KTTSL_CHUONG7 pot

Chuyển mạch gói – Nguyên lý Dữ liệu được truyền theo gói nhỏ  Thông thường là 1000 octet / gói  Các thông điệp lớn hơn được chia thành một chuỗi các gói nhỏ  Mỗi gói chứa một phần dữ

CHƯƠNG 7

MẠNG CHUYỂN MẠCH GÓI

(Packet Switching

Network)

anhph@cse.hcmut.edu.vn

Chuyển mạch gói

 Chuyển mạch mạch được thiết kế để truyền thoại

 Các tài nguyên được dành riêng cho cuộc gọi

 Hầu hết thời gian là kết nối dữ liệu rảnh

 Tốc độ dữ liệu cố định

 Thiết bị cả 2 đầu phải chạy cùng tốc độ

⇒ Công nghệ chuyển mạch gói

 Ứng dụng

 Các ứng dụng dữ liệu

 Các ứng dụng tiếng nói

 Packetized Voice Network

Chuyển mạch gói – Nguyên lý

 Dữ liệu được truyền theo gói nhỏ

 Thông thường là 1000 octet / gói

 Các thông điệp lớn hơn được chia thành một chuỗi các gói nhỏ

 Mỗi gói chứa một phần dữ liệu của người dùng và các thông tin điều khiển

 Thông tin điều khiển

 Chứa thông tin cho việc tìm đường (địa chỉ)

 Các gói được nhận, lưu tạm thời (đệm) và chuyển cho node kế tiếp

 Lưu và chuyển (store and forward)

Chuyển mạch gói – Ưu điểm

 Hiệu quả sử dụng đường truyền

 Liên kết đơn node-node có thể dùng chung bởi nhiều gói

 Các gói được xếp hàng và truyền đi nhanh nhất có thể

 Chuyển đổi tốc độ dữ liệu

 Mỗi trạm kết nối với node cục bộ với tốc độ của nó

 Các node đệm dữ liệu nếu cần thiết để cân bằng tốc độ

 Các gói được chấp nhận ngay khi mạng đang bận

 Việc phát có thể chậm lại

 Thông báo có thể có các độ ưu tiên khác nhau

Chuyển mạch gói – Kỹ thuật

 Trạm chia thông báo dài thành nhiều gói nhỏ

 Các gói được gởi lần lượt vào mạng

 Các gói được xử lý theo 2 cách

 Datagram

 Virtual circuit

Chuyển mạch gói – Kỹ thuật

 Datagram

 Mỗi gói được xử lý độc lập

 Các gói có thể đi theo bất cứ đường thích hợp nào

 Các gói có thể đến đích không theo thứ tự gởi

 Các gói có thể thất lạc trên đường đi

 Nhiệm vụ của bên nhận là sắp xếp lại các gói mất trật tự và khôi phục các gói thất lạc

Chuyển mạch gói - Datagram

Chuyển mạch gói - Datagram

Chuyển mạch gói – Kỹ thuật

 Virtual circuit

 Đường đi định sẵn đã được tạo trước khi gởi các gói đi

 Các gói yêu cầu cuộc gọi và chấp nhận cuộc gọi được dùng

để tạo kết nối (handshake)

 Mỗi gói chứa thông tin về đường đi “ảo” thay vì thông tin địa chỉ đích

 Không cần quyết định tìm đường cho các gói

 Yêu cầu xóa để hủy kết nối

 Không phải là một đường dành riêng

Mỗi đường ảo được gán một mã số riêng (Virtual Circuit

Chuyển mạch gói – Virtual Circuit

Chuyển mạch gói – Virtual Circuit

Virtual Circuit vs Datagram

 Virtual circuit

 Mạng có thể cung cấp sự tuần tự và điều khiển lỗi

 Các gói được chuyển nhanh hơn

 Không cần các quyết định tìm đường

 Độ tin cậy kém hơn

node đó

 Datagram

 Không cần giai đoạn thiết lập kết nối

 Tốt hơn nếu số gói nhỏ

 Linh động hơn

 Đường đi được quyết định sao cho tránh các phần mạng đang nghẽn kẹt

Kích thước gói

Circuit vs Packet Switching

Circuit Switching Datagram Packets Virtual Circuit Packets

Đường truyền dẫn dành riêng Đường truyền dẫn không

dành riêng Đường truyền dẫn không dành riêng

Dữ liệu truyền liên tục Dữ liệu truyền theo gói Dữ liệu truyền theo gói

Đủ nhanh cho ứng dụng

tương tác Đủ nhanh cho ứng dụng tương tác Đủ nhanh cho ứng dụng tương tác

Thông báo không được lưu trữ Thông báo có thể được lưu trữ

cho đến khi đến phân phát

Thông báo được lưu trữ cho đến khi đến phân phát

Đường truyền dẫn được thiết

lập cho toàn bộ quá trình trao

Tín hiệu bận nếu bên nhận

không sẵn sàng Người gởi có thể được thông báo nếu các gói không được

phân phát

Người gởi được thông báo nếu các gói không được phân phát

Circuit vs Packet Switching (tt)

Circuit Switching Datagram Packets Virtual Circuit Packets

Quá tải sẽ khóa việc thiết

lập; không trễ khi đường

truyền đã được thiết lập

Quá tải sẽ tăng thời gian trễ của gói Quá tải có thể khóa việc thiết lập; tăng thời gian trễ

của gói

Chuyển mạch cơ điện hoặc

được điều khiển bởi máy

tính

Node chuyển mạch nhỏ Node chuyển mạch nhỏ

User chịu trách nhiệm khi

các thông báo bị thất lạc Mạng có thể sẽ chịu trách nhiệm cho các gói đơn lẻ Mạng có thể sẽ chịu trách nhiệm cho chuỗi các gói

Thường không cần chuyển

đổi tốc độ và bảng mã Chuyển đổi tốc độ và bảng mã Chuyển đổi tốc độ và bảng mã

Truyền dẫn băng thông cố

định Linh động sử dụng băng thông Linh động sử dụng băng thông

Không tốn chi phí dữ liệu

sau khi thiết lập Tốn kém dữ liệu cho mỗi gói Tốn kém dữ liệu cho mỗi gói

 Số chặng đường (hop) là tối thiểu

 Chi phí (cost) tối thiểu

Chi phí các đường đi

Yếu tố quyết định chiến thuật tìm đường

 Thời điểm quyết định

 Trên cơ sở mạch ảo hoặc gói

 Nơi quyết định

 Phân tán (Distributed)

 Được thực hiện tại các node

 Tập trung (Centralized)

 Tại nguồn gởi (Source)

 Nguồn thông tin mạng và thời điểm cập nhật thông tin

 Quyết định tìm đường thông thường (không phải luôn luôn) được

dựa trên các thông tin về mạng

 Tìm đường phân tán (Distributed routing)

 Node sử dụng các thông tin cục bộ

 Có thể thu thập thông tin từ các node kế cận

 Có thể thu thập thông tin từ các node trên đường tiềm năng

 Tìm đường tập trung (Central routing)

 Thu thập thông tin từ tất cả các node

Chiến thuật tìm đường

 Chiến thuật (Routing Strategies)

 Fixed routing

 Flooding routing

 Random routing

 Adaptive routing

Fixed Routing

 Một lộ trình cố định cho

mỗi đường đi từ nguồn đến

đích

 Tất cả các đường đi qua

mạng đều đã được thiết

lập từ trước và không cập

nhật theo các biến đổi về

các điều kiện tải, … trong

mạng

 Đường đi được xác định

dùng giải thuật chi phí tối

thiểu

 Đường cố định ít ra cho

đến khi có sự thay đổi cấu

hình mạng

Flooding Routing

 Không cần thông tin mạng

 Node gởi các gói tới mỗi node kề (láng giềng)

 Các gói nhận được sẽ được truyền trên tất cả các kết nối ngoại trừ kết nối đến

 Cuối cùng sẽ có một số copy của gói sẽ đến đích

 Mỗi gói được đánh số duy nhất sao cho các copy

trùng nhau sẽ bị loại bỏ

 Node có thể ghi nhớ các gói đã đi qua, giúp cho

mạng không quá tải nhiều

 Có thể chứa số chặng đường (hop) trong các gói,

được dùng để giới hạn hay kết thúc quá trình truyền

 Có thể được dùng để thiết lập đường mạch ảo

 Tất cả các node đều được

tới

 Dùng để phân tán thông tin (tìm đường)

 Không cần thông tin mạng

 Lộ trình tìm được thông thường không phải là đường

có chi phí tối thiểu hoặc số chặng nhỏ nhất

R R P

Adaptive Routing

 Ưu điểm

 Hiệu suất được cải thiện

 Trợ giúp điều khiển nghẽn mạng

 Chi tiết nếu có thời gian

Isolated Adaptive Routing

 Mỗi node trong mạng tự cập nhật bảng tìm đường của mình

dựa vào các thông tin về mạng mà node đó học hỏi được,

không trao đổi thông tin routing với các node khác

 Gởi các gói trên các liên kết ra có hàng đợi ngắn nhất

 Có thể thêm các độ ưu tiên (bias) cho các đích

 Một trong những phương pháp đơn giản nhất của tìm đường

động, phù hợp với các mạng có kích thước nhỏ và hoạt động

tương đối ổn định

 Ít dùng (không dùng thông tin có sẵn)

Adaptive Routing

 Distributed Adaptive Routing

 Trong phương pháp này, thông tin về tình trạng hoạt động hiện hành của mạng sẽ được định kỳ trao đổi, cập nhật giữa các node trong toàn mạng Sau đó thông tin này sẽ được phân bố về lại các node trong mạng hay một số node trong mạng làm nhiệm vụ tìm đường để các node này cập nhật lại bảng routing

 Phương pháp này đáp ứng được với những thay đổi trạng

thái của mạng, nhưng đồng thời cũng làm tăng lưu lượng thông tin trong mạng

 Centralized Adaptive Routing

 Trong phương pháp này, thông tin về tình trạng hoạt động hiện hành của mạng sẽ được định kỳ trao đổi, cập nhật giữa các node trong toàn mạng Sau đó thông tin này sẽ được tập trung về một máy chủ trong mạng làm nhiệm vụ routing

 Tuy đáp ứng được với những thay đổi tức thời trong mạng

nhưng phương pháp này có nhược điểm là thông tin routing

Giải thuật tìm đường ngắn nhất

 Bài toán

 Cho mạng các node được nối bởi các liên kết 2 chiều, mỗi

chiều có giá trị chi phí riêng

 Chi phí của đường đi giữa 2 node trong mạng là tổng các giá trị chi phí của các liên kết đi qua

 Xác định đường đi ngắn nhất (chi phí thấp nhất) giữa 2 node

 Tiêu chuẩn đường ngắn nhất

 Số chặng đường đi

 Giá trị mỗi liên kết là 1

 Giá trị liên kết

 Tỉ lệ nghịch tốc độ liên kết

 Tỉ lệ thuận tải trên liên kết

 Giải thuật

 Forward-search (Dijkstra)

Giải thuật Dijkstra

 Đồ thị G(V, E) trong đó V là tập đỉnh, E là tập cạnh có trọng số không âm

 M: tập các đỉnh đã xét tại bước chạy hiện hành của giải thuật

 dij : trọng số trên cạnh nối từ node i đến node j

Giải thuật Dijkstra

 Giải thuật

 Bước 1: khởi động

 D i = d SI

 Bước 2: cập nhật đường đi ngắn nhất

 Chọn đỉnh N ∈ V sao cho: DN = min {Di} ∀i ∈ V\M

 M = M ∪ {N}

 Dj = min {Dj, DN + dNj } ∀j ∈ V\M

 Bước 3: lặp lại bước 2 cho đến khi M=V

 Kết quả Di sẽ là đường đi ngắn nhất từ node nguồn

S đến node i

Giải thuật Dijkstra

 Tìm đường đi ngắn nhất từ node nguồn 1 đến tất cả các

node còn lại

Giải thuật Dijkstra

Giải thuật Bellman - Ford

 Đồ thị G(V, E) trong đó V là tập đỉnh, E là tập cạnh có trọng số

 Đỉnh nguồn S: S ∈ V

 Đồ thị có chu trình âm → không tồn tại đường đi ngắn nhất

 Đường đi ngắn nhất từ đỉnh nguồn S đến tất cả các đỉnh còn lại

 D(h)i : đường đi ngắn nhất từ node nguồn S đến node i có tối

đa h đoạn (link)

 dij: trọng số trên cạnh nối từ node i đến node j

dij = 0 nếu i trùng j

Giải thuật Bellman – Ford

 Bước 3: lặp lại bước 2 cho đến khi không có đường đi mới

nào ngắn hơn được tìm thấy thì dừng

 Kết quả D(h)N sẽ là đường đi ngắn nhất từ node nguồn S đến node N

Giải thuật Bellman – Ford

 Tìm đường đi ngắn nhất từ node nguồn 1 đến tất cả các

node còn lại

Giải thuật Bellman – Ford

Bài tập

 Tìm đường ngắn nhất từ node 1

 Theo giải thuật Dijkstra

 Theo giải thuật Bellman – Ford

3

4 3

Bài tập

 Tìm đường ngắn nhất từ node 1

 Theo giải thuật Dijkstra

 Theo giải thuật Bellman – Ford

1

1 1

4 5

Dijkstra vs Bellman–Ford

 Bellman-Ford

 Việc tính toán cho node n phải biết các thông tin về chi phí liên kết của các node kề và chi phí tổng cộng từ node s đến các node kề của node n

 Mỗi node cần lưu trữ tập các chi phí và các đường đi tương ứng đến các node khác

 Có thể trao đổi thông tin với các node kề trực tiếp

 Có thể cập nhật thông tin về chi phí và đường đi dựa trên

các thông tin trao đổi với các node kề và các thông tin về chi phí liên kết

 Dijkstra

 Mỗi node cần biết topology toàn bộ mạng

 Phải biết chi phí liên kết của tất cả các liên kết trong mạng

 Phải trao đổi thông tin với tất cả các node khác trong mạng

Đánh giá

 Phụ thuộc vào thời gian xử lý của các giải thuật

 Phụ thuộc vào lượng thông tin yêu cầu từ các node khác

 Phụ thuộc vào việc hiện thực

 Cùng hội tụ về một lời giải dưới điều kiện topology

tĩnh và chi phí không thay đổi

 Nếu chi phí liên kết thay đổi, các giải thuật sẽ tính lại

để theo kịp sự thay đổi

 Nếu chi phí liên kết thay đổi theo lưu thông, lưu

thông lại thay đổi theo đường đi được chọn

 Phản hồi

 Có thể rơi vào trạng thái không ổn định

 Dùng giải thuật tìm đường Bellman-Ford

 Các node trao đổi thông tin (các vector thời gian trễ) với các node kề

 Cập nhật bảng tìm đường dựa trên thông tin đến

 Không quan tâm đến tốc độ đường truyền, chỉ quan tâm

chiều dài hàng đợi tại các node

 Chiều dài hàng đợi không phải là cách đo chính xác của thời gian trễ

 Đáp ứng chậm với nghẽn mạch

ARPANET – Tìm đường

 Thế hệ thứ 2

 1979

 Dùng thời gian trễ làm tiêu chuẩn đánh giá hiệu quả

 Thời gian trễ được đo trực tiếp

 Dùng giải thuật tìm đường Dijkstra

 Thích hợp cho mạng có tải trung bình hoặc nhẹ

 Khi mạng tải nặng, có ít tương quan giữa thời gian trễ đo

được và thời gian trễ gặp phải

 Thế hệ thứ 3

 1987

 Việc tính toán chi phí của liên kết đã được thay đổi

 Thời gian trễ trung bình được đo trong 10 giây cuối

 Bình thường hóa dựa trên giá trị hiện tại và kết quả trước đó

 Cung cấp việc truyền dữ

liệu tin cậy thông qua liên

 External virtual circuits

 Kết nối luận lý (virtual

circuits) giữa các thuê bao

X.25 – Virtual Circuit

 Dịch vụ mạch ảo

 Virtual Call (SVC – Switched Virtual Circuit)

 Permanent virtual circuit

 Virtual circuit được gán trước cố định

 Fast Select call

thông báo/lệnh nhỏ (<128 octet) trong quá trình thiết lập/xóa kết nối

X.25 – Định dạng gói

X.25 – Gói dữ liệu

 Số VC (12 bits) – 4 bit logical group number + 8 bit logical channel

number

 Thông thường 2 trường này được xem như một

 Dùng để chỉ thị loại kết nối hoặc kênh giữa các DTE

 Các loại kết nối khác nhau cho phép nhiều phiên giao dịch giữa cùng một cặp DTE

 Có thể lên đến 4095 kênh luận lý trên cùng một đường giao tiếp vật lý

 Q bit (Qualifier bit) – không được định nghĩa trong chuẩn, thường phân biệt các gói chứa dữ liệu (i.e user information Q=0) và các gói chứa

thông tin điều khiển (Q=1)

 M bit (More bit) – chỉ thị nhiều gói sẽ tiếp theo

 Mạng chuyển gói công cộng có kích thước giới hạn cho các gói (thông

báo sẽ được phân thành nhiều gói

 Ngoại trừ gói cuối cùng, các gói sẽ có bit M được bật (M=1)

 D bit – bằng 0 khi gói này là một phần của gói bị phân mảnh, bằng 1 khi gói được tái hợp

 Cũng được dùng để điều khiển dòng

 Khi D=0, điều khiển dòng được thực hiện cục bộ (giữa DTE và cục bộ DCE)

 Khi D=1, điều khiển dòng được thực hiện giữa DTE và DTE ở xa

X.25 – Gói điều khiển

 6 nhóm: thiết lập kết nối, điều khiển dòng, giám sát, xác nhận, chuẩn đoán, ngắt quãng

 Gói thiết lập kết nối

 4 loại: Call Request, Incoming Call, Call Accepted, và Call Connected

 Được dùng trong giai đoạn thiết lập mạch ảo

 Gói điều khiển dòng

 3 loại: Receive Ready (RR), Receive Not Ready (RNR), và Reject (REJ)

 Được dùng trong giai đoạn truyền dữ liệu (các gói đều chứa P(R))

 Xem thêm HDLC

 Gói giám sát

 Bao gồm: Restart Request/Indication, Clear Request/Indication,

Reset Request/Indication

 Restart Request được dùng trong tình huống xấu (host crash) để xóa

VC do DTE này đang giữ

 Clear Request dùng để xóa VC (được chỉ ra trong VC number)

 Reset Request được dùng để reset chỉ số nhận/gởi tuần tự về 0 trong chế độ truyền dữ liệu

X.25 – Gói điều khiển

 Gói xác nhận

 Dùng để xác nhận các yêu cầu trước đó (cho Restart, Clear, Reset, và Interrupt)

 Gói chuẩn đoán

 Do mạng tạo ra cho mục đích chuẩn đoán lỗi

 Gói ngắt quãng

 Được truyền trong quá trình truyền dữ liệu, và không chứa chỉ số gởi/nhận tuần tự Nghĩa là gói ngắt quãng không là đối tượng của quá trình điều khiển dòng (điều khiển dòng được bỏ qua và các gói ngắt quãng được truyền tới DTE đích với độ ưu tiên cao hơn các gói dữ liệu)

X.25 – Set và Reset

 Reset

 Khởi tạo lại virtual circuit

 Số tuần tự được đặt bằng 0

 Các gói đang quá cảnh bị mất

 Tùy vào các protocol cấp cao để khôi phục lại các gói bị mất

 Kích hoạt bởi việc mất các gói, sai số tuần tự, nghẽn mạch, mất internal virtual circuit

 Restart

 Tương đương với yêu cầu xóa tất cả các virtual circuit

 E.g mất tạm thời việc truy cập mạng

X.25 – Thủ tục thiết lập kết nối

 DTEa ⇔ DCEa ⇔ PSN ⇔ DCEb ⇔ DTEb (DTEa muốn kết nối với DTEb)

 DTEa nhận một virtual circuit number (VCN)

 DTEa gởi gói call-request cho DTEb (chứa VCN, địa chỉ DTEa, địa chỉ DTEb)

 DCEa tìm đường đi băng qua mạng PSN cho gói này đến

X.25 – Thủ tục giải phóng kết nối

 DTEa ⇔ DCEa ⇔ PSN ⇔ DCEb ⇔ DTEb (DTEa muốn xóa kết nối với DTEb)

 DTEa gởi gói clear-request tới DCEa

 DCEa gởi gói clear-indication tới DTEb (thông qua DCEb)

 DTEb gởi clear-indication tới DTEa (thông qua các DCEb và DCEa)