cố gắng lựa chọn cho mình một đề tài phù hợp mình và đã cố
gắng hết sức hoàn thành đề tài của mình.
Trong tình hình rất phổ biến hiện nay nhiều sinh viên sử dụng những đồ án đã
làm trước để đưa vào đồ án của mình, sử dụng các chương trình mô phỏng mã
nguồn mở để đưa vào đề tài của mình mà không tuân theo đúng nguyên tắc về sở
hữu trí tuệ trong khi sử dụng phần mền nguồn mở, xâm phạm quyền sở hữu trí tuệ
của người khác. Là một sinh viên năm cuối, em đã ý thức rõ về vấn đề và quyết tâm
tuân theo đúng quy định về sở hữu trí tuệ, những thông tin em sử dụng trong đồ án
nếu lấy từ bên ngoài đều có trích dẫn đầy đủ nhưng thông tin về tác giả, tuân theo
đúng quy định trên thế giới hiện nay.
Một lần nữa em xin cam đoan nội dung đồ án hoàn toàn không sử dụng bất cứ
tài liệu đồ án, công trình khoa học nào từ trước đến nay, các đoạn mã và chương
trình mô phỏng là hoàn toàn tự làm không lấy từ bất cứ công trình nào trước đây.
Đà Nẵng, ngày 7 tháng 1 năm 2008
Sinh viên thực hiện
Mục lục
Lời cam đoan 1
Mục lục 2
6
Các từ viết tắt 7
Chương 1. Tổng quan về chuyển mạch nhãn đa giao thức 1
Phần 1: Lý thuyết 2
Chương 1. Tổng quan về chuyển mạch nhãn đa giao thức 2
1.1 Giới thiệu 2
1.2 Sơ lược lịch sử MPLS và nguyên nhân của sự ra đời của MPLS 2
2.8 Các dạng thông tin chính được phân phối 34
2.8.1 Băng thông có sẵn 34
2.8.2 Độ ưu tiên đường hầm 35
2.8.3 Các cờ thuộc tính 36
2.9 Thông tin được phân phối như thế nào ? 36
2.10 Kết luận 37
Chương 3: Cân bằng tải trong MPLS-TE, thuật toán LCM 38
3.1. Giới thiệu 38
3.2 Sự cần thiết của cần bằng tải trong thực tế 39
3.3. Tiếp cận phương pháp cân bằng tải động 40
3.4. Thuật toán LCM cân bằng tải 42
3.5. Bài lab kiểm tra 44
3.6 Kết luận 46
Phần 2: Thực nghiệm 47
Chương 4. Chương trình mô phỏng và bài lab kiểm tra 47
4.1 Giới thiệu 47
4.2 Triển khai bài lab kiểm tra trên thiết bị thực 47
4.3 Chương trình mô phỏng mạng Network Simulator 48
4.4 Các bước tiến hành mô phỏng 52
4.5. Kết quả 61
4.6 Kết luận 68
Kết thúc và hướng phát triển đề tài 69
Tài liệu tham khảo 70
Phụ lục 72
Lời nói đầu
Khi đối mặt với sự phát triển và mở rộng mạng có hai vấn đề cần quan tâm:
kỹ thuật mạng (network engineering) và kỹ thuật lưu lượng (traffic engineering).
Kỹ thuật mạng là tổ chức mạng phù hợp với lưu lượng. Ban đầu phải có dự đoán tốt
nhất về lưu lượng trên mạng để sử dụng các mạch và các thiết bị mạng (router,
switch, …) thích hợp. Kỹ thuật mạng phải được đảm bảo hiệu quả về sau này vì
chương trình mô phỏng. Nhận xét kết quả so sánh rút ra kết luận về tính hiệu quả
của thuật toán.
Đà Nẵng, ngày 9 tháng 6, năm 2007
Sinh viên thực hiện
Các từ viết tắt
MPLS : Multiprotocol Label Switching
Chương 1. Tổng quan về chuyển mạch nhãn đa giao thức
AS : Autonomous System
ATM : Asynchronous Transfer Mode
BGP : Border Gateway Protocol
CR-LDP : Constraint-based Routing LDP
EGP : Exterior Gateway Protocol
ER : Explicited Routing
FEC : Forwarding Equivalence Class
IGP : Interior Gateway Protocol
ISIS : Intermediate System-to-Intermediate System
ISP : Internet Server Providers
LER : Label Edge Router
LFIB : Label Forwarding Information Base
LIB : Label information base.
LSP : Label Switching Path
LSR : Label Switching Router
MPLS-TE : Multiprotocol Label Switching
OSPF : Open Shortest Path First
QoS : Quality of service
RFC : Request For Comments
RVSP : Resource Reservation Protocol
TCL : Tool Command Language
TDP : Tag Distribution Protocol.
TE : Traffic Engineering
2
Chương 1. Tổng quan về chuyển mạch nhãn đa giao thức
một số tài nguyên khác không được sử dụng. Đây là tình trạng phân bố tải không
đồng đều và sử dụng lãng phí tài nguyên mạng Internet.
Vào thập niên 90, các ISP phát triển mạng của họ theo mô hình chồng lớp
(overlay) bằng cách đưa ra giao thức IP over ATM. ATM là công nghệ connection-
oriented, thiết lập các kênh ảo (Virtual Circuit), tuyến ảo (Virtual Path) tạo thành
một mạng logic nằm trên mạng vật lý giúp định tuyến, phân bố tải đồng đều trên
toàn mạng. Tuy nhiên, IP và ATM là hai công nghệ hoàn toàn khác nhau, được thiết
kế cho những môi trường mạng khác nhau, khác nhau về giao thức, cách đánh địa
chỉ, định tuyến, báo hiệu, phân bổ tài nguyên. Khi các ISP càng mở rộng mạng theo
hướng IP over ATM, họ càng nhận rọ nhược điểm của mô hình này, đó là sự phức
tạp của mạng lưới do phải duy trì hoạt động của hai hệ thống thiết bị.
Sự bùng nổ của mạng Internet dẫn tới xu hướng hội tụ các mạng viễn thông
khác như mạng thoại, truyền hình dựa trên Internet, giao thức IP trở thành giao thức
chủ đạo trong lĩnh vực mạng. Xu hướng của các ISP là thiết kế và sử dụng các
router chuyên dụng, dung lượng chuyển tải lớn, hỗ trợ các giải pháp tích hợp,
chuyển mạch đa lớp cho mạng trục Internet.
Nhu cầu cấp thiết trong bối cảnh này là phải ra đời một công nghệ lai có khả
năng kết hợp những đặc điểm tốt của chuyển mạch kênh ATM và chuyển mạch gói IP.
Công nghệ MPLS ra đời trong bối cảnh này đáp ứng được nhu cầu của thị trường
đúng theo tiêu chí phát triển của Internet đã mang lại những lợi ích thiết thực, đánh
dấu một bước phát triển mới của mạng Internet trước xu thế tích hợp công nghệ
thông tin và viễn thông (ICT - Information Communication Technology) trong thời
kỳ mới.
1.3. Đặc tính của chuyển tiếp IP
1.3.1 Mô hình định tuyến lớp mạng
Trong môi trường phi kết nối truyền thống không phải sử dụng các bản tin báo
hiệu để thiết lập kết nối, phương thức chuyển tin là chuyển từng chặng một. Tất cả
định tuyến. Chức năng điều khiển chấp nhận kết nối CAC (Connection Admission
Control) đảm bảo rằng các tài nguyên liên quan đến kết nối hiện tại sẽ không được
đưa vào để sử dụng cho các kết nối mới. Điều này buộc mạng phải duy trì trạng thái
4
Chương 1. Tổng quan về chuyển mạch nhãn đa giao thức
của từng kết nối (bao gồm thông tin về sự tồn tại của kết nối và tài nguyên mà kết
nối đó sử dụng) tại các n có dữ liệu đi qua. Việc lựa chọn tuyến được thực hiện dựa
trên các yêu cầu về QoS đối với kết nối và dựa trên khả năng của thuật toán định
tuyến trong việc tính toán các tuyến có khả năng đáp ứng các yêu cầu QoS đó. Do
khả năng nhận dạng mạng, khả năng cô lập từng kết nối với các tài nguyên liên
quan đến kết nối trong suốt thời gian tồn tại của kết nối mà môi trường hướng kết
nối có thể đảm bảo chất lượng cho từng luồng thông tin. Mạng sẽ giám sát từng kết
nối, thực hiện định tuyến lại trong trường hợp có sự cố và việc thực hiện định tuyến
lại này cũng phải thông qua báo hiệu.
Từ cơ chế truyền tin ta thấy mạng hướng kết nối thích hợp với :
- Các ứng dụng yêu cầu phải đảm bảo QoS một cách nghiêm ngặt.
- Các ứng dụng có thời gian kết nối lớn.
Đối với các ứng dụng có thời gian kết nối ngắn thì môi trường hướng kết nối dường
như lại không thích hợp do thời gian để thiết lập kết nối cũng như tỉ lệ phần thông
tin header lại quá lớn. Với các loại lưu lượng như vậy thì môi trường phi kết nối với
phương thức định tuyến đơn giản, tránh phải sử dụng các giao thức báo hiệu phức
tạp sẽ phù hợp hơn.
Như vậy ta cần tìm một phương thức chuyển mạch có thể phối hợp ưu điểm
của IP (như cơ cấu định tuyến) và của ATM (như phương thức chuyển mạch) và để
thực sự phù hợp với mạng đa dịch vụ cả hai công nghệ ATM và IP đều phải có
những thay đổi, cụ thể là đưa thêm khả năng phi kết nối vào công nghệ ATM, và
khả năng hướng kết nối vào công nghệ IP.
1.3.3 Quá trình điều khiển và chuyển tiếp độc lập
Với chuyển tiếp gói IP thông thường, mọi thay đổi về thông tin điều khiển
phân phát dữ liệu có kèm thông tin re-routing dành cho con đường phụ (trong trường
hợp liên kết mạng bị hỏng ở đâu đó trên đường chính) trong vòng 50 milli giây.
1.4.1 Lợi ích của MPLS
- Làm việc với hầu hết các công nghệ liên kết dữ liệu.
- Tương thích với hầu hết các giao thức định tuyến và các công nghệ khác liên quan
đến Internet.
6
Chương 1. Tổng quan về chuyển mạch nhãn đa giao thức
- Hoạt động độc lập với các giao thức định tuyến .
- Tìm đường đi linh hoạt dựa vào nhãn (label) cho trước.
- Hỗ trợ việc cấu hình quản trị và bảo trì hệ thống (OAM).
- Có thể hoạt động trong một mạng phân cấp.
- Có tính tương thích cao.
1.4.2 Đặc điểm mạng MPLS
- Không có MPLS API, cũng không có thành phần giao thức phía host.
- MPLS chỉ nằm trên các router.
- MPLS là một giao thức độc lập nên có thể hoạt động với các giao thức mạng khác
IP như IPX, ATM, Frame-Relay, PPP hoặc trực tiếp với tầng Data Link.
- Định tuyến trong MPLS được dùng để tạo các luồng băng thông cố định tương tự
như kênh ảo của ATM hay Frame Relay.
- MPLS đơn giản hoá quá trình định tuyến, đồng thời tăng cường tính linh động với
các tầng trung gian.
1.4.3 Điểm vượt trội của MPLS so với mô hình IP over ATM
Sự tích hợp:
MPLS xác nhập tính năng của IP và ATM chứ không xếp chồng lớp IP trên ATM.
MPLS giúp cho cơ sở hạ tần của ATM thấy được định tuyến IP và loại bỏ các yêu
cầu ánh xạ giữa các đặc tính IP và ATM. MPLS không cần địa chỉ atm và kỹ thuật
định tuyến (như PNNI).
Độ tin cậy cao:
nguyên mạng. Kỹ thuật lưu lượng giúp chuyển tải từ các phần quá tải sang các phần
còn rỗi của mạng dựa vào điểm đích, loại lưu lượng tải, thời gian.
8
Chương 1. Tổng quan về chuyển mạch nhãn đa giao thức
1.4.4 Một số khái niệm thường gặp
- FEC (Forwarding Equivalence Class) là một nhóm các gói tin ở lớp mạng được
dán nhãn giống nhau và gửi đi đồng nhất theo một đường đi xác định.
- LSR (Label Switching Router) là bộ định tuyến có hỗ trợ MPLS, bao gồm các
giao thức điều khiển MPLS, các giao thức định tuyến lớp mạng và cách thức xử lý
nhãn MPLS.
- LER (Label Edge Router) là các LSR ở biên mạng MPLS trong MPLS domain,
gồm có LER vào (Ingress LER) và LER ra (Egress LER).
- LSP (Label Switching Path) là đường đi xuất phát từ một LSR và kết thúc tại một
LSR khác. Tất cả các gói tin có cùng giá trị nhãn sẽ đi trên cùng một LSP.
- MPLS domain là tập các nút mạng MPLS.
1.5 Kiến trúc MPLS
Label: Nhãn được sử dụng trong tiến trình gửi gói tin sau khi đã thiết lập đường
đi. MPLS tập trung vào quá trình hoán đổi nhãn (Label Swapping). Một trong
những thế mạnh của kiến trúc MPLS là tự định nghiã các chồng nhãn (label stack).
Công thức để dán nhãn gói tin là: Network Layer Packet + MPLS Label Stack.
Label Spaces: chia làm 2 loại
Per-Platform Label Space: các interface dùng chung giá trị nhãn.
Per-Interface Label Space: mỗi interface mang giá trị nhãn riêng.
Một nút của MPLS có hai mặt phẳng điều khiển: mặt phẳng chuyển tiếp MPLS và
mặt phẳng điều khiển MPLS. Nút MPLS có thể thực hiện định tuyến ba lớp hoặc
chuyển mạch lớp hai. Kiến trúc cơ bản của một nút MPLS như sau:
9
Chương 1. Tổng quan về chuyển mạch nhãn đa giao thức
Mặt phẳng điều khiển một nút mạng
Mặt phẳng dữ liệu tại một nút mạng
Mặt phẳng dữ liệu tại một nút mạng
Điều khiển định
tuyến MPLS
Multicast IP
Điều khiển
định tuyến
( MPLS/VPN)
Điều khiển
lưu lượng
(MPLS TE)
Điều khiển
định tuyến
MPLS IP
Cơ sở thông tin chuyển
tiếp nhãn LFIB
Chất lượng
dịch vụ
(QoS)
Chương 1. Tổng quan về chuyển mạch nhãn đa giao thức
1.5.3 Các thành phần mặt phẳng dữ liệu và điều khiển của MPLS
Hình 1.3 Thành phần mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng
1.6 Nhãn (Label) trong MPLS
Kiểu khung (Frame mode) là thuật ngữ khi chuyển tiếp một gói với nhãn gắn trước
tiêu đề lớp ba. Một nhãn được mã hoá với 20 bit, nghĩa là có thể 2
20
giá trị khác
nhau. Một gói có nhiều nhãn, được gọi là ngăn xếp nhãn (label stack). Ở mỗi chặng
trong mạng chỉ có một nhãn bên ngoài được xem xét. Hình sau mô tả định dạng tiêu
bit EXP tương tự như các bit IP ưu tiên (IP Precedence).
- S=Bottom of stack (1 bit): là bít cuối chồng. Nhãn cuối chồng bít này được thiết
lập lên 1, các nhãn khác có bit này là 0.
- TTL=Time to Live (8 bit): thời gian sống là bản sao của IP TTL Giá trị của nó
được giảm tại mỗi chặng để tránh lặp (giống như trong IP). Thường dùng khi người
điều hành mạng muốn che dấu cấu hình mạng bên dưới khi tìm đường từ mạng bên
ngoài
Hình 1.5 Định dạng nhãn
Trong đó:
GFC (Generic Flow Control): điều khiển luồng chung
VPI (Virtual Path Identifier): nhận dạng đường ảo
VCI (Virtual Channel Identifier): nhận dạng kênh ảo
PT (Payload Type): chỉ thị kiểu trường tin
CLP (Cell Loss Priority): chứa năng chỉ thị ưu tiên huỷ bỏ tế bào
HEC (Header error check): kiểm tra lỗi tiêu đề
13
Chương 1. Tổng quan về chuyển mạch nhãn đa giao thức
1.7 LSPs (Label Switch Path)
Một kết nối end-to-end MPLS được gọi là Label Switch Path (LSP). Kết nối
này có thể được thiết lập dành cho nhiều mục đích khác nhau, như để bảo đảm một
vài cấp độ hiệu suất, để route theo nhiều hướng trong một mạng bị nghẽn, hay để
tạo các IP tunnel cho các mạng kiểu như VPN. Theo nhiều khía cạnh, LSPs không
khác gì so với các con đường chuyển mạch (switched path) trong mạng ATM hay
Frame Relay, ngoại trừ LSPs không phụ thuộc vào một công nghệ L2 nào.
Thông tin về LSP được thâu tóm vào trong MPLS label, nhãn này được chèn
vào giữa tiêu đề lớp 2 và 3 của gói tin. Các nhãn cho phép thiết lập các con đường
khác nhau giữa các nơi (khách hàng) khác nhau, hoặc thậm chí cho các ứng dụng
khác nhau của cùng một khác hàng. Các nhãn được gán và phân phối qua nghi thức
riêng dành cho việc này (vd: LDP, hay TDP).
+ Hop by hop signaled LSP: xác định đường đi khả thi nhất
+ Explicit route signaled LSP (ER-LSP): xác định các tuyến đường đi bắt
nguồn từ nút gốc.
- ER-LSP có các ưu điểm sau: khả năng định tuyến linh hoạt, xác định nhiều đường
đi đến đích, quản lý lưu lượng linh hoạt, việc tìm đường dựa trên quan hệ ràng buộc
như mạng ATM.
1.9 Các hình thức hoạt động của MPLS
Mạng MPLS dùng các nhãn để chuyển tiếp các gói. Khi một gói đi vào mạng,
nút MPLS ở lối vào đánh dấu một gói đến lớp chuyển tiếp tương đương (FEC –
Forwarding Equivalence Class) cụ thể. Trong mạng MPLS nhãn điều khiển mọi
hoạt động chuyển tiếp. Điều này có nhiều thuận lợi hơn sự chuyển tiếp thông
thường:
- Sự chuyển tiếp MPLS có thể thực hiện bằng các bộ chuyển mạch, có thể tra cứu
thay thế nhãn mà không ảnh hưởng đến header lớp mạng. Các bộ chuyển ATM thực
hiện các chức năng chuyển các tế bào dựa trên giá trị nhãn. ATM-Switch cần được
điều khiển bởi một thành phần điều khiển MPLS dựa vào IP (IP-base MPLS control
15
Chương 1. Tổng quan về chuyển mạch nhãn đa giao thức
element) như bộ điều khiển chuyển mạch nhãn (LSC- Label Switch Controller).
Đây là dạng cơ bản của sự kết hợp IP với ATM.
- Khi một gói vào mạng nó được chuyển đến lớp chuyển tiếp tương đương (FEC
-Forwarding Equivalence Class). Router có thể sử dụng thông tin gói, như cổng vào
(ingress) hay giao tiếp (interface). Các gói đi vào mạng được gán các nhãn khác
nhau. Quyết định chuyển tiếp được thực hiện dễ dàng bởi router ngõ vào. Điều này
không có trong sự chuyển tiếp thông thường, vì sự xác định lộ trình của router khác
với thông tin lộ trình trên gói.
- Mạng được quản lý lưu lượng buộc gói đi theo con đường cụ thể, một con đường
chưa được sử dụng, con đường đó được chọn trước hoặc ngay khi gói đi vào mạng
tốt hơn sự lựa chọn bởi các thuật toán định tuyến thông thường. Trong MPLS, một
- Giao thức phân phối nhãn thực hiện gán nhãn và trao đổi nhãn giữa các LSR
trong miền MPLS để thiết lập các phiên làm việc. Việc gán nhãn có thể gán cục bộ
trên router hoặc trên giao tiếp của router.
- Thiết lập LDP/TDP giữa LSR/ELSR
- Mặc định trên router sử dụng LDP
1.12 LDP và các loại thông điệp của LDP
1.12.1 Các thông điệp của LDP
Discovery: quảng cáo và chấp nhận sự có mặt của LSR trong mạng.
Session: thiết lập bảo dưỡng và huỷ phiên làm việc giữa các LSR.
Advertisement :quảng cáo ánh xạ nhãn tới FEC.
Notification: báo hiệu lỗi.
17
Chương 1. Tổng quan về chuyển mạch nhãn đa giao thức
Hình 1.6 Quá trình thiết lập
Hình 1.7 Quá trình di trì
1.12.2 Phân phối bằng giao thức phân phối nhãn LDP
Trong một miền MPLS, một nhãn gán tới một địa chỉ (FIB) đích được phân phối tới
các láng giềng ngược dòng sau khi thiết lập phiên. Việc kết nối giữa mạng cụ thể
với nhãn cục bộ và một nhãn trạm kế (nhận từ router xuôi dòng) được lưu trữ trong
LFIB và LIB. MPLS dùng các phương thức phân phối nhãn như sau:
- Yêu cầu xuôi dòng (Downstream on demand).
- Tự nguyện xuôi dòng (Unsolicited downstream).
18
Copyright: Tài liệu đại học ©