کارشناسی ارشد
فهرست
عنوان                                                                                                       صفحه
فصل اول: کيفيت سرويس و فنآوری هاي شبكه    1
1-1- مقدمه    1
1-2- كيفيت سرويس در اينترنت    1
1-2-1- پروتكل رزور منابع در اينترنت    3
1-2-2- سرويس هاي متمایز    4
1-2-3- مهندسي ترافيك    6
1-2-4- سوئيچنگ برحسب چندين پروتكل    9
1-3- مجتمع سازي IP و ATM    9
1-3-1- مسيريابي در IP    12
1-3-2- سوئيچينگ    13
1-3-3- تركيب مسيريابي و سوئيچينگ    14
1-3-4- MPLS    20
فصل دوم: فنآوریMPLS    23
2-1- مقدمه    23
2-2- اساس كار MPLS    24
2-2-1- پشته برچسب    26
2-2-2- جابجايي برچسب    27
2-2-3- مسير سوئيچ برچسب (LSR)    27
2-2-4- كنترل LSP    29
2-2-5- مجتمع سازي ترافيك    30
2-2-6- انتخاب مسير    30
2-2-7- زمان زندگي (TTL)    31
2-2-8- استفاده از سوئيچ هاي ATM به عنوان LSR    32
2-2-9- ادغام برچسب 32
2-2-10- تونل    33
 
2-3- پروتكل هاي توزيع برچسب در MPLS    34
فصل سوم: ساختار سوئيچ هاي شبكه    35
3-1- مقدمه    35
3-2- ساختار كلي سوئيچ هاي شبكه    35
3-3- كارت خط    40
3-4- فابريك سوئيچ    42
3-4-1- فابريك سوئيچ با واسطه مشترك    43
3-4-2 فابريك سوئيچ با حافظه مشترك    44
3-4-3- فابريك سوئيچ متقاطع    45
فصل چهارم: مدلسازي و شبيه‌سازي يك سوئيچ MPLS    50
4-1- مقدمه    50
4-2- روشهاي طراحي سيستمهاي تك منظوره    50
4-3- مراحل طراحي سيستمهاي تك منظوره    52
4-3-1- مشخصه سيستم    53
4-3-2- تاييد صحت    53
4-3-3- سنتز    54
4-4 – زبانهاي شبيه سازي    54
4-5- زبان شبيه سازي SMPL    56
4-5-1- آماده سازي اوليه مدل    58
4-5-2 تعريف و كنترل وسيله    58
4-5-3 – زمانبندي و ايجاد رخدادها    60
4-6- مدلهاي ترافيكي    61
4-6-1- ترافيك برنولي يكنواخت    62
4-6-2- ترافيك زنجيره اي    62
4-6-3- ترافيك آماري    63
4-7- مدلسازی كارت خط در ورودي    64
عنوان                                                                                                        صفحه
4-8- مدلسازی فابريك سوئيچ    66
4-8-1- الگوريتم iSLIP    66
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
4-9-1 – الگوريتم WRR    80
4-9-2- الگوريتم DWRR    81
4-10- شبيه سازي كل سوئيچ    82
4-11- كنترل جريان    90
فصل پنجم: نتيجه گيری و پيشنهادات    93
5-1- مقدمه    93
5-2- نتيجه گيری    93
5-3- پيشنهادات    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
كيفيت سرويس و فنآوری هاي شبكه
1-1- مقدمه 
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  نيز كه به اميد حل اين مشكل عرضه شد، بعلت گسترش و محبوبيتIP  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   رابررسي خواهيم نمود.
 
 
1-2- كيفيت سرويس در اينترنت 
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)  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  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  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  مدل ها و مكانيسم هاي مختلفي براي تضمين كيفيت سرويس مورد تقاضاي كاربران ارائه شده است. برخي از مهمترين اين مدل ها عبارتند از:
1-    پروتكل رزرو منابع در اينترنت RSVP 
2-    سرويس هاي متمایز  DS 
3-    مهندسي ترافيك 
4-    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  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.
 
1-2-2- سرويس هاي متمایز
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)  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:
1-    بيت D : نياز به تاخير كم
2-    بيت R :‌نياز به نرخ اتلاف كم (اطمينان بالا)
3-    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)  با سرويس دهنده هاي اينترنت ((ISP ، برسند . كلاس هاي مختلف سرويس و ميزان ترافيك هر كلاس در SLA مشخص مي شود. SLA مي تواند به يكي از دو صورت ثابت   و پويا   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. 
1-    سرويس هاي تشويقي   : براي كاربردهايي كه به تاخير و تغييرات تاخير كم نياز می باشد.
2-    سرويس هاي مطمئن  : براي كاربردهايي كه به اطمينان بالا نياز مي باشد.
3-    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....