Chuyển mạch gói (Packet switching) là một loại kỹ thuật gửi dữ liệu, thông tin từ máy tính nguồn tới nơi nhận (máy tính đích) qua mạng dưới dạng gói 3ung một loại giao thức thảo mãn 3 điều kiện sau: − Dữ liệu cần vân chuyển được chia nhỏ ra thành các gói (hay khung) có kích thước (size) và định dạng (format) xác định. – Mỗi gói như vậy sẽ được chuyển riêng rẽ và có thể đến nơi nhận bằng các đường truyền (route) khác nhau. Như vậy, chúng có thể dịch chuyển trong cùng thời điểm. – Khi toàn bộ các gói dữ liệu đã đến nơi nhận thì chúng sẽ được hợp lại thành dữ liệu ban đầu. Mỗi gói dữ liệu có kích thước được định nghĩa từ trước (đối với giao thức TCPIP thì kích thước tối đa của nó là 1500 bytes) và thường bao gồm 3 phần: – Phần mào đầu (header): chứa địa chỉ máy gửi , địa chỉ máy nhận và các thông tin về loại giao thức sử dụng và số thứ tự của gói. – Phần tải dữ liệu (data hay payload): là một trong những đoạn dữ liệu gốc đã được cắt nhỏ – Phần đuôi (trailer): bao gồm tín hiệu kết thúc gói và thông tin sửa lỗi dữ liệu (data correction). Kĩ thuật này rất hiệu quả để vận chuyển dữ liệu trong các mạng phức tạp bao gồm rất nhiều hệ thống máy tính nối với nhau.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN - - BÀI TẬP LỚN HỆ THỐNG VIỄN THÔNG Đề tài: Tìm hiểu công nghệ chuyển mạch gói Giảng viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: Hà Nội ngày… tháng…năm… Tìm hiểu công nghệ chuyển mạch gói MỤC LỤC Phần I: TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN MẠCH GÓI 1.1 Khái niệm 1.2 Đặc điểm 1.3 Nguyên tắc chuyển mạch gói 2: ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA CHUYỂN MẠCH GÓI 2.1 Ưu điểm chuyển mạch gói 2.2 Nhược điểm chuyển mạch gói Phần II: KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH GÓI 2.1 Mô hình chuyển mạch gói 2.2 Tổ chức phân lớp CMG( lớp mô hình OSI) 2.2.1 Lớp vật lý 2.2.2 Lớp liên kết liệu 2.2.3 Lớp mạng 2.2.4 Lớp truyền tải 2.2.5 Lớp phiên 2.2.6 Lớp trình diễn 2.2.7 Lớp ứng dụng 2.3 Phân loại CMG 2.3.1 Datagram 2.3.2 Virtual circuit 10 Phần III: KIẾN TRÚC TRƯỜNG CHUYỂN MẠCH GÓI 11 3.1 Cấu trúc chuyển mạch phân chia theo thời gian 12 3.2 Chuyển mạch chia sẻ phương tiện 12 3.3 Chuyển mạch chia sẻ nhớ 12 3.2 Chuyển mạch Croos-Bar 13 3.3 Chuyển mạch kết nối đầy đủ 13 3.4 Chuyển mạch cấu trúc Banyan 13 3.5 Chuyển mạch cấu trúc Banyan mở rộng 13 3.6 Chuyển mạch dựa cấu trúc đa mặt 14 3.7 Chuyển mạch dựa theo cấu trúc quay vòng: 14 3.8 Các chiến lược sử dụng đệm trường chuyển mạch 14 Phần IV: KIẾN TRÚC BỘ ĐỊNH TUYẾN 15 4.1 Kiến trúc định tuyến hệ đầu 15 4.2 Kiến trúc định tuyến hệ thứ hai 16 4.3 Kiến trúc định tuyến hệ thứ ba 17 Phần V: ĐỊNH TUYẾN TRONG CHUYỂN MẠCH GÓI 18 5.1 Khái niệm định tuyến 18 5.2 Mục đính định tuyến 19 5.3 Các phương thức định tuyến 20 5.3.1 Định tuyến tĩnh định tuyến động 20 Tìm hiểu công nghệ chuyển mạch gói 5.3.2 Định tuyến tập trung định tuyến phân tán 21 5.3.3 Định tuyến nguồn định tuyến bước 21 5.3.4 Định tuyến phân cấp không phân cấp 22 5.4 Các thuật toán định tuyến 22 5.4.1 Thuật toán Bellman-Ford định tuyến vectơ khoảng cách 22 5.4.2 Thuật toán Dijkstra 24 5.4.3 So sánh hai thuật toán Bellman-Ford Dijkstra 26 Phần VI: TÀI LIỆU THAM KHẢO 27 Tìm hiểu công nghệ chuyển mạch gói Phần 1: TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN MẠCH GÓI 1.1 Khái niệm Chuyển mạch gói (Packet switching) loại kỹ thuật gửi liệu, thông tin từ máy tính nguồn tới nơi nhận (máy tính đích) qua mạng dạng gói 3ung loại giao thức thảo mãn điều kiện sau: − Dữ liệu cần vân chuyển chia nhỏ thành gói (hay khung) có kích thước (size) định dạng (format) xác định – Mỗi gói chuyển riêng rẽ đến nơi nhận đường truyền (route) khác Như vậy, chúng dịch chuyển thời điểm – Khi toàn gói liệu đến nơi nhận chúng hợp lại thành liệu ban đầu Mỗi gói liệu có kích thước định nghĩa từ trước (đối với giao thức TCP/IP kích thước tối đa 1500 bytes) thường bao gồm phần: – Phần mào đầu (header): chứa địa máy gửi , địa máy nhận thông tin loại giao thức sử dụng số thứ tự gói – Phần tải liệu (data hay payload): đoạn liệu gốc cắt nhỏ – Phần đuôi (trailer): bao gồm tín hiệu kết thúc gói thông tin sửa lỗi liệu (data correction) Kĩ thuật hiệu để vận chuyển liệu mạng phức tạp bao gồm nhiều hệ thống máy tính nối với 1.2 Đặc điểm Không cần phải hoàn tất mạch liên tục nối từ máy gửi đến máy nhận (xem thêm kĩ thuật chuyển mạch kênh dùng đường dây điện thoại) Thay vào đường truyền liệu chuyển mạch (switcher) thiết lập cách tạm thời cặp để làm trung gian vận chuyển (hay trung chuyển) gói từ máy nguồn tới địa máy nhận Các đoạn mạch nối trung chuyển không cần phải thiết lập từ trước mà có gói cần vận chuyển thành hình Trong trường hợp tắt nghẽn hay cố, gói liệu trung chuyển đường thông qua máy tính trung gian khác Dữ liệu vận chuyển gói tiết kiệm thời gian việc gửi trọn vẹn liệu cỡ lớn trường hợp liệu thất lạc (hay hư hại) máy nguồn việc gửi lại gói bị (hay bị hư) thay phải gửi lại toàn liệu gốc Tìm hiểu công nghệ chuyển mạch gói Trong mạng phức tạp việc vận chuyển không cần (và không thể) biết trước gói liệu chuyển theo ngõ Kỹ thuật cho phép nối gần với số lượng máy tính Thực tế, bị giới hạn khả cho phép giao thức khả nối vào mạng chuyển mạch với máy Vì gửi qua đường trung chuyển khác nên thời gian vận chuyển gói từ máy nguồn đến máy đích hoàn toàn khác Và thứ tự gói đến máy đích không theo thứ tự gửi Chuyển mạch gói tùy theo cách thức gửi gói tin mà người ta phân làm loại là: – Hướng kết nối (Connection-oriented) : đường định tuyến trước gửi qua nút mạng trước gửi gói tin, gói tin truyền thứ tự đích, trễ tận dụng hiệu mạng – Phi kết nối (Connectionless) : truyền lung tung, tùy theo mạng chỗ dùng nhiều dùng mà lựa đường mà đi, nhiên gói quãng đường dài ngắn khác nhau, trễ nút (đi nhiều hay nút mạng khác nhau) khác mà đến đích không thứ tự, phải đợi xếp lại, nói chung trễ nhiều 1.3 Nguyên tắc chuyển mạch gói Qua đặc tính của kỹ thuật chuyển mạch kênh, nhận thấy kỹ thuật chuyển mạch kênh thường ứng dụng cho dịch vụ thời gian thực, hướng kết nối lưu lượng không bùng phát Trong mục tiêu chuyển mạch gói sử dụng cho liệu nên phải sẵn sàng chấp nhận lưu lượng bùng phát không cần hướng kết nối thời gian thực Đặc tính hướng kết nối yêu cầu giai đoạn kết nối phân biệt gồm: thiết lập kết nối, truyền thông tin giải phóng kết nối Một kiểu kết nối khác đối ngược với kiểu kết nối kiểu phi kết nối Phi kết nối cho phép thực thể thông tin truyền độc lập với đặc tính kết nối thể tiêu đề thực thể thông tin Các giai đoạn kết nối chuyển mạch kênh không tồn mà thay vào phương pháp chuyền theo giai đoạn gồm ba giai đoạn Hình khác biệt xét theo phương diện kết nối phương thức chuyển mạch kênh, chuyển mạch tin chuyển mạch gói Tìm hiểu công nghệ chuyển mạch gói Hình 1.3a: Các phương pháp chuyển mạch Sự khác biệt chuyển mạch tin chuyển mạch gói nằm trình xử lý tin, chuyển mạch gói thực việc phân đoạn tin thành thực thể phù hợp với đường truyền cấu hình mạng, gói có kích thước thay đổi cố định, phương pháp chuyển với gói cố định chuyển mạch tế bào (cell) Như vậy, tin người dùng phân thành nhiều gói Sau trình chuyển mạch gói tái hợp để hoàn nguyên lại thông tin người sử dụng Quá trình phân mảnh tạo gói thực mô hình OSI thể hình đây: Hình 1.3b: Đóng gói liêu theo mô hình OSI Tìm hiểu công nghệ chuyển mạch gói Kỹ thuật chuyển mạch gói cho phép kết nối thông tin từ đầu tới cuối qua trình chia sẻ tài nguyên, sử dụng tập thủ tục liên kết có tốc độ khác để truyền gói tin chuyển gói nhiều đường dẫ khác nhau.Có hai kiểu chuyển mạch gói bản: chuyển mạch datagram chuyển mạch kênh ảo VC (Virtual Circuit) Phần 2: ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA CHUYỂN MẠCH GÓI 2.1 Ưu điểm chuyển mạch gói Mềm dẻo hiệu suất truyền tin cao: Hiệu suất sử dụng đường truyền cao chuyển mạch gói khái niệm kênh cố định dành riêng, đường truyền node trạm chia sẻ cho để truyền tin, gói tin hàng truyền theo tốc độ nhanh đường truyền Khả tryền ưu tiên: Chuyển mạch gói thứ tự cho gói để truyền theo mức độ ưu tiên Trong chuyển mạch gói số gọi bị từ chối phải chấp nhận nhược điểm vi thời gian trễ tăng lên Khả cung cấp nhiều dịch vụ thoại phi thoại Thích nghi tốt có lỗi xảy ra: Đặc tính có nhờ khả định tuyến động mạng Tăng hiệu suất đường truyền: kết nối node-node dung nhiều gói,các gói xếp hàng truyền nhanh Các gói nhận mạng bận.Việc phát chậm lại 2.2 Nhược điểm chuyển mạch gói Bên cạnh ưu điểm mạng chuyển mạch gói lộ nhược điểm như: – Trễ đường truyền lớn: Do qua trạm, liệu lưu trữ, xử lý trước truyền – Độ tin cậy mạng gói không cao, dễ xảy tắc nghẽn, lỗi tin – Tính đa đường gây lặp tin, làm tăng lưu lượng mạng không cần thiết – Tính bảo mật đường truyền chung không cao Tìm hiểu công nghệ chuyển mạch gói Phần 3: KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH GÓI 3.1 Mô hình chuyển mạch gói Kỹ thuật chuyển mạch gói kỹ thuật lưu chuyển tiếp thông tin Dữ liệu truyền chia thành gói nhỏ Mỗi gói gồm liệu cộng thêm thông tin điều khiển Phương thức truyền thông tin qua mạng Mạng truyền tải thông tin user – Truyền khối riêng biệt – Truyền chuỗi khối liên tiếp 3.2 Tổ chức phân lớp CMG( lớp mô hình OSI) Sử dụng mô hình lớp OSI để mô tả khái niệm sử dụng chuyển mạch gói chủ yếu dựa ba lớp bậc thấp Lớp Hình thức truyền Lớp 3: Lớp mạng Gói Lớp 2: Lớp liên kết liệu Khung Lớp 1: Lớp vật lý Bit Tìm hiểu công nghệ chuyển mạch gói 3.2.1 Lớp vật lý Dành cho kết nối thiết bị mạng Thông tin trao đổi dạng bit, bao gồm thông tin số liệu, báo hiệu (điều khiển) Các tín hiệu dùng để trao đổi tin tức cấp cao hai thiết bị 3.2.2 Lớp liên kết liệu Là lớp chuyển tin thiết bị yêu cầu tin chuyển không bị lỗi, theo trình tự xác Phát lỗi khung truyền phương pháp ARQ (Automatic Repeat reQuest), bao gồm ba phương thức: – Phương thức dừng chờ: bên phát khung phải chờ từ phía thu Nếu nhận xác nhận là: ACK bên phát tiếp tục phát khung tiếp theo, ngược lại NAK bên phát phát lại khung phát – Phương thức quay lùi: bên phát phát liên tục khung, nhận ACK tiếp tục phát, NAK xác định thứ tự khung lỗi phát lại liên tục khung – Phương thức lặp lại có chọn lọc: phát liên tục khung, lỗi phát lại khung bị lỗi tiếp tục công việc dang dở 3.2.3 Lớp mạng Là lớp làm công việc sửa lỗi, điều khiển luồng theo tuyến hai thiết bị đấu nối với Lớp mạng tạo điều kiện cho thông tin thiết bị mà chúng không đấu nối trực tiếp với (nghĩa qua mạng) Để thiết lập kết nối lớp mạng hai thiết bị,thì chúng cần có khả thích ứng với Mỗi thiết bị đấu nối vào mạng có địa riêng, thiết bị dựa vào địa thiết bị khác mà yêu cầu thiết lập thông tin chúng Có cách để xây dựng lớp mạng: – Mỗi thiết bị có địa riêng – Dùng tuyến nối thiết bị xây dựng địa 3.2.4 Lớp truyền tải Lớp truyền tải cung cấp dịch vụ truyền tải liệu từ đầu cuối tới đầu cuối, cung cấp khả truyền tải có độ tin cậy thiết bị đầu cuối mà không liên quan trực tiếp tới phần cứng mạng truyền thông Đáp ứng yêu cầu lớp phiên qua chất lượng dịch vụ , kích thước đơn vị liệu, điều khiển luồng yêu cầu sữa lỗi Tìm hiểu công nghệ chuyển mạch gói 3.2.5 Lớp phiên Lớp phiên quản lý dịch vụ điều khiển luồng số liệu người sử dụng tham gia vào phiên truyền thông , giao thức lớp phiên luật phương pháp thực phiên truyền thông mà không can thiệp vào nội dung truyền thông 3.2.6 Lớp trình diễn Lớp trình diễn chịu trách nhiệm tạo khuôn dạng liệu cho lớp ứng dụng tương thích ứng dụng hệ thống truyền thông Các giao thức lớp trình diễn đưa ngôn ngữ cú pháp tập đặc tính phù hợp cho truyền thông, đồng thời thống mã, liệu cho dịch vụ lớp ứng dụng 3.2.7 Lớp ứng dụng Cung cấp dịch vụ truyền thông cho người sử dụng với dạng thức số liệu, báo hiệu điều khiển đáp ứng thiết bị đầu cuối, hệ thống giao thức điều khiển ứng dụng thông qua phần tữ dịch vụ ứng dụng, quản lý truyền thông ứng dụng 3.3 Phân loại CMG Các gói xử lý theo cách: + Datagram + Virtual circuit 3.3.1 Datagram Mỗi gói xử lý độc lập Các gói theo đường thích hợp Các gói đến đích không theo thứ tự gởi Các gói thất lạc đường Bên nhận phải xếp lại gói trật tự khôi phục gói thất lạc Tìm hiểu công nghệ chuyển mạch gói 4.2 Chuyển mạch Croos-Bar: ma trận chuyển mạch hai chiều thường ma trận vuông( NxN), cấu tạo phần tử kết nối chéo hai trạng thái (cross- bar) Đặc tính tự kết nối đặc điểm riêng trường mạch gói, chức gọi chức tự định tuyến 4.3 Chuyển mạch kết nối đầy đủ: Trường chuyển mạch với kết nối trung gian đầy đủ cho phép gói tin lựa chọn tuyến đường hai cổng trường chuyển mạch 4.4 Chuyển mạch cấu trúc Banyan: họ chuyển mạch tự định tuyến dựa phần tử chuyển mạch (2*2) Mạng Banyan mạng cho phép kết nối đầu vào đến đầu 4.5 Chuyển mạch cấu trúc Banyan mở rộng: phương pháp mở rộng theo chiều ngang Việc mở rộng thêm tầng tạo thêm hội chọn đường cho gói tin nội trường chuyển mạch 13 Tìm hiểu công nghệ chuyển mạch gói 4.6 Chuyển mạch dựa cấu trúc đa mặt: Nhằm mục đích tăng khả thông qua trường chuyển mạch 4.7 Chuyển mạch dựa theo cấu trúc quay vòng: thiết kế để tránh tranh chấp đầu 4.8 Các chiến lược sử dụng đệm trường chuyển mạch Việc sử dụng đệm chuyển mạch gói giúp tăng hiệu năng, giải tranh chấp, phối hợp lưu lượng thiện độ thông qua trường chuyển mạch Các chiến lược sử dụng đệm xếp hàng đợi vị trí: Chuyển mạch đệm đầu vào: 14 Tìm hiểu công nghệ chuyển mạch gói Chuyển Đặc điểm Ưu Nhược mạch Đệm đầu vào Đệm đầu Các trường chuyển mạch gồm ma trận không gian bố trí đệm tất cổng vào để tránh tranh cấp Mỗi đầu trang bị đệm nơi tế bào tranh chấp tạm thời lưu trữ Đệm trung Tồn tâm(hàng đợi chi nhớ trung tâm sẻ) truy nhập tất đầu vào đầu Dễ chuyển mạch tốc độ cao chuyển mạch hàng đợi đầu vào có tốc độ xấp xỉ tốc độ cổng - tăng kích thước dễ dàng Không bị nghẽn đầu dòng Hiệu suất truyền tin đạt 81% Bộ nhớ chia sẻ đồng Nghẽn đầu dòng Vấn đề xếp gói tin Trường hợp xấu với chuyển mạch NxN có N tế bào tranh chấp Giới hạn tốc độ truy nhập nhớ Vấn đề hogging Phần 5: KIẾN TRÚC BỘ ĐỊNH TUYẾN 5.1 Kiến trúc định tuyến hệ đầu Thế hệ thứ hệ thống định tuyến đơn giản nhất, tốc độ nhỏ 0.5Gbps Xét từ quan điểm cấu trúc, chúng sử dụng xử lý tập trung, đệm tập trung bus chung kết nối đến card đường truyền (line card) Các gói tin vào phải truyền cung bus để lập lịch giao diện đầu Các card giao tiếp thiết bị đầu ra/vào “không thông minh” khả xử lý gói Thiết kế có nhiều nhược điểm, đo bus sử dụng card đường truyền thời điểm Hơn nữa, gói phải truyền hai lần bus sau rời cổng đầu vào Đầu tiên viết vào nhớ xử lý thực tra cứu tuyến thực lập lịch, gói tin lấy khỏi nhớ, sau lại truyền bus đến giao diện đầu thích hợp Ngoài tất chức gắn liền 15 Tìm hiểu công nghệ chuyển mạch gói với trình định tuyến chuyển gói thực xử lý, tạo tải trọng lớn cho xử lý đông thời hình thành nút thắt cổ chai hệ thống Hình 5.1: Kiến trúc định tuyến hệ đầu 5.2 Kiến trúc định tuyến hệ thứ hai Cấu trúc có bổ xung thêm xử lý ASIC đặc biệt vài nhớ card đường truyền, tốc độ nhỏ 5Gbps Những thành phần bổ sung có khả tìm kiếm tiêu đề gói để lấy thông tin đích lưu đệm gói bus rỗi Các xử lý tinh card đường truyền, có cache để lưu số tuyến sử dụng gần nhất, cho phép card đường truyền thực hiền việc tra cứu tuyến, việc phân xử bus xử lý trung tâm thực đệm cache cập nhật theo định kỳ Nếu tuyến cache xử lý thực việc tìm kiếm định tuyến Kỹ thuật làm giảm tải trọng cần xử lý cho CPU việc phân xử lý bus nút cổ chai Các cấu trúc định tuyến hệ thứ hai tồn thời gian ngắn khả hộ trợ nhu cầu thông lượng cao mạng lõi Đầu tiên, nhược điểm cấu trúc tắc nghẽn: băng tần chia sẻ cho tất cổng, dẫn đến tranh chấp gây them trễ (các trễ chuyển gói) Trong trường hợp tắt nghẽn, tốc độ chuyển gói vượt khả bus, đệm bị tràn dẫn đến liệu Thứ hai là, bus 16 Tìm hiểu công nghệ chuyển mạch gói dùng chung tốc độ cao khó thiết kế, phải truyền tín hiệu điện đến nhièu cổng bus, tín hiệu phải truyền qua nhiều kết nối, vá phản xạ từ cuối đường truyền không kết cuối dẫn đến hạn chế khả chuyển gói bus Hình 5.2: Kiến trúc định tuyến hệ thứ hai 5.3 Kiến trúc định tuyến hệ thứ ba Để giải đề tắc nghẽn cảu hệ thông định tuyến hệ thứ hai, hệ định tuyến thứ ba thiết kế với mục tiêu thay bus sử dụng chung trường chuyển mạch, tốc độ nhỏ 50Gbps Các thiết kế cho hệ thống định tuyến hệ ba nhằm giải cho ba đề tiềm tàng trước đây: lực xử lý, kích thước nhớ, băng thông bus Cả ba đề tránh sử dụng kiến trúc với tiềm tàng ma trận chuyển mạch giao diện thiết kế hợp lý Một bước tiến qua trọng việc xây dựng hệ thống định tuyến hiệu cao tang cường xử lý cho giao diện mạng để giảm thiểu khối lượng xử lý cà nguồn tài nguyên bọ nhớ hệ thống định tuyến Các xử lý đa mạch thich hợp hoàn toàn giải vấn đề Tuy nhiên khả xử lý tổng thể cho gói tin qua hệ thống phụ thuộc vào khả tìm chon tuyến, kiến trúc đượng lựa chọn 17 Tìm hiểu công nghệ chuyển mạch gói Hình 5.3: Kiến trúc định tuyến hệ thứ ba Phần 6: ĐỊNH TUYẾN TRONG CHUYỂN MẠCH GÓI 6.1 Khái niệm định tuyến Định tuyến công việc quan trọng trình truyền tin qua mạng Nó thực tầng mạng (tầng theo mô hình tham chiếu OSI) Mục đích định tuyến chuyển thông tin người sử dụng từ điểm nguồn đến điểm đích.Quá trình định tuyến (routing) bao gồm hai hoạt động chính, là: xác định đường truyền (path determination) chuyển tiếp thông tin (forwarding) theo đường (còn gọi switching) Việc truyền thông tin theo đường chọn nói đơn giản (về mặt thuật toán), đó, việc xác định đường truyền phức tạp nhiều 18 Tìm hiểu công nghệ chuyển mạch gói Hình 6.1: Định tuyến Trong mạng thông tin khác nhau, việc xác định đường truyền diễn khác Tuy nhiên, cách xác định đường truyền bao gồm hai công việc Thứ thu thập phân phát thông tin tình trạng mạng (ví dụ trạng thái đường truyền, tình trạng tắc nghẽn ) thông tin cần truyền (ví dụ lưu lượng, yêu cầu dịch vụ ) Các thông tin sử dụng làm sở cho việc xác định đường truyền Thứ hai chọn đường truyền khả dụng (cũng đường truyền tối ưu) dựa thông tin trạng thái Đường truyền khả dụng đường truyền thoả mãn yêu cầu thông tin cần truyền (ví dụ: tốc độ) điều kiện mạng (ví dụ: khả đường truyền) Còn đường truyền tối ưu (theo tiêu chuẩn đó) đường truyền tốt đường truyền khả dụng 6.2 Mục đính định tuyến Từ phần trình bày có nhận xet thuộc tính Topo quan trọng mạng chuyển mạch gói thực tồn nhiều đường, nhiều hướng sử dụng để truyền tải gói liệu nguồn đích Đương nhiên hoạt động mạng phải bao gồm phương pháp nhờ gói tin tìm đường tố tương đối tốt Thuật ngữ đường tốt hiểu theo tiêu chí khác Ví dụ đường ngắn nhất, chất lượng truyền dẫn tốt nhất, độ tin cậy cao nhất, độ trễ nhỏ hay bị tắc nghẽn v.v Việc tìm tuyến (hướng) tốt qua mạng chuyển mạch gói toán phức tạp Thông tin cần phải xác định mô tả rõ ràng độ sẵn sàng, khả dụng đường truyền tin khác nhau, chọn định nghĩa tiêu chí 19 Tìm hiểu công nghệ chuyển mạch gói tối ưu cuối hướng qua phải truyền gói số liệu tới đích Có nhiều phương pháp định tuyến ứng dụng mạng chuyển mạch gói 6.3 Các phương thức định tuyến 6.3.1 Định tuyến tĩnh định tuyến động Định tuyến tĩnh( hay định tuyến không thích nghi) kỹ thuật định tuyến việc định tuyến phải thực lần xây dựng mạng Sau đó, thông tin việc định tuyến lưu bảng định tuyến cho node Sau này, mạng hoạt động, giá trị link thay đổi bảng định tuyến không cập nhật lại Nếu muốn thay đổi thông tin bảng định tuyến, người quản trị mạng phải trực tiếp lệnh thực thuật toán định tuyến để tạo thông tin định tuyến Thông thường, với định tuyến không thích nghi, bảng định tuyến đưa số đường thay đường gặp cố (quá tải, hỏng) Hình 6.3.1: Cấu hình định tuyến tĩnh Định tuyến động( hay định tuyến thích nghi) kỹ thuật định tuyến việc tính toán đường truyền tối ưu thực nhiều lần mạng hoạt động Cứ sau khoảng thời gian quy định trước mạng có thay đổi cấu hình, trạng thái thông tin mạng lại gửi tới nơi có nhiệm vụ thực định tuyến để tiến hành định tuyến lại Có loại thuật toán định tuyến gọi định tuyến thích nghi cách ly Theo cách định tuyến này, node không gửi không nhận thông tin thay đổi tình trạng mạng Các node lựa chọn đường tùy theo kết lần truyền trước phản hồi lại 20 Tìm hiểu công nghệ chuyển mạch gói 6.3.2 Định tuyến tập trung định tuyến phân tán Một cách phân loại phổ biến chia phương pháp định tuyến làm hai loại dựa tính toán định tuyến: định tuyến tập trung định tuyến phân tán Khi việc tính toán thực điểm sau kết chuyển tới node mạng, ta gọi định tuyến tập trung Còn việc tính toán thực node mạng, ta gọi định tuyến phân tán Trong định tuyến tập trung, trung tâm tính toán cần phải biết tất thông tin mạng Các node có nhiệm vụ gửi thông tin cấu hình phần mạng xung quanh cho trung tâm Đồng thời, cần có khoảng thời gian để truyền thông tin cập nhật tới tất node Đối với trung tâm xử lý, phải đảm bảo yêu cầu cao độ tin cậy hoạt động, hoạt động mạng bị ảnh hưởng lớn trung tâm xử lý mà gặp cố Chính lý mà định tuyến tập trung không sử dụng nhiều mạng Các thuật toán định tuyến ngắn dựa thuật toán Dijkstra, đặc biệt thuật toán Floyd thích hợp với việc xử lý tập trung thuật toán thực tính toán cần có đầy đủ thông tin mạng Các thuật toán dùng mô hình xử lý phân tán Nhưng, đó, node cần phải biết thông tin toàn cấu hình mạng, nên mạng có thay đổi, thông tin cần phải chuyển tới tất node, làm cho chi phí việc định tuyến tăng lên cao Định tuyến phân tán giúp nâng cao độ tin cậy mạng, có node hỏng, việc định tuyến node xung quanh không bị ảnh hưởng Thêm nữa, bảng định tuyến node nhanh chóng cập nhật 6.3.3 Định tuyến nguồn định tuyến bước Các phương pháp định tuyến phân loại dựa vào cách tạo tuyến đường Nếu tuyến đường xác định từ node nguồn, node trung gian đường làm nhiệm vụ chuyển tiếp gói tin ta gọi định tuyến nguồn (Source routing hay Host-Intelligent) Còn tuyến đường không xác định từ đầu, mà phân thành nhiều đoạn node khác chọn, ta gọi định tuyến bước (Hop-by- Hop hay Router-Intelligent) Theo phương pháp định tuyến nguồn, gói tin truyền mạng phải mang theo toàn thông tin tuyến đường node việc vào thông tin mà chuyển tiếp gói tin Còn theo cách định tuyến bước, gói tin cần mang địa đích đủ Do đó, tiêu để gói tin bé Định tuyến bước đáp ứng nhanh với thay đổi mạng (những thay đổi ảnh hưởng tới gói tin gói tin truyền mạng) Nhưng đồng thời, định tuyến bước làm cho gói tin bị chuyển theo vòng Còn định tuyến nguồn đảm bảo gói tin thẳng tới đích 21 Tìm hiểu công nghệ chuyển mạch gói 6.3.4 Định tuyến phân cấp không phân cấp Trong định tuyến không phân cấp, tất node coi ngang hàng với Trong đó, định tuyến phân cấp phân node thành nhiều cấp khác Cácnode thuộc node khác có khả định tuyến thông tin khác Định tuyến phân cấp đơn giản nhiều so với định tuyến không phân cấp, nhiên, kết không tốt Trong định tuyến phân cấp, node cần biết thông tin node đồng cấp, vùng, mà không cần biết cấu hình mạng vùng khác, cấp khác Để định tuyến sang node vùng khác, chuyển công việc lên cho node cấp Trong định tuyến không phân cấp, bảng định tuyến node chứa thông tin tất node mạng tới Do đó, cần phải có lượng nhớ lớn để lưu trữ bảng định tuyến, đồng thời cần nhiều đường truyền dành cho việc trao đổi thông tin định tuyến node Ưu điểm định tuyến không phân cấp đáp ứng tốt với vấn đề xử lý lưu lượng, đối phó tốt với lỗi xảy ra, nâng cao độ tin cậy mạng Trong đó, định tuyến phân cấp làm cho hoạt động mạng bị phụ thuộc vào node cấp trên, node hỏng, mạng bị tách thành nhiều phần không liên lạc với 6.4 Các thuật toán định tuyến 6.4.1 Thuật toán Bellman-Ford định tuyến vectơ khoảng cách Thuật toán Bellman-Ford sử dụng mô hình tập trung để tính toán đường dẫn ngắn node nguồn node đích Trong mô hình phân tán, thuật toán sử dụng để tính toán đường dẫn ngắn a, Mô hình tập trung Để xem xét thuật toán Bellman-ford tiếp cận mô hình tập trung, ta xem xét ví dụ mô hình hóa mạng hình 3.22 Mô hình mạng ví dụ thể qua đồ thị có trọng số thể liên kết, kết tính toán đường dẫn ngắn dựa trọng số đồ thị Gọi dij trọng số (giá) liên kết node i node j, Dij giá tối thiểu node i node j Nếu hai node kết nối trực tiếp giá liên kết đặt ∞ Gọi nút trung gian có kết nối trực tiếp tới hai node k biểu thức Bellman-Ford biểu diễn sau 22 Tìm hiểu công nghệ chuyển mạch gói Hình 6.4.1a: Ví dụ mô hình kết nối mạng Wii = với i, Wij { Wik + wkj} với i ≠j Như vậy, giá tối thiểu phụ thuộc vào giá tối thiểu từ i tới k giá liên kết kj Có thể có nhiều node k kết nối trực tiếp tới node j(k1, k2, ) ngoại trừ node k=i Hình 6.4.1b: Thuật toán Bellman-Ford tập trung Một vấn đề quan trọng thuật toán là: node k không kết nối trực tiếp tới node j nên dkj=∞ Với giả thiết biết giá tối thiểu Dik từ node i tới node k, 23 Tìm hiểu công nghệ chuyển mạch gói tính toán thực tế, biến chạy sử dụng để tính giá tối thiểu sau số bước, ta có giá tối thiểu sau bước thứ h D(h)ij b, Mô hình phân tán Trong tiếp cận mô hình phân tán, node mạng tự tính toán sở thông tin thu nhân từ mạng để xác định đường ngắn từ tới đích Vì vậy, node nguồn cần biết giá đường dẫn ngắn tới tất node trung gian tới đích Dik Theo mô hình phân tán, ta tìm kiếm liên kết khỏi node i trực tiếp tới node k với giá liên kết dik coi giá liên kết tối thiểu k j Djk mà không cần biết cách thức xác định giá trị k Danh sách kết nối trực tiếp tới i ký hiệu Ni Nếu node i tìm node lân cận có đường ngắn tới đích, sử dụng thông tin để xác định giá tới đích cách cộng với giá liên kết dik Trong phương pháp tính theo vector khoảng cách, node nhờ vào node lân cận biết giá đường tới đích để xác định tuyến tốt Để thực nhiệm vụ đó, phương pháp thường xuyên tính toán lại theo định kỳ có thông tin từ node lân cận Ý tưởng then chốt thuật toán mô hình phân tán node k cần phân tán giá tới node j (Dkj) tới tất kết nối trực tiếp tới i, phụ thuộc vào i thời gian Sự khác biệt với thuật toán Bellman-Ford tập trung thứ tự tính toán với liên kết đưa góc độ khác để tính toán đường dẫn ngắn 6.4.2 Thuật toán Dijkstra Thuật toán Dijkstra kiểu tiếp cận khác kỹ thuật tìm đường dẫn ngắn hai node mạng Thuật toán Dijkstra hoạt động tập node ứng cử lân cận node nguồn để tính toán định đường dẫn ngắn tới node đích Một đặc tính trội thuật toán Dijkstra tính toán đường dẫn ngắn tới tất node đích từ node nguồn, thay tính toán theo cặp nguồn - đích Thuật toán Dijkstra phân loại hoạt động theo mô hình tập trung phân tán 24 Tìm hiểu công nghệ chuyển mạch gói a, Mô hình tập trung Giả thiết node i mạng gồm N node mà từ ta muốn tính toán đường dẫn ngắn tới tất node lại Danh sách N node định nghĩa N={1, 2, 3,N} Một node đích ký hiệu j (ji) Ta sử dụng hai ký hiệu sau: dij =giá liên kết node i j; Dij= giá đường dẫn tối thiểu node i j Thuật toán Dijkstra chia danh sách N node hai danh sách: Nó bắt đầu với danh sách cố định S thể node xem xét, danh sách đề nghị S' cho node xem xét tính toán Trong trình tính toán, danh sách S mở rộng với node danh sách S’ rút ngắn lại node gia nhập vào S Thuật toán dừng tất node danh sách S‘ nằm danh sách S Mấu chốt thuật toán nằm hai phần: (1) cách thức mở rộng tập S (2) cách tính toán đường dẫn ngắn tới node lân cận node S (các node chưa nằm danh sách S) Danh sách S mở rộng sau vòng lặp tính toán node k node i có giá tối thiểu tới node i Tại vòng lặp, thuật toán tính toán node lân cận node k ( k ¢ S ) để tìm giá tối thiểu thay đổi sau vòng lặp b, Mô hình phân tán Biến phân tán thuật toán Dijkstra tương tự tiếp cận tập trung Sự khác biệt lớn giá liên kết nhận node khác với node khác thông tin chuyển tới node không đồng Vì ta định nghĩa giá liên kết (k-m) nhận node i Dikm (t) , tương tự giá tối thiểu từ i tới j phụ thuộc vào thời gian Dij(t) Như vậy, thuật toán Dijkstra cho môi trường phân tán trao đổi thông tin giá liên kết theo cách phân tán đưa vào thuật toán, bước tăng theo thời gian học thông tin từ liên kết giá liên kết mạng 25 Tìm hiểu công nghệ chuyển mạch gói Hình 6.4.2: Thuật toán Dijkstra 6.4.3 So sánh hai thuật toán Bellman-Ford Dijkstra Hai so sánh nhằm đưa hướng tới ứng dụng thực tiễn hai thuật toán trên.: – Đầu tiên, thuật toán Bellman-Ford tính toán đường dẫn ngắn tới node đích khoảng thời gian Dijkstra tính toán đường dẫn ngắn tới tất node đích (đôi gọi đường dẫn ngắn nhất) Khi so sánh trình tính toán giá tối thiểu ta thấy tương tự Tuy nhiên, có khác biệt quan trọng Trong hai thuật toán sử dụng node trung gian k, thuật toán Bellman-Ford coi node k chung cho tất node để tìm bước nhảy tốt tới node j, thuật toán Dijkstra node trung gian lựa chọn cố định tính toán đường dẫn tới tất node j chưa thực – Thứ hai, có kiểu tính toán khác thuật toán dẫn tới độ phức tạp thuật toán khác Giả thiết N tổng số node L tổng số liên kết độ phức tạp tính toán thuật toán Bellman-Ford O(LN) Độ phức tạp tính toán thuật toán Dijkstra O(N2) giảm xuống O(L+NlogN) sử dụng cấu trúc sở liệu tốt Chú ý 26 Tìm hiểu công nghệ chuyển mạch gói mạng kết nối theo hình lưới đầy đủ số lượng liên kết song hướng N(N-1)/2 độ phức tạp tính toán thuật toán Bellman-Ford O(N3) Dijkstra O(N2) Phần 7: TÀI LIỆU THAM KHẢO Bài giảng sở kỹ thuật chuyển mạch – Hoàng Trọng Minh, Nguyễn Thanh Trà Tổng quan viễn thông – Nguyễn Văn Đát, Nguyễn Thị Thu Hằng 27 [...]... chọn đường cho các gói tin đi trong nội bộ trường chuyển mạch 13 Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch gói 4.6 Chuyển mạch dựa trên cấu trúc đa mặt: Nhằm mục đích tăng khả năng thông qua của trường chuyển mạch 4.7 Chuyển mạch dựa theo cấu trúc quay vòng: được thiết kế để tránh tranh chấp đầu ra 4.8 Các chiến lược sử dụng bộ đệm trong trường chuyển mạch Việc sử dụng bộ đệm trong chuyển mạch gói giúp tăng hiệu... và chuyển tuần tự vào bộ nhớ chia sẻ 12 Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch gói 4.2 Chuyển mạch Croos-Bar: là một ma trận chuyển mạch hai chiều thường là ma trận vuông( NxN), được cấu tạo bởi các phần tử kết nối chéo hai trạng thái (cross- bar) Đặc tính tự kết nối là một đặc điểm riêng của trường mạch gói, chức năng này gọi là chức năng tự định tuyến 4.3 Chuyển mạch kết nối đầy đủ: Trường chuyển mạch. .. chuyển mạch gói Hình 3.3.2: Minh họa Virtual circuit Phần 4: KIẾN TRÚC TRƯỜNG CHUYỂN MẠCH GÓI Cấu trúc của một trường chuyển mạch gồm 3 khối chức năng : – bộ đệm đầu vào – Khối chuyển mạch không nghẽn – Khối giải quyết tranh chấp 11 Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch gói 4.1 Cấu trúc chuyển mạch phân chia theo thời gian TDS được nhìn nhận như một cấu trúc truyền thông đơn chia sẻ tài nguyên cho các gói tin... công nghệ chuyển mạch gói Hình 3.3.1: Minh họa Datagram 3.3.2 Virtual circuit Ðường đi được tạo trước khi gởi các gói dữ liệu Các gói yêu cầu cuộc gọi và chấp nhận cuộc gọi được dùng để tạo kết nối (handshake) Mỗi đường đi được gán một số ID Mỗi gói chứa ID của đường đi thay vì địa chỉ máy đích Không cần tìm đường cho từng gói Ðường đi không dành riêng 10 Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch. .. hiệu năng, giải quyết tranh chấp, phối hợp lưu lượng và cả thiện độ thông qua của các trường chuyển mạch Các chiến lược sử dụng bộ đệm sắp xếp các hàng đợi tại các vị trí: Chuyển mạch đệm đầu vào: 14 Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch gói Chuyển Đặc điểm Ưu Nhược mạch Đệm đầu vào Đệm đầu ra Các trường chuyển mạch gồm một ma trận không gian bố trí các bộ đệm tại tất cả các cổng vào để tránh tranh cấp... nhất qua mạng chuyển mạch gói là một bài toán rất phức tạp Thông tin cần phải được xác định và mô tả rõ ràng về độ sẵn sàng, khả dụng của những đường có thể truyền tin khác nhau, chọn và định nghĩa các tiêu chí 19 Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch gói tối ưu và cuối cùng là hướng qua đó phải truyền được gói số liệu tới đích Có nhiều phương pháp định tuyến được ứng dụng trong mạng chuyển mạch gói 6.3 Các... Trường chuyển mạch với các kết nối trung gian đầy đủ cho phép các gói tin luôn lựa chọn được một tuyến đường giữa hai cổng của trường chuyển mạch 4.4 Chuyển mạch trên cấu trúc Banyan: à một họ chuyển mạch tự định tuyến dựa trên các phần tử chuyển mạch (2*2) Mạng Banyan là mạng cho phép kết nối bất kỳ một đầu vào đến một đầu ra bất kỳ 4.5 Chuyển mạch trên cấu trúc Banyan mở rộng: là phương pháp mở rộng theo... như kiến trúc đượng lựa chọn 17 Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch gói Hình 5.3: Kiến trúc bộ định tuyến thế hệ thứ ba Phần 6: ĐỊNH TUYẾN TRONG CHUYỂN MẠCH GÓI 6.1 Khái niệm về định tuyến Định tuyến là một công việc quan trọng trong quá trình truyền tin qua mạng Nó được thực hiện ở tầng mạng (tầng 3 theo mô hình tham chiếu OSI) Mục đích của định tuyến là chuyển thông tin của người sử dụng từ điểm nguồn... tài nguyên có thể là Bus, mạch vòng Ring hoặc bộ nhớ Nhược điểm lớn nhất của kỹ thuật này là giới hạn dung lượng của cấu trúc truyền thông nội 4.2 Chuyển mạch chia sẻ phương tiện Các gói tin tại cổng vào được ghép kênh theo thời gian à chuyền trên phương tiện Độ thông qua của phương tiện chia sẻ này quyết định năng lực của toàn bộ chuyển mạch 4.3 Chuyển mạch chia sẻ bộ nhớ Các gói tin ghép theo thời gian... này là sự tắc nghẽn: băng tần được chia sẻ cho tất cả các cổng, dẫn đến sự tranh chấp gây them trễ (các trễ chuyển gói) Trong các trường hợp tắt nghẽn, tốc độ chuyển gói vượt quá khả năng của bus, các bộ đệm sẽ bị tràn dẫn đến mất dữ liệu Thứ hai là, các bus 16 Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch gói dùng chung tốc độ cao rất khó thiết kế, vì phải truyền các tín hiệu điện đến nhièu cổng bus, tín hiệu phải