Luận văn Chuyển mạch MPLS

Hà Trương Nhật Linh - Lớp D2001VT i MỤC LỤC MỤC LỤC ................................................................................................................... i MỞ ĐẦU ................................................................................................................... iv THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ........................................................................................ vi CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG ................................................................... - 1 - 1.1. Tổng quan về NGN ..................................................................................... - 1 - 1.1.1. Cấu trúc chức năng của mạng NGN .............................................. - 1 - 1.1.2. Cấu trúc vật lý của mạng NGN ...................................................... - 2 - 1.2. Các công nghệ then chốt cho mạng thế hệ mới ..................................... - 4 - 1.2.1. IP ..................................................................................................... - 4 - 1.2.2. ATM ................................................................................................. - 6 - 1.2.3. IP over ATM ....................................................................................... - 7 - 1.2.4. MPLS ................................................................................................... - 8 - CHƯƠNG 2. CHUYỂN MẠCH NHÃN ............................................................ - 11 - 2.1. Khái niệm chuyển mạch nhãn ................................................................. - 11 - 2.2. Lý do dùng chuyển mạch nhãn ............................................................... - 11 - 2.2.1. Tốc độ và độ trễ ................................................................................. - 11 - 2.2.2. Khả năng đáp ứng .............................................................................. - 12 - 2.2.3. Tính đơn giản ..................................................................................... - 13 - 2.2.4. Sử dụng tài nguyên ............................................................................ - 13 - 2.2.5. Điều khiển tuyến ................................................................................ - 13 - 2.3. Nhãn - địa chỉ ............................................................................................ - 14 - 2.4. Định tuyến - quảng bá .............................................................................. - 16 - 2.5. Sự cần thiết cho QoS của mạng ............................................................... - 17 - 2.5.1. Chuyển mạch nhãn và QoS ............................................................... - 17 - 2.5.2. Sự đóng góp của chuyển mạch nhãn ................................................. - 18 - 2.6. Sự thừa kế của X.25 và VC ...................................................................... - 18 - 2.6.1. Kênh ảo trong chuyển mạch nhãn .................................................... - 19 - 2.6.2. Frame Relay và ATM ........................................................................ - 20 - 2.7. Hiện trạng và các khái niệm MPLS ......................................................... - 20 - 2.8. Đường chuyển mạch nhãn ....................................................................... - 21 - CHƯƠNG 3. CƠ SỞ CHUYỂN MẠCH NHÃN ............................................... - 22 - 3.1. Lớp tương đương chức năng .................................................................... - 22 - 3.1.1 Độ đáp ứng và bản chất hoạt động .................................................... - 22 - Hà Trương Nhật Linh - Lớp D2001VT ii 3.1.2 Thông tin dùng trong quyết định chuyển tiếp ................................... - 23 - 3.2. Các phương pháp chỉ định nhãn.............................................................. - 24 - 3.2.1. Sự liên kết cục bộ và từ xa ................................................................. - 24 - 3.2.2. Liên kết dòng lên và dòng xuống ....................................................... - 25 - 3.2.3. Liên kết điều khiển và liên kết dữ liệu chuyển động ........................ - 25 - 3.3. Không gian nhãn và sự phân nhãn .......................................................... - 26 - 3.4. Router biên và miền chuyển mạch nhãn ................................................. - 27 - 3.5. Ống chuyển mạch nhãn ............................................................................ - 28 - 3.6. Sự trao đổi nhãn ....................................................................................... - 29 - CHƯƠNG 4. CHUYỂN MẠCH VÀ CHUYỂN TIẾP NHÃN .......................... - 31 - 4.1. Sự phân chia mạng chuyển mạch và chuyển tiếp ................................... - 31 - 4.1.1. Chuyển mạch lớp 2 ............................................................................ - 32 - 4.1.2. Định tuyến lớp 3 ................................................................................. - 34 - 4.1.3. Chuyển mạch lớp 3 ............................................................................ - 34 - 4.1.4. Chuyển mạch lớp 4 ............................................................................ - 36 - 4.2. Ánh xạ từ lớp 3 tới lớp 2 .......................................................................... - 37 - 4.2.1. LSR lối vào ......................................................................................... - 37 - 4.2.2. LSR trung gian ................................................................................... - 38 - 4.2.3. LSR lối ra ........................................................................................... - 39 - 4.3. Chuyển mạch thẻ ...................................................................................... - 39 - 4.3.1. Thành phần chuyển tiếp .................................................................... - 39 - 4.3.2. Thành phần điều khiển ...................................................................... - 40 - CHƯƠNG 5. HOẠT ĐỘNG PHÂN BỔ NHÃN ................................................ - 45 - 5.1. Giao thức phân bổ nhãn ........................................................................... - 45 - 5.1.1. Bản tin LDP ....................................................................................... - 46 - 5.1.2. Các FEC, không gian nhãn và định danh ........................................ - 47 - 5.1.3. Phiên LDP .......................................................................................... - 48 - 5.1.4. Quản lý và phân bổ nhãn................................................................... - 49 - 5.1.5. Bản tin LDP ....................................................................................... - 50 - 5.1.5.1. Mào đầu LDP .............................................................................. - 50 - 5.1.5.2. Mã hoá TLV ................................................................................ - 51 - 5.1.5.3. Khuôn dạng bản tin LDP ............................................................ - 51 - 5.1.5.4. Khuôn dạng và chức năng TLV .................................................. - 52 - 5.1.5.5. Khuôn dạng và chức năng các bản tin LDP ............................... - 54 - 5.2 Giao thức dành trước tài nguyên (RSVP) và phân bổ nhãn ................... - 62 - Hà Trương Nhật Linh - Lớp D2001VT iii 5.3. Giao thức định tuyến cổng miền (BGP) và phân bổ nhãn ...................... - 63 - CHƯƠNG 6. KỸ THUẬT LƯU LƯỢNG ......................................................... - 64 - 6.1. Định nghĩa kỹ thuật lưu lượng (TE) ........................................................ - 64 - 6.1.1. Hoạt động định hướng lưu lượng và định hướng tài nguyên .......... - 64 - 6.1.2 Tắc nghẽn nhỏ nhất ............................................................................ - 65 - 6.2. Dịch vụ liên kết dựa trên QoS và phân lớp dịch vụ ................................ - 66 - 6.3. Kỹ thuật lưu lượng và sự sắp đặt lưu lượng ........................................... - 67 - 6.3.1. Hàng đợi lưu lượng ............................................................................ - 68 - 6.3.2. Hoạt động định tuyến hiện nay ......................................................... - 69 - 6.4. Trung kế lưu lượng, luồng lưu lượng và tuyến chuyển mạch nhãn ....... - 70 - 6.4.1. Sự thu hút của MPLS đối với kỹ thuật lưu lượng ............................ - 70 - 6.4.2. Dung lượng liên kết ............................................................................ - 71 - 6.4.3. Phân bổ tải trọng ............................................................................... - 71 - 6.4.4. Các thuộc tính trung kế lưu lượng .................................................... - 72 - KẾT LUẬN .................................................................................................................. TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... Hà Trương Nhật Linh - Lớp D2001VT iv MỞ ĐẦU Trong những năm qua, ngành công nghiệp viễn thông đã và đang tìm một phương thức chuyển mạch có thể phối hợp ưu điểm của IP và ATM để đáp ứng nhu cầu phát triển của mạng lưới trong giai đoạn tiếp theo. Đã có nhiều nghiên cứu được đưa ra trong đó có việc nghiên cứu công nghệ chuyển mạch nhãn MPLS. Công nghệ MPLS là kết quả phát triển của công nghệ chuyển mạch IP sử dụng cơ chế hoán đổi nhãn như của ATM để tăng tốc độ truyền gói tin mà không cần thay đổi các giao thức định tuyến của IP. MPLS tách chức năng của IP thành hai phần riêng biệt: chức năng chuyển gói tin và chức năng điều khiển. Bên cạnh đó, MPLS cũng hỗ trợ việc quản lý dễ dàng hơn. Trong những năm gần đây, MPLS đã được lựa chọn để đơn giản hoá và tích hợp mạng trong mạng lõi. Nó cho phép các nhà khai thác giảm chi phí, đơn giản hoá việc quản lý lưu lượng và hỗ trợ các dịch vụ Internet. Quan trọng hơn cả, nó là một bước tiến mới trong việc đạt mục tiêu mạng đa dịch vụ với các giao thức gồm di động, thoại, dữ liệu … Vì vậy, em nhận đề tài nghiên cứu công nghệ chuyển mạch MPLS để hiểu rõ sâu hơn các bản chất, cơ chế hoạt động của MPLS. Luận văn tốt nghiệp “Chuyển mạch MPLS ” bao gồm các nội dung chính như sau: Chương 1: Giới thiệu chung về NGN và các công nghệ trong mạng thế hệ sau. Chương 2: Giới thiệu chung về chuyển mạch nhãn. Chương 3: Giới thiệu về các cơ sở hoạt động của chuyển mạch nhãn. Chương 4: Giới thiệu về hoạt động chuyển mạch và chuyển tiếp nhãn. Chương 5: Giới thiệu về hoạt động phân bổ nhãn. Chương 6: Giới thiệu về kỹ thuật lưu lượng được sử dụng trong MPLS. Do thời gian và trình độ có hạn, nên chắc chắn những vấn đề được đề cập trong đồ án sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự lượng thứ và ý kiến đóng góp của các thầy, cô cũng như những ai quan tâm. Trong quá trình học tập tại Học viện công nghệ Bưu Chính Viễn Thông và thực hiện đồ án tốt nghiệp, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô đã trực tiếp và gián tiếp Hà Trương Nhật Linh - Lớp D2001VT v giúp đỡ em hoàn thành tốt chương trình học tập. Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn cô giáo Thạc sĩ Nguyễn Thị Thanh Kỳ đã trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp này. Hà Nội, ngày 21 tháng 10 năm 2005 Sinh viên Hà Trương Nhật Linh Hà Trương Nhật Linh - Lớp D2001VT vi THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Viết tắt Chú giải tiếng Anh Chú giải tiếng Việt AAL ATM Adaptation Layer Lớp thích ứng ATM ARP Addresss Resolution Protocol Giao thức phân giải địa chỉ ASP Automatic Protection Switching Chuyển mạch bảo vệ tự động ATM Asynchronous Transfer Mode Phương thức truyền tải không đồng bộ BGP Border Gateway Protocol Giao thức định tuyến cổng miền BTT Bidirectional Traffic Trunk Trung kế lưu lượng hai chiều CR Cell Router Bộ định tuyến tế bào CR-LDP Constraint Routing LDP Giao thức phân phối nhãn định tuyến cưỡng bức CS Convergence Sublayer Phân lớp hội tụ CSR Cell Switching Router Thiết bị định tuyến chuyển mạch tế bào DLCI Data Link Connection Identifier Nhận dạng kết nối lớp liên kết dữ liệu DVMRP Distance Vector Multicast Routing Protocol Giao thức định tuyến multicast theo vec tơ khoảng cách EGP Edge Gateway Protocol Giao thức định tuyến cổng biên FDDI Fiber Distributed Data Interface Giao tiếp dữ liệu cáp quang phân tán FEC Forwarding Equivalence Class Nhóm chuyển tiếp tương đương FR Frame Relay Chuyển mạch khung IGMP Internet Group Massage Protocol Giao thức bản tin nhóm internet IGP Interior Gateway Protocol Giao thức định tuyến trong miền LAN Local Area Network Mạng cục bộ LANE Local Area Network Emulation Mô phỏng mạng cục bộ LCA Least Common Ancestor Node gốc ít chung nhất LC-ATM Label Control ATM Giao diện ATM điều khiển Hà Trương Nhật Linh - Lớp D2001VT vii chuyển mạch nhãn LDP Label Distribution Protocol Giao thức phân phối nhãn LER Label Edge Router Router chuyển mạch nhãn biên LFIB Label Forwarding Information Base Cơ sở dữ liệu chuyển tiếp nhãn LIB Label Information Base Bảng thông tin nhãn trong bộ định tuyến LSFT Label Switch Forwording Table Bảng chuyển tiếp chuyển mạch nhãn LSP Label Switched Path Tuyến chuyển mạch nhãn LSR Label Switching Router Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn MAC Media Access Controller Thiết bị điều khiển truy nhập mức phương tiện truyền thông MG Media Gateway Cổng chuyển đổi phương tiện MPLS MultiProtocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức MSC Multicast Server Model Mô hình máy chủ multicast MSF MultiService Switch Forum Diễn đàn chuyển mạch đa dịch vụ MTBF Mean Time Between Failure Thời gian trung bình giữa hai lỗi liên tiếp NGN Next Generation Network Mạng thế hệ sau NLPID Network Layer Protocol Identifier Nhận dạng giao thức lớp mạng OSPF Open Shortest Path First Giao thức định tuyến đường ngắn nhất PID Protocol Identifier Giao thức multicast độc lập PML Path Merging LSR LSR hợp nhất PP Protected Path Tuyến được bảo vệ PSL Path Switching LSR LSR chuyển mạch đường QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RPR Resilient Packet Ring Vòng gói khôi phục nhanh Hà Trương Nhật Linh - Lớp D2001VT viii RSVP Resource Reservation Protocol Giao thức giành trước tài nguyên TAT Theoretical Arrival Time Thời gian đến lý thuyết TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn TDP Tag Distribution Protocol Giao thức phân phối thẻ TE Traffic Engineering Kỹ thuật lưu lượng TIB Tag Information Base Cở sở thông tin thẻ TDP Tag Distribution Protocol Giao thức phân bổ thẻ TLV Type-Length-Value Giá trị-chiều-dài kiểu TSR Tag Switching Router Router chuyển mạch thẻ UDP User Data Protocol Giao thức dữ liệu người dùng UPC Usage Parameter Control Điều khiển tham số sử dụng VCI Vitual Chennel Identifier Nhận dạng kênh ảo VPI Vitual Path Identifier Nhận dạng đường ảo WAN Wide Area Network Mạng diện rộng TTL Time To Live Thời gian sống MPLSCP MPLS Conrol Protocol Giao thức điều khiển MPLS Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1. Giới thiệu chung Hà Trương Nhật Linh - Lớp D2001VT - 1 - CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG 1.1. Tổng quan về NGN Trong nhiều năm gần đây, nền công nghệ viễn thông vẫn đang trăn trở về vấn đề phát triển công nghệ nào và dùng mạng gì để hỗ trợ các nhà khai thác trong bối cảnh luật viễn thông đang thay đổi nhanh chóng, cạnh tranh ngày càng khốc liệt. Khái niệm mạng thế hệ mới (hay còn gọi là mạng thế hệ sau - NGN) ra đời cùng với việc tái kiến trúc mạng, tận dụng tất cả các ưu thế về công nghệ tiên tiến nhằm đưa ra nhiều dịch vụ mới, mang lại nguồn thu mới, góp phần giảm chi phí khai thác và đầu tư ban đầu cho các nhà kinh doanh. Một chiến lược để phát triển nhịp nhàng từ mạng hiện tại sang kiến trúc mạng mới là rất quan trọng nhằm giảm thiểu yêu cầu đầu tư trong giai đoạn chuyển tiếp, trong khi sớm tận dụng những phẩm chất của mạng NGN. Tuy nhiên, bất kì bước đi nào trong tiến trình chuyển tiếp này cũng cần tạo điều kiện dễ dàng hơn cho mạng để rốt cuộc vẫn phát triển sang kiến trúc NGN dựa trên chuyển mạch gói. Bất cứ giải pháp nào được chọn lựa thì các hệ thống chuyển mạch truyền thống cũng sẽ phải tồn tại bên cạnh các phần tử mạng công nghệ mới trong nhiều năm tới. Mạng thế hệ sau được tổ chức dựa trên các nguyên tắc cơ bản sau: - Đáp ứng nhu cầu cung cấp các loại hình dịch vụ viễn thông phong phú đa dạng, đa dịch vụ, đa phương tiện. - Mạng có cấu trúc đơn giản. - Nâng cao hiệu quả sử dụng, chất lượng mạng lưới và giảm thiểu chi phí khai thác bảo dưỡng. - Dễ dàng mở rộng dung lượng, phát triển các dịch vụ mới. - Độ linh hoạt và tính sẵn sàng cao, năng lực tồn tại mạnh. 1.1.1. Cấu trúc chức năng của mạng NGN Cho đến nay, mạng thế hệ sau vẫn là xu hướng phát triển mới mẻ, chưa có một khuyến nghị chính thức nào của Liên minh Viễn thông thế giới ITU về cấu trúc của nó. Nhiều hãng viễn thông lớn đã đưa ra mô hình cấu trúc mạng thế hệ mới như Alcatel, Ericssion, Nortel, Siemens, Lucent, NEC,….. Bên cạnh việc đưa ra nhiều mô Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1. Giới thiệu chung Hà Trương Nhật Linh - Lớp D2001VT - 2 - hình cấu trúc mạng NGN khác nhau và kèm theo là các giải pháp mạng cũng như những sản phẩm thiết bị mới khác nhau. Các hãng đưa ra các mô hình cấu trúc tương đối rõ ràng và các giải pháp mạng khá cụ thể là Alcatel, Siemens, Eicssion. Nhìn chung từ các mô hình này, cấu trúc mạng mới có đặc điểm chung là bao gồm các lớp chức năng sau : - Lớp ứng dụng. - Lớp điều khiển. - Lớp truyền thông. - Lớp truy nhập và truyền dẫn. Hình 1.1 Cấu trúc chức năng của mạng NGN 1.1.2. Cấu trúc vật lý của mạng NGN NGN cần được hiểu là mạng thế hệ sau hay mạng thế hệ kế tiếp mà không phải là mạng thế hệ mới, nên khi xây dựng và phát triển mạng theo xu hướng NGN, người ta chú ý đến vấn đề kết nối mạng thế hệ sau với mạng hiện hành và tận dụng các thiết bị viễn thông hiện có trên mạng nhằm đạt được hiệu quả khai thác tối đa. Trong mạng viễn thông thế hệ mới có rất nhiều thành phần cần quan tâm, nhưng ở đây ta chỉ cần nghiên cứu những thành phần chính thể hiện rõ nét sự tiên tiến của NGN so với mạng viễn thông truyền thống. Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1. Giới thiệu chung Hà Trương Nhật Linh - Lớp D2001VT - 3 - Hình 1.2. Cấu trúc vật lý của mạng NGN Hình 1.3. Các thành phần chính của mạng NGN Các thành phần đó gồm : 1. Media Gateway (MG) 2. Media Gateway Controller (MGC – Call Agent - Softswitch) 3. Signaling Gateway (SG) 4. Media Server (MS) Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1. Giới thiệu chung Hà Trương Nhật Linh - Lớp D2001VT - 4 - 5. Application Server (Feature Server) 1.2. Các công nghệ then chốt cho mạng thế hệ mới Ngày nay, do yêu cầu ngày càng tăng về số lượng và chất lượng dịch vụ đã thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng của thị trường công nghệ điện tử - tin học - viễn thông. Những xu hướng phát triển công nghệ đã và đang tiếp cận nhau, đan xen lẫn nhau nhằm cho phép mạng lưới thỏa mãn tốt hơn các nhu cầu của khách hàng trong tương lai. Theo ITU, có hai xu hướng tổ chức mạng chính: - Hoạt động kết nối định hướng (CO – Connection Oriented Operation) - Hoạt động không kết nối (CL – Connectionless Operation ) Trong hoạt động kết nối định hướng, các cuộc được thực hiện với trình tự: gọi số - xác lập kết nối - gửi và nhận thông tin - kết thúc. Trong kiểu kết nối này, công nghệ ATM phát triển cho phép đẩy mạnh các dịch vụ băng rộng và nâng cao chất lượng dịch vụ. Hoạt động không kết nối dựa trên giao thức IP như việc truy cập Internet không yêu cầu việc xác lập trước các kết nối, vì vậy chất lượng dịch vụ có thể không hoàn toàn đảm bảo như trường hợp trên. Tuy nhiên, do tính đơn giản, tiện lợi với chi phí thấp, các dịch vụ thông tin theo phương thức CL phát triển rất mạnh mẽ