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 1.3. Đặc tính của chuyển tiếp IP 3 1.3.1 Mô hình định tuyến lớp mạng 3 1.4 MPLS 6 1.4.3 Điểm vượt trội của MPLS so với mô hình IP over ATM 7 1.5 Kiến trúc MPLS 9 1.5.1 Mặt phẳng chuyển tiếp 10 1.5.2 Mặt phẳng điều khiển 10 1.5.3 Các thành phần mặt phẳng dữ liệu và điều khiển của MPLS 12 1.6 Nhãn (Label) trong MPLS 12 1.9 Các hình thức hoạt động của MPLS 15 1.10 Thuật toán chuyển tiếp nhãn (Label Forwarding Algorithm) 16 1.11 Hoạt động chuyển tiếp của MPLS 17 1.12 LDP và các loại thông điệp của LDP 17 1.12.1 Các thông điệp của LDP 17 1.12.2 Phân phối bằng giao thức phân phối nhãn LDP 18 1.14 Kết luận 20 Chương 2. Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS 21 Chương 2. Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS 21 2.2 Tổng quan về quản lý lưu lượng MPLS 21 2.3 Sự cần thiết của kỹ thuật lưu lượng trong Internet 22 2.4 Kỹ thuật lưu lượng trước MPLS 23 2.5 Kỹ thuật lưu lượng với MPLS 26 2.6 So sánh IP-TE với MPLS-TE 27 2.7 Các thành phần kỹ thuật lưu lượng MPLS 30 2.7.1 Đường hầm LSP 30 2.7.2 Phân phối các thông tin định tuyến ràng buộc 31 2.7.3 Gán lưu lượng cho đường hầm 31 2.7.4 Định tuyến lại 32 2.7.5 Định tuyến lại nhanh 32 2.7.6 Định tuyến lại được tối ưu 33 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 thời gian lắp đặt mạng có thể diễn ra lâu dài. Kỹ thuật lưu lượng là thao tác trên lưu lượng để phù hợp với mạng. Dù có cố gắng đến đâu thì lưu lượng mạng cũng không bao giờ đáp ứng được 100% so với dự tính. Giữa thập niên 90 sự tăng truyển lưu lượng vượt quá mọi dự tính và không thể tính toán trước được. Do đó có thể tại mọi nơi nhu cầu băng thông quá nhiều nhưng đồng thời có các đường liên kết khác chưa được sử dụng. Kỹ thuật lưu lượng là một “nghệ thuật ” chuyển lưu lượng từ các liên kết bị đầy sang các liên kết rỗi. Kỹ thuật lưu lượng có thể được bổ sung: IP metric trên giao tiếp, kiểm tra một mắc lưới ATM PVC và xác định lại đường PVC dựa trên yêu cầu về lưu lượng đi qua nó. Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS nhằm đạt đến kỹ thuật điều khiển lưu lượng hướng kết nối tốt nhất và kết hợp với định tuyến IP. Trong phạm vi đồ án tốt nghiệp, phần lý thuyết trước tiên em đề cập về những đặc điểm của công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS), từ đó đi sâu vô kỹ thuật lưu lượng trong MPLS (MPLS-TE). Phần thực nghiệm xin giới thiệu về thuật toán cân bằng tải được dụng trong MPLS-TE. Đồ án gồm hai phần lý thuyết và thực nghiệm, trong phần lý thuyết em đã cố gắng trình bày những kiến thức từ tổng quan tới chi tiết, phần thực nghiệm xúc phát từ cơ sở lý thuyết toán học, em đã cố gắng liên hệ với thực nghiệm để giúp cho đề tài có sức thiết phục hơn. Mong được thầy cô và các bạn đóng góp ý kiến xây dựng. Em xin cảm ơn. Đồ án này đề cập vấn đề kỹ thuật cân bằng tải trong MPLS- TE. Nội dung đồ án gồm hai phần 4 chương. Phần 1: lý thuyết gồm 3 chương, chương 1: giới thiệu tổng quan đặc điểm, kiến trúc ứng dụng chuyển mạch nhãn đa giao thức, chương 2 và 3: đi sâu vào đặc điểm kỹ thuật lưu lượng trong MPLS và giới thiệu thuật toán cân bằng tải LCM. Phần 2: phần thực nghiệm, chương 4: phân tích, thiết lập thử nghiệm thuật toán cân bằng tải LCM (load balance with congestion and mean utilization thresholds) trong MPLS-TE. Phương pháp nguyên cứu xuyên suốt của đồ án là nguyên cứu lý thuyết công nghệ, thuyết lập hệ thống lab kiểm tra, đo đạt, ghi lại kết quả. Sử dụng toán học để kiểm tính thuật toán bằng cách so sánh kết quả thu được của hệ thống lab thực với 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 VPN : Virtual private network. 1 Chương 1. Tổng quan về chuyển mạch nhãn đa giao thức Phần 1: Lý thuyết Chương 1. Tổng quan về chuyển mạch nhãn đa giao thức 1.1 Giới thiệu Trong chương này giới thiệu đặc điểm của chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS. Chuyển tiếp gói IP truyền thống phân tích địa chỉ IP đích chứa trong tiêu đề của lớp mạng ở mỗi gói. Mỗi bộ định tuyến phân tích địa chỉ đích độc lập ở mỗi chặng trong mạng. Giao thức định tuyến động hay tĩnh khi xây dựng cơ sở dữ liệu cần phải phân tích địa chỉ IP đích tạo ra bảng định tuyến. Quá trình này gọi là định tuyến unicast từng chặng dựa trên đích đến của các gói tin. Việc định tuyến bằng các giao thức phi kết nối đáp ứng được nhu cầu đơn giản của khách hàng. Khi mạng Internet phát triển và mở rộng, lưu lượng Internet trên mạng bùng nổ, phương thức chuyển tiếp gói hiện tại tỏ ra không hiệu quả, mất tính linh hoạt. Do đó cần một kỹ thuật mới để gán địa chỉ và mở rộng các chức năng của cấu trúc mạng dựa trên IP. Trong phần này chỉ ra một số nhược điểm, các hạn chế mô hình cũ và trình bày một kỹ thuật mới – kỹ thuật chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS – nhằm khắc phục các nhược điểm trên. 1.2 Sơ lược lịch sử MPLS và nguyên nhân của sự ra đời của MPLS Điểm thành công của Internet ở chỗ các công nghệ của Internet được triển khai và phát triển theo nhu cầu của thị trường. Internet không đưa ra các tiêu chuẩn theo kiểu Recommendation như của ITU-T mà đưa ra các RFC (Request For Comments) với mục đích công bố các giải pháp công nghệ đã đạt được và thu thập những đóng góp thêm nhằm hoàn thiện, phát triển sản phẩm đó chứ không bắt buộc phải tuân thủ. Khi mạng Internet phát triển và mở rộng, lưu lượng Internet bùng nổ. Các ISP xử lý bằng cách tăng dung lượng các kết nối và nâng cấp router nhưng vẫn không tránh khỏi nghẽn mạch. Lý do là các giao thức định tuyến thường hướng lưu lượng vào cùng một số các kết nối nhất định dẫn đến kết nối này bị quá tải trong khi 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 các gói tin được chuyển đi dựa trên các giao thức định tuyến lớp mạng (như giao 3 [...]... 2 Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS 2.1 Giới thiệu Chương này giới thiệu về kỹ thuật lưu lượng trong MPLS, so sánh sự khác nhau giữa kỹ thuật lưu lượng sử dụng trong mạng IP truyền thống và kỹ thuật lưu lượng trong MPLS Những thành phần đặc điểm của MPLS TE Những thành phần chính của phân phối và nguyên lý hoạt động phân phối Trong chương này để minh hoạ cho các thông số thuộc tính của các giao thức trong. .. Chương 2 Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS 2.3 Sự cần thiết của kỹ thuật lưu lượng trong Internet Việc cung cấp chất lượng dịch vụ (QoS) và khả năng kỹ thuật lưu lượng trên Internet ngày càng quan trọng, đặc biệt là hỗ trợ các dịch vụ đòi hỏi thời gian thực Để phục vụ mục đích đó, Internet hiện nay phải được nâng cao với kỹ thuật mới, đó là MPLS đóng vai trò chính trong mạng IP, với tính năng kỹ thuật lưu... tương tự như định tuyến nguồn, xuyên qua mạng của họ và điều khiển lưu lượng đi trên con đường đó Kỹ thuật lưu lượng cũng thực thi cân bằng tải có chi phí không cân bằng dựa trên thông số thuộc tính trên các đường hầm 2.4 Kỹ thuật lưu lượng trước MPLS Ta xẽ xét các kỹ thuật lưu lượng của IP và ATM Kỹ thuật lưu lượng IP thì phổ biến nhưng chất lượng khá kém Cách điều khiển chủ yếu của IP là thay đổi... các metric (độ mong đợi) của liên kết bằng các giao thức định tuyến và áp đặt sự cân bằng tải không cùng giá trị trên các liên kết Tuy nhiên, cách này không cung cấp một sự dư thừa động và không được xem như là đặc điểm của giao thức và khả năng của mạng khi thực hiện định tuyến 22 Chương 2 Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS Thay đổi độ đo (metric) là ngược với kỹ thuật lưu lượng MPLS, mạng IP đã có điểm... đường cho nó Bằng cách này nhà cung cấp kiểm soát khít khao toàn bộ lưu lượng trong mạng của họ, MPLS sẽ cho phép họ thu được nhiều lợi nhuận nhất từ tài sản (mạng) của họ 1.14 Kết luận Qua chương một chúng ta có thể hình dung được đặc điểm, cấu trúc, nguyên lý hoạt động của công nghệ MPLS, từ đó có thể nguyên cứu sâu hơn về kỹ thuật lưu lượng trong MPLS (MPLS-TE) 20 Chương 2 Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS... đề, nhưng chỉ áp dụng được trên mạng nhỏ 24 Chương 2 Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS Hình 2.2 Phân tải sử dụng cả 2 đường Xây dựng hai PVC từ R2 tới R6 và thiết lập cho chúng cùng chi phí Vì R2 có hai con đường đến R6 nên sẽ sử dụng cả hai con đường để mang một lượng dữ liệu hợp lý Cơ chế chia tải có thể thay đổi đa dạng nhưng thông thường cân bằng tải trên nguồn và đích của CEF (CEF’s per-source-desstination... hai con đường theo cách cân bằng thô (roughty) Xây dựng hai con đường có cùng chi phí là giải pháp mền dẻo hơn thay đổi chi phí liên kết Trong mạng ATM các thiết bị khác nối đến mạng không ảnh hưởng đến bất kỳ sự thay đổi nào của độ đo (metric) Điều này cho thấy khả năng điều khiển lưu lượng của ATM tốt hơn IP Giải pháp bài toán con cá bằng MPLS-TE 25 Chương 2 Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS Hình 2.3 Bài... đã bị kỹ thuật QoS ràng buột Khi nghiên cứu về kỹ thuật lưu lượng ta quan tâm đến ba vấn đề chính sau: (1) Sự phân phối thông tin: Cách các bộ định tuyến nhận diện ra mạng và các tài nguyên nào đã sẵn sàng (2) Tính toán và thiết lập tuyến: Cách các bộ định tuyến quyết định tạo các đường hầm TE, và cách xây dựng và duy trì các đường hầm TE này một cách chính xác 26 Chương 2 Kỹ thuật lưu lượng trong. .. mô hình mạng cơ sở mà ta đang có H = (U, F, D) trong đó U là một tập hợp các nút mạng (LSRs), F là tập hợp các LSPs, D là một yêu cầu hay hạn chế tương ứng với F Lấy một mối quan hệ cho dễ 28 Chương 2 Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS hiểu: nếu có 2 nút A và B nằm trong tập U thì sẽ tồn tại một đường link L1 nào đó tồn tại trong tập F với những thuộc tính nằm trong tập D tương ứng với tập F đó 29 ... địa chỉ IP Cách này tốt trong mạng có mô hình mạng thưa thớt Ngược lại, trong mạng dày đặc, cách tiếp cận này có thể dẫn đến việc mất cân bằng tải Các liên kết không nằm trên con đường đó sẽ không được tận dụng mặc dù lưu lượng mạng đang cao Điều này dẫn đến lãng phí băng thông trên các đường trung kế mặc dù các con đường đó vẫn còn được sử dụng tốt Vấn đề này được khắc phục bằng việc tính toán lại . 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. đi sâu vô kỹ thuật lưu lượng trong MPLS (MPLS-TE) . Phần thực nghiệm xin giới thiệu về thuật toán cân bằng tải được dụng trong MPLS-TE. Đồ án gồm hai phần lý thuyết và thực nghiệm, trong phần. vào đặc điểm kỹ thuật lưu lượng trong MPLS và giới thiệu thuật toán cân bằng tải LCM. Phần 2: phần thực nghiệm, chương 4: phân tích, thiết lập thử nghiệm thuật toán cân bằng tải LCM (load