Luận văn Vấn đề chất lượng dịch vụ trong mạng thế hệ mới và triển khai ứng dụng trên hạ tầng mạng của công ty SPT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -------------------------------------- LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: XỬ LÝ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG VẤN ĐỀ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG THẾ HỆ MỚI VÀ TRIỂN KHAI ỨNG DỤNG TRÊN HẠ TẦNG MẠNG CỦA CÔNG TY SPT NGUYẾN VĂN NGOAN HÀ NỘI 2006 1 MỤC LỤC MỤC LỤC ...........................................................................................1 DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ..........................................6 DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................11 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................12 LỜI NÓI ĐẦU....................................................................................14 CHƯƠNG 1. MẠNG THẾ HỆ MỚI .....................................................16 1.1 Khái niệm.................................................................................16 1.2 Các đặc điểm của mạng NGN .....................................................17 1.3 Kiến trúc dịch vụ của mạng thế hệ mới ........................................18 1.4 Các tham số đánh giá chất lượng mạng ........................................22 1.4.1 Băng thông .......................................................................23 1.4.2 Trễ ..................................................................................23 1.4.3 Trượt ...............................................................................24 1.4.4 Mất gói .............................................................................25 CHƯƠNG 2. CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ (QoS) .....................................25 2.1 Khái niệm.................................................................................26 2.2 Các kỹ thuật QoS ......................................................................26 2.2.1 Mô hình dịch vụ cố gắng tối đa (Best Effort) .........................28 2.2.2 Dịch vụ tích hợp (Integrated Service) ..................................28 2.2.2.1 Dịch vụ đảm bảo GS (Guaranteed Service) .....................30 2.2.2.2 Dịch vụ kiểm soát tải CL (Controlled Load)....................30 2.2.2.3 Kết luận .....................................................................30 2.2.3 Mô hình Differentiated Service ............................................31 2.2.3.1 Trường DS của DiffServ ..............................................32 2.2.3.2 Per-hop Behavior trong DiffServ ...................................32 2 2.2.3.3 Các cơ chế DiffServ.....................................................36 2.2.3.4 Ưu nhược điểm của mô hình DiffServ ...........................37 2.2.3.5 Kết luận về DiffServ....................................................38 2.2.4 So sánh 2 mô hình kiến trúc QoS chính ................................39 2.3 Các giao thức báo hiệu trong kỹ thuật QoS....................................39 2.3.1 Giao thức dành sẵn tài nguyên .............................................40 2.3.2 Mô hình RSVP end-to-end ..................................................42 CHƯƠNG 3. PHÂN LOẠI, PHÂN MẢNH .............................................. VÀ NÉN GÓI DỮ LIỆU TRONG KỸ THUẬT QoS ...............................44 3.1 Phân loại gói dữ liệu ..................................................................44 3.1.1 Quyền ưu tiên IP ...............................................................45 3.1.2 Định tuyến chính sách (PBR) ..............................................47 3.1.2.1 Đặc điểm của PBR ......................................................47 3.1.2.2 Nguyên tắc hoạt động ..................................................47 3.2 Phân mảnh gói dữ liệu (MLP) .....................................................48 3.2.1 Các đặc tính phân mảnh dữ liệu............................................48 3.2.2 Nguyên lý hoạt động...........................................................49 3.3 Các giải thuật nén tải tin .............................................................50 3.3.1 Nguyên tắc hoạt động .........................................................50 3.3.2 Nén tiêu đề ........................................................................52 3.3.2.1 Nén tiêu đề TCP..........................................................53 3.3.2.2 Nén tiêu đề giao thức thời gian thực (RTP) .....................53 CHƯƠNG 4. KỸ THUẬT QoS TRONG ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN .....56 4.1 Tránh tắc nghẽn.........................................................................56 4.1.1 Phương pháp bỏ đuôi ..........................................................57 4.1.2 Phương pháp loại bỏ ngẫu nhiên...........................................58 4.1.3 Phương pháp loại bỏ cân bằng ngẫu nhiên .............................59 3 4.1.4 Tốc độ truy nhập cam kết ....................................................61 4.1.4.1 Cơ chế hoạt động ........................................................61 4.1.4.2 Các chức năng của CAR...............................................62 4.1.4.3 Mô hình chiếc thùng và thẻ bài......................................64 4.1.5 Sửa dạng lưu lượng (GTS)...................................................65 4.1.5.1 Đặc điểm của GTS ......................................................65 4.1.5.2 Cơ chế hoạt động của GTS ...........................................66 4.1.5.3 Kết luận .....................................................................67 4.2 Điều khiển tắc nghẽn............................................................................ 68 4.2.1 Hàng đợi vào trước ra trước (FIFO) ......................................69 4.2.1.1 Các ưu nhược điểm của hàng đợi FIFO ..........................69 4.2.1.2 Cấu hình FIFO............................................................70 4.2.2 Hàng đợi tuần tự (CQ) ........................................................71 4.2.2.1 Cơ chế hoạt động ........................................................71 4.2.2.2 Những ưu nhược điểm của hàng đợi CQ.........................75 4.2.2.3 Cấu hình thực thi hàng đợi CQ ......................................75 4.2.3 Hàng đợi ưu tiên (PQ).........................................................77 4.2.3.1 Cơ chế hoạt động ........................................................77 4.2.3.2 Những ưu nhược điểm của hàng đợi PQ .........................78 4.2.3.3 Cấu hình thực thi hàng đợi ưu tiên .................................78 4.2.3.4 Kết luận .....................................................................80 4.2.4 Hàng đợi cân bằng trọng số (WPQ).......................................81 4.2.4.1 Cơ chế hoạt động ........................................................81 4.2.4.2 Hàng đợi cân bằng trọng số phân loại lưu lượng ..............82 4.2.4.3 Hàng đợi cân bằng trọng số phân lớp lưu lượng...............84 4.2.4.4 Hàng đợi cân bằng trọng số tốc độ cao ...........................85 4.2.4.5 Các ưu nhược điểm của hàng đợi WFQ ..........................87 4 4.2.4.6 Cấu hình thực thi WFQ ................................................87 CHƯƠNG 5. KỸ THUẬT QoS TRONG MẠNG IP/MPLS .....................89 5.1 Cơ sở .......................................................................................89 5.2 Định nghĩa chuyển mạch nhãn (MPLS) ........................................90 5.2.1 Chuyển mạch nhãn là gì?.....................................................90 5.2.2 Ưu điểm của kỹ thuật MPLS................................................90 5.3 Kiến trúc MPLS ........................................................................91 5.3.1 Cấu trúc khối .....................................................................91 5.3.2 Một số khái niệm trong chuyển mạch nhãn ............................92 5.3.2.1 Lớp chuyển tiếp tương đương (FEC)..............................92 5.3.2.2 Router chuyển mạch nhãn (LSR) ...................................92 5.3.2.3 Giao thức phân phối nhãn.............................................94 5.3.2.4 Tuyến đường chuyển mạch nhãn ...................................95 5.4 Thực hiện cơ chế QoS trong mạng MPLS .....................................95 5.4.1 Cấu trúc trường MPLS EXP trong gói IP được gán nhãn..........96 5.4.2 Gán nhãn tại biên mạng.......................................................98 5.4.3 Chuyển tiếp gói MPLS........................................................99 5.5 Kết luận ...................................................................................99 CHƯƠNG 6. PHƯƠNG ÁN TRIỂN KHAI MPLS QoS ............................ TRÊN HẠ TẦNG MẠNG CỦA CÔNG TY SPT .................................. 100 6.1 Hạ tầng mạng IP của công ty SPT.............................................. 100 6.2 Phương án triển khai ................................................................ 101 6.2.1 Chia sẻ băng thông kênh liên tỉnh ....................................... 101 6.2.1.1 Chính sách định tuyến................................................ 104 6.2.1.2 Địa chỉ IP cho các router ............................................ 105 6.2.1.3 QoS và phân lớp dịch vụ (CoS) .................................. 106 6.2.2 Tích hợp dịch vụ .............................................................. 106 5 6.3 Cấu hình triển khai MPLS QoS trên mạng SPT............................ 107 6.4 Kết luận ................................................................................. 109 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................. 110 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................. 112 6 DANH SÁCH CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT A API Application Program Interface ARQ Admission Request ATM Asynchronous Transfer Mode AF Assured forwarding ASN Autonomous System Number B BGP Border Gateway Protocol BA Behavior Aggregate C CAR Commited Access Rate CPE Customer Premise Equipment CIR Committed Information Rate CATV Community Antenna Television cRTP compressed Real-time Transport Protocol CQ Custom Queuing CBWFQ Class-Based Weighted Fair Queuing CL Controlled Load CS Class – Selector CPU Central Processing Unit CDT Congestive Discard Threshold D DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing DWFQ Distributed Weighted Fair Queuing DiffServe Differentiated Service 7 DSCP Differentiated Service Code Point DoS Denial of Service E Edge-LSR Edge Label Switching Router EXP Experimental Field EF Expedited Forwaring F FIFO First In First Out FEC Forwarding Equivalence Class FTP File Transfer Protocol FBWFQ Flow- Based WFQ G GRE Generic Route Encapsulation GSM Global System for Mobile Communications GTS Generic Traffic Shaping GS Guaranteed Service H HTML Hyper Text Mark Language HDLC Hyper level Data Link Control HQO Hold-queue I IPH IP Header IETF Interrnet Engineering Task Force IGP Interior Gateway Protocol IS-IS Intermediate System - Intermediate System ISP Internet Service Provider IXP Internet Exchange Point 8 ISDN Integrated Services Digital Network IP MTU IP Maximum Transfer Unit ITU-T International Telecommunication Union - Telecommunication standardization sector IntServ Integrated Service L LDP Label Distribution Protocol LFIB Label Forwarding Information Base LIB Label Information Base LSP Label Switching Path LSR Label Switching Router LFI Link Fragmentation and Interleaving LZ (LZV) Lempel – Ziv LAPB Link Access Procedure Balanced M MPLS Multi Protocol Label Switching MP-BGP Multiprotocol BGP MP_REACH_NLRI Multiprotocol Reachable NLRI MP_UNREACH_NLRI Multiprotocol Unreachable NLRI MTU Maximum Transfer Unit MCML PPP Multi- Class Multilink Point-to-Point Protocol MLP Multiling PPP MPPC Microsoft Point – to – point Compression MAC Medium Access Control N NH Next Hop NLRI Network Layer Reachability Information 9 O OSPF Open Shortest Path First P PSTN Public Switched Telephone Network PE Provider Edge POP Point Of Presence PVC Permanent Virtual Circuit PLMN Public Land Mobile Network PDH Plesiochronous Digital Hierarchy PQ Priority Queuing POS Packet over SONET PHB Per-hop behavior PPP Point – to – Point Protocol R RPT Resilient Packet Transport RFC Request for Comment RSVP Resource Reservation Protocol RESV Reservation request RTP Real-time Transport Protocol RIP S SDH Synchronous Digital Hierarchy SMTP Simple Mail Transfer Protocol SS7 Signalling System No 7 SVC Switched virtual circuit SONET Synchronous Optical Network SLA Service Level Agreement 10 STAC Stacker SQL Structured Query Language T TCP Transmission Control Protocol TDM Time Division Multiplex TTL Time-to-Live TAC Technical Assistance Center U UDP User Datagram Protocol V VC Virtual Circuit VPN Virtual Private Network VRF VPN Routing and Forwarding VoIP Voice over IP VIP Versatile Interface Processor Vd Ví dụ W WDM Wavelength Division Multiplexing WFQ Weighted Fair Queing WAN Wide Area Network WRED Weighted random early Drop/Detect WRR Weighted Round Robin 11 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1-1 So sánh công nghệ mạng hiện tại và tương lai ........................... 22 Bảng 1-2 Thống kê các loại trễ từ đầu cuối đến đầu cuối .......................... 25 Bảng 2-1 Giá trị IP Precedence và DSCP trong các PHB .......................... 35 Bảng 2-2 So sánh đặc điểm cơ bản của hai mô hình QoS .......................... 39 Bảng 3-1 Giá trị IP Precedence tương ứng với 3 bits ToS ............................. 46 Bảng 3-2 Phạm vi sử dụng của các giải thuật nén..................................... 51 Bảng 3-3 Hiệu quả nén tiêu đề TCP ...................................................... 53 Bảng 5-1 Chức năng của các kiểu LSR................................................... 94 Bảng 5-2 Mô tả mối liên hệ giữa giá trị IP DSCP và MPLS EXP ..............97 Bảng 6-1 Thống kê chính sách QoS ............................................................ 107 12 DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Nhu cầu tiến hóa mạng..................................................................... 19 Hình 1.2 Chiến lược phát triển........................................................................ 20 Hình 1.3 Sự hội tụ giữa các mạng................................................................... 21 Hình 1.4 Băng thông trong mạng đa truy nhập............................................... 23 Hình 1.5 Một ví dụ về trễ mạng...................................................................... 24 Hình 2.1 Các kỹ thuật QoS trong mạng IP ..................................................... 27 Hình 2.2 Mô hình dịch vụ IntServ ................................................................ 29 Hình 2.3 Sơ đồ khối kiến trúc DiffServ .......................................................... 32 Hình 2.4 Mô tả cấu trúc bit trong trường DSCP............................................. 34 Hình 2.5 Sơ đồ cơ chế phân loại và điều hoà lưu lượng................................. 36 Hình 2.6 Mô hình mạng đầu cuối đến đầu cuối với RSVP ............................ 42 Hình 2.7 Mô hình mạng đầu cuối đến đầu cuối non-RSVP ........................... 43 Hình 3.1 Mô tả trường ToS trong gói IP......................................................... 45 Hình 3.2 Nguyên lý hoạt động của LFI ......................................................... 49 Hình 3.3 Minh họa quá trình thực hiện thuật toán nén ................................... 51 Hình 3.4 Minh họa thuật toán nén tiêu đề....................................................... 52 Hình 3.5 Minh họa hiệu quả nén TCP ............................................................ 53 Hình 3.6 Cơ chế nén tiêu đề RTP ................................................................... 54 Hình 4.1 Thuật toán RED ............................................................................... 58 Hình 4.2 Cơ chế hoạt động của WRED .......................................................... 60 Hình 4.3 Sơ đồ khối của CAR ........................................................................ 62 Hình 4.4 Lưu đồ chức năng của CAR............................................................. 63 Hình 4.5 Mô hình chiếc thùng và thẻ bài........................................................ 64 Hình 4.6 Sơ đồ các khối chức năng của GTS ................................................. 67 Hình 4.8 Ví dụ cấu hình hàng đợi FIFO ......................................................... 70 13 Hình 4.9 Cơ chế hoạt động của CQ ................................................................ 72 Hình 4.10 Một trường hợp xấu nhất xảy ra đối với hàng đợi CQ .................. 73 Hình 4.11 Minh họa tính toán băng thông và độ trễ tối đa ............................. 73 Hình 4.12 Ví dụ cấu hình hàng đợi CQ .......................................................... 76 Hình 4.13 Cơ chế hoạt động của PQ............................................................... 77 Hình 4.14 Một Ví dụ cấu hình hàng đợi PQ ................................................... 80 Hình 4.15 Cơ chế hoạt động của WFQ........................................................... 82 Hình 4.16 Sự phân lớp WFQ dựa trên tiêu đề gói tin..................................... 85 Hình 5.1 Mạng IP chạy trên mạng trục ATM................................................. 89 Hình 5.2 Kiến trúc cơ bản của một node MPLS chạy trên nền IP.................. 91 Hình 5.3 Kiến trúc của Edge-LSR .................................................................. 93 Hình 5.4 Cấu trúc nhãn (label)........................................................................ 97 Hình 5.5 Gán nhãn và chuyển tiếp gói tin trong mạng MPLS ....................... 99 Hình 6.1 Sơ đồ mạng kết nối HNI – HPG của SPT ..................................... 101 Hình 6.2 Cấu trúc phân lớp mạng SPT ......................................................... 102 Hình 6.3 Mạng IP tích hợp nhiều kỹ thuật chuyển mạch khác nhau............ 104 14 LỜI NÓI ĐẦU Môi trường kinh doanh ngày càng mang tính cạnh tranh và phức tạp hơn bao giờ hết. Trong đó chất lượng dịch vụ là chìa khoá để có thể dẫn tới thành công. Song song với xu thế này, công nghệ viễn thông và công nghệ thông tin phát triển cũng có nhiều ảnh hưởng đến mạng viễn thông, đòi hỏi mạng viễn thông phải hội tụ được nhiều loại hình dịch vụ khác nhau. Để đáp ứng các yêu cầu này, một số nhà sản xuất thiết bị viễn thông và một số tổ chức nghiên cứu về viễn thông đã đưa ra các ý tưởng và mô hình về cấu trúc mạng thế hệ mới (Next Generation Network – NGN). NGN không phải là mạng hoàn toàn mới, mạng này dựa trên cơ sở chuyển mạch và truyền dẫn gói IP và hướng tới là MPLS. Tuy nhiên bên cạnh những ưu thế nổi bật, một yêu cầu đặt ra đối với mạng NGN là đảm bảo chất lượng truyền tải âm thanh và dữ liệu. Đây thực sự là một thách thức khó khăn về mặt công nghệ, vì các dịch vụ khác nhau có các yêu cầu về chất lượng dịch vụ khác nhau. Do vậy song song với tiến trình xây dựng mạng NGN thì việc triển khai các kỹ thuật QoS cũng phải được thực thi đồng thời nhằm đảm bảo các yêu cầu mà dịch vụ đưa ra. Luận văn tốt nghiệp cao học của tôi là “Vấn đề chất lượng dịch vụ trong mạng thế hệ mới và triển khai ứng dụng trên hạ tầng mạng của công ty SPT” Nội dung gồm 6 chương: Chương 1 – Mạng thế hệ mới (NGN). Giới thiệu tổng quan về mạng thế hệ mới. Tác giả phân tích xu thế phát triển của mạng viễn thông ngày nay. Các đặc điểm về dịch vụ, công nghệ và kiến trúc mạng NGN triển khai trên hạ tầng các mạng riêng lẻ có sẵn. Phân tích các tham số đánh giá chất lượng dịch vụ mạng và những yêu cầu cần được giải quyết. 15 Chương 2 – Chất lượng dịch vụ (QoS). Phân tích nhữn