1.3.1. Kỹ thuật OSPF
OSPF [6] là một giao thức với một phạm vi rộng các metric có thể cấu hình. Đây là loại giao thức định tuyến yêu cầu mỗi router duy trì ít nhất một bản đồ một phần của mạng. Khi một router mới gia nhập vào một mạng, nó tìm hiểu để nhận dạng danh tính của tất cả các router láng giềng của nó. Khi điều này được thực hiện, mỗi router sẽ xây dựng một thông điệp có chứa các định danh và các giá của các liên kết gắn với router cụ thể. Các thông điệp này được gọi là các thông báo trạng thái liên kết (LSA). Bất cứ khi nào trạng thái của một liên kết thay đổi, thì một LSA được flooding trên toàn mạng. Tất cả các bộ định tuyến sẽ thông báo sự thay đổi này, và tính toán lại các tuyến đường phù hợp. Mỗi router sẽ lưu LSA mới nhất từ mọi router trong mạng, bây giờ mỗi bộ định tuyến biết topo mạng hiện tại và có thể tính toán các tuyến đường ngắn nhất. Các tuyến đường ngắn nhất tới tất cả các nút khác trong mạng được tính toán với các thuật toán Dijkstra. Hoạt động cơ bản của thuật toán được minh họa trong hình sau đây. Bảng 1.2 là bảng chuyển tiếp kết quả cho router A.
Bảng 1.2. Bảng chuyển tiếp cho router A
Đích đến Liên kết Metric A Local 0 B 1 10 C 1 20 D 1 60 E 2 20 F 1 40 G 1 50
Hình 1.7. Ví dụ mạng
Hình 1.8. Bắt đầu từ router A và các LSA của nó
Hình 1.10. Lựa chọn router E, tuyến đường không tốt hơn tới router C
Hình 1.11. Lựa chọn router C, và thêm các LSA của nó
Hình 1.13. Lựa chọn router G, và thêm các LSA của nó. Tuyến đường tốt hơn tới router D được tìm thấy
1.3.2. Độ tin cậy trong định tuyến dựa trên QoS
Căn nguyên của độ tin cậy có thể được truy trở lại những ngày đầu của máy tính và truyền thông. Trong bối cảnh của những năm đầu và công trình tiên phong của Babbages, Larnder vào năm 1834 [16] đã đề xuất để loại bỏ sai sót trong tính toán bằng cách sử dụng các máy tính độc lập và riêng biệt và thậm chí mang tính quyết định hơn với các phương pháp tính toán khác nhau. Sau đó, máy tính điện tử đầu tiên và hệ thống truyền thông sử dụng các khối có độ tin cậy không cao. Như một kết quả nghiên cứu tập trung vào việc nâng cao độ tin cậy và độ tin cậy của hoạt động là bước đầu tiên hướng tới QoS. Lý thuyết cơ bản của sự dự phòng để nâng cao độ tin cậy của cấu trúc theo logic và nâng cao chất lượng của truyền thông đã được phát triển từ Von Neumann, Moore, Shannon [17]-[18] và những người kế thừa của họ và vẫn là cơ sở cho công việc nghiên cứu của chúng ta. Ngày nay, khái niệm cơ bản của độ tin cậy trong hệ thống máy tính hay hệ thống truyền thông được thảo luận từ một quan điểm kỹ thuật trong các nhóm nghiên cứu khác nhau
Bây giờ chúng ta tập trung vào các khía cạnh của độ tin cậy liên quan chặt chẽ tới mạng lưới truyền thông và đặc biệt là internet. Sự hoạt động tin cậy của hệ thống định tuyến là một phần của chương trình nghị sự định tuyến dựa trên QoS kể từ những ngày đầu của internet. Ví dụ, tiền thân của internet, ARPANET, bị thất bại bởi vì giao thức định tuyến của nó chỉ có thể được chỉnh sửa với sự can thiệp thủ công. Dựa trên kinh nghiệm này, cộng đồng Internet quyết định cần có giao thức định tuyến để thực hiện một vài tiêu chuẩn tin cậy cơ bản, như khả năng của giao thức để ổn định (phục hồi) sau khi tình trạng hoạt động không mong đợi được loại bỏ (tự ổn định). Bị ảnh hưởng bởi sự thất bại của ARPANET, các giao thức định tuyến cho Internet đã được giữ ở mức rất đơn giản. Thậm chí ngày nay và mặc dù thực tế của yêu cầu ứng dụng dựa trên QoS cao, Internet hoạt động mà không có QoS và không có các cơ chế định tuyến QoS. Chúng ta kết luận rằng chính yêu cầu về độ tin cậy và khả năng sống còn của chức năng vận chuyển ngay cả trong điều kiện khắc nghiệt đã tạo nên một điểm quan trọng trong chương trình nghị sự về định tuyến dựa trên QoS. Chúng ta định nghĩa “Độ tin cậy định tuyến là tính tin cậy của một hệ thống định tuyến, được đặt trên sự nhất quán của cách hoạt động và hiệu suất của dịch vụ định tuyến nó thực hiện” [9].
Để có thể thiết kế các hệ thống định tuyến dựa trên QoS tin cậy, cần thiết phải hiểu rõ hơn các số đo độ tin cậy của định tuyến. Các số đo này không cố
định, tuy nhiên, chúng bị ảnh hưởng bởi các đặc tính của mạng đang xem xét. Ví dụ, về truyền thông không dây, chúng ta tìm ra một vài các đặc tính quan trọng để chi phối độ tin cậy định tuyến có thể là:
Sự di động hệ thống đầu cuối và người sử dụng;
Bản chất vô tuyến của kênh truyền;
Các giao thức định tuyến và thuật toán định tuyến…. Sự thích ứng với tình trạng thay đổi của mạng cũng như chi phí phụ phát sinh;
Các cấu trúc hạ tầng cơ sở hoặc các hệ thống định tuyến lai ghép;
Những hạn chế về các tài nguyên năng lượng;
Khả năng không cân bằng của các nút trong các mạng phức tạp;
Sự hợp tác và không hợp tác của các nút mạng trong mạng ad hoc;
Các tác động bên ngoài, như là điều kiện môi trường…
1.3.3. Đặt vấn đề nghiên cứu thuật toán OSPF mở rộng
Để đạt được độ tin cậy cao, đã có nhiều sơ đồ định tuyến dựa trên QoS khác nhau được đề xuất (cho cả đơn đích và đa đích). Tuy nhiên, phần lớn các sơ đồ này tập trung vào một vấn đề cụ thể với các thuật toán dựa trên những giả thiết khác nhau về trạng thái mạng và vì vậy không thể làm việc cùng nhau. Từ đó ta thấy rõ ràng rằng cần có một khuôn khổ làm việc chung nhất với hai mức định tuyến dựa trên QoS nội miền [4] và định tuyến dựa trên QoS liên miền [14]. Mô hình phân cấp này tương thích với các cấp thang định tuyến của Internet ngày nay (vốn có quan niệm Hệ thống tự trị). Hình 1.15 cho thấy cấu trúc định tuyến hai mức như thế nào. Định tuyến giữa các nút A, B và C thuộc về định tuyến nội miền, trong khi giữa nút B với E hoặc F thuộc về định tuyến liên miền.
Định tuyến nội miền sử dụng định tuyến trong một mạng đơn hoặc một miền quản trị. Mỗi miền quản trị tự do lựa chọn giao thức định tuyến nội miền sử dụng trong mạng của mình. Hai loại giao thức định tuyến nội miền có thể dùng được hiện nay là giao thức định tuyến theo trạng thái liên kết và giao thức định tuyến theo vecto khoảng cách. Giao thức trạng thái liên kết phân phối topo toàn mạng tới tất cả các router trong miền, và quyết định cách thức lựa chọn đường dẫn tốt nhất để đạt đến bất kỳ đích đến nào bên trong miền này, dựa trên thuật toán đường dẫn ngắn nhất của Dijkstra. Ngoài ra, trong giao thức định
tuyến theo vector khoảng cách, các router thiếu topo toàn mạng và lựa chọn đường dẫn tốt nhất là dựa trên thuật toán định tuyến Bellman-Ford. Hiện nay, hầu hết các triển khai mở rộng của giao thức định tuyến nội miền là một giao thức trạng thái liên kết OSPF.
Hình 1.15. Định tuyến nội miền so với định tuyến liên miền
Vượt qua ranh giới miền quản trị một giao thức định tuyến liên miền [14] được sử dụng để trao đổi thông tin, và để lựa chọn đường dẫn tốt nhất để đạt đến bất kỳ đích nào theo những nguyên tắc cụ thể và nhu cầu của mỗi miền. Ngược lại với trường hợp nội miền, với định tuyến liên miền có một giao thức định tuyến chuẩn thực tế, giao thức cổng đường biên BGP. Phiên bản hiện tại của BGP là một giao thức định tuyến theo vector, nó chỉ nhận biết về các mối liên kết giữa các miền quản trị khác nhau. Nói cách khác, BGP không quản lý hoặc trao đổi bất kỳ loại thông tin nội miền nào, do đó, tình trạng nội mạng trong bất kỳ miền quản trị nào cũng không bị tiết lộ bởi BGP. Tóm lại, trong khi định tuyến nội miền quản lý việc lựa chọn đường đi tốt nhất trong một miền quản trị duy nhất, thì định tuyến liên miền lại giữ cho Internet như một đơn vị duy nhất.
Định tuyến nội miền Định tuyến liên miền
Miền 1
Miền 2
Miền 3
BGP hiện tại cung cấp một phản ứng lại chậm và giao thức định tuyến có giới hạn, mà không đủ để xử lý hầu hết các nhu cầu xuất hiện cho các chức năng liên miền. Trong số những yêu cầu liên miền này không có các cơ chế hiệu quả về giá và hiệu quả cao để cung cấp các mức độ khác nhau của QoS end-to-end, trong đó giao thức định tuyến liên miền thì lại có tầm quan trọng tuyệt đối. Nói cách khác, phiên bản hiện tại của BGP thiếu năng lực định tuyến dựa trên QoS, cái mà đã được công nhận như một nhu cầu mạnh mẽ của nhóm đặc trách kỹ thuật internet (IETF) từ giữa năm 1998. Do đó, nhiều nỗ lực đang được thực hiện để giải quyết vấn đề định tuyến dựa trên QoS ở mức độ liên miền trong các mạng IP.
Như vậy, cả ở mức độ nội miền và ở mức độ liên miền đều cần giải quyết các vấn đề định tuyến dựa trên QoS. Luận văn chọn phương án sử dụng một giao thức định tuyến cơ bản là OSPF, từ đó mở rộng các thuật toán và các cơ chế định tuyến liên quan để đảm bảo QoS. Một vấn đề cần quan tâm nhất là vấn để tăng tải do truyền thông tin định tuyến, nhất là khi chọn đường đảm bảo các ràng buộc về QoS. Luận văn chọn đi sâu phân tích một vài cơ chế liên quan đến lan tràn thông tin định tuyến bằng “flooding”. Điều này sẽ được trình bày ở chương 2
Tóm lại: Chương 1 đã giúp chúng ta có cái nhìn tổng quát về định tuyến dựa
trên QoS, chỉ ra các vấn đề cơ bản của định tuyến đảm bảo QoS như metric, thuật toán…Chương 2 sẽ trình bày về định tuyến dựa trên QoS trong mạng có phân cấp định tuyến-mạng phổ biến hiện nay (định tuyến QoS nội miền và liên miền) và phân tích cơ chế trao đổi thông tin định tuyến.
CHƯƠNG 2 – CƠ BẢN VỀ CÁC CƠ CHẾ ĐỊNH TUYẾN QoS [2]
Định tuyến Internet có thể được chia thành 2 phần riêng biệt, mỗi phần có một đặc điểm và mục đích rất khác nhau, cụ thể là định tuyến nội miền và định tuyến liên miền. Chương 2 trình bày về định tuyến QoS nội miền và liên miền, sau đó tổng kết về các cơ chế cơ bản nhất trong định tuyến QoS. Nội dung của chương này phục vụ cho các trình bày về mở rộng thuật toán định tuyến OSPF cho QoS ở Chương 3.
2.1. Định tuyến QoS nội miền
Đối với định tuyến dựa trên QoS nội miền, người ta chủ động bố trí nhiều sơ đồ với các thuật toán khác nhau trong cùng một miền. Người quản lý có quyền lựa chọn loại định tuyến dựa trên QoS bất kỳ trong miền này, độc lập với định tuyến dựa trên QoS trong các miền khác. Ở mức này người ta khuyến khích sự đa dạng các dịch vụ định tuyến dựa trên QoS trải suốt từ việc tính toán đường động dựa trên thông tin trạng thái hiện thời cho tới các đường dự trữ tính hỗ trợ một số ít các lớp dịch vụ.
Tuy nhiên, định tuyến dựa trên QoS nội miền yêu cầu một vài đặc điểm chung, như được liệt kê dưới đây:
Sơ đồ định tuyến phải tìm đường đáp ứng yêu cầu QoS của luồng lưu lượng, nếu tồn tại một luồng lưu lượng như thế. Ngược lại nó phải chỉ ra rằng luồng lưu lượng đó không được phép.
Để tối ưu hoá việc sử dụng tài nguyên, sơ đồ định tuyến phải có thông báo đường bị ngắt mỗi khi đường bị ảnh hưởng bởi những thay đổi topo trong mạng.
Sơ đồ định tuyến phải hỗ trợ các luồng cố gắng tối đa, những luồng này không có các yêu cầu dành trước tài nguyên. Nói cách khác, các giao thức và ứng dụng cố gắng tối đa hiện thời không cần phải thay đổi trong miền định tuyến dựa trên QoS.
Sơ đồ định tuyến được mong đợi là phải hỗ trợ định tuyến dựa trên QoS đa đích.
Sơ đồ định tuyến phải có quyền kiểm soát cho phép ở mức cao hơn, để hạn chế sự sử dụng tài nguyên tổng thể của các luồng riêng.
Trong phần này ta tập trung vào định tuyến dựa trên QoS nội miền, còn định tuyến dựa trên QoS liên miền sẽ được đề cập trong phần kế tiếp. Các vấn đề chính khi lựa chọn một đường dẫn, chẳng hạn như sự phức tạp, độ chính xác của thông tin định tuyến và sự ổn định định tuyến được phân tích dưới đây. Sau đó, định tuyến đa đích, định tuyến liên kết rời và định tuyến dựa trên dự báo cũng được trình bày ở phần cuối.
2.1.1. Vấn đề thuật toán lựa chọn đường đi
Các phương pháp được sử dụng bởi các thuật toán định tuyến dựa trên QoS tính toán đường dẫn đa ràng buộc thì thường theo một thỏa hiệp giữa sự tối ưu của đường dẫn và độ phức tạp của thuật toán. Các nghiên cứu của các thuật toán tính toán đường dẫn mới nhằm cải thiện độ phức tạp và chất lượng của đường dẫn vẫn còn là một vấn đề mở trong lĩnh vực định tuyến dựa trên QoS.
2.1.1.1. Quá tải trong thuật toán định tuyến dựa trên QoS động
Mục tiêu của giao thức định tuyến dựa trên QoS có thể bị thỏa hiệp bởi việc áp đặt thêm tải trong mạng. Tải trọng được giới thiệu bởi các phương pháp định tuyến dựa trên QoS bao gồm:
Quá tải xử lý do việc tính toán thường xuyên hơn và phức tạp hơn.
Việc lưu trữ bổ sung cần thiết để hỗ trợ các giao thức định tuyến dựa trên QoS.
Các quá tải truyền thông gây ra bởi sự gia tăng lượng thông tin định tuyến được trao đổi trong mạng.
Cần lưu ý rằng tất cả những yếu tố này tác động chặt chẽ tới khả năng mở rộng mạng, tức là khả năng mở rộng trở thành một vấn đề phải được giải quyết bởi bất kỳ đề xuất định tuyến dựa trên QoS nào.
Các quá tải xử lý gây ra bởi định tuyến dựa trên QoS là do 2 yếu tố chính, cụ thể là, sự phức tạp của thuật toán tính toán đường dẫn và tần suất tính toán đường dẫn. Vì số các ràng buộc cần được thỏa mãn bởi các thuật toán định tuyến ngày càng tăng lên. Độ phức tạp của thuật toán tính toán đường dẫn trở lên cao hơn, đòi hỏi khắt khe hơn trong việc xử lý các nguồn tài nguyên. Sau đó, trong trường hợp của phương pháp tính toán trước đường dẫn, các đường dẫn đảm bảo QoS đã cài đặt bảng định tuyến phải được cập nhật tình trạng mạng, và trong trường hợp tính toán đường dẫn theo yêu cầu, các đường dẫn phải được tính toán lúc tiếp nhận yêu cầu kết nối. Trong bất kỳ cách định tuyến nào, thuật
toán tính toán đường dẫn được sử dụng thường xuyên hơn trong các giao thức định tuyến truyền thống, do đó đòi hỏi xử lý các nguồn tài nguyên nhiều hơn. Mặc dù hầu hết các đề xuất định tuyến dựa trên QoS sử dụng tính toán đường dẫn theo yêu cầu, cách định tuyến này có hai nhược điểm. Thứ nhất, nó gây ra trễ trước khi bắt đầu chuyển tiếp lưu lượng. Thứ hai, nó đòi hỏi phải áp dụng các thuật toán tính toán đường đi cho mỗi yêu cầu kết nối, do đó đưa thêm quá tải xử lý trên các bộ định tuyến, đặc biệt là khi tỷ lệ đến của các yêu cầu kết nối không