(Ket hop DIFFSERV va MPLS trong viec dam bao chat luong dich vu chương 4

(Ket hop DIFFSERV va MPLS trong viec dam bao chat luong dich vu

Chương 4

Các kịch bản và kết quả mô phỏng sự kết hợp

DiffServ và MPLS

 

4.1 Giới thiệu chương

Việc kết hợp giữa MPLS và DiffServ đã khai thác các điểm mạnh của mỗi công nghệ và ngày càng nâng cao chất lượng dịch vụ QoS cho khách hàng, đặc biệt

là việc sử phân bố băng thông khi trong mạng xảy ra tắt nghẽn Trong chương này với việc sử dụng chương trình mô phỏng Ns2 sẽ mô phỏng một số kịch bản để dẫn chứng cho việc kết hợp DiffServ và MPLS trong việc đảm bảo chất lượng dịch vụ

4.2 Khái quát chung về NS-2

Theo các tài liệu NS2 [18], trình mô phỏng mạng NS-2 là trình mô phỏng các sự kiện rời rạc cho các giải pháp mạng Nó cung cấp các hỗ trợ thiết yếu cho việc mô phỏng TCP, định tuyến, và các giao thức multicast trên các mạng có dây hoặc không dây và cả vệ tinh Ns2 hỗ trợ các đặc tính như các đường kết nối điểm-điểm, mạng LAN, định tuyến unicast, định tuyến multicast, các giao thức vận chuyển như UDP, TCP, các giao thức lớp ứng dụng, mobile IP, các mạng di động ad-hoc……

NS-2 là ngôn ngữ hướng đối tượng được xây dựng trên 2 ngôn ngữ là C++

và Tcl còn được gọi là Otcl Các đối tượng C++ lập thành mặt phẳng dữ liệu trong Ns2 và các đối tượng OTcl như mặt phẳng điều khiển Sẽ có các đối tượng liên kết TclCL để kết nối với các kiểu đối tượng khác nhau Một bài toán mô phỏng thường

đi theo các bước sau đây:

 Tạo lịch trình các sự kiện

 Khởi động dấu vết (trace) bất kỳ

 Tạo các đối tượng node và đường liên kết mạng

 Khởi tạo các giao thức lớp vận chuyển như UDP hay TCP

 Khởi tạo các bộ phát sinh lưu lượng cho TCP hoặc UDP

 Kết hợp giao thức lớp ứng dụng với giao thức lớp vận chuyển đã chọn

Thường đa số các thành phần bên được sử dụng trong NS-2 là các đối tượng node và các đối tượng đường kết nối Các đối tượng node bao gồm các nhân tố(agent) và các bộ phân lớp Các nhân tố thường là các điểm cuối giao thức và các

bộ phân lớp thường là các bộ giải trộn gói tin Các đối tượng đường liên kết thường gói gọn 1 hàng đợi, trễ và có thể là kiểm tra thời gian TTL (Time To Live)

Việc mô phỏng mạng MPLS trên NS-2 (MNS) có thể mô phỏng một số ứng dụng trên MPLS mà không cần xây dựng một mạng MPLS thực để kiểm chứng Trong kiến trúc MNS, đối tượng node NS-2 tham chiếu đến một bộ phân lớp mới gọi là bộ phân lớp MPLS, xác định các gói đã nhận dù là được gán nhãn hay chưa gán nhãn Nếu đã gán nhãn, bộ phân lớp sẽ chuyển mạch lớp 2 thay vì định tuyến ở lớp 3 Còn nếu chưa gán nhãn, một đường LSP sẽ được thiết lập trước đó với các giao thức báo hiệu, các gói chưa gán nhãn sẽ được xử lý để gán nhãn (đây là điểm

đặc biệt của node MPLS khác với đối tượng node bình thường như trong hình 4.1).

Trong trường hợp này, node MPLS đóng vai trò như 1 router LSR đầu vào Mặc khác, gói tin được chuyển tiếp đến bộ phân lớp địa chỉ mặc định cho lớp 3 định tuyến Trường hợp bình thường, khi 1 gói tin đến và đã đựơc xử lý thì nó sẽ được chuyển đến phân lớp cổng và phân phối đến các nhân tố của node này Bộ phân lớp cổng ở đây sẽ được hiệu chỉnh sao cho MPLS sẽ phân phối đến các nhân tố nếu như gói đã gán nhãn và đến các nhân tố mặc định nếu như gói chưa được gán nhãn

DiffServ được hỗ trợ trong NS2 bao gồm các đặc tính như gán DSCP cho các IP header, điều hòa các đối ứng với các hiện trạng (profile), và lập lịch các đối

xử đó Các hiện trạng có thể được định nghĩa ứng với các dạng lưu lượng như EF hay AF Các hiện trạng này sẽ được thêm vào trong bộ điều hòa Khi một gói tin đi qua bộ điều hòa, các hiện trạng sẽ ứng với các DSCP đã chọn Các gói tin sẽ được kiểm tra khi chúng phù hợp với các đặc tính tốc độ lưu lượng đã được chọn trong hiện trạng Nếu gói tin ko phù hợp, tùy theo dạng lưu lượng mà nó xử lý, ví dụ như

đối với dạng lưu lượng EF, nếu ko phù hợp chúng sẽ bị loại bỏ, còn đối với AF chúng sẽ được đánh dấu lại với độ ưu tiên loại bỏ gói cao hơn Bộ lập lịch trong trường hợp này sẽ nhiều lớp lưu lượng EF,AF và BE xen kẽ nhau

Hình 4.1 Cấu trúc node MPLS

Hình 4.2 Cấu trúc node Unicast và node Multicast

4.3 Mô hình và kết quả mô phỏng

Dưới đây là topo mạng được sử dụng trong suốt quá trình mô phỏng với các nguồn phát lưu lượng UDP tương ứng với các nút gởi S1, S2, S3 và ba nguồn thu lưu lượng tương ứng với D1, D2, D3; băng thông của đường liên kết tương ứng như

D3

R4

R3 R1

S1

R0

R6

R7

R10

R8

R9 R3

R1

R2

R5

10M

10M 10M 10M

10M

10M

5M

5M

D1

Hình 4.3 Topo mạng sử dụng trong quá trình mô phỏng 4.3.1 Mô phỏng mạng IP không sử dụng DiffServ

4.3.1.1 Mô tả

Mạng IP với 10 node IP không hổ trợ MPLS với 3 node nguồn R0, R1, R2 tương ứng với 3 nguồn UDP, mỗi nguồn UDP mang một ứng dụng riêng

 Ứng với node R0 là nguồn UDP1 sẽ đi đến node R8

 Ứng với nguồn UDP2 là node R1 sẽ đi đến đích là R9

 Và cuối cùng là nguồn UDP3 được gán vào node R2 đi đến đích là R10

Các thông số của luồng cho ở bảng 4.1

Bảng 4.1

4.3.1.2 Thực hiện và kết quả mô phỏng

Việc mô phỏng trực quan được thể hiện rõ trên cửa sổ ứng dụng NAM Việc thực hiện mô phỏng như sau:

 Tại thời điểm 0.1s cho nguồn UDP1 bắt đầu

 Đến thời điểm 1.0s nguồn UDP1 dừng và UDP2 bắt đầu

 Đến thời điểm 2.0s nguồn UDP2 dừng và UDP3 bắt đầu

 Thời điểm 3.0s cho cả 3 nguồn đều gởi gói

Kết quả được thống kê ở bảng 4.2

Bảng 4.2

Hình 4.4 Mô phỏng mạng IP không sử dụng DiffServ

Hình 4.5 Đồ thị băng thông sử dụng bởi các luồng lưu lượng

4.3.1.3 Nhận xét

Với đồ thị xgraph thể hiện như trên hình 4.5 ta nhận thấy rằng: tại thời điểm

0.1-1s chỉ có luồng lưu lượng UDP1 chạy trên mạng, băng thông của đường kết nối

sẽ đáp ứng được yêu cầu của luồng Tương tự cho luồng UDP2 và UDP3 Nhưng tại thời điểm 3.0s khi lưu lượng trên mạng quá tải, cả 3 luồng cùng tham gia gởi gói,

do mạng IP sử dụng giao thức định tuyến theo đường ngắn nhất nên cả 3 luồng cùng

đi trên một đường R3-R4-R7 Trong khi băng thông của đường kết nối không đủ đáp ứng cho cả 3 luồng cùng một lúc, việc chia sẻ băng thông cho cả 3 luồng thể

hiện như trên hình 4.5 Không có mức ưu tiên cho các gói tin, đối xử và loại bỏ gói

là ngẫu nhiên mất gói trên mạng sẽ xảy ra cho cả 3 luồng, mạng sử dụng băng thông không hiệu quả trong lúc các đường liên kết khác lại rỗi Khi thông tin trên mạng bị mất gói quá nhiều, việc truyền tải thông tin sẽ bị gián đoạn, mất thông tin là nhược điểm mà cả nhà cung cấp và cả khách hàng không mong muốn đến

4.3.2 Mạng IP truyền thống sử dụng DiffServ

4.3.2.1 Mô tả

Giải pháp mà các nhà cung cấp dịch vụ đưa ra là sử dụng DiffServ để cung cấp chất lượng dịch vụ ứng với mỗi khách hàng khi lưu lượng trên đường truyền quá tải Trong bài mô phỏng này, mỗi khách hàng sẽ tương ứng với mỗi hợp đồng cung cấp dịch vụ riêng Ví dụ như khách hàng S1D1 sử dụng lưu lượng UDP_EF, yêu cầu của khách hàng là phục vụ tốt nhất Khách hàng S2D2 sử dụng lưu lượng UDP_AF Cuối cùng là khách hàng S3D3 sử dụng luồng UDP_BE

Trường hợp 1: sử dụng mode lập lịch PRI (Priority) sử dụng chế độ ưu tiên loại bỏ

gói, các thông số được cho ở bảng 4.3

Bảng 4.3

Hình 4.6 Các bảng trạng thái gói tin tại các thời điểm 5s, 10s, 15s, 20s

4.3.2.2 Thực hiện và kết quả mô phỏng

Tại các thời điểm 5s, 10s, 15s, 20s sẽ xuất ra các bảng trạng thái của gói tin

như hình 4.6

Kết quả: như trong bảng 4.3 và hình 4.8

Hình 4.7 Cửa sổ Nam cho mô phỏng IP sử dụng DiffServ

Hình 4.8 Đồ thị chia sẻ băng thông trong mạng IP có sử dụng DiffServ

Khi thay đổi tốc độ của mỗi luồng thì với độ ưu tiên như trên, sẽ có đáp ứng

như hình 4.9 kết quả thu được như trong bảng 4.4

Bảng 4.4

Luồng UDP_EF Luồng UDP_AF Luồng UDP_BE

Hình 4.9 Đáp ứng băng thông khi thay đổi tốc độ luồng

Trường hợp 2: sử dụng mode lập lịch WRR (Weight Round Robin) phục vụ quay

vòng theo trọng số Luồng có tốc độ nhỏ sẽ có trọng số nhỏ và được ưu tiên phục

vụ Bảng 4.5 mô tả các thông số và đáp ứng băng thông của các luồng lưu lượng.

Bảng 4.5

Luồng UDP_EF Luồng UDP_AF Luồng UDP_BE

Hình 4.10 Đáp ứng băng thông của mode lập lịch WRR 4.3.2.3 Nhận xét

Mode lập lịch PRI thường hay sử dụng do mỗi khách hàng sẽứng với từng hợp đồng như thế nào thì được thiết lập mức ưu tiên tương ứng Ví dụ như UDP_EF với hợp đồng cung cấp dịch vụ tốt nhất sẽ được thiết lập mức ưu tiên loại bỏ gói thấp Còn UDP_BE không cần phục vụ tốt nhất sẽ có mức ưu tiên loại bỏ gói cao Mode này linh động hơn trong việc đáp ứng nhu cầu của khách hàng Mode WRR thì ngược lại, ưu tiên phục vụ cho những khách hàng có hợp đồng cam kết với tốc độ nhỏ hơn

Nhưng không phải lúc nào các đường kết nối vẫn hoạt động tốt Vì lý do nào

đó mà các đường kết nối có thể bị đứt liên kết, nhược điểm lớn nhất của DiffServ không cung cấp bất kỳ kỹ thuật lưu lượng nào để tìm đường thay thế cho đường đã

bị lỗi [4] Khi đó IGP tự động chuyển sang đường khôi phục nhưng do thời gian hội

tụ chậm nên hiện tượng vòng lặp có thể xảy ra, các luồng lưu lượng không đến được đích Nhằm đảm bảo chất lượng dịch vụ cho khách hàng, và khắc phục nhựơc điểm đó, các nhà cung cấp dịch vụ đã sử dụng ưu thế trong kỹ thuật định lưu lượng của MPLS để áp dụng cho DiffServ

Hình 4.11 Trường hợp khi có sự cố đứt liên kết xảy ra 4.3.3 Mô phỏng định tuyến ràng buộc trong mạng MPLS

4.3.3.1 Mô tả

Với kỹ thuật lưu lượng, khi không sử dụng DiffServ để đảm bảo chất lượng dịch vụ, MPLS có thể tính toán, thiết lập các đường LSP theo cơ sở ràng buộc để hướng các luồng lưu lượng sao cho được phục vụ tốt nhất

Bảng 4.6

Hình 4.12 Mô phỏng định tuyến ràng buộc trong MPLS không hỗ trợ DiffServ 4.3.3.2 Thực hiện và kết quả mô phỏng

Thiết lập 3 đường LSP tương ứng với ID là 1100, 1200 và 1300 với thời gian:

 Thời điểm 0.1s luồng UDP_EF đi trên đường LSP 1100 với ER là 3-4-7

 Thời điểm 1.001s luồg UDP_EF ngưng và UDP_AF bắt đầu gởi gói trên đường LSP 1200 với ER 3-5-6-7

 Thời điểm 2.001s luồng UDP_AF ngưng và UDP_BE bắt đầu gởi gói trên đường LSP1300 với ER 3-5-6-7

 Thời điểm 3.0s tất cả 3 luồng đều tiếp tục gởi gói và đi trên các LSP đã được thiết lập

Kết quả: Khi cả 3 luồng đi trên các LSP khác nhau, tỉ lệ mất gói ở mỗi luồng là 0%

và băng thông trên mạng luôn đáp ứng yêu cầu của luồng

Hình 4.13 Kết quả mô phỏng 4.3.3.3 Nhận xét

Việc thiết lập các đường LSP trong mạng MPLS, luôn đáp ứng được lượng băng thông yêu cầu của khách hàng Đây là lợi thế kỹ thuật lưu lượng trong MPLS Điều này không có nghĩa là tại thời điểm cao điểm, khi lượng lưu lượng tăng lên quá nhanh với số lượng lớn, số lượng LSP không đủ đáp ứng hết cho mỗi luồng lưu lượng, buộc các luồng lưu lượng phải đi chung trên một LSP dẫn đến mất gói tin

như hình 4.14 Bảng 4.8 thông số các luồng và kết quả khi các lưu lượng cùng đi qua 1 LSP

Bảng 4.8

Luồng UDP_EF Luồng UDP_AF Luồng UDP_BE

Hình 4.14 Mô phỏng sự quá tải trong mạng MPLS không sử dụng DiffServ

Hình 4.15 Kết quả mô phỏng

Hình 4.15 mô tả việc chia sẻ băng thông trong mạng MPLS không hỗ trợ DiffServ Không giống như mạng IP, MPLS không sử dụng DiffServ việc sử dụng tài nguyên băng thông hiệu quả hơn nhờ kỹ thuật lưu lượng với việc thiết lập các đường LSP

Mặc khác MPLS lại không định nghĩa kiến trúc QoS trong mạng [4] nên việc kết hợp DiffServ vào mạng MPLS có thể cung cấp chất lượng dịch vụ khác nhau cho mỗi luồng lưu lượng khi đi chung trên một đường LSP và khai thác được ưu điểm của MPLS là định tuyến trên đường khác khi có sự cố đứt liên kết xảy ra Đây

là đặc điểm mà các nhà cung cấp luôn muốn khai thác đến và được mô phỏng dưới đây

4.3.4 Khôi phục đường dẫn trong mạng MPLS sử dụng DiffServ

4.3.4.1 Mô tả

Khi đưa DiffServ vào mạng MPLS, tại các node MPLS sẽ khai báo thông tin DiffServ (phâp lớp, đánh dấu, chính sách, loại bỏ gói)

4.3.4.2 Thực hiện và kết quả mô phỏng

Thời gian bắt đầu và kết thúc của các luồng lưu lượng vẫn không thay đổi Tại thời điểm 4.0s cho đường link giữa LSR4 và LSR7 đứt kết nối cho đến thời điểm 5.0s thì khôi phục lại

Bảng 4.9

Luồng UDP_EF Luồng UDP_AF Luồng UDP_BE

Hình 4.16 Mô phỏng mạng cơ chế khôi phục đường dẫn trong mạng MPLS sử dụng

Diffserv

Hình 4.17 Tái định tuyến lưu lượng cho DiffServ

4.3.4.3 Nhận xét

Khi thực hiện DiffServ trong mạng MPLS, hợp đồng kí kết về việc sử dụng băng thông trong mạng luôn được đảm bảo nên tỉ lệ mất gói là không lớn Mặc khác, với sự hỗ trợ của kỹ thuật lưu lượng TE trong MPLS và cơ chế khôi phục sẽ tìm đường thay thế khi đường liên kết bị đứt kết nối Đảm bảo lưu lượng đi trên mạng không bị gián đoạn

4.4 Kết luận

Quá trình mô phỏng cho thấy rằng, DiffServ không có khả năng khôi phục đường khi có sự cố về đường kết nối xảy ra [4] Do đó khi kết hợp với MPLS, với thế mạnh về kỹ thuật lưu lượng, MPLS sẽ tính toán và định tuyến lưu lượng đi trên LSP dự phòng , đảm bảo chất lượng dịch vụ cho khách hàng luôn là tiêu chí đặt lên hàng đầu của các nhà cung cấp