Các giao thức định tuyến trong IP

Chương 4: Các giao thức định tuyến trong IP Các giao thức định tuyến cho phép các router trao đổi thông tin khả năng đạt tới một mạng và thông tin cấu hình với các router khác. Tất cả các giao thức định tuyến phải đảm bảo tất cả các router trong một mạng có một cơ sở dữ liệu chính xác và toàn vẹn về cấu hình mạng. Điều này là rất quan trọng vì bảng chuyển phát ở mỗi router được tính toán dựa trên cơ sở dữ liệu của thông tin cấu hình mạng này. Các bảng chuyển phát chính xác góp phần giúp cho các gói đến được đích của chúng với khả năng cao hơn. Bảng chuyển phát không đủ, không chính xác sẽ khiến cho các gói không đến được đích của nó và tồi hơn có thể gây ra loop vòng quanh mạng trong một khoảng thời gian gây ra lãng phí tài nguyên băng tần và router . Các giao thức định tuyến được phân thành định tuyến giữa các miền (interdomain) và trong một miền (intradomain). Một miền được gọi là một hệ thống tự trị AS (autonomous system), AS là một tập hợp các router được điều khiển và quản lý bởi một thực thể đơn, nó được xác định bởi một số AS đơn. Các giao thức trong một miền IGP (interior gateway protocol) được sử dụng giữa các router trong cùng một AS. Nhiệm vụ của chúng là phải tính toán con đường rẻ nhất giữa hai máy bất kỳ trong một AS, do đó mang lại hiệu năng tốt nhất. Các giao thức giữa các miền EGP (exterior gateway protocol) được sử dụng giữa các router trong các AS khác nhau. Nhiệm vụ của nó phải tính toán một đường qua các AS khác nhau. Vì các AS được điều khiển bởi các tổ chức khác nhau nên các tiêu chuẩn để lựa chọn một đường qua một AS phụ thuộc vào các chính sách như chi phí, bảo an, khả năng khả dụng, hiệu năng, quan hệ thương mại giữa các AS…chứ không chỉ đơn thuần là hiệu năng như các giao thức IGP. Một ví dụ của EGP là BGP và các ví dụ của IGP là OSPF và RIP. Hình 2.3 dưới đây đưa ra một mạng với 3 AS chạy các giao thức IGP trong một AS và EGP giữa các AS. Hình 2.3: Các hệ thống tự trị Các tiêu chuẩn đối với các giao thức EGP khác với các giao thức định tuyến khác: - Scalability được chỉ rõ bởi khả năng của giao thức định tuyến để hỗ trợ một số lượng lớn các router và các mạng trong khi tối thiểu hoá tổng số lưu lượng điều khiển giữa các router (cập nhật cơ sở dữ liệu định tuyến ) và các tài nguyên router cần thiết để tính toán các bảng định tuyến mới. - Tránh loop. Khi một giao thức định tuyến tính toán một bảng định tuyến, nó sẽ cố gắng để tránh các con đường khiến các AS#2 RIP R RR AS#1 OSPF R RR AS#3 OSPF R RR BGP BGPBGP gói chuyển qua một router hoặc một mạng nhiều hơn một lần. Nó rất khó để đạt được điều này trong khoảng thời gian nó truyền bá sự biến đổi về cấu hình đến tất cả các router trong mạng. Mặc dù vậy, đây là một đặc tính quan trọng được hỗ trợ bởi một số giao thức như BGP, EIGRP (enhanced interior gateway routing protocol). - Hội tụ. Khi cấu hình mạng biến đổi (ví dụ như một link bị down hay một mạng mới được bổ sung…) các giao thức định tuyến phải phân bố thông tin này khắp mạng các router để phản ánh thông tin này, xử lý này được gọi là hội tụ. Các router hội tụ trên cấu hình chính xác càng nhanh thì các gói sẽ được phân phát thành công đến đích. - Các chuẩn. Các giao thức định tuyến được phát triển bởi IETF được lưu trữ trong các RFC. Nó cho phép các nhà đầu tư khác nhau thực hiện giao thức định tuyến trên nền tảng riêng của họ và thúc đẩy khả năng hợp tác. - Khả năng mở rộng. Nó định nghĩa khả năng giao thức định tuyến kết hợp các chức năng mới mà không thay đổi các hoạt động cơ bản của nó và có khả năng tương thích ngược trở lại các chức năng cũ. Ví dụ như OSPF với các chức năng mới được bổ sung là multicast, định tuyến QoS , hỗ trợ đánh địa chỉ lớp liên kết. - Metric. Đây là các tham số hoặc các giao thức được thông báo cùng với mạng đích và tham gia vào tính toán bảng định tuyến. Các tham số này có thể là số các hop, chi phí tuyến, băng tần, trễ… - Thuật toán định tuyến. Các giao thức định tuyến sử dụng một trong hại thuật toán định tuyến cơ bản là véc tơ khoảng cách và trạng thái đường. 2.4.1 Định tuyến theo vectơ khoảng cách Định tuyến véc tơ khoảng cách dựa trên quan niệm rằng một router sẽ thông báo cho các router lân cận nó về tất cả các mạng nó biết và khoảng cách đến mỗi mạng này. Một router chạy giao thức định tuyến véc tơ khoảng cách sẽ thông báo đến các router kế cận được kết nối trực tiếp với nó một hoặc nhiều hơn các véc tơ khoảng cách. Một véc tơ khoảng cách bao gồm một bộ (network, cost) với network là mạng đích và cost là một giá trị có liên quan nó biểu diễn số các router hoặc link trong đường dẫn giữa router thông báo và mạng đích. Do đó cơ sở dữ liệu định tuyến bao gồm một số các véc tơ khoảng cách hoặc cost đến tất cả các mạng từ router đó. Khi một router thu được bản tin cập nhật véc tơ khoảng cách từ router kế cận nó thì nó bổ sung giá trị cost của chính nó (thường bằng 1) vào giá trị cost thu được trong bản tin cập nhật. Sau đó router so sánh giá trị cost tính được này với thông tin thu được trong bản tin cập nhật trước đó. Nếu cost nhỏ hơn thì router cập nhật cơ sở dữ liệu định tuyến với các cost mới, tính toán một bảng định tuyến mới,nó bao gồm các router kế cận vừa thông báo thông tin véc tơ khoảng cách mới như next-hop. Hình 2.4 dưới đây minh hoạ hoạt động của định tuyến véc tơ khoảng cách: Router C thông báo một véc tơ khoảng cách (net1,1hop) cho mạng đích net1 được nối trực tiếp với nó. Router B thu được véc tơ khoảng cách này thực hiện bổ sung cost của nó (1hop) và thông báo nó cho router A (net1,2hop). Nhờ đó router A biết rằng nó có thể đạt tới net1 với 2 hop và qua router B. Mặc dù định tuyến véc tơ khoảng cách đơn giản nhưng một số vấn đề phổ biến có thể xảy ra. Ví dụ liên kết giữa 2 router B và C bị hỏng thì router B sẽ cố gắng tái định tuyến các gói qua router A vì router A theo một đường nào đó thông báo cho router B một véc tơ khoảng cách là (net1,4hop). Router B sẽ thu véc tơ khoảng cách này và gửi ngược lại cho router A véc tơ khoảng cách (net1,5hop). Đây là sự cố đếm vô hạn có thể làm cho thời gian cần thiết để hội tụ kéo dài hơn. Giải pháp cho sự cố này được gọi là “trượt ngang” với nguyên tắc: không bao giờ thông báo khả năng đạt tới một đích cho next-hop của nó. Như vậy router A sẽ không bao giờ thông báo véc tơ khoảng cách (net1,4) cho router B vì router B là next-hop của net1. Định tuyến véc tơ khoảng cách dựa trên thuật toán Bellman Ford được thực hiện trong một số các giao thức định tuyến như RIP, IGRP (Interior Gateway Routing Protocol). Net1 Router C Router A Router B (net1,1hop) (net1,2hop) Hình 2.4: Định tuyến véc tơ khoảng cách 2.4.2 Định tuyến trạng thái đường Định tuyến trạng thái đường làm việc trên quan điểm rằng một router có thể thông báo với mọi router khác trong mạng trạng thái của các tuyên được kết nối đến nó, cost của các tuyến đó và xác định bất kỳ router kế cận nào được kết nối với các tuyến này. Các router chạy một giao thức định tuyến trạng thái đường sẽ truyền bá các gói trạng thái đường LSP (link state paket) khắp mạng. Một LSP nói chung chứa một xác định nguồn,xác định kế cận và cost của tuyến giữa chúng. Các LSP được thu bởi tất cả các router được sử dụng để tạo nên một cơ sở dữ liệu cấu hình của toàn bộ mạng. Bảng định tuyến sau đó được tính toán dựa trên nội dung của cơ sỏ dữ liệu cấu hình. Tất cả các router trong mạng chứa một sơ đồ của cấu hình mạng và từ đó chúng tính toán đường ngắn nhất (least-cost path) từ nguồn bất kỳ đến đích bất kỳ. Hình 2.5 chỉ ra hoạt động của định tuyến trạng thái đường Hình 2.5: Định tuyến trạng thái đường Giá trị gắn với các link giữa các router là cost của link đó. Các router truyền bá các LSP đến tất cả các router khác trong mạng, nó được sử dụng để xây dựng cơ sở dữ liệu trạng thái đường.Tiếp theo,mỗi router trong mạng tính toán một cây bắt nguồn từ chính nó và phân nhánh đến tất cả các router khác dựa trên tiêu chí đường ngắn nhất hay đường có chi phí ít nhất. Với sơ đồ hình 3.10 thì cây được thiết lập ở router A như trong hình vẽ bên phải. Cây này được sử dụng để tính toán bảng định tuyến, thuật toán để tính cây đường ngắn nhất là thuật toán Dijkstra. Các giao thức định tuyến trạng thái đường có một số tiến bộ hơn so với các giao thức định tuyến véc tơ khoảng cách: - Hội tụ nhanh hơn. Một số nguyên nhân khiến nó hội tụ nhanh hơn là: Thứ nhất, các LSP có thể được tràn lụt nhanh chóng khắp mạng và được sử dụng để xây dựng một cách nhìn chính xác về cấu hình mạng. Thứ hai, chỉ có thay đổi cấu hình được phản ánh trong LSP mà không phải là toàn bộ cơ sở dữ liệu định tuyến. Thứ ba, sự cố đếm vô hạn không xảy ra . - Lưu lượng bổ sung ít hơn. Các giao thức này chỉ phát các LSP phản ánh sự biến đổi cấu hình chứ không phải phát đi toàn bộ cơ sở định tuyến. - Khả năng mở rộng. Các giao thức trạng thái đường có thể được mở rộng để hỗ trợ và truyền bá các tham số mạng khác như địa chỉ, thông tin cấu hình. Vì một router duy trì cơ sở dữ liệu cấu hình, thông tin mới là khả dụng khi tính toán một đường đến đích xác định. - Scalability. Các giao thức trạng thái đường có khả năng scalability tốt hơn vì các router trong một mạng lại có thể phân thành nhiều nhóm. Trong vòng một nhóm các router thực hiện trao đổi các bản tin LSP với nhau và xây dựng một cơ sở dữ liệu cấu hình của nhóm đó. Để trao đổi thông tin cấu hình giữa các nhóm, một bộ con các router đầu tiên tóm tắt cơ sở dữ liệu cấu hình nhóm trong một LSP và sau đó phát nó đến các router xác định trong nhóm kế cận. Điều này làm giảm bộ nhớ và xử lý trong các router vì cơ sở dữ liệu cấu hình chỉ lớn bằng số router trong một nhóm và chỉ các router trong nhóm mà ở đó có sự biến đổi về cấu hình phải tính toán các cây ‘shortcut path’ mới và các bảng định tuyến. Khái niệm phân cấp này được minh họa trong hình 2.6 dưới đây, nó là một khái niệm quan trọng được thực hiện trong các giao thức định tuyến trạng thái đường như OSPF, PNNI. Hình 2.6: Phân cấp định tuyến trạng thái đường 2.4.3 RIP (Routing Information Protocol) RIP là một giao thức định tuyến véc tơ khoảng cách phổ biến được thực hiện bởi các host và router TCP/IP. Nó được phân tán trong vòng một vài phát hành khởi đầu của UNIX vào giữa thập niên 80.