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

 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.
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 ]۱[.
در این میان تلاشهای زیادی نیز برای دستیابی به کیفیت سرویس بهتر در حال انجام می‌باشد. فنآوریATM[1] نیز که به امید حل این مشکل عرضه شد، بعلت گسترش و محبوبیتIP[2] 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 [3] 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)[4] 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[۵] 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[6] 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[7] 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[8]
2-    سرویس های متمایز  DS[9]
3-    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 .
با ورود هر بسته به مسیریاب های شبکه، واحد طبقه بندی کننده، بسته ورودی را به یک کلاس خاص طبقه بندی نموده و سپس بسته ورودی را در یک صف خاص قرار می دهد. عملیات زمانبندی بسته ها در هر صف موجود در مسیریاب، توسط واحد زمان بند بسته طوری انجام می گردد که کیفیت سرویس مورد نظر تامین شود. این سرویس دارای مشکلات زیر می باشد:
۱- میزان اطلاعات وضعیت متناسب با تعداد جریان های ترافیکی افزایش می یابد. بنابراین برای نگهداری اطلاعات وضعیت در مسیریاب ها نیاز به حافظه زیادی می باشد. همچنین بالاسری[۱] عملیات مسیر یاب ها به شدت افزایش می یابد. لذا قابلیت مقیاس پذیری در ساختار سرویس های مجتمع به هیچ وجه مشاهده نمی گردد .
۲- هر مسیر یاب نیاز به پروتکل RSVP، روتین کنترل کننده دسترسی، طبقه بندی کننده جریان ترافیکی و زمان بند بسته دارد . بنابراین می توان گفت که در سرویس های مجتمع وظایف پردازشی مسیریاب ها به شدت زیاد می باشد

فصل اول: کیفیت سرویس و فنآوری های شبکه  ۱
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  ۲۳
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) 27
2-2-4- کنترل LSP  ۲۹
۲-۲-۵- مجتمع سازی ترافیک    ۳۰
۲-۲-۶- انتخاب مسیر  ۳۰
۲-۲-۷- زمان زندگی (TTL) 31
2-2-8- 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  ۵۰
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    ۹۳
۵-۱- مقدمه  ۹۳
۵-۲- نتیجه گیری   ۹۳
۵-۳- پیشنهادات    ۹۴
مراجع     ۹۵