Đồ án Triển khai các mạng quang WDM cho phép truyền dẫn lưu lượng IP

Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục Nguyễn Thế Cương, D2001VT i MỤC LỤC MỤC LỤC ................................................................................................................... I THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ......................................................................................... III LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................. 1 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ IP/WDM .................................................................... 3 1.1 Khái niệm mạng IP/WDM ................................................................................. 3 1.2 Lí do chọn IP/WDM .......................................................................................... 6 CHƯƠNG II KĨ THUẬT LƯU LƯỢNG IP/WDM...................................................... 9 2.1 Mô hình hoá lưu lượng viễn thông ..................................................................... 9 2.1.1 Mô hình lưu lượng dữ liệu và thoại cổ điển ................................................ 9 2.1.2 Các mô hình lưu lượng dữ liệu lí thuyết .................................................... 10 2.1.3 Một mô hình tham chiếu băng thông......................................................... 11 2.2 Bảo vệ và tái cấu hình ...................................................................................... 17 2.3 Các mô hình bảo vệ và tái cấu hình trong mạng IP/WDM................................ 18 2.4 Khái niệm kĩ thuật lưu lượng IP/WDM ............................................................ 18 2.5 Mô hình hoá kĩ thuật lưu lượng IP/WDM ........................................................ 19 2.5.1 Kĩ thuật lưu lượng chồng lấn .................................................................... 20 2.5.2 Kĩ thuật lưu lượng tích hợp ....................................................................... 21 2.5.3 Nhận xét ................................................................................................... 22 2.6 Mô hình chức năng của kĩ thuật lưu lượng IP/WDM........................................ 23 2.6.1 Cơ sở dữ liệu thông tin trạng thái mạng IP/WDM ..................................... 26 2.6.2 Quản lí giao diện IP với WDM ................................................................. 28 2.6.3 Khởi tạo tái cấu hình................................................................................. 28 2.6.4 Đo kiểm và giám sát lưu lượng ................................................................. 29 2.6.5 Giám sát hiệu năng tín hiệu quang ............................................................ 36 2.7 Kĩ thuật lưu lượng MPLS ................................................................................ 37 2.7.1 Cân bằng tải.............................................................................................. 37 2.7.2 Giám sát mạng .......................................................................................... 41 CHƯƠNG III TÁI CẤU HÌNH TRONG KĨ THUẬT LƯU LƯỢNG IP/WDM ......... 43 3.1 Tái cấu hình mô hình ảo đường đi ngắn nhất ................................................... 43 3.1.1 Mô hình ảo có quy tắc và bất quy tắc ........................................................ 45 3.1.2 Thiết kế mô hình....................................................................................... 46 3.1.3 Một số thuật toán dựa trên kinh nghiệm .................................................... 46 Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục Nguyễn Thế Cương, D2001VT ii 3.1.4 Dịch chuyển mô hình ảo ........................................................................... 52 3.2 Tái cấu hình cho các mạng WDM chuyển mạch gói ........................................ 56 3.2.1 Tổng quan về tái cấu hình WDM chuyển mạch gói................................... 56 3.2.2 Các điều kiện tái cấu hình ......................................................................... 58 3.2.3 Một trường hợp thực tế ............................................................................. 59 3.2.4 Mô tả thuật toán dựa trên kinh nghiệm ..................................................... 61 3.2.5 Thảo luận về thuật toán............................................................................. 67 3.2.6 Dịch chuyển tái cấu hình đường đi ngắn nhất. .......................................... 68 CHƯƠNG IV PHẦN MỀM XỬ LÍ LƯU LƯỢNG IP/WDM .................................... 70 4.1 Phần mềm kĩ thuật lưu lượng IP/WDM ............................................................ 70 4.2 Kiến trúc phần mềm cho kĩ thuật lưu lượng chồng lấn ..................................... 70 4.3 Kiến trúc phần mềm cho kĩ thuật lưu lượng tích hợp ....................................... 73 4.4 Kĩ thuật lưu lượng IP - giao thức điều khiển mạng (IP TECP) ......................... 75 4.5 Giao diện người sử dụng - mạng IP/WDM (UNI) ............................................ 81 4.6 Kĩ thuật lưu lượng WDM - giao thức điều khiển mạng (WDM TECP) ............ 87 4.7 Kĩ thuật lưu lượng phản hồi vòng kín. ............................................................. 95 4.7.1 Quá trình triển khai mô hình mạng ........................................................... 96 4.7.2 Hội tụ mạng .............................................................................................. 97 KẾT LUẬN ............................................................................................................... 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 101 Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt Nguyễn Thế Cương, D2001VT iii THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ANSI American National Standard Institute Viện tiêu chuẩn quốc gia Hoa Kì 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 biên CSPF Constraint-based Shortest Path First Routing Định tuyến đường đi ngắn nhất trước tiên dựa trên ràng buộc DCN Data Communication Network Mạng truyền thông dữ liệu DHCP Dynamic Host Configuration Protocol Giao thức cấu hình host động DHP Demand Hop-count Product heuristic algorithm Thuật toán dựa trên kinh nghiệm tích đếm hop nhu cầu ECMP Equal Cost Multiple Path Đa đường đồng chi phí FBM Fractional Brownian Motion Chuyển động phân mảnh Brownian FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền file GMPLS Generalized Multiprotocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức tổng quát GUI Graphical User Interface Giao diện người sử dụng đồ hoạ HTDA Heuristic Topology Design Algorithm Thuật toán thiết kế mô hình dựa trên kinh nghiệm HTTP Hypertext Transfer Protocol Giao thức truyền siêu văn bản ICMP Internet Control Message Protocol Giao thức bản tin điều khiển Internet ID Identifier Bộ nhận dạng IETF Internet Engineering Task Force Nhóm kĩ sư Internet Ifmanager Interface manager Khối quản lí giao diện IP Internet Protocol Giao thức Internet LAN Local Area Network Mạng cục bộ LEMS Link Elimination via Matching Scheme Loại bỏ tuyến nối thông qua lược đồ ghép LMP Link Management Protocol Giao thức quản lí tuyến nối LSA Link State Advertisement Quảng bá trạng thái tuyến nối LSP Label Switched Path Đường chuyển mạch nhãn MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường MIB Management Information Base Cơ sở thông tin quản lí MLDA Minimum-delay Logical Topology Design Algorithm Thuật toán thiết kế mô hình logic tối thiểu hoá trễ MPLS Multiprotocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt Nguyễn Thế Cương, D2001VT iv MSN Manhattan Street Network Mạng phố Manhattan MTU Maximum Transmission Unit Đơn vị truyền dẫn tối đa NC&M Network Control and Management Quản lí và điều khiển mạng NE Network Element Phần tử mạng NGI Next Generation Internet Internet thế hệ kế tiếp NMS Network Management System Hệ thống quản lí mạng NSFNET OADM Optical Add/Drop Multiplexer Khối xen/tách quang OAM Operation and Maintenance Hoạt động và bảo trì OAM&P Operation, Administration, Maintenance and Provisioning Hoạt động, quản trị, bảo trì và giám sát OC-12 Optical Carrier Level 12 (622,08 Mb/s) Mức mang quang 12 (622,08 Mb/s) OC-3 Optical Carrier Level 3 (155,52Mb/s) Mức mang quang 3 (155,52Mb/s) OC-48 Optical Carrier Level 48 (2448,32 Mb/s) Mức mang quang 48 (2448,32 Mb/s) OC-192 Optical Carrier Level 192 (9953,28 Mb/s) Mức mang quang 192 (9953,28 Mb/s) OHTMS LP-based One-Hop Traffic Maximisation Scheme Lược đồ tối ưu hoá lưu lượng đơn hop dựa trên LP OIF Optical Internetworking Forum Diễn đàng liên mạng Internet quang OLS Optical Label Switching Chuyển mạch nhãn quang OMP Optimized Multi Path Đa đường tối ưu OSCP Optical Switch Control Protocol Giao thức điều khiển chuyển mạch quang OSPF Open Shortest Path First Protocol Giao thức đường đi ngắn nhất trước tiên mở OXC Optical Cross Connect Đấu chéo quang PC Personal Computer Máy tính cá nhân QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RAM Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RARP Reverse Address Resolution Protocol Giao thức phân giải địa chỉ ngược RD Residual Demand heuristic algolrithm Thuật toán dựa trên kinh nghiệm nhu cầu dư thừa RDHP Residual Demand Hop-count Product heuristic algolrithm Thuật toán dựa trên kinh nghiệm tích đếm hop nhu cầu dư thừa RSVP Resource Reservation Protocol Giao thức đặt trước tài nguyên SCSI Small Computer Systems Interface Giao diện các hệ thống máy tính nhỏ SDH Synchronous Digital Hierarchy Phân cấp số đồng bộ Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt Nguyễn Thế Cương, D2001VT v SNMP Simple Network Management Protocol Giao thức quản lí mạng đơn giản SNR Signal-to-Noise Ratio Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu SONET Synchronous Optical Network Mạng quang đồng bộ SPF Shortest Path First Đường đi ngắn nhất trước tiên SRLG Shared Risk Link Group Nhóm tuyến nối nguy hiểm chia sẻ TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn TE Terminal Equipment, Traffic Engineering Thiết bị đầu cuối, kĩ thuật lưu lượng TECP Traffic Engineering to Control Protocol Kĩ thuật lưu lượng cho giao thức điều khiển TELNET Remote Telminal protocol Giao thức đầu cuối ở xa TILDA Traffic Independent Logical Topology Design Algorithm Thuật toán thiết kế mô hình logic độc lập lưu lượng TMN Telecommunications Management Network Mạng quản lí viễn thông TTL Time To Live Thời gian sống UDP User Datagram Protocol Giao thức Datagram người sử dụng UNI User to Network Interface Giao diện người sử dụng-mạng VPC Virtual Path Connection Kết nối đường ảo VPN Virtual Private Network Mạng cá nhân ảo WADM Wavelength Add/Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen/tách bước sóng WAN Wide Area Network Mạng diện rộng WDM Wavelength Amplifier Bộ khuếch đại bước sóng WSXC Wavelength Selective Cross Connect Khối đấu chéo lựa chọn bước sóng Đồ án tốt nghiệp đại học Lời nói đầu Nguyễn Thế Cương, D2001VT 1 LỜI NÓI ĐẦU Xu hướng giao thức IP trở thành tầng hội tụ cho các dịch vụ viễn thông ngày càng trở nên rõ ràng. Phía trên tầng IP, vẫn đang xuất hiện ngày càng nhiều các ứng dụng và dịch vụ dựa trên nền IP. Những ưu thế nổi trội của lưu lượng IP đang đặt ra vấn đề là các hoạt động thực tiễn kĩ thuật của hạ tầng mạng nên được tối ưu hoá cho IP. Mặt khác, quang sợi, như một công nghệ phân tán, đang cách mạng hoá ngành công nghiệp viễn thông và công nghiệp mạng nhờ dung lượng mạng cực lớn mà nó cho phép, qua đó cho phép sự phát triển của mạng Internet thế hệ sau. Sử dụng công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM dựa trên nền mạng hiện tại sẽ có thể cho phép nâng cao đáng kể băng thông mà vẫn duy trì được hiện trạng hoạt động của mạng. Nó cũng đã được chứng minh là một giải pháp hiệu quả về mặt chi phí cho các mạng đường dài. Khi sự phát triển trên toàn thế giới của sợi quang và các công nghệ WDM, ví dụ như các hệ thống điều khiển và linh kiện WDM trở nên chín muồi, thì các mạng quang dựa trên WDM sẽ không chỉ được triển khai tại các đường trục mà còn trong các mạng nội thị, mạng vùng và mạng truy nhập. Các mạng quang WDM sẽ không chỉ còn là các các đường dẫn điểm-điểm, cung cấp các dịch vụ truyền dẫn vật lí nữa mà sẽ biến đổi lên một mức độ mềm dẻo mới. Tích hợp IP và WDM để truyền tải lưu lượng IP qua các mạng quang WDM sao cho hiệu quả đang trở thành một nhiệm vụ cấp thiết. Khoá luận tốt nghiệp của em sẽ xem xét về IP trên nền các mạng quang WDM đặc biệt sẽ tập trung vào kĩ thuật lưu lượng IP/WDM. Khoá luận sẽ tập trung trình bày về các cơ chế cơ bản và kiến trúc phần cứng cũng như phần mềm để triển khai các mạng quang WDM cho phép truyền dẫn lưu lượng IP và sẽ gồm có bốn chương: • Chương I: Tổng quan về IP/WDM. Chương này sẽ trình bày khái niệm mạng IP/WDM, đưa ra ba xu hướng chồng giao thức cho mạng này, các ưu nhược điểm của từng xu hướng. Lí do vì sao IP/WDM lại được chọn là giải pháp cho tương lai cũng sẽ được chỉ ra trong chương I • Chương II: Kĩ thuật lưu lượng IP/WDM. Chương II sẽ trình bày một số vấn đề chung trong kĩ thuật lưu lượng, khái niệm kĩ thuật lưu lượng IP/WDM, hai phương pháp triển khai, mô hình chức năng của kĩ thuật lưu lượng IP/WDM và kĩ thuật lưu lượng MPLS áp dụng cho IP/WDM. • Chương III: Tái cấu hình trong kĩ thuật lưu lượng IP/WDM. Chương này sẽ tập trung đi sâu vào các vấn đề: tái cấu hình mô hình ảo đường đi ngắn nhất, tái cấu hình cho mạng WDM chuyển mạch gói, mô tả và thảo Đồ án tốt nghiệp đại học Lời nói đầu Nguyễn Thế Cương, D2001VT 2 luận về một thuật toán cụ thể và cuối cùng là dịch chuyển tái cấu hình đường đi ngắn nhất. • Chương IV: Phần mềm xử lí lưu lượng IP/WDM. Trong chương IV, các kiến trúc phần mềm cho các xu hướng kĩ thuật lưu lượng, chi tiết về giao diện giữa điều khiển mạng và kĩ thuật lưu lượng, và giữa kĩ thuật lưu lượng IP và kĩ thuật lưu lượng WDM trong trường hợp kĩ thuật lưu lượng chồng lấn sẽ được trình bày. Mặc dù đã có nhiều cố gắng song do thời gian và trình độ có hạn nên khoá luận này chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô và các bạn. Nhân đây, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo T.S Lê Ngọc Giao đã tạo mọi điều kiện và tận tình hướng dẫn em trong quá trình thực hiện đồ án. Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong khoa Viễn Thông I đã giúp đỡ em trong thời gian qua. Xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và người thân - những người đã luôn giúp đỡ, cổ vũ và kịp thời động viên tôi trong suốt thời gian qua. Hà Nội, ngày tháng năm 2005 Sinh viên Nguyễn Thế Cương Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I. Tổng quan về IP/WDM Nguyễn Thế Cương, D2001VT 3 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ IP/WDM 1.1 Khái niệm mạng IP/WDM Mạng IP/WDM được thiết kế để truyền dẫn lưu lượng IP trong một mạng quang cho phép WDM để tận dụng sự phổ biến của kết nối IP và dung lượng băng thông cực lớn của WDM. Hình 1.1 dưới đây chỉ ra việc truyền dẫn các gói tin IP hoặc các tín hiệu SONET/SDH thông qua mạng WDM. Một khối điều khiển bằng phần mềm sẽ điều khiển ma trận chuyển mạch. Ở đây, IP, với vai trò là công nghệ ở lớp mạng, sẽ dựa trên tầng dữ liệu để cung cấp: • Đóng khung (ví dụ như SONET hay Ethernet) • Phát hiện lỗi (ví dụ như kiểm tra CRC) • Sửa lỗi (ví dụ như yêu cầu phát lại tự động ARQ) Một vài các chức năng tầng liên kết được thể hiện trong giao diện ví dụ như các giao diện khách xen/tách hay các giao diện truyền dẫn nhờ vật lí. M U X M U X Hình 1.1 Truyền tải gói tin IP trên các kênh bước sóng Một mục tiêu của mạng quang là cung cấp truyền dẫn trong suốt quang từ đầu cuối tới đầu cuối để tối thiểu hoá trễ mạng. Điều này đòi hỏi các giao diện toàn quang và các ma trận chuyển mạch toàn quang cho các thành phần mạng trung gian và biên giới mạng. Bộ phát đáp được sử dụng để khuyếch đại tín hiệu quang. Tồn tại các bộ phát đáp toàn quang (các laser biến đổi được) và các bộ phát đáp quang-điện-quang (O-E-O). Hình cũng chỉ ra hai loại lưu lượng là IP (ví dụ như Gigabit Ethernet) và SONET/SDH và do đó đòi hỏi các giao diện giữa Gigabit Ethernet và SONET/SDH. Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I. Tổng quan về IP/WDM Nguyễn Thế Cương, D2001VT 4 Trong trường hợp các kết nối đa truy nhập, một tầng con của tầng liên kết dữ liệu là giao thức truy nhập môi trường (MAC) sẽ làm trung gian truy nhập để chia sẻ kết nối sao cho tất cả các node đều có cơ hội truyền dữ liệu. Hiện đang tồn tại ba xu hướng chính để truyền dẫn IP trên nền WDM (Hình 1.2). Xu hướng thứ nhất là truyền dẫn IP trên ATM, sau đó qua SONET/SDH và cuối cùng là sợi quang WDM. Ở đây WDM được dùng như là công nghệ truyền dẫn song song với tầng vật lý. Ưu điểm chính của phương pháp này là nhờ việc sử dụng ATM, các loại lưu lượng khác nhau với các đòi hỏi QoS khác nhau có thể được mang trên cùng một sợi quang. Hìn h 1.2 Ba xu hướng cho IP/WDM (tầng dữ liệu) Một ưu điểm khác khi dùng ATM là khả năng sử dụng kĩ thuật lưu lượng và độ mềm dẻo trong việc giám sát mạng của ATM. Nó bổ sung cho định tuyến lưu lượng nỗ lực tối đa (best effort) của IP truyền thống. Tuy nhiên, xu hướng này bị cho là phức tạp, tăng chi phí mạng và có xu hướng tạo ra các nghẽn cổ chai tính toán ở các mạng tốc độ cao. Nó được giải quyết bởi sự xuất hiện của kĩ thuật MPLS trong tầng IP. Các đặc tính chính của MPLS như sau: • Sử dụng một nhãn đơn giản và có độ dài cố định để xác định dòng/tuyến. • Tách riêng dữ liệu chuyển tiếp và thông tin điều khiển. Thông tin điều khiển được dùng để thiết lập đường đi ban đầu nhưng các gói tin được vận chuyển tới node kế tiếp dựa theo nhãn trong bảng chuyển tiếp. • Với một mô hình chuyển tiếp đồng nhất và được đơn giản hoá, các mào đầu IP chỉ được xử lý và kiểm tra tại các biên giới của các mạng MPLS và sau đó các gói tin MPLS được chuyển tiếp dựa theo các “nhãn” (thay vì phải phân tích các mào đầu gói tin IP đã được đóng gói). • MPLS cung cấp đa dịch vụ. Ví dụ một mạng riêng ảo VPN thiết lập bởi MPLS có một mức độ ưu tiên cụ thể được xác định bởi trường tương đương chuyển tiếp FEC (Forwarding Equivalence Class). IP ATM IP/MPLS SONET/SDH SONET/SDH IP/MPLS WDM WDM WDM Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I. Tổng quan về IP/WDM Nguyễn Thế Cương, D2001VT 5 • Cho phép phân loại các gói tin dựa theo chính sách. Các gói tin được kết hợp trong FEC nhờ việc sử dụng một nhãn. Việc sắp xếp gói tin vào FEC được thực hiện tại biên giới mạng dựa theo trường dịch vụ hoặc địa chỉ đích trong phần mào đầu của gói tin. • Cung cấp các cơ chế cho phép kĩ thuật lưu lượng. Các cơ chế này được triển khai để cân bằng tải tuyến nhờ giám sát lưu lượng và thực hiện chỉnh các dòng một cách tích cực hoặc dự đoán trước. Trong mạng IP hiện tại, kĩ thuật lưu lượng là rất khó nếu không nói là không thể vì chuyển đổi hướng lưu lượng dùng các chỉnh sửa định tuyến không trực tiếp là không hiệu quả và nó có thể gây ra tắc nghẽn nghiêm trọng hơn ở đâu đó trong mạng. MPLS cho phép định tuyến hiện bởi nó cung cấp và tập trung chủ yếu vào chuyển tiếp dựa trên trường. Ngoài ra MPLS cũng cung cấp các công cụ cho điều khiển lưu lượng như kĩ thuật đường ngầm, kĩ thuật tránh và phòng vòng lặp, kĩ thuật ghép dòng. Xu hướng thứ hai là IP/MPLS trên nền SONET/SDH và WDM. SONET/SDH cung cấp một số đặc tính hấp dẫn sau cho xu hướng này: • SONET cung cấp một phân cấp ghép kênh tín hiệu quang tiêu chuẩn qua đó các tín hiệu tốc độ thấp được ghép thành các tín hiệu tốc độ cao. • SONET cung cấp một tiêu chuẩn khung truyền dẫn. • Mạng SONET