i
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG MPLS VÀ
ỨNG DỤNG CHO MẠNG NGN CỦA VNPT
Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Học viên: NGÔ ANH TUẤN
Người HD Khoa học: PGS.TS. NGUYỄN HỮU CÔNG
THÁI NGUYÊN 2013
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
ii
LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Ngô Anh Tuấn.
Học viên lớp cao học KTĐT – K13 - Trường ĐHKTCN Thái Nguyên.
Tôi xin cam đoan đây là phần nghiên cứu và thể hiện đồ án tốt nghiệp của
riêng tôi, không sao chép các đồ án khác. Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu
tham khảo như đã nêu trong phần tài liệu tham khảo nếu sai tôi xin chịu hoàn toàn
trách nhiệm và chịu mọi kỷ luật của khoa và nhà trường đề ra.
Thái Nguyên, tháng 11 năm 2012
Học viên thể hiện
Ngô Anh Tuấn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
iii
MỤC LỤC
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các hình vẽ và đồ thị
Danh mục chữ viết tắt
Danh mục các bảng biểu
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
iv
CHƯƠNG 2: TỔNG QUANG VỀ CÔNG NGHỆ MPLS 18
2.1.Lịch sử phát triển 18
2.2.Các định nghĩa về công nghệ MPLS 18
2.3.Các thành phần trong công nghệ MPLS 19
2.3.1.MPLS Domain 20
2.3.2. Bộ định tuyến nhãn LSR (Label Switching Router) 20
2.3.3.Nhãn MPLS 21
2.3.3.1.Ngăn xếp nhãn 24
2.3.3.2.Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn 26
2.3.3.3.Đường chuyển mạch nhãn (LSP) 28
2.3.3.4.Lớp chuyển tiếp tương đương 29
2.3.3.5.Bảng cơ sở dữ liệu nhãn (LIB – Label Information Base) 30
2.3.3.6.Bảng cơ sở thông tin chuyển gói (LFIB) 30
2.4.Các chế độ hoạt động của MPLS 31
2.5. Các giao thức định tuyến trong MPLS 38
2.5.1.Các giao thức khởi đầu 38
2.5.2.Các giao thức định tuyến ràng buộc 38
2.5.3.Giao thức phân bố nhãn LDP (Label Ditribution Protocol) 38
2.5.4.Giao thức phân phối nhãn ràng buộc (CR-LDP) 39
2.5.5.Giao thức RSVP – TE 39
2.6. Ưu điểm của MPLS 40
2.7.Các ứng dụng của MPLS 40
2.7.1. Tích hợp IP và ATM 40
2.7.2.Dịch vụ mạng riêng ảo IP (VPN) 41
2.7.3.Điều khiển lưu lượng và đinh tuyến IP hiện 41
CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT LƯU LƯỢNG MPLS 42
3.1.Tổng quan về điều khiển lưu lượng trong MPLS 42
3.1.1.Hoạt động định hướng lưu lượng và định hướng tài nguyên 42
3.3.4.3.Tiến trình dự trữ tài nguyên 74
3.4.Tính toán đường ràng buộc 75
3.4.1.Quảng bá các thuộc tính của liên kết 75
3.4.2.Tính toán LSP ràng buộc 76
3.4.3.Giải thuật chọn đường 76
3.4.4.Ví dụ về chọn đường cho trung kế lưu lượng 77
3.4.5.Tái tối ưu hóa 78
Chương 4: BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG MPLS 80
4.1.Khả năng ứng dụng MPLS trong điều khiển lưu lượng 80
4.2.Bài toán định tuyến và vấn đề lưu lượng 81
4.2.1.Vấn đề nghẽn lưu lượng gặp phải khi định tuyến 82
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
vi
4.2.2.Các lý do để chọn điều khiển lưu lượng dựa trên MPLS 83
4.3. Bài toán thực tế 83
Bài 1: Bảo vệ và khôi phục đường 83
Bài 2 : Điều khiển lưu lượng theo các hàng đợi ưu tiên 87
Kết luận và kiến nghị 91
Tài liệu tham khảo 92
Phụ lục
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1. Cấu trúc vật lý mạng NGN 1
Hình 1.2. Mô hình phân lớp hệ chuyển mạch NGN 5
Hình 1.3. Sơ đồ triển khai mạng NGN của VNPT 10
Hình 1.4. Cấu hình kết nối lớp điều khiển và ứng dụng mạng NGN 12
Hình 2.1. Mô hình mạng MPLS 20
Hình 2.2. Cấu trúc nhãn MPLS 24
63
Hình 3.12. Các bản tin Path và Reservation
65
Hình 3.13. Bộ mô tả lưu lượng
66
Hình 3.14. Sử dụng các đối tượng bản tin RSVP để hỗ trợ định tuyến hiện
68
Hình 3.15. Thiết lập LSP với RSVP-TE
71
Hình 3.16. Thiết lập LSP và CR-LD
73
Hình 3.17. Băng thông khả dụng ứng với từng mức ưu tiên
75
Hình 3.18. Xem xét các ràng buộc khống chế.
77
Hình 3.19. Xem xét tài nguyên khả dụng
78
Hình 3.20. Chọn đường tốt nhất
78
Hình 4.1. Điều khiển lưu lượng
79
Hình 4.2. Topo mạng mẫu
81
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
ix
CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
ARP Address Resolution Protocol Giao thức phân giải địa chỉ
ATM Asynchronous Transfer Mode Truyền dẫn không đồng bộ
BGP Border Gateway Protocol Giao thức cổng đường biên
CR Constrained Routing Định tuyến ràng buộc
QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ
RESV Resevation Bản tin dành trước
RSVP Resource Resevation Protocol Giao thức dành trước tài nguyên
SLA Service Level Agreement Thoả thuận mức dịch vụ
SPF Shortest Path First Đường đi ngắn nhất đầu tiên
SVC Signaling Virtual Circuit Kênh ảo báo hiệu
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
x
TCP Transission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn
TLV Type-Leng-Value Kiểu-Chiều dài-Giá trị
ToS Type of Service Kiểu dịch vụ
TTL Time To Live Thời gian sống
UDP User Datagram Protocol Giao thức lược đồ dữ liệu
VC Virtual Circuit Kênh ảo
VCI Virtual Circuit Identifier Nhận dạng kênh ảo
VP Virtual Path Đường ảo
VPI Virtual Path Identifier Nhận dạng đường ảo
VPN Virtual Private Network Mạng riêng ảo
WAN Wide Area Network Mạng diện rộng
WFQ Weighted Fair Queuing Hàng đợi công bằng tải trọng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
xi
DANH MỤC BẢNG
Trang
Bảng 2.1. So sánh chuyển mạch nhãn với chuyển mạch IP
21
Bảng 3.1. Thuộc tính của trung kế lưu lượng (hoặc LSP)
54
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
xii
MPLS trong cơ sở hạ tầng mạng viễn thông của một quốc gia. Tuy nhiên, trong
khuôn khổ luận văn này chỉ đề cập đến một số vấn đề kĩ thuật liên quan đến bài
toán điều khiển lưu lượng trong mạng lõi dựa trên nền MPLS.
Luận văn “KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG MPLS VÀ ỨNG
DỤNG CHO MẠNG NGN CỦA VNPT” với mục đích nghiên cứu một số kĩ thuật
điều khiển lưu lượng, bảo vệ và khôi phục đường trong MPLS nhằm tối ưu hóa hiệu
suất sử dụng tài nguyên mạng.
Nội dung luận văn gồm 04 chương:
Chương 1. TỔNG QUAN MẠNG THẾ HỆ MỚI NGN
Chương 2. TỔNG QUANG VỀ CÔNG NGHỆ MPLS
Chương 3. KỸ THUẬT LƯU LƯỢNG MPLS
Chương 4. BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG MPLS
Qua đây, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS Nguyễn Hữu Công,
người thầy đồng thời là giáo viên hướng dẫn trực tiếp tôi, tôi xin cảm ơn chân thành
về sự giúp đỡ của các thầy cô trong khoa đào tạo sau đại học, trường Đại học Kỹ
thuật công nghiệp Thái Nguyên. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè,
đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn.
Học viên
Ngô Anh Tuấn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN MẠNG THẾ HỆ MỚI NGN
1.1.Tổng quan về mạng NGN
1.1.1. Định nghĩa
Bắt nguồn từ sự phát triển của công nghệ thông tin, công nghệ chuyển mạch
gói và công nghệ truyền dẫn băng rộng, mạng thông tin thế hệ mới (NGN) ra đời là
mạng có cơ sở hạ tầng thông tin duy nhất dựa trên công nghệ chuyển mạch gói,
triển khai các dịch vụ một cách đa dạng và nhanh chóng, đáp ứng sự hội tụ giữa
thoại và số liệu, giữa cố định và di động.
- Mạng đa dịch vụ (cung cấp nhiều loại dịch vụ khác nhau).
1.1.2.2. Mạng NGN là do mạng dịch vụ thúc đẩy, nhưng dịch vụ phải thực
hiện độc lập với mạng lưới
- Chia tách dịch vụ với điều khiển cuộc gọi.
- Chia tách cuộc gọi với truyền tải.
Mục tiêu chính của chia tách là làm cho dịch vụ thực sự độc lập với mạng,
thực hiện một cách linh hoạt và có hiệu quả việc cung cấp dịch vụ. Thuê bao có thể
tự bố trí và xác định đặc trưng dịch vụ của mình, không quan tâm đến mạng truyền
tải dịch vụ và loại hình đầu cuối. Điều đó làm cho việc cung cấp dịch vụ và ứng
dụng có tính linh hoạt cao.
1.1.2.3. Mạng NGN là mạng chuyển mạch gói, dựa trên một giao thức thống
nhất
Mạng thông tin hiện nay, dù là mạng viễn thông, mạng máy tính hay mạng truyền
hình cáp, đều không thể lấy một trong các mạng đó làm nền tảng để xây dựng cơ sở hạ
tầng thông tin. Nhưng mấy năm gần đây, cùng với sự phát triển của công nghệ IP, người ta
mới nhận thấy rõ ràng là mạng viễn thông, mạng máy tính và mạng truyền hình cáp cuối
cùng rồi cũng tích hợp trong một mạng IP thống nhất, đó là xu thế lớn mà người ta thường
gọi là “dung hợp ba mạng”. Giao thức IP làm cho các dịch vụ lấy IP làm cơ sở đều có thể
thực hiện nối thông các mạng khác nhau; con người lần đầu tiên có được giao thức thống
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
3
nhất mà ba mạng lớn đều có thể chấp nhận được; đặt cơ sở vững chắc về mặt kỹ thuật cho
hạ tầng cơ sở thông tin quốc gia.
Giao thức IP thực tế đã trở thành giao thức ứng dụng vạn năng và bắt đầu được sử
dụng làm cơ sở cho các mạng đa dịch vụ, mặc dù hiện tại vẫn còn ở thế bất lợi so với các
chuyển mạch kênh về mặt khả năng hỗ trợ lưu lượng thoại và cung cấp chất lượng dịch vụ
đảm bảo cho số liệu. Tốc độ đổi mới nhanh chóng trong thế giới Internet, mà nó được tạo
điều kiện bởi sự phát triển của các tiêu chuẩn mở sẽ sớm khắc phục những thiếu sót này.
1.1.2.4. Là mạng có dung lượng ngày càng tăng, có tính thích ứng cũng ngày
càng tăng, có đủ dung lượng để đáp ứng nhu cầu về dịch vụ
Cung cấp đa dịch vụ bao gồm cả dịch vụ thoại và hội nghị thời gian thực
*Feature Server, gatekeeper, Cung cấp chức năng điều khiển cuộc gọi theo mô
hình cuộc gọi, quá trình báo hiệu và cung cấp việc điều khiển Media gateway. Nó
cũng phải cung cấp các giao diện (giao diện chuẩn hay giao diện API mở) về phía
server ứng dụng để điều khiển dịch vụ.
*Server ứng dụng: Còn được biết đến với các tên SCP (Secure copy). Trong mạng
NGN, server ứng dụng được phát triển của trên nền tảng Web có thể thực hiện các
dịch vụ điều khiển Call server. Do đó, server ứng dụng có thể hiểu như một nền IT
đóng vai trò IN-SCF mở rộng các chức năng của chúng để kiểm soát các mô hình
hoạt động (scenarios) mạng mới.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
5
*Media server: Cung cấp các chức năng cho phép tương tác giữa các bên gọi và các
ứng dụng qua các thiết bị thoại.
*Messaging server: chịu trách nhiệm lưu trữ và điều khiển các bản tin đến, đi và
việc truyền các bản tin giữa các Messaging server khác nhau.
1.1.3.2.Cấu hình hệ chuyển mạch thế hệ mới - NGN
Kiến trúc mạng NGN sử dụng chuyển mạch gói cho cả thoại và dữ liệu. Nó
phân chia các khối vững chắc của tổng đài hiện nay thành các lớp mạng riêng lẽ,
các lớp này liên kết với nhau qua các giao diện mở tiêu chuẩn.
Sự thông minh của xử lý cuộc gọi cơ bản trong chuyển mạch của PSTN thực
chất là đã được tách ra từ phần cứng của ma trận chuyển mạch. Bây giờ, sự thông
minh ấy nằm trong một thiết bị tách rời gọi là chuyển mạch mềm (softswitch) cũng
được gọi là một bộ điều khiển cổng truyền thông (Media Gateway Controller) hoặc
là một tác nhân cuộc gọi (Call Agent), đóng vai trò phần tử điều khiển trong kiến
trúc mạng mới. Các giao diện mở hướng tới các ứng dụng mạng thông minh (IN-
Intelligent Network) và các server ứng dụng mới tạo điều kiện dễ dàng cho việc
nhanh chóng cung cấp dịch vụ và đảm bảo đưa ra thị trường trong thời gian ngắn.
Tại lớp truyền thông, các cổng được đưa vào sử dụng để làm thích ứng thoại
và các phương tiện khác với mạng chuyển mạch gói. Các media gateway này được
sử dụng để phối ghép hoặc với thiết bị đầu cuối của khách hàng (RGW- Residental
mạng thông minh IN trả tiền trước, dịch vụ giá trị gia tăng Internet cho khách
hàng thông qua lớp điều khiển. Hệ thống ứng dụng và dịch vụ mạng này liên kết với
lớp điều khiển thông qua các giao diện mở API. Nhờ giao diện mở này mà VNPT
có thể phát triển các ứng dụng và triển khai nhanh chóng các dịch vụ trên mạng.
*Lớp điều khiển.
Lớp điều khiển bao gồm các hệ thống điều khiển (Call controller) kết nối
cuộc gọi giữa các thuê bao thông qua việc điều khiển các thiết bị chuyển mạch
(ATM+IP) của Lớp truyền tải và các thiết bị truy nhập của Lớp truy nhập. Lớp điều
khiển có chức năng kết nối cuộc gọi thuê bao với Lớp ứng dụng và dịch vụ. Các
chức năng như quản lý, chăm sóc khách hàng, tính cước cũng được tích hợp trong
lớp điều khiển.
*Lớp truyền tải.
Bao gồm các nút chuyển mạch (ATM+IP) và các hệ thống truyền dẫn thực
hiện chức năng chuyển mạch, định tuyến các cuộc gọi giữa các thuê bao của Lớp
truy nhập dưới sự điều khiển của thiết bị điều khiển thuộc lớp điều khiển.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
7
*Lớp truy nhập.
Bao gồm các thiết bị truy nhập cung cấp các cổng kết nối với thiết bị đầu
cuối thuê bao qua hệ thống mạng ngoại vi cáp đồng, cáp quang hoặc vô tuyến. Các
thiết bị truy nhập có thể cung cấp các loại cổng truy nhập cho các loại thuê bao sau:
POST, VOIP, IP, FR, X.25, ATM, xDLS, di động v.v
1.2.Định hướng mạng NGN của VNPT
1.2.1.Sự cần thiết chuyển đổi công nghệ mạng
Yếu tố hàng đầu là tốc độ phát triển theo hàm số mũ của nhu cầu truyền dẫn
dữ liệu và các dịch vụ dữ liệu là kết quả của tăng trưởng Internet mạnh mẽ. Các hệ
thống mạng công cộng hiện nay chủ yếu được xây dựng nhằm truyền dẫn lưu lượng
thoại, truyền dữ liệu thông tin và video đã được vận chuyển trên các mạng chồng
lấn, tách rời được triển khai để đáp ứng những yêu cầu của chúng. Do vậy, một sự
chuyển đổi sang hệ thống mạng chuyển mạch gói tập trung là không thể tránh khỏi
nhuận cao hơn trên thị trường viễn thông.
Các cơ hội kinh doanh mới bao gồm các ứng dụng đa dạng tích hợp với các
dịch vụ của mạng viễn thông hiện tại, số liệu Internet, các ứng dụng video.
1.2.2. Các yêu cầu đối với cấu trúc mạng thế hệ mới của VNPT
Trước hết các nhà cung cấp dịch vụ chính thống phải xem xét cơ sở TDM mà
họ đã lắp đặt và do vậy phải đối đầu với quyết định khó khăn về việc nâng cấp hệ
thống này, nên đầu tư vốn cho thiết bị chuyển mạch kênh và xây dựng một mạng
NGN xếp chồng, hay thậm chí nên thay thế các tổng đài truyền thống bằng những
chuyển mạch công nghệ mới sau này. Họ cũng phải xem xét ảnh hưởng của sự gia
tăng lưu lượng Internet quay số trực tiếp với thời gian giữ máy ngắn hơn nhiều. Để
duy trì cạnh tranh các nhà khai thác này cần tìm ra phương pháp cung cấp các dịch
vụ mới cho các khách hàng của họ trong thời kỳ quá độ trước khi các mạng của họ
tiến triển sang NGN một cách đầy đủ.
Vấn đề lớn nhất cần cân nhắc khi sắp tới cần hỗ trợ dịch vụ thoại qua IP và
hàng loạt các dịch vụ giá trị gia tăng khác là cơ chế “best effort” phân phối các gói
tin không còn đủ đáp ứng nữa. Một thách thức căn bản ở nay là mở rộng mạng IP
theo nhiều hướng, khả năng cung cấp đa dịch vụ trong khi vẫn giữ được ưu thế của
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
9
mạng IP. Để đảm bảo QoS cần thiết, các nhà khai thác sẽ phải có khả năng cam kết
cung cấp các thỏa thuận về mức dịch vụ (SLA), các yêu cầu về băng tần và các
tham số chất lượng.
Một khía cạnh khác bảo đảm chất lượng là quy mô mạng phải đủ lớn để cung
cấp cho khách hàng nhằm chống lại hiện tượng nghẽn cổ chai trong lưu lượng của
mạng lõi. Một trong những đặc trưng của NGN chính là khả năng tăng số lượng của
các giao diện mở, nhưng điều đó cũng hàm chứa các nguy cơ đe dọa an ninh của
mạng. Do đó, đảm bảo an toàn thông tin trở thành vấn đề sống còn của các nhà
khai thác nhằm bảo vệ mạng chống lại sự tấn công từ phía các tin tặc. Các công cụ
an ninh và mật mã hóa phải luôn luôn sẵn sàng.
Một vấn đề không kém phần quan trọng là vấn đề về các giải pháp quản lý
- Hệ thống quản lý mạng, quản lý dịch vụ có tập trung cao, bảo đảm việc cung
cấp dịch vụ đến tận các thuê bao thuộc các vùng hành chính khác nhau.
1.2.3 Cấu trúc mạng NGN của VNPT
Hình 1.3.Sơ đồ triển khai mạng NGN của VNPT.
Để phục vụ cho các dịch vụ thông tin như thoại, số liệu, fax, telex và các
dịch vụ khác như điện thoại di động , nhắn tin,… nên nước ta hiện nay ngoài mạng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
11
chuyển mạch công cộng còn có các mạng của một số dịch vụ khác. Riêng mạng
Telex không kết nối với mạng thoại của VNPT, còn các mạng khác đều được kết
nối vào mạng của VNPT thông qua các kênh trung kế hoặc các bộ MSU (Main
Switch Unit), một số khác lại truy nhập vào mạng PSTN qua các kênh thuê bao
bình thường, sử dụng kỹ thuật DLC (Digital Loop Carrier), kỹ thuật truy nhập vô
tuyến,…
Về cấu trúc mạng, mạng viễn thông của VNPT hiện nay chia thành 3 cấp:
cấp quốc tế, cấp quốc gia, cấp nội tỉnh/thành phố.
Xét về khía cạnh các chức năng của các hệ thống thiết bị trên mạng thì mạng
viễn thông bao gồm: mạng chuyển mạch, mạng truy nhập, mạng truyền dẫn và các
mạng chức năng.
Giải pháp xây dựng NGN của VNPT lựa chọn là giải pháp SURPASS của
Siemens. Với lựa chọn này NGN sẽ sử dụng thiết bị của Siemens cụ thể là hiQ, hiA,
hiG…Theo cấu trúc đó NGN sẽ có cấu trúc 3 lớp: lớp truyền tải, truy cập, điều
khiển.
*Phân vùng lưu lượng.
Cấu trúc mạng thế hệ mới được xây dựng dựa trên phân bố thuê bao theo
vùng địa lý, không tổ chức theo địa bàn hành chính mà được phân theo vùng lưu
lượng. Trong một vùng có nhiều khu vực và trong một khu vực có thể gồm một
hoặc nhiều tỉnh, thành. Số lượng các tỉnh thành trong một khu vực tuỳ thuộc vào số
lượng thuê bao của các tỉnh thành đó. Căn cứ vào phân bố thuê bao, mạng NGN của
VNPT được phân thành 5 vùng lưu lượng như sau:
Lớp điều khiển
Lớp chuyển tải
TP.HCM
M.Trung
Hà nội
M.Nam
M.Bắc
Copyright: Tài liệu đại học ©