HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA SAU ĐẠI HỌC ********* Bài tập nhóm môn Mạng thế hệ sau NGN Khảo sát kỹ thuật điều khiển lưu lượng trong IP Nhóm thực hiện: Cao Trung Thụ Nguyễn Việt Hải Trịnh Thị Kim Liên Đinh Phương Nam Thắng Lớp: Truyền dữ liệu và mạng máy tính - M12CQCT01-B : Hà Nội, tháng 5 - 2013 1 MỤC LỤC MỤC LỤC 2 MỞ ĐẦU .2 1. Một số vấn đề lưu lượng trong mạng IP 3 1.1 Xu hướng phát triển mạng IP .3 2. Điều khiển lưu lượng dựa trên IP 8 3. Điều khiển lưu lượng dựa trên ATM .10 4. Điều khiển lưu lượng dựa trên MPLS 13 4.1 Tổng quan điều khiển lưu lượng trong MPLS 13 4.2 Cơ chế điều khiển lưu lượng trong MPLS 15 4.3 Các giao thức phân bổ nhãn 18 4.3.1 Giao thức phân phối nhãn LDP 19 4.3.2 Giao thức dự trữ tài nguyên RSVP 22 4.3.3 Giao thức BGP với việc phân bổ nhãn 28 4.4 Định tuyến trong mạng MPLS 29 4.4.1 Định tuyến dựa trên sự ràng buộc .30 4.4.2 Giao thức phân phối nhãn định tuyến dựa trên sự ràng buộc .33 4.5 Kĩ thuật điều khiển tắc nghẽn FATE .42 4.5.1 Phương pháp FATE 42 4.5.2 Giám sát luồng lưu lượng và phát hiện tắc nghẽn trong LSP .42 KẾT LUẬN 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO .46 MỞ ĐẦU Khi mạng Internet ngày càng phát triển, thì số lượng khách hàng sử dụng ngày 2 càng tăng lên một cách mạnh mẽ. Hơn nữa, các nhu cầu đối với các dịch vụ đa phương tiện cũng tăng lên, yêu cầu đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS trong trễ gói, lỗi tốc độ, và băng tần tối thiểu. Mạng Internet truyền thống không thể đáp ứng các yêu cầu của khách hàng vì nó dựa trên các dịch vụ IP “best – effort”, trong khi các dịch vụ này không có bất cứ một cơ chế điều khiển lưu lượng nào. Cùng với sự phát triển của mạng IP, các nhà nghiên cứu cố gắng tìm ra một phương pháp điều khiển lưu lượng trong mạng một cách tối ưu để đáp ứng được nhu cầu người sử dụng. Các phương pháp điều khiển lưu lượng truyền thống như IP, ATM cũng phần nào giải quyết được bài toán lưu lượng trong mạng IP, tuy nhiên các phương pháp này biểu lộ một số hạn chế nhất định. MPLS không thay thế cho định tuyến IP, nhưng nó sẽ hoạt động song song với các phương pháp định tuyến đang tồn tại và các công nghệ định tuyến trong tương lai với mục đích cung cấp tốc độ dữ liệu rất cao giữa các bộ định tuyến chuyển mạch nhãn LSP đồng thời với việc hạn chế băng tần của các luồng lưu lượng với các yêu cầu chất lượng dịch vụ QoS khác nhau. Nhóm em chọn đề tài “Khảo sát kĩ thuật đ iều khiể n lưu lượng trong mạng IP”. Nh ằm Khái quát về kĩ thuật lưu lượng và đặc điểm. Trình bày các phương pháp điều khiển lưu lượng trong mạng IP bao gồm điều khiển lưu lượng dựa trên IP, điều khiển lưu lượng dựa trên ATM và điều khiển lưu lượng dựa trên MPLS. Trong đó nhấn mạnh phương pháp điều khiển lưu lượng dựa trên MPLS và ưu điểm vượt trội của nó so với các phương pháp khác. Kĩ thuật lưu lượng là một kĩ thuật tương đối khó, việc tìm hiểu về các vấn đề của kĩ thuật lưu lượng đòi hỏi phải có kiển thức sâu rộng, và lâu dài. Do vậy đề tài không tránh khỏi những sai sót. Rất mong nhận được lời nhận xét của thầy. 1. Một số vấn đề lưu lượng trong mạng IP 1.1 Xu hướng phát triển mạng IP Xu hướng đang diễn ra với mạng truyền thông là IP hoá. IP hoá được hiểu trên hai khía cạnh. Thứ nhất, các luồng thông tin như dữ liệu, thoại, hình ảnh được tích hợp trên bộ giao thức TCP/IP. Nói cách khác bộ giao thức TCP/IP cho phép nhiều loại hình thông tin đi trên nó. Thứ hai, trước đây mạng viễn thông được xây dựng dựa trên các công nghệ TDM, X25, FR, ATM, còn TCP/IP được coi là thuộc phía khách hàng. Hay trước đây mạng viễn thông chỉ tạo ra các dịch vụ mạng WAN để kết nỗi các trụ sở của các nhà quản trị mạng IP. Thì từ khi mạng NGN, mạng hội tụ và mạng cộng hưởng ra đời thì các nhà 3 quản trị mạng viễn thông không chỉ đơn thuần coi TCP/IP thuộc về phía khách hàng nữa. TCP/IP được coi là nền tảng của mạng Internet, nó có tính năng để đáp ứng yêu cầu của mạng viễn thông công cộng. Với xu hướng phát triển nói trên, một trong vấn đề cần được quan tâm với mạng IP đó là vấn đề về lưu lượng. Cụ thể là cần phải xem xét các kĩ thuật lưu lượng trong mạng IP. Không phải bây giờ mạng IP mới cần giải quyết vấn đề lưu lượng. Cùng với sự phát triển của giao thức định tuyến, với chức năng chính là định tuyến đường đi tốt nhất cho các gói tin IP. Bên cạnh đó, định tuyến cũng để lại vấn đề lưu lượng. Tuy nhiên, người ta cũng đã chứng minh được rằng có thể sử dụng định tuyến như một kĩ thuật để điều khiển lưu lượng trong mạng IP. Chúng ta sẽ xem xét bài toán lưu lượng bằng chính nhược điểm của định tuyến IP. 1.2 Bài toán lưu lượng Chúng ta xem xét một mạng đơn giản như hình 1. Mạng bao gồm các bộ định tuyến R1, R2, R3, R4, R5 cùng thuộc một miền quản trị. Các bộ định tuyến được kết nối với nhau như hình vẽ. Xét hai luồng lưu lượng I-I’, II-II’ vào R1 và ra R5. Theo hình vẽ dễ thấy có hai đường đi có thể lựa chọn cho hai luồng lưu lượng trên:  R1-R2-R3-R5  R1-R4-R5 Hình 1. Mô hình mạng đơn giản Với cấu hình này, nhà quản trị có thể sử dụng một trong các giải pháp định tuyến sau đây: Thứ nhất là sử dụng định tuyến tĩnh. Với giải pháp này, một đường đi sẽ được lựa chọn một cách nhân công. 4 Hình 2. Lựa chọn đường sử dụng phương pháp định tuyến tĩnh Thứ hai là sử dụng định tuyến động. Đó là sử dụng một trong các giao thức định tuyến IGP như RIP, OSPF, IS-IS…Với giải pháp này, các bộ định tuyến tự động xây dựng và cập nhật bảng định tuyến của mình bằng cách trao đổi, thu thập thông tin định tuyến, tìm ra đường đi ngắn nhất. Hai phương pháp này có những ưu nhược điểm riêng. Định tuyến tĩnh không đòi hỏi việc trao đổi thông tin định tuyến nhưng có nhược điểm là không thích ứng với sự thay đổi cấu hình mạng. Sử dụng các giao thức định tuyến IGP cho phép thích ứng nhanh với sự thay đổi cấu hình mạng nhưng lại tốn một lượng băng thông cho việc trao đổi thông tin định tuyến. Thường thì định tuyến động được áp dụng cho mạng IP cỡ lớn. Việc lựa chọn định tuyến động cho mạng IP cỡ lớn đồng nghĩa với việc sử dụng một trong các giao thức định tuyến. Giao thức định tuyến có chức năng là tìm ra đường đi ngắn nhất cho các gói tin IP từ một bộ định tuyến tới đích. Đoạn đường từ mỗi bộ định tuyến tới các mạng đích được đo bằng tham số metric. Metric có thể dựa trên một đặc tính đơn của đường hay có thể tính toán dựa trên một vài đặc tính. Metric có thể tính toán theo các tham số sau:  Bandwidth: băng thông của các liên kết.  Delay: độ trễ (độ dài thời gian yêu cầu để chuyển một gói tin trên toàn liên kết từ nguồn tới đích. Độ trễ phụ thuộc vào băng thông của các liên kết trung gian, hàng cổng tại mỗi bộ định tuyến, tắc nghẽn mạng, khoảng cách vật lý).  Load: tải.  Rebility: độ khả dụng (thường cho phép tỉ lệ lỗi của mỗi liên kết).  Hop count: số trạm trung gian. Số các bộ định tuyến mà một gói tin phải đi qua trước khi tới đích. Khi dữ liệu đi qua một bộ định tuyến, đó là một hop. Nếu có 5 nhiều đường cùng tới một đích, bộ định tuyến chọn đường với số hop là ít nhất.  Cost: thường dựa trên băng thông được gán bởi nhà quản trị mạng. Tuy nhiên, đối với mỗi giao thức định tuyến cụ thể, việc tính toán metric thường chỉ dựa vào một vài tham số hoặc chỉ dựa trên một tham số. Như với giao thức định tuyến RIP, việc tính toán quãng đường dựa trên tham số hop count. Giao thức định tuyến OSPF, thường áp dụng trong miền quản trị đơn, tính toán đường dựa trên tham số bandwidth. Điều này có nghĩa là khoảng cách ngắn nhất được giao thức định tuyến tính toán chỉ mang tính tương đối. Trong hình 1. nếu áp dụng giao thức định tuyến RIP thì cả hai luồng I-I’, II-II’ đi theo đường R1-R4-R5, nếu áp dụng giao thức định tuyến OSPF thì cả hai luồng lưu lượng này đi theo đường R1-R2-R3-R5. Với thuộc tính này có thể nói rằng giao thức định tuyến OSPF có ưu điểm hơn các giao thức định tuyến khác nếu đứng trên quan điểm phân bổ lưu lượng. Cho dù OSPF là một giao thức định tuyến đơn miền quản trị vượt trội nhất nhưng luôn tồn tại một vấn đề cần xem xét mà nhà quản trị phải tìm cách giải quyết. Đó là vấn đề lưu lượng tập trung qua cao trên đường R1-R2-R3-R5. Kể cả khi đường này có băng thông lớn hơn đường còn lại nhưng sự tập trung quá cao các luồng lưu lượng khiến đường này bị nghẽn cục bộ trong khi các tuyến đường khác vẫn còn dư thừa băng thông. Đây chính là bài toán đặt ra đối với kĩ thuật lưu lượng traffic engineering của mạng IP. Hình 3. Lựa chọn đường sử dụng phương pháp định tuyến OSPF 6 Hình 4. Lựa chọn đường sử dụng phương pháp định tuyến RIP Nhận xét:  Trong mạng IP thông thông thưòng, các router hướng (forward) các gói tin dựa trên địa IP chỉ đích.  Mỗi giao thức định tuyến đưa ra các tiêu trí riêng để tìm ra “quãng đường đi ngắn nhất”, các tham số lựa chọn để tính quãng đường là rất ít.  Trong mạng, một tuyến (liên kết và nút) có lưu lượng đi qua là rất lớn thậm trí có thể gây ra nghẽn cục bộ. Trong khi một số tuyến có rất ít lưu lượng đi qua nó. Có thể nói ngắn gọn, kĩ thuật lưu lượng trong mạng IP là tổng hợp nhiều kế hoạch và chính sách của nhà quản trị mạng để sao cho các liên kết được sử dụng một cách hiệu quả nhất, tránh hiện tượng tắc nghẽn cục bộ trên một vài liên kết trong khi các liên kết khác vẫn còn dư thừa. Có rất nhiều phương pháp điều khiển lưu lượng khác nhau, nếu căn cứ vào mức xử lý các gói tin tại các nút, có thể phân thành 3 phương pháp kĩ thuật lưu lượng, đó là:  TE dựa trên IP  TE dựa trên ATM  TE dựa trên MPLS Bài toán lưu lượng trong mạng IP xuất hiện rất sớm. Ngay từ khi mạng IP được hình thành thì người ta nhận thấy rằng tầm quan trọng của việc điều khiển lưu lượng. Qua một quá trình phát triển cho đến ngày nay, đã xuất hiện nhiều giải pháp đưa ra cho việc điều khiển lưu lượng. Nhưng cũng không thể khẳng định được giải pháp này hơn giải pháp kia, thường thì việc lựa chọn giải pháp điều khiển lưu lượng được áp dụng trong từng trường hợp cụ thể. Sau đây sẽ giới thiệu một số giải pháp điều khiển lưu lượng. 7 2. Điều khiển lưu lượng dựa trên IP Đây là một phương pháp được sử dụng đầu tiên để điều khiển lưu lượng trong mạng IP. Phương pháp này phần nào khắc phục được tồn tại mà kế hoạch định tuyến để lại. Kĩ thuật lưu lượng dựa trên chính sách định tuyến IP vẫn là phương pháp khá phổ biến, nhưng đây không phải là phương pháp tối ưu. Phương thức chủ yếu để điều khiển hướng lưu lượng IP đi qua mạng là sự thay đổi cost trên một liên kết riêng biệt. Không có cách hợp lí để điều khiển hướng mà lưu lượng chấp nhận trên cơ sở nơi mà lưu lượng đến từ đâu – mà chỉ là lưu lượng sẽ đi tới đâu. Sử dụng kĩ thuật lưu lượng IP phù hợp với nhiều mạng mạng lớn, tuy nhiên vẫn còn có một số vấn đề mà kĩ thuật lưu lượng IP không giải quyết được. Các phần tử trong mạng IP ứng xử với các gói tin bằng các phân tích thông tin mào đầu của gói tin IP (điều khiển hướng gói). Nếu mạng như hình 1. sử dụng phương pháp định tuyến tĩnh, việc chia lưu lượng đều trên hai đường đi có thể được thực hiện một cách dễ dàng bởi nhà quản trị. Ví dụ luồng lưu lượng I-I’ được áp đặt sử dụng đường R1-R2-R3-R5 còn luồng lưu lượng II-II’ được áp đặt đi trên đường còn lại R1-R4-R5. Hoặc cũng với ví dụ này, có thể chia mỗi luồng lưu lượng thành hai phần, mỗi phẫn sẽ được hướng tới một đường khác nhau. Rõ ràng việc thiết lập các tuyến tĩnh cũng có thể giúp cho mạng phân chi được tải. Tuy nhiên:  Không cho phép thích ứng khi topo mạng thay đổi.  Việc chia tải chỉ dựa trên địa chỉ đích nên chỉ mang tính hình thức.  Không cân bằng được tải trên các tuyến.  Phương pháp này rất ít được sử dụng. Dễ dàng thấy, với một cấu hình mạng cho trước như giả thiết, nếu sử dụng chính sách định tuyến này sẽ xuất hiện một vấn đề mới đó là tính chủ quan trong việc phân tải. Việc phân chia luồng lưu lượng đi trên các hướng chưa chắc đã triệt để. Có hai lí do. Thứ nhất, việc phân chia luồng lưu lượng trên các tuyến được thực hiện một cách cảm tính thiếu chính xác. Thứ hai, giả sử việc phân chia luồng lưu lượng một cách cảm tính là chính xác thì cũng chỉ chính xác tại một thời điểm nhất định chứ không phải là mãi mãi. Chúng ta tiếp tục xem xét trường hợp sử dụng một trong các giao thức định tuyến (như OSPF). Sẽ có hai giải pháp có thể áp dụng. Thứ nhất, kích hoạt tính năng chọn đa đường của giao thức định tuyến. Khi đó giao thức định tuyến không chỉ tìm ra một đường đi ngắn nhất mà là một tập các đường đi ngắn nhất. Trong trường hợp cụ thể này, chọn số đường đi ngắn nhất là 2. Nếu vậy, bộ định tuyến R1 sẽ sử dụng cùng một lúc hai đường đi cho các luồng lưu lượng. Cần chú ý rằng giao thức định tuyến OSPF không hỗ 8 trợ cân bằng tải không đều mà chỉ hỗ trợ cân bằng tải đều. Muốn cân bằng tải kiểu không đều thì phải sử dụng giao thức định tuyến EIGRP. Thứ hai, có thể kết hợp giao thức định tuyến với ‘điều kiện mở rộng’ khi quyết định hướng các gói tin theo các tuyến tới đích. Thông thường, để đưa ra ứng xử của mình với các gói tin, các bộ định tuyến chỉ cần phân tích thông tin về địa chỉ đích của gói tin IP đó. Khi áp dụng các ‘điều kiện mở rộng’ tại các bộ định tuyến, ngoài địa chỉ đích ra còn một số thông tin sau có thể xem xét khi đưa ra quyết định ứng xử:  Địa chỉ nguồn.  Kích cỡ gói.  Loại ứng dụng (căn cứ vào địa chỉ cổng ứng dụng). Một khi sử dụng phương pháp này không chỉ giải quyết vấn đề cân bằng tải mà còn giải quyết được phần nào vấn đề QoS. Khi đó, các phần tử của mạng được kích hoạt giao thức định tuyến và tính năng multipath để đảm bảo trong router bảng định tuyến mô tả nhiều đường đi tới mạng đích. Các tham số về địa chỉ nguồn, chiều dài gói, ToS được phân tích trước khi địa chỉ đích của gói tin IP được so sánh với các thực thể trong bảng định tuyến. Ngoài ra có thể sử dụng phương pháp áp đặt (thay đổi) tham số cost của các liên kết. Hình 5. Phân loại lưu lượng dựa trên địa chỉ nguồn 9 Hình 6. Phân loại lưu lượng dựa trên ToS hoặc kích cỡ gói PS Nhận xét:  Kỹ thuật điều khiển lưu lượng dựa trên IP thực chất vẫn dựa trên các chính sách định tuyến bổ sung.  Các nút mạng vẫn phải xử lý thông tin trong phần tiêu đề của gói tin IP (hướng gói).  Nếu sử dụng PBR, thông tin cần phải xử lý các các nút nhiều hơn thông thường do cần phân tích các trường địa chỉ nguồn, ToS, PS.  Việc phân chia luồng lưu lượng vẫn dựa trên phân tích cảm tính lưu lượng tại thời điểm tức thời.  Cần có sự thống nhất về chính sách trên toàn mạng.  “Tính động” trong điều khiển lưu lượng hầu như không có. Nó chỉ có ưu điểm hơn định tuyến tĩnh là khả năng nhận biết thay đổi topo mạng. 3. Điều khiển lưu lượng dựa trên ATM Có thể nói ATM là một công nghệ lớp 2 có ưu điểm vượt trội so với X25 và FR mặc dù độ dài của từ tỉ lệ với mào đầu là 5/53. ATM không những được triển khai bởi các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông mà còn được chính các doanh nghiệp sở hữu mạng IP. Khi sử dụng ATM, việc phối luồng trở lên linh hoạt hơn. Để thực hiện điều này, các node của mạng giờ đây không đơn thuần thực hiện chức năng đơn (hoặc chức năng của bộ định tuyến, hoặc chức năng chuyển mạch ATM) mà chúng kiêm cả hai chức năng này. Điều khiển lưu lượng dựa trên thiết lập PVC-ATM thực chất là quá trình đa dạng hoá ma trận PVC dựa trên một sộ hữu hạn kết nối vật lý. Điều này cho phép các liên kết logic trên một liên kết vật lý được ghép kênh thích ứng. 10 . kĩ thuật lưu lượng và đặc điểm. Trình bày các phương pháp điều khiển lưu lượng trong mạng IP bao gồm điều khiển lưu lượng dựa trên IP, điều khiển lưu lượng. pháp điều khiển lưu lượng được áp dụng trong từng trường hợp cụ thể. Sau đây sẽ giới thiệu một số giải pháp điều khiển lưu lượng. 7 2. Điều khiển lưu lượng