Báo cáo kiến trúc phần mềm mạng

BÁO CÁO KIẾN TRÚC PHẦN MỀM MẠNG. Đề tài Thiết lập hệ thống mạng mô phỏng Internet. Bộ môn Truyền thông và mạng máy tính.1.1Giới thiệu bài toán.Thiết lập môt hệ thống mạng mô phỏng Internet bao gồm:•Thiết kế 3 AS kết nối với nhau trong đó 1 AS đóng vai trò là Tier 1 và 2 AS đóng vai trò là các ISP •Mỗi AS có tối thiểu 3 router sử dụng RIP hoặc OSPF•Mỗi ISP cần phải được kết nối với 1 Home network•Trên mạng Internet mô phỏng này chạy 1 dịch vụ cho phép 2 máy tính tại 2 Home network kết nối dịch vụ với nhau (dịch vụ có thể chọn: VPN, Multicast, QoS).

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

BÁO CÁO KIẾN TRÚC PHẦN MỀM MẠNG

Đề tài: Thiết lập hệ thống mạng mô phỏng Internet

Giảng viên hướng dẫn:

Bộ môn: Truyền thông và mạng máy tính Nhóm sinh viên thực hiện:

Lớp:

Hà Nội, tháng 1 năm 2022

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: KHẢO SÁT BÀI TOÁN 3

1.1 Giới thiệu bài toán 3

1.2 Khảo sát bài toán 3

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 Kết nối liên mạng và Internet backbone 4

2.2 Định tuyến trong mạng internet 5

2.3 Các giải thuật tìm đường trong mạng 5

2.3.1 RIP (Routing Information Protocol) 5

2.3.2 OSPF (Open Shortest Path First) 6

2.3.3 BGP (Border Gateway Protocol) 8

2.4 Quality of service (QoS) in IP Network 11

2.4.1 Cách xác đinh QoS 12

2.4.2 Một số ứng dụng yêu cầu QoS 12

2.4.3 Mô hình Differentiated Services (DiffServ) 13

TÀI LIỆU THAM KHẢO 16

CHƯƠNG 1: KHẢO SÁT BÀI TOÁN1.1 Giới thiệu bài toán.

Thiết lập môt hệ thống mạng mô phỏng Internet bao gồm:

 Thiết kế 3 AS kết nối với nhau trong đó 1 AS đóng vai trò là Tier 1 và 2 AS đóng vai trò là các ISP

 Mỗi AS có tối thiểu 3 router sử dụng RIP hoặc OSPF

 Mỗi ISP cần phải được kết nối với 1 Home network

 Trên mạng Internet mô phỏng này chạy 1 dịch vụ cho phép 2 máy tính tại 2 Home network kết nối dịch vụ với nhau (dịch vụ có thể chọn: VPN, Multicast, QoS)

1.2 Khảo sát bài toán

 Sử dụng hệ thống máy ảo (Virtualbox) để triển khai và mô phỏng bài toán

 Sau khi triển hoàn thành mô phỏng bài toán, ta có thể nghiên cứu và nắm rõ các kiến thức liên quan đến cách thức hoạt động của mạng Internet

 Từ việc mô phỏng hệ thống mạng có thể áp dụng cho các hệ thông thực tế để triển khai dịch vụ Multicast

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Kết nối liên mạng và Internet backbone

Internet là mạng “lớn nhất: kết nối tất cả các mạng trên thế bằng các định tuyến (router)

2.1 Mô hình kết nối liên mạng

 Liên mạng

 Là hai hay nhiều mạng máy tính nối với nhau bằng các thiết bị Gatewaycung cấp mộtphương thức phổ thông để định tuyến các gói thông tin giữa các mạng Các thiết bị định tuyến có nhiệm vụ hướng dẫn giao thông dữ liệu theo đường đúng đi qua liên mạng để tới đích.

 Đơn vị nhỏ nhất trong hệ thống kết nối liên mạng inter-networking là các mạng LAN bao gồm cáctrạm kết nối (máy chủ, máy tính, các thiết

bị IoT, ) và một router đóng vai trò cửa ngõ (gateway)của mạng LAN

đi ra bên ngoài Kết nối liên mạng phân cấp thực tế chuyển thành liên mạng phẳng(flat): gói tin IP được chuyển tiếp (store and forward) lần lượt trên các router để đi từ mạng gửiđến mạng nhận Mô hình liên mạng giúp giải quyết bài toán chuyển gói tin IP giữa các mạng từđiểm cuối đến điểm cuối (end-to-end connection)

 Internet backbone (đường trục internet)

 Giao thức IP cho phép đồng nhất ( về mặt lý thuyết ) việc truyền gói tin trong mạng nội bộ , mạng diện rộng và mạng Internet

 Internet = 1 mạng , nhưng tải lưu lượng trên các kênh truyền là khác nhau

 được xác định bởi các tuyến dữ liệu chính giữa các mạng máy tínhlớn, được kết nối chiến lược và các bộ định tuyến lõi của Internet

 Mỗi tổ chức có thiết kế hệ thống mạng riêng với hệ thống mạng

 Định tuyến tĩnh có thể được sử dụng trong các trường hợp sau:

 Xác định điểm thoát khỏi bộ định tuyến khi không có các tuyến nào khác hoặc cầnthiết Đây được gọi là một tuyến đường mặc định.-Sử dụng cho các mạng nhỏ chỉ yêu cầu một hoặc hai tuyến Điều này thường hiệuquả hơn vì một liên kết không bị lãng phí khi trao đổi thông tin định tuyến động

 Sử dụng như một phần bổ sung cho định tuyến động để cung cấp bản sao lưu dựphòng nếu không có tuyến động

 Chuyển thông tin định tuyến từ giao thức định tuyến này sang giao thức định tuyếnkhác (phân phối lại định tuyến)

 Các giao thức có thể được sử dụng để định tuyến động là:

 Routing Information Protocol (RIP): là một giao thức định tuyến theo vectơkhoảngcách ngăn chặn các vòng lặp định tuyến bằng cách thực hiện giới hạn về số bướcnhảy được phép trong một đường dẫn từ nguồn đến đích

 Open Shortest Path First (OSPF) sử dụng thuật toán định tuyến trạng thái liên kết(LSR) và nằm trong nhóm các giao thức cổng nội bộ (IGP)

 Intermediate System to Intermediate System (IS-IS): xác định tuyến đườngtốtnhất cho dữ liệu thông qua mạng chuyển mạch gói

 Interior Gateway Routing Protocol (IGRP và EIGRP) được các bộ định tuyến sửdụng để trao đổi dữ liệu định tuyến trong một hệ thống tự trị

2.3 Các giải thuật tìm đường trong mạng

2.3.1 RIP (Routing Information Protocol)

a Tổng quan

 Là giao thức hỗ trợ định tuyến động , các router giao tiếp với nhau bằng giao thức này để xây dựng bảng routing

 Phương pháp vector khoảng cách (distance vector): số đo khoảng cách từ vị trí của mình đến mỗi điểm đến (mạng đích) - số router trung gian trên đường truyền (giống khái niệm số đo TTL trong gói IP)

 Router sử dụng cột Metric trong bảng routing để thực hiện khoảng cách đê đi

b Hoạt động

 RIP hoạt động trên tầng UDP với cổng 520

 RIPv1 chỉ hỗ trợ classfull IP address, RIPv2 hỗ trợ classless bằng trường subnet mask

2.3.1.b Sơ đồ cách thức hoạt động của bảng routing

 Sử dụng Router Discovery Protocol để xác định router láng giềng rồi gửi RIP request yêu cầu cập nhật bảng routing (thực tế có thể broadcast bỏ qua các bước Router Discovery)

 Router nhận được yêu cầu sẽ trả lời bằng RIP Response message với nội dung

là toàn bộ bảng routing hiện tại của mình (thông qua các Router Table Entries RTEs)

- Xử lý khi nhận được RIP response

 Trích xuất từng RTE, so sánh với RTE đang có trong bảng routing của mình

 Nếu đã có (trùng cả network vfa gateway), so sánh Metric để loại đi dòng có

 Metric cao hơn Nếu chưa có, thêm dòng routing mới

 Thiết lập gateway của dòng mới là router láng giềng đã gửi RTE

 Thiết lập giá trị Metric của dòng mới = Metric (RTE) + 1

 Quá trình lan tỏa bảng routing thông qua RIP message sẽ đi đến điểm hội tụ (convergence) mà tất cả routing trong mạng nghiệp vụ đã được cập nhật vào bảng routing của tất cả router → hoàn thành

 Nhược điểm lớn của Rip hầu hết trên các hệ thống, khi routing sử dụng đường

đi ngắn nhất theo số lượng router, thực tế đường truyền giữa các router rất khácnhau dẫn đến việc đi qua ít router nhưng đường truyền chậm

2.3.2 OSPF (Open Shortest Path First)

a Tổng quan

2.3.2.a Mô hình hoá mạng thành đồ thị trong OSPF

 OSPF sẽ mô hình hoá mạng trên thành dồ thị, đồ thị có cacs đỉnh là các router, đỉnh lá là mạng nghiệp vụ, mỗi cạnh của đồ thị là 1 kết nối của router, trọng số của mỗi cạnh là trạng thái của đường truyền, trạng thái của đường truyền dựa trên bang thông của đường truyền

 Dựa trên trạng thái đường truyền (link state) thay vì khoảng cách như RIP

→ khắc phụcnhược điểm đường đi ngắn nhưng băng thông hẹp

 Tương tự RIP dựa trên kết nối láng giềng nhưng không lan truyền bảng routing mà lantruyền toàn bộ topo mạng → mọi router đều lưu giữ topo mang đầy đủ dưới dạng đồ thị (đỉnh đồ thị là các router và các mạng nghiệp

vụ, cạnh là các kết nối mạng của router)

 Cost của các cạnh đồ thị thể hiện trạng thái kết nối mạng (network

interface) của router

 Mỗi router OSPF sử dụng thuật toán SPF (Shortest Path First – Dijkstra) đểtính toán đường đi có tổng cost ngắn nhất đến mạng đích

 Các router đều giữ bản đồ topo giống nhau → đường đi có tổng cost ngắn nhất không tạo loop routing

b Hoạt động chung

2.3.2.b Luồng hoạt động OSPF

 Khi router được kết nối mạng, nó chạy “hello protocol” để thiết lập quan hệ láng giềng

 Gửi bản tin Hello đến các router láng giềng yêu cầu cung cấp thông tin

 Nhận bản tin Hello và thiết lập danh sách láng giềng (neighbor)

 Khi có thay đổi trong mạng (làm topo mạng thay đổi hoặc link state thay đổi)

→ routergửi thông tin về trạng thái liên kết (link state) cho láng giềng bằng bảnghi LSA (LinkState Advertisement)

 LSA được tiếp tục lan truyền (flooding propagation) trên toàn vùng mạng để thống nhấtmọi router đều cập nhật trạng thái liên kết mới này vào đồ thị topo

mạng mà nó đang lưugiữ (dưới dạng một cơ sở dữ liệu trạng thái liên kết–Link State Database).

 Các router láng giềng cũng thường xuyên đồng bộ LS Database bằng cách gửi nhau cácbản tin Database description, mỗi bản tin chứa một tập các LSA

 Router có thể chủ động yêu cầu cập nhật LS Database bằng cách gửi LSA request cho láng giềng

 Sau khi cập nhật LS Database, giải thuật Dijkstra SPF được chạy để tính toán đường đi cócost nhỏ nhất đến tất cả các mạng trong hệ thống & cập nhật vào bảng routing

2.3.3 BGP (Border Gateway Protocol)

a Tổng quan

 Border Gateway Protocol: routing protocol giữa các AS

 Là “chất keo” kết dính toàn bộ hệ thống Internet hiện nay

 Ra đời năm 1994, phiên bản hiện nay là version 4 chuẩn hoá năm 2006 (RFC4271)

 Hỗ trợ CIDR

 Định tuyến theo policy, hơn là theo đường đi ngắn nhất

 “Đơn vị” routing là Autonomous System – tìm đường đi theo các kết nối giữa các AS

 Kết hợp với các IGP (RIP, OSPF, v.v ) trong AS để tạo nên giải pháp dynamic routinghoàn chỉnh trên toàn bộ hệ thống Internet

b Tier Networks & BGP

2.3.3.b Mô hình tổng quát của Tier 1

 Tier 1 Networks = cấu trúc lõi của Internet, gồm các backbone router mạnh,kết nối nhaubằng đường truyền tốc độ rất cao và phủ sóng toàn cầu

 Định nghĩa (theo Wikipedia): là một mạng IP mà có thể kết nối với tất cả các mạng kháctrên Internet

 Mỗi Tier Network thường được đăng ký là một AS và được vận hành bởi một công ty kết nối mạng, có tiềm lực tài chính rất mạnh.

 Không có admin con người nào có thể kiểm soát cấu hình kết nối của các router trong một hệ thống lớn và phức tạp như vậy → BGP đảm nhiệm chức năng kết nối các router của cácmạng Tier này, kết hợp với các IGP (RIP, OSPF, …) vận hành bên trong các Tier

 Business với Internet Traffic

 Liên kết Tier 1 khác(peering) để mở rộng vùng phủ song

 Liên kết peering ở mức Tier 1 dựa trên Peering Policy và Dafault-free

 Kết nối xuống Tier2 để “bán buôn” traffic Tier 2 tiếp tục kết nối xuống Tier 3 (thường là ISP) – down link/up link

 ISP cuối cùng bán đường truyền kết nối Internet cho end-user

 Kết nối các tier network (AS)

 Kết hợp với các IGP (RIP, OSPF, v.v ) để xây dựng các bảng routing đầy đủ cho Internet

c Hoạt động chung

 Dựa trên hoạt động láng giềng Có 2 loại láng giềng BGP: eBGP và iBGP

 Giữa 2 AS: BGP router gửi message trực tiếp cho nhau → eBGP

 Bên trong 1 AS: BGP router gửi message dựa trên các IGP → iBGP

 BGP láng giềng được khai báo (cấu hình) chứ không qua thủ tục tìm kiếm CácBGP bên trong 1 AS được khai báo là láng giềng của nhau

 BGP speaker và propagation process

 Sử dụng kênh TCP (cổng 179) để kết nối láng giềng

 Loan báo (speak) các BGP packet đến láng giềng cung cấp khả năng kếtnối(reachability) đến 1 network được “export”, đồng thời xây dựng AS path để đi về“exported network” đó

 BGP hoạt động giống RIP ở khâu quảng bá các network prefix và xây dựng đườngrouting về gốc, tuy nhiên mục đích là loan báo sự tồn tại (khác với mục đích củaRIP là hội tụ đường đi có distance vector nhỏ nhất)

 Quyết định lựa chọn AS-Path theo policy

2.3.3.c Đường đi từ A→B dựa theo policy

 Không nhất thiết là đường đi ngắn nhất

 BGP cho phép xác định nhiều AS-Path để router từ A đến B

 Chọn AS-Path nào là do các mạng Tier áp dụng policy riêng

2.4 Quality of service (QoS) in IP Network

 Là thời gian để 1 tín hiệu di chuyển qua 1 đơn vị trong thử nghiệm

 Độ trễ phải được thiết kế trong 1 network ngay từ đầu và không thế thay đổi sau này

2.4.2 Một số ứng dụng yêu cầu QoS

 Các ứng dụng truyền phát đa phương tiện yêu cầu phải đảm bảo thông lượng

 Các ứng dụng điện thoại IP yêu cầu sự hạn chế về độ trễ và độ sai lệch

 Các ứng dụng mô phỏng liên kết chuyên dụng yêu cầu cả đảm bảo thông lượng và

áp đặtgiới hạn về độ trễ tối đa

 Các ứng dụng đề cao sự an toàn, chẳng hạn như phẫu thuật từ xa yêu cầu đảm bảo tính sẵnsàng

2.4.3 Mô hình Differentiated Services (DiffServ)

a QoS trong gói tin IP: Type of Service

2.4.3.a TOS trong gói tin IP

 Các gói tin IP có 1 trường là Type of Service (còn được gọi là byte TOS)

 Ý tưởng ban đầu của TOS là ta có thể chỉ định mức độ ưu tiên (priority) và yêu cầu mộttuyến đường cho thông lượng cao, độ trễ thấp và dịch vụ đáng tin cậy cao→ Router phải thay đổi để sử dụng được TOS

 Mục đích của DiffServ: dùng TOS để phân loại các gói tin

b Định dạng ToS Byte mới (RFC2474 (1998))

 DS CodePoint (DSCP) : affect the PHB (Per Hop Behavior)

 Tương tự như Precedence được dùng trong TOS byte

 Mỗi class chỉ định một bộ đệm và băng thông

 Ưu tiên hàng đầu: nếu class #2 phải bị loại bỏ, các bộ định tuyến sẽ bắt đầu loại bỏ AF23 trước rồi đến AF22 và AF21

c Per Hop Behavior (PHB): Xử lý DiffServ trong router

2.4.3.c Sử dụng DiffServ xử lý gói tin trong router

2.4.3.d Triển khai DiffServ trong internetĐược xây dựng thông qua khái niệm domain

 Sự khác nhau giữa edge routers và core routers

 Edge routers: Thực hiện mỗi tổng hợp định hình hoặc lập chính sách, đánh dấu cácgói với một số lượng bit nhỏ; mỗi mã hóa bit đại diện cho một lớp

 Core routers: Thực hiện xử lý các gói tin dựa trên việc đánh dấu các gói

TÀI LIỆU THAM KHẢO