Chiến lược sử dụng bộ đệm và các kỹ thuật định tuyến trong chuyển mạch gói

LỜI NÓI ĐẦU Từ xa xưa nhu cầu trao đổi thông tin của con người đã được hình thành. Khi đó, nhận thức của con người chưa cao nên chỉ sử dụng những ám hiệu, kí hiệu hết sức giản đơn để trao đổi thông tin với nhau. Theo thời gian, nhiều công trình khoa học ra đời, chất lượng cuộc sống của con người ngày càng được hoàn thiện. Do đó, nhu cầu trao đổi thông tin cũng tăng lên. Yêu cầu về việc trao đổi thông tin giữa con người cách xa hàng nghìn cây số được đặt ra. Với sự phát triển của khoa học và công nghệ, nhu cầu trên của con người đã được giải quyết. Mạng viễn thông ra đời đã đáp ứng được hầu hết những nhu cầu đó của con người. Việc truyền thoại, số liệu đã trở nên rất giản đơn. Kỹ thuật chuyển mạch là một trong những kỹ thuật mấu chốt trong các mạng truyền thông. Sự phát triển mạnh mẽ của hạ tầng truyền thông trong một số năm gần đây đã làm cho kỹ thuật chuyển mạch có những bước tiến nhảy vọt. Trong đề tài này, nhóm chúng em nghiên cứu về vấn đề “ Chiến lược sử dụng bộ đệm và các kỹ thuật định tuyến trong chuyển mạch gói”. Trong suốt thời gian tìm hiểu đề tài, chúng em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô giáo trong trường và đặc biệt là cô giáo Nguyễn Thị Ngân đã giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài. Trong quá trình tìm hiểu không thể tránh những thiếu sót, vì vậy rất mong nhận được sự góp ý của thầy cô và các bạn . Chúng em xin chân thành cám ơn. NHÓM 5 MỤC LỤC CHIẾN LƯỢC SỬ DỤNG BỘ ĐỆM VÀ KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN TRONG CHUYỂN MẠCH GÓI I. Chiến lược sử dụng bộ đệm 1. Giới thiệu chung Như chúng ta đã biết trong chuyển mạch gói nút chuyển mạch là sự kết hợp của một cơ cấu chuyển mạch, bộ xử lý mào đầu gói đồng thời thực hiện chức năng xếp hàng và chuyển mạch phân chia theo không gian. Mỗi gói tin gồm phần mào đầu và phần tải trọng sẽ được mang đi từ một cổng vào tới một hay nhiều cổng ra. Node thực hiện tách thông tin từ phần mào đầu gói. Bộ xử lý thông tin mào đầu trong node sẽ nhận dạng các thông tin mào đầu và quyết định nó tới đầu ra. Các trường chuyển mạch gói có khả năng lưu đệm và chuyển tiếp các gói tin có độ dài thay đổi hoặc cố định nên chiến lược sử dụng bộ đệm phải phù hợp với kiến trúc của trường chuyển mạch. Một trong những tiêu chí quan trọng nhất để thiết kế trường chuyển mạch là hiệu năng của trường chuyển mạch. Hiệu năng của trường chuyển mạch được đánh giá qua rất nhiều tham số và đều hướng tới sự tối ưu các tham số. Một trong các tham số cơ bản là: - Khả năng thông qua của trường chuyển mạch: đó là lưu lượng truyền qua trường chuyển mạch, được định nghĩa như là xác suất một gói tin truyền trong một khe qua trường chuyển mạch tới đầu ra. Độ thông qua tối đa của trường chuyển mạch được gọi là dung lượng chuyển mạch. - Độ trễ trung bình của gói: là thời gian trung bình yêu cầu của chuyển mạch để chuyển các gói từ đầu vào tới đầu ra. - Xác suất mất gói: là xác suất mà các gói nhận được trong đầu vào bị mất trong trường chuyển mạch vì tràn bộ đệm hoặc do tranh chấp. Một hệ thống chuyển mạch lý tưởng cần phải chuyển tất cả các gói mà không gây mất mát với độ trễ nhỏ nhất, thứ tự gói ổn định. Hiệu năng chuyển mạch ảnh hưởng bởi mẫu lưu lượng của các gói đi đến trường chuyển mạch. Có nhiều giải pháp để cải thiện các vấn đề trên của trường chuyển mạch gói nhưng một phương pháp được sử dụng rộng rãi đó là chiến lược sử dụng bộ đệm. Việc bố trí các bộ đệm nhằm giải quyết tranh chấp, phối hợp lưu lượng và cải thiện độ thông qua của các trường chuyển mạch. Tùy theo vị trí của bộ đệm trong trường chuyển mạch mà ta có chuyển mạch đệm đầu vào, chuyển mạch đệm đầu ra, chuyển mạch đệm trung tâm. 2. Các chiến lược sử dụng bộ đệm a) Chuyển mạch đệm đầu vào Các trường chuyển mạch đệm đầu vào gồm một ma trận không gian bố trí các bộ đệm tại tất cả các cổng vào để giải quyết vấn đề tranh chấp. Mô hình chuyển mạch đệm đầu vào được mô tả như hình dưới đây: Hình 1.Chuyển mạch đệm đầu vào Cấu trúc trường chuyển mạch bao gồm 3 khối chính:  Bộ đệm đầu vào FIFO  Khối ma trận chuyển mạch  Khối giải quyết tranh chấp Các gói tin đi tới trường chuyển mạch được lưu giữ tại các bộ đệm đầu vào chờ khi đầu ra rỗi. khối ma trận chuyển mạch thực hiện chức năng định tuyến nội bộ , có thể được cấu tạo từ các ma trận crossbar. Khối giải quyết tranh chấp có chức năng xác định địa chỉ của các cổng đầu vào và đầu ra tương ứng, thực hiện phân bổ chúng. Một ưu điểm quan trọng của chuyển mạch hàng đợi đầu vào là chuyển mạch tốc độ cao có thể thực hiện dễ dàng, bởi vì chuyển mạch hàng đợi đầu vào có tốc độ hoạt động bộ đệm mong muốn, cân bằng và xấp xỉ tốc độ cổng. Vì vậy, chuyển mạch với cơ chế đệm đầu vào có thể tăng kích thước dễ dàng. Tuy nhiên, chuyển mạch đệm đầu vào phải đối mặt với độ thông qua bị hạn chế bởi hiện tượng nghẽn đầu dòng HOL(Head Of Line) và vấn đề sắp xếp các gói tin để tránh tranh chấp tại đầu ra của trường chuyển mạch không gian. Vấn đề đầu tiên có thể được giả quyết thông qua việc tăng tốc độ điều khiển trường chuyển mạch hoặc mở rộng các liên kết trung gian. Vấn đề chống tranh chấp cổng đầu ra sẽ được thực hiện qua các lược đồ điều khiển, một lược đồ điều khiển thông dụng nhất đã được đề xuất bởi HUI qua thuật toán chiếm cổng 3 giai đoạn. Ngoài ra còn một số lược đồ dựa trên kiểu quay vòng các khoảng thời gian chiếm cổng và phương pháp chiếm cổng đầu ra ảo.  Độ thông qua của chuyển mạch đệm đầu vào Độ thông qua của trường chuyển mạch đệm đầu vào chỉ đạt 58,6% do hiện tượng nghẽn đầu dòng HOL. Giả sử trong cùng một khoảng thời gian, 2 cổng vào A và B đều có một gói tin muốn chuyển tới đầu ra X tại ngay đầu hàng của bộ đệm FIFO. Khi đó, do một thời điểm không thể gửi đồng thời cả 2 gói tin từ 2 cổng vào A, B tới đầu ra X nên nếu giả sử kỹ thuật phân xử quyết định cho phép cổng A gửi gói tin tới cổng X và ngăn cổng vào B gửi gói tin thì tại cổng vào B các gói tin kế tiếp sau gói tin đầu hàng bị nghẽn không thể chuyển qua trường chuyển mạch mặc dù đích của chúng đang rỗi. Nghẽn đầu hàng có thể gây ảnh hưởng tới việc thực hiện tải của trường chuyển mạch. Nhiều nỗ lực để giải quyết vấn đề nghẽn đầu hàng và cải tiến chất lượng chuyển mạch như sử dụng các bộ đệm đàn hồi cùng các thuật toán phân xử. Vấn đề giải quyết tranh chấp cổng đầu ra có thể được giải quyết thông qua các lược đồ điều khiển. Ngoài ra, còn một số lược đồ dựa trên kiểu quay vòng các khoảng thời gian chiếm cổng và phương pháp chiếm cổng đầu ra ảo.  Thuật toán giải tranh chấp 3 pha Gồm 3 giai đoạn: - Tìm kiếm - Xác nhận chiếm cổng - Gửi gói tin Đầu tiên, tất cả các đầu vào đều chứa các gói đầu tiên của hàng (HOL), gửi 1 gói yêu cầu có chứa địa chỉ nguồn và địa chỉ đích qua ma trận chuyển mạch. Các gói được phân loại sao cho phù hợp với yêu cầu chuyển mạch. Sau đó các gói sẽ được lọc tìm địa chỉ đích. Gói tìm thấy sẽ được vòng lại. Tất cả các gói đầu vào có các gói tin vòng lại sẽ gửi gói xác nhận ACK, chứa địa chỉ nguồn của gói vòng tương ứng với địa chỉ đích của gói tin yêu cầu. Các đầu ra được cặp với các đầu vào để xác nhận đường chiếm. Sau đó gói tin được chuyển qua trường chuyển mạch theo đường cổng đã chiếm. Nhược điểm: Nhược điểm chủ yếu của thuật toán này nằm tại 2 pha đầu khi xử lý tiêu đề. Quá trình gửi thông tin chiếm cổng và xác nhận cổng sẽ làm trễ quá trình xử lý gói tin trong trường chuyển mạch, nhất là khi trường chuyển mạch được yêu cầu xử lý tốc độ cao. Các yếu tố phụ thuộc vào tốc độ xử lý nằm tại kích thước của trường chuyển mạch và kích thước của trường thông tin. Với giả thiết ma trận chuyển mạch có kích thước ( 1000x1000) và các gói cố độ dài 1000 bit, tiêu đề chiếm khoảng 14%. Điều này ngụ ý rằng trường chuyển mạch phải hoạt động ít nhất tại tốc độ 170Mbps để xử lý các luồng 150Mbps.  Thuật toán giải quyết tranh chấp dựa trên kiểu nghịch vòng Thuật toán mạch vòng không cần chức năng phân loại, sự phối hợp giữa các bộ đệm đầu vào được thực hiện trên 2 chu kỳ phục vụ: - Thứ nhất cho nghẽn đầu ra qua kích hoạt các bộ điều khiển đệm. - Thứ hai là chỉ định các đầu ra không thể phục vụ tới các bộ điều khiển đệm còn lại. Cơ chế nghịch vòng là cơ chế phân chia thời gian logic theo chu kỳ chọn cổng chuyển mạch. Trong lược đồ này các bộ điều khiển cổng đầu vào được liên đấu nối thành thành cấu trúc mạch vòng. Một token được tạo ra tuần tự tương ứng tới tất cả các cổng đầu ra. Token được chiếm khi nó tới tại cổng đầu tiên chứa đầu ra liên kết với token. Đầu vào nào chiếm token đầu tiên thì sẽ được phép chuyển gói tin tới cổng đầu ra tương ứng. Ma trận chuyển mạch không cần đẩy tốc độ lên mà vẫn thực hiện được nhiệm vụ chuyển mạch. Nhược điểm: + Tốc độ bit tăng lên trong mạch vòng với kích thước của chuyển mạch. + Không đảm bảo sự công bằng tại quá trình chiếm token.  Các cấu trúc giải quyết tranh chấp khác Chuyển mạch đệm đầu vào cũng có thể cải thiện được để tăng hiệu năng của trường chuyển mạch. Nó được lưu ý khi tải cao, các gói sẽ bị rơi theo thứ tự ưu tiên. Có thể giải thích như sau: khi lưu lượng đầu vào là rất cao, để có thể duy trì các cổng đầu ra bận thay vì bỏ bớt lưu lượng bằng cách bỏ bớt các gói. Với hai thuật toán giải quyết tranh chấp trên có thể coi là một bước phát triển lớn khi so sánh với cac chuyển mạch hành đợi đầu vào thuần túy. Chúng không đảm bảo được tỉ lệ mất mát tế bào khi lưu lượng cao. Để duy trì tỉ lệ mất tế bào, các con đường phải được tìm ra để điều khiển nghẽn HOL. Nghẽn HOL có thể giảm đi theo nhiều cách như sử dụng chuyển mạch mở rộng, kỹ thuật cửa sổ, kỹ thuật nhóm kênh. Một kỹ thuật nữa được sử dụng cho chuyển mạch đệm đầu vào là kỹ thuật cửa sổ. Trong kỹ thuật này tất cả các đầu vào được cho phép gửi các yêu cầu cho các gói của nó tuần tự trong hàng đợi tại điểm bắt đầu của khe thời gian, cho đến khi một trong số chúng được chiếm hoặc có một con số chắc chắn của các lần thử tối đa ( gọi là cửa sổ) được tìm thấy. Thực tế nó không vượt qua một cửa sổ có kích thước L, khi đó có nghĩa là các thuật toán trước đây chạy L lần. Vì vậy nó cần tốc độ bit rất cao. Qua mô phỏng thấy rằng độ thông qua tăng lên cùng với kích thước của cửa sổ L. Nhưng điều này không sử dụng L lớn hơn 4 vì tại L=4 thì độ thông qua đã đạt 80%. Một kỹ thuật khác cũng có thể được sử dụng để nâng cao độ thông qua của trương chuyển mạch là kỹ thuật nhóm kênh. Trong kỹ thuật này, các đầu ra chuyển mạch được chia thành các nhóm kênh có kích thước R và các gói được cộng vào các nhóm kênh này thay vì tồn tại dưới dạng riêng biệt. Nó có khả năng cải thiện hiệu năng khi tổng tải cung cấp đồng thời trên một nhóm kênh giống như tải trung bình vì số lượng nguồn phục vụ lớn cho một nhóm kênh. Tuy nhiên, có một số vấn đề cần quan tâm trong mô hình này là trong một khe thời gian không chỉ có đầu ra xung đột mà còn phải tránh xung đột cho cả nhóm kênh khi được chỉ định trên cùng một tuyến truyền dẫn trong cùng một thời gian. Độ thông qua có thể đạt được trong trường hợp này là 90% trong trường hợp nhóm kênh là 32. Với cùng một kích thước nhóm kênh và cửa sổ, độ thông qua trong trường hợp này đơn giản hơn so với lược đồ cửa sổ. b) Chuyển mạch đệm đầu ra Được thực hiện bởi một ma trận chuyển mạch không gian đầu vào và mỗi đầu ra chuyển mạch được trang bị một bộ đệm FIFO. Các gói tin cùng tranh chấp tại một đầu ra sẽ được lưu trữ tạm thời vào trong các bộ đệm này Cấu trúc mô tả như trong hình 2. Hình 2. Chuyển mạch đệm đầu ra Ưu điểm : - Vì các chuyển mạch hàng đợi đầu ra không bị nghẽn dòng tiêu đề HOL nên hiệu năng của trường chuyển mạch này tốt hơn so với chuyển mạch đệm đầu vào. Độ thông qua của chuyển mạch đệm đầu ra đạt 81%. Nhược điểm : - Dung lượng trường chuyển mạch bị giới hạn bởi bộ nhớ. Giả sử, khi tất cả N gói tin đầu vào đều cùng ra trên một cổng đầu ra, lúc này bộ đệm không thể lưu N gói tin trong cùng một khe thời gian nếu trường chuyển mạch có kích thước lớn và tốc độ đầu vào quá cao. Việc thiếu bộ nhớ sẽ gây tắc nghẽn cục bộ tại đầu ra và các gói sẽ bị tổn thất trong khi các bộ nhớ khác có thể còn trống mà không được sử dụng. Thông thường, các cổng đầu ra ngoài bộ đệm FIFO còn có them bộ lọc địa chỉ AF. Bộ lọc AF có chức năng xác định địa chỉ của các cổng đầu vào và lọc các địa chỉ có đầu ra tương ứng trên cổng đầu ra. Các bộ lọc AF và các bộ đệm FIFO hoạt động độc lập và có thể thiết kế riêng biệt nhằm tăng hiệu quả xử lí gói tin. c) Chuyển mạch đệm trung tâm Bộ đệm trung tâm còn được gọi là hàng đợi chia sẻ. các trường chuyển mạch có bộ đệm trung tâm chỉ có một hàng đợi được chia sẻ cho các đầu vào và đầu ra. Cấu trúc chuyển mạch được tổ chức thành N hàng đợi tách biệt tương ứng với N đầu ra. Cấu trúc chuyển mạch hàng đợi trung tâm được mô tả như hình 3 Hình 3. Chuyển mạch bộ đệm trung tâm Bộ nhớ chia sẻ gồm 2 cổng: - Cổng ghi cho các giao diện đầu vào. - Cổng đọc cho các giao diện đầu ra. Bộ nhớ này có thể được truy cập bởi tất cả các đầu vào và đầu ra. Các gói tin được lưu trữ trong bộ đệm và các đầu ra sẽ lựa chọn các gói tin có đích tới để đọc ra Ưu điểm : Độ thông qua của chuyển mạch loại này tương đương với chuyển mạch đệm đầu ra (81%) . Có thể tối ưu được bộ nhớ khi chia sẻ tài nguyên, kích cỡ của bộ nhớ có thể đặt phù hợp với yêu cầu để giữ tỉ lệ mất mát gói dưới một giá trị chọn trước. Nhược điểm : Nhược điểm cũng nảy sinh từ vấn đề lựa chọn kích thước của bộ nhớ khi bộ nhớ phải duy trì một không gian tối thiểu đồng thời phải mềm dẻo để đáp ứng được sự bùng nổ của lưu lượng. Ngoài ra không gian bộ nhớ chuyển mạch trung tâm cũng nhỏ hơn so với 2 loại trên vì bộ nhớ phải chia sẻ cho cả đầu vào và đầu ra. Một nhược điểm nữa của chuyển mạch đệm trung tâm đó là hiện tượng hogging . Vì tiếp cận đệm trung tâm tương tự như chuyển mạch thời gian nên một vấn đề đáng chú ý là khi các tế bào đầu vào tói bộ đệm trung tâm và được chuyển ra tới các đầu ra khác nhau, các tế bào sẽ được đọc ngẫu nhiên ( có điều khiển) tại các vùng nhớ ngẫu nhiên. Vì vậy, cần phải có một chiến lược quản lý vùng nhớ. Trong các chuyển mạch chia sẻ bộ nhớ một đấu nối bất kỳ có thể chiếm toàn bộ không gian nhớ trong một khoảng thời gian. Đó chính là hiện tượng Hogging. Để giải quyết vấn đề này có thể có mọt phương án khác nhằm phân hoạch vùng nhớ thành các cùng nhỏ hơn độc lập. Tuy nhiên, phương pháp phân hoạch thành các vùng nhớ nhỏ hơn sẽ gây nên tổn thất khi một số lưu lượng chiếm một đường nào đó lớn trong khi các đương khác không có hoặc rất ít lưu lượng, điều này cũng làm giảm hiệu năng tổng thể của mạng chuyển mạch khi việc sử dụng bộ nhớ đệm không hiệu quả. II. Kỹ thuật định tuyến trong chuyển mạch gói Định tuyến là một quá trình lựa chọn con đường cho gói tin truyền qua mạng. Định tuyến được xem như là khả năng của node trong vấn đề lựa chọn đường dẫn cho thông tin qua mạng. Định tuyến là một khái niệm cốt lõi của chuyển mạch gói và nhiều loại mạng khác nhau. Định tuyến cung cấp phương tiện tìm kiếm các tuyến đường theo các thông tin mà gói tin truyền trên mạng. Mỗi node trong mạng nhận gói dữ liệu từ một đường vào rồi chuyển tiếp tới một đường ra hướng đến đích của dữ liệu. Như vậy mỗi node trung gian phải thực hiện chức năng chọn đường hay còn gọi là định tuyến. Mục tiêu cơ bản của các phương pháp định tuyến nhằm sử dụng tối đa tài nguyên mạng và tối thiểu gia thành mạng. Để đạt được điều này kỹ thuật định tuyến phải tối ưu được các tham số mạng và người sử dụng như : xác suất tắc nghẽn, độ trễ, độ tin cậy, giá thành… Vì vậy một kỹ thuật định tuyến phải thực hiện tốt 2 chức năng sau : - Quyết định chọn đường theo những tiêu chuẩn tối ưu nào đó. - Cập nhật thông tin định tuyến, tức là thông tin dùng cho chức năng. Tùy thuộc và kiến trúc hạ tần, cơ sở mạng mà các kỹ thuật định tuyến khác nhau được áp dụng. Các tiêu chuẩn tối ưu khi chọn đường từ trạm nguồn tới trạm đích có thể phụ thuộc và yêu cầu người sử dụng dịch vụ mạng. Giữa mạng và người sử dụng có thể có các thỏa thuận ràng buộc về chất lượng dịch vụ cung cấp hay một số yêu cầu khác. Do đó có thể dẫn tới khả năng chọn đường của mạng chỉ là cận tối ưu đối với một loại hình dịch vụ cụ thể. Chức năng cập nhật thông tin địch tuyến là chức năng quan trọng nhất mà các giao thức định tuyến phải thừa hành. Các giải pháp cập nhật thông tin định tuyến đưa ra hiện nay tập trung vào giải quyết bài toán cân đối lưu lượng báo hiệu và định tuyến trên mạng với tính đầy đủ và sự nhanh chóng của các thông tin định tuyến. Trong các mạng máy tính có rất nhiều kỹ thuật thông tin định tuyến khác nhau đã được đưa ra. Sự phân biệt các thông tin định tuyến chủ yêu căn cứ vào các yếu tố liên quan đến 2 chức năng chính đã chỉ ra ở trên. Các yếu tố đó là : [...]...- - - Sự phân tán của các chức năng chọn đường trên các node của mạng + Kỹ thuật định tuyến tập trung + Kỹ thuật định tuyến phân tán Sự thích nghi với trạng thái hiện hành của mạng + Kỹ thuật định tuyến tĩnh + Kỹ thuật định tuyến động Các tiêu chuẩn tối ưu để định tuyến + Độ trễ trung bình của thời gian truyền gói tin + Số lượng node trung gian giữa nguồn và đích + Độ an toàn của việc truyền... tiêu chuẩn tối ưu để định tuyến + Độ trễ trung bình của thời gian truyền gói tin + Số lượng node trung gian giữa nguồn và đích + Độ an toàn của việc truyền tin + Nguồn tài nguyên mạng sử dụng cho truyền tin… + Tổ hợp của các tiêu chuẩn trên . góp ý của thầy cô và các bạn . Chúng em xin chân thành cám ơn. NHÓM 5 MỤC LỤC CHIẾN LƯỢC SỬ DỤNG BỘ ĐỆM VÀ KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN TRONG CHUYỂN MẠCH GÓI I. Chiến lược sử dụng bộ đệm 1. Giới thiệu. đệm trung tâm. 2. Các chiến lược sử dụng bộ đệm a) Chuyển mạch đệm đầu vào Các trường chuyển mạch đệm đầu vào gồm một ma trận không gian bố trí các bộ đệm tại tất cả các cổng vào để giải quyết. lượng và cải thiện độ thông qua của các trường chuyển mạch. Tùy theo vị trí của bộ đệm trong trường chuyển mạch mà ta có chuyển mạch đệm đầu vào, chuyển mạch đệm đầu ra, chuyển mạch đệm trung