Đồ án Định tuyến điều khiển lưu lượng trong mạng MPLS

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP THĂNG LONG KHOA TOÁN-TIN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: ĐỊNH TUYẾN ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG TRONG MẠNG MPLS Giáo viên hướng dẫn : ThS. Hoàng Trọng Minh Sinh viên thực hiện : Cao Chí Công Lớp : TC18-A08691 Hà Nội, tháng 04/2010 Chuyên đề tốt nghiệp Định tuyến điều khiển lưu lượng trong mạng MPLS Cao Chí Công, TC18 Page 2 Đại học dân lập Thăng Long Khoa Toán-Tin ------o0o------ Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập – Tự do – Hạnh phúc ------------o0o----------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Họ và tên: Cao Chí Công Lớp : TC18-A08691 Khoá : 2005-2010 Tên đề tài: ĐỊNH TUYẾN ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG TRONG MẠNG MPLS Nội dung đồ án:
Tổng quan về MPLS: Giới thiệu các khái niệm cơ bản về MPLS, thành phần của MPLS và phương thức hoạt động của MPLS.
Tổng quan về kỹ thuật lưu lượng: Khái quát về kỹ 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.
Định tuyến lưu lượng trên MPLS: Trình bày các phương pháp định tuyến trên MPLS và đưa ra phương thức FA nhằm giải quyết vấn đề quản lý về các luồng lưu lượng tránh tắc nghẽn trong MPLS. Ngày giao đề tài: …/…/… Ngày nộp đồ án: …/…/… Ngày .... tháng .... năm …. Giáo viên hướng dẫn ThS. Hoàng Trọng Minh Chuyên đề tốt nghiệp Định tuyến điều khiển lưu lượng trong mạng MPLS Cao Chí Công, TC18 Page 3 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… Điểm:.............(Bằng chữ:................) Ngày .... Tháng .... Năm … Giáo viên hướng dẫn ThS. Hoàng Trọng Minh Chuyên đề tốt nghiệp Định tuyến điều khiển lưu lượng trong mạng MPLS Cao Chí Công, TC18 Page 4 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… Điểm:.............(Bằng chữ:................) Ngày .... Tháng .... Năm … Giáo viên phản biện Chuyên đề tốt nghiệp Định tuyến điều khiển lưu lượng trong mạng MPLS Cao Chí Công, TC18 Page 5 LỜI MỞ ĐẦU Khi mạng Internet ngày càng phát triển, thì số lượng khách hàng sử dụng ngày 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 nỗ lực tối đa “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. Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS, một công nghệ chuyển mạch nhãn định hướng kết nối cung cấp các khả năng mới trong các mạng IP, trong khi khả năng điều khiển lưu lượng được đề cập đến bằng cách cho phép thực hiện các cơ chế điều khiển lưu lượng một cách tinh xảo. 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. Để tìm hiểu kỹ hơn về kỹ thuật lưu lượng trong mạng MPLS, em đã chọn đề tài về ‘‘Định tuyến điều khiển lưu lượng trong mạng MPLS’’ bao gồm những nội dung chính sau : Chương 1 : Tổng quan về mạng MPLS Chương 2 : Tổng quan về kỹ thuật lưu lượng Chương 3 : Định tuyến lưu lương trong mạng MPLS Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo ThS. Hoàng Trọng Minh đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành đề tài tốt nghiệp này. Tuy nhiên, do thời gian và kiến thức còn hạn chế, nên đồ án này không tránh khỏi những sai sót. Em mong nhận được ý kiến đánh giá, nhận xét của các thầy cô để đề tài được hoàn chỉnh hơn. Hà Nội, ngày tháng năm 2010 Sinh viên Cao Chí Công Chuyên đề tốt nghiệp Định tuyến điều khiển lưu lượng trong mạng MPLS Cao Chí Công, TC18 Page 6 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 5 MỤC LỤC ................................................................................................................. 6 CHÚ GIẢI THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT .......................................................... 8 MỤC LỤC HÌNH VẼ ............................................................................................... 10 MỤC LỤC BẢNG ................................................................................................... 11 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MPLS ........................................ 12 1.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MPLS .................................................................. 12 1.2 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA MPLS .................................................. 13 1.2.1 Các khái niệm cơ bản của chuyển mạch nhãn .......................................... 14 1.3 KIỂU NODE MẠNG MPLS .......................................................................... 16 1.4 CÁC GIAO THỨC CƠ BẢN CỦA MPLS ..................................................... 17 1.4.1 Điều khiển nhãn độc lập và theo yêu cầu ................................................. 17 1.4.2 Phát hiện và chống vòng lặp ................................................................... 19 1.4.3 Các cơ chế phân bổ nhãn.......................................................................... 20 1.4.4 Chế độ duy trì nhãn .................................................................................. 21 1.4.5 Phát hành và sử dụng nhãn ....................................................................... 22 1.5 CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA MPLS .................................................... 23 1.5.1 Chế độ khung ........................................................................................... 23 1.5.2 Chế độ hoạt động tế bào MPLS ................................................................ 25 1.6 TỔNG KẾT CHƯƠNG .................................................................................. 29 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT LƯU LƯỢNG ............................... 30 2.1 KHÁI NIỆM KỸ THUẬT LƯU LƯỢNG ...................................................... 30 2.2 VẤN ĐỀ LƯU LƯỢNG TRONG MẠNG IP ................................................. 30 2.2.1 Xu hướng phát triển trong mạng IP .......................................................... 30 2.2.2 Bài toán lưu lượng ................................................................................... 31 2.3 KỸ THUẬT LƯU LƯỢNG TRONG MẠNG IP ............................................ 35 2.4 KỸ THUẬT LƯU LƯỢNG TRONG MẠNG ATM ....................................... 38 2.5 KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG TRONG MẠNG MPLS .............. 41 2.5.1 Tổng quan về điều khiển lưu lượng trong mạng MPLS ............................ 41 Chuyên đề tốt nghiệp Định tuyến điều khiển lưu lượng trong mạng MPLS Cao Chí Công, TC18 Page 7 2.5.2 Cơ chế điều khiển lưu lượng trong mạng MPLS ...................................... 43 2.5.3 Các giao thức phân bổ nhãn ..................................................................... 47 2.5.3.1 Giao thức phân bổ nhãn LDP (Label Distribution Protolcol) ............. 47 2.5.3.2 Giao thức dự trữ tài nguyên RSVP ................................................... 52 2.5.3.3 Giao thức BGP với việc phân bổ nhãn ............................................... 53 2.6 TỔNG KẾT CHƯƠNG .................................................................................. 54 CHƯƠNG 3: ĐỊNH TUYẾN LƯU LƯỢNG TRONG MẠNG MPLS .................... 55 3.1 ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MPLS ......................................................... 55 3.1.1 Định tuyến dựa trên sự ràng buộc ............................................................ 56 3.1.1.1 Định tuyến trạng thái IGP mở rộng (Enhanced Link-State IGP) ........ 57 3.1.1.2 Giải pháp kỹ thuật lưu lượng ............................................................. 58 3.1.2 Giao thức phân phối nhãn định tuyến dựa trên sự ràng buộc. ................... 59 3.1.2.1 Thiết lập và duy trì CR-LDP ............................................................. 60 3.1.2.2 Giao thức định tuyến cưỡng bức CR-LDP ......................................... 62 3.2 KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN FA ............................................... 66 3.2.1 Phương pháp FA ...................................................................................... 67 3.2.2 Giám sát luồng lưu lượng và phát hiện tắc nghẽn trong LSP .................... 67 3.3 TỔNG KẾT CHƯƠNG .................................................................................. 70 KẾT LUẬN .............................................................................................................. 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 72 Chuyên đề tốt nghiệp Định tuyến điều khiển lưu lượng trong mạng MPLS Cao Chí Công, TC18 Page 8 CHÚ GIẢI THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Chú giải tiếng Anh Chú giải tiếng Việt ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền dẫn không đồng bộ BGP Border Gateway Protocol Giao thức cổng đường biên CoS Class of service Lớp dịch vụ 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 Constraint Shortest Path First Định tuyến cưỡng bức đường đi ngắn nhất DLCI Data Link Connection Identifier Trường nhận diện kết nối liên kết dữ liệu EGP Exterior Gateway Protocol Giao thức cổng ngoại ER Explicit Routing Định tuyến hiện FATE Fast Acting Traffic Engneering Kỹ thuật lưu lượng kích hoạt nhanh FDDI Fiber Distributed Data Interface Giao diện phân bố sợi quang FEC Fowarding Equivalent Class Lớp chuyển tiếp tương đương FR Frame Relay Chuyển tiếp khung FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền tệp ICMP Internet Control Message Protocol Giao thức thông điệp điều khiển Internet IETF Internet Engineering Task Force Nhóm đặc trách kỹ thuật Internet IGP Interior Gateway Protocol Giao thức cổng nội IP Internet Protocol Giao thức Internet IS-IS Intermediate system to intermediate system Giao thức định tuyến Cisco IS-IS ISPs Internet Service Providers Nhà cung cấp dịch vụ Internet LAN Local Area Network Mạng cục bộ LDP Label Distribute Protocol Giao thức phân bổ nhãn LER Label Edge Router Router biên nhãn LIB Label Information Base Cơ sở thông tin nhãn LSA Link State Advertisement Gói quảng cáo trạng thái liên kết LSP Label Switched Path Đường dẫn chuyển mạch nhãn Chuyên đề tốt nghiệp Định tuyến điều khiển lưu lượng trong mạng MPLS Cao Chí Công, TC18 Page 9 LSR Label Switch Router Router chuyển mạch nhãn LSFT Lable switching forwarding table Bảng chuyển tiếp chuyển mạch nhãn MPLS Multiprotocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức NGN Next Generation Network Mạng thế hệ kế tiếp OSPF Open Shortest Path First Giao thức ưu tiên đường đi ngắn nhất PPP Point to Point Protocol Giao thức điểm điểm PVC Permanent Virtual Circuit Kênh ảo cố định QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RFC Request For Comments Tài liệu chuẩn cho Internet RIP Routing Information Protocol Giao thức thông tin định tuyến RIP-2 RIP version 2 RIP phiên bản 2 RSVP Resource Resevation Protocol Giao thức dành trước tài nguyên RSVP-TE Wavelength Resvation Protocol- Traffic Engineering Giao thức đặt trước tài nguyên có kỹ thuật lưu lượng SPF Shortest Path First Thuật toán ưu tiên đường đi ngắn nhất TCP Transport Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn TE Traffic Engineering Kỹ thuật lưu lượng TLV Time To Live Thời gian sống UDP User Datagrame Protocol Giao thức dữ liệu người dùng VC Virtual Circuit Kênh ảo VCI Virtual Circuit Identifier Trường nhận dạng kênh ảo VPI Virtual Path Identifier Trường nhận dạng đường ảo WAN Wide Area Network Mạng diện rộng Chuyên đề tốt nghiệp Định tuyến điều khiển lưu lượng trong mạng MPLS Cao Chí Công, TC18 Page 10 MỤC LỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Định dạng cấu trúc nhãn ....................................................................... 14 Hình 1.2 Ngăn xếp nhãn ....................................................................................... 15 Hình 1.3 Minh họa lớp chuyển tiếp tương đương .................................................. 16 Hình 1.4 Các kiểu node MPLS ............................................................................ 17 Hình 1.5 Điều khiển độc lâp ................................................................................ 18 Hình 1.6 Điều khiển theo yêu cầu ........................................................................ 18 Hình 1.7 Các kịch bản phân bổ nhãn ................................................................... 21 Hình 1.8 Thủ tục LSR hướng xuống(downstream) .............................................. 22 Hình 1.9 Vị trí nhãn MPLS trong khung lớp 2 ..................................................... 24 Hình 1.10 Cơ cấu trao đổi thông tin ..................................................................... 26 Hình 1.11 Cơ chế thiết lập kênh ảo điều khiển MPLS .......................................... 27 Hình 2.1 Mô hình mạng đơn giản ......................................................................... 31 Hình 2.2 Lựa chọn đường sử dụng phương pháp định tuyến tĩnh .......................... 32 Hình 2.3 Lựa chọn đường sử dụng phương pháp định tuyến OSPF ....................... 33 Hình 2.4 Lựa chọn đường sử dụng phương pháp định tuyến RIP .......................... 34 Hình 2.5 Phân chia lưu lương dựa theo định tuyến tĩnh ........................................ 35 Hình 2.6 Chia lưu lượng thành hai phần ............................................................... 36 Hình 2.7 Phân loại lưu lượng dựa trên địa chỉ nguồn ............................................ 37 Hình 2.8 Phân loại lưu lượng dựa trên ToS và kích cỡ gói PS .............................. 38 Hình 2.9 The fish problem .................................................................................... 39 Hình 2.10 Xây dựng PVC ..................................................................................... 40 Hình 2.11 So sánh chuyển tiếp giữa MPLS và chuyển tiếp IP ............................... 43 Hình 2.12 Tắc nghẽn gây ra bởi kỹ thuật chọn đường ngắn nhất ........................... 45 Hình 2.13 Giải pháp cho vấn đề sử dụng kỹ thuật lưu lượng ................................. 46 Hình 2.14 Giao thức LDP với các giao thức khác ................................................. 48 Hình 2.15 Thủ tục phát hiện LSR lân cận ............................................................. 50 Hình 2.16 Sự mở rộng cho RSVP để thiết lập một ER-LDP ................................. 52 Hình 3.1 Định tuyến dựa trên sự ràng buộc .......................................................... 57 Hình 3.2 Tránh tắc nghẽn ..................................................................................... 58 Hình 3.3 Sự chia sẻ tải .......................................................................................... 59 Hình 3.4 Thiết lập đường dẫn CR-LDP ................................................................ 60 Hình 3.5 Ví dụ về CSPF ....................................................................................... 65 Hình 3.6 Sự thiết lập lưu lượng ............................................................................ 68 Hình 3.7 Lưu lượng nội bộ thêm vào là nguyên nhân của xác xuất tổn thất đi tới giá trị ngưỡng cho bộ đệm .......................................................................................... 69 Chuyên đề tốt nghiệp Định tuyến điều khiển lưu lượng trong mạng MPLS Cao Chí Công, TC18 Page 11 Hình 3.8 Cấu hình các bộ đệm dọc theo LSP ........................................................ 69 Hình 3.9 Cấu hình các bộ đệm dọc theo LSP ........................................................ 69 Hình 3.10 Lưu lượng truyền tải giữa nguồn phát và nguồn đích ........................... 69 MỤC LỤC BẢNG Bảng 1.1 Các loại LSR trong mạng MPLS. .......................................................... 17 Bảng 3.1 Định dạng bản tin Label Request CR-LDP ............................................ 61 Chuyên đề tốt nghiệp Định tuyến điều khiển lưu lượng trong mạng MPLS Cao Chí Công, TC18 Page 12 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MPLS 1.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MPLS Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS là kết quả của quá trình phát triển nhiều giải pháp chuyển mạch IP, đây là công nghệ chuyển mạch được đưa ra bởi IETF và đã nhận được các quan tâm đặc biệt từ các nhà cung cấp dịch vụ Internet ISP. MPLS là một công nghệ tích hợp tốt nhất các khả năng hiện tại để phân phát gói tin từ nguồn tới đích qua mạng Internet. Có thể định nghĩa MPLS là một tập các công nghệ mở dựa vào chuẩn Internet mà kết hợp chuyển mạch lớp 2 và định tuyến lớp 3 để chuyển tiếp gói tin bằng cách sử dụng các nhãn ngắn có chiều dài cố định. MPLS cho phép các ISP hợp nhất các mạng sử dụng các công nghệ khác nhau vào trong một mạng duy nhất, và đặc biệt quan trọng là cho các nhà ISP đạt được việc điều khiển lưu lượng một cách chính xác tại lớp IP. MPLS sử dụng định tuyến cưỡng bức để xác định các đường mà luồng lưu lượng sẽ đi ngang qua đó và xác định đích tới của các gói chuyển mạch nhãn sử dụng các đường được xác định trước đó. Bằng cách sử dụng các giao thức điều khiển và định tuyến Internet, MPLS cung cấp chuyển mạch hướng kết nối ảo qua các tuyến Internet bằng cách sử dụng các nhãn và trao đổi nhãn. MPLS bao gồm việc thực hiện các đường chuyển mạch nhãn LSP, nó cũ