KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH Gể
3.3. KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH GểI Như trong chương 1 đó định nghĩa, định tuyến là một tiến trỡnh lựa chọn con đườ ng cho
thực thể thụng tin chuyển qua mạng. Nú được xem như là khả năng của một node trong vấn đề
lựa chọn đường dẫn cho thụng tin qua mạng. Định tuyến là một khỏi niệm cốt lừi của mạng chuyển mạch gúi và nhiều loại mạng khỏc nhau. Định tuyến cung cấp phương tiện tỡm kiếm cỏc tuyến đường theo cỏc thụng tin mà thực thể thụng tin được chuyển giao trờn mạng. [7] Mỗi nỳt trong mạng nhận gúi dữ liệu từ một đường vào (incoming link) rồi chuyển tiếp nú tới một đường ra (outgoing link) hướng đến đớch của dữ liệu. Như vậy ở mỗi nỳt trung gian phải thực hiện cỏc chức năng chọn đường hay cũn gọi là định tuyến và chuyển tiếp cho đơn vị
dữ liệu. Cỏc chức năng đú thuộc lớp mạng - lớp 3 của mụ hỡnh OSI, vỡ cỏc giao thức định tuyến hoạt động ở trờn lớp liờn kết dữ liệu - lớp 2 và để cung cấp một dịch vụ “trong suốt” cho tầng giao vận, vỡ vậy chỳng phải ở dưới tầng giao vận – lớp 4.
Mục tiờu cơ bản của cỏc phương phỏp định tuyến nhằm sử dụng tối đa tài nguyờn mạng, và tối thiểu hoỏ giỏ thành mạng. Đểđạt được điều này kỹ thuật định tuyến phải tối ưu được cỏc tham số mạng và người sử dụng như : Xỏc suất tắc ngẽn, băng thụng, độ trễ, độ tin cậy, giỏ thành,v..v. Vỡ vậy, một kỹ thuật định tuyến phải thực hiện tốt 2 chức năng chớnh sau đõy:
(i) Quyết định chọn đường theo những tiờu chuẩn tối ưu nào đú.
(ii) Cập nhật thụng tin định tuyến, tức là thụng tin dựng cho chức năng (i)
Tuỳ thuộc vào kiến trỳc, hạ tầng cơ sở mạng mà cỏc kỹ thuật định tuyến khỏc nhau được ỏp dụng. Cỏc tiờu chuẩn tối ưu khi chọn đường dẫn từ trạm nguồn tới trạm đớch cú thể phụ thuộc vào yờu cầu người sử dụng dịch vụ mạng. Giữa mạng và người sử dụng cú thể cú cỏc thoả
thuận ràng buộc về chất lượng dịch vụ cung cấp hay một số yờu cầu khỏc. Điều đú cú thể dẫn tới khả năng chọn đường của mạng chỉ là cận tối ưu đối với một loại hỡnh dịch vụ cụ thể, hoặc với một số nhúm người sử dụng dịch vụ cụ thể. Chức năng cập nhật thụng tin định tuyến là chức năng quan trọng nhất mà cỏc giao thức định tuyến phải thừa hành. Cỏc giải phỏp cập nhật thụng tin định tuyến đưa ra hiện nay tập trung vào giải quyết bài toỏn cõn đối lưu lượng bỏo hiệu và định tuyến trờn mạng với tớnh đầy đủ và sự nhanh chúng của thụng tin định tuyến. Cỏc tiờu chớ cơ bản để so sỏnh giữa cỏc giao thức định tuyến sẽđược chỉ ra trong phần sau với cỏc bộ tham sốđỏnh giỏ cụ thể.
Trong cỏc mạng mỏy tớnh cú rất nhiều cỏc kỹ thuật định tuyến khỏc nhau đó được đưa ra. Sự
phõn biệt giữa cỏc kỹ thuật định tuyến chủ yếu căn cứ vào cỏc yếu tố liờn quan đến 2 chức năng chớnh đó chỉ ra trờn đõy. Cỏc yếu tốđú thường là:
(a) Sự phõn tỏn của cỏc chức năng chọn đường trờn cỏc nỳt của mạng. (b) Sự thớch nghi với trạng thỏi hiện hành của mạng.
(c) Cỏc tiờu chuẩn tối ưu đểđịnh tuyến.
Dựa trờn yếu tố (a) ta cú thể phõn biệt kỹ thuật định tuyến thành: kỹ thuật định tuyến tập trung (centralized routing) và phõn tỏn (distributed routing) . Dựa trờn yếu tố (b) ta cú kỹ thuật định tuyến tĩnh (static hay fixed routing) hoặc động (adaptative routing). Cuối cựng cỏc kỹ thuật
định tuyến cựng loại theo (a) và (b) lại cú thể phõn biệt bởi yếu tố (c). Tiờu chuẩn tối ưu để định tuyến được xỏc định bởi người quản lý hoặc người thiết kế mạng, nú cú thể là:
Độ trễ trung bỡnh của thời gian truyền gúi tin.
Số lượng nỳt trung gian giữa nguồn và đớch của gúi tin. Độ an toàn của việc truyền tin.
Nguồn tài nguyờn mạng sử dụng cho truyền tin . v.v..
Tổ hợp của cỏc tiờu chuẩn trờn.
Việc chọn tiờu chuẩn tối ưu như vậy phụ thuộc vào nhiều bối cảnh mạng (topo, thụng lượng, mục đớch sử dụng.v.v..). Cỏc tiờu chuẩn cú thể thay đổi vỡ bối cảnh mạng cũng cú thể
thay đổi theo thời gian hoặc cỏc triển khai ứng dụng trờn mạng. Chớnh vỡ thế mà vấn đề tối ưu hoỏ định tuyến luụn được đặt ra trong thời gian triển khai mạng, nhất là sựđối lập về quan
điểm người sử dụng dịch vụ và nhà khai thỏc dịch vụ mạng. Người sử dụng luụn muốn cú những dịch vụ tốt nhất cho họ cũn nhà khai thỏc lại muốn tối ưu dịch vụ người dựng trờn nền mạng cú sẵn hoặc đầu tư tối thiểu đểđem lại lợi nhuận cao nhất, thậm chớ ngay cả cỏc dịch vụ
của người sử dụng cũng khụng thể sử dụng một tiờu chuẩn cho tất cả. Vỡ vậy, cỏc giải phỏp
định tuyến thường là giải phỏp dung hoà hay cũn gọi là giải phỏp cận tối ưu.
Về mặt nguyờn tắc, cỏc giải phỏp quản trị mạng bao gồm cả chức năng định tuyến trong mạng thường được chia thành hai loại, quản lý kiểu tập trung và kiểu phõn tỏn. Giải phỏp quản lý định tuyến cho cỏc mạng nhỏ (về kớch cỡ mạng và độ phức tạp của mạng) thường ứng dụng kiểu định tuyến tập trung để giảm giỏ thành và thuận tiện trong cụng tỏc quản lý. Tuy nhiờn kiểu định tuyến tập trung thường bộc lộ cỏc yếu điểm vỡ phải cụng khai thụng tin định tuyến cho toàn mạng và dễ bị tấn cụng.Hơn nữa, định tuyến tập trung phản ứng với sự thay đổi trạng thỏi mạng kộm nhanh nhạy. Giải phỏp định tuyến phõn tỏn khỏ phự hợp với cỏc mạng lớn và
độ phức tạp cao, nú dựa trờn sự tỏi tạo và kết hợp giữa cỏc nỳt được coi là ngang hàng, vỡ vậy nếu cú lỗi xảy ra thỡ nú chỉ mang tớnh cục bộ giữa cỏc nỳt liờn quan. Cỏc thụng tin định tuyến phõn tỏn được xử lý và chuyển rất nhanh trong mạng qua cỏc nỳt mạng cú chức năng phõn bổ
thụng tin định tuyến trờn diện rộng của mạng. 3.3.1. Cỏc thuật toỏn tỡm đường ngắn nhất
Hai thuật toỏn thường được sử dụng phổ biến trong kỹ thuật định tuyến động là: Thuật toỏn
định tuyến theo vecto khoảng cỏch DVA (Distance Vector Algorithm) và thuật toỏn định tuyến theo trạng thỏi liờn kết LSA(Link State Algorithm). Việc tớnh toỏn định tuyến trong mạng chuyển mạch gúi thường được gắn với đồ thị G(E,V) - (E: số cạnh, V: sốđỉnh). Việc sử dụng
đồ thị cú hướng và cú trọng số sẽ tường minh cỏc bài toỏn định tuyến đảm bảo QoS. Trong phần này ta xem xột cỏc thuật toỏn sử dụng mụ tả hai kỹ thuật tỡm đường ngắn nhất thụng dụng hiện nay.
(i) Thuật toỏn định tuyến theo Vector khoảng cỏch: Là một thuật toỏn định tuyến tương thớch nhằm tớnh toỏn con đường ngắn nhất giữa cỏc cặp node trong mạng, dựa trờn phương phỏp tập trung được biết đến như là thuật toỏn Bellman-Ford. Cỏc node mạng thực hiện quỏ trỡnh trao
đổi thụng tin trờn cơ sở của địa chỉđớch, node kế tiếp, và con đường ngắn nhất tới đớch. Mụ tả
hỡnh thức thuật toỏn này như sau:
Giả thiết
r là node nguồn, d là node đớch Cdr là giỏ thấp nhất từ node r tới đớch d Nr
d là node tiếp theo của r trờn đường tới d crs là giỏ của liờn kết từ r tới s
Tớnh toỏn
Bảng định tuyến trong mỗi node r được khởi tạo như sau: Cr r = 0; ∀s : s ≠ Nr d thỡ Cr s = ∞; Cr d(r, d, Nr
d) là tập cỏc giỏ của con đường đi từ node r tới node d qua nhiều nhất (s -2) node trung gian. Bước s =1 : Cr d(r, d, 1) = Cs d(d,1)= csd , ∀ Nr d ≠ r Bước s >1 : Cr d(d, Nr d) = Min[Min[Cr d(r, d, s )], Cr d(r, d, s -1)] , ∀ d ≠ r Một khi node r nhận được thụng tin vecto khoảng cỏch ((d, Cs
d),…) từ node s, r sẽ cập nhật bảng định tuyến tất cả cỏc đớch tới d trong tập chứa s. Nếu ( Cs d + crs < Cr d hoặc Nr d = s) thỡ (Cr d = Cs d + crs và Nr d = s) thỡ thuật toỏn dừng.
(ii) Thuật toỏn định tuyến theo trạng thỏi liờn kết (LSA): Trong thuật toỏn lờn quan tới trạng thỏi của cỏc liờn kết, cỏc node mạng quảng bỏ giỏ trị liờn kết của nú với cỏc node xung quanh tới cỏc node khỏc. Sau khi quảng bỏ tất cả cỏc node đều biết rừ topo mạng và thuật toỏn sử
dụng để tớnh toỏn con đường ngắn nhất tới node đớch được mụ tả hỡnh thức như sau:
Giả thiết :
r là node nguồn, d là node đớch Cdr là giỏ thấp nhất từ node r tới đớch d Nr
d là node tiếp theo của r trờn đường tới d Cr
s(r,s) là giỏ của liờn kết từ r tới s,
Tớnh toỏn:
Bảng định tuyến trong mỗi node r được khởi tạo như sau: Cr
r = 0; ∀s : s ≠ Nr d thỡ Cr
s = ∞;
Gọi Ω là tập cỏc nút sau khi thực hiện sau k bước thuật toỏn : Khởi tạo: Cr d (r,d) = ∞, ∀d ∈ Ω Bước 1: Ω = r Cr s(r,s) = Min Cr s (r,s); Nr d =s, ∀r≠s; Bước k: Ω = Ω ∪w ( w∉Ω ) Cr d(r,d) = Min [Cr s(r,s) + Cs d (s,d)] , ∀s∉Ω. Thuật toỏn dừng khi tất cả cỏc node thuộc Ω.
Khi tớnh toỏn đường đi ngắn nhất sử dụng cỏc thuật toỏn trờn đõy, thụng tin trạng thỏi của mạng thể hiện trong hệđo lượng (metric), cỏc bộđịnh tuyến phải được cập nhật giỏ trờn tuyến liờn kết. Một khi cú sự thay đổi topo mạng hoặc lưu lượng cỏc node mạng phải khởi tạo và tớnh toỏn lại tuyến đường đi ngắn nhất, tuỳ theo giao thức được sử dụng trong mạng.
3.3.2. Cỏc giao thức định tuyến nội miền và liờn miền.
Khỏi niệm miền hay hệ thống tự trị xuất phỏt từ mạng Internet. Mạng Internet là mạng diện rộng lớn đến mức một giao thức định tuyến khụng thể xử lý cụng việc cập nhật cỏc bảng định tuyến của tất cả cỏc bộđịnh tuyến. Vỡ lý do này, liờn mạng được chia thành nhiều hệ thống tự
trị AS (Autonomous System). Hệ thống tự trị là một nhúm cỏc mạng và bộ định tuyến cú chung chớnh sỏch quản trị. Nú đụi khi cũn được gọi là miền định tuyến. Cỏc giao thức định tuyến được sử dụng bờn trong một AS được gọi là giao thức định tuyến nội miền IGP (Interior
Gateway Protocol). Để thực hiện định tuyến giữa cỏc AS với nhau chỳng ta phải sử dụng một giao thức riờng gọi là giao thức định tuyến ngoại miền EGP (Exterior Gateway Protocol). Trong mục này ta xem xột một số giao thức định tuyến thụng thường được sử dụng trong mạng internet. Bảng 3.3 dưới đõy tổng kết cỏc đặc điểm chớnh của cỏc giao thức định tuyến.
Bảng 3.3: Cỏc giao thức định tuyến và tiờu chớ so sỏnh (i) Giao thức thụng tin định tuyến RIP
RIP là một giao thức định tuyến miền trong được sử dụng cho cỏc hệ thống tự trị. Giao thức thụng tin định tuyến thuộc loại giao thức định tuyến khoảng cỏch vectơ. Giao thức sử dụng giỏ trịđểđo lường đú là số bước nhảy (hop count) trong đường đi từ nguồn đến đớch. Mỗi bước đi
Cỏc giao thức định tuyến Tiờu chớ
tĩnh RIP-1 RIP-2 IGRP EIGRP IS-IS OSPF BGP
Thớch hợp cho mạng lớn Cú Khụng Khụng Khụng Cú Cú Cú Cú Dễ cho thi hành Khụng Cú Cú Cú Cú Khụng Khụng khụng Kiểu thuật toỏn Khụng DVP DVP DVP DUAL LSP LSP DVP Hỗ trợđịa chỉ Cú Cú Cú Cú Cú Cú Cú Cú Hỗ trợ CIDRR và VLSM Cú Khụng Cú Khụng Cú Khụng Cú Cú Hỗ trợ chia tải Khụng Khụng Khụng Cú Cú Cú Cú Cú Hỗ trợ chứng thực Khụng Khụng Cú Khụng Cú Cú Cú Cú Cho phộp đỏnh trọng số Khụng Khụng Khụng Cú Cú Cú Cú Cú Hội tụ nhanh Khụng Khụng Khụng Cú Cú Cú Cú Cú Thủ tục Hello Khụng Khụng Khụng Khụng Cú Cú Cú Khụng Sử dụng quảng bỏ cập nhật Khụng Cú Cú Cú Cú Cú Cú Khụng
trong đường đi từ nguồn đến đớch được coi như cú giỏ trị là 1 hop count. Khi một bộ định tuyến nhận được 1 bản tin cập nhật định tuyến cho cỏc gúi tin thỡ nú sẽ cộng 1 vào giỏ trịđo lường bước nhảy đồng thời cập nhật vào bảng định tuyến.
RIP thực hiện việc ngăn cản vũng lặp định tuyến vụ hạn bằng cỏch thực hiện giới hạn số đường đi cho phộp trong 1 đường đi từ nguồn tới đớch. Số bước nhảy tối đa trong một đường đi là 15. Nếu 1 bộ định tuyến nhận được một bản tin cập nhật định tuyến và tại đõy giỏ trịđo lường trở thành 16 thỡ đớch coi như là nỳt mạng khụng thể đến được. Nhược điểm của RIP chớnh là giới hạn đường kớnh tối đa của 1 mạng RIP là dưới 16 hops. RIP cú đặc điểm hoạt
động ổn định nhưng khả năng thay đổi chậm. Khi cú thay đổi về cấu hỡnh mạng, RIP luụn thực hiện chế độ chia rẽ tầng (phạm vi) và ỏp đặt cơ chế ngăn chặn cỏc thụng tin định tuyến sai
được phỏt tỏn trong cỏc bộđịnh tuyến. RIP sử dụng cỏc bộđịnh thời đểđiều chỉnh hoạt động của mỡnh. Bộ định thời cập nhật định tuyến theo khoảng thời gian định trước, thụng thường 30s là bộđịnh thời lại được reset để cập nhật lại cỏc thụng tin định tuyến được gởi từ cỏc bộ định tuyến lõn cận. Điều này cũng giỳp ngăn chặn sự tắc nghẽn trong mạng khi tất cả cỏc bộ định tuyến cựng 1 thời điểm cố gắng cập nhật cỏc bảng định tuyến lõn cận. RIP cú hai phiờn bản là RIP1 và RIP2. [7]
(ii) Giao thức định tuyến OSPF
OSPF là một giao thức định tuyến miền trong được sử dụng rộng rói. Phạm vi hoạt động của nú cũng là một hệ thống tự trị (AS). Cỏc router đặc biệt được gọi là cỏc router biờn AS cú trỏch nhiệm ngăn thụng tin cỏc AS khỏc vào trong hệ thống hiện tại. Để thực hiện định tuyến hiệu quả, OSPF chia hệ thống tự trị ra thành nhiều khu vực (area) nhỏ. Mỗi AS cú thểđược chia ra thành nhiều khu vực khỏc nhau. Khu vực là tập hợp cỏc mạng, trạm và router nằm trong cựng một hệ thống tự trị. Tất cả cỏc mạng trong một khu vực phải được kết nối với nhau. Tại biờn của khu vực, cỏc router biờn khu vực túm tắt thụng tin về khu vực của mỡnh và gửi cỏc thụng tin này tới cỏc khu vực khỏc. Trong số cỏc khu vực bờn trong AS, cú một khu vực đặc biệt được gọi là đường trục; tất cả cỏc khu vực trong một AS phải được nối tới đường trục. Hay núi cỏch khỏc đường trục được coi như là khu vực sơ cấp cũn cỏc khu vực cũn lại đều được coi như là cỏc khu vực thứ cấp.
Cỏc router bờn trong khu vực đường trục được gọi là cỏc router đường trục, cỏc router
đường trục cũng cú thể là một router biờn khu vực. Nếu vỡ một lý do nào đú mà kết nối giữa một khu vực và đường trục bị hỏng thỡ người quản trị mạng phải tạo một liờn kết ảo (virtual link) giữa cỏc router để cho phộp đường trục tiếp tục hoạt động như một khu vực sơ cấp. OSPF là giao thức định tuyến trạng thỏi liờn kết, được thiết kế cho cỏc mạng lớn hoặc cỏc mạng liờn hợp và phức tạp. Cỏc giải thuật định tuyến trạng thỏi sử dụng cỏc giải thuật tỡm
đường ngắn nhất SPF (Shortest Path First) cựng với một cơ sở dữ liệu phức tạp về cấu hỡnh của mạng. Cơ sở dữ liệu cấu hỡnh mạng về cơ bản bao gồm tất cả dữ liệu về mạng cú liờn kết đến bộđịnh tuyến chứa cơ sở dữ liệu.
Giải thuật chọn đường ngắn nhất SPF là cơ sở cho hệ thống OSPF vằ nằm tại cỏc bộđịnh tuyến. Khi một bộđịnh tuyến sử dụng SPF được khởi động, bộđịnh tuyến sẽ khởi tạo cấu trỳc cơ sở dữ liệu của giao thức định tuyến và sau đú đợi chỉ bỏo từ cỏc giao thức tầng thấp hơn dưới dạng cỏc hàm. Bộđịnh tuyến sẽ sử dụng cỏc gúi tin OSPF Hello để thu nhận thụng tin về
cỏc bộđịnh tuyến lõn cận của mỡnh. Bộđịnh tuyến gửi gúi tin Hello đến cỏc lõn cận và nhận cỏc bản tin Hello từ cỏc bộ định tuyến lõn cận. Ngoài việc sử dụng gúi tin Hello để thu nhận
cỏc lõn cận, bản tin Hello cũn được sử dụng để xỏc nhận việc mỡnh vẫn đang hoạt động đến cỏc bộđịnh tuyến khỏc.
Mỗi bộ định tuyến định kỳ gửi cỏc gúi thụng bỏo về trạng thỏi liờn kết (LSA) để cung cấp