Đồ án Công nghệ MPLS và ứng dụng

Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục Lưu Anh Tú, D2001VT MỤC LỤC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT ................................................................................ i LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................... iii CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ MPLS .............................................. 1 1.1 Xu hướng phát triển dịch vụ .................................................................................. 1 1.2 Xu hướng phát triển công nghệ mạng ................................................................... 3 1.2.1 Định tuyến và chuyển mạch gói truyền thống ................................................ 3 1.2.2 Công nghệ mạng dựa trên giao thức IP ........................................................... 3 1.2.3 Công nghệ ATM ............................................................................................. 4 1.2.4 IP và ATM ....................................................................................................... 4 So sánh giữa IP và ATM ...................................................................................... 4 Giải pháp sử dụng mô hình xếp chồng ................................................................. 6 1.3 Sự ra đời công nghệ MPLS .................................................................................... 8 1.3.1 Chuyển mạch nhãn là gì? ................................................................................ 8 1.3.2 Tại sao sử dụng MPLS? ................................................................................ 10 Tốc độ và trễ ....................................................................................................... 10 Khả năng mở rộng mạng .................................................................................... 11 Tính đơn giản...................................................................................................... 11 Sử dụng tài nguyên ............................................................................................. 12 Điều khiển đường đi ........................................................................................... 12 CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ MPLS ........................................................................... 14 2.1 Một số vấn đề cơ bản ........................................................................................... 14 2.1.1 Các thuật ngữ, định nghĩa sử dụng trong MPLS ........................................... 14 2.1.2 Một sồ vấn đề liên quan đến nhãn (Label) .................................................... 16 Không gian nhãn................................................................................................. 16 Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục Lưu Anh Tú, D2001VT Sự duy nhất của nhãn trong không gian nhãn .................................................... 17 Ngăn xếp nhãn .................................................................................................... 19 Sự duy trì nhãn ................................................................................................... 22 Tổng hợp FEC .................................................................................................... 23 Hợp nhất nhãn .................................................................................................... 25 2.1.3 Một số vấn đề liên quan đến ràng buộc nhãn (FEC/Label) .......................... 26 Các phương pháp ràng buộc nhãn với FEC ....................................................... 26 Các chế độ điều khiển ràng buộc nhãn với FEC ................................................ 27 Phân bổ ràng buộc nhãn không theo yêu cầu và theo yêu cầu ........................... 29 2.2 Các loại thiết bị trong mạng MPLS ..................................................................... 30 2.3 Các chế độ hoạt động của MPLS ......................................................................... 32 2.3.1 Chế độ khung ................................................................................................ 32 2.3.2 Chế độ tế bào ................................................................................................. 33 2.4 Các giao thức phân bổ nhãn ................................................................................. 35 2.4.1 Giao thức phân phối nhãn LDP ..................................................................... 35 Giới thiệu ............................................................................................................ 35 Các loại bản tin LDP .......................................................................................... 36 Thủ tục thăm dò LSR lân cận ............................................................................. 37 Các bản tin LDP ................................................................................................. 38 Phát hành và sử dụng nhãn ................................................................................. 43 2.4.2 Giao thức RSVP với việc phân bổ nhãn ....................................................... 48 2.4.3 Giao thức BGP với việc phân bổ nhãn .......................................................... 54 2.5 Định tuyến trong mạng MPLS. ............................................................................ 55 2.5.1 Định tuyến cưỡng bức (CR) với CR-LDP ................................................. 56 Khái niệm ........................................................................................................... 56 Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục Lưu Anh Tú, D2001VT Định tuyến hiện (ER) và định tuyến cưỡng bức (CR) ........................................ 57 LDP và định tuyến cưỡng bức (CR) ................................................................... 58 Thuật toán định tuyến cưỡng bức ....................................................................... 58 Các bản tin và các TLV sử dụng trong CR ........................................................ 62 CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ MPLS .......................................... 71 3.1 Mạng thế hệ kế tiếp (NGN) của Tổng công ty BCVT Việt Nam ........................ 71 3.1.1 Mở đầu .......................................................................................................... 71 3.1.2 Cấu trúc phân lớp chức năng NGN ............................................................... 72 3.1.2 Nguyên tắc tổ chức mạng .............................................................................. 72 3.1.3 Tổ chức các lớp chức năng trong NGN ....................................................... 73 Tổ chức lớp ứng dụng và lớp dịch vụ mạng ....................................................... 73 Tổ chức lớp điều khiển ....................................................................................... 74 Tổ chức lớp truyền tải ........................................................................................ 74 Tổ chức lớp truy nhập ........................................................................................ 74 3.1.4 Kết nối NGN với các mạng hiện thời............................................................ 74 Kết nối với mạng PSTN ..................................................................................... 74 Kết nối với mạng Internet ................................................................................... 75 3.1.5 Lộ trình chuyển đổi sang NGN ..................................................................... 76 3.2 Khả năng ứng dụng MPLS tại Việt Nam............................................................. 78 3.2.1 Những điểm cơ bản trong định hướng phát triển của ngành viễn thông Việt Nam ........................................................................................................................ 78 3.2.2 Các công nghệ và triển vọng triển khai ......................................................... 78 1. Công nghệ IP .................................................................................................. 79 2. Công nghệ ATM ............................................................................................. 79 3. Công nghệ MPLS ........................................................................................... 79 3.2.3 Các giải pháp ứng dụng MPLS ..................................................................... 80 Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục Lưu Anh Tú, D2001VT 1. Giải pháp 1: MPLS trong mạng lõi ................................................................ 81 2. Giải pháp 2: ATM lõi, MPLS ở các tổng đài đa dịch vụ ............................... 83 3. Giải pháp 3: Mạng MPLS hoàn toàn .............................................................. 86 4. Đánh giá các giải pháp ................................................................................... 88 KẾT LUẬN .................................................................................................................. 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 90 Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ và từ viết tắt Lưu Anh Tú, D2001VT i THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền dẫn không đồng bộ ARP Address Resolution Protocol Giao thức phân giải địa chỉ ATMARP ATM Address Resolution Protocol Giao thức phân giải địa chỉ ATM BGP Border Gateway Protocol Giao thức cổng đường biên CoS Class of Service Lớp dịch vụ CLIP Classical IP IP trên ATM CR Constrained Routing Định tuyến cưỡng bức CR-LDP Constrained Routing-LDP Định tuyến cưỡng bức-LDP CR-LSP Constrained Routing-LSP Định tuyến cưỡng bức-LSP CSPF Constrained SPF SPF cưỡng bức DiffServ Differentiated Service Các dịch vụ được phân biệt DLCI Data Link Connection Identifer Nhận dạng kết nối liên kết dữ liệu ER Explicit Routing Định tuyến hiện FR Frame Relay Chuyển tiếp khung FEC Fowarding Equivalent Class Lớp chuyển tiếp tương đương IETF Internet Engineering Task Force Nhóm tác vụ kỹ thuật Internet IP Internet Protocol Giao thức Internet IntServ Integrated Service Các dịch vụ được tích hợp LAN Local Area Network Mạng cục bộ LANE LAN Emulation Mô phỏng LAN LDP Label Distribution Protocol Giao thức phân bổ nhãn LER Label Edge Router Router biên nhãn LIB Label Information Base Cơ sở thông tin nhãn LSP Label Switched Path Đường dẫn chuyển mạch nhãn LSR Label Switch Router Router chuyển mạch nhãn MG Media Gateway Cổng đa phương tiện MPLS Multiprotocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPOA Multiprotocol Over ATM Đa giao thức trên ATM NGN Next Generation Network Mạng thế hệ kế tiếp NHRP Next Hop Resolution Protocol Giao thức phân giải chặng kế tiếp Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ và từ viết tắt Lưu Anh Tú, D2001VT ii OSPF Open Shortest Path First Giao thức đường đi ngắn nhất đầu tiên PID Protocol Identifier Nhận dạng giao thức PNNI Private Network-Network Interface Mạng riêng ảo QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RESV Resevation Bản tin dành trước RFC Request For Comment Yêu cầu ý kiến RSVP Resource Resevation Protocol Giao thức dành trước tài nguyên SG Signaling Gateway Cổng báo hiệu SPF Shortest Path First Đường đi ngắn nhất đầu tiên STM Synchronous Transmission Mode Chế độ truyền dẫn đồng bộ SVC Signaling Virtual Circuit Kênh ảo báo hiệu TCP Transission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn TGW Traffic Gateway Cổng lưu lượng TLV Time To Live Thời gian sống TLV Type-Leng-Value Kiểu-Chiều dài-Giá trị ToS Type of Service Kiểu dịch vụ UDP User Datagram Protocol Giao thức lược đồ dữ liệu VC Virtual Circuit Kênh ảo VCI Virtual Circuit Identifier Nhận dạng kênh ảo VNPT Vietnam Post & Telecommunications Tổng công ty BCVT Việt Nam VP Virtual Path Đường ảo VPN Virtual Private Network Mạng riêng ảo VPI Virtual Path Identifier Nhận dạng đường ảo WAN Wide Area Network Mạng diện rộng Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời nói đầu Lưu Anh Tú, D2001VT iii LỜI NÓI ĐẦU Cùng với sự phát triển của đất nước, những năm gần đây các ngành công nghiệp đều phát triển mạnh mẽ, và ngành công nghiệp viễn thông cũng không là ngoại lệ. Số người sử dụng các dịch vụ mạng tăng đáng kế, theo dự đoán con số này đang tăng theo hàm mũ. Ngày càng có nhiều các dịch vụ mới và chất lượng dịch vụ cũng được yêu cầu cao hơn. Đứng trước tình hình này, các vấn đề về mạng bắt đầu bộc lộ, các nhà cung cấp mạng và các nhà cung cấp dịch vụ cũng đã có nhiều nỗ lực để nâng cấp cũng như xây dựng hạ tầng mạng mới. Nhiều công nghệ mạng và công nghệ chuyển mạch đã được phát triển, trong số đó chúng ta phải kể đến công nghệ chuyển mạch nhãn (MPLS là tiêu chuẩn). MPLS cũng đang được nghiên cứu áp dụng ở nhiều nước, Tổng công ty BCVT Việt Nam cũng đã áp dụng công nghệ này cho mạng thế hệ kế tiếp NGN. Đứng trước sự phát triển nhanh chóng của công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS, việc tìm hiểu các vấn đề về công nghệ MPLS là vấn đề quan trọng đối với sinh viên. Nhận thức được điều đó, đồ án tốt nghiệp “Công nghệ MPLS và ứng dụng” giới thiệu về quá trình phát triển dịch vụ cũng như công nghệ mạng dẫn tới MPLS, tìm hiểu các vấn đề kỹ thuật của công nghệ, và ứng dụng của công nghệ MPLS trong mạng thế hệ kế tiếp NGN của Tổng công ty BCVT Việt Nam. Bố cục của đồ án gồm 3 chương.
Chương I : Giới thiệu về công nghệ MPLS
Chương II : Công nghệ MPLS
Chương III : Ứng dụng của công nghệ MPLS Công nghệ MPLS là công nghệ tương đối mới mẻ, việc tìm hiểu về các vấn đề của công nghệ MPLS đòi hỏi phải có kiển thức sâu rộng, và lâu dài. Do vậy đồ án không tránh khỏi những sai sót. Rất mong nhận được sự phê bình, góp ý của các thầy cô giáo và các bạn. Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Trần Hạo Bửu, người đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình làm đồ án này. Xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Viễn thông đã giúp đỡ em trong thời gian qua. Xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè và người thân - những người đã giúp đỡ động viên tôi trong quá trình học tập. Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu về công nghệ MPLS Lưu Anh Tú, D2001VT 1 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ MPLS Trong chương này, đầu tiên chúng ta nêu ra xu hướng phát triển dịch vụ và những vấn đề nảy sinh với các mạng truyền thống trong quá trình phát triển. Tiếp đến là phần mô tả quá trình phát triển công nghệ mạng, các ưu nhược điểm của mỗi công nghệ và cuối cùng là phần giải thích cho việc ra đời của công nghệ chuyển mạch nhãn - tại sao các mạng chuyển mạch nhãn (MPLS là tiêu chuẩn) đóng vai trò quan trọng trong các liên mạng riêng và mạng Internet toàn cầu đa dịch vụ? Nội dung chương này có các vấn đề chính sau. 1.1 Xu hướng phát triển dịch vụ 1.2 Xu hướng phát triển công nghệ mạng 1.3 Sự ra đời của MPLS 1.1 Xu hướng phát triển dịch vụ Trong phần này chúng ta sẽ xem xét quan điểm đứng từ phía người sử dụng dịch vụ để thấy được xu hướng phát triển dịch vụ hiện nay. Chúng ta đang sống trong thời đại mà nhu cầu về trao đổi, tìm kiếm thông tin trở nên rất cần thiết với con người. Gần như chúng ta có thể tìm kiếm mọi thông tin mà chúng ta cần trên Internet, do đó nhu cầu truy cập vào mạng Internet để tìm kiếm, trao đổi thông tin trở nên rất lớn. Trong bối cảnh đó mạng Internet trở thành công cụ hữu ích đáp ứng một cách đầy đủ nhất và dẫn đến sự bùng nổ về số người sử dụng mạng, người ta ước tính số ngưòi sử dụng mạng đang tăng theo hàm mũ. Cùng với sự phát triển của xã hội về nhiều mặt, các ngành công nghiệp không ngừng phát triển và ngành công nghiệp viễn thông cũng không là ngoại lệ. Nhu cầu sử dụng của con người ngày càng tăng cả về số lượng và chất lượng: các dịch vụ đa phương tiện mới xuất hiện ngày càng đa dạng và yêu cầu về chất lượng dịch vụ của người sử dụng cũng ngày càng cao, khắt khe hơn, các ứng dụng yêu cầu băng thông lớn, thời gian tương tác nhanh hơn, trễ và biến thiên trễ thấp, mất và lặp gói ít. Từ những yếu tố này dẫn đến tài nguyên mạng Internet bị cạn kiệt nhanh chóng. Lúc này mạng Internet bắt đầu biêu hiện rõ các vấn đề như là: tốc độ mạng, khả năng mở rộng, quản lý chất lượng dịch vụ, và đặc biệt là vấn đề tắc nghẽn xảy ra trong mạng. Truớc tình trạng như vậy cần có các biện pháp để giải quyết khắc phục. Chúng ta hãy Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu về công nghệ MPLS Lưu Anh Tú, D2001VT 2 xem xét kỹ hơn một vấn đề của mạng IP truyền thống để thấy rõ hơn là thực sự chúng ta cần cái gì cho công nghệ mạng. Vấn đề với mạng IP truyền thống và nhu cầu cần phải có một mạng Internet dựa trên QoS Mạng Internet truyền thống không có cơ chế phân loại dòng lưu lượng, và bởi vì tính phức tạp của nó, mạng xử lý lưu lượng của tất cả các ứng dụng theo một lối như nhau và phân phối lưu lượng trên cơ sở nỗ lực tối đa. Nghĩa là, lưu lượng được phân phối nếu mạng có đủ tài nguyên. Tuy nhiên, nếu mạng trở nên tắc nghẽn, thì lưu lượng sẽ bị loại bỏ ra ngoài. Một số mạng đã cố gắng để thiết lập một số phương pháp phản hồi (điều khiển tắc nghẽn) tới người sử dụng để yêu cầu người sử dụng giảm lượng dữ liệu gửi vào mạng. Nhưng thực tế thì kỹ thuật này không hiệu quả bởi vì nhiều dòng lưu lượng trong mạng có thời gian hoạt động rất ngắn rất ngắn, chỉ có một vài gói. Vì vậy, khi mà người sử dụng nhận được phản hồi thì đã không còn gửi dữ liệu. Các gói phản hồi như vậy trở nên vô nghĩa và chính nó lại còn làm tăng lưu lượng trên mạng. Khái niệm nỗ lực tối đa có nghĩa là lưu lượng bị huỷ bỏ một cách ngẫu nhiên; không có cách nào để loại bỏ lưu lượng một cách thông minh trong mạng Internet truyền thống. Chúng ta thử hình dung ra tình huống sau: khi 2 người sử dụng đang cùng gửi lưu lượng vào mạng, một người có ứng dụng cần băng thông cao, dung lượng dữ liệu lớn và một người có ứng dụng cần băng thông thấp hơn. Giả sử mạng bị nghẽn, ai cũng biết là nếu để cho chúng ta phải loại bỏ một số lưu lượng thì nên loại bỏ dòng lưu lượng của ứng dụng có độ ưu tiên thấp hơn trước (thường thì đó là ứng dụng có yêu cầu băng thông thấp hơn), song mạng thì không làm như vậy, nó không phân biệt người sử dụng và không dành quyền ưu tiên cho người sử dụng nào. Vậy chúng ta có thể nói rằng giải pháp nỗ lực tối đa không phải là mô hình quá tốt. Những gì chúng ta cần là có một cách để quản lý QoS phù hợp với sự đầu tư và yêu cầu của người sử dụng. Qua việc phân tích sơ bộ quan điểm đứng từ phía người sử dụng, chúng ta thấy được xu hướng phát triển dịch vụ và một số vấn đề đang gặp phải với các mạng truyền thống. Vậy thì các nhà cung cấp mạng và các nhà cung cấp dịch vụ cần phải làm gì để đáp ứng yêu cầu của người sử dụng. Sau đây, chúng ta xem xét quá trình phát triển công nghệ mạng mà các nhà cung cấp mạng đã thực hiện. Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu về công nghệ MPLS Lưu Anh Tú, D2001VT 3 1.2 Xu hướng phát triển công nghệ mạng 1.2.1 Định tuyến và chuyển mạch gói truyền thống Sự triển khai đầu tiên của mạng Internet nhằm vào các yêu cầu truyền số liệu qua mạng. Các mạng này phục vụ cho các ứng dụng đơn giản như là truyền file và đăng nhập từ xa. Để thực hiện các yêu cầu này, một bộ định tuyến dựa trên phần mềm đơn giản, với các giao diện mạng T1/E1 hay T3/E3 để hỗ trợ các mạng xương sống, là có thể đáp ứng được yêu cầu. Khi các dịch vụ yêu cầu tốc độ cao và khả năng để hỗ trợ tốc độ truyền dẫn băng tần lớn xuất hiện thì các thiết bị với khả năng chuyển mạch tạo lớp 2 và lớp 3 bằng phần cứng phải được triển khai. Các thiết bị chuyển mạch lớp 2 nhằm vào tắc nghẽn tại cổ chai chuyển mạch trong các mạng con của môi trường mạng cục bộ (LAN). Các thiết bị chuyển mạch lớp 3 giúp làm giảm nhẹ tắc nghẽn cổ chai trong việc định tuyển lớp 3 bằng việc đưa tuyến đường đã tìm kiếm ở lớp 3 tới