đồ án cá nhân đề tài tìm hiểu kỹ thuật chọn đường tập trung centralized routing

Trung tâm này được gọi là "trung tâm chọn đường" hoặc "bộ định tuyến tập trung".- Lợi ích: o Hiệu quả:  Trung tâm có thể tính toán đường đi tối ưu cho tất cả các luồng dữ liệu, giúp giả

ĐẠI HỌC DUY TÂN TRƯỜNG KHOA HỌC MÁY TÍNH

KHOA KỸ THUẬT MMT & TRUYỀN THÔNG



ĐỒ ÁN CÁ NHÂN

Đề Tài: Tìm hiểu Kỹ thuật chọn đường tập trung

(Centralized Routing)

Môn Học: Mạng Máy Tính

GIẢNG VIÊN : ThS HOÀNG PHI CƯỜNG

SINH VIÊN THỰC HIỆN:

Mã số SV : 28211106495

Họ Tên SV : Huỳnh Ngọc Phú

Mục Lục Chương 1: Tổng quan Mạng Máy Tính 1 Chương 2: Giao thức/ Kỹ thuật…… 2

Chương 1: Tổng quan Kỹ thuật chọn đường tập trung (Centralized

Routing) 1.1) Chọn đường là gì(Routing)?

- Chọn đường (routing) thường được sử dụng trong lĩnh vực mạng máy tính để mô tả quá trình điều hướng dữ liệu từ nguồn đến đích thông qua một mạng hoặc hệ thống mạng Đây là quá trình quan trọng trong việc đảm bảo dữ liệu được chuyển đến đúng vị trí một cách hiệu quả

và đáng tin cậy

- Cần đồ thị hóa hệ thống mạng cho các giải thuật chọn đường:

o Nút là các host, switch, router hoặc là các mạng con

o Cạnh của đồ thị tương ứng với các đường nối kết mạng

o Mỗi cạnh có một chi phí đính kèm, là thông số chỉ ra cái giá phải trả khi lưu thông trên nối kết mạng đó

Mạng được biểu diễn như một đồ thị

o Chọn đường là tìm ra đường đi có chi phí thấp nhất giữa hai nút bất kỳ

o Chi phí của đường đi là tổng chi phí khi đi qua tất cả các cạnh làm thành đường đi đó

o Nếu không có một đường đi giữa hai nút; chi phí là vô cùng

1.2) Mục tiêu của giải thuật chọn đường

- Xác định đường đi nhanh chóng, chính xác

- Khả năng thích nghi được với những thay đổi về hình trạng mạng

- Khả năng thích nghi được với những thay đổi về tải đường truyền

- Khả năng tránh được các nối kết bị tắt nghẽn tạm thời

- Chi phí tính toán để tìm ra được đường đi phải thấp

1

1.3) Giới thiệu Kỹ thuật chọn đường tập trung (Centralized Routing)

- Chọn đường tập trung (Centralized Routing) là một kỹ thuật định tuyến mạng trong đó tất cả các quyết định chọn đường đi cho lưu lượng mạng đều được thực hiện bởi một trung tâm duy nhất Trung tâm này được gọi là "trung tâm chọn đường" hoặc "bộ định tuyến tập trung"

- Lợi ích:

o Hiệu quả:

 Trung tâm có thể tính toán đường đi tối ưu cho tất cả các luồng dữ liệu, giúp giảm thiểu độ trễ và tăng hiệu quả sử dụng mạng

 Việc sử dụng các thuật toán định tuyến tiên tiến như Dijkstra hoặc Bellman-Ford giúp tìm ra đường đi ngắn nhất hoặc hiệu quả nhất giữa các điểm trong mạng

o Khả năng kiểm soát:

 Việc quản lý và cấu hình mạng trở nên dễ dàng hơn vì tất

cả các quyết định định tuyến đều được thực hiện tại một nơi

 Quản trị viên mạng có thể dễ dàng điều chỉnh các chính sách định tuyến, kiểm soát lưu lượng truy cập và giám sát hiệu suất mạng

o Bảo mật:

 Dễ dàng triển khai các chính sách bảo mật và kiểm soát truy cập mạng

 Việc kiểm soát tập trung giúp giảm thiểu các nguy cơ bảo mật và tăng cường khả năng bảo vệ mạng

- Hạn chế:

o Tập trung:

 Trung tâm chọn đường là một điểm duy nhất bị lỗi, nếu

nó gặp sự cố, toàn bộ mạng sẽ bị ảnh hưởng

 Việc tập trung này có thể tạo ra điểm nghẽn và làm giảm

độ tin cậy của mạng

o Khả năng mở rộng:

 Khả năng mở rộng của hệ thống có thể bị giới hạn bởi khả năng xử lý của trung tâm chọn đường

 Khi mạng phát triển và lượng dữ liệu tăng lên, trung tâm chọn đường có thể không đáp ứng đủ nhu cầu xử lý

o Độ phức tạp:

 Việc triển khai và cấu hình hệ thống chọn đường tập trung

có thể phức tạp hơn so với chọn đường phân tán

2

 Cần có kiến thức chuyên môn và kinh nghiệm để thiết lập

và vận hành hệ thống hiệu quả

- Ứng dụng thực tế:

o Chọn đường tập trung thường được sử dụng trong các mạng có quy mô nhỏ hoặc vừa, nơi mà việc quản lý và cấu hình mạng dễ dàng hơn Một số ví dụ về ứng dụng thực tế bao gồm:

 Mạng LAN của doanh nghiệp:

 Mạng LAN của doanh nghiệp thường có quy mô nhỏ hoặc vừa, với số lượng máy tính và thiết bị mạng hạn chế

 Việc sử dụng chọn đường tập trung giúp đơn giản hóa việc quản lý mạng và đảm bảo hiệu quả sử dụng mạng

 Mạng VPN:

 Mạng VPN (Virtual Private Network) là mạng riêng ảo được xây dựng trên nền mạng Internet công cộng

 Việc sử dụng chọn đường tập trung giúp tăng cường bảo mật cho mạng VPN và kiểm soát lưu lượng truy cập

 Mạng SDN:

 Mạng SDN (Software Defined Networking) là mạng máy tính mới cho phép lập trình và quản lý mạng một cách linh hoạt

 Việc sử dụng chọn đường tập trung giúp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng mạng SDN và dễ dàng triển khai các chính sách định tuyến

1.4) Kiến trúc hệ thống

- Thành phần chính:

o Trung tâm chọn đường: Là thành phần chính của hệ thống chọn đường tập trung Nó có trách nhiệm tính toán đường đi cho tất

cả các luồng dữ liệu trong mạng

 Cơ chế của Trung tâm chọn đường:

 Trong mô hình này, một máy tính hoặc thiết bị chuyển tiếp (router) chịu trách nhiệm tính toán và duy trì thông tin về đường đi

 Bảng chọn đường (Routing table) được lưu trữ tại trung tâm điều khiển mạng, chứa danh sách các đường đi có thể

 Khi một gói tin cần được chuyển từ nguồn đến đích, trung tâm chọn đường sẽ xem xét bảng chọn đường để quyết định đường đi tối ưu

 Ưu điểm:

3

 Quản lý và cập nhật thông tin định tuyến dễ dàng tại một điểm duy nhất

 Kiểm soát chặt chẽ về việc lựa chọn đường đi

 Hạn chế:

 Nếu trung tâm chọn đường gặp sự cố, toàn bộ hệ thống định tuyến có thể bị ảnh hưởng

 Khả năng mở rộng hạn chế do tất cả thông tin định tuyến tập trung tại một nơi

 Ví dụ về trung tâm chọn đường:

 Bảng chọn đường (Routing table) là thành phần quan trọng của trung tâm chọn đường Nó chứa thông tin về các đường đi và được cập nhật liên tục

để đảm bảo việc định tuyến hiệu quả

 Các bộ định tuyến cao cấp được sử dụng để làm trung tâm chọn đường trong các mạng lớn

o Các nút mạng: Là các thiết bị mạng như máy tính, máy chủ, bộ định tuyến, v.v Các nút mạng sẽ gửi thông tin về trạng thái liên kết của mình đến trung tâm chọn đường

 Chức năng:

 Gửi thông tin về trạng thái liên kết của mình đến trung tâm chọn đường

 Nhận và cập nhật bảng chọn đường từ trung tâm chọn đường

 Sử dụng bảng chọn đường để chuyển tiếp các gói tin đến đích phù hợp

o

- Giao tiếp giữa các thành phần:

o Giao tiếp giữa trung tâm chọn đường và các nút mạng:

 Sử dụng các giao thức định tuyến như OSPF hoặc IS-IS

để trao đổi thông tin về trạng thái liên kết và cập nhật bảng chọn đường

 Giao tiếp diễn ra theo hai chiều:

 Nút mạng gửi thông tin trạng thái liên kết đến trung tâm chọn đường

 Trung tâm chọn đường gửi bảng chọn đường cập nhật đến các nút mạng

o Giao tiếp giữa các nút mạng:

 Sử dụng các giao thức mạng như IP để chuyển tiếp các gói tin dựa trên thông tin trong bảng chọn đường

 Gói tin sẽ được chuyển tiếp từ nút này sang nút khác cho đến khi đến đích cuối cùng

o Mở rộng và nâng cao:

 Cân bằng tải: Sử dụng nhiều trung tâm chọn đường để phân tán tải và tăng khả năng mở rộng

4

 Cụm dự phòng: Thiết lập các trung tâm chọn đường dự phòng để đảm bảo tính sẵn sàng cao trong trường hợp xảy

ra lỗi

 Mạng SDN: Sử dụng các bộ điều khiển mạng SDN để quản lý và cấu hình tập trung các trung tâm chọn đường

và các thiết bị mạng khác

5

Chương 2: Giao Thức/Kỹ thuật chọn đường tập trung (Centralized Routing)

2.1) Giao thức OSPF

- Khái niệm OSPF:

o OSPF (Open Shortest Path First) là một giao thức định tuyến nội

bộ được sử dụng để tính toán đường đi ngắn nhất trong mạng IP OSPF là một giao thức trạng thái liên kết, nghĩa là nó sử dụng thông tin về trạng thái của các liên kết mạng để tính toán đường đi

- Hoạt động của OSPF:

o Trao đổi thông tin trạng thái liên kết: Các thiết bị OSPF sử dụng các gói tin Hello để trao đổi thông tin về trạng thái của các liên kết lân cận

o Tính toán đường đi ngắn nhất: Mỗi thiết bị OSPF sử dụng thuật toán Dijkstra để tính toán đường đi ngắn nhất từ mình đến tất cả các đích khác trong mạng

o Cập nhật bảng định tuyến: Các thiết bị OSPF sử dụng các gói tin LSA (Link State Advertisement) để cập nhật bảng định tuyến của nhau

- Ưu điểm của OSPF:

o Mở rộng tốt

o Hiệu quả

o Bảo mật

o Hỗ trợ nhiều loại mạng

- Nhược điểm:

o Phức tạp hơn IS-IS

o Tốn nhiều tài nguyên hơn RIP

2.2) Giao thức IS-IS

- Khái niệm IS-IS:

o IS-IS (Intermediate System to Intermediate System) là một giao thức định tuyến nội bộ được sử dụng trong mạng OSI IS-IS cũng là một giao thức trạng thái liên kết, nhưng nó hoạt động khác với OSPF

- Hoạt động của IS-IS:

o Cấp độ hệ thống và cấp độ khu vực: IS-IS hoạt động ở hai cấp độ: cấp độ hệ thống và cấp độ khu vực Cấp độ hệ thống được

sử dụng để tính toán đường đi trong toàn bộ mạng, trong khi cấp

độ khu vực được sử dụng để tính toán đường đi trong một khu vực cụ thể

o Trao đổi thông tin trạng thái liên kết: Các thiết bị IS-IS sử dụng các PDU (Protocol Data Unit) để trao đổi thông tin về trạng thái của các liên kết lân cận

6

o Tính toán đường đi ngắn nhất: Mỗi thiết bị IS-IS sử dụng thuật toán Dijkstra để tính toán đường đi ngắn nhất từ mình đến tất cả các đích khác trong mạng

o Cập nhật bảng định tuyến: Các thiết bị IS-IS sử dụng các PDU

để cập nhật bảng định tuyến của nhau

- Ưu điểm:

o Đơn giản hơn OSPF

o Ít tốn tài nguyên hơn OSPF

o Hỗ trợ nhiều loại mạng

- Nhược điểm:

o Khả năng mở rộng thấp hơn OSPF

o Không được hỗ trợ rộng rãi như OSPF

2.3) Kỹ thuật ECMP

- Khái niệm ECMP:

o ECMP (Equal Cost Multi Path) là một kỹ thuật định tuyến cho phép lưu lượng mạng đi qua nhiều đường đi có cùng chi phí ECMP giúp tăng băng thông và độ tin cậy của mạng

- Lợi ích:

o Tăng băng thông

o Tăng độ tin cậy

o Cân bằng tải lưu lượng mạng

- Hạn chế:

o Tăng độ phức tạp

o Có thể gây ra loop trong mạng

- Cấu hình ECMP:

o ECMP có thể được cấu hình trên các thiết bị mạng như Cisco IOS và Juniper Junos

o Các thuật toán cân bằng tải trong ECMP:

o Có nhiều thuật toán cân bằng tải khác nhau có thể được sử dụng trong ECMP, bao gồm:

 Round robin

 Least loaded

 Hashing

2.4) So sánh các giao thức/kỹ thuật:

IS-IS Đơn giản hơn OSPF Khả năng mở rộng

thấp hơn OSPF

2.5) Thuật toán Dijkstra:

7

- Mục đích: Tìm đường đi ngắn nhất từ một đỉnh nguồn đến tất cả các đỉnh khác trong một đồ thị có trọng số không âm

- Cách thức hoạt động:

o Sử dụng một tập hợp S để lưu trữ các đỉnh đã được thăm

o Bắt đầu từ đỉnh nguồn, thêm nó vào tập hợp S và đánh dấu khoảng cách từ đỉnh nguồn đến chính nó là 0

o Lặp lại các bước sau:

 Chọn đỉnh v có trọng số nhỏ nhất trong tập S

 Đối với mỗi đỉnh w chưa được thăm và có cạnh nối với v:

 Tính toán khoảng cách từ đỉnh nguồn đến đỉnh w thông qua đỉnh v

 Nếu khoảng cách mới ngắn hơn khoảng cách cũ, hãy cập nhật lại khoảng cách và thêm đỉnh w vào tập S

- Lặp lại cho đến khi tất cả các đỉnh được thêm vào tập S

- Ưu điểm:

o Đơn giản và dễ hiểu

o Hiệu quả cao khi áp dụng cho các đồ thị có kích thước nhỏ hoặc vừa

- Nhược điểm:

o Không thể áp dụng cho các đồ thị có trọng số âm

o Không thể tìm được đường đi ngắn nhất nếu có chu trình âm trong đồ thị

2.6) Thuật toán Bellman-Ford:

- Mục đích: Tìm đường đi ngắn nhất từ một đỉnh nguồn đến tất cả các đỉnh khác trong một đồ thị có trọng số có thể âm

- Cách thức hoạt động:

o Bắt đầu từ đỉnh nguồn, gán khoảng cách từ đỉnh nguồn đến tất

cả các đỉnh khác là vô cùng, trừ chính nó là 0

o Lặp lại các bước sau n - 1 lần (n là số lượng đỉnh trong đồ thị):

 Đối với mỗi cạnh (u, v) trong đồ thị:

 Nếu khoảng cách từ đỉnh nguồn đến đỉnh v được cập nhật (tức là giảm), hãy cập nhật lại khoảng cách từ đỉnh nguồn đến đỉnh w bằng cách cộng thêm trọng số của cạnh (u, v) vào khoảng cách từ đỉnh nguồn đến đỉnh u

o Sau n - 1 lần lặp lại, nếu không có thay đổi nào xảy ra, thuật toán kết thúc Nếu có thay đổi, nghĩa là có chu trình âm trong đồ thị và thuật toán sẽ báo lỗi

- Ưu điểm:

o Có thể áp dụng cho các đồ thị có trọng số âm

8

o Có thể tìm được đường đi ngắn nhất nếu không có chu trình âm trong đồ thị

- Nhược điểm:

o Phức tạp hơn thuật toán Dijkstra

o Chậm hơn thuật toán Dijkstra khi áp dụng cho các đồ thị có trọng số không âm

2.7) Phân loại kỹ thuật chọn đường tập trung

- Căn cứ vào cách thức tính toán đường đi:

o Thuật toán Dijkstra: Tìm đường đi ngắn nhất từ một nguồn đến tất cả các đích khác trong mạng

o Thuật toán Bellman-Ford: Tìm đường đi ngắn nhất từ một nguồn đến tất cả các đích khác trong mạng, có thể xử lý các liên kết có trọng số âm

o A:* Là một thuật toán tìm kiếm heuristic được sử dụng để tìm đường đi ngắn nhất trong một đồ thị có trọng số

- Căn cứ vào phạm vi áp dụng:

o Chọn đường tập trung trong mạng LAN: Sử dụng cho các mạng LAN có quy mô nhỏ hoặc vừa

o Chọn đường tập trung trong mạng WAN: Sử dụng cho các mạng WAN có quy mô lớn, có thể kết hợp với các kỹ thuật khác như VPN để đảm bảo bảo mật

o Chọn đường tập trung trong mạng SDN: Sử dụng cho các mạng SDN có khả năng lập trình, cho phép điều chỉnh linh hoạt các chính sách định tuyến

2.8) Ví dụ cụ thể cho các ứng dụng thực tế của kỹ thuật chọn đường tập trung

- Mạng LAN của doanh nghiệp:

o Trong một mạng LAN của doanh nghiệp với quy mô nhỏ hoặc vừa (khoảng 100-500 người dùng), việc sử dụng kỹ thuật chọn đường tập trung có thể mang lại nhiều lợi ích:

 Dễ dàng quản lý: Việc quản lý và cấu hình mạng trở nên đơn giản hơn vì tất cả các quyết định định tuyến đều được thực hiện tại một nơi, trên trung tâm chọn đường

 Hiệu quả cao: Trung tâm chọn đường có thể tính toán đường đi tối ưu cho tất cả các luồng dữ liệu, giúp giảm thiểu độ trễ và tăng hiệu quả sử dụng mạng

 Bảo mật cao: Dễ dàng triển khai các chính sách bảo mật

và kiểm soát truy cập mạng tập trung tại trung tâm chọn

9

10

o Ví dụ:

 Một công ty có 100 nhân viên sử dụng mạng LAN để truy cập vào các tài nguyên chung như máy in, máy chủ tập tin, email, v.v Công ty có thể sử dụng một bộ định tuyến tập trung để thực hiện việc chọn đường cho tất cả các luồng dữ liệu trong mạng Bộ định tuyến này sẽ sử dụng các giao thức định tuyến như OSPF hoặc IS-IS để thu thập thông tin về trạng thái liên kết từ các thiết bị mạng khác trong mạng LAN Sau khi thu thập thông tin, bộ định tuyến tập trung sẽ sử dụng các thuật toán định tuyến như Dijkstra hoặc Bellman-Ford để tính toán đường đi tối

ưu cho tất cả các luồng dữ liệu

- Mạng VPN:

o Mạng VPN (Virtual Private Network) là một mạng riêng ảo được xây dựng trên nền mạng Internet công cộng Việc sử dụng

kỹ thuật chọn đường tập trung trong mạng VPN có thể mang lại nhiều lợi ích:

 Bảo mật cao: Trung tâm chọn đường có thể được đặt tại một vị trí an toàn và được bảo vệ khỏi các truy cập trái phép

 Kiểm soát truy cập: Dễ dàng triển khai các chính sách kiểm soát truy cập tập trung tại trung tâm chọn đường để đảm bảo chỉ những người dùng được phép mới có thể truy cập vào mạng VPN

 Khả năng mở rộng: Hệ thống chọn đường tập trung có thể

dễ dàng mở rộng để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của mạng VPN

11

o Ví dụ:

 Một công ty có nhiều chi nhánh ở các địa điểm khác nhau

sử dụng mạng VPN để kết nối các chi nhánh này với nhau Công ty có thể sử dụng một bộ định tuyến tập trung

để thực hiện việc chọn đường cho tất cả các luồng dữ liệu trong mạng VPN Bộ định tuyến này sẽ sử dụng các giao thức định tuyến như OSPF hoặc IS-IS để thu thập thông tin về trạng thái liên kết từ các thiết bị mạng khác trong mạng VPN Sau khi thu thập thông tin, bộ định tuyến tập trung sẽ sử dụng các thuật toán định tuyến như Dijkstra hoặc Bellman-Ford để tính toán đường đi tối ưu cho tất cả các luồng dữ liệu

- Mạng SDN:

o Mạng SDN (Software Defined Networking) là một loại mạng máy tính mới cho phép lập trình và quản lý mạng một cách linh hoạt Việc sử dụng kỹ thuật chọn đường tập trung trong mạng SDN có thể mang lại nhiều lợi ích:

 Khả năng lập trình: Hệ thống chọn đường tập trung có thể được lập trình để đáp ứng nhu cầu cụ thể của mạng SDN

 Tính linh hoạt: Hệ thống chọn đường tập trung có thể dễ dàng thay đổi để thích ứng với các thay đổi trong mạng SDN

 Hiệu quả cao: Hệ thống chọn đường tập trung có thể tối

ưu hóa hiệu quả sử dụng mạng SDN

12