Giới thiệu về Router

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROUTER NHIỆM VỤ PHÂN LOẠI CẤU TẠO ROUTER VÀ CÁC KẾT NỐI CÁC THÀNH PHẦN BÊN TRONG ROUTER CÁC LOẠI KẾT NỐI BÊN NGOÀI CỦA ROUTER THUẬT TOÁN TÌM ĐƯỜNG ĐI CỦA GÓI TIN ĐỊNH TUYẾN TĨNH ĐỊNH TUYẾN ĐỘNG Giao thức định tuyến vecto khoảng cách (sư dụng thuật toán bellman) Giao thức trạng thái liên kết (sử dụng thuật toán Dijkstra) SO SÁNH ĐỊNH TRUYẾN ĐỘNG VÀ ĐỊNH TRUYẾN TĨNH VECTOR KHOẢNG CÁCH VÀ TRẠNG THÁI ĐƯỜNG LIÊN KẾT PHẦN 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROUTER NHIỆM VỤ Router là thiết bị mạng hoạt động ở tầng thứ 3 của mô hình OSI-tầng network. Router được chế tạo với hai mục đích chính: Phân cách các mạng máy tính thành các múi (segment) riêng biệt để giảm hiện tượng đụng độ hay thực hiện chức năng bảo mật. Kết nối các mạng máy tính hay kết nối các user với mạng máy tính ở các khoảng cách xa với nhau thông qua các đường truyền thông. Cùng với sự phát triển của switch, chức năng đầu tiên của router ngày nay đã đượcswitch đảm nhận một cách hiệu quả. Router chỉ còn phải đảm nhận việc thực hiện các kết nối truy cập từ xa (remote access) hay các kết nối WAN cho hệ thống mạng LAN. Do hoạt động ở tầng thứ 3 của mô hình OSI, router sẽ hiểu được các giao thức (protocol) và quyết định phương thức truyền dữ liệu. Các địa chỉ mà router hiểu là các địa chỉ “giả” được quy định bởi các giao thức (protocol). Ví dụ như địa chỉ IP đối với protocol TCP/IP, địa chỉ IPX đối với protocol IPX… Do đó tùy theo cấu hình, router quyết định phương thức và đích đến của việc chuyển các gói (packet) từ nơi này sang nơi khác. Một cách tổng quát router sẽ chuyển packet theo các bước sau: Đọc packet. Gỡ bỏ dạng format quy định bởi protocol của nơi gửi. Thay thế phần gỡ bỏ đó bằng dạng format của protocol của đích đến. Cập nhật thông tin về việc chuyển dữ liệu: địa chỉ, trạng thái của nơi gửi, nơi nhận. Gửi packet đến nơi nhận qua đường truyền tối ưu nhất. PHÂN LOẠI Router có nhiều cách phân loại khác nhau Tuy nhiên người ta thường có hai cách phân loại chủ yếu sau: Dựa theo công dụng của Router: theo cách phân loại này người ta chia router thành remote access router, ISDN router, Serial router, router/hub… Dựa theo cấu trúc của router: router cấu hình cố định (fixed configuration router), modular router. Tuy nhiên không có sự phân loại rõ ràng router: mỗi một hãng sản xuất có thể có các tên gọi khác nhau, cách phân loại khác nhau. PHẦN 2: CẤU TẠO ROUTER VÀ CÁC KẾT NỐI CÁC THÀNH PHẦN BÊN TRONG ROUTER Cấu trúc chính xác của router rất khác nhau tuỳ theo từng phiên bản router. Trong phần này chỉ giới thiệu về các thành phần cơ bản của router. CPU – Đơn vị xử lý trung tâm: Thực thi các câu lệnh của hệ điều hành để thực hiện các nhiệm vụ sau: khởi động hệ thống, định tuyến, điều khiển các cổng giao tiếp mạng. CPU là một bộ giao tiếp mạng. CPU là một bộ vi xử lý. Trong các router lớn có thể có nhiều CPU. RAM: Được sử dụng để lưu bảng định tuyến, cung cấp bộ nhớ cho chuyển mạch nhanh, chạy tập tin cấu hình và cung cấp hàng đợi cho các gói dữ liệu. Trong đa số router, hệ điều hành Cisco IOS (Internetwork Operating System) chạy trên RAM. RAM thường được chia thành hai phần: phần bộ nhớ xử lý chính và phần bộ nhớ chia sẻ xuất/nhập. Phần bộ nhớ chia sẻ xuất/nhập được chia cho các cổng giao tiếp làm nơi lưu trữ tạm các gói dữ liệu.Toàn bộ nội dung trên RAM sẽ bị xoá khi tắt điện. Thông thường, RAM trên router là loại RAM động (DRAM – Dynamic RAM) và có thể nâng thêm RAM bằng cách gắn thêm DIMM (Dual In-Line Memory Module). Flash: Bộ nhớ Flash được sử dụng để lưu toàn bộ phần mềm hệ điều hành Cisco IOS. Mặc định là router tìm IOS của nó trong flash. Bạn có thể nâng cấp hệ điều hành bằng cách chép phiên bản mới hơn vào flash. Phần mềm IOS có thể ở dưới dạng nén hoặc không nén. Đối với hầu hết các router, IOS được chép lên RAM trong quá trình khởi động router. Còn có một số router thì IOS có thể chạy trực tiếp trên flash mà không cần chép lên RAM. Bạn có thể gắn thêm hoặc thay thế các thanh SIMM hay card PCMCIA để nâng dung lượng flash. NVRAM (Non-volative Random-access Memory): Là bộ nhớ RAM không bị mất thông tin, được sử dụng để lưu tập tin cấu hình. Trong một số thiết bị có NVRAM và flash riêng, NVRAM được thực thi nhờ flash. Trong một số thiết bị, flash và NVRAM là cùng một bộ nhớ. Trong cả hai trường hợp, nội dung của NVRAM vẫn được lưu giữ khi tắt điện. Bus: Phần lớn các router đều có bus hệ thống và CPU bus. Bus hệ thống được sử dụng để thông tin liên lạc giữa CPU với các cổng giao tiếp và các khe mở rộng. Loại bus này vận chuyển dữ liệu và các câu lệnh đi và đến các địa chỉ của ô nhớ tương ứng. ROM (Read Only Memory): Là nơi lưu đoạn mã của chương trình kiểm tra khi khởi động. Nhiệm vụ chính của ROM là kiểm tra phần cứng của router khi khởi động, sau đó chép phần mềm Cisco IOS từ flash vào RAM. Một số router có thể có phiên bản IOS cũ dùng làm nguồn khởi động dự phòng. Nội dung trong ROM không thể xoá được. Ta chỉ có thể nâng cấp ROM bằng cách thay chip ROM mới. CÁC LOẠI KẾT NỐI NGOÀI CỦA ROUTER Router có ba loại kết nối cơ bản là: cổng LAN, WAN và cổng quản lý router. Cổng giao tiếp LAN cho phép router kết nối vào môi trường mạng cục bộ LAN. Thông thường, cổng giao tiếp LAN là cổng Ethernet. Ngoài ra cũng có cổng Token Ring và ATM (Asynchronous Tranfer Mode). Kết nối mạng WAN cung cấp kết nối thông qua các nhà cung cấp dịch vụ đến các chi nhánh ở xa hoặc kết nối vào Internet. Loại kết nối này có thể là nối tiếp hay bất kỳ loại giao tiếp WAN, bạn cần phải có thêm một thiết bị ngoại vi như CSU chẳng hạn để nối router đến nhà cung câp dịch vụ. Đối với một số loại giao tiếp WAN khác thì bạn có thể kết nối trực tiếp router của mình đến nhà cung cấp dịch vụ. Chức năng của port quản lý hoàn toàn khác với hai loại trên kết nối LAN, WAN để kết nối router và mạng để router nhận và phát các gói dữ liệu. Trong khi đó, port quản lý cung cấp cho bạn một kết nối dạng văn bản để bạn có thể cấu hình hoặc xử lý trên router. Cổng quản lý thường là cổng console hoặc cổng AUX (Auxilliary). Đây là loại cổng nối tiếp bất đồng bộ EIA-232. Các cổng này kết nối vào cổng COM trên máy tính. Trên máy tính, chúng ta sử dụng chương trình mô phỏng thiết bị đầu cuối để thiết lập phiên kết nối dạng văn bản vào router. Thông qua kiểu kết nối này, người quản trị mạng có thể quản lý thiết bị của mình. NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA ROUTER Như ta đã biết tại tầng network của mô hình OSI, chúng ta thường sử dụng các loại địa chỉ mang tính chất quy ước như IP, IPX… Các địa chỉ này là các địa chỉ có hướng, nghĩa là chúng được phân thành hai phần riêng biệt là phần địa chỉ network và phần địa chỉ host. Cách đánh số địa chỉ như vậy nhằm giúp cho việc tìm ra các đường kết nối từ hệ thống mạng này sang hệ thống mạng khác được dễ dàng hơn. Các địa chỉ này có thể được thay đổi theo tùy ý người sử dụng. Trên thực tế, các card mạng chỉ có thể kết nối với nhau theo địa chỉ MAC, địa chỉ cố định và duy nhất của phần cứng. Do vậy ta phải có một phương pháp để chuyển đổi các dạng địa chỉ này qua lại với nhau. Từ đó ta có giao thức phân giải địa chỉ: Address Resolution Protocol (ARP). ARP là một protocol dựa trên nguyên tắc: khi một thiết bị mạng muốn biết địa chỉ MAC của một thiết bị mạng nào đó mà nó đã biết địa chỉ ở tầng network (IP, IPX...) nó sẽ gửi một ARP request bao gồm địa chỉ MAC address của nó và địa chỉ IP của thiết bị mà nó cần biết MAC address trên toạn bộ một miền broadcast. Mỗi một thiết bị nhận được request này sẽ so sánh địa chỉ IP trong request với địa chỉ tầng network của mình. Nếu trùng địa chỉ thì thiết bị đó phải gửi ngược lại cho thiết bị gửi ARP request một packet (trong đó có chữa địa chỉ MAC của mình). Trong một hệ thống mạng đơn giản, ví dụ như máy A muốn gửi packet đến máy B và nó chỉ biết được địa chỉ IP của máy B. Khi đó máy A sẽ phải gửi một ARP broadcast cho toàn mạng để hỏi xem "địa chỉ MAC của máy có địa chỉ IP này là gì?" Khi máy B nhận được broadcast này, nó sẽ so sánh địa chỉ IP trong packet này với địa chỉ IP của nó. Nhận thấy địa chỉ đó là địa chỉ của mình, máy B sẽ gửi lại một packet cho máy B trong đó có chứa địa chỉ MAC của B. Sau đó máy A mới bắt đầu truyền packet cho B. Trong một môi trường phức tạp hơn: hai hệ thống mạng gắn với nhau thông qua một router C. Máy A thuộc mạng A muốn gửi packet đến máy B thuộc mạng B. Do các broadcast không thể truyền qua router nên khi đó máy A sẽ xem router C như một cầu nối để truyền dữ liệu. Trước đó, máy A sẽ biết được địa chỉ IP của router C (port X) và biết được rằng để truyền packet tới B phải đi qua C. Tất cả các thông tin như vậ sẽ được chứa trong một bảng gọi là bảng routing (routing table). Bảng routing table theo cơ chế này được lưu giữ trong mỗi máy. Routing table chứa thông tin về các gateway để truy cập vào một hệ thông mạng nào đó. Ví dụ trong trường hợp trên trong bảng sẽ chỉ ra rằng để đi tới LAN B phải qua port X của router C. Routing table có chứa địa chỉ IP của port X. Quá trình truyền dữ liệu theo từng bước sau: - Máy A gửi một ARP request (broadcast) để tìm địa chỉ MAC của port X. - Router C trả lời, cung cấp cho máy A địa chỉ MAC của port X. - Máy A truyền packet đến port X của router. - Router nhận được packet từ máy A, chuyển packet ra port Y của router. Trong packet có chứa địa chỉ IP của máy B. - Router sẽ gửi ARP request để tìm địa chỉ MAC của máy B. - Máy B sẽ trả lời cho router biết địa chỉ MAC của mình. - Sau khi nhận được địa chỉ MAC của máy B, router C gửi packet của A đến B. PHẦN 3: THUẬT TOÁN TÌM ĐƯỜNG CỦA GÓI TIN ĐỊNH TUYẾN Định tuyến đơn giản chỉ là tìm đường đi từ mạng này đến mạng khác. Thông tin về những con đường này có thể là được cập nhật tự động từ các router khác hoặc là do người quản trị mạng chỉ định cho router. Phần này sẽ giới thiệu các khái niệm về định tuyến động, các loại giao thứ định tuyến động và phân tích mỗi loại một giao thức tiêu biểu. Người quản trị mạng khi chọn lựa một giao thức định tuyến động cần cân nhắc một số yếu tố như: độ lớn của hệ thống mạng, băng thông các đường truyền, khả năng của router, loại router và phiên bản router, các giao thức đang chạy trong hệ thống mạng. Phần này mô tả chi tiết về sự khác nhau giữa các giao thức định tuyến để giúp cho nhà quản trị mạng trong việc chọn lựa một giao thức định tuyến. CÁC GIAO THỨC ĐỊNH THUYẾN ĐỊNH TUYẾN TĨNH Định tuyến là quá trình mà router thực hiện để chuyển gói dữ liệu tới mạng đích. Tất cả các router dọc theo đường đi đều dựa vào địa chỉ IP đích của gói dữ liệu để chuyển gói theo đúng hướng đến đích cuối cùng. Để thực hiện được điều này, router phải học thông tin về đường đi tới các mạng khác. Nếu router chạy định tuyến động thì router tự động học những thông tin này từ các router khác. Còn nếu router chạy định tuyến tĩnh thì người quản trị mạng phải cấu hình các thông tin đến các mạng khác cho router. Đối với định tuyến tĩnh ,các thông tin về đường đi phải do người quản trị mạng nhập cho router. Khi cấu trúc mạng có bất kỳ thay đổi nào thì chính người quản trị mạng phải xoá hoặc thêm các thông tin về đường đi cho router. Những loại đường đi như vậy gọi là đường đi cố định. Đối với hệ thống mạng lớn thì công việc bảo trì mạng định tuyến cho router như trên tốn rất nhiều thời gian. Còn đối với hệ thống mạng nhỏ, ít có thay đổi thì công việc này đỡ mất công hơn. Chính vì định tuyến tĩnh đòi hỏi người quản trị mạng phải cấu hình mọi thông tin về đường đi cho router nên nó không có được tính linh hoạt như định tuyến động. Trong những hệ thống mạng lớn, định tuyến tĩnh thường được sử dụng kết hợp với giao thức định tuyến động cho một số mục đích đặc biệt. ĐỊNH TUYẾN ĐỘNG Giao thức định tuyến động không chỉ thực hiện chức năng tự tìm đường và cập nhật bảng định tuyến, nó còn có thể xác định tuyến đường đi tốt nhất thay thế khi tuyến đường đi tốt nhất không thể sử dụng được. Khả năng thích ứng nhanh với sự thay đổi mạng là lợi thế rõ rệt nhất của giao thức định tuyến động so với giao thức định tuyến tĩnh. Giao thức định tuyến vector khoảng cách (Distance vector routing protocols). Hầu hết các giao thức định tuyến động đều thuộc 1 trong 2 loại : distance vector và link-state. Hầu hết các giải thuật của giao thức định tuyến động distance vector là phục thuộc vào công trình nghiên cứu của Bellman, Ford, Fulkerson, và vì lý do đó chúng thường được gọi là giải thuật Bellman Ford hoặc Ford Fulkerson. Lưu ý có 1 trường hợp đặc biệt là giao thức EIGRP, dựa trên giải thuật được phát triển bởi Garcia Luna Aceves.Cái tên vector khoảng cách (distance vector) bắt nguồn từ bản chất của loại giao thức này, trong đó các tuyến đường được quảng bá dưới dạng vector bao gồm cặp thông số (khoảng cách, hướng) trong đó khoảng cách được tính bằng thông số (Metric: Khi có nhiều tuyến đường để đi đến cùng một mạng đích, Router phải có một cơ chế để tính toán và tìm ra con đường tốt nhất. Metric là một biến số được gán cho các routes, nó có ý nghĩa xếp hạng các routes từ tốt nhất đến dở nhất. Chúng ta quay lại ví dụ trên để giải thích sự cần thiết của Metrics) và hướng được định nghĩa bởi next-hop router (Địa chỉ next hop là địa chỉ cỗng của router kế tiếp và hop là điểm ).. Ví dụ, ta có thể nói “Mạng đích A cách đây 5 hop và có đi theo hướng của next-hop router X”. Mỗi router học các tuyến đường từ cách nhìn của những router hàng xóm và sau đó đến lượt nó lại quảng bá các tuyến đường từ cách nhìn của mình. Bởi vì mỗi router phụ thuộc vào những router hàng xóm để lấy thông tin, trong khi đó những router hàng xóm cũng phụ thuộc vào router hàng xóm của nó để lấy thông tin. Theo thuật toán này, các router sẽ trao đổi bảng định tuyến với nhau theo định kỳ. Do vậy, loại định tuyến này chỉ đơn giản là mỗi router chỉ trao đổi bảng định tuyến với các router láng giềng của mình. Khi nhận được bảng định tuyến từ router láng giềng, router sẽ lấy con đường nào đến mạng đích có chi phí thấp nhất rồi cộng thêm khoảng cách của mình vào đó thành một thông tin hoàn chỉnh về con đường đến mạng đích với hướng đi, thông số đường đi từ chính nó đến đích rồi đưa vào bảng định tuyến đó gửi đi cập nhật tiếp cho các router kế cận khác. Do đó đôi khi giao thức định tuyến distance vector còn được gọi là “routing by rumor” là “định tuyến bằng tin đồn”. Các giao thức định tuyến distance vector bao gồm : RIP, IGRP RIP(Routing Information Protocol) Là giao thức định tuyến theo vectơ khoảng cách Sử dụng số lượng hop để làm thông số chọn đường đi Nếu số lượng hop để tới đích lớn hơn 15 thì gói dữ liệu sẽ bị huỷ bỏ Cập nhật theo định kỳ mặc định là 30 giây IGRP (Internet gateway routing Protocol)là giao thức được phát triển độc quyền bởi Cisco .Sau đây là một số đặc điểm mạnh của IGRP: Là giao thức định tuyến theo vectơ khoảng cách Sử dụng băng thông ,tải ,độ trễ và độ tin cậy của đường truyền làm thông số lựa chọn đường đi Cập nhật theo định kỳ mặc định là 90 giây Giao thức định tuyến đường liên kết (Link-State Routing Protocols). Thông tin có ích đối với distance vector giống như một tấm biển chỉ đường. Còn thông tin được sử dụng đối với link-state lại giống như một tấm bản đồ. Mỗi router sẽ gửi gói thông tin tới tất cả các router còn lại .Các gói này mang thông tin về các mạng kết nối vào router .Mỗi router thu thập các thông tin này từ tất cả các router khác để xây dựng một bản đồ cấu trúc đầy đủ của hệ thống mạng.Từ đó router tự tính toán và chọn đường đi tốt nhất đến mạng đích để đưa lên bảng định tuyến. Sau khi toàn bộ các router đã được hội tụ thì giao thức định tuyến theo trạng thái đường liên kết chỉ sử dụng gói thông tin nhỏ để cập nhật ,về sự thay đổi cấu trúc mạng chứ không gửi đi toàn bộ bảng định tuyến. Các góithông tin cập nhật này được truyền đi cho tất cả router khi có sự thay đổi xảy ra, do đó tốc độ hội tụ nhanh. Giao thức link state, đôi lúc còn gọi là giao thức shortest path first “con đường ngắn nhất đầu tiên” hoặc distributed database “ cơ sở dữ liệu phân tán”, được xây dựng dựa trên một giải thuật nổi tiếng _ giải thuật Dijkstra. Hình mô tả Link-State Giải thuật Dijkstra Một số giao thức link state là: OSPF (Open Shortest Path First) là giao thức đình tuyến theo trạng thái đường liên kết. Sau đây là các đặc điểm chinhs của OSPF : Là giao thức định tuyến theo trạng thái đường liên kết Sử dụng thuật toán Dijkstra để tính toán chọn đường đi tốt nhất Chỉ cập nhật khi cấu trúc mạng có sự thay đổi PHẦN 4: SO SÁNH ĐỊNH TUYẾN TỈNH VÀ ĐỊNH TUYẾN ĐỘNG Static routing là cơ chế trong đó người quản trị quyết định, gán sẵn protocol cũng như địa chỉ đích cho router: đến mạng nào thì phải truyền qua port nào, địa chỉ là gì… Các thông tin này chứa trong routing table và chỉ được cập nhật hay thay đổi bởi người quản trị. Static routing thích hợp cho các hệ thống đơn giản, có kết nối đơn giữa hai router, trong đó đường truyền dữ liệu đã được xác định trước. Dynamic routing dùng các routing protocol để tự động cập nhật các thông tin về các router xung quanh. Tùy theo dạng thuật toán mà cơ chế cập nhật thông tin của các router sẽ khác nhau. Dynamic routing thường dùng trong các hệ thống phức tạp hơn, trong đó các router được liên kết với nhau thành một mạng lưới, ví dụ như các hệ thống router cung cấp dịch vụ internet, hệ thống của các công ty đa quốc gia. VECTOR KHOẢNG CÁCH VÀ TRẠNG THÁI ĐƯỜNG LIÊN KẾT VECTOR KHOẢNG CÁCH Thuật toán distance vector có ưu điểm là dễ thực hiện, dễ kiểm tra, tuy nhiên nó có một số hạn chế là thời gian cập nhật lâu, chiếm dụng băng thông lớn trên mạng. Ngoài ra nó cũng làm lãng phí băng thông do tính chất cập nhật theo chu kỳ của mình. Thuật toán distance vector thường dùng trong các routing protocol: RIP(IP/IPX),IGRP (IP),… và thường áp dụng cho hệ thống nhỏ. TRẠNG THÁI ĐƯỜNG LIÊN KẾT Thuật toán link state có ưu điểm là có tốc độ cao, không chiếm dụng băng thông nhiều như thuật toán distance vector. Tuy nhiên thuật toán này đòi hỏi cao hơn về bộ nhớ, CPU cũng như việc thực hiện khá phức tạp. Thuật toán link state được sử dụng trong routing protocol: OSPF, NLSP… và thích hợp cho các hệ thống cỡ trung và lớn.