Đồ án Kĩ thuật lưu lượng trong mạng IP

Đồ án tốt nghiệp Mục lục Vũ Văn Trung - Lớp D2002VT - HVCNBCVT . i MỤC LỤC THUẬT NGỮ VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT................................................................ iv DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................... vi MỞ ĐẦU .................................................................................................................viii CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG IP............................................................ 1 1.1 Chồng giao thức TCP/IP ................................................................................... 1 1.1.1 Mô hình chồng giao thức TCP/IP............................................................... 1 1.1.2 Các gói dữ liệu............................................................................................ 3 1.2 Các công nghệ lớp truy cập mạng ..................................................................... 4 1.2.1 Chức năng lớp truy cập mạng..................................................................... 4 1.2.2 Đánh địa chỉ vật lý ...................................................................................... 4 1.2.3 Các công nghệ LAN ................................................................................... 5 1.2.3.1 Ethernet ................................................................................................ 5 1.2.3.2 Token Ring........................................................................................... 6 1.2.3.3 FDDI .................................................................................................... 7 1.3 Địa chỉ IP........................................................................................................... 7 1.4 Định tuyến IP................................................................................................... 10 1.4.1 Khái quát về định tuyến IP ....................................................................... 10 1.4.2 Phân loại định tuyến ................................................................................. 12 1.4.2.1 Định tuyến tĩnh................................................................................... 12 1.4.2.2 Định tuyến động................................................................................. 12 1.4.3 Các thuật toán định tuyến động ................................................................ 12 1.4.3.1 Định tuyến Vector khoảng cách......................................................... 12 1.4.3.2 Định tuyến theo trạng thái liên kết..................................................... 14 1.4.3.3 Giao thức định tuyến RIP................................................................... 15 1.4.3.4 Giao thức OSPF ................................................................................. 16 1.5 Tổng kết chương.............................................................................................. 17 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ MPLS ................................................................ 18 2.1 Khái niệm cơ bản về MPLS ............................................................................ 18 2.2 Phương thức hoạt động của MPLS ................................................................. 19 2.3 Mô hình chuyển mạch nhãn ............................................................................ 25 2.4 Các thành phần trong MPLS ........................................................................... 26 Đồ án tốt nghiệp Mục lục Vũ Văn Trung - Lớp D2002VT - HVCNBCVT . ii 2.4.1 Các khái niệm cơ bản trong MPLS........................................................... 26 2.4.1.1 Nhãn ................................................................................................... 27 2.4.1.2 Ngăn xếp nhãn ................................................................................... 28 2.4.1.3 LSR Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn.............................................. 29 2.4.1.4 FEC Lớp chuyển tiếp tương đương ................................................... 29 2.4.1.5 Bảng chuyển mạch chuyển tiếp nhãn................................................. 30 2.4.1.6 Đường chuyển mạch nhãn LSP.......................................................... 30 2.4.1.7 Cơ sở dữ liệu nhãn LIB...................................................................... 30 2.4.1.8 Gói tin dán nhãn................................................................................. 30 2.4.1.9 Ấn định phân phối nhãn ..................................................................... 30 2.4.2 Thành phần cơ bản củaMPLS................................................................... 31 2.4.2.1 Thiết bị LSR....................................................................................... 31 2.4.2.2 Thiết bị LER- Bộ định tuyến biên nhãn............................................. 33 2.5 Tổng kết chương.............................................................................................. 33 CHƯƠNG 3 KĨ THUẬT LƯU LƯỢNG.............................................................. 34 3.1 Vấn đề lưu lượng trong mạng IP..................................................................... 34 3.1.1 Xu hướng phát triển mạng IP ................................................................... 34 3.1.2 Bài toán lưu lượng .................................................................................... 34 3.2 Điều khiển lưu lượng dựa trên IP.................................................................... 38 3.3 Điều khiển lưu lượng dựa trên ATM.............................................................. 41 3.4 Điều khiển lưu lượng dựa trên MPLS............................................................. 44 3.4.1 Tổng quan điều khiển lưu lượng trong MPLS.......................................... 44 3.4.2 Cơ chế điều khiển lưu lượng trong MPLS................................................ 46 3.4.3 Các giao thức phân bổ nhãn...................................................................... 49 3.4.3.1 Giao thức phân phối nhãn LDP.......................................................... 50 3.4.3.2 Giao thức dự trữ tài nguyên RSVP .................................................... 53 3.4.3.3 Giao thức BGP với việc phân bổ nhãn .............................................. 59 3.4.4 Định tuyến trong mạng MPLS.................................................................. 60 3.4.4.1 Định tuyến dựa trên sự ràng buộc...................................................... 61 3.4.4.1.1 Enhanced Link-State IGP............................................................ 62 3.4.4.1.2 Giải pháp kỹ thuật lưu lượng....................................................... 63 3.4.4.2 Giao thức phân phối nhãn định tuyến dựa trên sự ràng buộc ............ 65 Đồ án tốt nghiệp Mục lục Vũ Văn Trung - Lớp D2002VT - HVCNBCVT . iii 3.4.4.2.1 Sự thiết lập và duy trì CR-LDP................................................... 65 3.4.4.2.2 Định tuyến hiện (ER) và định tuyến cưỡng bức (CR) ................ 67 3.4.4.2.3 LDP và định tuyến cưỡng bức (CR)............................................ 68 3.4.4.2.4 Thuật toán định tuyến cưỡng bức................................................ 68 3.4.4.3 So sánh giữa RSVP và CR-LDP........................................................ 72 3.4.5 Kĩ thuật điều khiển tắc nghẽn FATE ........................................................ 74 3.4.5.1 Phương pháp FATE ........................................................................... 74 3.4.5.2 Giám sát luồng lưu lượng và phát hiện tắc nghẽn trong LSP............ 74 3.5 Tổng kết chương.............................................................................................. 77 KẾT LUẬN .............................................................................................................. 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 79 Đồ án tốt nghiệp Thuật ngữ viết tắt Vũ Văn Trung - Lớp D2002VT - HVCNBCVT . iv THUẬT NGỮ VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT APIs Application Programming Interfaces Giao diện lập trình ứng dụng ARP Address Resolution Protocol Giao thức phân giải địa chỉ ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền dẫn không đồng bộ BGP Border Gateway Protocol Giao thức cổng đường biên 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 EGP Exterior Gateway Protocol Giao thức cổng ngoài ER Explicit Routing Định tuyến hiện FATE Fast Acting Traffic Engneering FDDI Fiber Distributed Data Interface Giao diện phân bố sợi 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 kĩ thuật Internet. IGP Interior Gateway Protocol Giao thức cổng nội IP Internet Protocol Giao thức Internet 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 Đồ án tốt nghiệp Thuật ngữ viết tắt Vũ Văn Trung - Lớp D2002VT - HVCNBCVT . v LSA Link State Advertisement Gói quảng cáo trạng thái liên kết LSP Label Switched Path Đường dẫn chuyển mạch nhãn LSP Link State Packet Gói trạng thái đường LSR Label Switch Router Router chuyển mạch nhãn MAC Media Access Control Điều khiển truy xuất môi trường MPLS Multiprotocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức NGN Next Generation Network Mạng thế hệ tiếp theo OSI Open Systems Interconnection Mô hình liên kết hệ thống đấu nối mở OSPF Open Shortest Path First Giao thức ưu tiên đường đi ngắn nhất PDU Protocol Data Unit Đơn vị số liệu giao thức PPP Point to Point Protocol Giao thức điểm điểm QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RARP Reverse Address Resolution Protocol Giao thức phân giải địa chỉ ngược 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 SPF Shortest Path First Thuật toán ưu tiên đường đi ngắn nhất TCP Transport Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn TLV Time To Live Thời gian sống UDP User Datagrame Protocol Giao thức dữ liệu người dùng VLSM Variable Length Subnet Mask Mặt nạ mạng con có chiều dài biến đổi WAN Wide Area Network Mạng diện rộng Đồ án tốt nghiệp Danh mục hình vẽ Vũ Văn Trung - Lớp D2002VT - HVCNBCVT . vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mô hình TCP/IP và mô hình OSI………………………………. . 2 Hình 1.2 Dữ liệu được đóng gói lại với phần tiêu đề tại mỗi…………….... 3 Hình 1.3 Mạng Ethernet…………………………………………………… 6 Hình 1.4 Mạng Token Ring………………………………………………... 6 Hình 1.5 Mạng FDDI………………………………………………………. 7 Hình 1.6 Địa chỉ IP………………………………………………………… 8 Hình 1.7 Định tuyến vector khoảng cách………………………………….13 Hình 2.1 Định tuyến, chuyển mạch, chuyển tiếp…………………………. 23 Hình 2.2 Đường nhanh và đường chậm…………………………………... 24 Hình 2.3 Lớp chèn MPLS……………………………………………….... 25 Hình 2.4 Mô hình chuyển mạch nhãn…………………………………….. 26 Hình 2.5 Định dạng cấu trúc nhãn………………………………………....28 Hình 2.6 Cấu trúc hoạt động khung trong mạng MPLS…………………...32 Hình 3.1 Mô hình mạng đơn giản………………………………………….35 Hình 3.2 Lựa chọn đường sử dụng phương pháp định tuyến tĩnh………....35 Hình 3.3 Lựa chọn đường sử dụng phương pháp định tuyến OSPF……….37 Hình 3.4 Lựa chọn đường sử dụng phương pháp định tuyến RIP………....37 Hình 3.5 Phân chia lưu lượng dựa theo định tuyến tĩnh…………………...38 Hình 3.6 Chia lưu lượng thành hai phần………………………………….. 39 Hình 3.7 Phân loại lưu lượng dựa trên địa chỉ nguồn…………………….. 40 Hình 3.8 Phân loại lưu lượng dựa trên ToS hoặc kích cỡ gói PS………….40 Hình 3.9 The fish problem………………………………………………... 41 Hình 3.10 Xây dựng PVC………………………………………………....42 Hình 3.11 So sánh giữa chuyển tiếp MPLS và chuyển tiếp IP…………… 46 Hình 3.12 Tắc nghẽn gây ra bởi kỹ thuật chon đường ngắn nhất………… 48 Hình 3.13 Giải pháp cho vấn đề sử dụng kỹ thuật lưu lượng…………….. 48 Hình 3.14 Vị trí giao thức LDP trong bộ giao thức MPLS………………..50 Hình 3.15 Thủ tục phát hiện LSR lân cận………………………………....52 Đồ án tốt nghiệp Danh mục hình vẽ Vũ Văn Trung - Lớp D2002VT - HVCNBCVT . vii Hình 3.16 Tiêu đề LDP…………………………………………………… 53 Hình 3.17 Khuôn dạng các bản tin LDP…………………………………. 54 Hình 3.18 Sự mở rộng cho RSVP để thiết lập một ER-LDP……………... 55 Hình 3.19 Các thực thể hoạt động RSVP…………………………………. 56 Hình 3.20 Các bản tin Path và Reservation……………………………….. 57 Hình 3.21 Bộ mô tả lưu lượng……………………………………………..59 Hình 3.22 Đối tượng Session và Explicit Route.......................................... 63 Hình 3.23 Định tuyến dựa trên sự ràng buộc............................................... 63 Hình 3.24 Tránh tắc nghẽn........................................................................... 64 Hình 3.25 Sự chia sẻ tải............................................................................... 65 Hình 3.26 Thiết lập đường dẫn CR-LDP…………………………………. 67 Hình 3.27 Định dạng bản tin Label Request CR-LDP................................. 68 Hình 3.28 Định tuyến hiện………………………………………………....68 Hình 3.29 Ví dụ về CSPF………………………………………………..... 71 Hình 3.30 So sánh RSVP và CR-LDP…………………………………….. 73 Hình 3.31 Sự thiết lập lưu lượng…………………………………………...75 Hình 3.32 Cấu hình các bộ đệm dọc theo LSP……………………………..76 Hình 3.33 Lưu lượng truyền tải giữa nguồn phát và nguồn đích…………..76 Đồ án tốt nghiệp Mở đầu Vũ Văn Trung - Lớp D2002VT - HVCNBCVT . viii 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 “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. Vì vậy, em xin nhận đề tài “Kĩ thuật lưu lượng trong mạng IP” để tìm hiểu rõ sâu sắc hơn bản chất của kĩ thuật lưu lượng. Luận văn tốt nghiệp “Kĩ thuật lưu lượng trong mạng IP” bao gồm các nội dung chính sau: ™ Chương I : Tổng quan về mạng IP ™ Chương II : Tổng quan về MPLS ™ Chương III : Kĩ thuật lưu lượng 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 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 Thầy giáo Nguyễn Đình Long, người đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình làm đồ án này. Đồ án tốt nghiệp Mở đầu Vũ Văn Trung - Lớp D2002VT - HVCNBCVT . ix 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. Hà Nội, ngày 22 tháng 10 năm 2006 Sinh viên Vũ Văn Trung Đồ án tốt nghiệp Chương 1 Tổng quan về mạng IP Vũ Văn Trung - Lớp D2002VT - HVCNBCVT . 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG IP 1.1 Chồng giao thức TCP/IP 1.1.1 Mô hình chồng giao thức TCP/IP TCP/IP là một bộ giao thức mở được xây dựng cho mạng Internet mà tiền thân của nó là mạng ARPnet của bộ quốc phòng Mỹ. Do đây là một giao thức mở, nên nó cho phép bất kỳ một đầu cuối nào sử dụng bộ giao thức này đều có thể được kết nối vào mạng Internet. Chính điều này đã tạo nên sự bùng nổ của Internet toàn cầu trong thời gian gần đây. Trong bộ giao thức này, hai giao thức được sử dụng chủ yếu đó là giao thức truyền tải tin cậy TCP và IP. Chúng cùng làm việc với nhau để cung cấp phương tiện truyền thông liên mạng. Điểm khác nhau cơ bản của TCP/IP so với OSI đó là tầng liên mạng sử dụng giao thức không kết nối (connectionless) IP, tạo thành hạt nhân hoạt động của mạng Internet. Cùng với các giao thức định tuyến như RIP, OSPF, BGP,… tầng liên mạng IP cho phép kết nối một cách mềm dẻo và linh hoạt các loại mạng vật lý khác nhau như: Ethernet, Token Ring, X25… TCP/IP có những đặc điểm sau đây đã làm cho nó trở nên phổ biến: 9 Độc lập với kến trúc mạng: TCP/IP có thể sử dụng trong các kiến trúc Ethernet, Token Ring, trong mạng cục bộ LAN cũng như mạng diện rộng WAN. 9 Chuẩn giao thức mở: vì TCP/IP có thể thực hiện trên bất kỳ phần cứng hay hệ điều hành nào. Do đó, TCP/IP là tập giao thức lý tưởng để kết hợp phần cứng cũng như phần mềm khác nhau. 9 Sơ đồ địa chỉ toàn cầu: mỗi máy tính trên mạng TCP/IP có một địa chỉ xác định duy nhất. Mỗi gói dữ liệu được gửi trên mạng TCP/IP có một Header gồm địa chỉ của máy đích cũng như địa chỉ của máy nguồn. 9 Khung Client - Server: TCP/IP là khung cho những ứng dụng client - server mạnh hoạt động trên mạng cục bộ và mạng diện rộng. 9 Chuẩn giao thức ứng dụng: TCP/IP không chỉ cung cấp cho người lập trình phương thức truyền dữ liệu trên mạng giữa các ứng dụng mà còn cung cấp nhiều phương thức mức ứng dụng (những giao thức thực hiện các chức năng dùng như E-mail, truyền nhận file). Hệ thống giao thức TCP/IP được phân thành các lớp, mỗi lớp thực hiện các nhiệm vụ riêng biệt. Đồ án tốt nghiệp Chương 1 Tổng quan về mạng IP Vũ Văn Trung - Lớp D2002VT - HVCNBCVT . 2 Hình 1.1 Mô hình TCP/IP và mô hình OSI Chức năng các lớp: Lớp truy cập mạng: Cung cấp một giao tiếp với mạng vật lý. Các định dạng dữ liệu cho môi trường truyền và các địa chỉ dữ liệu cho mạng con (subnet) được dựa trên các địa chỉ phần cứng vật lý. Cung cấp kiểm soát lỗi cho dữ liệu phân bố trên mạng vật lý. Định nghĩa các hàm, thủ tục, phương tiện truyền dẫn đảm bảo sự truyền dẫn an toàn các khung thông tin trên bất kỳ một phương tiện truyền dẫn nào như Ethernet, ATM, Token-Ring, Frame-Relay,… Lớp Internet: Cung cấp chức năng đánh địa chỉ luận lý, độc lập phần cứng mà nhờ đó dữ liệu có thể di chuyển giữa các mạng con có các kiến trúc vật lý khác nhau. Cung cấp các chức năng định tuyến để giảm lưu lượng và hỗ trợ phân bố dọc theo Liên mạng (Internetwork-Thuật ngữ liên mạng nói đến một mạng lớn hơn, liên kết giữa các LAN). Liên kết các địa chỉ vật lý (sử dụng ở lớp Truy cập mạng) với các địa chỉ luận lý. Chuyển tiếp các gói tin từ nguồn tới đích. Mỗi gói tin chứa địa chỉ đích và IP sử dụng thông tin này để truyền gói tin tới đích của nó. Lớp vận chuyển: Cung cấp các chức năng đi