Tài liệu Nâng cao chất lượng mạng ipcore của vinaphone

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG --------------------------------------- NGUYỄN ĐĂNG THẾ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG MẠNG IPCORE CỦA VINAPHONE Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60.52.70 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 2013 Luận văn được hoàn thành tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN CHIẾN TRINH Phản biện 1: …………………………………………………………………………… Phản biện 2: ………………………………………………………………………….. Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: ....... giờ ....... ngày ....... tháng ....... .. năm ............... Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông 1 LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay các nhà cung cấp dịch vụ di động tại Việt Nam đang sử dụng công nghệ 3G. Các phần tử của mạng di động như HLR,SGSN,GGSN,MSS, RNC… được kết nối với nhau thông qua mạng IPCore. Vì vậy mạng IPCore đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong sự sống còn của mạng 3G. Mạng 3G của các nhà cung cấp dịch vụ lớn hầu hết đều sử dụng công nghệ IP/MPLS do những ưu điểm vượt trội của MPLS như tốc độ chuyển mạch nhanh, đơn giản, điều khiển luồng, định tuyến linh hoạt và tận dụng tài nguyên mạng. Nội dung luận văn gồm 3 chương:  Chương 1: Các vấn đề về QoS trong mạng IP  Chương 2: Triển khai đảm bảo QoS trong mạng IPCore của VinaPhone  Chương 3: Đề xuất giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ trong mạng IPCore của VinaPhone Luận văn được hoàn thành trong khoảng thời gian không dài với kiến thức còn hạn chế, tài liệu tham khảo khá mới và ít nên không thể tránh khỏi thiếu sót. Em mong nhận được sự đánh giá, nhận xét, góp ý của các thầy cô giáo trong hội đồng để luận văn có thể hoàn thiện hơn. Em xin trân trọng cảm ơn thầy giáo - TS. Nguyễn Chiến Trinh đã tận tình hướng dẫn em hoàn thành luận văn này. 2 CHƢƠNG I: CÁC VẤN ĐỀ VỀ QoS TRONG MẠNG IP 1.1 Tổng quan về các phƣơng pháp nâng cao chất lƣợng mạng IP Hiện nay có 3 phương pháp nâng cao chất lượng mạng IP như sau  Mô hình dịch vụ tích hợp  Mô hình dịch vụ phân biệt  Chuyển mạch nhãn đa giao thức và kỹ thuật điều khiển lưu lượng 1.1.1 Các tham số chất lƣợng dịch vụ IP Theo khuyến nghị I.380 ITUT định nghĩa một số tham số đánh giá hiệu năng truyền gói tin IP gồm:  Trễ truyền gói IP IPTD (IP packet Transfer Delay):  Tỷ lệ lỗi gói tin IP IPER (IP packet Error)  Tỷ lệ tổn thất gói IP IPLR (IP Loss Ratio 1.1.2 Một số tham số cơ bản ảnh hƣởng tới QoS IP thực tế a. Băng thông b. Độ trễ c. Tổn thất gói d. Điều khiển quản lý 1.1 Tổng quan về kỹ thuật lƣu lƣợng 1.2.1 Khái niệm kỹ thuật lƣu lƣợng (Traffic Engineering) 3 Kỹ thuật lưu lượng (TE) là quá trình điều khiển cách thức các luồng lưu lượng đi qua mạng sao cho tối ưu hoá việc sử dụng tài nguyên và hiệu năng của mạng. Nó ứng dụng các nguyên lý khoa học công nghệ để đo lường, mô hình hoá, đặc trưng hoá và điều khiển lưu lượng nhằm đạt được các mục tiêu khác nhau. Kỹ thuật lưu lượng MPLS được chia ra thành 3 quá trình: + Phân phối thông tin. + Tính toán và thiết lập đường đi cho đường hầm chuyển mạch nhãn. + Chuyển tiếp lưu lượng xuống đường hầm. 1.2.2 Vấn đề nghẽn Nghẽn thường xảy ra theo hai cách như sau:  Khi bản thân các tài nguyên mạng không đủ để cấp cho tải yêu cầu.  Khi các dòng lưu lượng được ánh xạ không hiệu quả lên các tài nguyên làm cho một số tập con tài nguyên trở nên quá tải trong khi số khác nhàn rỗi Có thể giải quyết tắc nghẽn bằng các cách:  Tăng dung lượng hoặc ứng dụng các kỹ thuật điều khiển nghẽn cổ điển (giới hạn tốc độ, điều khiển luồng, quản trị hàng đợi, điều khiển lịch trình…) 4  Dùng kỹ thuật lưu lượng nếu nghẽn là cấp phát tài nguyên chưa hiệu quả 1.2.3 MPLS và kỹ thuật lƣu lƣợng 1.2.3.1 Trung kế lƣu lƣợng và các thuộc tính a. Khái niệm trung kế lưu lượng (traffic trunk) MPLS giới thiệu khái niệm trung kế lưu lượng để thực hiện các mục tiêu kỹ thuật lưu lượng. Trung kế lưu lượng đơn giản là một tập hợp các luồng dữ liệu chia sẽ một số thuộc tính chung nào đó. 1.2.3.2 Các hoạt động trên trung kế lưu lượng  Establish  Activate  Deactivate  Modified Attributes  Reroute  Destroy 1.2.4 Tính toán đƣờng ràng buộc 1.2.4.1 Thuộc tính tài nguyên liên kết  Hệ số nhân cấp phát cực đại  Lớp tài nguyên (Resource - Class) 5  TE metric: 1.2.4.2 Tính toán LSP ràng buộc (CR-LSP) Tiến trình tính toán đường ràng buộc (CR-LSP) luôn luôn được thực hiện tại đầu nguồn trung kế lưu lượng và nó được kích hoạt là do những nguyên nhân như sau: o Một trung kế lưu lượng mới xuất hiện. o Một trung kế đang tồn nhưng thiết lập LSP thất bại. o Tái tối ưu hóa một trung kế đang tồn tại. 1.2.5 Phát hiện và ngăn vòng lặp trong MPLS Có hai cách để phát hiện và ngăn vòng lặp:  Cách thứ nhất là thông báo đường đi (path vector diffusion).  Cách thứ hai là đánh dấu tuyến (colored thread1.2.6 sự kiện để thực hiện việc tái tối ưu hóa LSP, có các trường hợp như sau: 1.2.7 MPLS-TE và cân bằng tải Cân bằng tải cũng là một khái niệm rất quan trọng trong kỹ thuật lưu lượng. Cân bằng tải là khả năng chia tải lưu lượng (traffic – load) giữa hai router qua nhiều đường khác nhau. Đối với cân bằng tải trên mỗi gói tin, thuật toán cân bằng tải thực hiện việc chi tải bằng nhau một cách nghiêm ngặt trên tất cả các đường. 6 Đối với cân bằng tải trên mỗi đích đến thì các gói thuộc các luồng giống nhau luôn luôn đi theo một đường giống nhau. Do đó, ở phương pháp này thì có thể tải giữa các đường không bằng nhau một cách chính xác. 1.2.8 Bảo vệ và khôi phục đƣờng  POR (Point of Repair) là LSR đảm nhận việc sửa chửa LSP bị sự cố. POR có thể là PSL hoặc PML.  FIS (Fault Indication Signal): Là bản tin chỉ thị có lỗi xảy ra trên đường, được chuyển tiếp bởi các LSR trung gian cho khi nó đến được POR. FIS được phát định kỳ bởi các nút cận kề vị trí lỗi.  FRS (Fault Recovery Signal) là tín hiệu báo hiệu đường đã được khôi phục trở lại. 1.2.8.1 Phân loại cơ chế bảo vệ khôi phục a. Bảo vệ toàn cục và bảo vệ cục bộ Bảo vệ toàn cục là bảo vệ mà trong đó LER phía nguồn đóng vai trò là PSL và POR, nhận tín hiệu FIS từ nút phát hiện lỗi. Đường phục hồi và đường làm việc trong trường hợp này là tách biệt hoàn toàn. b. Tái định tuyến và chuyển mạch bảo vệ Tái định tuyến là chế độ mà khi phát hiện được lỗi xảy ra nhờ vào FIS, POR sẽ tìm đường mới nhờ vào các giao thức định tuyến. Sau khi tìm được đường đi, PSL sẽ chuyển sang đường mới. 7 1.2 Tổng quan về kỹ thuật QoS 1.3.1 Định nghĩa QoS Chất lượng dịch vụ QoS là một khái niệm rộng và có thể tiếp cận theo nhiều hướng khác nhau. Theo khuyến nghị E 800 ITU-T chất lượng dịch vụ là “Một tập các khía cạnh của hiệu năng dịch vụ nhằm xác định cấp độ thoả mãn của người sử dụng đối với dịch vụ”. ISO 9000 định nghĩa chất lượng là “cấp độ của một tập các đặc tính vốn có đáp ứng đầy đủ các yêu cầu”. Trong khi IETF [ETSI – TR102] nhìn nhận QoS là khả năng phân biệt luồng lưu lượng để mạng có các ứng xử phân biệt đối với các kiểu luồng lưu lượng, QoS bao trùm cả phân loại hoá dịch vụ và hiệu năng tổng thể của mạng cho mỗi loại dịch vụ. 1.3.2 Vai trò QoS Nhìn chung có 2 nhân tố cơ bản dẫn đến yêu cầu về chất lượng dịch vụ.  Thứ nhất, với các công ty kinh doanh trên web, họ cần chất lượng dịch vụ để cải thiện và nâng cao chất lượng vận chuyển các thông tin và dịch vụ của họ đến khách hàng như một yếu tố để thu hút ngày càng nhiều khách hàng.  Thứ 2, các nhà cung cấp dịch vụ Internet ISPs cần thêm nhiều các dịch vụ giá trị gia tăng trên mạng của họ để tăng lợi nhuận. 1.3.3 Các thông số QoS 8 1.3.3.1 Độ tin cậy 1.3.3.2 Băng thông 1.3.3.3 Độ trễ 1.3.3.4 Biến động trễ 1.3.3.5 Tổn thất gói 1.3.4 Mô hình đảm bảo chất lƣợng dịch 1.3.4.1 Mô hình tích hợp dịch vụ (IntServ) Mô hình IntServ phát triển vào giữa thập niên 1990, mô hình này là nỗ lực đầu tiên trong việc cung cấp QoS toàn diện, điều mà được các ứng dụng thời gian thực mong đợi. IntServ dựa trên cách ra hiệu tường minh và quản lý/dành riêng tài nguyên mạng cho những ứng dụng cần nó và yêu cầu nó. 1.3.4.2 Mô hình dịch vụ phân biệt (Differentiated Services) Differentiated Services (DiffServ) là mô hình mới nhất trong ba mô hình của QoS và việc phát triển nó nhằm mục đích là giải quyết được những giới hạn của các mô hình trước đó. DiffServ không phải là một mô hình có thể đảm bảo hoàn toàn QoS cho ứng dụng, nhưng nó là mô hình có khả năng mở rộng rất cao. Trong khi IntServ được gọi là mô hình “Hard QoS” thì DiffServ được gọi là mô hình “Soft QoS”. 1.3.4.2.1 IP precedence và DSCP IP precedence có 3 bit do đó có 8 thiết đặt khác nhau. Nếu giá trị IP precedence lớn thì gói tin có mức quan trọng cao 9 và xác xuất chuyển tiếp gói tin sẽ cao hơn. lớp AF với mức độ ưu tiên loại bỏ gói. 1.3.5 Kỹ thuật hàng đợi Nghẽn mạng xảy ra khi tốc độ đầu vào interface vượt quá tốc độ đầu ra khỏi một interface. Đôi khi traffic đi vào một thiết bị từ một interface tốc độ cao và đi ra thông qua một interface tốc độ chậm. Để kiểm soát vần đề này cần sử dụng thuật toán hàng đợi là để sắp xếp các traffic và xác định một số phương pháp để ưu tiên phân cấp traffic. Hàng đợi được dùng gồm các loại sau: - First-in, first-out (FIFO) Priority queuing (PQ) Custom queuing (CQ) Weighted fair queuing (WFQ) Low Latency Queuing (LLQ) 10 CHƢƠNG II: TRIỂN KHAI ĐẢM BẢO QoS TRONG MẠNG IPCORE CỦA VINAPHONE 2.1. Chất lƣợng dịch vụ trong mạng MPLS 2.1.1. DiffServ trong gói IP EF dùng trong các dịch vụ có độ tinh cậy thấp, độ trễ thấp, jitter thấp, đảm bảo băng thông, chuyển tiếp thông qua miền DiffServ. AF là các dịch vụ khác nhau đảm bảo chuyển tiếp thông qua một miền DiffServ. Bốn loại AF được định nghĩa, mỗi loại có ba ưu tiên. Bảng 2.1: Giá trị DSCP tƣơng ứng với các lớp AF Name AF11 AF12 AF13 AF21 AF22 AF23 AF31 AF32 AF33 AF41 AF42 AF43 DSCP(binary) DSCP(decimal) 001010 001100 001110 010010 010100 010110 011010 011100 011110 100010 100100 100110 10 12 14 18 20 22 26 28 30 34 36 38 11 2.1.2 DiffServ trong gói MPLS Vấn đề cần quan tâm là ba bit EXP, hoặc bit thực nghiệm. Các bit EXP có thể sử dụng như ba bit ưu tiên trong header IP. Các bộ định tuyến chuyển mạch nhãn (LSR) sẽ sử dụng các bit EXP lập lịch trình cho gói tin và quyết định ưu tên bỏ gói. Đường chuyển mạch nhãn lúc này là E-LSP. 2.1.3 Các quy tắt thực thi QoS MPLS Quy tắc 1: Bit thứ tự ưu tiên hoặc ba bit đầu tiên của DSCP trong tiêu đề IP được sao chép vào các bit EXP của các nhãn gán tại các LSR nguồn. Quy tắc 2: Các bit EXP của nhãn đầu vào sẽ được sao chép vào các nhãn đầu ra khi hoán đổi nhãn và tất cả các nhãn nó được gán lên trên nó. Quy tắc 3: Các bit EXP của nhãn hàng đầu vào không sao chép vào các nhãn mới khi nhãn đầu ra là nhãn popped. Quy tắc 4: Các bit EXP của nhãn hàng đầu vào không được sao chép vào các bit ưu tiên hoặc DSCP bit khi ngăn xếp nhãn bị loại bỏ và tiêu đề IP được dùng. Quy tắc 5: Khi thay đổi EXP bit giá trị thông qua cấu hình, giá trị của các bit EXP trong nhãn khác với các nhãn hàng đầu, các nhãn hoán đổi hay nhãn gán và các bit ưu tiên DSCP trong tiêu đề IP vẫn không thay đổi. 2.1.4 Mô hình Diffserv MPLS Tunneling 12 Có nhiều chế độ hoạt động có thể tồn tại khi thực hiện QoS trong MPLS bao gồm: Uniform Mode Pipe Mode, Short Pipe Mode, Long Pipe Mode. 2.2 Giới thiệu về hiện trạng mạng IPCore của VinaPhone Hiện nay mạng IP/ MPLS là một hệ thống mạng lõi rất quan trọng trong việc cung cấp các dịch vụ mạng 2G và 3G của mạng Vinaphone. Mạng bao gồm các thiết bị định tuyến bậc cao của Cisco như CRS-1, 7609, 6509 tại các trung tâm VNP1, VNP2, VNP3 và các thiết bị của Huawei tại các tỉnh thành có hệ thống RNC. Các thiết bị Router đều có tính năng dự phòng, như bộ xử lý trung tâm, nguồn điện và hệ thống làm mát. Mạng IP/ MPLS của VNP hiện nay đợc chia thành 3 phân vùng chính:    Miền mạng lõi (Provide Router). Miền lớp biên (Provider Edge Router). Miền lớp truy nhâp (Customer Edge Router). Hình 2. 1: Kết nối hiện thời trong Core giữa các trung tâm VNP1, VNP2, VNP3 13 2.2.1 Các dịch vụ cung cấp trên mạng IP/ MPLS VNP . Tại khu vực Huỳnh Thúc Kháng: Có hệ thống STP1A , FDA-SMSC. Tại khu vực Mỹ Đình VNP1: Bao gồm các hệ thống STP1B, MSS1A -MGW, TSS1A-MGW, TSS1B-H, HLRZTE, RNC Motorolar, FDA-SMSC. Tại khu vực VNP2- Thành Thái HCM : STP2A, STP2B, MSS2A-MGW, TSS2A-MGW, TSS2B- H, HLRZTE, RNCER, FDA-SMSC. Tại khu vực VNP4 - Cần Thơ: MSS4A-MGW, TSS4AMGW, RNC-ER, FDA-SMSC. Tại khu vực VNP3 - Đà Nẵng: HLRZTE, FDA-SMSC, RNCZTE. 2.3 Đánh giá về kiến trúc và cấu hình mạng IPCore của VNP 2.3.1 Đánh giá về kiến trúc mạng IPCore của VNP Với mô hình trong core chưa đảm bảo an toàn về lưu lượng trong các giờ cao điểm. Các liên kết trong core chỉ là các liên kết xSTM1. Đây là một mô hình tiềm ẩn nhiều rủi do, không an toàn khi các router và switch tạo thành vòng kín dễ dàng tạo ra loop L2 gây ra down time hệ thống cho toàn bộ 1 site. Khi STP chạy lại gây ra nháy báo hiệu các hệ thống quan trọng. 2.3.2. Đánh giá về cấu hình mạng IPCore của VNP Khi thực hiện rà soát kiểm tra các cấu hình trên từng node mạng dựa vào các tài liệu chuẩn của các nhà cung cấp thiết bị nhận thấy các node mạng còn tồn tại nhiều cấu hình 14 thừa và nhiều tham số không phù hợp với mạng Ipcore phục vụ các phần tử di động. 2.4. Thực hiện chuẩn hóa kiến trúc mạng IPCore 2.4.1. Thực hiện chuẩn hóa tại phân vùng core trong mạng IPCore Các liên kết trong core là tương đối đơn giản và chỉ đơn thuần là các liên kết giữa các trung tâm VNP khu vực và là các đường truyền dẫn STM1 do vậy để đảm bảo an toàn dịch vụ cần thực thực hiên nâng cấp các liên kết liên vùng để đảm bảo an toàn lưu lương. Các liên kết liên vùng mới có kết nối 1G sử dụng truyền dẫn qua mạng VN2 của VTN 2.4..2. Thực hiện chuẩn hóa tại phân vùng distribute và acceess mạng IPCore Mô hình mong muốn nhƣ sau mdi-sw-6509-02 1.1.1.28 mdi-co-76-02 1.1.1.8 Ten9/3 Trunk dot1q Ten9/1 Ten9/3 Ten9/2 Port- channel3 Trunk dot1Q Ten9/3 Ten9/1 mdi-co-76-01 1.1.1.7 Trunk dot1q Ten9/2 Ten9/1 mdi-sw-6509-01 1.1.1.27 Hình 2.2: Mô hình chuẩn hóa tại biên mạng IPCore Vinaphone 15 Với mô hình này thực hiện cấu hình HSRP hoặc VRRP trên các Router Ciso 7609. Các phần từ mạng di động như GGSN, HLR, MSS, SGSN… được đấu nối 2 hướng lên các switch Cisco 6509 với gateway là địa chỉ ảo của group HSRP. 2.5 Thực hiện chuẩn hóa cấu hình trên từng node mạng IPCore theo khuyến nghị của Cisco và Huawei Xóa cấu hình Vlan/STP trên Router 7609. Tối ưu STP. Cấu hình port-fast, BPDU Guard, Loop Guard, Root Guard trên cả 2 SW 6509. Cấu hình UDLD. Cấu hình trên tất cả các Router 7609 và SW 6509. Cấu hình chính sách định tuyến. Tối ưu BGP. Thực hiện thay đổi cấu hình trên cả 2 Router 7609. Tối ưu MPLS. Thực hiện thay đổi cấu hình trên cả 2 Router. Tối ưu RR. Tắt MPLS và thay đổi cấu hình OSPF trên Router RouteReflector mdi-bgpRR-01. 16 Cấu hình BFD cho HSRP, VRRP, OSPF, BGP và các giao diện kết nối xuống MAN E. 17 CHƢƠNG III:ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CÁO CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG IPCORE CỦA VINAPHONE 3.1. Giải pháp kỹ thuật QoS cho mạng IPCore của VNP 3.1.1. Chuẩn 3GPP cho QoS trong mạng IP/MPLS phục vụ cho di động. Bốn lớp khác nhau của QoS đã được định nghĩa bởi 3GPP: đàm thoại, trực tuyến, tương tác và lớp nền tảng. Khung 3GPP không định nghĩa làm thế nào để dịch hoặc ánh xạ bất cứ thuộc tính nào đến mạng backbone. Tuy nhiên nếu mạng backbone là mạng IP/MPLS (trong trường hợp của Vinaphone), chuẩn 3GPP chỉ ra rằng tiêu chuẩn DiffServ của IETF sẽ được sử dụng. 3.1.2. Phân loại lớp dịch vụ trong mạng thông tin di động Vinaphone. Bảng 3. 1. Các lớp lƣu lƣợng mạng IP/MPLS Vinaphone Traffic Description Example Usage DHCP PHB DHCP 802.1p CoS Mobile Voice, Conversational Mobile Video Call, Mobile VoIP EF 46 5 18 Mobile TV, Mobile Camera, Streaming Music/Video On AF41 34 4 AF21 18 2 BE 0 0 Demand (in future), O&M Interactive Mobile Game (In future) Mobile Internet, Background Mobile Broadband, MMS, etc … 3.1.3. Cấu hình QoS trên P Router CRS-1 Mặc định, IOS XR không sao chép giá trị EXP đầu vào cho nhãn gói tin MPLS đầu ra khi đẩy gói tin ra ngoài. Short Pipe Mode là Mode mặc định. Pipe Mode yêu cầu cấu hình đánh dấu “qos-group” trên đầu vào line card trong các bộ định tuyến.