Đồ án tốt nghiệp triển khai mạng đa tầng với RIP, OSPF, BGP - ĐH Bách Khoa

Đồ án tốt nghiệp cử nhân nghiên cứu triển khai hệ thống mạng đa tầng với các giao thức định tuyến động RIP, OSPF và BGP tối ưu hiệu năng.

• Tác giả: Lê Bảo Ngọc
• Người hướng dẫn: TS. Đặng Quang Hiếu
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Điện tử Viễn thông
• Đề tài: Triển khai hệ thống mạng đa tầng sử dụng định tuyến động RIP, OSPF, BGP
• Loại tài liệu: Báo cáo đồ án tốt nghiệp cử nhân
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan đồ án mạng đa tầng định tuyến động RIP OSPF BGP

Mạng máy tính hiện đại đòi hỏi cấu trúc phân tầng rõ ràng để tối ưu hiệu suất truyền thông. Đồ án mạng đa tầng định tuyến động RIP, OSPF, BGP xây dựng kiến trúc mạng phân cấp hoàn chỉnh từ lớp truy cập đến lớp lõi. Mô hình này kết hợp ba giao thức định tuyến phổ biến để giải quyết bài toán quy mô và tốc độ truyền dẫn. RIP phục vụ các phân vùng mạng nhỏ nhờ cấu hình đơn giản. OSPF đóng vai trò giao thức nội vùng IGP chủ đạo tại mạng phân phối và mạng lõi. OSPF quản lý trạng thái liên kết hiệu quả và hội tụ nhanh chóng. BGP đảm nhiệm vai trò định tuyến ngoại vùng EGP để kết nối giữa các hệ thống tự trị AS độc lập. Sự kết hợp này mang lại khả năng mở rộng linh hoạt cho hạ tầng mạng doanh nghiệp lớn. Đề tài tập trung phân tích lý thuyết, thiết kế sơ đồ topo và đánh giá thông lượng thực tế. Việc phân bổ địa chỉ IP khoa học giúp tối ưu hóa bảng định tuyến. Toàn bộ giải pháp đáp ứng tiêu chuẩn khắt khe về tính sẵn sàng và khả năng dự phòng sự cố đường truyền.

1.1. Kiến trúc mô hình mạng phân cấp ba tầng

Kiến trúc mạng phân tầng bao gồm lớp lõi Core, lớp phân phối Distribution và lớp truy cập Access. Lớp Core chịu trách nhiệm chuyển mạch gói tin tốc độ cao với độ trễ thấp nhất. Lớp Distribution thực hiện chính sách bảo mật, lọc gói tin và tổng hợp tuyến đường. Lớp Access kết nối trực tiếp thiết bị đầu cuối vào hệ thống mạng cục bộ. Thiết kế này cô lập sự cố hiệu quả tại từng phân vùng riêng biệt. Quản trị viên dễ dàng nâng cấp phần cứng mà không làm gián đoạn toàn bộ hệ thống. Mô hình phân tầng giúp giảm thiểu tải xử lý cho router và tối ưu hóa băng thông truyền dẫn liên tục.

1.2. Vai trò của định tuyến động trong hệ thống mạng

Định tuyến động là phương thức tự động khám phá và cập nhật đường đi giữa các router. Giao thức định tuyến động thích ứng linh hoạt khi cấu trúc liên kết mạng thay đổi bất ngờ. Khi một liên kết cáp quang đứt, router tự tính toán lộ trình thay thế ngay lập tức. Cơ chế này giảm thiểu tối đa can thiệp thủ công từ kỹ sư vận hành. Bảng định tuyến luôn duy trì trạng thái chính xác và đồng bộ theo thời gian thực. Hệ thống mạng duy trì khả năng liên lạc thông suốt và đảm bảo tính liên tục cho dịch vụ dữ liệu quan trọng.

II. Phân tích thách thức trong đồ án mạng đa tầng định tuyến động

Mỗi giao thức định tuyến sở hữu đặc tính kỹ thuật và thuật toán xử lý khác nhau. RIP sử dụng thuật toán Vector khoảng cách với giới hạn metric tối đa mười lăm hop. Giới hạn này khiến RIP không thể triển khai trên hệ thống mạng quy mô lớn. OSPF hoạt động dựa trên thuật toán Link-State và yêu cầu bộ nhớ RAM cùng năng lực CPU cao. OSPF gửi các gói tin LSA liên tục để đồng bộ hóa cơ sở dữ liệu LSDB. Quá trình trao đổi thông điệp tiêu tốn đáng kể tài nguyên băng thông đường truyền. BGP đòi hỏi cấu hình phức tạp với nhiều thuộc tính chính sách Path Attributes tinh vi. Khi tích hợp đồng thời RIP, OSPF và BGP, hiện tượng xung đột chỉ số Administrative Distance dễ xảy ra. Vấn đề vòng lặp định tuyến Routing Loop xuất hiện nếu thiếu kỹ thuật tái phân phối Route Redistribution chuẩn xác. Độ trễ hội tụ giữa các miền định tuyến khác nhau làm suy giảm hiệu năng truyền gói. Kỹ sư mạng cần giải quyết triệt để vấn đề tổng hợp tuyến để tránh nghẽn bảng định tuyến.

2.1. Hạn chế kỹ thuật của giao thức RIP và OSPF

Giao thức RIP có tốc độ hội tụ chậm và dễ gây hiện tượng đếm đến vô cùng. RIP gửi toàn bộ bảng định tuyến theo chu kỳ định kỳ ba mươi giây. Hoạt động này gây lãng phí tài nguyên mạng diện rộng. Ngược lại, OSPF giải quyết triệt để nhược điểm của RIP bằng cách chia vùng Area. Tuy nhiên OSPF tạo áp lực tính toán thuật toán Dijkstra lên bộ vi xử lý của router. Trong mạng đa hướng, lưu lượng gói LSA tăng vọt nếu không có Router Designated kiểm soát. Việc quản trị vùng OSPF phức tạp đòi hỏi cấu hình chuẩn xác từ ban đầu.

2.2. Vấn đề đồng bộ và tái phân phối tuyến BGP

Tái phân phối tuyến đường giữa IGP và BGP tiềm ẩn rủi ro vòng lặp nguy hiểm. Giao thức BGP trao đổi thông tin định tuyến giữa các miền AS thông qua phiên TCP cổng 179. BGP không sử dụng metric băng thông đơn thuần mà dựa trên tập hợp thuộc tính Path Vector. Sự chênh lệch thông số định tuyến giữa RIP, OSPF và BGP gây mất mát nhãn tuyến. Bảng định tuyến BGP toàn cầu có dung lượng khổng lồ gây quá tải bộ nhớ router. Kỹ sư phải áp dụng bộ lọc Route-map để kiểm soát tuyến đường quảng bá chính xác.

III. Giải pháp thiết kế đồ án mạng đa tầng định tuyến động hiệu quả

Giải pháp toàn diện là xây dựng topo mạng phân cấp kết hợp kỹ thuật phân vùng logic chặt chẽ. Hệ thống triển khai RIP tại các chi nhánh ngoại vi có cấu hình phần cứng cơ bản. OSPF được thiết lập tại trung tâm dữ liệu với cấu trúc đa vùng Multi-Area. Vùng Backbone Area 0 đóng vai trò trung tâm trung chuyển lưu lượng giữa các vùng phụ. Bộ định tuyến biên khu vực ABR thực hiện tóm tắt tuyến đường Route Summarization để giảm kích thước bảng định tuyến. Giao thức BGP vận hành tại Gateway kết nối doanh nghiệp với nhà cung cấp dịch vụ Internet ISP. Kỹ thuật tái phân phối tuyến hai chiều Mutual Redistribution đi kèm Route-map kiểm soát chặt chẽ nhãn tuyến Route Tagging. Cơ chế này loại bỏ hoàn toàn nguy cơ lặp định tuyến giữa các miền giao thức. Hệ thống kích hoạt xác thực mật khẩu MD5 trên tất cả các cổng kết nối để tăng cường bảo mật. Quy trình cấu hình chuẩn hóa qua dòng lệnh CLI đảm bảo tính ổn định và đồng nhất dữ liệu.

3.1. Cấu hình tối ưu OSPF Multi Area và RIP

Cấu hình OSPF Multi-Area giảm tần suất chạy lại thuật toán SPF khi có sự cố liên kết. Các vùng Stub Area và Totally Stubby Area được áp dụng để chặn LSA loại 4 và loại 5 không cần thiết. Router biên gửi tuyến mặc định Default Route thay cho hàng trăm tuyến mạng con chi tiết. Tại phân vùng RIP, kỹ thuật Passive-Interface ngăn chặn gửi gói tin cập nhật ra các cổng người dùng. Lệnh no auto-summary được kích hoạt bắt buộc để hỗ trợ định tuyến subnet không phân lớp VLSM. Sự tinh chỉnh này giúp tiết kiệm tối đa băng thông và bộ nhớ thiết bị mạng.

3.2. Triển khai BGP và chính sách lọc Route map

Triển khai BGP nội vùng iBGP và ngoại vùng eBGP thiết lập các phiên láng giềng tin cậy. Kỹ sư cấu hình thuộc tính Local Preference và AS-Path để điều khiển luồng lưu lượng ra vào mạng. Hệ thống sử dụng Route-map kết hợp Access-list và Prefix-list để lọc các dải địa chỉ IP riêng tư. Kỹ thuật điều chỉnh Administrative Distance ngăn chặn hiện tượng định tuyến sai lệch do tái phân phối. Router biên ASBR tự động gắn thẻ tag cho tuyến đường ngoại lai. Nhờ đó bảng định tuyến BGP hoạt động ổn định và đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế.

IV. Đánh giá kết quả đồ án mạng đa tầng định tuyến động RIP OSPF BGP

Đồ án mạng đa tầng định tuyến động RIP, OSPF, BGP chứng minh tính khả thi cao trong môi trường thực tiễn. Kết quả mô phỏng trên phần mềm Cisco Packet Tracer và GNS3 ghi nhận thời gian hội tụ mạng diễn ra nhanh chóng. Việc kết hợp ba giao thức mang lại tính tương thích cao và tối ưu hóa tài nguyên phần cứng. Mô hình mạng phân cấp hoạt động ổn định dưới tải lưu lượng cao với tỷ lệ mất gói gần như bằng không. Các kịch bản đứt cáp và hỏng thiết bị đều được hệ thống tự động khắc phục thông qua tuyến dự phòng. Đề tài mở ra giải pháp kiến trúc tiêu chuẩn cho các doanh nghiệp lớn, trường đại học và nhà cung cấp dịch vụ. Nghiên cứu cung cấp tài liệu tham khảo giá trị cho sinh viên ngành Điện tử Viễn thông và Công nghệ Thông tin. Hướng phát triển tiếp theo bao gồm tích hợp giao thức IPv6 và triển khai mạng định nghĩa bằng phần mềm SDN.

4.1. Khả năng ứng dụng thực tế trong doanh nghiệp

Mô hình mạng đa tầng giải quyết triệt để bài toán mở rộng hạ tầng công nghệ thông tin cho doanh nghiệp. Các chi nhánh phân tán kết nối an toàn về hội sở thông qua giao thức định tuyến tối ưu. Doanh nghiệp dễ dàng kiểm soát chi phí đầu tư thiết bị nhờ tận dụng linh hoạt các cấp router khác nhau. Hệ thống đáp ứng trơn tru các dịch vụ truyền thông thời gian thực như VoIP, Video Conference và ERP. Khả năng định tuyến tối ưu giúp duy trì trải nghiệm liền mạch cho hàng ngàn người dùng đồng thời trong tổ chức.

4.2. Hướng mở rộng tích hợp công nghệ mới

Hệ thống định tuyến đa tầng có khả năng mở rộng mạnh mẽ sang nền tảng giao thức liên mạng thế hệ mới IPv6. Các giao thức RIPng, OSPFv3 và MP-BGP sẽ được kích hoạt song song trên nền tảng Dual-Stack. Xu hướng tích hợp công nghệ SDN và tự động hóa mạng qua Ansible giúp tinh giản vận hành. Kỹ sư có thể giám sát lưu lượng tập trung thông qua bảng điều khiển lập trình và giao thức OpenFlow. Đây là nền tảng vững chắc để chuyển đổi hạ tầng mạng truyền thống sang kiến trúc đám mây hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

PHẦN MỞ ĐẦU Trong quá trình phát triển của cuộc sống ngày nay, Internet đã và đang trở thành một công cụ để ta có thể tương tác, giao dịch, tra cứu thông tin cũng như lưu trữ dữ liệu. Do đó, hiểu rõ việc triển khai cũng như nắm được rõ các giải thuật trên các Router hỗ trợ việc định tuyến là điều vô cùng quan trọng đối với những kĩ sư tương lai. Do đó, trong khuôn khổ của bài tập này, em xin trình bày về cách thiết lập cũng như cách vận hành hệ thống mạng 3 tầng: - Tầng trên cùng là khu vực ứng với các router của nhà mạng (ISP), ở khu vực này, giải thuật định tuyến được sử dụng là BGP - Tầng giữa là khu vực các router trong mạng nội vùng, được định tuyến sử dụng giải thuật OSPF hoặc RIP. - Tầng dưới cùng là các máy tính cá nhân, kết nối trực tiếp vào các Router.

TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH TUYÉN TĨNH, ĐỊNH TUYẾN ĐỘNG 2. 1 Giới thiệu Tổng quan về Routing 11 -Định tuyến(Routing) là 1 quá trình mà Router thực thi để chuyển 1 gói tin(Packet) từ 1 địa chỉ nguồn(Source) đến một địa chỉ đích(destination) trong mạng. Trong quá trình này Router phải dựa vào những thông tin định tuyến để đưa ra những quyết định nhằm chuyển gói tin đến những địa chỉ đích đã định trước. -Bảng định tuyến chứa một tuyến đường đến mọi mạng đích mà một bộ định tuyến biết cách truy cập.

Khi bạn định cấu hình các interface, chúng được liệt kê là các interface được kết nối trực tiếp trong bảng định tuyến. Bạn có thể quảng cáo các tuyến đường đến bảng này theo cách thủ công để chỉ định mạng đích. Tuy nhiên, khi mạng trở nên lớn hơn và phức tạp hơn, việc định cấu hình thủ công mọi tuyến đường trên mỗi bộ định tuyến trở nên không khả thi. Ngay cả khi bạn sử dụng các tuyến mặc định và bộ định tuyến trung tâm để giảm thiểu số tuyến các bộ định tuyến riêng lẻ phải biết, việc định cấu hình các tuyến theo cách thủ công cho việc mở rộng mạng có thể tốn nhiều thời gian.

Việc nhập các tuyến đường tĩnh cũng dễ xảy ra lỗi: bạn dễ bấm nhầm phím và nhập các tuyến đường không chính xác. Thay vì cấu hình các tuyến tĩnh, bạn có thể sử dụng các giao thức định tuyến động, cho phép các bộ định tuyến trao đổi thông tin định tuyến với các bộ định tuyến khác trong mạng. Sau đó, mỗi bộ định tuyến có thể sử dụng thông tin này để xây dựng bảng định tuyến của nó. -Có 2 loại định tuyến cơ bản là Định tuyến tĩnh(Static Route) và Định tuyến động(Dynamic Route).

-Người quản trị mạng khi chọn lựa giao thức định tuyến động cần cân nhắc các yếu tố như: độ lớn của hệ thống mạng, băng thông các đường truyền, khả năng của router. Loại router và phiên bản router, các giao thức đang chạy trong hệ thống mạng.2Tổng quan về giao thức định tuyến tĩnh Đối với định tuyến tĩnh, các thông tin về đường đi phải do người quản trị mạng nhập cho router. Khi cấu trúc mạng có bất kì thay đổi nào thì chính người quản trị mạng phải xóa hoặc thêm các thông tin về đường đi cho router. Những loại đường đi như vậy gọi là đường đi cố định.

Đối với hệ thống mạng lớn thì công việc bảo trì mạng định tuyến cho router như trên tốn rất nhiều thời gian. Còn đối với hệ thống nhà mạng nhỏ,ít có thay đổi thì công việc này đỡ mất công hơn. Chính vì định tuyến tĩnh đòi hỏi ngưuoif quản trị mạng phải cấu hình mọi thông tin về đường đi cho router nên có không có được tính linh hoạt(flexible) như định tuyến động. Trong những hệ thóng mạng lớn, định tuyến tĩnh thường được kết hợp với giao thức định tuyến động cho 1 số mục đích đặc biệt.

RTZ(config)#ip route 172.2 12 Ví dụ về giao thức định tuyến tĩnh 2.1 Hoạt động của định tuyến tĩnh Hoạt động định tuyến tĩnh có thể chia ra làm 3 bước cụ thể:  Đầu tiên, người quản trị mạng cấu hình các đường cố định cho router  Router cài đặt các đường đi này vào bảng định tuyến  Gói dữ liệu được định tuyến theo các đường cố định này 2.2 Các thông số chú ý của cấu hình  Destination-network: Địa chỉ mạng cần đi tới  Subnet-mask: Subnet-mask của Destination-network  Address: Địa chỉ ip của cổng trên router mà gói tin sẽ ra đi trên interface: cổng của router mà gói tin sẽ đi ra 2.3Tổng quan về giao thức định tuyến động -Giao thức định tuyến khác với giao thức được định tuyến cả về chức năng và nhiệm vụ. Giao thức định tuyến động được sử dụng để giao tiếp giữa các router với nhau. Giao thức định tuyến động cho phép router này chia sẻ các thông tin định tuyến mà nó biết cho các router khác. Từ đó, các router có thể xây dựng và duy trì, bảo trì bảng định tuyến của nó.

EGP và BGP giữa các AS 13 1 số giao thức định tuyến động: RIP, IGRP, EIGRP, OSPF,. được sử dụng để định hướng dữ liệu của người dùng. Một giao thức định tuyến sẽ cung cấp đầy đủ thông tin về địa chỉ lớp mạng(network layer) để gói dữ liệu có thể truyền từ host này đến host khác dựa trên cấu trúc địa chi đó. Có 2 giao thức mà ta cần luuw ý trong định tuyến động là: Internet Protocol(IP), Internetwork Packet Exchange(IPX) 3.1 Hệ thống tự trị (Autonomous System/AS) Là một tập hợp kết nối một số mạng IP được quản lý định tuyến bởi một thực thể hành chính.

Mỗi thực thể gồm nhiều đơn vị con. Mỗi đơn vị này quản lý và vận hành hệ thống mạng vật lý một cách độc lập. Các mạng này sau đó được kết nối với nhau và định tuyến theo một thiết kế chung xác định bởi thực thể. Như vậy, toàn bộ hệ thống bên trong này có thể được coi như một hệ thống tự trị AS.

Trong hệ thống này, cấu hình và sơ đồ kết nối mạng có thể được xác định rõ ràng. Mặt khác, rõ ràng rằng, AS này sẽ không thể nắm được sơ đồ kết nối của AS khác. Điều này dẫn đến các giao thức định tuyến riêng được xác định để thực hiện trong và ngoài AS, bao gồm: - Internal Gateway Protocols (IGPs): là các giao thức cho phép các router định tuyến trong AS. Trong bài, ta sẽ sử dụng 2 giao thức IGP, bao gồm Routing Information Protocol (RIP) và Open Shortest Path First (OSPF).

- Exterior Gateway Protocol (EGPs): là các giao thức định tuyến kết nối giữa các AS. Trong bài, ta sử dụng giao thức EGP là Border Gateway Protocol (BGP). Định tuyến trong và định tuyến ngoài Ví dụ tiêu biểu cho các AS chính là các ISP. Viettel, VNPT, FPT Telecom,.

chính là các AS góp 1 phần tạo thành Internet toàn cầu. Một mạng doanh nghiệp thông 14 thường cũng có thể trở thành 1 AS trong một số trường hợp đặc biệt, tuy nhiên trong đa số các trường hợp mà em đã tham khảo qua, thì 1 mạng doanh nghiệp, 1 mạng gia đình không cần thiết phải trở thành 1 AS để có thể kết nối Internet mà các mạng này chỉ cần đăng kí thuê bao của 1 ISP nào đó để có thể truy cập Internet. Một AS cần định dạnh duy nhất bằng 1 giá trị gọi là Autonomous System Number(ASN). ASN có 2 định dạng: 2-byte hoặc 4-byte  Với dải 2-byte, các ASN nằm trong phạm vị từ 0 đến 65535.

 Với dải 4-byte, các ASN nằm trọng phạm vị từ 0 đến 232 – 1. Ví dụ: Nhà mạng Viettel sở hữu 2 giá trị ASN là 7552 và 24086. Tất cả các IP public của Viettel trên Internet đều thuộc về AS này.1 Khái niệm RIP là một giao thức định tuyến dạng IGP được dùng cho các AS có kích thước nhỏ, không sử dụng cho hệ thống mạng lớn và phức tạp. Giao thức thông tin định tuyến thuộc loại giao thức định tuyến khoảng cách vectơ (distance-vector), giao thức sử dụng giá trị để đo lường đó là số bước nhảy (hop count) trong đường đi từ nguồn đến đích.

Mỗi bước đi trong đường đi từ nguồn đến đích được coi như có giá trị là 1 hop count. Khi một bộ định tuyến nhận được 1 bản tin cập nhật định tuyến cho các gói tin thì nó sẽ cộng 1 vào giá trị đo lường đồng thời cập nhật vào bảng định tuyến.2 Cách thức hoạt động RIP sử dụng thuật toán định tuyến theo véctơ khoảng cách Distance Vector Algorithms (DVA). Đây là một thuật toán định tuyến tương thích nhằm tính toán con đường ngắn nhất giữa các cặp nút trong mạng, dựa trên phương pháp tập trung được biết đến như là thuật toán Bellman-Ford. Các nút mạng thực hiện quá trình trao đổi thông tin trên cơ sở của địa chỉ đích, nút kế tiếp, và con đường ngắn nhất tới đích.3 Hạn chế RIP phải xử lý một số lỗi do thuật giải cơ sở gây ra.

Đầu tiên, trong suốt thời gian “holddown” sau khi có thông tin định tuyến bị thay đổi, nếu router nhận được thông tin cập nhật từ một router láng giềng khác nhưng thông tin này cho biết có đường đến mạng X với thông số định tuyến tốt hơn con đường mà router trước đó thì nó sẽ bỏ qua, không cập nhật thông tin này. Tiếp theo là lỗi đếm vô hạn. Định tuyến lặp có thể xảy ra khi bảng định tuyến trên các router chưa được cập nhật do quá trình hội tụ chậm.1 Khái niệm OSPF là một giao thức định tuyến IGP link – state điển hình. Đây là một giao thức được sử dụng rộng rãi trong các mạng doanh nghiệp có kích thước lớn.

Giao thức OSPF được chuẩn hoá cho các router để trao đổi thông tin và xây dựng nên cơ sở dữ liệu link state. OSPF chỉ hoạt động trong một vùng AS nên nó được xếp vào loại giống với RIP.2 Cách thức hoạt động Mỗi router khi chạy giao thức sẽ gửi các trạng thái đường link của nó cho tất cả các router trong vùng (area). Sau một thời gian trao đổi, các router sẽ đồng nhất được bảng cơ sở dữ liệu trạng thái đường link (Link State Database – LSDB) với nhau, mỗi router đều có được bản đồ mạng của cả vùng. Từ đó mỗi router sẽ chạy giải thuật Dijkstra tính toán ra một cây đường đi ngắn nhất (Shortest Path Tree) và dựa vào cây này để xây dựng nên bảng định tuyến.

Khi router chạy OSPF thì phải có một giá trị duy nhất dùng để định danh cho router trong cộng đồng các router chạy OSPF. Giá trị này được gọi là Router – id. Router – id trên router chạy OSPF có định dạng của một địa chỉ IP. Mặc định, tiến trình OSPF trên mỗi router sẽ tự động bầu chọn giá trị router – id là địa chỉ IP cao nhất trong các interface đang active, ưu tiên cổng loopback.