Đang tải... (xem toàn văn)
Định tuyến và giao thức định tuyến router
Công nghệ chuyển mạch IP Chơng 3 Định tuyến và giao thức định tuyến 3.1 Định tuyến 3.1.1 Cơ bản về định tuyến Chức năng xác định đờng đi cho lu lợng qua một đám mây mạng xuất hiện ở tầng mạng (tầng 3). Chức năng này cho phép một Router đánh giá các đờng đi sẵn có tới một đích. Dịch vụ định tuyến sử dụng thông tin tôpô mạng khi đánh giá các đ- ờng đi. Các thông tin này có thể do ngời quản trị thiết lập hoặc đợc thu lợm thông qua các tiến trình động chạy trên mạng. Tầng mạng thực hiện việc truyền gói từ điểm-điểm với nỗ lực tối đa (best- effort) qua mạng. Tầng mạng sử dụng bảng định tuyến IP để gửi các gói từ mạng nguồn đến mạng đích. Sau khi Router đã xác định sử dụng đờng nào, nó tiến hành chuyển gói. Router lấy một gói nó đã chấp nhận ở một giao diện và chuyển tiếp gói này tới một giao diện hoặc cổng phản ánh đờng đi tốt nhất của gói tới đích. Trên thực tế, một mạng phải thể hiện nhất quán các đờng đi sẵn có giữa các Router. Hình 3-1 cho thấy, mỗi đờng nối giữa các Router có một con số mà Router sử dụng nh một địa chỉ mạng. Các địa chỉ này phải vận chuyển thông tin có thể đợc một tiến trình định tuyến sử dụng để chuyển gói từ nguồn tới đích. Sử dụng các địa chỉ này, tầng mạng có thể cung cấp một kết nối chuyển tiếp để kết nối các mạng độc lập với nhau. Hình 3-1 Các địa chỉ thể hiện đờng đi của các kết nối phơng tiện Tính nhất quán của các địa chỉ tầng 3 trong toàn bộ một liên mạng cũng cải thiện việc sử dụng băng thông bằng cách ngăn các quảng bá (broadcast) không cần thiết. Quảng bá tạo nên những tiến trình không cần thiết và làm lãng phí khả năng của các thiết bị hoặc liên kết không cần nhận quảng bá. Bằng cách đánh địa chỉ điểm cuối-điểm cuối nhất quán để thể hiện các đờng đi của các kết nối phơng tiện, 67 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Công nghệ chuyển mạch IP tầng mạng có thể tìm một đờng đi tới đích mà không cần sử dụng nhiều quảng bá trên các thiết bị hoặc liên kết trên liên mạng. Đánh địa chỉ mạng và địa chỉ trạm Router sử dụng địa chỉ mạng để nhận dạng mạng đích (LAN) của một gói tin trong một liên mạng. Hình 3-2 chỉ ra 3 số mạng dùng để nhận diện các phân đoạn đ- ợc kết nối tới một Router. Mạng Trạm 1 1 2 3 2 1 3 1 Hình 3-2 Một địa chỉ chứa phần địa chỉ mạng và địa chỉ trạm Đối với một số giao thức tầng mạng, mối quan hệ này do ngời quản trị mạng thiết lập. Ngời quản trị gán các địa chỉ trạm theo một kế hoạch đánh địa chỉ mạng đ- ợc xác định trớc. Đối với một số các giao thức tầng mạng khác, việc gán địa chỉ trạm đợc thực hiện động một phần hoặc hoàn toàn. Trong hình 3-2, ba trạm chia sẻ số mạng 1. Các hành động trong quá trình định tuyến Khi định tuyến một gói từ nguồn đến đích, một Router thờng chuyển tiếp gói từ một liên kết dữ liệu này đến một liên kết dữ liệu khác sử dụng hai chức năng cơ bản: - Chức năng xác định đờng đi (path determination) - Chức năng chuyển mạch (switching) Chức năng xác định đờng đi Các giải thuật định tuyến sử dụng các metric (tiêu chuẩn đo lờng, chẳng hạn chiều dài đờng đi) để xác định đờng đi tối u đến đích. Để trợ giúp cho quá trình xác 68 2.1 3.1 1.1 1.2 1.3 Công nghệ chuyển mạch IP định đờng đi, các giải thuật định tuyến khởi tạo và duy trì bảng định tuyến (routing table), bảng này chứa đựng thông tin về các tuyến (các thông tin về tuyến sẽ khác nhau đối với các giải thuật định tuyến khác nhau). Các giải thuật định tuyến điền đầy bảng định tuyến bằng các thông tin khác nhau. Sự kết hợp giữa đích và bớc nhảy tiếp theo (next hop) chỉ cho Router biết đ- ờng đi tối u đến đích có thể đạt đợc bằng cách gửi các gói dữ liệu tới một Router đặc biệt. Router đặc biệt này đợc xác định bởi bớc nhảy tiếp theo. Khi một Router nhận một gói dữ liệu đến, nó kiểm tra địa chỉ đích và cố gắng gắn địa chỉ này với một bớc nhảy tiếp theo. Router so sánh các metric để xác định các tuyến tối u. Các giải thuật định tuyến khác nhau sử dụng các metric khác nhau. Các Router liên lạc với nhau và duy trì bảng định tuyến của chúng thông qua việc truyền một loạt thông báo. Thông báo cập nhật định tuyến (routing update) là một trong những thông báo này, nó thờng gồm tất cả hoặc một phần của bảng định tuyến. Bằng việc phân tích các thông báo cập nhật định tuyến nhận đợc từ tất cả các Router khác, một Router có thể xây dựng đợc một bức tranh chi tiết về cấu trúc mạng. Một ví dụ khác về các thông báo đợc gửi giữa các Router là quảng cáo trạng thái liên kết (link-state advertisement), quảng cáo này báo cho các Router khác về trạng thái các liên kết của Router gửi. Thông tin về các liên kết cũng có thể đợc sử dụng để xây dựng bức tranh hoàn chỉnh về cấu trúc mạng, cho phép các Router xác định các tuyến tối u tới các mạng đích. Mạng đích Cổng Router 1.0 1.1 2.0 2.1 3.0 3.1 Hình 3-3 Phần địa chỉ mạng đợc sử dụng để chọn đờng đi Hình 3-3 minh hoạ cách đánh địa chỉ mà các Router sử dụng để hỗ trợ các chức năng xác định đờng đi và chuyển mạch. Router sử dụng phần địa chỉ mạng để xác định đờng đi và chuyển gói tới Router tiếp theo dọc đờng đi. Chức năng xác định đờng đi cho phép Router chọn giao diện phù hợp nhất để chuyển tiếp một gói tới đích. 69 2.1 3.1 1.1 1.2 1.3 Công nghệ chuyển mạch IP Chức năng chuyển mạch Các phơng pháp chuyển mạch là khá đơn giản và về cơ bản là giống nhau đối với tất cả các giải thuật định tuyến. Chức năng chuyển mạch cho phép một Router chấp nhận một gói trên một giao diện và chuyển tiếp gói qua một giao diện thứ 2. Phần địa chỉ trạm của địa chỉ đợc Router cuối cùng (Router nối trực tiếp tới mạng đích) sử dụng để chuyển gói tới đúng trạm. Giao thức đợc định tuyến và giao thức định tuyến Do hai thuật ngữ khá giống nhau nên thờng xuất hiện sự nhầm lẫn giữa giao thức đợc định tuyến (routed protocol) và giao thức định tuyến (routing protocol). Sau đây là một số điểm phân biệt: Giao thức đợc định tuyến: Là một giao thức mạng bất kỳ cung cấp đủ thông tin trong địa chỉ tầng mạng của nó để cho phép gói đợc chuyển tiếp từ một trạm tới một trạm khác dựa trên lợc đồ đánh địa chỉ. Các giao thức đợc định tuyến định nghĩa các trờng trong một gói. Các gói thờng đợc vận chuyển từ hệ thống cuối này tới hệ thống cuối khác. Một giao thức đợc định tuyến sử dụng bảng định tuyến để chuyển gói. Giao thức IP là một ví dụ về giao thức đợc định tuyến. Giao thức định tuyến: Là giao thức hỗ trợ cho một giao thức đợc định tuyến bằng cách cung cấp các cơ chế để chia sẻ thông tin định tuyến. Các thông báo của các giao thức định tuyến di chuyển giữa các Router. Một giao thức định tuyến cho phép Router này liên lạc với Router khác để cập nhật và duy trì các bảng định tuyến. Một số ví dụ về các giao thức định tuyến: RIP, OSPF, IGRP, BGP .v.v. Hoạt động của giao thức tầng mạng Khi ứng dụng trên một trạm cần gửi một gói tới đích trên một mạng khác, trạm gửi khung ở tầng liên kết dữ liệu tới Router sử dụng địa chỉ của một giao diện Router. Tiến trình tầng mạng của Router kiểm tra phần tiêu đề của gói nhận đợc để xác định mạng đích và sau đó tham chiếu tới bảng định tuyến, bảng gắn các mạng tới các giao diện ra. Gói đợc đóng gói lại trong khung tầng liên kết dữ liệu phù hợp với giao diện đợc chọn và đợc đặt vào hàng đợi để chuyển tới bớc nhảy tiếp theo trên đờng đi. Tiến trình này xuất hiện mỗi khi gói đợc chuyển tiếp qua một Router khác. Tại Router đợc nối trực tiếp tới mạng đích, gói đợc đóng gói trong khung tầng liên kết dữ liệu của mạng đích và đợc chuyển tới mạng đích. 70 X A B C Y Công nghệ chuyển mạch IP X Y ứng dụng ứng dụng Trình diễn Trình diễn Phiên Phiên Giao vận A B C Giao vận Mạng Mạng Mạng Mạng Mạng Liên kết DL Liên kết DL Liên kết DL Liên kết DL Liên kết DL Vật lý Vật lý Vật lý Vật lý Vật lý Hình 3-4 Mỗi Router cung cấp các dịch vụ hỗ trợ các chức năng tầng trên Định tuyến đa giao thức Các Router có khả năng hỗ trợ nhiều giao thức định tuyến độc lập và duy trì bảng định tuyến cho nhiều giao thức đợc định tuyến. Khả năng này cho phép Router chuyển các gói từ nhiều giao thức đợc định tuyến qua cùng một liên kết dữ liệu (hình 3-5). Hình 3-5 Router chuyển lu lợng từ nhiều giao thức đợc định tuyến qua mạng 3.1.2 Định tuyến tĩnh và định tuyến động Thông tin về tuyến tĩnh đợc quản lý nhân công bởi ngời quản trị, ngời nhập các 71 Apple Talk 150.100 IP 10.11.12.13 IPX 5b.0700.3456.12bc Token Ring Token Ring IP 10.11.19.10 DECnet 10.1 IPX 4b.0800.3411.ac14 DECnet 4.7 Novell Apple Digital IP IP 10.11.15.10Apple Talk 200.110 Công nghệ chuyển mạch IP cấu hình vào một Router. Ngời quản trị phải cập nhật thủ công các tuyến tĩnh mỗi khi tôpô của liên mạng thay đổi. Định tuyến động hoạt động khác với định tuyến tĩnh. Sau khi một ngời quản trị nhập các lệnh cấu hình để khởi động định tuyến động, thông tin về tuyến đợc cập nhật tự động bởi một tiến trình định tuyến mỗi khi nhận đợc một thông tin mới từ liên mạng. Các thay đổi về tôpô mạng đợc trao đổi giữa các Router. Mục đích của định tuyến tĩnh Định tuyến động có khuynh hớng truyền đạt tất cả các thông tin về một liên mạng. Tuy nhiên trong trờng hợp vì lý do an toàn, bạn có thể muốn dấu một số phần của liên mạng. Định tuyến tĩnh cho phép bạn chỉ rõ thông tin bạn muốn tiết lộ. Khi chỉ có thể truy nhập tới một mạng qua một đờng duy nhất, thì một tuyến tĩnh tới mạng là đủ. Loại mạng này đợc gọi là mạng gốc (Stub). Cấu hình định tuyến tĩnh cho một mạng gốc tránh đợc lu lợng cập nhật định tuyến động. Hình 3-6 Tuyến tĩnh làm giảm nhu cầu cập nhật định tuyến qua liên kết WAN Sự cần thiết của định tuyến động Mạng đợc chỉ ra trong hình 3-7 thích ứng khác nhau với các thay đổi về tôpô mạng tuỳ theo nó sử dụng định tuyến tĩnh hay định tuyến động. Định tuyến tĩnh cho phép các Router định tuyến chính xác một gói từ mạng này tới mạng khác dựa trên các thông tin cấu hình thủ công. Trong ví dụ ở hình vẽ 3-7, Router A luôn luôn gửi lu lợng có đích là Router C qua Router D. Router A tham chiếu tới bảng định tuyến của nó và theo các thông tin tĩnh để chuyển tiếp gói tới Router D. Router D cũng thực hiện các công việc tơng tự và chuyển tiếp gói tới Router C. Router C chuyển gói tới trạm đích. 72 B Mạng gốc A Kết nối chuyển mạch kênh Chỉ một kết nối mạng không cần cập nhật định tuyến A B D C Công nghệ chuyển mạch IP Hình 3-7 Định tuyến động cho phép các Router sử dụng tự động các tuyến dự phòng khi cần thiết Nếu đờng đi giữa Router A và Router D lỗi, Router A không không thể chuyển gói tới Router D sử dụng tuyến tĩnh này. Nh vậy truyền thông với mạng đích không thể thực hiện đợc cho đến khi Router A đợc cấu hình thủ công để chuyển gói qua Router B. Đây chính là một nhợc điểm của định tuyến tĩnh. Định tuyến động cung cấp tính linh hoạt hơn. Theo bảng định tuyến do Router A tạo ra, gói có thể tới đích của nó qua Router D. Tuy nhiên, một đờng đi sẵn có khác tới đích là đi qua Router B. Khi Router A nhận ra rằng liên kết tới Router D bị lỗi, nó điều chỉnh bảng định tuyến và đờng đi tới mạng đích sẽ qua Router B. Khi liên kết giữa Router A và D đợc khôi phục, Router A có thể một lần nữa thay đổi bảng định tuyến để chuyển đờng đi tới đích là qua Router D. Các giao thức định tuyến động cũng có thể chuyển lu lợng từ cùng một phiên làm việc qua nhiều đờng đi khác nhau trong một mạng để có hiệu suất cao hơn. Tính chất này đợc gọi là chia sẻ tải (load sharing). Hoạt động của định tuyến động Sự thành công của định tuyến động phụ thuộc vào hai chức năng cơ bản của Router: Duy trì một bảng định tuyến Chia sẻ các hiểu biết theo thời gian, dới dạng các cập nhật định tuyến, tới các Router khác. Định tuyến động dựa vào một giao thức định tuyến để chia sẻ hiểu biết giữa các Router. Một giao thức định tuyến định nghĩa một tập các luật mà Router sử dụng khi liên lạc với các Router hàng xóm. Ví dụ, một giao thức định tuyến miêu tả các vấn đề: - Cách gửi cập nhật - Thông tin nào chứa trong các cập nhật 73 Công nghệ chuyển mạch IP - Khi nào thì gửi cập nhật - Router nào nhận cập nhật Hình 3-8 Các giao thức định tuyến duy trì và phân bố thông tin định tuyến Xác định khoảng cách trên các đờng đi mạng Khi một giải thuật định tuyến cập nhật bảng định tuyến, mục đích chính của nó là xác định đâu là thông tin tốt nhất để lu trong bảng định tuyến. Mỗi giải thuật định tuyến xác định thông tin tốt nhất theo cách của riêng nó. Giải thuật tạo ra một số đợc gọi là giá trị metric, cho mỗi đờng đi qua mạng. Thờng thì giá trị metric càng nhỏ thì đờng đi càng tối u. Bạn có thể tính toán các metric dựa trên một đặc tính đơn lẻ của đờng đi; hoặc bạn cũng có thể tính các metric phức tạp hơn bằng cách kết hợp nhiều đặc tính. Các metric đợc sử dụng phổ biến là: Chiều dài đờng đi: là một metric định tuyến phổ biến nhất. Một số giải thuật định tuyến cho phép các nhà quản trị mạng tuỳ ý gán giá trị cho mỗi liên kết mạng. Trong trờng hợp này, chiều dài đờng đi là tổng các giá đợc gán cho các liên kết trên đờng đi. Một số các giải thuật khác sử dụng tổng số bớc nhảy làm metric để chọn tuyến tối u. Tổng số bớc nhảy là số lợng các Router mà một gói dữ liệu đi qua trớc khi đến đích. Độ tin cậy: trong phạm vi của các giải thuật định tuyến, độ tin cậy thờng là tỉ lệ bít lỗi của mỗi liên kết mạng. Độ tin cậy thờng do ngời quản trị gán. Độ trễ định tuyến: ám chỉ khoảng thời gian đòi hỏi để chuyển một gói dữ liệu từ nguồn đến đích qua liên mạng. Độ trễ phụ thuộc vào nhiều nhân tố, bao gồm: băng thông của các liên kết mạng trung gian, các hàng đợi cổng tại mỗi Router dọc đờng đi, tắc nghẽn mạng trên tất cả các liên kết mạng trung gian, và khoảng cách vật lý phải đi qua. Do độ trễ là sự kết hợp nhiều biến số quan trọng nên nó là một metric phổ biến và hữu ích. 74 Bảng định tuyến Bảng định tuyến Giao thức định tuyến Giao thức định tuyến Công nghệ chuyển mạch IP Băng thông: ám chỉ khả năng lu lợng sẵn có của một liên kết. Một liên kết Ethernet 10 Mb/s có thể đợc a thích hơn đờng thuê riêng 64 Kb/s. Mặc dù băng thông là cấp thông lợng có thể đạt đợc trên một liên kết, nhng các tuyến qua các liên kết có băng thông lớn hơn không phải lúc nào cũng cung cấp các tuyến tốt hơn các tuyến qua các liên kết chậm hơn. Ví dụ, nếu một liên kết nhanh hơn nhng lại thờng xuyên bận thì thời gian yêu cầu thực sự để gửi một gói dữ liệu đến đích có thể lớn hơn. Tải: ám chỉ mức độ bận của tài nguyên mạng, chẳng hạn Router. Tải có thể đợc tính toán bằng nhiều cách, bao gồm thời gian sử dụng CPU và số lợng gói đợc xử lý trong thời gian một giây. Giá truyền thông: là một metric khá quan trọng, đặc biệt do một số công ty có thể không quan tâm nhiều tới hiệu suất bằng phí tổn vận hành. Mặc dù độ trễ trên đờng dây có thể lớn hơn, nhng họ thích gửi dữ liệu qua những đờng dây của riêng họ hơn là gửi qua các đờng dây công cộng vì khi đó họ phải trả tiền sử dụng. Phân loại giao thức định tuyến Hầu hết các giải thuật định tuyến đều thuộc một trong 3 loại sau: - Giải thuật vectơ khoảng cách (distance vector) - Giải thuật trạng thái liên kết (Link State) - Giải thuật lai Giải thuật định tuyến vectơ khoảng cách xác định hớng (véctơ) và khoảng cách tới bất kỳ một liên kết nào trên liên mạng. Giải thuật trạng thái liên kết (còn đợc gọi là giải thuật đờng đi ngắn nhất trớc) tạo lại chính xác tôpô của toàn bộ liên mạng (hoặc ít nhất một phần của liên mạng mà Router nối tới). Giải thuật lai kết hợp các khía cạnh của giải thuật véctơ khoảng cách và trạng thái liên kết. Thời gian hội tụ Giải thuật định tuyến chủ yếu đợc dùng cho định tuyến động. Mỗi khi tôpô của một mạng thay đổi do việc phát triển mạng, do cấu hình lại hoặc do lỗi, thì cơ sở tri thức mạng cũng phải thay đổi theo. Tri thức (knowledge) cần đề phản ánh cái nhìn nhất quán và chính xác về tôpô mới. Cái nhìn hoặc trạng thái này đợc gọi là sự hội tụ. Khi tất cả các Router trong một liên mạng đang hoạt động với cùng một tri thức, liên mạng đợc nói là đã hội tụ. Sự hội tụ nhanh là một đặc tính mạng đáng ao - ớc vì nó làm giảm khoảng thời gian các Router có quyết định định tuyến không 75 Công nghệ chuyển mạch IP chính xác sau khi tôpô mạng thay đổi. 3.1.3 Định tuyến vectơ khoảng cách Giải thuật định tuyến vectơ khoảng cách gửi định kỳ các bản sao của một bảng định tuyến từ Router này tới Router khác. Những cập nhật đều đặn này giữa các Router truyền đạt các thay đổi về tôpô mạng. Cập nhật định tuyến Mỗi Router nhận đợc một bảng định tuyến từ những Router hàng xóm (Router kết nối trực tiếp với nó). Ví dụ, trong hình 3-9, Router B nhận thông tin từ Router A. Router B thêm một số vectơ khoảng cách (chẳng hạn số bớc nhảy), do đó làm tăng vectơ khoảng cách và chuyển bảng định tuyến mới này tới những hàng xóm khác của nó (Router C). Một quá trình tơng tự sẽ xảy ra trong tất cả các hớng giữa các Router hàng xóm. Hình 3-9 Giải thuật véctơ khoảng cách gửi định kỳ các bản sao của một bảng định tuyến và tích luỹ các véctơ khoảng cách. Router tích luỹ các khoảng cách mạng để nó có thể duy trì một cơ sở dữ liệu về thông tin tôpô mạng. Tuy nhiên các giải thuật vectơ khoảng cách không cho phép một Router biết chính xác tôpô của một liên mạng. Trao đổi bảng định tuyến Mỗi Router sử dụng giải thuật vectơ khoảng cách bắt đầu bằng cách xác định các hàng xóm của mình. Trong hình 3-10, mỗi giao diện kết nối trực tiếp tới mạng 76 A B C D ABC D Bảng định tuyến Bảng định tuyến Bảng định tuyến Bảng định tuyến . định tuyến để chuyển gói. Giao thức IP là một ví dụ về giao thức đợc định tuyến. Giao thức định tuyến: Là giao thức hỗ trợ cho một giao thức đợc định tuyến. (routed protocol) và giao thức định tuyến (routing protocol). Sau đây là một số điểm phân biệt: Giao thức đợc định tuyến: Là một giao thức mạng bất kỳ
