Định tuyến trong chuyển mạch gói truyền thống

1CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Định tuyến trong chuyển mạch gói truyền thống Để chuyển các gói tin từ mạng này đến mạng khác một cách nhanh chóng và chính xác, các gói tin cần phải được định tuyến, những thiết bị để định tuyến các gói tin ban đầu được gọi là Gateway (đóng vai trò là một cổng giao tiếp từ mạng này tới mạng khác) và và sau đó router ra đời để kết nối giữa các mạng vật lý khác nhau tạo thành một liên mạng hợp nhất rộng lớn hơn. Các gói thông tin riêng biệt bao gồm một nhãn mạng đích mà router thực hiện tương hợp nhãn với một trong nhiều thực thể của bảng mạng đích mà nó biết trước. Khi tìm thấy một sự tương hợp, router có thể định hướng gói tin tới giao diện tương ứng và chờ đến khi gói tín khác đến. Quá trình tương quan đơn giản này được thực hiện đối với mỗi gói riêng biệt đến router. Thậm chí nếu có một số lượng lớn gói tin có cùng một đích đến chung, thì router sẽ vẫn xử lý mỗi gói tin theo cách riêng. Chú ý thế hệ router đầu tiên được giới thiệu trong hình 1.1: Hình 1.1: Router thế hệ đầu tiên Nó bao gồm một bộ xử lý trung tâm và nhiều card giao tiếp, tất cả được nối với nhau bằng một đường bus chung. Bộ xử lý rất 2tin cậy cho chạy giao thức định tuyến và duy trì một bảng hướng đi của router bước nhảy tiếp theo mà gói được gửi đến. Các gói đi vào router qua bus và đi vào bộ xử lý nơi sẽ tra cứu bảng định tuyến chuẩn và thực hiện xác định bước nhẩy tiếp theo. Gói sau đó được đi vào bus chung đến giao diện đầu ra tương ứng. Hiệu năng của hệ thống này phụ thuộc vào tốc độ bus và khả năng xử lý của bộ xử lý trung tâm. Và mỗi gói được yêu cầu đi trên bus hai lần. Trước sự phát triển không ngừng của Internet. Ngày càng có nhiều người hơn sẽ đăng nhập vào mạng và khi đó bảng định tuyến sẽ lớn hơn, thời gian tra cứu cũng sẽ lâu hơn. Kết hợp với sự tăng trưởng trong lưu lượng người dùng, dẫn tới đòi hỏi phải tạo ra những router sử dụng công nghệ cao hơn. Nhờ vào sự tăng cường tính toán hướng tới của các gói tin đến các giao diện chuyển tiếp. Một phần hoặc toàn bộ bảng định tuyến có thể được lưu trong bộ nhớ của bộ chuyển tiếp đầu vào. Điều này cho phép bộ chuyển tiếp đầu vào thực hiện tính toán hướng đi và định hướng các gói trên đường bus tương ứng với bộ chuyển tiếp đầu ra mà không cần sự can thiệp của bộ xử lý trung tâm. Hiệu năng của mô hình này vẫn sẽ bị giới hạn bởi tốc độ bus và thời gian yêu cầu để sắp xếp trên một bảng định tuyến lớn trong suốt thời gian tra cứu. Một công nghệ cải thiện router khác là thay thế bus bằng một switch. Vì toàn bộ cổng đầu vào và ra được kết nối với nhau bằng một kết cấu chuyển mạch không nghẽn. Mô hình này được giới thiệu trong hình 1.2. 3Hình 1.2: Kiến trúc của Router có các đường bus dùng switch Bằng cách cải thiện thiết kế bên trong và hiệu quả hơn sẽ thay thế yêu cầu xử lý mỗi gói đối với bản thân router điều này sẽ đặc biệt hữu dụng trước tính chất bùng nổ tự nhiên không đoán trước của lưu lượng IP do các gói tin được phục vụ theo cơ chế hàng đợi first-in first-out (FIFO) có chi phí cao, độ lợi về thông lượng nhỏ và hiệu năng thì lại không đạt được độ tin cây cao. 1.2 ATM & IP a/ IP – Internet Protocol IP là giao thức chuyển tiếp gói tin. Việc chuyển tiếp gói tin thực hiện theo cơ chế phi kết nối. IP định nghĩa cơ cấu đánh số, cơ cấu chuyển tin, cơ cấu định tuyến và các chức năng điều khiển ở mức thấp (ICMP). Gói tin IP gồm địa chỉ của bên nhận, địa chỉ là số duy nhất trong toàn mạng và mang đầy đủ thông tin cần cho việc chuyển gói tới đích. Cơ cấu định tuyến có nhiệm vụ tính toán đường đi tới các nút trong mạng. Do vậy, cơ cấu định tuyến phải được cập nhật các thông tin về topo mạng, thông tin về nguyên tắc chuyển tin (như 4trong BGP) và nó phải có khả năng hoạt động trong môi trường mạng gồm nhiều nút. Kết quản tính toán của cơ cấu định tuyến được lưu trong các bảng chuyển tin (forwarding table) chứa thông tin về chặng tiếp theo để có thể gửi gói tin tới hướng đích. Dựa trên các bản chuyển tin, cơ cấu chuyển tin chuyển mạch các gói IP hướng tới đích. Phương thức chuyển tin truyền thống là theo từng chặng một. Ở cách này, mỗi nút mạng tính toán mạng chuyển tin một cách độc lập. Phương thức này, do vậy, yêu cầu kết quả tính toán của phần định tuyến tại tất cả các nút phải nhất quán với nhau. Sự không thống nhất của kết quả sẽ dẫn đến việc chuyển gói tin sai hướng, điều này đồng nghĩa với việc mất gói tin. Kiểu chuyển tin theo từng chặng hạn chế khả năng của mạng. Tuy nhiên, bên cạnh đó, phương thức định tuyến và chuyển tin này nâng cao độ tin cậy cũng như khả năng mở rộng của mạng. Giao thức định tuyến động cho phép mạng phản ứng lại với sự cố bằng việc thay đổi tuyến khi router biết được sự thay đổi về topo mạng thông qua việc cập nhật thông tin về trạng thái kết nối. Với các phương thức như CDIR (Classless Inter Domain Routing), kích thước của bản tin được duy trì ở mức chấp nhận được, và do việc tính toán định tuyến đều do các nút tự thực hiện, mạng có thể mở rộng mà không cần bất cứ thay đổi nào. Tóm lại, IP là một giao thức chuyển mạch gói có độ tin cậy và khả năng mở rộng cao. Tuy nhiên, việc điều khiển lưu lượng rất khó thực hiện do phương thức định tuyến theo từng chặng. Mặt khác, IP cũng không hỗ trợ chất lượng dịch vụ. b/ ATM – Asynchronous Tranfer Mode 5Công nghệ ATM dựa trên cơ sở của phương pháp chuyển mạch gói, thông tin được nhóm vào các gói tin có chiều dài cố định, ngắn; trong đó vị trí của gói không phụ thuộc vào đồng hồ đồng bộ và dựa trên nhu cầu bất kỳ của kênh cho trước. Các chuyển mạch ATM cho phép hoạt động với nhiều tốc độ và dịch vụ khác nhau. ATM có hai đặc điểm quan trọng : - Thứ nhất, ATM sử dụng các gói có kích thước nhỏ và cố định gọi là các tế bào ATM , các tế bào nhỏ với tốc độ truyền lớn sẽ làm cho trễ truyền và biến động trễ giảm đủ nhỏ đối với các dịch vụ thời gian thực, cũng sẽ tạo điều kiện cho việc hợp kênh ở tốc độ cao được dễ dàng hơn. - Thứ hai, ATM có khả năng nhóm một vài kênh ảo thành một đường ảo nhằm giúp cho việc định tuyến được dễ dàng. ATM khác với định tuyến IP ở một số điểm. Nó là công nghệ chuyển mạch hướng kết nối. Kết nối từ điểm đầu đến điểm cuối phải được thiết lập trước khi thông tin được gửi đi. ATM yêu cầu kết nối phải được thiết lập bằng nhân công hoặc thiết lập một cách tự động thông qua báo hiệu. Mặt khác, ATM không thực hiện định tuyến tại các nút trung gian. Tuyến kết nối xuyên suốt được xác định trước khi trao đổi dữ liệu và được giữ cố định trong suốt thời gian kết nối. Trong quá trình thiết lập kết nối, các tổng đài ATM trung gian cung cấp cho kết nối một nhãn. Việc này thực hiện hai điều: dành cho kết nối một số tài nguyên và xây dựng bảng chuyển tế bào tại mỗi tổng đài. Bảng chuyển tế bào này có tính cục bộ và chỉ chứa thông tin về các kết nối đang hoạt động đi qua tổng đài. 6Điều này khác với thông tin về toàn mạng chứa trong bảng chuyển tin của router dùng IP. Quá trình chuyển tế bào qua tổng đài ATM cũng tương tự như việc chuyển gói tin qua router. Tuy nhiên, ATM có thể chuyển mạch nhanh hơn vì nhãn gắn trên cell có kích thước cố định (nhỏ hơn của IP), kích thước bảng chuyển tin nhỏ hơn nhiều so với của IP router, và việc này được thực hiện trên các thiết bị phần cứng chuyên dụng. Do vậy, thông lượng của tổng đài ATM thường lớn hơn thông lượng của IP router truyền thống. Bảng so sánh công nghệ IP và ATM Công nghệ IP ATM Bản chất công nghệ - Là một giao thức chuyển mạch gói có độ tin cậy và khả năng mở rộng cao. - Do phương thức định tuyến theo từng chặng nên điều khiển lưu lượng rất khó thực hiện. - Sử dụng gói tin có chiều dài cố định 53 byte gọi là tế bào (cell). - Nguyên tắc định tuyến : chuyển đổi VPI/VCI -Nền tảng phần cứng tốc độ cao Ưu điểm - Đơn giản, hiệu quả - Tốc độ chuyển mạch cao, mềm dẻo, hỗ trợ QoS theo yêu cầu Nhược điểm - Không hỗ trợ QoS - Giá thành cao, không mềm dẻo trong hỗ trợ những ứng dụng IP, VoA 71.3 IP over ATM Hiện nay, trong xây dựng mạng IP, có đến mấy loại kỹ thuật, như IP over SDH/ SONET, IP over WDM và IP over Fiber. Còn kỹ thuật ATM, do có các tính năng như tốc độ cao, chất lượng dịch vụ (QoS), điều khiển lưu lượng, … mà các mạng lưới dùng bộ định tuyến truyền thống chưa có, nên đã được sử dụng rộng rãi trên mạng đường trục IP. Mặt khác, do yêu cầu tính thời gian thực còn tương đối cao đối với mạng lưới, IP over ATM vẫn là kỹ thuật được chọn trước tiên hiện nay. Cho nên việc nghiên cứu đối với IP over ATM vẫn còn rất quan trọng. Mà MPLS chính là sự cải tiến của IP over ATM kinh điển, cho nên ở đây chúng ta cần nhìn lại một chút về hiện trạng của kỹ thuật IP over ATM. IP over ATM truyền thống là một loại kỹ thuật kiểu xếp chồng, nó xếp IP (kỹ thuật lớp 3) lên ATM (kỹ thuật lớp 2); giao thức của hai tầng hoàn toàn độc lập với nhau; giữa chúng phải nhờ một loạt giao thức (như NHRP, ARP,…) nữa mới đảm bảo nối thông. Điều đó hiện nay trên thực tế đã được ứng dụng rộng rãi. Nhưng trong tình trạng mạng lưới được mở rộng nhanh chóng, cách xếp chồng đó cũng gây ra nhiều vần đề cần xem xét lại. Trước hết, vấn đề nổi bật nhất là trong phương thức chồng xếp, phải thiết lập các liên kết PVC tại N điểm nút, tức là cần thiết lập mạng liên kết. Như thế có thể sẽ gây nên vấn đề bình phương N, rất phiền phức, tức là khi thiết lập, bảo dưỡng, gỡ bỏ sự liên kết giữa các điểm nút, số việc phải làm (như số VC, lượng tin điều khiển) đều có cấp số nhân bình phương của N điểm nút. Khi 8mà mạng lưới ngày càng rộng lớn, chi phối kiểu đó sẽ làm cho mạng lưới quá tải. Thứ hai là phương thức xếp chồng sẽ phân cắt cả mạng lưới IP over ATM ra làm nhiều mạng logic nhỏ (LIS), các LIS trên thực tế đều là ở trong một mạng vật lý. Giữa các LIS dùng bộ định tuyến trung gian để liên kết, điều này sẽ có ảnh hưởng đến việc truyền nhóm gói tin giữa các LIS khác nhau. Mặt khác, khi lưu lượng rất lớn, những bộ định tuyến này sẽ gây hiện tượng nghẽn cổ chai đối với băng rộng. Hai điểm nêu trên đều làm cho IP over ATM chỉ có thể dùng thích hợp cho mạng tương đối nhỏ, như mạng xí nghiệp,… nhưng không thể đáp ứng được nhu cầu của mạng đường trục Internet trong tương lai. Trên thực tế, hai kỹ thuật này đang tồn tại vấn đề yếu kém về khả năng mở rộng thêm. Thứ ba là trong phương thức chồng xếp, IP over ATM vẫn không có cách nào đảm bảo QoS thực sự. Thứ tư, vốn khi thiết kế hai loại kỹ thuật IP và ATM đều làm riêng lẻ, không xét gì đến kỹ thuật kia, điều này làm cho sự nối thông giữa hai bên phải dựa vào một loạt giao thức phức tạp, cùng với các bộ phục vụ xử lý các giao thức này. Cách làm như thế có thể gây ảnh hường không tốt đối với độ tin cậy của mạng đường trục. Các kỹ thuật MPOA (Multiprotocol over ATM – đa giao thức trên ATM) LANE (LAN Emulation – Mô phỏng LAN)… cũng chính là kết quả nghiên cứu để giải quyết các vấn đề đó, nhưng các giải thuật này đều chỉ giải quyết được một phần các tồn tại, như vấn đề QoS chẳng hạn. Phương thức mà các kỹ thuật này dùng vẫn là phương thức chồng xếp, khả năng mở rộng vẫn 9không đủ. Hiện nay đã xuất hiện một loại kỹ thuật IP over ATM không dùng phương thức xếp chồng, mà dùng phương thức chuyển mạch nhãn, áp dụng phương thức tích hợp. Kỹ thuật này chính là cơ sở của MPLS. 10 11