Bài giảng Mạng và truyền số liệu có cấu trúc gồm 8 chương và được chia thành 2 phần. Phần 1 sau đây sẽ trình bày các nội dung từ chương 1 đến chương 4 như: Giới thiệu về mạng truyền dữ liệu, sự truyền dẫn và phương tiện truyền dẫn dữ liệu, giao tiếp liên kết dữ liệu, tầng mạng. Mời các bạn cùng tham khảo.
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BÀI GIẢNG MẠNG VÀ TRUYỀN SỐ LIỆU THÁI NGUYÊN, NĂM 2010 MỤC LỤC Chương Giới thiệu mạng truyền liệu 1.1 Mơ hình truyền thơng 1.2 Truyền thơng liệu 1.3 Kết nối mạng truyền thông liệu 1.4 Các giao thức kiến trúc giao thức 1.5 Chuẩn hóa mạng Chương Sự truyền dẫn phương tiện truyền dẫn liệu 2.1 Truyền dẫn liệu 2.2.1 Các khái niệm thuật ngữ 2.1.2 Sự suy yếu tín hiệu truyền 6 12 23 24 24 24 29 2.2 Phương tiện truyền dẫn 2.2.1 Cáp xoắn đôi (Twisted Pair) 32 33 2.2.2 Cáp đồng trục 35 2.2.3 Sợi quang 37 2.2.4 Vi ba mặt đất: 40 2.2.5 Vi ba vệ tinh: 42 2.2.6 Sóng Radio: 46 2.3 Các chuẩn giao tiếp vật lý 2.3.1 Giao tiếp IEA – 232D/V24 47 47 2.3.2 Modem rỗng (null modem) 50 2.3.3 Giao tiếp EIA-530 52 2.3.4 Giao tiếp X21 52 2.3.5 Giao tiếp ISDN 53 Chương Giao tiếp liên kết liệu 54 3.1 Các khái niệm truyền số liệu 3.1.1 Các chế độ truyền thông 54 54 3.1.2 Các chế độ truyền 54 3.1.3 Kiểm soát lỗi 55 3.1.4 Điều khiển luồng 56 3.1.5 Các giao thức liên kết liệu 56 3.1.6 Mã truyền 57 3.1.7 Các đơn vị liệu 57 3.1.8 Giao thức 58 3.1.9 Hoạt động kết nối 58 3.1.10 Đường nối liên kết 58 3.2 Thông tin nối tiếp không đồng 3.2.1 Khái quát 58 58 3.2.2 Nguyên tắc đồng bit 59 3.2.3 Nguyên tắc đồng ký tự 59 3.2.4 Nguyên tắc đồng frame 59 3.3 Thông tin nối tiếp đồng 3.3.1 Khái quát 60 60 3.3.2 Nguyên tắc đồng bit 60 3.3.3 Truyền đồng thiên hướng ký tự 61 3.3.4 Truyền đồng thiên hướng bit 63 3.4 Phát sửa lỗi 3.4.1 Các kiểu lỗi 66 66 3.4.2 Phát sai truyền số liệu 68 3.3.3 Sửa sai truyền số liệu 77 3.3.4 82 Mã nén liệu 3.5 Các giao thức cửa sổ trượt 3.5.1 ARQ dừng chờ (Stop and Wait ARQ) 3.5.2 Trở lại N - ARQ (Go back - N - ARQ) 83 83 84 3.6 Mạch điều khiển truyền số liệu 86 3.6.1 Khái quát 86 3.6.2 Giao truyền lập trình UART 8250 Intel 90 3.7 Các thiết bị điều khiển truyền số liệu 3.7.1 Khái quát 91 91 3.7.2 Bộ ghép kênh phân thời 92 3.7.3 Bộ ghép kênh thống kê 92 3.8 Một số giao thức liên kết liệu 3.8.1 Giao thức HDLC (High level data link control) 93 93 3.8.2 Giao thức BSC (Binary Synchonous Communication) 95 3.8.3 Giao thức PPP 96 Chương Tầng mạng 99 4.1 Vai trò tầng mạng 4.2 Các dịch vụ cung cấp cho tầng mạng 99 99 4.3 Tổ chức kênh truyền tin mạng 4.3.1 Kênh ảo (virtual circuit) 4.3.2 Mạng Datagram 100 100 100 4.4 Các kỹ thuật định tuyến mạng 4.4.1 Các phương pháp định tuyến mạng chuyển mạch kênh 101 101 4.5 Vấn đề tắc nghẽn điều khiển luồng liệu 4.5.1 Vấn đề tắc nghẽn 116 116 4.5.2 Điều khiển luồng (Flow Control) Chương Mạng cục (LAN - Local Area Network) 5.1 Những kiến thức 5.1.1 Cấu trúc tôpô mạng 117 118 118 118 5.1.2 Các phương thức truy nhập đường truyền 5.2 Công nghệ Ethernet 5.2.1 Giới thiệu chung Ethernet 120 129 129 5.2.2 Các đặc tính chung Ethernet 129 5.2.4 Hoạt động Ethernet 132 5.2.3 Các loại mạng Ethernet 134 5.3 Các kỹ thuật chuyển mạch LAN 5.3.1 Phân đoạn mạng LAN 135 135 5.3.2 Các chế độ chuyển mạch LAN 139 5.3.3 Mạng LAN ảo (VLAN) 140 Chương Mạng diện rộng WAN 144 6.1 Khái niệm WAN 6.1.1 Mạng WAN ? 144 144 6.1.2 Các lợi ích chi phí kết nối WAN 145 6.1.3 Những điểm cần ý thiết kế WAN 146 6.2 Một số công nghệ kết nối dùng cho WAN 6.2.1 Mạng chuyển mạch kênh (Circuit Swiching Network) 147 147 6.2.2 Mạng chuyển gói (Packet Switching Network) 160 6.2.3 Kết nối WAN dùng VPN 169 6.3 Các thiết bị dùng cho kết nối WAN 6.3.1 Router (Bộ định tuyến) 170 170 6.3.2 Chuyển mạch WAN 174 6.3.3 Access Server 174 6.3.4 Modem 176 6.3.5 CSU/DSU 178 6.3.6 ISDN terminal Adaptor 179 6.4 Đánh giá so sánh số công nghệ dùng cho kết nối WAN Chương Họ giao thức TCP/IP mạng Internet 7.1 Lịch sử phát triển củaTCP/IP mạng Internet 7.2 Giao thức TCP/IP 7.2.1 So sánh giao thức TCP/IP mơ hình lớp OSI 179 181 181 182 183 7.2.2 Giao thức liên mạng IP 184 7.2.3 Giao thức TCP 199 7.2.4 Giao thức UDP 205 7.3.1 Tổ chức Internet 206 7.3.2 Một số phương thức kết nối Internet phổ biến : 208 7.3.3 Các dịch vụ thông dụng Internet 209 Chương Mạng hệ (NGN – Next Generation Network) 8.1 Các động lực thúc đẩy phát triển mạng NGN 8.1.1 Động lực hội tụ kết hợp mạng 212 212 212 8.1.2 Động lực công nghệ 212 8.1.3 Động lực thị trường 213 8.1.4 Động lực dịch vụ 213 8.2 Giới thiệu chung NGN 8.2.1 Khái niệm mạng hệ sau NGN 214 214 8.2.2 Mục tiêu mạng hế sau NGN 215 8.2.3 Đặc điểm mạng NGN 215 8.3 Mơ hình chức 8.3.1 Các chức 216 217 8.3.2 Tài nguyên mạng 218 8.4 Kiến trúc NGN 8.5 Các thành phần NGN 8.5.1 Chuyển mạch mềm (Softswitch) 218 221 221 8.5.2 Media Gateway - MG 221 8.5.3 Signalling gateway 221 8.5.4 Application server 222 8.5.5 Media Server 222 8.6 Các công nghệ áp dụng cho NGN 8.6.1 Các công nghệ áp dụng cho lớp mạng chuyển tải 8.6.2 Công nghệ áp dụng cho lớp mạng truy nhập 8.7 Dịch vụ NGN 8.7.1 Các dịch vụ NGN 222 222 222 222 222 8.7.2 Đặc điểm dịch vụ mạng NGN 8.8 Giao diện kết nối NGN 8.8.1 Kết nối tới PSTN 223 224 226 8.8.2 Kết nối tới PLMN 227 8.8.3 Kết nối tới mạng riêng ảo VPN 227 Chương Giới thiệu mạng truyền liệu 1.1 Mơ hình truyền thơng Một mơ hình truyền thơng minh họa hình 1.1a Hình 1.1 Mơ hình truyền thơng đơn giản Mục đích hệ thống truyền thông trao đổi liệu hai đối tượng truyền thơng Hình 1.1 b thể ví dụ cụ thể mơ hình truyền thơng, trao đổi liệu máy chủ máy trạm qua mạng điện thoại công cộng Những thành phần quan trọng hệ thống truyền thông hình 1.1 bao gồm: a Thiết bị nguồn (Source): Thiết bị tạo liệu để truyền đi; điện thoại hay máy tính cá nhân (PC) b Máy phát Dữ liệu tạo nguồn tin thường không truyền với dạng ban đầu tạo ra, mà thường phát chuyển đổi mã hóa thành dạng tín hiệu điện từ trường để truyền qua hệ thống truyền dẫn Ví dụ hình vẽ 1.1b ta thấy Modem máy phát, chuyển dịng bit (tín hiệu số) từ máy tính cá nhân thành tín hiệu tương tự để truyền qua mạng điện thoại công cộng (PSTN) c Hệ thống truyền dẫn Hệ thống truyền dẫn đường truyền đơn mạng lưới kết nối thiết bị nguồn đích d Máy thu Máy thu thực việc thu tín hiệu từ hệ thống truyền dẫn chuyển đổi sang dạng tín hiệu mà thiết bị đích sử dụng Từ hình vẽ 1.1b ta thấy Modem nhận tín hiệu tương tự đến từ mạng PSTN chuyển đổi ngược sang dịng tín hiệu số (các bit thơng tin) e Thiết bị đích Thiết bị đích nhận liệu thiết bị nguồn truyền qua mạng từ thu Trên ý niệm đơn giản mạng truyền thơng, cịn thực tế hệ thống mạng truyền thơng bao hàm nhiều tính phức tạp kỹ thuật Để biết số ý tưởng phạm vi phức tạp ta xem bảng 1.1, nhiệm vụ cần thực thi hệ thống truyền thông liệu STT STT Nhiệm vụ Sự sử dụng hệ thống truyền dẫn Nhiệm vụ Định địa mạng Giao diện Định tuyến Sự tạo tín hiệu 10 Khơi phục Sự đồng 11 Định dạng tin Quản lý giao dịch 12 Bảo mật Phát sửa lỗi 13 Quản lý mạng Điều khiển luồng liệu Vấn đề sử dụng hệ thống truyền dẫn, liên quan đến việc sử dụng hiệu phương tiện truyền dẫn để chia sẻ số lượng lớn thiết bị truyền thơng Có số kỹ thuật sử dụng để nâng cao hiệu suất sử dụng đường truyền, hay nâng cao dung lượng đường truyền Các kỹ thuật điều khiển tắc nghẽn ứng dụng để đảm bảo cho hệ thống không bị tải yêu cầu dịch vụ truyền dẫn Để truyền tin thiết bị cần thiết phải có “giao diện” với hệ thống truyền dẫn Tất dạng truyền thơng nghiên cứu giáo trình phụ thuộc vào việc sử dụng tín hiệu điện từ trường mà truyền qua phương tiện truyền dẫn Do giao diện thiết lập truyền thơng u cầu cần có “sự tạo tín hiệu” Các đặc tính tín hiệu dạng tín hiệu, cường độ tín hiệu cần có khả truyền qua hệ thống truyền dẫn, chuyển đổi thành liệu máy thu Không có tín hiệu liệu truyền hệ thống truyền dẫn máy thu mà cần số dạng tín hiệu “đồng bộ” máy phát máy thu Máy thu cần xác định tín hiệu lúc bắt đầu kết thúc, biết chiều dài thành phần tín hiệu Ngoài vấn đề việc lựa chọn tính chất, định thời gian tín hiệu cịn số u cầu để truyền thơng hai đối tượng cần phải có “quản lý giao dịch” Nếu liệu chuyển đổi hai hướng khoảng thời gian hai đối tượng cần phải có kết hợp với việc truyền thơng Ví dụ như, có trao đổi thoại hai bên gọi bên gọi quy trình kết hợp thực sau: bên gọi cần phải bấm số cần gọi, tạo tín hiệu để tổng đài biết tạo tín hiệu chng đến bên bị gọi; Còn bên bị gọi cần nhấc ống nghe điện thoại hoàn thành kết nối hai bên,… Một vấn đề hệ thống truyền thơng “sự dị sữa lỗi” Bởi tất hệ thống truyền thông tồn số loại lỗi; tín hiệu truyền thường bị nhiễu đường truyền làm cho “méo” trước đến đích Và vấn đề điều khiển luồng cần quan tâm để đảm bảo nguồn tin không làm cho nơi nhận tin bị “tràn” liệu liệu đến nhanh khả xử lý nhận tin nơi nhận Tiếp theo đề cập đến hai khái niệm khác “định địa chỉ” “định tuyến” Khi phương tiện truyền dẫn chia sẻ nhiều thiết bị hệ thống nguồn cần biết xác đích (địa chỉ) cần đến Hệ thống truyền dẫn cần đảm bảo nơi thu nhận liệu Hơn hệ thống truyền dẫn mạng có nhiều tuyến đường đến đích Vì tuyến đường xác định qua mạng cần lựa chọn “Định tuyến” việc chọn tuyến đường tốt xác định để thơng tin từ nguồn đến đích Sự “khơi phục tín hiệu” khái niệm khác hẳn với sửa lỗi Các kỹ thuật khôi phục cần thiết tình mà trao đổi thơng tin bị ngắt lỗi hệ thống Đối tượng vừa hồi phục lại hoạt động điểm bị ngắt vừa lấy lại trạng thái hệ thống liên quan đến điều kiện ban đầu trao đổi thông tin Việc “định dạng tin” phải làm với thỏa thuận hai bên dạng liệu cần trao đổi, cần truyền Ví dụ việc hai bên truyền thông sử dụng loại mã nhị phân cho ký tự Tiếp đến, việc cung cấp vài biện pháp “bảo mật” hệ thống truyền thông quan trọng Bên gửi liệu cần đảm bảo liệu thực Trong mạng máy tính có nhiều kỹ thuật định tuyến khác đưa Sự phân biệt kỹ thuật định tuyến chủ yếu vào yếu tố liên quan đến chức Các yếu tố thường là: (a) Sự phân tán chức chọn đường nút mạng (b) Sự thích nghi với trạng thái hành mạng (c) Các tiêu chuẩn tối ưu để định tuyến Dựa yếu tố (a) ta phân biệt kỹ thuật định tuyến thành: kỹ thuật định tuyến tập trung (centralized routing) phân tán (distributed routing) Dựa yếu tố (b) ta có kỹ thuật định tuyến tĩnh (static hay fixed routing) động (adaptative routing) Cuối kỹ thuật định tuyến loại theo (a) (b) lại phân biệt yếu tố (c) Tiêu chuẩn tối ưu để định tuyến xác định người quản lý người thiết kế mạng, là: · Độ trễ trung bình thời gian truyền gói tin · Số lượng nút trung gian nguồn đích gói tin · Độ an tồn việc truyền tin · Nguồn tài nguyên mạng sử dụng cho truyền tin · v.v · Tổ hợp tiêu chuẩn Việc chọn tiêu chuẩn tối ưu phụ thuộc vào nhiều bối cảnh mạng (topo, thơng lượng, mục đích sử dụng.v.v ) Các tiêu chuẩn thay đổi bối cảnh mạng thay đổi theo thời gian triển khai ứng dụng mạng Chính mà vấn đề tối ưu hố định tuyến ln đặt thời gian triển khai mạng, đối lập quan điểm người sử dụng dịch vụ nhà khai thác dịch vụ mạng Người sử dụng muốn có dịch vụ tốt cho họ cịn nhà khai thác lại muốn tối ưu dịch vụ người dùng mạng có sẵn đầu tư tối thiểu để đem lại lợi nhuận cao nhất, chí dịch vụ người sử dụng sử dụng tiêu chuẩn cho tất Vì vậy, giải pháp định tuyến thường giải pháp dung hồ hay cịn gọi giải pháp cận tối ưu Về mặt nguyên tắc, giải pháp quản trị mạng bao gồm chức định tuyến mạng thường chia thành hai loại, quản lý kiểu tập trung kiểu phân tán Giải pháp quản lý định tuyến cho mạng nhỏ (về kích cỡ mạng độ phức tạp mạng) thường ứng dụng kiểu định tuyến tập trung để giảm giá thành thuận tiện công tác quản lý Tuy nhiên kiểu định tuyến tập trung thường bộc lộ yếu điểm phải cơng khai thơng tin định tuyến cho tồn mạng dễ bị công.Hơn nữa, định tuyến tập trung phản ứng với thay đổi trạng thái mạng nhanh nhạy 121 Giải pháp định tuyến phân tán phù hợp với mạng lớn độ phức tạp cao, dựa tái tạo kết hợp nút coi ngang hàng, có lỗi xảy mang tính cục nút liên quan Các thông tin định tuyến phân tán xử lý chuyển nhanh mạng qua nút mạng có chức phân bổ thông tin định tuyến diện rộng mạng 4.4.2.1 Các thuật tốn tìm đường ngắn Hai thuật toán thường sử dụng phổ biến kỹ thuật định tuyến động là: Thuật toán định tuyến theo vecto khoảng cách DVA (Distance Vector Algorithm) thuật toán định tuyến theo trạng thái liên kết LSA(Link State Algorithm) Việc tính tốn định tuyến mạng chuyển mạch gói thường gắn với đồ thị G(E,V) (E: số cạnh, V: số đỉnh) Việc sử dụng đồ thị có hướng có trọng số tường minh tốn định tuyến đảm bảo QoS Trong phần ta xem xét thuật tốn sử dụng mơ tả hai kỹ thuật tìm đường ngắn thơng dụng Thuật toán định tuyến theo Vector khoảng cách: Là thuật tốn định tuyến tương thích nhằm tính tốn đường ngắn cặp node mạng, dựa phương pháp tập trung biết đến thuật tốn Bellman-Ford Các node mạng thực q trình trao đổi thơng tin sở địa đích, node kế tiếp, đường ngắn tới đích Mơ tả hình thức thuật tốn sau: Giả thiết r node nguồn, d node đích Cdr giá thấp từ node r tới đích d Nrd node r đường tới d Crs giá liên kết từ r tới s DVA giả thiết giá tuyến liên kết có tính cộng giá dương Tính tốn Bảng định tuyến node r khởi tạo sau: Crr=0; s : s≠Nrd Crs=∞; · Crd(r,d,Nrd) tập giá đường từ node r tới node d qua nhiều (s-2) node trung gian · Bước s=1: Crd(r,d,1)=Csd(d,1)=Csd, Nrd ≠ r · Bước s>1: Crd(d, Nrd)=Min[Min[Crd(r,d,s)], Crd(r,d,s-1)], với d ≠ r 122 Một nhận thông tin vector khoảng cách ((d,Csd),…) từ node s,r cập nhật bảng định tuyến tất đích tới d tập chứa s Nếu (Csd + Crs < Crd Nrd=s) (Crd = Csd+ Crs Nrd=s) thuật tốn dừng Thuật tốn định tuyến theo trạng thái liên kết (LSA): Trong thuật toán lên quan tới trạng thái liên kết, node mạng quảng bá giá trị liên kết với node xung quanh tới node khác Sau quảng bá tất node biết rõ topo mạng thuật tốn sử dụng để tính tốn đường ngắn tới node đích mơ tả hình thức sau: Giả thiết : r node nguồn, d node đích Cdr giá thấp từ node r tới đích d Nrd node r đường tới d Crs(r,s) giá liên kết từ r tới s, Tính tốn: Bảng định tuyến node r khởi tạo sau: Crr = 0; s : s ≠ Nrd Crs= ∞; Gọi Ω tập nót sau thực sau k bước thuật toán : Khởi tạo: Crd(r,d) = ∞, d Ω · Bước 1: Ω = r Crs(r,s) = Min Crs(r,s); Nrd=s, r s; · Bước k: Ω = Ω w(w Ω) Crd(r,d)=Min[Crs(r,s) + Csd(s,d)], s Thuật toán dừng tất node thuộc Ω Khi tính tốn đường ngắn sử dụng thuật tốn đây, thơng tin trạng thái mạng thể hệ đo lượng (metric), định tuyến phải cập nhật giá tuyến liên kết Một có thay đổi topo mạng lưu lượng node mạng phải khởi tạo tính tốn lại tuyến đường ngắn nhất, tuỳ theo giao thức sử dụng mạng 4.4.2.2 Các giao thức định tuyến nội miền liên miền 123 Khái niệm miền hay hệ thống tự trị xuất phát từ mạng Internet Mạng Internet mạng diện rộng lớn đến mức giao thức định tuyến xử lý công việc cập nhật bảng định tuyến tất định tuyến Vì lý này, liên mạng chia thành nhiều hệ thống tự trị AS (Autonomous System) Hệ thống tự trị nhóm mạng định tuyến có chung sách quản trị Nó đơi cịn gọi miền định tuyến Các giao thức định tuyến sử dụng bên AS gọi giao thức định tuyến nội miền IGP (Interior Gateway Protocol) Để thực định tuyến AS với phải sử dụng giao thức riêng gọi giao thức định tuyến ngoại miền EGP (Exterior Gateway Protocol) Trong mục ta xem xét số giao thức định tuyến thông thường sử dụng mạng internet Bảng 5.2 tổng kết đặc điểm giao thức định tuyến 124 Bảng 4.2: Các giao thức định tuyến tiêu chí so sánh a) Giao thức thơng tin định tuyến RIP RIP giao thức định tuyến miền sử dụng cho hệ thống tự trị Giao thức thông tin định tuyến thuộc loại giao thức định tuyến khoảng cách vectơ Giao thức sử dụng giá trị để đo lường số bước nhảy (hop count) đường từ nguồn đến đích Mỗi bước đường từ nguồn đến đích coi có giá trị hop count Khi định tuyến nhận tin cập nhật định tuyến cho gói tin cộng vào giá trị đo lường bước nhảy đồng thời cập nhật vào bảng định tuyến RIP thực việc ngăn cản vịng lặp định tuyến vơ hạn cách thực giới hạn số đường cho phép đường từ nguồn tới đích Số bước nhảy tối đa đường 15 Nếu định tuyến nhận tin cập nhật định tuyến giá trị đo lường trở thành 16 đích coi nút mạng khơng thể đến Nhược điểm RIP giới hạn đường kính tối đa mạng RIP 16 hops RIP có đặc điểm hoạt động ổn định khả thay đổi chậm Khi có thay đổi cấu hình mạng, RIP ln thực chế độ chia rẽ tầng (phạm vi) áp đặt chế ngăn chặn thông tin định tuyến sai phát tán định tuyến RIP sử dụng định thời để điều chỉnh hoạt động Bộ định thời cập nhật định tuyến theo khoảng thời gian định trước, thông thường 30s 125 định thời lại reset để cập nhật lại thông tin định tuyến gởi từ định tuyến lân cận Điều giúp ngăn chặn tắc nghẽn mạng tất định tuyến thời điểm cố gắng cập nhật bảng định tuyến lân cận RIP có hai phiên RIP1 RIP2 b) Giao thức định tuyến OSPF OSPF giao thức định tuyến miền sử dụng rộng rãi Phạm vi hoạt động hệ thống tự trị (AS) Các router đặc biệt gọi router biên AS có trách nhiệm ngăn thông tin AS khác vào hệ thống Để thực định tuyến hiệu quả, OSPF chia hệ thống tự trị thành nhiều khu vực (area) nhỏ Mỗi AS chia thành nhiều khu vực khác Khu vực tập hợp mạng, trạm router nằm hệ thống tự trị Tất mạng khu vực phải kết nối với Tại biên khu vực, router biên khu vực tóm tắt thơng tin khu vực gửi thông tin tới khu vực khác Trong số khu vực bên AS, có khu vực đặc biệt gọi đường trục; tất khu vực AS phải nối tới đường trục Hay nói cách khác đường trục coi khu vực sơ cấp khu vực lại coi khu vực thứ cấp Các router bên khu vực đường trục gọi router đường trục, router đường trục router biên khu vực Nếu lý mà kết nối khu vực đường trục bị hỏng người quản trị mạng phải tạo liên kết ảo (virtual link) router phép đường trục tiếp tục hoạt động khu vực sơ cấp OSPF giao thức định tuyến trạng thái liên kết, thiết kế cho mạng lớn mạng liên hợp phức tạp Các giải thuật định tuyến trạng thái sử dụng giải thuật tìm đường ngắn SPF (Shortest Path First) với sở liệu phức tạp cấu hình mạng Cơ sở liệu cấu hình mạng bao gồm tất liệu mạng có liên kết đến định tuyến chứa sở liệu Giải thuật chọn đường ngắn SPF sở cho hệ thống OSPF vằ nằm định tuyến Khi định tuyến sử dụng SPF khởi động, định tuyến khởi tạo cấu trúc sở liệu giao thức định tuyến sau đợi báo từ giao thức tầng thấp dạng hàm Bộ định tuyến sử dụng gói tin OSPF Hello để thu nhận thơng tin định tuyến lân cận Bộ định tuyến gửi gói tin Hello đến lân cận nhận tin Hello từ định tuyến lân cận Ngồi việc sử dụng gói tin Hello để thu nhận lân cận, tin 126 Hello cịn sử dụng để xác nhận việc hoạt động đến định tuyến khác Mỗi định tuyến định kỳ gửi gói thơng báo trạng thái liên kết (LSA) để cung cấp thông tin cho định tuyến lân cận cho định tuyến khác định tuyến thay đổi trạng thái Bằng việc so sánh trạng thái liên kết định tuyến liền kề tồn sở liệu, định tuyến bị lỗi bị phát nhanh chóng cấu hình mạng biến đổi thích hợp Từ cấu trúc liệu sinh việc cập nhật liên tục gói LSA, định tuyến tính tốn đường ngắn tự làm gốc Sau từ đường ngắn sinh bảng định tuyến dạng sở liệu c) Giao thức cổng biên BGP Giao thức cổng biên giao thức định tuyến liên miền, thực việc định tuyến hệ thống tự trị AS Giao thức dựa vào phương pháp định tuyến có tên định tuyến véctơ đường Trước xem xét định tuyến véctơ đường ta xem xét xem hai phương thức định tuyến véctơ khoảng cách trạng thái liên kết lại khơng thích hợp cho định tuyến AS Véctơ khoảng cách khơng thích hợp tuyến chọn ln tuyến có số bước nhảy nhỏ Trong đó, có nhiều trường hợp người quản trị khơng muốn cho gói qua mạng khơng an tồn tuyến tuyến có số bước nhảy nhỏ Định tuyến véctơ khoảng cách khơng router thơng báo số bước nhảy để tới đích khơng định nghĩa đường cụ thể dẫn tới đích Định tuyến trạng thái liên kết không phù hợp cho định tuyến AS liên mạng lớn cho loại giao thức định tuyến Để sử dụng định tuyến trạng thái liên kết cho toàn liên mạng yêu cầu router phải lưu trữ sở liệu trạng thái liên kết khổng lồ Cũng nhiều thời gian để tính toán bảng định tuyến sử dụng giải thuật Dijkstra Định tuyến véctơ đường khác với định tuyến véctơ khoảng cách định tuyến trạng thái liên kết Mỗi mục bảng định tuyến chứa địa mạng đích, router đường đến đích Đường thể dạng danh sách AS mà gói phải qua để tới đích 4.4.2.3 Định tuyến hỗ trợ chất lượng dịch vụ QoS Trong mục trình bày vấn đề lý thuyết mấu chốt định tuyến hỗ trợ chất lượng dịch vụ (QoS routing) Cơ chế định tuyến hỗ trợ chất lượng dịch vụ QoS tạo nhằm giải số hạn chế chế định tuyến truyền thống Bên cạch mục tiêu đáp ứng yêu cầu QoS luồng lưu lượng, định tuyến hỗ 127 trợ QoS cần phải cao hiệu sử dụng tài nguyên mạng, mục tiêu là: (i)Đáp ứng địi hỏi QoS luồng liệu Định tuyến hỗ trợ QoS cần phải tìm đường từ nguồn tới đích thỏa mãn yêu cầu luồng liệu băng thơng, trễ… Cơ chế tìm đường thường động theo u cầu khơng cấu hình tĩnh hướng luân phiên Ngay tồn vài đường sử dụng việc chọn đường dựa vào ràng buộc sách như: đường có số nút nhỏ chi phí thấp (ii) Tối ưu hệ số sử dụng tài nguyên mạng Định tuyến hỗ trợ QoS cần phải chuyển hưóng lưu lượng theo cách hiệu để tối đa tổng thơng lượng qua mạng Vì đường dài tốn nhiều tài nguyên mạng, nên đường ngắn đường đáp ứng chọn (iii) Hiệu suất mạng không bị giảm đáng kể có cố xuất tắc nghẽn Khi mạng tình trạng tải nặng, định tuyến hỗ trợ QoS phải đưa hiệu suất tốt so với chế định tuyến cũ Nghĩa tải nặng thơng lượng tồn mạng không giảm nhiều so với định tuyến best effort Để thực định tuyến đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS, số kiểu định tuyến định nghĩa phát triển gồm: · Định tuyến hỗ trợ QoS chế định tuyến xác định đường cho luồng dựa vào hiểu biết tài nguyên có mạng yêu cầu QoS luồng liệu; · Định tuyến theo sách khơng dựa vào thơng tin cấu trúc mạng tham số đo, mà dựa vào sách quản trị; · Định tuyến theo điều kiện ràng buộc để tính tốn tuyến theo nhiều điều kiện ràng buộc khác nhau, bao gồm định tuyến theo sách định tuyến hỗ trợ QoS Các đặc điểm kỹ thuật định tuyến, ta biết chế định tuyến, có hai nhiệm vụ quan trọng trì trao đổi thơng tin trạng thái mạng tính tốn đường theo tham số chọn Ngồi thơng tin kết nối mạng giao thức định tuyến nay, giao thức định tuyến QoS cịn phải trì thêm thơng trạng thái mạng (như băng thơng, trễ có liên kết) Các thông tin thường thay đổi nhanh làm tần suất cập nhật thông tin thay đổi theo dẫn đến chi phí (tính tốn, truyền thơng) tăng lên Để tìm đường thỏa mãn tham số cho trước, thuật toán định tuyến trở nên phức tạp cần phải tính tốn theo nhiều ràng buộc khác Vì vậy, để giảm độ phức tạp thuật toán định tuyến, 128 tham số chọn cần phải biểu diễn thuộc tính mạng, khơng q phức tạp để thực biện pháp lọc tham số Trong môi trường Internet, định tuyến hỗ trợ QoS có số khó khăn sau: · Thứ nhất, ứng dụng có yêu cầu QoS đa dạng, nhiều ràng buộc làm cho vấn đề định tuyến trở thành không khả thi · Thứ hai, mạng thích hợp phải hỗ trợ lưu lượng nỗ lực tối đa best effort đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS, nên vấn đề tối ưu hóa hiệu suất trở nên phức tạp Rất khó xác định điểm hoạt động tốt cho hai lưu lượng trình phân bổ chúng độc lập với Mặc dù lưu lượng QoS không bị ảnh hưởng nhờ vào trình chiếm giữ tài nguyên, lưu lượng nỗ lực tối đa bị tổn thất đánh giá phân bổ lưu lượng tổng thể sai · Khó khăn cuối trạng thái mạng thay đổi nhanh thay đổi tải, kết nối, liên kết, hay tăng trưởng mạng dẫn tới khó khăn q trình thu thập thơng tin trạng thái mạng môi trường động Nếu thơng tin trạng thái mạng khơng xác đầy đủ hiệu suất thuật tốn định tuyến giảm Thuật toán định tuyến QoS dựa vào thông tin thu thập trì tình trạng mạng để tìm đường tối ưu cho gói liệu Có ba cách tiếp cận với tốn tìm đường là: Định tuyến tập trung (định tuyến nguồn), định tuyến phân tán, định tuyến phân cấp Phần giới thiệu nguyên tắc ba thuật toán định tuyến đánh giá điểm mạnh yếu chúng (1) Định tuyến tập trung Trong kỹ thuật định tuyến tập trung, nút trì thơng tin tồn trạng thái mạng, bao gồm cấu trúc vật lý mạng thông tin trạng thái liên kết Giao thức trạng thái liên kết cập nhật trạng thái toàn mạng nút (như OSPF, IS-IS) Dựa vào thông tin này, tồn đường tính tốn nút Do vậy, tránh vấn đề tính tốn phân tán, lặp đến vơ cùng, đường lặp vịng Có nhiều thuật tốn đơn giản, dễ thực thực việc tính tốn để tìm đường tối ưu Tuy vậy, định tuyến tập trung gặp phải số vấn đề sau · Thứ nhất, để hỗ trợ QoS, trạng thái toàn mạng nút phải cập nhật đủ tần suất cần thiết để đáp ứng thay đổi liên tục tham số mạng băng thông trễ Yêu cầu dẫn đến chi phí truyền tin cao mạng lớn 129 · Thứ hai, giao thức trạng thái liên kết cung cấp thông tin gần với trạng thái mạng mức độ sai lệch lớn thông tin chưa cập nhật Vì vậy, thuật tốn định tuyến QoS khơng tìm đường cho lưu lượng u cầu thơng tin trạng thái khơng xác · Thứ ba, q trình tính tốn tập trung nút nguồn phí cao có lượng lớn yêu cầu nhiều ràng buộc Như vậy, vấn đề chế định tuyến tập trung khả mở rộng Định tuyến tập trung khó thực với mạng có quy mơ lớn (2) Định tuyến phân tán Trong định tuyến phân tán, đường tính tốn nút trung gian nguồn đích Vì vậy, thời gian đáp ứng u cầu định tuyến ngắn mở rộng Định tuyến phân tán tìm nhiều đường đồng thời cho nút làm tăng xác suất thành cơng tốn định tuyến Hầu hết thuật toán định tuyến yêu cầu nút trì trạng thái tồn mạng (thường dạng vectơ khoảng cách, bảng chứa thông tin cho tham số), định định tuyến thực nút mạng Vì định tuyến phân tán dựa vào trạng thái tồn mạng nên gặp phải số vấn đề khả mở rộng định tuyến tập trung Ngồi ra, thơng tin trạng thái nút khơng hồn tồn giống nên hình thành đường lặp vịng, gây lãng phí tài ngun mạng Lặp vịng phát nút nhận tin điều khiển khoảng thời gian tính theo giây đồng hồ Tuy nhiên, vòng lặp thường làm cho q trình định tuyến khơng thành cơng vector khoảng cách không cung cấp đầy đủ thông tin để tìm đường thay (3) Định tuyến phân cấp Định tuyến phân cấp nhằm giải khả mở rộng định tuyến nguồn mạng lớn Định tuyến phân cấp có khả mở rộng tốt nút mạng trì thơng tin trạng thái tồn mạng giản lược, nghĩa nhóm nút tương ứng với nút logic Ở cấp, mơ hình phân cấp, định tuyến tập trung sử dụng để tìm đường phù hợp dựa vào trạng thái mạng giản lược Vì định tuyến phân cấp có nhiều ưu điểm định tuyến tập trung Bên cạnh đó, có ưu điểm định tuyến phân tán q trình tính tốn chia sẻ nhiều nút mạng Tuy vậy, trạng thái mạng gom lại nên thơng tin trở nên khơng xác Cụ thể hơn, nút logic mạng có nhiều nút có nhiều liên kết vật lý khác nhau, thông tin khơng thể coi 130 mạng nút logic Vấn đề trở nên phức tạp chế định tuyến hỗ trợ nhiều tham số QoS Có thể có nhiều đường hai nút biên logic ứng với tài nguyên khác đường Làm để gom thơng tin cịn vấn đề mở định tuyến phân cấp Việc lựa chọn phương pháp định tuyến QoS phụ thuộc chi phí q trình định tuyến phân thành loại: Chi phí giao thức, xử lý lưu trữ thơng tin Chi phí giao thức: Một yêu cầu để hỗ trợ định tuyến QoS phải theo dõi thay đổi tài ngun mạng có (như băng thơng liên kết) nên thơng tin có giá trị với thuật tốn tìm đường Giả sử giao thức trạng thái liên kết sử dụng để cập nhật trạng thái mạng, chế cập nhật đồng thời gửi thơng tin tất trạng thái liên kết định tuyến cho định tuyến lại mạng, phí xử lý vận chuyển tin phân bổ nhiều cho liên kết nút mạng Mặt khác giao thức trạng thái liên kết cần thay đổi chút để phân bổ thêm thông tin QoS, cần phải thêm chế đề xác định thiết bị cần gửi tin cập nhật Cụ thể hơn, định tuyến cần xác định băng thơng có liên kết xác định có thay đổi đáng kể cần cập nhật Cơ chế khởi động q trình cập nhật định chí phí hiệu suất định tuyến QoS Cơ chế khởi động cập nhật xác định gửi tin cập nhật, thay đổi tài nguyên thông báo cung cấp thông tin trạng thái mạng xác, chi phí để chuyển tải thông tin đắt Một phương pháp đơn giản để hạn chế tần suất cập nhật thông tin sử dụng định thời gian Cơ chế điều khiển trực tiếp lượng tin cập nhật, không bám sát thay đổi quan trọng theo thời gian Để bám sát thay đổi quan trọng, người ta đánh giá mức độ thay đổi tham số Ví dụ, phương pháp dựa vào mức ngưỡng định gửi cập nhật lúc giá trị nằm ngồi phạm vi tính theo % giá trị cũ Phương pháp điều khiển dựa vào cân đối độ xác thơng tin lượng tin cập nhật dẫn tới tượng lưu lượng tăng đột biến làm tắc nghẽn mạng Vì vậy, người ta sử dụng kết hợp định thời với mức ngưỡng đánh giá thay đổi Chu kỳ cập nhật xác định khoảng thời gian tối thiểu tối đa hai lần cập nhật Mức ngưỡng đánh giá thay đổi tham số QoS đáng kể hay không Nếu thay đổi tham số QoS đáng kể (tức vượt ngưỡng cho phép) khoảng thời gian từ lần cập nhật trước đến lớn mức ngưỡng chu kỳ cập nhật, thay đổi thơng báo cho nút mạng Nếu chu kỳ cho phép mà khơng có thay đổi đáng kể (có thể mức ngưỡng đặt cao) tin 131 trạng thái gửi Như vậy, vấn đề phải cân đối chi phí tần suất thơng báo độ xác thơng tin trạng thái Chi phí yêu cầu xử lý: Chi phí xử lý bao gồm xử lý tin cập nhật tính tốn, chọn đường Chi phí xử lý tin cập nhật truy nhập vào sở liệu dựa vào tin nhận Nếu số lần cập nhật tăng chi phí tăng theo Tính tốn đường thành phần có nhiều thay đổi so với định tuyến nỗ lực tối đa Các đường hỗ trợ QoS tính tốn dựa vào tính chất u cầu thơng tin tài ngun có Cơ chế định tuyến nỗ lực tối đa định tuyến QoS khác hai điểm: thuật toán thực điều kiện kích hoạt thuật tốn Điều kiện kích hoạt thuật tốn nhân tố định chi phí tính tốn chế định tuyến QoS Trong định tuyến hỗ trợ QoS, đường tính theo yêu cầu tính trước Trong chế định tuyến nỗ lực tối đa, thông tin định tuyến chuyển vào bảng chuyển tiếp gói FIB (Forward Information Base) theo mơ hình đẩy “push”, tức giao thức định tuyến đẩy toàn nội dung bảng định tuyến RIB Khác với định tuyến nỗ lực tối đa, định tuyến QoS sử dụng mơ hình “pull” (kéo) Các đường hỗ trợ QoS chèn có chọn lọc vào bảng FIB Việc chèn đường vào bảng FIB thực giao thức báo hiệu để thiệt lập đường cho loại lưu lượng Nếu đường QoS tính theo u cầu, ưu điểm sử dụng thông tin cập nhật nên độ sai lệch với trạng thái mạng thực tế thấp Tuy nhiên, yêu cầu đến nhiều làm tăng đáng kể chi phí tính toán Cách tiếp cận thứ hai tương tự định tuyến nỗ lực tối đa, đường tính trước Tuy nhiên, u cầu băng thơng chưa biết bảng định tuyến cần phải tính trước cho nút đích với yêu cầu băng thơng có tương lai Thực thuật tốn theo u cầu đơn giản duyệt sở liệu định số đường QoS đơn giản Chi phí để tính tốn đường phụ thuộc vào cấu hình mạng khoảng cách tương đối nguồn đích Một nhân tố định tính tốn u cầu tần suất yêu cầu Ngược lại, tính tốn trước khơng nhạy cảm với tần suất yêu cầu mới, phụ thuộc vào tần suất mà bảng định tuyến QoS tính lại Trong tần suất yêu cầu khơng thể điều khiển tần suất tính lại bảng định tuyến lại phụ thuộc vào định tuyến Việc tính tốn lại bảng định tuyến thường xun làm tăng độ xác hiệu suất định tuyến, đồng thời làm tăng tải cần xử lý Hơn để xây dựng bảng định tuyến QoS phức tạp nhiều 132 so với việc tính tốn đường đơn địi hỏi chi phí giải phóng nhớ tái cấp phát nhớ Ngồi ra, sau bảng định tuyến QoS xây dựng , cần phải thêm bước chọn đường từ bảng định tuyến - tức tìm đường thích hợp có u cầu đến Chi phí xây dựng bảng định tuyến QoS cách tính trước phụ thuộc vào băng thơng có liên kết mạng, tập hợp giá trị khác tạo bảng định tuyến khác với chi phí khác Chi phí cho việc tìm đường thích hợp sau xây dựng bảng định tuyến QoS nhỏ khơng đáng kể so với chi phí khác Khi đường tính để phục vụ u cầu mới, chi phí tính tốn phụ thuộc vào vị trí đích yêu cầu, vị trí đích định số lần lặp thuật toán Khi chiều dài đường tăng lên, chi phí tính tốn đường tiến gần đến chi phí xây dựng bảng định tuyến; với nút đích xa, đường tới tất nút tính trước tới đích Chi phí lưu trữ thơng tin: Chi phí lưu trữ liên quan đến việc mở rộng sở liệu để lưu trữ thêm thông tin tài ngun liên kết có Ngồi ra, bảng định tuyến QoS dùng làm tăng thêm chi phí lưu trữ Kích cỡ bảng định tuyến QoS phụ thuộc vào phần thực cụ thể Như chi phí hoạt động định tuyến QoS gồm chi phí cho giao thức trao đổi thơng tin định tuyến, tính tốn đường QoS, lưu trữ thông tin tài nguyên sở liệu Một số nghiên cứu cho thấy chi phí hoạt động định tuyến QoS đáp ứng với khả vi xử lý 4.5 Vấn đề tắc nghẽn điều khiển luồng liệu 4.5.1 Vấn đề tắc nghẽn Khi có nhiều gói tin mạng hay phần mạng làm việc cho hiệu suất mạng bị giảm nút mạng khơng có đủ khả lưu trữ, xử lý, gửi chúng bắt đầu bị gói tin Hiện tượng gọi tắc nghẽn (congestion) mạng Hàng đợi bị đầy (phải lưu tập tin, tạo bảng chọn đường…) khả xử lý nút yêu thông tin vào nhiều khả đường Điều khiển dòng liệu xử lý giao thông điểm với điểm, tạm thu phát Trong điều khiển tránh tắc nghẽn vấn đề tổng quát bao gồm việc tạo hoạt động hợp lý máy tính nút mạng, trình lưu trữ bên nút, điều khiển tất yếu tố làm giảm khả vận chuyển toàn mạng · Các biện pháp ngăn ngừa 133 · Bố trí khả vận chuyển, lưu trữ, xử lý mạng dư so với yêu cầu · Hủy bỏ gói tin bị tắc nghẽn thời hạn · Hạn chế số gói tin vào mạng nhờ chế cở sổ (flow control) · Chặn đường vào gói tin mạng tải 134 4.5.2 Điều khiển luồng (Flow Control) Hình 4.3 Điều khiển luồng (flow control) Khi lớp vận chuyển gửi phân đoạn liệu, cố gắng đảm bảo liệu không bị Một host tiếp nhận số liệu xử lý kịp theo tốc độ liệu đến đánh liệu Host thu buộc phải loại bỏ Điều khiển luồng nhằm ngăn chặn tình trạng host truyền làm tràn ngập đệm host thu TCP cung cấp cấu điều khiển luồng cách cho phép host truyền host thu nhận thức tình trạng qua kênh liên lạc Sau hai host thiết đặt tốc độ truyền cho đạt thống hai phía 135 ... thức 5 .1. 1 Cấu trúc tôpô mạng 11 7 11 8 11 8 11 8 5 .1. 2 Các phương thức truy nhập đường truyền 5.2 Công nghệ Ethernet 5.2 .1 Giới thiệu chung Ethernet 12 0 12 9 12 9 5.2.2 Các đặc tính chung Ethernet 12 9...THÁI NGUYÊN, NĂM 2 010 MỤC LỤC Chương Giới thiệu mạng truyền liệu 1. 1 Mơ hình truyền thông 1. 2 Truyền thông liệu 1. 3 Kết nối mạng truyền thông liệu 1. 4 Các giao thức kiến trúc giao thức 1. 5... hợp mạng 212 212 212 8 .1. 2 Động lực công nghệ 212 8 .1. 3 Động lực thị trường 213 8 .1. 4 Động lực dịch vụ 213 8.2 Giới thiệu chung NGN 8.2 .1 Khái niệm mạng hệ sau NGN 214 214 8.2.2 Mục tiêu mạng