پایان نامه مدلسازی و شبیه سازی سوئیچ MPLS و بررسی مقایسه ای نرم افزارهای موجود
فهرست:
فصل اول: کيفيت سرويس و فنآوری هاي شبكه 1
1-2-1- پروتكل رزور منابع در اينترنت 3
1-2-4- سوئيچنگ برحسب چندين پروتكل 9
1-3-3- تركيب مسيريابي و سوئيچينگ 14
2-2-3- مسير سوئيچ برچسب (LSR) 27
2-2-8- استفاده از سوئيچ هاي ATM به عنوان LSR 32
2-3- پروتكل هاي توزيع برچسب در MPLS 34
فصل سوم: ساختار سوئيچ هاي شبكه 35
3-2- ساختار كلي سوئيچ هاي شبكه 35
3-4-1- فابريك سوئيچ با واسطه مشترك 43
3-4-2 فابريك سوئيچ با حافظه مشترك 44
فصل چهارم: مدلسازي و شبيهسازي يك سوئيچ MPLS 50
4-2- روشهاي طراحي سيستمهاي تك منظوره 50
4-3- مراحل طراحي سيستمهاي تك منظوره 52
4-5-1- آماده سازي اوليه مدل 58
4-5-3 – زمانبندي و ايجاد رخدادها 60
4-6-1- ترافيك برنولي يكنواخت 62
4-7- مدلسازی كارت خط در ورودي 64
عنوان صفحه
4-8-2- الگوريتم iSLIP اولويت دار 71
4-8-3- الگوريتم iSLIP اولويت دار بهينه 76
4-9- مدلسازی كارت خط در خروجي 79
فصل پنجم: نتيجه گيری و پيشنهادات 93
مراجع …………………………………………………………………….95
چکیده
امروزه سرعت بیشتر و کیفیت سرویس بهتر مهمترین چالش های دنیای شبکه می باشند. تلاشهای زیادی که در این راستا در حال انجام می باشد، منجر به ارائه فنآوری ها، پروتکل ها و روشهای مختلف مهندسی ترافیک شده است. در این پایان نامه بعد از بررسی آنها به معرفی MPLS که به عنوان یک فنآوری نوین توسط گروه IETF ارائه شده است، خواهیم پرداخت. سپس به بررسی انواع ساختار سوئیچ های شبکه خواهیم پرداخت و قسمتهای مختلف تشکیل دهنده یک سوئیچ MPLS را تغیین خواهیم کرد. سرانجام با نگاهی به روشهای طراحی و شبیه سازی و نرم افزارهای موجود آن، با انتخاب زبان شبیه سازی SMPL، به شبیه سازی قسمتهای مختلف سوئیچ و بررسی نتایج حاصل می پردازیم. همچنین یک الگوریتم زمانبندی جدید برای فابریک سوئیچ های متقاطع با عنوان iSLIP اولویت دار بهینه معرفی شده است که نسبت به انواع قبلی دارای کارآیی بسیار بهتری می باشد.
Abstract
Nowadays achieving higher speeds and better quality of service are the main subjects of networking. Many attempts are made in this way which have led to introducing various technologies, protocols and traffic engineering methods. In this thesis, after studying the above-mentioned parameters, IETF’s new technology called MPLS will be introduced. Then several different switch architectures are examined and the components of an MPLS switch are selected. Finally after a quick look at design and simulation methods and their available softwares, SMPL is chosen as simulation tool and then switch components are simulated and the results are studied. Also a new scheduling algorithm for crossbar switch fabrics named “The Optimized Prioritized iSLIP” is introduced which has much better performance than its previous versions.
با گسترش تعداد كاربران اينترنت و نياز به پهناي باند بيشتر از سوي آنها، تقاضا براي استفاده از سرويسهاي اينترنت با سرعت رو به افزايش است و تهيه كننده هاي سرويس اينترنت براي برآورده سازي اين تقاضا ها احتياج به سوئيچ هاي با ظرفيت بيشتر دارند ]1[.
در اين ميان تلاشهاي زيادي نيز براي دستيابي به كيفيت سرويس بهتر در حال انجام ميباشد. فنآوریATM[1] نيز كه به اميد حل اين مشكل عرضه شد، بعلت گسترش و محبوبيتIP[2] نتوانست جاي آن را بگيرد و هم اكنون مساله مجتمع سازي IP و ATM نيز به يكي از موضوعات مطرح در زمينه شبكه تبديل شده است.
در اين فصل به معرفي مسائل و مشكلات مربوط به كيفيت سرويس و مجتمع سازي IP و ATM مي پردازيم و راه حلهاي ارائه شده از جمله MPLS [3] رابررسي خواهيم نمود.
سرويسي كه شبكه جهاني اينترنت به كاربران خود ارائه داده است، سرويس بهترين تلاش4 بوده است. يكي از معايب اصلي اين سرويس اين است كه با وجود اينكه مسيريابهاي شبكه به خوبي قادر به دريافت و پردازش بسته هاي ورودي مي باشند ولي هيچگونه تضميني در مورد سالم رسيدن بسته ها به مقصد وجود ندارد. با توجه به رشد روز افزون استفاده از اينترنت و به خصوص با توجه به اشتياق زياد به اينترنت به عنوان ابزاري براي گسترش تجارت جهاني، تلاش هاي زيادي جهت حفظ كيفيت سرويس (QoS)[4] در اينترنت در حال انجام مي باشد. در اين راستا در حال حاضر كلاس هاي سرويس متنوعي مورد بحث و توسعه مي باشند. يكي از كلاس هاي سرويس فوق ، به شركت ها و مراكز ارائه سرويس هاي web كه نياز به ارائه سرويس هاي سريع و مطمئن به كاربران خود دارند، اختصاص دارد.
يكي ديگر از كلاس هاي سرويس جديد در اينترنت ، به سرويس هايي كه نياز به تاخير و تغييرات تاخير كمي دارند، اختصاص دارد. سرويس هايي نظير تلفن اينترنتي[5] و كنفرانسهاي تصويري اينترنتي نمونه اي از سرويس هاي اين كلاس سرويس مي باشند.
براي نيل به سرويس هاي جديد فوق، عده اي براين عقيده هستند كه در آينده اي نزديك تكنولوژي فيبر نوري و WDM[6] آنقدر رشد خواهد كرد كه اينترنت به طور كامل بر مبناي آن پياده سازي خواهد شد و عملا مشكل پهناي باند و همچنين تضمين كيفيت سرويس وجود نخواهد داشت. عقيده دوم كه ظاهرا درست تر از عقيده اول مي باشد، اين است كه با وجود گسترش فنآوریهاي انتقال و افزايش پهناي باند، هنوز به مكانيسم هايي براي تضمين كيفيت سرويس كاربران نياز مي باشد. در حال حاضر اكثر توليد كنندگان مسيرياب ها و سوئيچ هاي شبكه اينترنت، در حال بررسي و افزودن مكانيسمهايي براي تضمين كيفيت سرويس در محصولات خود مي باشند.
از سوي سازمان جهاني IETF[7] مدل ها و مكانيسم هاي مختلفي براي تضمين كيفيت سرويس مورد تقاضاي كاربران ارائه شده است. برخي از مهمترين اين مدل ها عبارتند از:
- پروتكل رزرو منابع در اينترنت RSVP[8]
- سرويس هاي متمایز DS[9]
- مهندسي ترافيك
- سوئيچنگ برچسب چندين پروتكل MPLS
در قسمتهاي بعدي به طور خلاصه با هر يك از مدل هاي فوق آشنا مي شويم .
1-2-1- پروتكل رزور منابع در اينترنت
پروتكل RSVP به عنوان يك پروتكل سيگنالينگ براي رزرو منابع در اينترنت استفاده مي شود. در شكل 1-1 مثالي از عمليات سيگنالينگ RSVP نشان داده شده است. مطابق با شكل فوق، فرستنده ابتدا پيام PATH را ارسال مي دارد. در اين پيام مشخصات و پارامترهاي ترافيكي فرستنده موجود مي باشد. هر مسيرياب شبكه با دريافت پيام PATH با كمك جدول مسيريابي خود پيام را هدايت نموده تا اينكه پيام به مقصد نهايي برسد. گيرنده نهايي بعد از دريافت پيام PATH، پيام RESV را از خود عبور داده و منابع لازم شامل پهناي باند و فضاي بافر را به ارتباط جديد اختصاص مي دهد. چنانچه يكي از مسيرياب هاي موجود در مسير، قادر به قبول پيام RESV نباشد، آنرا رد نموده و پيام خطايي به گيرنده ارسال مي نمايد و سپس عمليات سيگنالينگ خاتمه مي يابد. با قبول پيام RESVاز جانب هر مسير ياب موجود در مسير، اطلاعات وضعيت مربوط به جريان ترافيكي فوق ثبت مي شود .
شكل 1-1- مثالي از عمليات سيگنالينگ RSVP
با ورود هر بسته به مسيرياب هاي شبكه، واحد طبقه بندي كننده، بسته ورودي را به يك كلاس خاص طبقه بندي نموده و سپس بسته ورودي را در يك صف خاص قرار مي دهد. عمليات زمانبندي بسته ها در هر صف موجود در مسيرياب، توسط واحد زمان بند بسته طوري انجام مي گردد كه كيفيت سرويس مورد نظر تامين شود. اين سرويس داراي مشكلات زير مي باشد:
1- ميزان اطلاعات وضعيت متناسب با تعداد جريان هاي ترافيكي افزايش مي يابد. بنابراين براي نگهداري اطلاعات وضعيت در مسيرياب ها نياز به حافظه زيادي مي باشد. همچنين بالاسري[10] عمليات مسير ياب ها به شدت افزايش مي يابد. لذا قابليت مقياس پذيري در ساختار سرويس هاي مجتمع به هيچ وجه مشاهده نمي گردد .
2- هر مسير ياب نياز به پروتكل RSVP، روتين كنترل كننده دسترسي، طبقه بندي كننده جريان ترافيكي و زمان بند بسته دارد . بنابراين مي توان گفت كه در سرويس هاي مجتمع وظايف پردازشي مسيرياب ها به شدت زياد مي باشد.
به خاطر مشكلات پياده سازي و توسعه سرويس هاي مجتمع كه در بالا به آنها اشاره شد، سرويس هاي متمایز ارائه گرديدند . همانطور كه مي دانيم درسر فصل بسته هاي IPv4 فيلد يك بايتي به نام نوع سرويس (ToS)[11] وجود دارد. در اين فيلد سه بيت مختلف وجود دارد كه برنامه هاي كاربردي با استفاده از اين سه بيت قادر به تعيين نيازهاي خود مي باشند. سه بيت فوق عبارتند از:
- بيت D : نياز به تاخير كم
- بيت R :نياز به نرخ اتلاف كم (اطمينان بالا)
- بيت T : نياز به گذردهي بالا
در سرويس هاي متمایز، فيلد نوع سرويس به فيلد DS تغيير نام كرده است. با كد گذاري هاي مختلف فيلد DS و پردازش بسته ها براساس مقدار فيلد فوق، مي توان كلاس هاي سرويس متمایزي را ايجاد نمود.
براي دسترسي به سرويس هاي متمایز، لازم است كه كاربران شبكه به يك توافق سطح سرويس (SLA)[12] با سرويس دهنده هاي اينترنت ((ISP[13]، برسند . كلاس هاي مختلف سرويس و ميزان ترافيك هر كلاس در SLA مشخص مي شود. SLA مي تواند به يكي از دو صورت ثابت [14] و پويا [15] بيان شود. در نوع ثابت توافق ترافيكي بين كاربر و ISP ثابت مي باشد، در حاليكه در نوع پويا با استفاده از پروتكل های سيگنالينگ (مثل RSVP ) سرويس مورد نظر كاربر متناسب با تقاضاي آن قابل تنظيم مي باشد. براساس SLA توافق شده بين كاربر و شبكه، در مدخل ورودي به شبكه، بستههاي ورودي كاربران طبقه بندي، نظارت و در صورت لزوم شكل دهي مي گردند. همچنين ميزان بافر مورد نياز جريان ترافيكي كاربر از اطلاعات موجود در SLA استخراج مي گردد.
با كمك عمليات طبقه بندي، نظارت، شكل دهي و زمانبندي كه در DS اجرا مي گردد، مي توان به سرويس هاي متمایز زير دسترسي پيدا نمود.
- سرويس هاي تشويقي [16] : براي كاربردهايي كه به تاخير و تغييرات تاخير كم نياز می باشد.
- سرويس هاي مطمئن[17] : براي كاربردهايي كه به اطمينان بالا نياز مي باشد.
- سرويس هاي المپيك : اين سرويس ها خود به سه دسته سرويس هاي طلايي ، نقرهاي و برنزي تقسيم بندي مي شوند كه به ترتيب كيفيت سرويس كاهش مي يابد.
بين استفاده از سرويس هاي متمایز و RSVP تفاوت هاي زير وجود دارد:
از آنجائيكه در سرويس هاي متمایز تعداد كلاس هاي سرويس كه توسط فيلد DS مشخص مي شود بسيار محدود است، بنابراين برخلاف سرويس هاي مجتمع، ميزان اطلاعات وضعيت متناسب با تعداد كلاس هاي سرويس مي باشد نه تعداد جريان هاي ترافيكي. اين امر منجر به قابليت مقياس پذيري بالاتر سرويس هاي متمایز نسبت به سرويس هاي مجتمع مي گردد.
عمليات طبقه بندي، نشانه گذاري، نظارت و شكل دهي فقط در مرز شبكه بايد انجام شود. بنابراين پياده سازي و اعمال سرويس هاي متمایز ساده تر از سرويس هاي مجتمع مي باشد.
براي پياده سازي سرويس هاي مطمئن، ابتدا توسط مسيرياب ورودي شبكه عمليات طبقه بندي و نظارت صورت مي گيرد. چنانچه ترافيك ورودي از آنچه كه در SLA آمده است، بيشتر باشد در اين صورت ترافيك ورودي متخلف مي باشد، در غير اين صورت نامتخلف است. تمام بسته هاي ورودي و خروجي در يك صف قرار مي گيرند و برروي آنها مديريت صف صورت مي گيرد .
سرويس هاي تشويقي براي كاربراني كه ترافيك توليدي آنها داراي حداكثر نرخ بيت ثابت مي باشد، تاخير و تغييرات تاخير كمي را تضمين مي نمايد. هر كاربر داراي يك توافق ترافيكي SLA با سرويس دهنده خود مي باشد. در SLA حداكثر نرخ بيت مجاز كاربر قيد شده است و كاربر موظف به رعايت آن مي باشد. چنانچه نرخ بيت ارسال كاربر از حداكثر مجاز تجاوز نمايد، در اين صورت ترافيك هاي اضافي از بين مي روند. شبكه نيز متعهد مي شود كه پهناي باند مورد نياز كاربر را تامين نمايد. در كاربردهايي نظير تلفن اينترنتي، كنفرانس ويدئوئي، ايجاد خطوط استيجاري و مجازي و VPN[18] از سرويس هاي تشويقي استفاده مي شود.
عواملي نظير كمبود منابع كافي در شبكه و همچنين توزيع نادرست بار ترافيكي در شبكه، باعث ايجاد تراكم در شبكه مي گردد. چنانچه منابع كافي در شبكه موجود نباشد در اين صورت تمام مسير ياب هاي موجود در شبكه دچار تراكم و ازدحام بار مي شوند كه تنها راه حل مناسب آن، افزودن منابع ديگر به شكبه مي باشد. اگر بار ترافيكي به طور مناسب و صحيح در شبكه توزيع نشود در اين صورت برخي از مناطق شبكه دچار تراكم مي شوند در حاليكه در برخي نقاط ديگر هيچگونه تراكمي مشاهده نمي شود. از آنجاييكه اكثر پروتكل هاي مسير يابي ديناميكي از الگوريتم كوتاهترين فاصله استفاده مي نمايند، بنابراين امكان ايجاد تراكم در برخي مسيرها و عدم وجود تراكم در مسيرهاي ديگر شبكه وجود دارد . البته روش بهبود يافته ECMP [19]به شرط آنكه بيش از يك مسير به عنوان كوتاهترين مسيرها موجود باشد، تا حدي مشكل فوق را در پروتكل مسيريابي ديناميكي OSPF [20]حل مي نمايد. همچنين به عنوان يك راه حل ديگر ميتوان هزينه هر خط شبكه را به صورت دستي تغيير داد تا عمليات تقسيم بار صورت گيرد اما طبيعي است اين راه حل براي شبكههاي وسيع عملي نميباشد .
با كمك روال هايي كه در مهندس ترافيك در نظر گرفته شده است، ميتوان تا حد زيادي از ايجاد تراكم در شبكه جلوگيري نمود. مسير يابي مبتني بر اضطرار (CBR)[21] يك روش براي مهندسي ترافيك و جلوگيري از تراكم در شبكه است كه به شرح آن مي پردازيم .
در مسيريابي مبتني بر اضطرار با استفاده از چندين پارامتر مختلف، مسيرهاي موجود بين مبدا و مقصد محاسبه مي شوند. در حقيقت مسيريابي مبتني بر اضطرار تكميل يافته مسيريابي مبتني بر كيفيت سرويس مي باشد. در مسيريابي QoS كليه مسيرهايي كه كيفيت سرويس مورد نظر كاربر را برآورده مي نمايد محاسبه مي شوند . در مسيريابي مبتني بر اضطرار ساير محدوديت هاي شبكه نظير نظارت بر ترافيك نيز درنظر گرفته شده است. با استفاده از مسير يابي مبتني بر اضطرار، امكان انتخاب مسيرهايي با كيفيت سرويس مورد نظر و همچنين افزايش ميزان بهره وري شبكه فراهم مي آيد. در مسيريابي مبتني بر اضطرار در هنگام محاسبه مسيرهاي موجود نه تنها توپولوژي شبكه بلكه پارامترهاي ديگري نظير نيازهاي جريان هاي ترافيكي، ميزان ظرفيت موجود در خط هاي شبكه و ساير نظارت هاي لازم كه توسط مدير شبكه تعيين ميشود، در نظر گرفته مي شوند. بنابراين در وحله اول ممكن است كه مسير محاسبه شده توسط مسير يابي مبتني بر اضطرار طولاني تر از مسيرهاي ديگر باشد ولي مطمئنا مسير محاسبه شده داراي سبكترين بار ترافيكي بوده و نيازهاي كاربر را به خوبي برآورده مي نمايد.
همانند پروتكل هاي مسيريابي ديناميكي، براي محاسبه بهترين مسير ممكن توسط الگوريتم مبتني بر اضطرار بايد مسير ياب هاي شبكه به طور متناوب اطلاعات وضعيت خط را بين يكديگر مبادله نمايند .
در مسيريابي مبتني بر اضطرار مشابه ساير روش هاي مسيريابي، اولين مسئله مهم انتخاب متريك مورد نظر براي مسيرهاي موجود در شبكه مي باشد. متريك هاي متداول در مسير يابي مبتني بر اضطرار عبارتند از: هزينه[22] تعداد پرش ها[23]، پهناي باند، اطمينان، تاخير و تغييرات تاخير مسير انتخاب شده. الگوريتم هاي مسير ياب، يك يا چند متريك فوق را بهينه مي نمايند.
چنانچه از چندين متريك فوق به صورت تركيبي براي محاسبه مسير بهينه استفاده شود، در اين صورت پيچيدگي عمليات توليد جداول مسير يابي به شدت زياد مي گردد. اگر از متريك هاي پهناي باند و يا تعداد پرش در محاسبه مسير بهينه استفاده شود، در اين صورت به خاطر وجود الگوريتم هايي نظير الگوريتم Dijestra و Bellman-Ford محاسبات مسيريابي نسبتا ساده ميباشد. در مسيريابي مبتني بر اضطرار فركانس محاسبه مسيرها به مراتب نسبت به ساير روش هاي ديناميكي بيشتر مي باشد. دليلي كه مي توان براي اين مطلب آورد اين است كه در مسير يابي ديناميكي تنها با تغيير توپولوژي شبكه، مسيرهاي جديد محاسبه مي شوند ولي در مسير يابي مبتني بر اضطرار، تغييرات پهناي باند نيز منجر به محاسبه مسيرهاي جديددر جدول مسيريابي مي گردد. بنابراين مي توان نتيجه گرفت كه پيچيدگي روش مسير يابي مبتني بر اضطرار به مراتب بيشتر از مسيريابي ديناميكي مي باشد. براي محاسبه جداول مسير يابي و كاهش پيچيدگي مسيريابي مبتني بر اضطرار، مي توان از روش هاي پيشنهادي زير استفاده نمود:
- استفاده از يك تايمر طولاني براي كاهش فركانس محاسبات.
- استفاده ازمرتيك هاي پهناي باند و تعداد جهش .
- استفاده از سياست هاي مديريت براي حذف برخي از خط هايي كه به هر دليل مورد قبول نمي باشند. مثلا اگر يك ارتباط نياز به تاخير كم داشته باشد، قبل از انجام مسيريابي ابتدا تمام خط هايي كه تاخير بالايي دارند حذف مي شوند و سپس مسيريابي انجام مي گردد.
ذكر اين نكته ضروري مي باشد كه مسيريابي مبتني بر اضطرار داراي مشكلات زيادي است كه عبارتند از:
- بالا سري زياد در محاسبه مسير.
- افزايش اندازه جدول مسيريابي.
- احتمال عدم پايداري.
- بهينه نبودن مسير انتخابي از نظر ميزان مصرف منابع .
1-2-4- سوئيچنگ برحسب چندين پروتكل
در پروتكل MPLS به بسته هاي ورودي به شبكه يك برچسب كوتاه الحاق مي گردد و سپس با توجه به مقدار برچسب فوق، عمليات مسيريابي در درون شبكه انجام مي شود. در بخش هاي بعدي توضيحات كامل در مورد پروتكل MPLS ارائه خواهد شد.
1- Asynchoronous Transfer Mode
3- Multi-Protocol Label Switching
4- Best effort
4- Internet Engineering Task Force
5- Resource Reservation Protocol
[14] – Static
[15] – Dynamic
[16] – Premium
[17] – Assured
[19]– Equal Cost Multipath
[22]– cost
[23]– hops
نقد و بررسیها
هنوز بررسیای ثبت نشده است.