BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

NGÔ VĂN ĐỨC

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO
CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ MẠNG RIÊNG ẢO
TRÊN NỀN MPLS DỰA TRÊN MÔ HÌNH DIFFSERV
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Đà Nẵng - Năm 2014


Đà Nẵng - Năm 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được
ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận văn
Ngô Văn Đức
MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1
1. Tính cấp thiết của đề tài 1
2. Mục tiêu nghiên cứu 1
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 2
4. Phƣơng pháp nghiên cứu 2
5. Bố cục đề tài 2
CHƢƠNG 1: CÔNG NGHỆ MPLS VÀ MẠNG MPLS-VPN 3
1.1. GIỚI THIỆU CHƢƠNG 3
1.2. CÔNG NGHỆ MPLS 3
1.2.1. Các khái niệm cơ bản 3
1.2.2. Nhãn MPLS 5
1.2.3. Kiến trúc nút chuyển mạch nhãn 9
1.2.4. Hoạt động của MPLS 11

2.4.1. Mô hình nỗ lực tối đa (Best Effort) 48
2.4.2. Mô hình dịch vụ tích hợp (IntServ) 48
2.4.3. Mô hình phân biệt dịch vụ (DiffServ) 53
2.4.4. So sánh hai mô hình IntServ và DiffServ 58
2.5. ỨNG DỤNG MÔ HÌNH DIFFSERV TRONG MẠNG MPLS-VPN 59
2.5.1. Giới thiệu 59
2.5.2. Mô hình Uniform 61
2.5.3. Mô hình Pipe 62
2.5.4. Mô hình Short Pipe 63
2.6. KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 64

CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG THỰC THI QoS MẠNG MPLS-VPN
DỰA TRÊN MÔ HÌNH DIFFSERV 65
3.1. GIỚI THIỆU CHƢƠNG 65
3.2. CÔNG CỤ THỰC HIỆN MÔ PHỎNG 65
3.2.1. Giới thiệu phần mềm mô phỏng 65
3.2.2. Các thiết bị phần cứng 67
3.3. KỊCH BẢN 1: MÔ PHỎNG CẤU HÌNH THỰC THI CÁC MÔ
HÌNH ĐƢỜNG HẦM DIFFSERV TRONG MPLS-VPN 67
3.3.1. Sơ đồ kết nối 67
3.3.2. Kịch bản mô phỏng 68
3.3.3. Khai báo cấu hình 70
3.3.4. Thực hiện và kết quả 75
3.4. KỊCH BẢN 2: THỰC THI QoS TRONG MẠNG MPLS-VPN DÙNG
THIẾT BỊ THỰC 81
3.4.1. Sơ đồ kết nối và kịch bản 81
3.4.2. Cấu hình cơ bản 83
3.4.3. Thực hiện và kết quả 84
3.5. KẾT LUẬN CHƢƠNG 90
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 91

Assured Forwarding

Chuyển tiếp đảm bảo
AQM
Active Queue Management

Quản lý hàng đợi hoạt động
ARP
Address Resolution Protocol

Giao thức phân giải địa chỉ
ATM
Asychronous Transfer Mode

Phƣơng thức truyền tải không
đồng bộ
AToM
Any Transport over MPLS

Mọi giao vận qua MPLS
B
BA
Behavior Aggressive

Kết hợp hành vi
BGP
Border Gateway Protocol

Class of Service

Lớp dịch vụ
CR
Constrained Routing

Định tuyến ràng buộc
CR-LDP
Constrained Routing-LDP

Giao thức phân bổ nhãn-định
tuyến ràng buộc
CSPF
Constrained SPF

SPF ràng buộc
D
DiffServ
Differential Service

Dịch vụ phân biệt
DLCI
Data Link Connection Identifer

Nhận dạng kết nối liên kết dữ
liệu


Explicit Routing

Định tuyến hiện
ETSI
European Telecommunications
Standards Institute

Viện tiêu chuẩn viễn thông
châu âu
F
FEC
Fowarding Equivalence Class

Lớp chuyển tiếp tƣơng đƣơng
FIB
Forwarding Information Base

Bảng thông tin chuyển tiếp
FIFO
First In First Out

Hàng đợi vào trƣớc ra trƣớc
FQ
Fair Queueing

Hàng đợi cân bằng
FR

Internet Engineering Task Force

Tổ chức tiêu chuẩn kỹ thuật
Internet
IGP
Interior Gateway Protocol

Giao thức định tuyến cổng nội
IntServ
Intergrated Service

Dịch vụ tích hợp
IP
Internet Protocol

Giao thức Internet
IPSec
IP Security Protocol

Giao thức an ninh Internet
ISP
Internet Service Provider

Nhà cung cấp dịch vụ Internet
ITU-T
International
Telecommunication Union

Hiệp hội viễn thông quốc tế



Đƣờng dẫn chuyển mạch nhãn
LSR
Label Switch Router

Bộ định tuyến chuyển mạch
nhãn
M
MoS
Mean of Score

Điểm đánh giá trung bình
MPLS
Multiprotocol Label Switching

Chuyển mạch nhãn đa giao
thức
MPLS-
VPN
VPN over MPLS

Mạng riêng ảo trên nền MPLS
MTU
Maximum Transfer Unit

Đơn vị truyền tải cực đại
N

PBS
Packet Burst Size

Kích thƣớc bùng nổ gói
PDU
Protocol Data Unit

Đơn vị dữ liệu giao thức
PHB
Per Hop Behavior

Hành vi bƣớc kế tiếp
PHP
Penultimate Hop Popping Cơ chế gỡ nhãn ở chặng kế
cuối
PID
Protocol Identifier

Nhận dạng giao thức
PIR
Peak Information Rate

Tốc đô thông tin đỉnh

PPP
Point to Point Protocol


Route Distinguisher

Trƣờng phân biệt tuyến
RED
Random Early Discarding

Loại bỏ gói sớm
RESV
Resevation

Bản tin dành trƣớc
RFC
Request for Comment

Tài liệu tiêu chuẩn của IETF
trên Internet
RSVP
Resource Resevation Protocol

Giao thức dành trƣớc tài
nguyên
RT
Route Target

Thuộc tính tuyến đích
S
SLA

Transmission Control Protocol

Giao thức điều khiển truyền tải
TE
Traffic Engineering

Kỹ thuật lƣu lƣợng
ToS
Type of Service

Kiểu dịch vụ
trTCM
Single rate Three Color Marker

Bộ đánh dấu 3 màu hai tốc độ
TTL
Time To Live

Thời gian sống U
UBR
Undefined Bit rate

Tốc độ bit không định nghĩa
UDP

Dịch vụ LAN riêng ảo
VPN
Virtual Private Network

Mạng riêng ảo
VRF
Vitual Routing and Forwarding

Bảng định tuyến và chuyển tiếp
ảo
W
WAN
Wide Area Network

Mạng diện rộng
WFQ
Weighted Fair Queueing

Hàng đợi cân bằng trọng số
WRED
Weighted Random Early
Discarding

Loại bỏ gói sớm theo trọng số
WRR
Weighted Round Robin DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hiệu
hình
Tên hình
Trang
1.1
Minh họa một miền MPLS
4
1.2
Cấu trúc nhãn MPLS
6
1.3
Ngăn xếp nhãn
7
1.4
Khung MPLS với PPP/Ethernet là lớp liên kết dữ liệu
7
1.5
Vị trí nhãn trong tế bào ATM
8
1.6
Các nhãn đặc biệt
9
1.7
Kiến trúc nút mạng MPLS
9

25
1.18
Phân loại mạng riêng ảo VPN
25
1.19
Các thành phần cơ bản của MPLS-VPN
26
1.20
Chức năng của VRF
28
1.21
Trƣờng RD và địa chỉ VPNv4
29

1.22
Truyền thông tin định tuyến qua MPLS-VPN
31
1.23
Định dạng AFI/SAFI
33
1.24
Các giao thức trong mặt phẳng điều khiển
35
1.25
Minh họa hoạt động của mặt phẳng điều khiển
35
1.26
Minh họa hoạt động của mặt phẳng dữ liệu
37
2.1

Minh họa hoạt động của policing và sharping
46
2.12
Mô hình tích hợp dịch vụ IntServ
48
2.13
Nguyên lý hoạt động của RSVP
51
2.14
Cung cấp dịch vụ DiffServ
53
2.15
Phân loại lƣu lƣợng
53
2.16
Miền phân biệt dịch vụ DS
55
2.17
Vị trí của IPP và DSCP trong tiêu đề IP
55
2.18
Các vị trí thực hiện QoS trong mạng MPLS-VPN
58
2.19
Hoạt động của mô hình Uniform
61
2.20
Hoạt động của mô hình Pipe
62
2.21

Phân tích gói tin tại P2 trong mô hình Pipe
77
3.10
Phân tích gói tin tại CE2 trong mô hình Pipe.
78
3.11
Sự thay đổi thông tin DiffServ trong mô hình Pipe và
Short Pipe
78
3.12
Luồng lƣu lƣợng nhận đƣợc tại đầu thu trong mô hình
Pipe
79
3.13
Luồng lƣu lƣợng nhận đƣợc tại đầu thu trong mô hình
Short Pipe
79
3.14
Sơ đồ lab thực nghiệm
80
3.15
Sơ đồ mô phỏng
81
3.16
Băng thông tại card mạng đầu thu khi chỉ nhận luồng
Video.
81
3.17
Hình ảnh video tại đầu thu khi chƣa thực hiện QoS
84


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, với sự bùng nổ của Internet cùng với sự phát triển nhanh
chóng các ứng dụng chạy trên nền IP để đáp nhu cầu giải trí, trao đổi, chia sẻ
thông tin của ngƣời sử dụng ngày càng tăng, yêu cầu về chất lƣợng dịch vụ
ngày càng cao. Giao thức IP gần nhƣ giữ vai trò độc tôn ở lớp mạng.
Trƣớc sự gia tăng chóng mặt của số lƣợng ngƣời dùng và yêu cầu ngày
càng cao về băng thông, tốc độ nhanh, nhu cầu đa dạng và gia tăng về loại
hình dịch vụ, các kỹ thuật lƣu lƣợng dựa trên giao thức IP gặp nhiều hạn chế
và bất cập, trong bối cảnh đó công nghệ Chuyển mạch nhãn đa giao thức
(Multi-protocol Label Switching - MPLS) ra đời đã phần nào đó giải quyết
đƣợc các hạn chế bất cập trên. MPLS là một công nghệ lai kết hợp những đặc
điểm tốt nhất giữa định tuyến lớp 3 và chuyển mạch lớp 2 cho phép chuyển
tiếp các gói rất nhanh trong mạng lõi và định tuyến tốt ở các mạng biên bằng
cách dựa vào nhãn (label). Mạng riêng ảo trên nền MPLS (MPLS-VPN) là
một trong những điểm thành công nhất đƣợc phát triển trên nền công nghệ
MPLS.
Ở nƣớc ta, cũng nhƣ trên thế giới, mạng MPLS-VPN đã và đang đƣợc
ứng dụng một cách rộng rãi. Tuy nhiên, việc triển khai các giải pháp đảm bảo
chất lƣợng dịch vụ ít đƣợc quan tâm đúng mức dẫn đến hiệu quả sử dụng tài
nguyên mạng không cao, nhất là ở khía cạnh khách hàng.
Nghiên cứu giải pháp đảm bảo chất lƣợng dịch vụ cho mạng MPLS-
VPN đang là yêu cầu cấp bách và là một trong các xu hƣớng nghiên cứu phổ
biến về công nghệ mạng băng rộng hiện nay.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu và thực hiện mô phỏng giải pháp thực hiện QoS mạng VPN
trên nền MPLS sử dụng mô hình DiffServ. Mô phỏng thực thi QoS trên thiết
2


công nghệ chủ đạo tại lớp chuyển tải trong các mạng lõi hiện nay. Mạng riêng
ảo trên nền MPLS (MPLS-VPN) là một trong những ứng dụng quan trọng và
phổ biến nhất của phát triển trên nền công nghệ MPLS.
Chƣơng này sẽ trình bày một cách tổng quan về các khái niệm, nguyên
lý hoạt động đặc điểm và một số vấn đề kỹ thuật và các ứng dụng cơ bản của
công nghệ MPLS và giải pháp mạng MPLS-VPN.
1.2. CÔNG NGHỆ MPLS
1.2.1. Các khái niệm cơ bản
a. Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn (LSR – Label Switching Router)
LSR là bộ định tuyến có hổ trợ MPLS, có khả năng nhận biết và chuyển
tiếp gói tin dựa trên giá trị nhãn mà chúng mang theo. LSR tham gia thiết lập
các đƣờng dẫn chuyển mạch nhãn (LSP) bằng việc sử dụng giao thức báo
hiệu nhãn thích hợp và thực hiện chuyển mạch lƣu lƣợng dựa trên các đƣờng
dẫn đƣợc thiết lập. Có 3 loại LSR trong mạng MPLS:
- LSR ngõ vào (ingress LSR): Nhận gói chƣa có nhãn, chèn nhãn vào
trƣớc gói và thực hiện chuyển tiếp gói đã dán nhãn.
- LSR ngõ ra (egress LSR): Nhận các gói đƣợc dán nhãn, loại bỏ nhãn và
thực hiện chuyển tiếp gói đã loại bỏ nhãn.
Ingress LSR và Egress LSR là các edge LSR (LSR biên)
4 - LSR trung gian (Intermediate LSR): các LSR trung gian này sẽ nhận
các gói đã dán nhãn, thực hiện hoán đổi nhãn và chuyển tiếp gói với
nhãn mới.
b. Miền MPLS (MPLS Domain)
Một tập hợp các LSR kề nhau trong cùng một miền định tuyến hay quản
trị tạo thành một miền MPLS. Trong miền MPLS, các gói tin đƣợc dán nhãn
đƣợc chuyển mạch theo nhãn của chúng. Một miền MPLS có thể kết nối tới
một nút ở ngoài thuộc miền MPLS khác hay một miền thuần IP. Một miền

- Các gói tin có địa chỉ IP đích khớp với một prefix trong bảng định
tuyến.
- Các gói multicast thuộc về một nhóm.
- Các gói chung một mức ƣu tiên hay cùng một giá trị DSCP.
- Các gói có địa chỉ IP đích khớp với các BGP prefix (các BGP route)
trong bảng định tuyến có chung một next-hop.
1.2.2. Nhãn MPLS
Khái niệm quan trọng nhất trong MPLS là nhãn (label). MPLS định
nghĩa nhãn nhƣ là “một thực thể có chiều dài cố định, đƣợc sử dụng để nhận
dạng một FEC, và thƣờng chỉ có ý nghĩa cục bộ”.
a. Cấu trúc nhãn MPLS
Một nhãn MPLS gồm 32 bit và có cấu trúc nhƣ hình sau:
6 Tiêu đề lớp LKDL MPLS shim Tiêu đề lớp mạng Dữ liệu lớp mạng
Label Exp BS TTL
32 bit
20 bit 3 bit 1 bit 8 bit

Hình 1.2 Cấu trúc nhãn MPLS [1]
Trong đó:
- Label: Trƣờng nhãn 20 bit. Là giá trị của nhãn.
- EXP (Experimental): 3 bit, trƣờng này thƣờng sử dụng trong
trƣờng hợp thực thi QoS để chỉ thị CoS.
- BoS (Bottom of Stack): 1 bit, dùng để chỉ thị xem nhãn này có phải
là nhãn cuối trong ngăn xếp nhãn hay chƣa. BoS= 1 khi đây là nhãn
cuối cùng của ngăn xếp, BoS=0 với các nhãn khác.
- TTL (Time to live TTL): 8 bit, thƣờng là bản sao trực tiếp từ tiêu đề
gói IP để chống vòng lặp vô hạn.

- Giao thức ATM và Frame Relay có thể mang nhãn nhƣ một phần tiêu đề
8 của lớp liên kết. Với ATM, nhãn có thể mang trong trƣờng VPI và VCI
của tiêu đề. Còn với Frame Relay, nhãn có thể mang trong trƣờng DLCI
(Data Link Connection Identifier) của tiêu đề khung.
Tiêu đề IP Dữ liệu
Tiêu đề Shim Tiêu đề IP Dữ liệu
VPI/VCI Dữ liệu VPI/VCI Dữ liệu
Gói IP
Tạo nhãn
Tế bào ATM
…

Hình 1.5 Vị trí nhãn trong tế bào ATM [1].
d. Các nhãn đặc biệt
- Nhãn Implicit-null hay POP: Nhãn này đƣợc gán khi nhãn trên cùng
(topmost label) của gói MPLS đến bị bóc ra và gói MPLS hay IP đƣợc
chuyển tiếp tới trạm kế cuối xuôi dòng. Giá trị của nhãn này là 3.
- Nhãn Explicit-null: đƣợc gán để giữ giá trị EXP cho nhãn trên cùng của
gói đến. Nhãn trên đƣợc hoán đổi với giá trị 0 và chuyển tiếp nhƣ một gói
MPLS tới trạm kế cuối xuôi dòng. Nhãn này sử dụng khi thực hiện QoS
với MPLS.
- Nhãn Aggregate: với nhãn này, khi gói MPLS đến nó bị bóc tất cả nhãn
trong chồng nhãn ra để trở thành một gói IP và thực hiện tra cứu trong FIB
để xác định giao tiếp ngõ ra cho nó.
- Untagged: gói MPLS đến đƣợc chuyển thành một gói IP và chuyển tiếp
đến đích. Nó đƣợc dùng trong thực thi MPLS VPN.
9