2.1.1 Cấu trúc router
Mục đích của Router là để chuyển các gĩi tin IP trong mạng tuỳ theo địa chỉ IP trong phần tiêu đề của gĩi. Đây cũng là yêu cầu cung cấp các tính năng để các router định tuyến và truyền các gĩi tốt hơn.
Cấu trúc router gồm các khối chung:
• Giao diện ghép kênh.
• Bộ chuyển gĩi
• Bộ quản lý
Hình 2.1: Cấu trúc chung của Router trong mạng best effort
Các giao diện đầu vào chấp nhận các gĩi đến từ các router khác và (trên cơ sở địa chỉđích IP) sẽ hướng các gĩi tới hop tiếp theo qua giao diện đầu ra. Khi các router nhận thấy cĩ dấu hiệu tắc nghẽn trong mạng thì các gĩi cĩ thể bị loại bỏ hoặc đánh dấu trong nĩ. Việc lựa chọn đầu ra phản hồi tắc nghẽn của bộ chuyển gĩi được điều khiển bởi khối quản lý. Các router này chỉ cĩ một bộ CPU trung tâm đơn xử lý tồn bộ việc quản lý và chức năng hướng các gĩi. Các router bây giờ hướng đến kiến trúc phân tán nhằm loại bỏ hoặc hạn chế tắc nghẽn nút cổ chai.
Khi QoS càng ngày càng trở nên quan trọng thì quá trình xử lý chuyển gĩi được thiết kế lại.
Hình 2.2: Tiến trình xảy ra trong bộ chuyển gĩi
Local statistics, masseges from other Router Local updates massegé to other Router Management Engine Forwarding Engine Local statistics, masseges from other Router Local updates massegé to other Router Management Engine Forwarding Engine In put Out put In put Output IP header IP payload Sw itc h- fa br ic Classification Queue Schedula Policing, Marking Forwarding table Jjjjjj FIB FIB In put Out put FIB
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2: Cấu trúc CQS trong Router
Nhìn chung một gĩi được chuyển qua 3 tầng:
• Tầng phân loại và bảng FIB
• Quá trình bắt giữ và đánh dấu
• Hàng đợi và lập lịch.
Tầng phân loại thiết lập ngữ cảnh cho các gĩi lần lượt đến xử lý bởi các router. Hầu hết các ngữ cảnh này dùng để thiết lập các đặc tính xử lý theo thời gian như: bắt giữ, hàng đợi, đánh dấu, lập lịch, một số ngữ cảnh dùng để chỉnh sửa các yêu cầu truyền gĩi.
Để giải quyết tắc nghẽn ta cĩ thể sử dụng kiến trúc CQS tại tất các điểm tắc nghẽn thậm chí bên trong mạng hay bên trong router. Tất nhiên tại mỗi router cũng cĩ thể xảy ra tắc nghẽn bên trong do đĩ nĩ cũng được cung cấp các hàng đợi và lập lịch khác nhau tại các điểm.
2.1.2 Chức năng của router
Do router cĩ nhiệm vụđinh tuyến và truyền các gĩi tin trong mạng sao cho đảm bảo nhất nên các router cĩ hỗ trợ các chức năng sau:
• Làm giao diện của mạng(bao gồm cả phân mảnh nếu cần thiết)
• Chuyển gĩi tới các router kế tiếp tuỳ theo thơng tin trong bản định tuyến.
• Tạo bảng đinh tuyến và thường xuyên cập nhật nĩ.
• Xử lý giao thức Internet.
• Điều khiển tắc nghẽn và điều khiển cấp phép.
• Bảo mật mạng và điều khiển truy nhập.
• Lắp đặt các cấu hình và điều hành và quản trị mạng.
a. Giao diện mạng
• Chức năng làm việc liên mạng và giao diện mạng cho các loại dịch vụ khác nhau (ví dụ: làm giao diện lớp vật lý và lớp liên kết dữ liệu giữa LAN và WAN)
• Biên dịch địa chỉ khi cần thiết
• Phân mảnh hoặc tập hợp các gĩi khi cần thiết
• Hỗ trợ các giao thức PPP(point-point protocol)
b. Định hướng các gĩi theo bảng định tuyến
Một router luơn hỗ trợ khả năng định tuyến và truyền các gĩi
• Cĩ khả năng định tuyến các gĩi tin tới đích cuối cùng dựa trên các địa chỉ router đích đã được chỉ thị trong phần header gĩi tin.
• Tạo và duy trì bản định tuyến cho mục đích truyền gĩi tới chặng kế tiếp.
• Bảng đinh tuyến thừa nhận tất cả các địa chỉ Broadcast (255.255.255.255), địa chỉ multicast, unicast, và các tuyến mặc định cho các khả năng cĩ thể xảy ra của địa chỉ. Địa chỉ defaul thường được mặc đinh bởi giá trị 0.0.0.0.
• Địa chỉ đích được so sánh với các thực thể trong bảng định tuyến. Bảng định tuyến sẽ tìm ra node kế tiếp để truyền gĩi ngắn nhất.
c. Duy trì và cập nhật bảng định tuyến
• Các thực thể trong bảng định tuyến của router được xây dựng trên cơ sở định tuyến tĩnh (được cập nhật bằng nhân cơng) hoặc định tuyến động (được cập nhận tựđộng bằng các giao thức định tuyến)
• Trong trường hợp định tuyến động, cấu hình mạng được thay đổi. Cĩ thể loại bỏ hoặc thêm vào các địa chỉ mới được điều hành bằng giao thức định tuyến (ví dụ: địa chỉ của mạng con hoặc thiết bịđược thêm vào hoặc loại bỏ từ mạng nội hạt)
• Thơng thường các router phải hỗ trợ được ít nhất một giao thức cổng bên trong (IGP)cho việc định tuyến thay đổi giữa các router trong các mạng khác nhau kế cận. Các IGP hay sử dụng là: RIP(Routing Information Protocol), OSPF(Open Shortest Path First)
• Các router tại các đường biên trao đổi thơng tin với các mạng khác qua các cổng bên ngồi (EGP), thường sử dụng giao thức BGP4
• Router hỗ trợ định tuyến động sử dụng các trọng số định tuyến, thuật tốn định tuyến, chính sách định tuyến để phân tích các thơng tin nhận được và quyết đinh xem tuyến kế tiếp nào được chuyển gĩi đến. Địa chỉ IP hoặc giải địa chỉ IP trong bảng định tuyến thường xuyên được cập nhật.
d. Hỗ trợ giao thức Internet và các giao thức khác
• Tất cả các router đều hỗ trợ các giao thức IP và ICMP(Internet Control Message Protocol). IP cho phép xử lý và định hướng các gĩi tin, ICMP thực hiện điều khiển truyền tin.
• Mỗi gĩi tin nhận được phải được kiểm tra lại. Dãy checksum trong phần tiêu đề gĩi tin được kiểm tra đầu tiên sau đĩ tới các trường cịn lại trong phần tiêu đề. Các gĩi cĩ thời gian truyền vượt quá thời gian truyền cho phép hay cĩ địa chỉ IP đích khơng đúng sẽ bị loại bỏ, thơng báo bởi các gĩi ICMP được truyền về nguồn.
• Các router nguồn hay các host nguồn nên tìm ra các khối truyền dẫn theo
đường truyền lớn nhất (PMTU-Path Maximum Transmission Unit). Bằng cách này cĩ thể gửi các gĩi cĩ kích thước < kích thước của PMTU.
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2: Cấu trúc CQS trong Router
• Trong trường hợp định tuyến nguồn địa chỉ IP đích xuất hiện trong tiêu đề trong tiêu đề của gĩi tin khơng phải là địa chỉđích cuối cùng của gĩi thì lúc này các hop tiếp theo được chỉ định bởi router trên cơ sởđịa chỉ đích được chỉđịnh.
• Nhìn chung các giao thức lớp truyền tải khơng cần hỗ trợ bởi các router trung gian ngoại trừ trường hợp yêu cấu cĩ quản lý mạng bên trong.
• Các router Multicast, unicast phải hỗ trợ IGMP cho việc cập nhật danh sách địa chỉ multicast.
e. Điều khiển cấp phép và điều khiển tắc nghẽn
Cĩ một số router cĩ chức năng điều khiển cấp phép cho mạng bằng việc giới hạn số lưu lượng dữ liệu được phép vào mạng. Hành động này sẽ giảm tối đa tắc nghẽn trong mạng.
• Một số router thực hiện điều khiển tắc nghẽn bằng việc sử dụng cơ chế truyền ưu tiên dựa vào các trường TOS, DS, IP precedence trong phần tiêu đề gĩi tin. Đây cũng là chức năng của cấu trúc CQS.
• Cĩ router hỗ trợ giao thức RSVP (giao thức đặt trước tài nguyên) tại thời điểm mà host yêu cầu kết nối được thiết lập hoặc ấn định băng thơng sử dụng (trong các ứng dụng thời gian thực)
• Router cĩ thiết lập cơ chế CQS
f. Bảo mật và điều khiển truy cập trong router
• Hầu hết các router cung cấp chức năng điều khiển truy cập dựa trên quá trình lọc gĩi và danh sách điều khiển truy cập (ACL-Acess Control List). Một bộ lọc hoặc danh sách điều khiển truy cập sẽ kiểm tra địa chỉ IP nguồn, và chỉ cĩ các gĩi tin được định hướng từ các nguồn đĩ mới được truyền tới đích. Điều nàycung cấp tính bảo mật cho gĩi tin.
• Các router khơng trong suốt cĩ thể biên dịch địa chỉ mạng nhờ NAT (Net Address Translation). Các router biên dịch địa chỉ mạng Internet cơng cộng thành địa chỉ mạng riêng.
• Một số loại router hoạt động như các Proxy. Một proxy hoạt động như mọt cổng giao tiếp giữa các host bên ngồi với các client hoặc server bên trong mạng. Các host bên ngồi khơng thể truyền trực tiếp gĩi tin từ ngồi tới các server hay client bên trong được mà phải đướcự cho phép của các Proxy. Một proxy biên dịch các yêu cầu của giao thức lớp cao hơn của host bên ngồi và quyết định yêu cầu nào sẽđược xử lý và yêu cầu nào khơng được chấp nhận. Sau đĩ proxy sẽ chuyển các yêu cầu này tới các client và server thực sự.
• Cĩ router tích hợp cả chức năng bảo mật bằng tường lửa.
g. Lắp đặt cấu hình, quản trị mạng và giám sát
• Các router được cấu tạo để cĩ thểđiều chỉnh trạng thái của mạng.
• Trạng thái mạng thường được báo cáo tới các trạm điều khiển quản lý mạng
từ xa bằng các thực thể quản lý: MIB và SNMP (Simple Net Management
Protocol)
• Sử dụng BOOTP (Boot strap Protocol) hoặc TFTP (Trivial File Transfer Protocol) để tải các file cấu hình và thiết lập mạng.
• Các router thường được sử dụng như các server địa chỉ, phân phối cho các thiết bị host khi chúng sử dụng giao thức BOOTP, DHCP
2.2 Cấu trúc CQS
Cấu tạo của các router kiểu cũ khơng cịn phù hợp với sự phát triển của mạng, nĩ khơng cho phép giải quyết được tắc nghẽn, hoạt động khơng hiệu quả khi luồng lưu lượng trong mạng quá lớn và cĩ tốc độ khơng cốđịnh. Do đĩ một cấu trúc router mới được đưa vào sử dụng, đĩ là router cĩ tích hợp cấu trúc CQS.
Kiến trúc này được lắp đặt trong mỗi router cho phép đảm bảo QoS trong mạng, thoả mãn các yêu cầu của mạng và người sử dụng các luồng thuộc các lớp dịch vụ khác nhau.
Hình 2.3: Kiến trúc CQS trong router
2.2.1 Phân loại (Classification)
Việc truyền trên mạng Internet ngày nay ngày càng phức tạp, do nĩ phải truyển tải quá nhiều loại lưu lượng với các đặc tính khác nhau, yêu cầu các cách thức truyền tải khác nhau. Việc truyền tải lưu lượng,điều khiển truy nhập, và các dịch vụ khác nhau địi hỏi cĩ sự phân biệt các gĩi dựa trên cơ sở đa trường trong tiêu đề của mỗi gĩi, được gọi là phân loại gĩi tin. Mạng sẽđặt ra các mức ưu tiên cho các gĩi, dựa vào mức ưu tiên này để điều khiển mạng khi cĩ tắc nghẽn xảy ra. Gĩi nào cĩ độ ưu tiên cao hơn sẽ được ưu tiên truyền trước, các gĩi cĩ độ ưu tiên thấp hơn cĩ thể bị loại bỏ khi cĩ tắc nghẽn xảy ra. Schedule port m Queue Queue Queue Queue Cl assify Port 1 Port n
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2: Cấu trúc CQS trong Router
Cơ chế phân loại các gĩi của một router cĩ ảnh hưởng trực tiếp tới việc phân chia các loại lớp dịch vụ của lưu lượng IP. Trên thực tế thì ngữ cảnh các gĩi phụ thuộc vào bản thân thơng tin chứa trong các gĩi đồng thời thơng tin cấu hình được gửi từ giao diện đến của nĩ.
Việc phân loại gĩi tin cũng là hình thức của cơ chế truyền gĩi dựa theo các mức ưu tiên. Để phân loại lớp các dịch vụ chủ yếu dựa vào thơng tin bên trong phần header của gĩi. Nếu thiết lập a bit trong phần header của gĩi để làm bit phân loại thì ta sẽ phân loại được 2ª gĩi. Các thơng tin phân loại được dặt trong trường TOS của IPv4, TC của IPv6, và trường DS.
Việc phân loại gĩi tin cĩ hiệu lực do được hỗ trợ bởi một số tính năng khác của các dịch vụ mạng Internet: điều khiển truy cập, phân biệt dịch vụ, cân bằng tải, định dạng lưu lượng…Mỗi dịch vụ yêu cầu các thiết bị Internet phải phân loại các gĩi vào trong các luồng khác nhau và thực hiện các hành động phù hợp với các gĩi trong các luồng đĩ. Các luồng này được chỉđịnh bởi một bộ phân loại chứa tập hợp các luật lệ.
Việc phân loại các gĩi tin dựa vào các nhãn QoS trong phần tiêu đề của gĩi tin. Các trường này đi kèm theo các giao thức:
• Trường TOS (trong phần Header của gĩi tin Ipv4)
• Trường Precedence (trong phần header của Ipv4)
• Trường T (throughput), D (delay), R (reliability) (trong IPv4)
• DS (trong different service)
• TC-traffic class (trong Ipv6)
• Flow label (trong IPv6 và MPLS)
• User priority field (định nghĩa bởi IEEE 802-1p trong việc ưu tiên dữ liệu
giữa các cầu LAN ảo và VLAN)
2.2.1.1 Trường TOS (IPv4), TC (IPv6)
Các gĩi IPv4 luơn chứa 1 octet TOS cho phép phân loại gĩi từng chặng
Hình 2.4 : Trường TOS của IPv4
3 bit Precedence: thực hiện quyền đến trước của gĩi.
3 bit 4 bit 1 bit Precedence T D R 0 0
4 bit TOS : mơ tả loại dịch vụ truyền hoặc định tuyến. 1000 : Trễ tối thiểu 0100 : Lưu lượng tối đa 0010 : Độ tin cậy tối đa 0001 : Giá trị tối thiểu 0000 : Dịch vụ bình thường
Trường precedence tận dụng 3 bit precedence trong trường TOS của phần tiêu đề của IPv4 để phân biệt lớp dịch vụ cho mỗi gĩi. Ta cĩ thể phân chia lưu lượng thành 6 lớp dựa vào 3 bit trên (2 lớp được sử dụng cho các mạng nội hạt). 3 bít này tạo thành 8 mức ưu tiên từ 0 đến 7 cho các gĩi IP (hai mức 6 và 7 được dùng để dự trũ và khơng bị thiết lập bởi nhà quản trị mạng). Việc phân loại dựa trên trường Precedence phụ thuộc vào độ ưu tiên về mặt thời gian giữa 8 mức của quyền đến trước. Lưu lượng được chỉđịnh cĩ thểđược đánh dấu bằng cách thiết lập trường này, do đĩ nĩ chỉ được phân loại chỉ 1 lần cho mỗi luồng lưu lượng.
Bảng 2.1: Trường IP precedence định nghĩa độưu tiên cho tiến trình xử lý và truyền gĩi tin
IP precedence Meaning 7 (111) 6 (110) 5 (101) 4 (100) 3 (011) 2 (010) 1 (001) 0 (000) Network control Internet control CRITIC/ECP(critical exception) Flash override Flash Immediate Priority Routine
Mức độưu tiên cao nhất là 7 được dùng cho các gĩi điều khiển mạng, do đĩ các gĩi liên qua tới thiết lập cấu hình mạng và điều khiển mạng cĩ độ ưu tiên cao khi cĩ tắc nghẽn xảy ra. Các gĩi cĩ độ ưu tiên thấp nhất là các gĩi “Routine”. Ít được quan tâm hơn là các gĩi cĩ độưu tiên được định nghĩa bởi các bit trong trường T, D, R.
4 bit của trường TOS được xem như khố phân loại để tra cứu FIB theo yêu cầu vềđộ trễ, băng thơng, độ tin cậy, giá(cost) của các gĩi được định tuyến dọc theo tuyến. 11 trường hợp cịn lại khơng được định nghĩa.
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2: Cấu trúc CQS trong Router
Bảng 2.2: Ý nghĩa các bit trong trường D, T, R
TOS bit Meaning Bit 0 Bit 1
D bit(TOS bit 3) T bit(TOS bit 4) R bit(TOS bit 5) TOS bit 6 TOS bit 7 Delay Throughput Realibility Unused Unused Normal delay Normal throughput Normal realibility Set bit 0 Set bit 0 Low delay High throughput High realibility Not use Not use Tương tự với trường TC trong IPv6 cũng được dùng để phân loại.
2.2.1.2 Trường DS (Diffirentiated field)
Trường TOS chỉ dành cho xử lý các loại lưu lượng tiêu biểu, và nĩ chỉ giành 50% bit cĩ mặt cho quá trình định tuyến trên cơ sở QoS.
DSCP (6 bit) CU(1 bit)
Hình 2.5: Các bit trong trường DS của tiêu đề gĩi tin
DSCP (differentiated services code point): cho phép phân loại 64 luồng.
CU (Currently unused)
Mỗi luồng lưu lượng cĩ các trạng thái đặc trưng, các đặc tính để phân biệt các luồng lưu lượng được gọi là tập hợp cách cư xử của luồng (BA-behavior aggregate). Phân tích các DSCP giúp cho các router của các dịch vụ phân biệt nhận biết các gĩi để gửi các nhĩm PHB tương đương với nĩ.
PHB là tài nguyên mạng được ấn định cho các luồng lưu lượng khác nhau.
Bảng 2.3: Các DSCP và PHB Loại PHB 3 bít đầu tiên của DSCP 2 bít sau của DSCP Hoạt động của PHB Default PHB Assured forwarding PHB Expected forwarding (EF)PHB
Net control traffic
000 001 class 1 010 class 2 011 class 3 100 class 4 101 11x 000
010LDP(low drop priority) 100MDP(medium drop priority) 110HDP(high drop priority) 110 xxx RFC 1812 RFC 2597 RFC 2598 Highest Pr
• Default PHB (DSCP=000000) được định nghĩa bởi RFC 1812
• Assured forwarding được thiết kế đặc biệt nhằm mục đích cho phép nhà cung cấp dịch vụ Internet ISP cĩ thể phân chia khách hàng ra thành nhiều lớp dịch vụ khác nhau. Đối với mỗi lớp dịch vụ khác nhau sẽđược ấn định