بررسی مدل سازی و شبیه سازی سوئیچ MPLS و بررسی مقایسه ای نرم افزارهای موجود - پایان نامه بررسی مدل سازی و شبیه سازی سوئیچ MPLS و بررسی مقایسه ای نرم افزارهای موجود در 100 صفحه ورد قابل ویرایش
پایان نامه بررسی مدل سازی و شبیه سازی سوئیچ MPLS و بررسی مقایسه ای نرم افزارهای موجود در 100 صفحه ورد قابل ویرایش
فهرست
عنوان صفحه
فصل اول: کیفیت سرویس و فنآوری های شبکه 1
1-1- مقدمه 1
1-2- کیفیت سرویس در اینترنت 1
1-2-1- پروتکل رزور منابع در اینترنت 3
1-2-2- سرویس های متمایز 4
1-2-3- مهندسی ترافیک 6
1-2-4- سوئیچنگ برحسب چندین پروتکل 9
1-3- مجتمع سازی IP و ATM 9
1-3-1- مسیریابی در IP 12
1-3-2- سوئیچینگ 13
1-3-3- ترکیب مسیریابی و سوئیچینگ 14
1-3-4- MPLS 20
فصل دوم: فنآوریMPLS 23
2-1- مقدمه 23
2-2- اساس کار MPLS 24
2-2-1- پشته برچسب 26
2-2-2- جابجایی برچسب 27
2-2-3- مسیر سوئیچ برچسب (LSR) 27
2-2-4- کنترل LSP 29
2-2-5- مجتمع سازی ترافیک 30
2-2-6- انتخاب مسیر 30
2-2-7- زمان زندگی (TTL) 31
2-2-8- استفاده از سوئیچ های ATM به عنوان LSR 32
2-2-9- ادغام برچسب 32
2-2-10- تونل 33
2-3- پروتکل های توزیع برچسب در MPLS 34
فصل سوم: ساختار سوئیچ های شبکه 35
3-1- مقدمه 35
3-2- ساختار کلی سوئیچ های شبکه 35
3-3- کارت خط 40
3-4- فابریک سوئیچ 42
3-4-1- فابریک سوئیچ با واسطه مشترک 43
3-4-2 فابریک سوئیچ با حافظه مشترک 44
3-4-3- فابریک سوئیچ متقاطع 45
فصل چهارم: مدلسازی و شبیهسازی یک سوئیچ MPLS 50
4-1- مقدمه 50
4-2- روشهای طراحی سیستمهای تک منظوره 50
4-3- مراحل طراحی سیستمهای تک منظوره 52
4-3-1- مشخصه سیستم 53
4-3-2- تایید صحت 53
4-3-3- سنتز 54
4-4 – زبانهای شبیه سازی 54
4-5- زبان شبیه سازی SMPL 56
4-5-1- آماده سازی اولیه مدل 58
4-5-2 تعریف و کنترل وسیله 58
4-5-3 – زمانبندی و ایجاد رخدادها 60
4-6- مدلهای ترافیکی 61
4-6-1- ترافیک برنولی یکنواخت 62
4-6-2- ترافیک زنجیره ای 62
4-6-3- ترافیک آماری 63
4-7- مدلسازی کارت خط در ورودی 64
عنوان صفحه
4-8- مدلسازی فابریک سوئیچ 66
4-8-1- الگوریتم iSLIP 66
4-8-2- الگوریتم iSLIP اولویت دار 71
4-8-3- الگوریتم iSLIP اولویت دار بهینه 76
4-9- مدلسازی کارت خط در خروجی 79
4-9-1 – الگوریتم WRR 80
4-9-2- الگوریتم DWRR 81
4-10- شبیه سازی کل سوئیچ 82
4-11- کنترل جریان 90
فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات 93
5-1- مقدمه 93
5-2- نتیجه گیری 93
5-3- پیشنهادات 94
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.
فصل اول
کیفیت سرویس و فنآوری های شبکه
1-1- 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 ]1[.
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.
1-2- کیفیت سرویس در اینترنت
سرویسی که شبکه جهانی اینترنت به کاربران خود ارائه داده است، سرویس بهترین تلاش 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:
1- پروتکل رزرو منابع در اینترنت RSVP
2- سرویس های متمایز DS
3- مهندسی ترافیک
4- سوئیچنگ برچسب چندین پروتکل MPLS
در قسمتهای بعدی به طور خلاصه با هر یک از مدل های فوق آشنا می شویم .
فصل دوم
فنآوریMPLS
2-1- مقدمه
همانطور که در فصل قبل اشاره شد، در شبکه های بدون اتصال، هنگامی که بسته های ارسالی از مسیریاب های درون شبکه به سمت مقصد عبور می نمایند، هر مسیریاب براساس اطلاعات موجود در سرفصل بسته ها و با کمک الگوریتم مسیریابی لایه شبکه، بسته ورودی را پردازش نموده و پرش بعدی یا به عبارتی مسیریاب بعدی را که بسته باید به آن ارسال شود، تعیین می نماید. البته اطلاعات موجود در سرفصل بسته ها به مراتب از آنچه که فقط برای مسیریابی لازم است، بیشتر می باشد.
می توان عملیات مسیریابی و تعیین پرش بعدی بسته ها را ترکیبی از دو عملیات مختلف تصور نمود. عملیات اول، دسته بندی بسته های ورودی به یکسری کلاس های معادل هدایت به جلو (FEC) می باشد. دومین عملیات، نگاشت هر FEC به یک پرش بعدی است. طبیعی است که تمامی بسته هایی که به یک FEC یکسان نگاشت می یابند، از یک مسیر واحد عبور کرده تا به مقصد برسند. در الگوریتم های مسیریابی متداول IP، چنانچه دو بسته دارای پیشوند آدرس مقصد یکسان باشند، در این صورت از یک مسیر برای رسیدن به مقصد عبور می نمایند.
در شبکه های MLPS، با کمک مسیریابهای برچسبی موجود در لبه شبکه LER))، بستههای ورودی به یک کلاس FEC خاص نگاشت می یابند و سپس هر FEC به یک مقدار عددی ثابت که آن را برچسب می نامیم، نگاشت می یابد. بعد از اینکه بسته های ورودی به شبکه، توسط LER برچسب زده شدند، بسته های برچسب زده شده وارد شبکه میشوند. مسیریاب های موجود در درون شبکه MLPS که به LSR مشهور می باشند، هیچگونه پردازشی بر روی اطلاعات موجود در سرفصل لایه سوم بسته ها نمی نمایند بلکه فقط با توجه به مقدار برچسب هر بسته و با کمک جدول هدایت به جلو اقدام به تعیین پرش بعدی بسته می نمایند. با توجه به این مطلب، در مقایسه با مسیریابی در سطح لایه شبکه که در شبکه های معمولی استفاده می شود، MLPS دارای مزایای زیر می باشد:
1- می توان با استفاده از سوئیچ هایی که فقط براساس مقدار یک فیلد خاص، عملیات سوئیچینگ را انجام می دهند (مانند سوئیچ های ATM) عملیات ارسال و هدایت بسته ها را در MPLS، انجام داد.
2- از آنجاییکه هر بسته ورودی به شبکه MPLS، به یک کلاس FEC خاص نگاشت مییابد، بنابراین مسیریاب های موجود در لبه شبکه می توانند از هر گونه اطلاعات موجود در مورد بسته های ورودی برای تعیین و تخصیص کلاس FEC یکسان استفاده نمایند.
3- چنانچه یک بسته ورودی واحد را از طریق دو مسیریاب متفاوت وارد شبکه MPLS نماییم، در اینصورت برچسبی را که دو مسیریاب به بسته ورودی تخصیص می دهند متفاوت با یکدیگر خواهد بود که این مطلب در پروتکل های متداول مسیریابی لایه سوم مشاهده نمی شود .
4- هر قدر عملیات تخصیص و نگاشت کلاس های FEC به بسته های ورودی پیچیده باشد، هیچگونه تاثیری بر روی عملکرد مسیریاب های درون شبکه نمی گذارد.
5- مسیریاب های متداول موجود، با دریافت هر بسته ورودی به پردازش اطلاعات موجود در سرفصل آن می پردازند. البته این کار فقط برای تعیین پرش بعدی نمی باشد بلکه از آن برای استخراج سایر اطلاعات مورد نیاز نظیر اولویت و کلاس سرویس بسته استفاده میشود. همانطور که قبلا نیز اشاره شد، در MPLS میتوان اطلاعات اولویت و کلاس سرویس بسته ها را در برچسب بسته قرار داد .
1- قسمت هدایت به جلو
قسمت کنترل کارهای مسیریابی، تعیین جداول مربوط به تبادل برچسب، مهندسی ترافیک و انجام مذاکرات مربوط به تضمین کیفیت سرویس را بر عهده دارد و می تواند به سه صورت متفاوت وجود داشته باشد:
1- کارت کنترلی سوئیچ
2- کارت مجزا در داخل محفظه سوئیچ
3- سخت افزار مجزا
قسمت کنترل یک سوئیچ به هر کدام از سه صورت فوق که باشد با استفاده از پروتکلهای مسیریابی و توزیع برچسب مانند OSPF,RSVP,CR-LDP,LDP و … اطلاعات کنترلی را استخراج کرده و بسته های کنترلی را از طریق خط های سیگنالینگ (که در هر پورت مشخص می باشد) برای قسمتهای کنترل سوئیچ های دیگر شبکه ارسال میدارد. هنگامی که یک بسته کنترلی وارد سوئیچ می شود برخلاف دیگر بسته های اطلاعاتی که باید از فابریک سوئیچ عبور کنند، تحویل قسمت کنترلی می شود تا با سر هم کردن این بسته ها، اطلاعات کنترلی استخراج شود.
قسمت هدایت به جلو وظیفه هدایت بسته های اطلاعاتی در داخل شبکه را برعهده دارد و دارای دو قسمت اصلی می باشد:
1- کارت خط
2- فابریک سوئیچ
در وردی سوئیچ ، کارت خط بسته های اطلاعاتی را از خط انتقال دریافت می کند و در اینجا عملیات پردازش لایه فیزیکی و سپس لایه دو روی بسته ها و شکستن آنها به بستههای لایه سه انجام می گیرد. سپس عملیات مربوطه به بررسی بستهها، چک کردن حوزه TTL، تبادل برچسب، کلاس بندی بسته ها و شکستن بسته ها به سلولهای با اندازه ثابت برای انجام عملیات سوئیچینگ در فابریک سوئیچ، انجام می گیرد.
در خروجی سوئیچ ، کارت خط سلولها را از فابر یک سوئیچ تحویل می گیرد و پس از سرهم کردن و تبدیل آنها به بسته های لایه سوم، آنها را با توجه به کلاس سرویشان روی زمانبند خروجی برای ارسال روی مدولاتورهای لایه دو سپس لایه فیزیکی می فرستد.
فابریک سوئیچ نیز قسمتی است که سلولها را روی پورت های ورودی خود دریافت می کند و با توجه به الگوریتم زمانبندیش آنها را روی پورت خروجی مربوطه قرار می دهد.
ساختار قسمت هدایت به جلوی سوئیچ تغییراتی را با گذشت زمان به خود دیده است ]5[. عواملی مانند هزینه ساخت، تعداد پورتها، کارآیی مورد نیاز و تکنولوژی موجود همواره تعیین کننده نوع ساختار سوئیچ بوده اند. ولی همواره سه مسیر تکاملی مشخص در ساختار سوئیچ ها به چشم می خورد. اول پیاده سازی هر چه بیشتر قسمتهای مختلف در سخت افزار با گذشت زمان می باشد. این مساله با توجه به نیاز به دستیابی به سرعت بیشتر و پیشرفتهای چشمگیر در تکنولوژی CMOS و قابلیت پیاده سازی قسمتهای مختلف به صورت قطعات ASIC قابل توجیه می باشد. دوم تمایل به استفاده از موازی سازی برای دستیابی به کارآیی بیشتر می باشد و سوم آنکه با گذشت زمان همواره سعی شده است که استفاده از گذرگاههای مشترک کنار گذاشته شود زیرا گذرگاههایی که بین چند بخش بصورت مشترک استفاده می شوند اغلب با مشکل تراکم مواجه می شوند و کارآیی سیستم را کم می کنند. ساختارهای مختلف برای قسمت هدایت به جلو در شکل 3-1 نشان داده شده اند. اولین نوع ساختار که در شکل 3-1 الف نشان داده شده است شامل یک گذرگاه مرکزی مشترک، یک CPU مرکزی، حافظه و کارتهای خط اطراف آن میباشد.
فصل چهارم
مدلسازی یک سوئیچ MPLS
4-1- مقدمه
در این فصل ابتدا به بررسی روشهای طراحی سیستمهای تک منظوره (که سوئیچ های شبکه هم نوعی از آنها می باشند) و زبانهای برنامه نویسی که بدین منظور بکار می روند می پرذازیم ]10[ و سپس به معرفی زبان SMPL می پردازیم. در ادامه به ارائه مدلی برای سوئیچ MPLS خواهیم پرداخت.
در فصلهای گذشته دیدیم که MPLS قابلیت مجتمعسازی هر نوع فنآوری لایه سوم (که عموماً IP میباشد) را با هر نوع فنآوری لایه دوم دارا میباشد. از آنجا که سیاست کلی مخابرات ایران، استفاده از فن آوریهای مبتنی بر ارسال فریم در لایه دوم میباشد، در این پروژه فنآوری لایه دوم PPP در نظر گرفته شده است. همچنین بعلت اینکه مدولاتورها و دمدولاتورهای لایه فیزیکی و لایه دو در حال حاضر در دسترس عموم قرار دارد، در مدلسازی کارت خط از پردازش های لایه فیزیکی و لایه دو صرفنظر کرده و مبنای شبیهسازی را بر دریافت و ارسال بستههای IP (همراه با سرفصل Shim) میگذاریم. در صورت استفاده از فنآوریهای مبنی بر ارسال سلول مثل ATM، این مدل سوئیچ با اعمال تغییراتی میتواند برای شبیهسازی مورد استفاده قرار بگیرد.
4-2- روشهای طراحی سیستمهای تک منظوره
بطور کلی به سیستمهایی که دارای عملکرد ثابت می باشند و برای یک کاربرد خاص طراحی و ساخته می شوند، سیستمهای تک منظوره گفته می شود. این سیستمها دارای بخشهای نرم افزاری و سخت افزاری دیجیتال و حتی آنالوگ می باشد. با توجه به پیشرفتهایی که در صنعت ساخت تراشه ها بوجود آمده است، پیچیدگی سیستمهای تک منظوره بسیار زیاد شده است که نهایتاً به تغییراتی در روشهای طراحی آنها منجر شده است.
روش طراحی قدیمی به این صورت بود که مشخصات سیستم به صورت دستی و بازبانهای طبیعی مانند انگلیسی تهیه می شد و طراح سیستم بنا به تجربه و مهارت خود، این مشخصات را به بخشهای مختلف نرم افزار و سخت افزار تقسیم بندی می نمود و بخشهای مختلف را به متخصصین مربوطه تحویل می داد. ابتدا طراحان سخت افزار مشخصات بخش سخت افزار را به زبانهایی مانند Verilog و یا VHDL تبدیل مینمودند و سپس عملیات سنتز توسط ابزارهای طراحی با کمک کامپیوتر (CAD) انجام میگرفت. با آماده شدن نمونه اولیه سخت افزار، این نسخه تحویل مهندس نرم افزار گردیده و کارنرم افزار نویسی آغاز می شد و بعد از عملیات سنتز و کامپایل کردن نرم افزار، کد بر روی پروسسور سیستم اجرا می شد و سرانجام عملیات مجتمع کردن سیستم انجام می شد .
مشخصات فروشنده
نام و نام خانوادگی : مجتبی خادم پیر
شماره تماس : 09151803449 - 05137530742
ایمیل :info@payfile.org
سایت :payfile.org