Luận văn thạc sĩ dịch vụ mạng man-e và QoS

Luận văn thạc sĩ dịch vụ mạng man-e và QoS

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Việc áp dụng công nghệ Ethernet vào mạng cung cấp dịch vụ mang lại nhiều lợiích cho cả nhà cung cấp dịch vụ lẫn khách hàng Bản thân công nghệ Ethernet đãtrở nên quen thuộc trong những mạng LAN của doanh nghiệp trong nhiều nămqua; giá thành các bộ chuyển mạch Ethernet đã trở nên rất thấp; băng thông chophép mở rộng với những bước nhảy tùy ý là những ưu thế tuyệt đối của Ethernet

so với các công nghệ khác Với những tiêu chuẩn đã và đang được thêm vào,Ethernet sẽ mang lại một giải pháp mạng có độ tin cậy, khả năng mở rộng vàhiệu quả cao về chi phí đầu tư

Công nghệ MPLS đã chứng tỏ được vị thế đối với các mạng chuyển tải băngrộng Mạng Metronet sử dụng công nghệ MPLS là một giải pháp hợp lý đáp ứngcác mô hình dịch vụ và giải quyết được vấn đề QoS

Tại Việt Nam mạng MAN-E đang được triển khai trên phạm vi cả nước

Vấn đề QoS, Các mô hình QoS và việc anh xạ các mức thỏa thuận dịch vụ SLAvào QoS luôn là vấn đề quan trọng hàng đầu

Các dịch vụ của mạng MAN-E như là các dịch vụ E-LINE, E-LAN và E-TREE

đã dần phổ biến và quen thuộc với chúng ta

QoS cho các dịch vụ Metro Ethernet, bao gồm: phân loại lưu lượng khách hàng(C-VLAN), các đặc tính hợp đồng lưu lượng thích hợp từ User đến giao diệnmạng (UNI), quản lý lưu lượng một cách thích hợp và lập lịch cho các hàng đợitại các nodes, thu nạp điều khiển và khớp nối các luồng lưu lượng cho nhiều loạidịch vụ

Việc nghiên cứu các mô hình dịch vụ và QoS của mạng MAN-E VNPT-Hà Nội cho thấy tính ứng dụng vào thực tế của mạng MAN-E

Chương 1 Tổng quan về mạng MAN-E

1.1 Giới thiệu chung về mạng MAN-E

Mạng Ethernet đô thị (MAN-E) là mạng sử dụng công nghệ Ethernet, kết nối cácmạng cục bộ của các tổ chức và cá nhân với một mạng diện rộng (Wide AreaNetwork – WAN) hay với Internet

1.1.1 Đánh giá về công nghệ mạng Metro Ethernet

Tính dễ sử dụng

Dịch vụ Ethernet dựa trên giao diện Ethernet chuẩn, dùng rộng rãi trong các hệthống mạng cục bộ (LAN)

Hiệu quả về chi phí

Dịch vụ Ethernet làm giảm chi phí đầu tư (CAPEX-capital expense) và chi phívận hành (OPEX-operation expense) Sự phổ biến của Ethernet trong hầu hết tất

cả các sản phẩm mạng nên giao diện Ethernet có chi phí không đắt

Tính linh hoạt

Với dịch vụ Ethenet, các thuê bao cũng có thể thêm vào hoặc thay đổi băng thôngtrong vài phút thay vì trong vài ngày ngày hoặc thậm chí vài tuần khi sử dụngnhững dịch vụ mạng truy nhập khác (Frame relay, ATM,…) Ngoài ra, nhữngthay đổi này không đòi hỏi thuê bao phải mua thiết bị mới hay ISP cử cán bộ kỹthuật đến kiểm tra, hỗ trợ tại chỗ

MPLS là sự kết hợp của kỹ thuật chuyển mạch lớp 2 và kỹ thuật định tuyến lớp

3 Mục tiêu chính của MPLS là tạo ra một cấu trúc mạng mềm dẻo để cung cấpcho đặc tính mở rộng và ổn định của mạng

Trong mạng MPLS, các gói tin vào được gán nhãn bởi một bộ định tuyến chuyểnmạch nhãn ở biên (Edge LSR) Các gói tin được gửi theo một đường chuyểnmạch nhãn (LSP) LSP là con đường mà mỗi LSR sử dụng để chuyển tiếp dựatrên các đối xử riêng biệt cho từng nhãn Tại mỗi chặng, LSR gỡ bỏ các nhãn cósẵn và thêm vào một nhãn mới, sau đó thông báo cho chặng kế tiếp để biết đểchuyển tiếp gói tin Nhãn sẽ được gỡ bỏ tại LSR biên và gói tin sẽ tiếp tục đượcchuyển tiếp đến đích cần đến

1.2.2 Các khái niệm cơ bản

Mỗi tiêu đề nhãn gồm có 4 trường:

 Trường Label: Trường này gồm 20 bit, như vậy chúng ta sẽ có hơn 1 tỷnhãn khác nhau sử dụng, đây chính là phần quan trọng nhất trong nhãnMPLS nó dùng để chuyển tiếp gói tin trong mạng

 Trường EXP: Trường này gồm 3 bit, nó dùng để mapping với trườngToS hoặc DSCP trong gói tin tới để thực hiện QoS

 Trường S: Chỉ có 1 bit, khi một gói tin đi qua một tunnel, nó sẽ có nhiềuhơn 1 nhãn gắn vào, khi đó ta sẽ một stack nhãn, bit S này dung để chỉ rarằng nhãn này có nằm đáy Stack không, nếu ở đáy thì S=1, ngược lạiS=0

 Trường TTL: Trường này như trường TTL trong IP header, khi chuyểntiếp gói tin nếu như router không tìm thấy destination mà vẫn cứ chạytrong mạng thì sẽ xảy ra loop làm nghẽ mạng (congestion) TTL dùng đểkhắc phục điều này, giá trị ban đầu của nó là 255, mỗi khi đi qua mộtrouter thì giá trị này sẽ giảm đi 1, nếu như giá trị này đã giảm về 0 màgói tin vẫn chưa tới đích thì nó sẽ bị rớt (dropped) Khi gói tin đến routerbiên thì trường TTL trong IP header sẽ giảm đi một và copy qua trườngTTL trong nhãn MPLS, giá trị này sẽ giảm dần khi đi qua mạng MPLS,khi ra khỏi mang MPLS thì trường nay lại được copy qua trường TTLtrong IP header, nếu giá trị là 0 thì gói sẽ bị rớt (drop)

1.2.3 Hoạt động của MPLS

Nguyên lý hoạt động chủ yếu của trong công nghệ MPLS là thực hiện gắn nhãncho các loại gói tin cần chuyển đi tại các bộ định tuyến nhãn biên LER, sau đócác gói tin này sẽ được trung chuyển qua các bộ định tuyến chuyển mạch nhãnđường LSR

Đóng gói EoMPLS: Dựa trên Martini hoặc Vkompella IETF EoMPLS draft, thựchiện kết nối P2P, Router PE đóng gói VLAN packet và định tuyến nó qua mạngMPLS đường trục

1.4.2 Đặc điểm

Đặc điểm chức năng: Không tìm kiếm địa chỉ MAC đích lớp 2, không học địa chỉlớp 2 mà các VLAN riêng biệt hoặc gói tin Ethernet được ánh xạ đến cácEoMPLS VC và định đường hầm qua mạng MPLS

Đặc điểm dịch vụ:

 Các port vật lý chuyên dụng cho mỗi khách hàng

 Có thể cấu hình nhiều EoMPLS VCs trên một port vật lý

 Dựa trên draft Martini, EoMPLS là kết nối P2P

 Dựa trên draft Vkompella, EoMPLS là kết nối P2MP

 Mỗi EoMPLS VC đi qua cùng LSP

Khả năng QoS trong MPLS bằng cách ánh xạ 802.1q đến bit EXP của nhãnMPLS QoS dựa trên trường 3bit EXP, các bits EXP này được đặt trong cảTunnel VC và Tunnel Labels Việc ánh xạ cho phép đảm bảo mức độ dịch vụ vàđảm bảo sẵn sàng cho việc chuyển phát với các công nghệ WAN khác nhau

1.4.3 Hoạt động

EoMPLS dùng phiên LDP Targeted giữa các Router PE: tạo ra các EoMPLS VCs

1.5 Kiến trúc MAN-E của Cisco

Theo Cisco, kiến trúc MAN-E được chia thành 5 lớp:

Chương 2 Các Dịch vụ mạng MAN-E

2.1 Tổng quan dịch vụ mạng MAN-E

2.1.1 Giới thiệu chung về dịch vụ mạng MAN-E

Bản thân Ethernet là cung cấp kết nối chứ không phải dịch vụ Với sự xuất hiệncác dịch vụ Metro Ethernet, các nhà cung cấp dịch vụ bắt đầu dùng công nghệkết nối Ethernet để cung cấp các “dịch vụ” Ethernet Vì vậy, các dịch vụ MAN-Ecũng dùng tới thuật ngữ “thuộc tính dịch vụ” giống như các dịch vụ MAN/WAN.EVC là sự kết hợp của 2 hay nhiều UNI Nói theo cách khác, EVC là đường hầmlogical kết nối 2 (P2P) hay nhiều sites (MP2MP) cho phép truyền các khungEthernet giữa chúng Có 3 kiểu EVC:

 Điểm - điểm EVC

 Đa điểm - đa điểm EVC

 Điểm - đa điểm EVC

2.1.2 Các kiểu dịch vụ mạng MAN-E

Các kiểu dịch vụ mạng MAN-E bao gồm : dịch vụ kết nối, dịch vụ ứng dụng

Dịch vụ kết nối: các loại dịch vụ kết nối tương ứng với các loại EVC kể trên

 Dịch vụ điểm - điểm (Point-to-Point)

 Dịch vụ đa điểm - đa điểm (Multipoint-to-Multipoint)

 Dịch vụ điểm - đa điểm (Point-to-Multipoint)

Dịch vụ ứng dụng:

 Dịch vụ cho doanh nghiệp

 Dịch vụ Triple Play

 Dịch vụ Backhaul cho di động

2.1.3 Phân loại dịch vụ của MEF

Theo Metro Ethernet Forum, tương ứng với các kiểu EVC dịch vụ mạng MAN-Egồm các kiểu :

Dịch vụ Ethernet Private Line (EPL)

Dịch vụ EPL là một dạng của dịch vụ E-LINE Dịch vụ EPL sử dụng một EVCđiểm-điểm giữa hai UNI EPL cung cấp độ trong suốt của các khung dịch vụ giữacác UNI tức là khi khung dịch vụ được truyền đi thì mào đầu của khung dịch vụ

và dữ liệu được chỉ ra tại cả UNI nguồn và UNI đích

Dịch vụ Ethernet Virtual Private Line (EVPL)

Dịch vụ EVPL là một kiểu dịch vụ E-LINE Dịch vụ EPL được sử dụng để cungcấp các dịch vụ tương tự như dịch vụ EPL trừ một số ngoại lệ Thứ nhất, dịch vụEVPL cho phép ghép dịch vụ tại UNI Thứ hai, một EVPL không cung cấp độtrong suốt khung dịch vụ cao như dịch vụ EPL bởi vì khi ghép dịch vụ thì một sốkhung dịch vụ có thể được gửi tới một EVC trong khi một số khung dịch vụ khác

có thể được gửi tới các EVC khác

2.3 Dịch vụ E-LAN

Kiểu dịch vụ Ethernet LAN (E-LAN) cung cấp kết nối đa điểm, tức là nó có thểkết nối 2 hoặc hơn nhiều UNIs Dữ liệu của thuê bao được gửi từ một UNI có thểđược nhận tại một hoặc nhiều dữ liệu của UNIs khác

Dịch vụ Ethernet Private LAN (EP-LAN)

Dịch vụ EP-LAN được định nghĩa để cung cấp việc duy trì thẻ CE-VLAN vàđường hầm của giao thức điều khiển lớp 2 Ưu điểm của việc này là thuê bao cóthể cấu hình các VLAN ngang qua các vị trí mà không cần phải phối hợp với cácnhà cung cấp Mỗi giao diện được cấu hình cho "all to one bundling" (gộp dịchvụ) do đó, EP-LAN hỗ trợ việc duy trì ID của CE-VLAN Thêm nữa, EP-LANcòn hỗ trợ việc duy trì CoS của CE-VLAN

Dịch vụ Ethernet Virtual Private LAN (EVP-LAN)

Một số thuê bao muốn dịch vụ E-LAN để kết nối các UNI của họ trong mạng đôthị và tại cùng thời điểm đó từ một hoặc nhiều UNI của họ muốn truy cập tới các

9dịch vụ khác Ví dụ một UNI là một vị trí thuê bao muốn truy cập tới một dịch vụ

IP công cộng hoặc IP riêng từ một UNI mà được dùng cho dịch vụ E-LAN giữacác thuê bao khác trong mạng Metro Dịch vụ EVP-LAN được định nghĩa để đápứng yêu cầu này

2.4 Dịch vụ E-TREE

Các dịch vụ cung cấp kết nối Ethernet ảo, dạng điểm – đa điểm (định nghĩa theoMEF 10.1) có thể được gọi là dạng Ethernet Tree (E-Tree) Dịch vụ E-Tree cómột điểm gốc và nhiều điểm “lá” nhận thông tin hoặc gửi thông tin từ/đến gốc

Dịch vụ Ethernet Private Tree – EP-Tree

Thuê bao với nhiều site có thể có yêu cầu cung cấp kết nối giữa các site, cungcấp dịch vụ không chỉ theo hướng sử dụng LAN Sẽ có một vài site làm điểm gốccung cấp dịch vụ, các site khác được gán vai trò là điểm lá nhận dịch vụ

Dịch vụ EP-Tree yêu cầu giữ nguyên thẻ VLAN của khách hàng (CE-VLAN) vàđóng gói các giao thức cơ bản lớp 2

Dịch vụ Ethernet Virtual Private Tree – EVP-Tree

Có các thuê bao có nhu cầu sử dụng dịch vụ được cung cấp dạng cây trong nội bộmạng Trong trường hợp này, mỗi điểm lá trong kết nối cây cần được gắn hoặckết nối với một điểm lá (hoặc) gốc cụ thể Mỗi giao diện UNI cũng có thể cungcấp dịch vụ khác như EVPL hoặc EVP-LAN Mô hình này gọi là mô hình dịch

vụ EVP-Tree, cây Ethernet riêng ảo

2.5 Các thuộc tính của dịch vụ mạng MAN-E

MEF phát triển khung dịch vụ Ethernet giúp cho thuê bao và các nhà cung cấpdịch vụ có thuật ngữ chung khi nói về các loại dịch vụ khác nhau và các thuộctính của chúng Với mỗi loại dịch vụ E-LAN hay E-LINE nói riêng lại có lại cócác thuộc tính và thông số đi kèm

2.5.1 Thuộc tính giao diện vật lý

2.5.2 Các thông số lưu lượng

MEF định nghĩa 1 tập các đặc tính băng thông có thể áp dụng tại UNI hoặc cho1EVC Đặc tính băng thông là giới hạn về tốc độ mà khung Ethernet có thể điqua UNI hoặc đến EVC

2.5.3 Các thông số lớp dịch vụ CoS

CoS là trường độ dài 3 bits trong tiêu đề khung Ethernet lớp 2 dùng IEEE 802.1Q

Nó chỉ rõ giá trị ưu tiên từ 0 đến 7, dùng cho các quy tắc Chất lượng dịch vụ đểphân biệt lưu lượng

2.5.4 Thuộc tính phân phát khung dịch vụ

Thuộc tính dịch vụ EVC có thể định nghĩa khung nào bị hủy bỏ, khung nào phânphát có điều kiện, khung nào phân phát không có điều kiện cho mỗi cặp UNI yêucầu

2.5.5 Thuộc tính hỗ trợ thẻ VLAN

Có 2 loại VLAN tag hỗ trợ:

 Duy trì/xếp VLAN tag

 Dịch/hoán đổi VLAN tag

2.5.8 Thuộc tính lọc bảo mật

Các bộ lọc bảo mật là danh sách truy cập MAC mà nhà cung cấp dùng để chặncác địa chỉ nào đó từ luồng trên EVC Các địa chỉ MAC phải phù hợp với accesslist nếu không sẽ bị loại bỏ

Quản lý chất lượng dịch vụ (QoS) được định nghĩa như là những phương pháp

mà mang đến cho người quản trị mạng khả năng điều khiển các thông số Delay,Jitter, Loss và băng thông trong mạng để các ứng dụng được đảm bảo chất lượngmong muốn

3.2 Các mô hình QoS

Mô hình Best-effort:

Trong mô hình Best-effort việc chuyển tiếp gói tin được thực hiện theo thứ tựchúng nhận được và không phân biệt giữa các gói tin

Mô hình Integrated Services (mô hình IntServ):

Trong mô hình Integrated Services, các ứng dụng có yêu cầu về QoS sẽ sử dụnggiao thức RSVP để gửi các tín hiệu báo hiệu yêu cầu QoS trước khi gửi dữ liệu

đi Chỉ áp dụng được cho những mạng có số các luồng dữ liệu là nhỏ

Mô hình Differential Services (mô hình DiffServ):

Trong mô hình DiffServ, các mỗi gói tin được phân loại khi đi vào mạng Việcphân loại dựa vào mào đầu IP của gói tin, sử dụng IP Precedence hoặcDifferential Services Code Point (DSCP) Chúng được biểu diễn bằng cách sửdụng 3 bit (IP Precedence) hoặc 6 bit (DSCP) đầu tiên của trường ToS TrườngDSCP xác định hành vi QoS của một gói tin trên một nút mạng cụ thể Ứng xửcủa một nút mạng đối với một gói tin có giá trị DSCP cụ thể được gọi là PHP(per hop behavior) PHP thường được thể hiện bằng việc sắp xếp các gói tin vàohàng đợi và loại bỏ các gói tin trong trường hợp tắc nghẽn Như vậy có sự ánh xạgiữa DSCP và PHP, các gói tin có cùng giá trị DSCP sẽ có cùng PHP trên mỗi

12nút mạng Mô hình DiffServ là mô hình quản lý QoS trên từng nút mạng (perhop).

Với các ưu điểm nêu trên, mô hình Diffserv hiện nay được áp dụng rộng rãi chocác mạng IP based Đối với mạng MAN-E chúng ta lựa chọn áp dụng mô hìnhdịch vụ này để đảm bảo QoS cho các địch vụ của chúng

3.3 Các yêu cầu dịch vụ

3.3.1 Yêu cầu QoS cho dịch vụ VoIP

3.3.2 Yêu cầu QoS cho dịch vụ Video

3.3.3 Yêu cầu QoS cho dịch vụ Data

3.4 Các công cụ thực hiện QoS

Thông thường, các công cụ QoS được phân loại thành các nhóm sau:

 Tool phân loại và đánh dấu (Classification and marking tools)

 Tool Chính sách và định hướng (Policing and shaping tools)

 Tool chống nghẽn (Congestion-avoidance (selective dropping) tools)

 Tool quản lý hàng đợi (Congestion-management (queuing) tools)

 Tool phân biệt kết nối (Link-specific tools)

Quá trình xử lý QoS thường thông qua 5 giai đoạn: phân loại và đánh dấu frame/packet; policing/shaping; chống tắc nghẽn, queueing / scheduling Phân loạiframe/packet là quá trình đánh dấu frame/packet dùng trường CoS, ToS, IPprecedence, DSCP Policing là quá trình giới hạn băng thông sử dụng đầu vào,frame/packet sau đó sẽ bị drop hoặc mark down giá trị ToS tùy mong muốn củangười quản trị Căn cứ trên giá trị ToS các frame/packet được xếp hàng trên cáchàng đợi đầu ra và phục vụ theo schedule định trước Phương pháp chống tắcnghẽn được thực hiện trên mỗi hàng đợi để tránh tắc nghẽn có thể xảy ra Khi cótắc nghẽn, các thuật toán hàng đợi quản lí tắc nghẽn sẽ được sử dụng để đảm cácdịch vụ có yêu cầu cao nhận được Qos phù hợp

Sử dụng giao thức gốc Ethernet, hiện tại được mô tả trong IEEE 802.1

Sử dụng SDH/SONET để chuyển tải Ethernet thông qua các GFP (thủ tục đónggói chung) và LCAT (khung co dãn) thích nghi tốc độ tại các biên cả mạngchuyển tải

3.5.2 Mạng Metro MPLS

Mạng Metro bao gồm các router biên (PE), các router chuyển mạch nhãn (LSR)

và các đường chuyển mạch nhãn (LSP) giữa hai router biên PE Các PE được kếtnối tới thiết bị khách hàng (CE) thông qua giao diện người sử dụng (UNI).Theo kịch bản như vậy, MPLS đóng gói lớp 2 thuận tiện cho sự chuyển tải khunglớp 2 ngang qua một vùng cung cấp dịch vụ MPLS Hai nhãn MPLS được chènvào khung Ethernet của khách hàng dựa trên địa chỉ đích MAC/cổng/thông tin802.1Q tại nút hướng vào

3.5.3 Mạng Provider Bridged

Theo kịch bản này, bổ sung vào giao thức mạng nguyên thủy Ethernet để có đượcmạng Metro Một giao thức spanning tree được sử dụng để thiết lập đường nốigiữa PE cho mỗi một VLAN khách hàng Một kiểu đóng gói, như là Q-in-Q(VLAN stacking) hoặc Mac-in-Mac được sử dụng để để chuyển tải lưu lượngkhách hàng qua vùng mạng metro

3.6 Các khối tạo dựng chủ yếu cho QoS của MAN-E

Các bước cần thiết để hình dung ra được QoS cho các dịch vụ Ethernet, bao gồm:phân loại lưu lượng VLAN khách hàng (C-VLAN – Customer VLAN); đặc điểmcủa các hợp đồng lưu lượng thích hợp trên C-VLAN tại UNI; quản lý bộ đệm vàlập lịch (scheduling) của hàng đợi tại các nút; và điều khiển đăng nhập và khớpnối động cơ lưu lượng hướng tới các dịch vụ đa điểm