Chuyển mạch IP theo cấu hình dựa trên cấu hình mạng IP và sử dụng các giao thức định tuyến IP thông thường (như OSPF, BGP...) và được thực
RB 1B RB 2B RN N gói tín N gói tín Nguồn Đích ATM Switch ATM Switch ATM Switch (N +1)+M gói tín (N +1)+M gói tín Tái điều khiển
hiện tại các thực thể định tuyến IP của chuyển mạch IP. Các thẻ mới (VPI/VCI) được kết hợp với địa chỉ mạng IP đích để chỉ ra một mạng đích. Chúng được tạo ra và phân phối tới các chuyển mạch IP khác trong miền định tuyến. Tất cả lưu lượng đã được dự tính trước cho một mạng đích cụ thể sẽ đi theo một đường dẫn chuyển mạch dựa trên các thẻ VPI/VCI mới.
Hoạt động cơ bản của chuyển mạch IP dựa theo cấu hình được minh hoạ như ở hình vẽ 3.6.
Chuyển mạch
ATM Chuyển mạchATM Chuyển mạch biên
Vào mạng Chuyển mạch biên
Ra mạng
(Địa chỉ đích, nhãn)
Đích RN
Hình 3.6: Chuyển mạch IP theo cấu hình
Quá trình chuyển mạch bao gồm các bước sau:
Bước 1: Hội tụ các chuyển mạch IP trên một cấu hình mạng dựa vào sự thay đổi các bản tin giao thức định tuyến giữa các thực thể định tuyến IP (R1,R2, ... Rn).
Bước 2: Các thẻ VPI/VCI mới được kết hợp với địa chỉ mạng đích theo dạng: {địa chỉ mạng đích, thẻ} được tạo ra và phân phối tới các thành phần của chuyển mạch IP trong miền định tuyến.
Bước 3: Đầu vào của chuyển mạch IP kiểm tra địa chỉ mạng đích của các gói vào mạng. Thay vì chuyển tiếp các gói đến địa chỉ IP trong chặng tiếp theo, đầu vào chuyển mạch IP đặt các gói lên một đường dẫn chuyển mạch để đến mạng đầu ra. Tất cả lưu lượng đến đích đó truyền qua một đường dẫn chuyển mạch từ mạng đầu vào đến mạng đầu ra.
Bước 4: Tại đầu ra chuyển mạch IP nhận được các gói qua đường dẫn chuyển mạch và chuyển tiếp chúng đến lớp 3 để tới mạng đích.
Giải pháp điều khiển theo cấu hình cho chuyển mạch IP cải thiện hiệu năng và tính linh hoạt so với giải pháp điều khiển luồng. Thứ nhất, tất cả lưu
lượng gồm một hoặc nhiêu luồng đến cùng một mạng đích được chuyển mạch. Mặt khác toàn bộ lưu lượng được chuyển mạch, không chỉ có phần đuôi như trong trường hợp chuyển mạch IP theo luồng. Thứ hai, chuyển mạch IP theo cấu hình có trễ thời gian xử lý gói tin thấp hơn nhiều so với phương pháp theo luồng bởi vì các đường dẫn chuyển mạch chỉ được thiết lập sau khi có thay đôi cấu hình hoặc sau khi điều khiển lưu lượng. Nếu cấu hình ổn định, các đường dẫn chuyển mạch sẽ được thiết lập và tất cả lưu lượng thích hợp sẽ được truyền qua nó. Xét về phương diện qui mô thì giải pháp theo cấu hình là tốt hơn. Bởi vì số đường dẫn chuyển mạch trong một miền định tuyến là cân đối với số lượng các bộ định tuyến hay kích thước của mạng. Ngoài ra, có thể cho phép các mức cao hơn sử dụng các kết nối đa điểm đến điểm (ví dụ sự hợp nhất VC) để dùng chung một tập mạng đích.
Bên cạnh những ưu điểm nêu trên thì kỹ thuật này cũng có nhiều hạn chế so với kỹ thuật thứ nhất. Thứ nhất, được lợi về qui mô và hiệu năng thực hiện thì phải trả giá về chi phí. Chuyển mạch theo cấu hình dựa vào cấu hình mạng để thiết lập tất cả các đường tắt có thể có ngay cả với những đường không có lưu lượng truyền qua do đó làm lãng phí tài nguyên. Thứ hai, theo kỹ thuật này việc thực hiện cung cấp QoS cho dịch vụ là khó khăn bởi vì các đường tắt cho các luồng là cố định về thời gian và tính tối ưu. Thứ ba, có thể sinh ra các vòng lặp bởi vì nếu sự cập nhật bảng định tuyến là chưa chính xác (chưa kịp thời) thì các thiết bị chuyển mạch sẽ xác định các thẻ không chính xác dẫn đến khả năng bị lặp.
Tóm lại, các đặc điểm cơ bản của chuyển mạch IP theo cấu hình là: Đường tắt được thiết lập dựa vào sự tồn tại của các mạng đích và
chỉ được thiết lập sau khi có sự thay đổi trong cấu hình.
Tất cả lưu lượng có cùng một luồng đều được chuyển mạch qua đường tắt.
Đầu ra của các chuyển mạch IP nhận được một thẻ mới tương ứng với một địa chỉ đích. Thông thường chuyển tiếp IP được thực hiện nhưng thay vì chuyển trực tiếp các gói đến địa chỉ IP của chặng tiếp theo, đầu vào chuyển mạch IP được bổ sung thêm vào các thẻ mới và đặt các gói lên một đường dẫn chuyển mạch.
Tại mỗi thành phần chuyển mạch trung gian, các gói (hay các tế bào) được tráo thẻ.
Đầu ra chuyển mạch IP nhận được các gói từ đường dẫn chuyển mạch, loại bỏ thẻ và sau đó chuyển tiếp các gói sử dụng các thủ tục lớp 3 thông thường.
Các gói có thể được định tuyến lớp 3 thông thường đến đích nếu một đường tắt gặp sự cố.
Có thể gây ra các vòng lặp ngắn tại lớp 2.
3.5 M t s gi i pháp trong chuy n m ch IPộ ố ả ể ạ
Chuyển mạch IP là một kỹ thuật cho phép cung cấp một hiệu năng thực hiện tốt hơn và dung lượng lớn hơn lưu lượng IP. Kỹ thuật IP xuất phát từ sự cải tiến chu trình xử lý theo từng gói tin tại mỗi bộ định tuyến mà không đi theo hướng tìm cách cải thiện tốc độ của bộ định tuyến.
Quyết định thiết kế chuyển mạch IP tại thời điểm hiện nay đó là tái sử dụng các thiết bị chuyển tiếp Multigigabit đã có với kỹ thuật chuyển mạch ATM tạo thành cơ chế chuyển tiếp gói tin có dung lượng rất lớn và hiệu năng thực hiện rất cao. Nhưng chuyển mạch ATM không phải là cơ chế chuyển tiếp một gói tin bất kỳ mà nó chuyển mạch các tế bào từ một cổng vào đến một cổng ra tương ứng. Do vậy, trong tiêu đề của gói tin không có thông tin nào dành cho việc chuyển tiếp goi tin IP. Trường quan trọng nhất trong tế bào ATM đó là các số xác định kết nối (VCI/VPI) hay còn gọi là nhãn (label/tag). Nó gán nội dung của tế bào với một kết nối đầu cuối-đầu cuối ảo. Bởi vậy, để một chuyển mạch ATM thành một bộ định tuyến (hoặc một phần của hệ thống định tuyến), cần phải xây dựng một thành phần điều khiển để liên kết đường chuyển tiếp cho các luồng lưu lượng IP riêng lẻ hoặc hội tụ với một kết nối IP ảo.
Trên thực tế, tất cả các giải pháp chuyển mạhc IP bao gồm cả MPLS đều có cơ chế điều khiển đơn giản là gán các luồng lưu lượng IP vào các kết nối ATM ảo. Khái niệm về sự ánh xạ một luồng các gói tin thành một tế bào nhỏ, tiêu đề cố định được đưa ra lần đầu tiên ở chuyển mạch thẻ (Cisco) và sau đó là chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS của IETF) cho phép lien kết các luồng lưu lượng IP với bất kỳ phương tiện truyền dẫn nào. Một
đường chuyển mạch (LSP) tương tư như một ATM VC có thể được thiết lập xuyên qua một chuỗi các bộ định tuyến để truyền gói tin mức 2. kết quả đạt được sự gắn kết giữa IP và chuyển mạch ATM – một sự ánh xạ giữa cơ chế chuyển tiếp gói tin không hướng kết nối với tiêu đề phức tạp trên một kiến trúc hướng kết nối ổn định đơn giản. Đảm bảo quan điểm cơ bản của IP đó là trạng thái mềm (Soft-state) được thực hiện bằng cách các thiết bị ngang hàng vẫn yêu cầu sự gán kết các đoạn doc theo một đường dẫn từ biên vào mạng đến biên ra mạng chuyển mạch.
Nhưng cũng có các giải pháp khác đơn giản hơn đang nhanh chóng nổi lên cúng giải quyết vấn đề là địa chỉ chuyển mạch IP, Ethernet Gìgabit, thế hệ tiếp theo của Ethernet Crank hỗ trợ tốc đọ chuyển tiếp lên đến 1Gb. Với thiết bị này, có thể chuyển tiếp hàng triệu gói tin trong một giây ở lớp 3 từ mạng Ethernet này đến mạng Ethernet khác. Các bộ định tuyến Gigabit và Terabit ở trong mạng WAN được thiết kế cho mạng thế hệ sau sẽ hỗ trợ hàng chục thậm chí hàng trăm gigabit trong một giây cho tốc độ chuyển tiếp. Nó sẽ gắn trực tiếp vào mạng quang và hứa hẹn sẽ cung cấp rất nhiều dịch vụ với tốc đọ cực cao không chỉ cho dữ liệu mà cho tiếng nói và hình ảnh.
Tuy nhiên mỗi giải pháp đều có ưu nhược điểm riêng và hiện nay, người ta chỉ triển khai giải pháp đầu là chuyển mạch IP ở lớp 2. Có nhiều giải pháp khác nhau của các công ty khác nhau để giải quyết vấn đề này.
Cụ thể một số giải pháp của một số công ty nổi tiếng trên thế giới là: - Tag Switching (CISCO)
- IFMP IP Switching (IPSILON) - IP Navigator (ASCEND) - CSR/FANP (TOSHIBA) - MPLS (IETF)
Hình vẽ dưới đây mô tả cây phân loại chuyển mạch IP, các công nghệ liên quan và các giải pháp:
Chuyển mạch IP Mô hình đồng cấp (Peer) Mô hình xếp chồng (Overlay) Luồng IFMP/GSMP CSR/FANP Cấu hình Chuyển mạch thẻ ARIS Luồng MPOA Giải pháp địa chỉ RFC 1557, LANE NHRP, MARS
Hình 3.7: Cây phân loại chuyển mạch IP
Trong chương sau chúng ta sẽ tìm hiểu về chuyển mạch thẻ (Tag Switching) của hãng Cisco để làm một ví dụ minh họa cụ thể cho chuyển mạch IP.
CHƯƠNG 4
CHUYỂN MẠCH THẺ CỦA CISCO
4.1 Gi i thi u chuy n m ch thớ ệ ể ạ ẻ
Vào năm 1996, Cisco đã đề xuất một giải pháp mới cho chuyển mạch IP, giải pháp này phù hợp cho việc tích hợp giữa bộ định tuyến và chuyển mạch. áp dụng sự phân loại từng luồng và sự ánh xạ địa chỉ để thiết lập các đường tắt (Là đường chuyển mạch lớp 2) động, chuyển mạch thẻ, sử dụng các thông tin giao thức điều khiển để đặt luồng lưu lượng IP lên đường dẫn chuyển mạch. Chuyển mạch thẻ mang thông tin về giao thức định tuyến (như địa chỉ mạng đích) và phân phối các thẻ đã được liên kết với các luồng thích hợp tại các thiết bị thực hiện dọc theo đường dẫn. Các gói tin tới một đích cụ thể được thêm vào thẻ thích hợp và chuyển tiếp qua mạng chuyển mạch thẻ dựa trên nội dung của thẻ. Chuyển mạch thẻ thay thế việc tìm kiếm các đường định tuyến cho gói tin trong các bảng định tuyến tiêu chuẩn (rất lớn) tại lớp 3 bằng việc tìm kiếm đường chuyển mạch lớp 2 trong bảng thông tin về thẻ (có kích thước rất nhỏ, cấu tạo đơn giản).
Chuyển mạch thẻ hoạt động dựa trên một thiết bị được gọi là bộ định tuyến chuyển mạch thẻ (TSR). Một TSR cung cấp các giao thức định tuyến tiêu chuẩn đơn hướng (unicast) và đa hướng (multicast) ví dụ như: OSPF, PIM và có thể khả năng chuyển tiếp lưu lượng IP theo một đường định tuyến mặc định. Ngoài ra chuyển mạch thẻ sử dụng thêm một giao thức điều khiển nữa là giao thức phân phối thẻ(TDP), giao thức này được các thiết bị TSR sử dụng để phân phối ánh xạ địa chỉ mạng - thẻ tương ứng (Prefix-to-label) gọi là quá trình liên kết thẻ. Bằng cách gán các thẻ cho các luồng tại mỗi thiết bị TSR, chuyển mạch thẻ thiết lập được các đường chuyển mạch lớp 2. Khi một gói tin đến một TSR, thông tin về thẻ trong tiêu đề của gói tin được dùng để tìm kiếm một thực thể thích hợp trong bảng thông tin về thẻ tại TSR đó, sau đó TSR dùng phương pháp “tráo thẻ” và truyền gói tin với thẻ mới đến thiết bị TSR tiếp theo.
Chuyển mạch thẻ thuộc kiểu giải pháp hướng cấu hình, nghĩa là đường chuyển mạch tồn tại trước khi có luồng lưu lượng thật sự được truyền đến và nó sẽ chuyển mạch tất cả các luồng đến mạng chuyển mạch thẻ.
4.2 Ki n trúc c a chuy n m ch thế ủ ể ạ ẻ
Kiến trúc của chuyển mạch thẻ có thể được mô tả từ các phương diện khác nhau. Trên phương diện lý thuyết, chuyển mạch thẻ được thiết kế để tăng hiệu năng và khả năng phục vụ của một hệ thống định tuyến qui mô lớn. Bởi vì trên thực tế, một bộ định tuyến chính trong mạng ISP lớn, tại một thời điểm có thể có hàng trăm thậm chí hàng ngàn luồng lưu lượng khác nhau truyền qua mà các luồng lưu lượng này có cùng một đích đến với một địa chỉ mạng đích mà bộ định tuyến biết. Phân phối các thẻ cho tất cả các bộ định tuyến để tăng tốc độ chuyển tiếp cho tất cả các gói tin được định tuyến qua hệ thống là một kỹ thuật đơn giản nhưng có hiệu năng rất lớn. Mặt khác, quá trình sinh thẻ và phân phối thẻ không phụ thuộc vào các luồng dữ liệu cụ thể mà nó được căn cứ vào lưu lượng điều khiển (thông tin về cấu hình mạng).
Đường chuyển mạch lớp 2 do chuyển mạch thẻ thiết lập độc lập với đường định tuyến lớp 3 nhận được từ các giao thức định tuyến động dựa trên địa chỉ đích. Một đường dẫn như vậy, xuyên qua một chuỗi các Node và liên kết được lựa chọn trước có thể cung cấp các dịch vụ phụ thêm như giám sát, bảo mật, tính toán lưu lượng, và một vài các dịch vụ đặc biệt khác.
Kiến trúc chuyển mạch thẻ xuất phát từ chức năng chuyển tiếp trong chính các TSR. Các bộ định tuyến thông thường phải thực hiện tìm kiếm thực thể thích hợp trong một bảng định tuyến tiêu chuẩn dựa vào sự so sánh nội dung của địa chỉ đích trong tiêu đề của gói tin và bảng định tuyến, thực hiện giảm thông số TTL, tổng kiểm tra tiêu đề, và biên dịch. Hiệu quả chuyển tiếp lưu lượng phụ thuộc vào dung lượng của bộ định tuyến cũng như giao thức định tuyến để tính toán đường đi tối ưu nhất đến chặng tiếp theo trên đường đến đích. Chuyển mạch thẻ đơn giản hoá chức năng chuyển tiếp bởi việc thay thế quá trình tìm kiếm trong bảng định tuyến tiêu chuẩn bằng việc tìm kiếm trong bảng thông tin thẻ rất đơn giản và thực hiện trao đổi thẻ dựa trên nội dung của thẻ. Khái niệm cơ bản này được minh hoạ ở hình vẽ 4.1
Tráo nhãn 9 Cổng vào 5 Bộ định tuyến chuyển mạch
Gói IP Tag=5 Gói IP Tag=1
Nhãn vào Cổng ra Nhãn ra 9 5 5 1
Hình vẽ trên minh hoạ một gói tin IP vào với thẻ bằng 5, được dùng để truy nhập vào bảng TIB, sau khi xác định được thực thể thích hợp nó thực hiện cơ chế tráo thẻ và thẻ ra bây giờ có giá trị bằng 1và ra ở cổng 5.
Một tính chất quan trọng của chuyển mạch thẻ là chức năng điều khiển lớp mạng tách biệt khỏi hoạt động của lớp chuyển tiếp chuyển mạch thẻ. Sự tách biệt này rất cần bởi nó cho phép các nhà cung cấp mạng liên kết các dịch vụ mạng hiện tại và tương lai với một cơ chế chuyển tiếp đơn giản và quy mô. Các dịch vụ như định tuyến dựa vào đích, định tuyến đa hướng, và định tuyến nổi có thể được liên kết với một tập các thẻ và khi được phân phối qua mạng, được thể hiện dưới dạng đường chuyển mạch xuyên suốt (end-to-end) cho từng dịch vụ. Mặc dù các dịch vụ lớp mạng có thể có rất nhiều nhưng cơ chế chuyển tiếp cơ bản vẫn không thay đổi. Bởi vậy, khi sử dụng một dịch vụ lớp mạng mới không cần thiết phải cập nhật hay tối ưu lại các thành phần và bộ máy của cơ chế chuyển tiếp. Một ví dụ điển hình là ở phiên bản IPv6 sẽ mở rộng không gian địa chỉ thành 128 bit nhưng vẫn không cần có bất kỳ sự thay đổi nào trên đường dẫn chuyển tiếp đã tồn tại.
Kiến trúc chuyển mạch thẻ gồm hai thành phần cơ bản là: Điều khiển và Chuyển tiếp.
- Thành phần điều khiển chịu trách nhiệm sinh ra và sử dụng hợp lý một tập các thẻ giữa các thiết bị tham gia chuyển mạch. Quá trình phân phối thẻ được thực hiện bằng các giao thức điều khiển riêng như TDP hoặc có thể sử dụng trên các giao thức điều khiển đã tồn tại (VD: RSVP, PIM )
- Thành phần chuyển tiếp sử dụng thông tin về thẻ chứa trong mỗi