پایان نامه مدلسازی و شبیه سازی سوئیچ MPLS و بررسی مقایسه ای نرم افزارهای موجود

مدلسازی و شبیه سازی سوئیچ MPLS و بررسی مقایسه ای نرم افزارهای موجود

دانشکده مهندسی برق – پایان نامه کارشناسی ارشد

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.

فصل اول

کیفیت سرویس و فنآوری های شبکه

۱-۱- مقدمه

با گسترش تعداد کاربران اینترنت و نیاز به پهنای باند بیشتر از سوی آنها، تقاضا برای استفاده از سرویسهای اینترنت با سرعت رو به افزایش است و تهیه کننده های سرویس اینترنت برای برآورده سازی این تقاضا ها احتیاج به سوئیچ های با ظرفیت بیشتر دارند

در این میان تلاشهای زیادی نیز برای دستیابی به کیفیت سرویس بهتر در حال انجام می‌باشد. فنآوریATM  نیز که به امید حل این مشکل عرضه شد، بعلت گسترش و محبوبیتIP  نتوانست جای آن را بگیرد و هم اکنون مساله مجتمع سازی IP و ATM نیز به یکی از موضوعات مطرح در زمینه شبکه تبدیل شده است.

در این فصل به معرفی مسائل و مشکلات مربوط به کیفیت سرویس و مجتمع سازی IP و ATM می پردازیم و راه حلهای ارائه شده از جمله MPLS   رابررسی خواهیم نمود.

۱-۲- کیفیت سرویس در اینترنت

سرویسی که شبکه جهانی اینترنت به کاربران خود ارائه داده است، سرویس بهترین تلاش۴ بوده است. یکی از معایب اصلی این سرویس این است که با وجود اینکه مسیریاب‌های شبکه به خوبی قادر به دریافت و پردازش بسته های ورودی می باشند ولی هیچگونه تضمینی در مورد سالم رسیدن بسته ها به مقصد وجود ندارد.

با توجه به رشد روز افزون استفاده از اینترنت و به خصوص با توجه به اشتیاق زیاد به اینترنت به عنوان ابزاری برای گسترش تجارت جهانی، تلاش های زیادی جهت حفظ کیفیت سرویس (QoS)  در اینترنت در حال انجام می باشد.

در این راستا در حال حاضر کلاس های سرویس متنوعی مورد بحث و توسعه می باشند. یکی از کلاس های سرویس فوق ، به شرکت ها و مراکز ارائه سرویس های web که نیاز به ارائه سرویس های سریع و مطمئن به کاربران خود دارند، اختصاص دارد.

یکی دیگر از کلاس های سرویس جدید در اینترنت ، به سرویس هایی که نیاز به تاخیر و تغییرات تاخیر کمی دارند، اختصاص دارد. سرویس هایی نظیر تلفن اینترنتی  و کنفرانس‌های تصویری اینترنتی نمونه ای از سرویس های این کلاس سرویس می باشند.

برای نیل به سرویس های جدید فوق، عده ای براین عقیده هستند که در آینده ای نزدیک تکنولوژی فیبر نوری و  WDM  آنقدر رشد خواهد کرد که اینترنت به طور کامل بر مبنای آن پیاده سازی خواهد شد و عملا مشکل پهنای باند و همچنین تضمین کیفیت سرویس وجود نخواهد داشت.

عقیده دوم که ظاهرا درست تر از عقیده اول می باشد، این است که با وجود گسترش فنآوریهای انتقال و افزایش پهنای باند، هنوز به مکانیسم هایی برای تضمین کیفیت سرویس کاربران نیاز می باشد. در حال حاضر اکثر تولید کنندگان مسیریاب ها و سوئیچ های شبکه اینترنت، در حال بررسی و افزودن مکانیسم‌هایی  برای تضمین کیفیت سرویس در محصولات خود می باشند.

از سوی سازمان جهانی IETF  مدل ها و مکانیسم های مختلفی برای تضمین کیفیت سرویس مورد تقاضای کاربران ارائه شده است. برخی از مهمترین این مدل ها عبارتند از:

۱-    پروتکل رزرو منابع در اینترنت RSVP
۲-    سرویس های متمایز  DS
۳-    مهندسی ترافیک
۴-    سوئیچنگ برچسب چندین پروتکل MPLS
در قسمتهای بعدی به طور خلاصه با هر یک از مدل های فوق آشنا می شویم .

۱-۲-۱- پروتکل رزور منابع در اینترنت

پروتکل RSVP به عنوان یک پروتکل سیگنالینگ برای رزرو منابع در اینترنت استفاده می شود. در شکل ۱-۱ مثالی از عملیات سیگنالینگ RSVP نشان داده شده است. مطابق با شکل فوق، فرستنده ابتدا پیام PATH را ارسال می دارد. در این پیام مشخصات و پارامترهای ترافیکی فرستنده موجود می باشد.

هر مسیریاب شبکه با دریافت پیام PATH با کمک جدول مسیریابی خود پیام را هدایت نموده تا اینکه پیام به مقصد نهایی برسد. گیرنده نهایی بعد از دریافت پیام PATH، پیام RESV را از  خود عبور داده و منابع لازم شامل پهنای باند و فضای بافر را به ارتباط جدید اختصاص می دهد.

چنانچه یکی از مسیریاب های موجود در مسیر، قادر به قبول پیام RESV نباشد، آنرا رد نموده و پیام خطایی به گیرنده ارسال می نماید و سپس عملیات سیگنالینگ خاتمه می یابد. با قبول پیام    RESVاز جانب هر مسیر یاب موجود در مسیر، اطلاعات وضعیت مربوط به جریان ترافیکی فوق ثبت می شود .

سوئیچ MPLS و بررسی مقایسه ای نرم افزارهای موجود

فهرست

فصل اول: کیفیت سرویس و فنآوری های شبکه   

۱-۱- مقدمه    ۱
۱-۲- کیفیت سرویس در اینترنت    ۱
۱-۲-۱- پروتکل رزور منابع در اینترنت    ۳
۱-۲-۲- سرویس های متمایز    ۴
۱-۲-۳- مهندسی ترافیک    ۶
۱-۲-۴- سوئیچنگ برحسب چندین پروتکل    ۹
۱-۳- مجتمع سازی IP و ATM    ۹
۱-۳-۱- مسیریابی در IP    ۱۲
۱-۳-۲- سوئیچینگ    ۱۳
۱-۳-۳- ترکیب مسیریابی و سوئیچینگ    ۱۴
۱-۳-۴- MPLS    ۲۰

فصل دوم: فنآوریMPLS

۳
۲-۱- مقدمه    ۲۳
۲-۲- اساس کار MPLS    ۲۴
۲-۲-۱- پشته برچسب    ۲۶
۲-۲-۲- جابجایی برچسب    ۲۷
۲-۲-۳- مسیر سوئیچ برچسب (LSR)    ۲۷
۲-۲-۴- کنترل LSP    ۲۹
۲-۲-۵- مجتمع سازی ترافیک    ۳۰
۲-۲-۶- انتخاب مسیر    ۳۰
۲-۲-۷- زمان زندگی (TTL)    ۳۱
۲-۲-۸- استفاده از سوئیچ های ATM به عنوان LSR    ۳۲
۲-۲-۹- ادغام برچسب     ۳۲
۲-۲-۱۰- تونل    ۳۳

۲-۳- پروتکل های توزیع برچسب در MPLS    ۳۴

فصل سوم: ساختار سوئیچ های شبکه    ۳۵

۳-۱- مقدمه    ۳۵
۳-۲- ساختار کلی سوئیچ های شبکه    ۳۵
۳-۳- کارت خط    ۴۰
۳-۴- فابریک سوئیچ    ۴۲
۳-۴-۱- فابریک سوئیچ با واسطه مشترک    ۴۳
۳-۴-۲ فابریک سوئیچ با حافظه مشترک    ۴۴
۳-۴-۳- فابریک سوئیچ متقاطع    ۴۵

فصل چهارم: مدلسازی و شبیه‌سازی یک سوئیچ MPLS

۴-۱- مقدمه    ۵۰
۴-۲- روشهای طراحی سیستمهای تک منظوره    ۵۰
۴-۳- مراحل طراحی سیستمهای تک منظوره    ۵۲
۴-۳-۱- مشخصه سیستم    ۵۳
۴-۳-۲- تایید صحت    ۵۳
۴-۳-۳- سنتز    ۵۴
۴-۴ – زبانهای شبیه سازی    ۵۴
۴-۵- زبان شبیه سازی SMPL    ۵۶
۴-۵-۱- آماده سازی اولیه مدل    ۵۸
۴-۵-۲ تعریف و کنترل وسیله    ۵۸
۴-۵-۳ – زمانبندی و ایجاد رخدادها    ۶۰
۴-۶- مدلهای ترافیکی    ۶۱
۴-۶-۱- ترافیک برنولی یکنواخت    ۶۲
۴-۶-۲- ترافیک زنجیره ای    ۶۲
۴-۶-۳- ترافیک آماری    ۶۳
۴-۷- مدلسازی کارت خط در ورودی    ۶۴

۴-۸- مدلسازی فابریک سوئیچ    ۶۶
۴-۸-۱- الگوریتم iSLIP    ۶۶
۴-۸-۲- الگوریتم iSLIP اولویت دار    ۷۱
۴-۸-۳- الگوریتم iSLIP  اولویت دار بهینه    ۷۶
۴-۹- مدلسازی کارت خط در خروجی    ۷۹
۴-۹-۱ – الگوریتم WRR    ۸۰
۴-۹-۲- الگوریتم DWRR    ۸۱
۴-۱۰- شبیه سازی کل سوئیچ    ۸۲
۴-۱۱- کنترل جریان    ۹۰

فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات

۵-۱- مقدمه    ۹۳
۵-۲- نتیجه گیری    ۹۳
۵-۳- پیشنهادات    ۹۴
مراجع     ۹۵