NGUYÊN CỨU VỀ ĐỀ TÀI “CHUYỂN MẠCH IP”_CHƯƠNG 4 pptx

NGUYÊN CỨU VỀ ĐỀ TÀI “CHUYỂN MẠCH IP” CHƯƠNG 4 CHUYỂN MẠCH THẺ CỦA CISCO 4.1 Giới thiệu chuyển mạch thẻ Vào năm 1996, Cisco đã đề xuất một giải pháp mới cho chuyển mạch IP, giải pháp này phù hợp cho việc tích hợp giữa bộ định tuyến và chuyển mạch. áp dụng sự phân loại từng luồng và sự ánh xạ địa chỉ để thiết lập các đường tắt (Là đường chuyển mạch lớp 2) động, chuyển mạch thẻ, sử dụng các thông tin giao thức điều khiển để đặt luồng lưu lượng IP lên đường dẫn chuyển mạch. Chuyển mạch thẻ mang thông tin về giao thức định tuyến (như địa chỉ mạng đích) và phân phối các thẻ đã được liên kết với các luồng thích hợp tại các thiết bị thực hiện dọc theo đường dẫn. Các gói tin tới một đích cụ thể được thêm vào thẻ thích hợp và chuyển tiếp qua mạng chuyển mạch thẻ dựa trên nội dung của thẻ. Chuyển mạch thẻ thay thế việc tìm kiếm các đường định tuyến cho gói tin trong các bảng định tuyến tiêu chuẩn (rất lớn) tại lớp 3 bằng việc tìm kiếm đường chuyển mạch lớp 2 trong bảng thông tin về thẻ (có kích thước rất nhỏ, cấu tạo đơn giản). Chuyển mạch thẻ hoạt động dựa trên một thiết bị được gọi là bộ định tuyến chuyển mạch thẻ (TSR). Một TSR cung cấp các giao thức định tuyến tiêu chuẩn đơn hướng (unicast) và đa hướng (multicast) ví dụ như: OSPF, PIM và có thể khả năng chuyển tiếp lưu lượng IP theo một đường định tuyến mặc định. Ngoài ra chuyển mạch thẻ sử dụng thêm một giao thức điều khiển nữa là giao thức phân phối thẻ(TDP), giao thức này được các thiết bị TSR sử dụng để phân phối ánh xạ địa chỉ mạng - thẻ tương ứng (Prefix-to-label) gọi là quá trình liên kết thẻ. Bằng cách gán các thẻ cho các luồng tại mỗi thiết bị TSR, chuyển mạch thẻ thiết lập được các đường chuyển mạch lớp 2. Khi một gói tin đến một TSR, thông tin về thẻ trong tiêu đề của gói tin được dùng để tìm kiếm một thực thể thích hợp trong bảng thông tin về thẻ tại TSR đó, sau đó TSR dùng phương pháp “tráo thẻ” và truyền gói tin với thẻ mới đến thiết bị TSR tiếp theo. Chuyển mạch thẻ thuộc kiểu giải pháp hướng cấu hình, nghĩa là đường chuyển mạch tồn tại trước khi có luồng lưu lượng thật sự được truyền đến và nó sẽ chuyển mạch tất cả các luồng đến mạng chuyển mạch thẻ. 4.2 Kiến trúc của chuyển mạch thẻ Kiến trúc của chuyển mạch thẻ có thể được mô tả từ các phương diện khác nhau. Trên phương diện lý thuyết, chuyển mạch thẻ được thiết kế để tăng hiệu năng và khả năng phục vụ của một hệ thống định tuyến qui mô lớn. Bởi vì trên thực tế, một bộ định tuyến chính trong mạng ISP lớn, tại một thời điểm có thể có hàng trăm thậm chí hàng ngàn luồng lưu lượng khác nhau truyền qua mà các luồng lưu lượng này có cùng một đích đến với một địa chỉ mạng đích mà bộ định tuyến biết. Phân phối các thẻ cho tất cả các bộ định tuyến để tăng tốc độ chuyển tiếp cho tất cả các gói tin được định tuyến qua hệ thống là một kỹ thuật đơn giản nhưng có hiệu năng rất lớn. Mặt khác, quá trình sinh thẻ và phân phối thẻ không phụ thuộc vào các luồng dữ liệu cụ thể mà nó được căn cứ vào lưu lượng điều khiển (thông tin về cấu hình mạng). Đường chuyển mạch lớp 2 do chuyển mạch thẻ thiết lập độc lập với đường định tuyến lớp 3 nhận được từ các giao thức định tuyến động dựa trên địa chỉ đích. Một đường dẫn như vậy, xuyên qua một chuỗi các Node và liên kết được lựa chọn trước có thể cung cấp các dịch vụ phụ thêm như giám sát, bảo mật, tính toán lưu lượng, và một vài các dịch vụ đặc biệt khác. Kiến trúc chuyển mạch thẻ xuất phát từ chức năng chuyển tiếp trong chính các TSR. Các bộ định tuyến thông thường phải thực hiện tìm kiếm thực thể thích hợp trong một bảng định tuyến tiêu chuẩn dựa vào sự so sánh nội dung của địa chỉ đích trong tiêu đề của gói tin và bảng định tuyến, thực hiện giảm thông số TTL, tổng kiểm tra tiêu đề, và biên dịch. Hiệu quả chuyển tiếp lưu lượng phụ thuộc vào dung lượng của bộ định tuyến cũng như giao thức định tuyến để tính toán đường đi tối ưu nhất đến chặng tiếp theo trên đường đến đích. Chuyển mạch thẻ đơn giản hoá chức năng chuyển tiếp bởi việc thay thế quá trình tìm kiếm trong bảng định tuyến tiêu chuẩn bằng việc tìm kiếm trong bảng thông tin thẻ rất đơn giản và thực hiện trao đổi thẻ dựa trên nội dung của thẻ. Khái niệm cơ bản này được minh hoạ ở hình vẽ 4.1 Hình 4.1: Cơ cấu tráo thẻ Hình vẽ trên minh hoạ một gói tin IP vào với thẻ bằng 5, được dùng để truy nhập vào bảng TIB, sau khi xác định được thực thể thích hợp nó thực hiện cơ chế tráo thẻ và thẻ ra bây giờ có giá trị bằng 1và ra ở cổng 5. Một tính chất quan trọng của chuyển mạch thẻ là chức năng điều khiển lớp mạng tách biệt khỏi hoạt động của lớp chuyển tiếp chuyển mạch thẻ. Sự tách biệt này rất cần bởi nó cho phép các nhà cung cấp mạng liên kết các dịch vụ mạng hiện tại và tương lai với một cơ chế chuyển tiếp đơn giản và quy mô. Các dịch vụ như định tuyến dựa vào đích, định tuyến đa hướng, và định tuyến nổi có thể được liên kết với một tập các thẻ và khi được phân phối qua mạng, được thể hiện dưới dạng đường chuyển mạch xuyên suốt (end-to-end) cho từng dịch vụ. Mặc dù các dịch vụ lớp mạng có thể có rất nhiều nhưng cơ chế chuyển tiếp cơ bản vẫn không thay đổi. Bởi vậy, khi sử dụng một dịch vụ lớp mạng mới không cần thiết phải cập nhật hay tối ưu lại các thành phần và bộ máy của cơ chế chuyển tiếp. Một ví dụ điển hình là ở phiên bản IPv6 sẽ mở rộng không gian địa chỉ thành 128 bit nhưng vẫn không cần có bất kỳ sự thay đổi nào trên đường dẫn chuyển tiếp đã tồn tại. Kiến trúc chuyển mạch thẻ gồm hai thành phần cơ bản là: Điều khiển và Chuyển tiếp. - Thành phần điều khiển chịu trách nhiệm sinh ra và sử dụng hợp lý một tập các thẻ giữa các thiết bị tham gia chuyển mạch. Quá trình phân phối thẻ được thực hiện bằng các giao thức điều khiển riêng như TDP hoặc có thể sử dụng trên các giao thức điều khiển đã tồn tại (VD: RSVP, PIM ) - Thành phần chuyển tiếp sử dụng thông tin về thẻ chứa trong mỗi gói và thông tin lưu trữ trong các thiết bị chuyển mạch để thực hiện quá trình chuyển tiếp gói. Mặc dù mỗi thẻ đảm nhận các thể hiện khác nhau tuỳ thuộc vào phương tiện vật lý (ví dụ VPI/VCI, DLCI, ) nhưng cơ chế chuyển tiếp cơ bản là không thay đổi. Do dó chuyển mạch thẻ có thể hoạt động trên bất kỳ một kỹ thuật liên kết dữ liệu nào. 4.3 Các thành phần Chuyển mạch thẻ bao gồm các chức năng, thành phần và thiết bị sau: a) Thành phần điều khiển: Thành phần điều khiển chịu trách nhiệm tạo ra và quản lý một bộ các thẻ tại các thiết bị TSR. Việc tạo ra một thẻ liên quan đến việc cấp phát và gán cho một đích cụ thể. Đích này có thể là một địa chỉ máy chủ mạng, địa chỉ mạng, địa chỉ nhóm đa hướng hoặc chỉ là các thông tin lớp mạng. Việc phân phối các thẻ được thực hiện bởi TDP hoặc sử dụng trên các giao thức đã tồn tại trước. b) Thành phần chuyển tiếp: Thành phần chuyển tiếp dùng thẻ chứa trong một gói tin và thông tin lấy từ bảng thông tin thẻ (TIB) của từng thiết bị TSR để chuyền tiếp gói tin. Đặc biệt khi một gói chứa thẻ thu được từ TSR, thẻ này được dùng làm khoá để xác định một thực thể thích hợp trong bảng TIB. Một thực thể trong TIB bao gồm một thẻ đầu vào, một cho đầu ra và các thông tin về liên kết hoặc đóng gói dữ liệu. Khi có yêu cầu chuyển mạch ứng với một thực thể trong bảng TIB thì thẻ đầu vào cùng với các thông tin liên kết khác được trao đổi với thẻ đầu ra và gói tin với thẻ mới tiếp tục được chuyển đi trên đường truyền. Hoạt động chuyển tiếp được minh hoạ như hình sau: Hình 4.2: Chuyển tiếp chuyển mạch thẻ c) Chuyển mạch thẻ: Bao gồm kiến trúc, các giao thức và các thủ tục để gán các thông tin lớp mạng vào các thẻ và chuyển tiếp gói sử dụng cơ cấu trao đổi thẻ. d) Bộ định tuyến chuyển mạch thẻ (Tag Switching Router-TSR): Là thiết bị chuyển mạch chạy các giao thức định tuyến đơn hướng và đa hướng, có khả năng chuyển tiếp gói tin ở lớp 3, cũng như có cấu tạo phần cứng và phần mềm hỗ trợ cơ chế tráo thẻ lớp 2. Một TSR có thể phân phối các thẻ liên kết với các luồng lưu lượng của các TSR lân cận và các TSR được kết nối. TSR có thể là các bộ định tuyến truyền thống, chuyển mạch ATM, hoặc các thiết bị định tuyến/chuyển mạch. e) Bộ định tuyến biên chuyển mạch thẻ (TER:Tag Edge Router): Là một TSR đặt tại vị trí vào hoặc ra mạng. TER có thể chuyển tiếp gói tin ở lớp 3, chạy các giao thức định tuyến đơn hướng, đa hướng chuẩn. Khi một gói tin lớp 3 đến bộ định tuyến biên vào, TER có nhiệm vụ gán thẻ cho gói tin đó bằng cách đọc thông tin trong tiêu để của gói tin và so sánh với bảng TIB. Từ đây, gói tin được truyền đi dựa vào nội dung của thẻ vừa gán trên đường chuyển mạch lớp 2. Tại đầu ra mạng, TER có nhiệm vụ loại bỏ thẻ đó và tiếp tục chuyển tiếp gói tin đến chặng tiếp theo trên đường đến đích. f) Thẻ của gói tin (Tag):Thẻ là một trường trong tiêu đề với độ dài cố định chứa trong một gói. Thẻ có thể mang giá trị là VPI/VCI trong tế bào ATM hoặc tiêu đề DLCI trong PDU của chuyển tiếp khung hoặc “shim tag” trong một gói của chuyển mạch thẻ (ở chuyển mạch thẻ thì “shim tag” được chèn vào giữa phần thông tin của lớp 2 và lớp 3) Hình vẽ 4.3 minh hoạ “shim tag”: Hình 4.3: Tiêu đề “Tag shim” “Tag shim” là trường có độ dài 32 bit trong đó 20 bit đầu tiên dùng để cấp phát thẻ, 3 bit cho COS (Class Of Services), 1 bit cho chỉ thị ngăn xếp, và 8 bit cho trường TTL(time to live).Vị trí của tiêu đề “tag shim” trong PPP hoặc khung Erthernet nói chung được minh hoạ như hình vẽ trên. g) Bảng thông tin thẻ (Tag Information Base -TIB): TIB là một bảng kết nối hoặc tráo thẻ được các TSR xây dựng và sử dụng. Các thực thể trong TIB được cập nhật bởi các thẻ chứa trong TDP hoặc các giao thức điều khiển khác. Hình vẽ 4.4 minh hoạ một TIB. IP Header Tag shim Payload L2 Header Tag (20) COS (3) S (1) TTL (8) Hình 4.4: TIB h) Giao thức phân phối thẻ (Tag Distribution Protocol -TDP): TDP là giao thức điều khiển ngang hàng (peer) được TSR sử dụng để gán thẻ cho luồng lưu lượng giữa các TSR lân cận hoặc ngang hàng trong mạng chuyển mạch. i) Ngăn xếp thẻ (Tag stack): Một trong những ưu điểm của chuyển mạch thẻ đó là việc sử dụng ngăn xếp thẻ. Kỹ thuật này tương tự như IP trên sự đóng gói IP, cho phép một gói tin có thể mang nhiều hơn một thẻ. Tại đầu vào một mạng, bằng cách đặt một thẻ mức 2 trên một thẻ mức 1 đã tồn tại, tại mạng đó gói tin sẽ được chuyển mạch theo nội dung của thẻ lớp 2. Khi ra khỏi mạng, gói tin lớp 2 sẽ bị loại bỏ và gói tin khi này được chuyển mạch theo nội dung của thẻ lớp 1 đi trong mạng chuyển mạch thẻ lớp1. Xét một ví dụ như hình vẽ 4.5. Chuyển mạch gói tin dựa vào thẻ trên đỉnh ngăn xếp A X Gói tin C X Gói tin Gói tin Y Gói tin X TSR #1 TSR #5 Hình 4.5: Ngăn xếp thẻ Trên hình vẽ: Một gói tin đã được gắn thẻ X đến TSR1, giả sử tại đây TSR #1 được yêu cầu sử dụng phương pháp ngăn xếp thẻ, TSR #1 thực hiện đặt thêm một thẻ thứ hai (A) trên thẻ thứ nhất (X) đã tồn tại tạo nên một ngăn xếp thẻ. Bây giờ, gói tin có 2 thẻ và nó được truyền đi theo nội dung của thẻ phía trên đỉnh xuyên qua mạng chuyển mạch. Giả sử tại TSR #5, yêu cầu loại bỏ chế độ ngăn xếp thẻ, TSR #5 tiến hành loại bỏ thẻ đỉnh và dùng thẻ lớp 1 để chuyển mạch đến TSR tiếp theo. Quá trình xếp thẻ có thể được sư dụng khi úng dụng chuyển mạch thẻ vào định tuyến phân cấp .Ví dụ thẻ mức 1 được gắn với bộ định tuyến bên trong miền (BGP),và thẻ mức hai có thể đươc cung cấp cho bộ định tuyến bên trong miền(OSPF). j) Lớp chuyển tiếp tương đương (Forwarding Equivalence Class- FEC): Lớp chuyển tiếp tương đương là một chuỗi các gói có cùng các đặc điểm chung và được chuyển tiếp cùng một cách thức xuyên qua mạng. Ví dụ, tất cả các gói có cùng địa chỉ mạng đích có thể xem là một FEC đơn do đó, các gói tin đó được gán với cùng một thẻ khi truyền qua mạng. k) Đường dẫn chuyển mạch thẻ (Tag Switch Path:TSP): Là đường dẫn chuyển mạch từ biên vào đến biên ra của mạng, xuyên qua một chuỗi các TSR được tạo nên bởi sự liên kết một FEC với một tập các thẻ. 4.4 Các phương pháp cấp phát thẻ Một trong các hoạt động cơ bản của chuyển mạch thẻ đó là cấp phát, phân phối thẻ và gán thẻ. Thẻ được phân phối bởi các giao thức TDP cũng như tận dụng các giao thức điều khiển đã có sẵn. TSR sử dụng 3 kỹ thuật cấp phát thẻ đó là: downstream, downstream on demand, upstream. 4.4.1 Phương pháp downstream Theo phương pháp này, các thẻ được cấp phát bởi các thiết bị TSR downstream và chuyển thông báo đến TSR upstream gần nhất. Phương pháp này thực hiện theo các bước cơ bản sau đây: Hình 4.7: Cấp phát thẻ theo phương pháp Downstream - Với mỗi thực thể trong bảng định tuyến, thiết bị TSR downstream cấp phát một thẻ và cập nhật đến thực thể vào trong TIB. Sau đó, truyền một yêu cầu liên kết thẻ có dạng <địa chỉ đích, thẻ> đến thiết bị TSR upstream. - Khi thiết bị TSR nhận được yêu cầu liên kết thẻ, nó xác định được chặng tiếp theo trên đường đến đích và TSR upstream sẽ đặt thẻ trên vào thực thể tương ứng ở vị trí thẻ ra. 4.4.2 Phương pháp downstream on demand Cấp phát thẻ theo phương pháp Downstream on demand giống như phương pháp Downstream nhưng có sự khác biệt đó là quá trình gán thẻ chỉ được thực hiện khi có một yêu cầu cụ thể từ thiết bị TSR upstream. Kỹ thuật này phù hợp nhất cho các thiết bị TSR chứa các thành phần chuyển mạch ATM. Bởi vì chuyển mạch ATM có hỗ trợ một tập các thẻ (các giá trị VPI/VCI). Do vậy, sự thực hiện [...]...chuyển mạch thẻ trên môi trường ATM sẽ gần giống như chuyển mạch thẻ và các dịch vụ ATM nguyên bản Điều này có nghĩa là toàn bộ thẻ VPI/VCI được phân chia giữa hai và giảm hơn nữa số thẻ sẵn có dành cho chuyển mạch Bởi vậy, nó chỉ cấp phát thẻ chỉ khi thật sự cần thiết Các bước cơ bản của phương pháp cấp phát thẻ Downstream-on-demand được minh hoạ như hình vẽ sau: Hình 4. 8: Cấp phát thẻ... của TSR downstream nó đặt giá trị thẻ vào trường thẻ ra trong thực thể tương ứng của bảng TIB TSR upstream 4. 4.3 Phương pháp upstream Trong phương pháp cấp phát thẻ upstream thì thẻ được cấp phát bởi thiết bị TSR upstream và được truyền qua liên kết điểm-tới-điểm đến thiết bị TSR downstream Hình 4. 9: Cấp phát thẻ theo phương pháp Upstream - Đối với mỗi thực thể trong bảng định tuyến có chứa địa chỉ đích... đích - TSR downstream nhận được yêu cầu gán thẻ và đặt thẻ vào thực thể TIB đầu vào cho mạng đích 4. 5 Giao thức phân phối thẻ Giao thức phân phối thẻ (TDP) là một trong những giao thức điều khiển được sử dụng trong cấu trúc chuyển mạch thẻ để mang thông tin liên kết thẻ giữa các thiết bị TSR tham gia chuyển mạch Tuy nhiên các giao thức điều khiển được thiết kế cho các mục đích cụ thể TDP hoạt động dựa... tin TDP có thể truyền trong mọi hướng Mỗi bản tin TDP bao gồm độ dài tiêu đề cố định với một hay nhiều phần tử giao thức thông tin(PIE) với độ dài thay đổi Một PIE bao gồm một hoặc nhiều trường TLV Kiến trúc tổng quát của gói TAP và kiến trúc của hai PIE minh họa như hình vẽ: Tiêu đề của TDP TDP PIE TVL #1 TDP PIE TVL #2 Hình 4. 10: Định dạng gói TDP Sau khi thiết lập một kết nối TCP, một chuỗi các bản... để trao đổi các bản tin gán thẻ Thông tin cho gán thẻ được đóng gói thành các cấu trúc TDP PIE và thành khung với một tiêu đề TDP cố định để truyền trên các kết nối TCP đã được thiết lập Nếu kết nối TCP bị mất thì thông tin về gán thẻ bị loại bỏ và các thẻ phải được cấp phát lại 4. 5.2 Các kiểu đơn vị giao thức TDP TDP PIE gồm các bản tin sau:  TDP_PIE_OPEN: Là PIE đầu tiên được một TSR gửi đi cho các... tuyến đơn hướng và đa hướng thông thường TDP hoạt động độc lập với sự kiện (các sự kiện) yêu cầu việc sinh ra và phân phối các thông tin về gán thẻ Khi có một cuộc gọi qua nó ,TDP có thể phân phối một cách có hiệu quả và tin cậy thông tin liên kết thẻ đến các thiết bị TSR 4. 5.1 Chức năng của TDP Chức năng cơ bản của TDP là hỗ trợ cho sự phân phối thẻ, yêu cầu và giải phóng thông tin liên kết thẻ giữa các... gán thẻ được chứa trong cấu trúc TLV và có thể chứa một giá trị thẻ, địa chỉ mạng hoặc độ dài Cấu trúc của TDP_PIE_BIND được minh hoạ như hình vẽ 4. 11 Độ dài Type(0x200) Request ID AFAM BLIST_TYPE BLIST_LENGTH Binding List Binding List Tham số tuỳ chọn Hình 4. 11: Định dạng TDP_PIE_BIND  Request ID: Được sử dụng để đáp ứng TDP_BIND_REQUEST  AFAM: Xác định địa chỉ của lớp mạng chứa trong các yêu cầu... đơn hướng, độ dài địa chỉ cũng phải được chỉ ra Giá trị số chặng HC định nghĩa kiểu BLIST 5 và 6 được sử dụng để chỉ số chặng định tuyến mà một gói tin đã được gán thẻ được truyền đi qua đường chuyển mạch  TDP_PIE_REQUEST_BIND: Được sử dụng để yêu cầu gán thẻ cho một địa chỉ mạng đích  TDP_PIE_WITHDRAW_BIND: Được TSR dùng để thông báo rằng nó không còn sử dụng cơ chế gán thẻ nữa trong phiên làm việc . NGUYÊN CỨU VỀ ĐỀ TÀI “CHUYỂN MẠCH IP” CHƯƠNG 4 CHUYỂN MẠCH THẺ CỦA CISCO 4. 1 Giới thiệu chuyển mạch thẻ Vào năm 1996, Cisco đã đề xuất một giải pháp mới cho chuyển mạch IP,. chuyển mạch tồn tại trước khi có luồng lưu lượng thật sự được truyền đến và nó sẽ chuyển mạch tất cả các luồng đến mạng chuyển mạch thẻ. 4. 2 Kiến trúc của chuyển mạch thẻ Kiến trúc của chuyển mạch. các luồng tại mỗi thiết bị TSR, chuyển mạch thẻ thiết lập được các đường chuyển mạch lớp 2. Khi một gói tin đến một TSR, thông tin về thẻ trong tiêu đề của gói tin được dùng để tìm kiếm một