Luận văn thạc sĩ: Kỹ thuật điều khiển lưu lượng MPLS - ĐH Công Nghệ

Luận văn thạc sĩ: Kỹ thuật điều khiển lưu lượng MPLS. Nghiên cứu chuyên sâu về chuyển mạch nhãn đa giao thức, thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử Viễn thông (2.07.00).

• Tác giả: Nguyễn Hoàng Chương
• Người hướng dẫn: Pgs.Ts Nguyễn Kim Giao
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
• Đề tài: Kỹ thuật điều khiển lưu lượng trong chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS)
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2007
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MPLS
• 1.1. Lịch sử phát triển
• 1.1.1. Lịch sử phát triển của Công nghệ MPLS
• 1.2. Một số ứng dụng của Công nghệ MPLS
• 1.3. Tổng quan về công nghệ MPLS
• 1.3.1. Định nghĩa
• 1.4. Lợi ích của MPLS
• 1.5. Nhược điểm của MPLS
• 1.6. Đặc điểm mạng MPLS
• 1.7. So sánh MPLS và IP
• 1.8. Kết luận Chương 1
• 2. CHƢƠNG II: CẤU TRÚC CỦA MẠNG MPLS
• 2.1. Định nghĩa về nhãn trong MPLS
• 2.2. Cấu trúc khung của nhãn trong MPLS
• 2.3. Cấu trúc tế bào của nhãn trong MPLS
• 2.4. Mặt phẳng chuyển tiếp và Mặt phẳng điều khiển
• 2.5. Thuật toán chuyển tiếp nhãn
• 2.6. Phân phối nhãn
• 2.7. Duy trì nhãn
• 2.8. Các loại nhãn đặc biệt
• 3. CHƢƠNG III: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN LƢU LƢỢNG TRONG MPLS
• 3.1. Trung kế lƣu lƣợng trong MPLS
• 3.2. Các thuộc tính của trung kế lưu lượng
• 3.3. Các hoạt động cơ bản của trung kế lưu lượng
• 3.4. Các bài toán cơ bản của kỹ thuật lƣu lƣợng trên MPLS
• 3.5. Thuộc tính tham số lƣu lƣợng
• 3.6. Thuộc tính chọn đường
• 3.7. Các thuộc tính tài nguyên
• 3.8. Bảo vệ và khôi phục đường
• 3.9. Các cơ chế bảo vệ khôi phục
• 3.10. Các mô hình khôi phục lƣu lƣợng trong MPLS
• 3.10.1. Mô hình Makam
• 3.10.2. Mô hình Haskin (Reverse Backup)
• 3.10.3. Mô hình Hundessa
• 3.10.4. Mô hình Shortest-Dynamic
• 3.10.5. Mô hình Simple-Dynamic
• 3.10.6. Mô hình Simple Static
• 3.11. Kết luận Chƣơng 3
• 4. CHƢƠNG IV: MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH VỚI NS2
• 4.1. Môi trƣờng mô phỏng
• 4.2. Cài đặt và cấu hình phần mềm mô phỏng
• 4.3. Các tình huống mô phỏng trong NS2
• 4.3.1. Mô phỏng trong môi trường không sử dụng MPLS
• 4.3.2. Mô phỏng định tuyến bắt buộc trong MPLS
• 4.3.3. Mô phỏng lấn chiếm lưu lượng trong MPLS
• 4.3.4. Mô phỏng chuyển lưu lượng trong MPLS – Mô hình Makam
• 4.3.5. Mô phỏng chuyển lưu lượng trong MPLS – Mô hình Haskin
• 4.3.6. Mô phỏng chuyển lưu lượng trong MPLS – Mô hình SD
• 4.4. Kết luận Chƣơng 4
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC II
• PHỤ LỤC III

Tóm tắt

I. Tổng Quan Công Nghệ MPLS Nền Tảng Điều Khiển Lưu Lượng

MPLS (Multiprotocol Label Switching) đang trở thành lựa chọn hàng đầu trong việc điều phối giữa lớp 2 và lớp 3 trong mô hình OSI. Rất nhiều nhà cung cấp dịch vụ viễn thông và Internet đã áp dụng MPLS để kết hợp ưu điểm của các công nghệ mạng trước đó. Mục tiêu của luận văn này là làm rõ khả năng ứng dụng của MPLS thông qua mô phỏng bằng phần mềm NS2, tập trung vào khả năng điều khiển lưu lượng. Luận văn bao gồm 4 chương, từ giới thiệu lịch sử hình thành MPLS, các mô hình điều khiển lưu lượng, đến xây dựng, mô phỏng và phân tích các mô hình này bằng NS2. Sự ra đời của MPLS xuất phát từ nhu cầu cấp thiết kết hợp ưu điểm của chuyển mạch kênh ATM và chuyển mạch gói IP. ATM cung cấp một lớp báo hiệu, hoạt động hướng kết nối, hỗ trợ QoS và chuyển mạch gói nhanh hơn, nhưng lại phức tạp và tốn kém. Trong khi đó, IP đơn giản nhưng gặp vấn đề về nghẽn mạch và phân bố tải không đều. MPLS giải quyết các vấn đề này bằng cách cung cấp một công nghệ lai, cho phép chuyển tải các gói tin nhanh chóng trong mạng lõi và định tuyến hiệu quả ở mạng biên, dựa trên nhãn. MPLS mang lại tính tương thích cao, gia tăng tốc độ, hoạt động với nhiều công nghệ liên kết dữ liệu và giao thức định tuyến. Nó cũng cung cấp các dịch vụ QoS, hỗ trợ quản trị hệ thống và hoạt động độc lập với các giao thức định tuyến, chỉ định tuyến tại các Router biên có hỗ trợ nhãn (LERs). Tuy nhiên, MPLS cũng có nhược điểm là thêm một lớp bổ sung và yêu cầu các router phải hiểu được MPLS. Theo tài liệu, sự phát triển của MPLS bắt đầu từ CSR của Toshiba năm 1994, sau đó là IP Switching của Ipsilon, Tag Switching của Cisco và ARIS của IBM. Năm 1997, IETF thành lập nhóm làm việc về MPLS, và đến năm 1999, sản phẩm đầu tiên về MPLS VPN và TE được triển khai. RFC về MPLS đầu tiên được phát hành năm 2001.

1.1. Bối Cảnh Ra Đời và Phát Triển Của Công Nghệ MPLS

MPLS ra đời trong bối cảnh mạng Internet phát triển mạnh mẽ, lưu lượng bùng nổ, các ISP gặp khó khăn trong việc xử lý nghẽn mạch. Các giao thức định tuyến thường hướng lưu lượng vào một số kết nối nhất định, gây quá tải trong khi các tài nguyên khác không được sử dụng. Vào thập niên 90, các ISP phát triển mạng theo mô hình chồng lớp (overlay) bằng giao thức IP over ATM. Tuy nhiên, mô hình này phức tạp và tốn kém, không giải quyết được vấn đề định tuyến. Xu hướng hội tụ các mạng viễn thông khác như mạng thoại, truyền hình dựa trên Internet đã đưa giao thức IP trở thành chủ đạo. Nhu cầu cấp thiết là phải có một công nghệ lai kết hợp những đặc điểm tốt của chuyển mạch kênh ATM và chuyển mạch gói IP. MPLS đáp ứng được nhu cầu này, đánh dấu một bước phát triển mới của mạng Internet. Theo tài liệu, Toshiba giới thiệu CSR năm 1994, sau đó là IP Switching của Ipsilon, Cisco's Tag Switching, IBM’s ARIS. IETF thành lập nhóm làm việc về MPLS năm 1997 và đến năm 1999, sản phẩm đầu tiên về MPLS VPN và TE được triển khai.

1.2. Ưu Điểm và Nhược Điểm Của Công Nghệ Chuyển Mạch MPLS

MPLS mang lại nhiều ưu điểm so với các công nghệ mạng trước đó. Nó có tính tương thích cao, gia tăng tốc độ hoạt động, làm việc với hầu hết các công nghệ liên kết dữ liệu, giao thức định tuyến và các công nghệ khác liên quan đến Internet. MPLS hoạt động độc lập với các giao thức định tuyến, định tuyến chỉ diễn ra tại các Router biên có hỗ trợ nhãn (LERs), tìm đường đi linh hoạt dựa vào nhãn, cung cấp các dịch vụ QoS, hỗ trợ việc cấu hình quản trị và bảo trì hệ thống (OAM), có thể hoạt động trong một mạng phân cấp, ẩn đi lớp liên kết và sự khác nhau giữa các giao thức lớp 2. Tuy nhiên, MPLS cũng có nhược điểm là thêm một lớp bổ sung và yêu cầu các router phải hiểu được MPLS. So sánh MPLS và IP, MPLS không thể đem so sánh với mạng IP như những phần tử tách biệt bởi vì nó làm việc trong sự kết hợp với IP và các giao thức định tuyến IGP của IP. MPLS cung cấp cho mạng IP cơ chế quản lý lưu lượng đơn giản, khả năng thực hiện VPN lớp 3 với việc phủ lên không gian địa chỉ đồng thời hỗ trợ dây giả lớp 2.

II. Cấu Trúc Mạng MPLS Phân Tích Chi Tiết Về Nhãn MPLS

Cấu trúc mạng MPLS bao gồm các phần tử quan trọng như nhãn, mặt phẳng chuyển tiếp, mặt phẳng điều khiển và các thuật toán chuyển tiếp. Nhãn là một thẻ có chiều dài cố định, là cơ sở để MPLS chuyển thông tin. Trong MPLS chế độ khung, các router MPLS trao đổi các gói IP được hiểu là các gói IP được dán nhãn. Một nhãn MPLS bao gồm các phần như EXP, S và TTL. Các ngăn xếp nhãn được thực thi khi có sự trao đổi giữa các dịch vụ MPLS cơ sở như MPLS VPN, MPLS Engineering. Khi sử dụng mạng ATM, MPLS sử dụng chế độ tế bào. Các tế bào được sử dụng để truyền dữ liệu trong mặt phẳng dữ liệu. Mỗi nút mạng MPLS có hai mặt phẳng: Mặt phẳng chuyển tiếp MPLS và mặt phẳng điều khiển MPLS. Mặt phẳng chuyển tiếp sử dụng một cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn (LFIB) để chuyển tiếp các gói. Mỗi nút mạng MPLS có hai bảng liên quan đến việc chuyển tiếp là : cơ sở thông tin nhãn (LIB) và LFIB. Mặt phẳng điều khiển chịu trách nhiệm tạo ra và lưu trữ LFIB. Tất cả các nút mạng MPLS phải chạy một giao thức định tuyến IP để trao đổi thông tin định tuyến đến các nút mạng MPLS khác trong mạng.

2.1. Định Nghĩa và Cấu Trúc Khung Của Nhãn Trong Mạng MPLS

Nhãn là yếu tố cốt lõi trong MPLS, quyết định cách thức chuyển tiếp dữ liệu. Một nhãn MPLS bao gồm các trường: LABEL (20 bits), EXP (3 bits), S (1 bit), TTL (8 bits). LABEL là giá trị nhãn thực tế. EXP được sử dụng cho các mục đích thử nghiệm. S chỉ ra nhãn cuối cùng trong ngăn xếp nhãn. TTL giới hạn thời gian sống của gói tin để tránh lặp vô hạn. Các nhãn có thể được xếp chồng lên nhau để hỗ trợ các dịch vụ như VPN và Traffic Engineering. Trong MPLS VPN, nhãn thứ hai trong ngăn xếp được định nghĩa là VPN. Trong MPLS Engineering, nhãn trên cùng được định nghĩa là điểm cuối của kênh và nhãn thứ hai được định nghĩa là điểm đích của kênh. Các stack label này cho phép MPLS linh hoạt hơn trong việc xử lý các loại lưu lượng khác nhau.

2.2. Mặt Phẳng Chuyển Tiếp và Điều Khiển Trong MPLS

Mỗi nút mạng MPLS hoạt động với hai mặt phẳng chính: mặt phẳng chuyển tiếp và mặt phẳng điều khiển. Mặt phẳng chuyển tiếp chịu trách nhiệm chuyển tiếp dữ liệu dựa trên nhãn và bảng LFIB (Label Forwarding Information Base). Mặt phẳng điều khiển chịu trách nhiệm xây dựng và duy trì các bảng định tuyến và bảng nhãn. LIB (Label Information Base) chứa tất cả các nhãn được gán bởi nút mạng MPLS cục bộ. LFIB chứa một tập con của các nhãn trong LIB và được sử dụng để chuyển tiếp gói tin. Các giao thức định tuyến IP được sử dụng để trao đổi thông tin định tuyến giữa các nút mạng MPLS. Sự phân tách giữa mặt phẳng chuyển tiếp và điều khiển cho phép MPLS linh hoạt và dễ dàng mở rộng.

2.3. Thuật toán chuyển tiếp nhãn và phân phối nhãn

Thuật toán chuyển tiếp nhãn so sánh sự khác biệt giữa việc chuyển tiếp trong mạng IP và mạng MPLS, tập trung vào các cơ chế chuyển tiếp dựa trên các bảng FIB, LIB, LFIB. Trong khi IP chuyển tiếp dựa trên địa chỉ IP đích và FIB, thì MPLS chuyển tiếp dựa trên nhãn MPLS và LFIB. Cả hai đều chuyển tiếp dựa trên các đích lân cận (hop-by-hop). Các giao thức phân phối nhãn như Tag Distribution Protocol (TDP), Label Distribution Protocol (LDP) và RSVP (Resource Reservation Protocol) được sử dụng trong hệ thống mạng MPLS. RSVP thường được sử dụng trong kỹ thuật điều khiển lưu lượng, trong khi LDP được sử dụng để phân phối nhãn trong mạng MPLS. Các thuật toán này đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hiệu quả và linh hoạt của mạng MPLS.

III. Kỹ Thuật Điều Khiển Lưu Lượng MPLS Tối Ưu Hóa Hiệu Quả

Kỹ thuật điều khiển lưu lượng trong MPLS tập trung vào tối ưu hóa hiệu quả sử dụng mạng thông qua trung kế lưu lượng, các thuộc tính của trung kế lưu lượng và các cơ chế bảo vệ và khôi phục đường. Trung kế lưu lượng là một kết nối logic bao gồm các luồng lưu lượng thuộc cùng lớp, được đặt bên trong một LSP. Trong mạng MPLS, LSP là đường bao gồm các trung kế lưu lượng hoạt động trên đó. Một trung kế lưu lượng có thể chuyển từ LSP này sang LSP khác, hoặc nhiều trung kế lưu lượng hoạt động trên cùng một LSP. Các thuộc tính của trung kế lưu lượng bao gồm tham số hóa, quy luật sắp đặt và duy trì đường dẫn. Có ba vấn đề cơ bản trong kỹ thuật điều khiển lưu lượng trên MPLS là ánh xạ các gói lên các lớp chuyển tiếp tương đương (FEC), ánh xạ các FEC lên trung kế lưu lượng và ánh xạ các trung kế lưu lượng lên topo mạng qua các LSP. Các cơ chế bảo vệ và khôi phục đường cung cấp một dịch vụ tin cậy cho việc truyền tải lưu lượng trong mạng MPLS và tái định tuyến lưu lượng qua một đường chuyển mạch nhãn LSP.

3.1. Khái Niệm Trung Kế Lưu Lượng và Các Thuộc Tính Quan Trọng

Trung kế lưu lượng đóng vai trò trung tâm trong kỹ thuật điều khiển lưu lượng MPLS. Nó là một kết nối logic chứa các luồng lưu lượng cùng loại, nằm trong một LSP (Label Switched Path). Các thuộc tính của trung kế lưu lượng xác định cách nó hoạt động trong mạng. Các thuộc tính quan trọng bao gồm: Ingress-LSR và egress-LSR của trung kế lưu lượng, tập hợp các FEC được ánh xạ vào trung kế lưu lượng và một tập hợp các thuộc tính nhằm xác định các hành vi đặc trưng của trung kế. Có hai vấn đề cơ bản có ý nghĩa đặc biệt: Tham số hóa các trung kế lưu lượng và quy luật sắp đặt và duy trì đường dẫn cho các trung kế lưu lượng.

3.2. Các Hoạt Động Cơ Bản Của Trung Kế Lưu Lượng Trong MPLS

Trung kế lưu lượng trải qua một số hoạt động cơ bản trong suốt vòng đời của nó. Đầu tiên là Establish, tạo ra một trung kế lưu lượng bằng cách quyết định một LSP, gán các nhãn MPLS và quan trọng nhất là gán tài nguyên cho trung kế này. Tiếp theo là Activate, kích hoạt cho trung kế bắt đầu chuyển dữ liệu bằng cách sử dụng một số chức năng định tuyến để đưa lưu lượng vào trung kế. Deactive dừng chuyển lưu lượng của trung kế bằng cách dùng chức năng định tuyến, ngăn không cho lưu lượng chuyển vào trung kế đó. Modify Attributes thay đổi các đặc trưng của trung kế lưu lượng (thay đổi độ lớn băng thông). Reroute chọn một đường mới cho trung kế lưu lượng (thường là chuyển hướng lưu lượng khi có sự cố trong mạng và khôi phục khi sự cố kết thúc). Cuối cùng, Destroy loại bỏ hoàn toàn một trung kế lưu lượng khỏi topo mạng, thu hồi tài nguyên đã cấp phát cho trung kế này.

3.3. Các bài toán cơ bản trong điều khiển lưu lượng

Ba vấn đề cơ bản trong kỹ thuật điều khiển lưu lượng trên MPLS là: Ánh xạ các gói lên các lớp chuyển tiếp tương đương (FEC), Ánh xạ các FEC lên trung kế lưu lượng và Ánh xạ các trung kế lưu lượng lên topo mạng qua các LSP. Việc ánh xạ các gói lên các lớp chuyển tiếp tương đương (FEC) quyết định cách các gói dữ liệu được nhóm lại với nhau để xử lý thống nhất. Tiếp theo, việc ánh xạ các FEC lên trung kế lưu lượng định nghĩa cách các nhóm gói này được định tuyến qua mạng MPLS. Cuối cùng, việc ánh xạ các trung kế lưu lượng lên topo mạng qua các LSP xác định đường dẫn vật lý mà dữ liệu sẽ đi qua.

IV. Cơ Chế Bảo Vệ và Khôi Phục Đường Trong Mạng MPLS

Các cơ chế bảo vệ và khôi phục đường trong MPLS cung cấp khả năng phục hồi khi có sự cố, đảm bảo dịch vụ liên tục. Có hai loại chính: Sửa chữa toàn mạng (end-to-end) và Sửa chữa cục bộ. Sửa chữa toàn mạng bảo vệ khi có sự cố ở bất kỳ vị trí nào trên đường làm việc. Điểm sửa chữa POR (chính là Ingress LSR) thường cách xa vị trí lỗi và cần được thông báo bằng tín hiệu FIS. Việc khôi phục đường là end-to-end, trong đó đường làm việc và bảo vệ tách rời nhau hoàn toàn. Sửa chữa cục bộ bảo vệ khi có sự cố kết nối hoặc node mạng nhưng khôi phục nhanh hơn do việc sửa chữa được thực hiện cục bộ tại thiết bị phát hiện sự cố. Node mạng nằm trực tiếp trước vị trí lỗi sẽ đóng vai trò là PSL khởi tạo công tác khôi phục.

4.1. Các Cơ Chế Bảo Vệ và Khôi Phục Đường Trong MPLS

MPLS cung cấp một loạt các cơ chế để bảo vệ và khôi phục đường truyền dữ liệu. Hai loại chính là sửa chữa toàn mạng và sửa chữa cục bộ. Sửa chữa toàn mạng cung cấp bảo vệ end-to-end, trong khi sửa chữa cục bộ tập trung vào việc sửa chữa nhanh chóng các sự cố gần vị trí lỗi. Việc lựa chọn cơ chế phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu về thời gian phục hồi và độ phức tạp của mạng. Một cơ chế quan trọng là định tuyến lại và chuyển mạch bảo vệ. Đối với khôi phục bằng định tuyến lại (re-route), đường khôi phục được thiết lập theo yêu cầu sau khi xảy ra sự cố. Khi phát hiện sự cố trên đường làm việc, một LSR đứng trước vị trí lỗi có vai trò là POR bắt đầu báo hiệu một đường khôi phục đi vòng qua điểm lỗi và kết nối vào một node nào đó nằm sau điểm lỗi trên đường làm việc. Đường khôi phục này có thể được tính toán sẵn trước hoặc tính toán sau khi phát hiện sự cố. Khi đường khôi phục được thiết lập xong, PSL bắt đầu truyền lưu lượng trên đường này. Trong chuyển mạch bảo vệ thì đường khôi phục được tính toán và thiết lập trước khi xảy ra sự cố trên đường làm việc. PSL được cấu hình để chuyển mạch lưu lượng sang đường khôi phục ngay khi nó biết có lỗi trên đường làm việc (trực tiếp phát hiện lỗi hoặc nhờ nhận được FIS). Vì đường khôi phục đã thiết lập trước nên chuyển mạch bảo vệ nhanh hơn so với khôi phục bằng định tuyến lại.

4.2. Các Mô Hình Khôi Phục Lưu Lượng Phổ Biến Trong MPLS

Nhiều mô hình đã được đề xuất để khôi phục lưu lượng trong mạng MPLS. Một số mô hình phổ biến bao gồm Makam, Haskin, Hundessa, Shortest-Dynamic, Simple-Dynamic và Simple Static. Mô hình Makam cung cấp cơ chế bảo vệ end-to-end bằng việc thiết lập đường bảo vệ toàn mạng giữa các LSR lối vào và LSR lối ra. Mô hình Haskin ngay khi một LSR phát hiện sự cố trên đường làm việc, LSR thực hiện chuyển hướng lưu lượng sang đường dự phòng đảo đi ngược về PSL. Mô hình Hundessa tương tự như mô hình Haskin cải tiến nhưng khắc phục được vấn đề xáo trộn thứ tự gói. Mô hình Shortest-Dynamic chỉ có đường làm việc được thiết lập, khi một node mạng phát hiện sự cố kết nối thì nó phải tính toán rồi báo hiệu thiết lập đường hầm LSP ngắn nhất đi từ nó đến node ở phía bên kia kết nối bị sự cố và sau đó chuyển mạch lưu lượng. Mô hình Simple-Dynamic tương tự như mô hình Shortest-Dynamic, cơ chế của Simple-Dynamic cũng là cơ chế cục bộ. Node mạng phát hiện ra lỗi kết nối sẽ chuyển mạch lưu lượng. Mô hình Simple Static tương tự như mô hình Simple-Dynamic, nhưng đường khôi phục đã được tính toán trước khi xảy ra lỗi.

V. Mô Phỏng MPLS Với NS2 Phân Tích Thực Nghiệm Điều Khiển

Chương 4 trình bày về việc mô phỏng và phân tích các kỹ thuật điều khiển lưu lượng MPLS bằng phần mềm NS2. Trước khi bắt tay vào lựa chọn các phương thức mô phỏng, học viên đã tìm hiểu và chọn mô phỏng bằng phần mềm. Sau khi cân nhắc các phần mềm mô phỏng như J-SIM, OMNeT++, GLASS, NS2 đã được chọn vì tính linh hoạt, cộng đồng hỗ trợ lớn và khả năng tùy biến cao. Tuy nhiên, NS2 cũng có những hạn chế, đặc biệt là trong việc hỗ trợ RSVP-TE, đòi hỏi phải sử dụng các bản vá lỗi và tùy chỉnh để mô phỏng đầy đủ các tính năng cần thiết. Các tình huống mô phỏng bao gồm truyền lưu lượng trong môi trường không MPLS, định tuyến bắt buộc trong MPLS và lấn chiếm lưu lượng trong MPLS, chuyển lưu lượng trong MPLS với các mô hình Makam, Haskin và Shortest-Dynamic.

5.1. Lựa Chọn Phần Mềm Mô Phỏng Mạng Ưu và Nhược Điểm

Việc lựa chọn phần mềm mô phỏng mạng là một quyết định quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác và khả năng thực hiện của các mô phỏng. Trong quá trình nghiên cứu, các phần mềm như J-SIM, OMNeT++, GLASS và NS2 đã được xem xét. J-SIM được phát triển trên môi trường Java, có module mô phỏng MPLS, nhưng không bao gồm giao thức phân phối nhãn (LDP) và RSVP-TE chưa hoàn thiện. OMNeT++ cũng là môi trường lập trình mô phỏng gồm các phần tử rời rạc trên môi trường ngôn ngữ C++, có mô hình MPLS nhưng không còn phù hợp với việc mô phỏng cơ chế khôi phục lỗi hiện nay. GLASS là phần mềm mô phỏng trên môi trường Java, hỗ trợ chuyển tiếp MPLS và phân phối nhãn với LDP, CR-LDP và RSVP-TE, tuy nhiên thông tin hỗ trợ và tương tác hệ thống còn hạn chế. Cuối cùng, NS2 (Network Simulator 2) được chọn vì là chương trình mô phỏng với các module rời rạc, mục tiêu sử dụng cho nghiên cứu hệ thống mạng, có cộng đồng hỗ trợ lớn và khả năng tùy biến cao, mặc dù cần các bản vá lỗi để hỗ trợ đầy đủ RSVP-TE.

5.2. Mô Phỏng Cơ Bản Truyền Dữ Liệu Trong Mạng IP và MPLS

Các mô phỏng cơ bản được thực hiện để so sánh hiệu suất truyền dữ liệu trong mạng IP và MPLS. Trong môi trường không sử dụng MPLS, khi truyền đồng thời hai luồng lưu lượng, hiện tượng mất gói xảy ra do nghẽn mạng tại các node mạng. Ngược lại, trong môi trường MPLS với định tuyến bắt buộc, các đường truyền nhãn được thiết lập trước và các lưu lượng được truyền độc lập, giảm thiểu tình trạng nghẽn mạng. Tuy nhiên, nếu lưu lượng mạng tăng đột biến, vượt quá khả năng của hệ thống, hiện tượng nghẽn mạng vẫn có thể xảy ra. Mô phỏng lấn chiếm lưu lượng trong MPLS cho thấy việc cấu hình mức ưu tiên cho các luồng lưu lượng khác nhau có thể cải thiện chất lượng dịch vụ. Ví dụ, lưu lượng thoại và video có thể được ưu tiên cao hơn lưu lượng dữ liệu để đảm bảo chất lượng trải nghiệm.

VI. Đánh Giá Mô Hình Khôi Phục Lưu Lượng MPLS Makam Haskin

Các mô hình khôi phục lưu lượng MPLS được đánh giá thông qua mô phỏng trong NS2, tập trung vào khả năng phục hồi sau sự cố. Mô hình Makam cho thấy lưu lượng bị mất trong khoảng thời gian chuyển mạch từ đường làm việc sang đường dự phòng. Mô hình Haskin cải thiện khả năng phục hồi bằng cách sử dụng đường dự phòng đảo chiều, nhưng có thể gây xáo trộn thứ tự gói. Mô hình Shortest-Dynamic linh hoạt hơn bằng cách thiết lập đường hầm LSP ngắn nhất đến node mạng bị sự cố.

6.1. Mô Phỏng Mô Hình Makam Ưu Điểm và Hạn Chế Trong NS2

Mô hình Makam là một trong những mô hình đầu tiên được đề xuất cho việc khôi phục trong mạng MPLS. Trong mô phỏng NS2, mô hình Makam cho thấy khả năng chuyển lưu lượng sang đường dự phòng khi có sự cố. Tuy nhiên, một nhược điểm lớn của mô hình Makam là sự mất gói trong khoảng thời gian tín hiệu báo lỗi (FIS) truyền ngược về node nguồn (Ingress LSR). Thời gian này làm gián đoạn luồng dữ liệu, gây ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ. Dù vậy, Makam vẫn được đánh giá cao vì chỉ cần một đường dự phòng cho mọi sự cố và chỉ cần một LSR có chức năng làm PSL.

6.2. Mô Phỏng Mô Hình Haskin Cải Thiện Khả Năng Phục Hồi

Mô hình Haskin là một cải tiến so với Makam, sử dụng đường dự phòng đảo chiều để giảm thời gian mất gói. Ngay khi một LSR phát hiện sự cố, lưu lượng được chuyển hướng ngược về node nguồn (PSL), sau đó chuyển sang đường khôi phục toàn mạng. Mô hình này giúp giảm thiểu thời gian mất gói so với Makam. Tuy nhiên, Haskin có thể gây ra xáo trộn thứ tự gói và yêu cầu đường dự phòng đảo và khôi phục phải được thiết lập sẵn, gây tốn tài nguyên mạng. Dù vậy, Haskin vẫn được đánh giá cao vì cải thiện đáng kể khả năng phục hồi so với Makam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 nêu lên một số lý do chính dẫn đến việc xây dựng lên mô hình mạng chuyển mạch nhãn đa giao thức là mong muốn xây dựng hệ thống có khả năng hỗ trợ truyền tải đa giao thức trên một hệ thống mạng. - Công nghệ được phát triển phù hợp với những yêu cầu về điều khiển lưu lượng trong giai đoạn bùng nổ dịch vụ và nhu cầu tăng cao của băng thông cung cấp dịch vụ. - Một số ứng dụng cơ bản mà công nghệ MPLS có thể đem lại. - Sự so sánh về những đặc trưng của mạng MPLS so với mạng IP truyền thống.

Nguyễn Hoàng Chƣơng Luận văn tốt nghiệp cao học TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 15 CHƢƠNG II CẤU TRÚC CỦA MẠNG MPLS 2. Định nghĩa về nhãn trong MPLS - Nhãn là một thẻ có chiều dài cố định mà MPLS sử dụng làm cơ sở để chuyển thông tin. Nhãn trong MPLS bao gồm hai loại sau:  Prefix Labels ( LDP, MP-BGP, PIM). - Để định nghĩa chính xác về nhãn, ta cần phải đi phân tích về cấu trúc khung và cấu trúc tế bào trong MPLS.

Cấu trúc khung của nhãn trong MPLS - Trong MPLS chế độ khung, các bộ định tuyến MPLS đơn thuần chỉ trao đổi các gói IP được hiểu là các gói IP được dán nhãn. Trong mạng MPLS, chuyển mạch nhãn hoạt động theo phương pháp phân tích các tiêu đề khung và đưa các nhãn vào vị trí khung, các nhãn được sắp vào ngăn xếp hoặc các nhãn được chuyển đổi phụ thuộc vào vị trí của LSR trong mạng. Lớp Data- link sử dụng trong chế độ này thiết lập các kết nối lớp 2 sử dụng các giao thức HDLC/PPP, Ethernet, hoặc ATM (Với ATM, các nhãn sử dụng cấu trúc tế bào – Cell Mode). - Một nhãn MPLS bao gồm các phần như Hình 2.1:  EXP: Experimental bao gồm 3 bits thực nghiệm.

 S: Bottom of Stack gồm 1 bit, thực hiện chức năng ngăn xếp cuối cùng. Khi mỗi nhãn được gán một chức năng thì ngăn xếp nhãn sẽ thiết lập theo thứ tự vị trí của mỗi nhãn. Nhãn cuối ngăn xếp được thiết lập lên 1 trong khi các nhãn khác có bit này là 0.  TTL: Time To Live gồm 8 bits mang ý nghĩa là thời gian sống, đây là một dạng bản sao của IP TTL.

Giá trị TTL được giảm đi một khi đi qua mỗi chặng để tránh hiện tượng lặp. Thường dùng khi người điều hành mạng muốn che dấu cấu hình mạng bên dưới khi tìm đường từ mạng bên ngoài tới. Gói tin sẽ bị hủy khi TTL của gói trả giá trị 0. LABEL EXP S TTL STACK 20 Bits 3 Bits 1 8 Bits Hình 2.1 Nhãn trong MPLS Nguyễn Hoàng Chƣơng Luận văn tốt nghiệp cao học TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 16 - Các ngăn xếp nhãn được thực thi khi có sự trao đổi giữa các dịch vụ MPLS cơ sở như MPLS VPN, MPLS Engineering như trên hình 2.

 Trong MPLS VPN, nhãn thứ hai trong ngăn xếp được định nghĩa là VPN.  Trong MPLS Engineering, nhãn trên cùng được định nghĩa là điểm cuối của kênh và nhãn thứ hai được định nghĩa là điểm đích của kênh.  Đối với lớp 2, VPN qua MPLS như là AtoM và VPLS, nhãn đầu tiên được định nghĩa là Tiêu đề của kênh hoặc điểm cuối, và nhãn thứ hai định nghĩa là kênh ảo (VC).2 Ngăn xếp Nhãn trong MPLS 2. Cấu trúc tế bào của nhãn trong MPLS - Khi sử dụng mạng ATM, MPLS không áp dụng chế độ khung mà sử dụng chế độ tế bào.

Các tế bào được sử dụng để truyền dữ liệu trong mặt phẳng dữ liệu.Khi các nhãn ATM được sử dụng trong mạng MPLS, chế độ vận hành của MPLS được gọi là chế độ MPLS tế bào. - Trong chế độ MPLS tế bào, các LSR trong mạng là các chuyển mạch ATM, chuyển thông tin dựa trên cơ sở tiêu đề của ATM. Nếu ATM LSR thực hiện chức năng tương tự như chuyển mạch ATM thì các phần tử trong mặt phẳng điều khiển được gọi là bộ điều khiển chuyển mạch nhãn (Label Switch Controller - LSC) được trang bị cho việc truyền thông tin trong mặt phẳng điều khiển. - Khi ATM LSR có một phần LSC mở rộng cho việc trao đổi thông tin trong mặt phẳng điều khiển, chuyển mạch ATM trong ATM LSR chỉ thực hiện chuyển thông tin trong mặt phẳng điều khiển.

Để kích hoạt MPLS trong Nguyễn Hoàng Chƣơng Luận văn tốt nghiệp cao học TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 17 mạng ATM, các trường VPI/VCI trong tiêu đề ATM được sử dụng như là nhãn. Trước đó, một nhãn được lồng vào giữa phần tiêu đề của ATM và tiêu đề của IP, và trường VPI/VCI của tiêu đề ATM thực hiện chuyển các tế bào. Cơ chế này cho phép mặt phẳng dữ liệu truyền các gói tin đã được gán nhãn. Các gói tin mặt phẳng điều khiển như là các giao thức định tuyến và các giao thức phân phối nhãn được trao đổi giữa các ATM LSR biên thông qua việc điều khiển các VC ( control virtual circiut).3 Các công nghệ kết hợp với MPLS - Cấu trúc các trường trong MPLS ATM trong Hình 2.

 GFC (Generic Flow Control): Điều khiển luồng chung.  VPI (Virtual Path Identifier): nhận dạng luồng ảo.  VCI (Virtual Channel Identifier): nhận dạng kênh ảo.  PT (Payload Type): Chỉ thị kiểu trường tin.

 CLP (Cell Loss Priority): chức năng chỉ thị ưu tiên huỷ bỏ tế bào.  HEC (Header error check): kiểm tra lỗi tiêu đề. Mặt phẳng chuyển tiếp và Mặt phẳng điều khiển - Một nút mạng của MPLS có hai mặt phẳng: Mặt phẳng chuyển tiếp MPLS và mặt phẳng điều khiển MPLS, mô tả trong hình 2. Nút mạng MPLS có thể thực hiện định tuyến lớp 3 hoặc chuyển mạch lớp 2.

Nguyễn Hoàng Chƣơng Luận văn tốt nghiệp cao học TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.4 Cấu trúc điều khiển trong MPLS - Mặt phẳng chuyển tiếp sử dụng một cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn (LFIB – Label Forwarding Information Base) để chuyển tiếp các gói. Mỗi nút mạng MPLS có hai bảng liên quan đến việc chuyển tiếp là : cơ sở thông tin nhãn (LIB – Label Information Base) và LFIB. LIB chứa tất cả các nhãn được nút mạng MPLS cục bộ đánh dấu và ánh xạ của các nhãn này đến các nhãn được nhận từ láng giềng (MPLS neighbor) của nó. LFIB sử dụng một tập con các nhãn chứa trong LIB để thực hiện chuyển tiếp gói.

- Mặt phẳng điều khiển chịu trách nhiệm tạo ra và lưu trữ LFIB. Tất cả các nút mạng MPLS phải chạy một giao thức định tuyến IP để trao đổi thông tin định tuyến đến các nút mạng MPLS khác trong mạng. Các nút mạng MPLS trên nền ATM sẽ dùng một bộ điều khiển nhãn (LSC – Label Switch Controller) để tham gia xử lý định tuyến. Thuật toán chuyển tiếp nhãn - Thuật toán chuyển tiếp nhãn ở đây sẽ phân tích vấn đề về sự khác nhau giữa việc chuyển tiếp trong mạng IP và mạng MPLS.

Ở đây ta sẽ tập trung phân tích về các cơ chế chuyển tiếp dựa trên các bảng FIB, LIB, LFIB trong mạng MPLS. - Các cơ chế chuyển tiếp trong MPLS và IP bao gồm sự khác nhau như sau:  IP chuyển tiếp dựa trên cơ sở địa chỉ IP đích và FIB.  MPLS chuyển tiếp dựa trên cơ sở nhãn MPLS và LFIB.  Cả MPLS và IP đều chuyển tiếp dựa trên các đích lân cận (hop-by- hop).IP chuyển tiếp bao gồm sự phân loại các gói tin tại mỗi đích, Nguyễn Hoàng Chƣơng Luận văn tốt nghiệp cao học TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 19 trong khi MPLS chuyển tiếp chỉ bao gồm phân loại dựa trên các LSR lối vào.

Phân phối nhãn - Trong hệ thống mạng MPLS có ba giao thức thực hiện phân phối nhãn là:  Tag Distribution Protocol  Label Distribution Protocol  RSVP (Resource Reservation Protocol) - RSVP sử dụng trong kỹ thuật điều khiển lưu lượng của mạng MPLS. - TDL và LDP thực chất là hai phiên bản khác nhau thực hiện chung một chức năng. TDP là phiên bản cũ và LDP đã được chuẩn hóa. Do vậy, LDP được sử dụng để phân phối lại nhãn trong mạng MPLS.

Duy trì nhãn - Chế độ duy trì nhãn tự do (liberal label retention mode): duy trì kết nối giữa nhãn và mạng đích nhưng không lưu trữ trạm tiếp theo của đích đến đó. LSR có thể chuyển tiếp gói ngay khi IGP hội tụ và số lượng nhãn lưu giữ rất lớn cho từng đích đến cụ thể nên chiếm dụng bộ nhớ lớn. - Chế độ duy trì nhãn trường xuyên (conservative label retention mode): duy trì nhãn dựa theo thông tin phản hồi LDP hay TDP của trạm tiếp theo. Nó hủy các kết nối từ LSR xuôi dòng mà không phải là trạm tiếp theo của đích đến chỉ định nên giảm sự chiếm dụng bộ nhớ.

Các loại nhãn đặc biệt - LSR thực hiện vai trò điều khiển hoán đổi, sắp đặt, bố trí nhãn phụ thuộc vào vị trí của chúng trong mạng MPLS. Mô tả chi tiết trong hình 2.5 - Trong trường hợp nào đó, nhãn đến được gán thành các nhãn ra đặc biệt mà được điều khiển bởi các router hoặc LSR hướng lên. - Các nhãn được truyền đi bởi các LSR hướng xuống và được phân phối bởi các LSR theo hướng lên. Nguyễn Hoàng Chƣơng Luận văn tốt nghiệp cao học TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.5 Quá trình gán nhãn trong MPLS - Một số loại nhãn truyền trong mạng có thể được kết hợp được với gói tin được mô tả như sau:  Không gán thẻ (Untagged): Gói tin đến của mạng MPLS được chuyển đổi thành gói tin IP và được chuyển tới đích.

Dạng gói tin này được sử dụng trong MPLS VPN.  Implicit-null : Nhãn này được gán khi nhãn trên cùng của gói tin tới trong mạng MPLS được gỡ ra và kết quả là gói MPLS hoặc IP được chuyển tiếp đến điểm mạng tiếp theo của thiết bị định tuyến xuôi. Giá trị được gán cho nhãn này là 3. Nhãn này được sử dụng trong mạng MPLS cho những trạm gần cuối mạng MPLS.

 Explicit-null Label : Nhãn này được gán để duy trì giá trị EXP của nhãn trên cùng của gói tin đến. Nhãn trên cùng được hoán đổi thành giá trị nhãn là 0 và được chuyển tiếp như một gói MPLS tới trạm kế xuôi dòng. Nhãn này được sử dụng trong mạng MPLS sử dụng QoS.  Aggregate: trong nhãn này, gói tin đến trong mạng MPLS được chuyển đổi thành gói IP (bằng việc gỡ bỏ tất cả các nhãn nếu ngăn xếp nhãn được tìm thấy trong gói tin đến) và một FIB thực hiện định danh giao diện ra tới đích.