2.3.1. Vai trũ và chức năng của tầng mạng
Tầng mạng (network layer) nhắm đến việc kết nối cỏc mạng với nhau bằng cỏch tỡm đường (routing) cho cỏc gúi tin từ một mạng này đến một mạng khỏc. Nú xỏc định việc chuyển hướng, vạch đường cỏc gúi tin trong mạng, cỏc gúi này cú thể phải đi qua nhiều chặng trước khi đến được đớch cuối cựng. Nú luụn tỡm cỏc tuyến truyền thụng khụng tắc nghẽn đểđưa cỏc gúi tin đến đớch.
Tầng mạng cung cấp cỏc phương tiện để truyền cỏc gúi tin qua mạng, thậm chớ qua một mạng của mạng (network of network). Bởi vậy nú cần phải đỏp ứng với nhiều kiểu mạng và nhiều kiểu dịch vụ cung cấp bởi cỏc mạng khỏc nhau. Hai chức năng chủ yếu của tầng mạng là chọn đường (routing) và chuyển tiếp (relaying). Tầng mạng là quan trọng nhất khi liờn kết hai loại mạng khỏc nhau như mạng Ethernet với mạng Token Ring khi đú phải dựng một bộ tỡm đường (quy định bởi tầng mạng) để chuyển cỏc gúi tin từ mạng này sang mạng khỏc và ngược lại.
Đối với một mạng chuyển mạch gúi (packet - switched network) - gồm tập hợp cỏc nỳt chuyển mạch gúi nối với nhau bởi cỏc liờn kết dữ liệu. Cỏc gúi dữ liệu được truyền từ một hệ thống mở tới một hệ thống mở khỏc trờn mạng phải được chuyển qua một chuỗi cỏc nỳt. Mỗi nỳt 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 nú phải thực hiện cỏc chức năng chọn đường và chuyển tiếp.
Ngoài 2 chức năng quan trọng núi trờn, tầng mạng cũng thực hiện một số chức năng khỏc, đú là: thiết lập, duy trỡ và giải phúng cỏc liờn kết logic (cho tầng mạng), kiểm soỏt lỗi, kiểm soỏt luồng dữ liệu, dồn/tỏch kờnh, cắt/hợp dữ liệu,..
2.3.2. Cỏc kỹ thuật chọn đường trong mạng mỏy tớnh
2.3.2.1. Tổng quan
Việc chọn đường là sự lựa chọn một con đường để truyền một đơn vị dữ liệu (một gúi tin chẳng hạn) từ trạm nguồn tới trạm đớch của nú. Một kỹ thuật chọn đường phải thực hiện hai chức năng chớnh sau đõy:
− Quyết định chọn đường tối ưu dựa trờn cỏc thụng tin đó cú về mạng tại thời điểm đú thụng qua những tiờu chuẩn tối ưu nhất định.
− Cập nhật cỏc thụng tin về mạng, tức là thụng tin dựng cho việc chọn đường, trờn mạng luụn cú sự thay đổi thường xuyờn nờn việc cập nhật là việc cần thiết.
Người ta cú hai phương thức đỏp ứng cho việc chọn đường là phương thức xử lý tập trung và xử lý tại chỗ.
− Phương thức chọn đường xử lý tập trung được đặc trưng bởi sự tồn tại của một (hoặc vài) trung tõm điều khiển mạng, chỳng thực hiện việc lập ra cỏc bảng đường đi tại từng thời điểm cho cỏc nỳt và sau đú gửi cỏc bảng chọn đường tới từng nỳt dọc theo con đường đó được chọn đú. Thụng tin tổng thể của mạng cần dựng cho việc chọn đường chỉ cần cập nhập và được cất giữ tại trung tõm điều khiển mạng.
− Phương thức chọn đường xử lý phõn tỏn được đặc trưng bởi việc chọn đường được thực hiện tại mỗi nỳt của mạng. Trong từng thời điểm, mỗi nỳt phải duy trỡ cỏc thụng tin của mạng và tự xõy dựng bảng chọn đường cho mỡnh. Như vậy cỏc thụng tin tổng thể của mạng cần dựng cho việc chọn đường cần cập nhập và được cất giữ tại mỗi nỳt.
Thụng thường cỏc thụng tin được đo lường và sử dụng cho việc chọn đường bao gồm:
− Trạng thỏi của đường truyền.
− Thời gian trễ khi truyền trờn mỗi đường dẫn.
− Mức độ lưu thụng trờn mỗi đường.
− Cỏc tài nguyờn khả dụng của mạng.
Khi cú sự thay đổi trờn mạng (vớ dụ thay đổi về cấu trỳc của mạng do sự cố tại một vài nỳt, phục hồi của một nỳt mạng, nối thờm một nỳt mới... hoặc thay đổi về mức độ lưu thụng) cỏc thụng tin trờn cần được cập nhật vào cỏc cơ sở dữ liệu về trạng thỏi của mạng. Hiện nay khi nhu cầu truyền thụng đa phương tiện (tớch hợp dữ liệu văn bản, đồ hoạ, hỡnh ảnh, õm thanh) ngày càng phỏt triển đũi hỏi cỏc cụng nghệ truyền dẫn tốc độ cao nờn việc phỏt triển cỏc hệ thống chọn đường tốc độ cao đang rất được quan tõm.
2.3.2.2. Cỏc giải thuật tỡm đường tối ưu
y Giải thuật Dijkstra cho kỹ thuật chọn đường tập trung.
Bài toỏn đặt ra là: tỡm đường đi cú “độ dài” (một đại lượng được dựng để làm thước đo, vớ dụđộ trễ, cước phớ truyền tin) cực tiểu, từ một nỳt (nguồn) cho trước đến mỗi nuỳt cũn lại của mạng (đớch). Ởđõy ta coi mạng như là một đồ thị cú hướng G(V,E), V là tập đỉnh với n đỉnh tương ứng với n nỳt mạng, E là tập cung của đồ thị. Ma trận trọng số là a[u,v], u,v ∈ V.
Thuật toỏn được xõy dựng dựa trờn cơ sở gỏn cho cỏc đỉnh cỏc nhón tạm thời. Nhón của mỗi đỉnh cho biết cận của độ dài đường đi ngắn nhất từ s đến nú. Cỏc nhón này sẽ được biến đổi theo một thủ tục lặp, mà ở mỗi bước lặp cú một nhón tạm thời trở thành nhón cốđịnh. Nếu nhón của một đỉnh nào đú trở thành một nhón cốđịnh thỡ nú sẽ cho ta khụng phải là cận trờn mà là độ dài của đường đi ngắn nhất từđỉnh s đến nú. Thuật toỏn được mụ tả cụ thể như sau.
Thớ dụ. Tỡm đường đi ngắn nhất từ C đến cỏc đỉnh cũn lại của đồ thịở hỡnh dưới đõy. A B C D E 1 4 6 5 3 1 4 3 7 2
Hỡnh 2.7. Minh họa thuật toỏn Dijkstra
Procedure Dijstra; (* Đầu vào:
Đồ thị cú hướng G=(V,E) với n đỉnh,
s ∈ V là đỉnh xuất phỏt, a[u,v], u,v ∈ V là ma trận trọng số; Giả thiết: a[u,v]≥0, u,v ∈ V.
Đầu ra:
Khoảng cỏch từđỉnh s đến tất cả cỏc đỉnh cũn lại d[v], v ∈ V.
Truoc[v], v ∈ V, ghi nhận đỉnh đi trước v trong đường đi ngắn nhất từ s
đến v *) Begin (* Khởi tạo *) for v ∈ V do begin d[v]:=a[s,v]; Truoc[v]:=s; end; d[s]:=0; T:=V\ {s} ; (* T là tập cỏc đỉnh cỏ nhón tạm thời *) (* Bước lặp *) while T <> θ do begin tỡm đỉnh u ∈T thoả món d[u]=min {d[z]: z ∈ T} ; T:=T\ {u} ; (* Cốđịnh nhón của đỉnh u*) For v ∈ T do If d[v]>d[u]+a[u,v] then Begin d[v]:=d[u]+a[u,v]; Truoc[v]:=u; End; end; End;
Từđú ta thiết kếđược “cõy chọn đường” và bảng chọn đường như cỏc hỡnh vẽ sau:
2.3.3. Tắc nghẽn trong mạng
Cỏc khỏi niệm
• Hiện tượng tắc nghẽn (congestion): lưu lượng đến mạng tăng lờn, thụng lượng vận chuyển của mạng lại giảm đi.
• Deadlock: tỡnh trạng tắc nghẽn trầm trọng đến mức mạng bị nghẹt hoàn toàn, thụng lượng vận chuyển của mạng tụt xuống bằng khụng.
• Nguyờn nhõn dẫn đến tắc nghẽn:
− Lưu lượng đi đến trờn nhiều lối vào đều cần cựng một đường đi ra.
− Tốc độ xử lý tại cỏc router chậm
− Cỏc đường truyền cú bandwidth thấp, dẫn đến hiện tượng thắt cổ chai. • Biểu hiện của tắc nghẽn: Thời gian khứ hồi (RTT) tăng cao bất thường • Cỏc biện phỏp khắc phục
– Cung cấp đủ bộđệm ởđầu vào và ra của cỏc đường truyền
Đớch Nỳt kế tiếp A A B B D D E E F E G E H A 1 4 5 3 3 7 2 C(0) D(4) E(3) F(10) G(5) H(8) A(5) B(1) Hỡnh 2.8. Lược đồ tắc nghẽn trong mạng
– Quản lý bộđệm hợp lý, cú thể loại bỏ sớm (RED)
– Hạn chế lưu lượng đến ngay ởđầu vào của toàn bộ hệ thống
– Điều khiển lưu lượng (thớ dụ dựng Sliding Window)
Vấn đề này sẽđược nghiờn sõu hơn trong chương 4 và chương 5.
2.3.4. Giao thức X25 PLP
Được CCITT cụng bố lần đầu tiờn vào 1970 lỳc lĩnh vực viễn thụng lần đầu tiờn tham gia vào thế giới truyền dữ liệu với cỏc đặc tớnh:
− X25 cung cấp quy trỡnh kiểm soỏt luồng giữa cỏc đầu cuối đem lại chất lương đường truyền cao cho dự chất lương đương dõy truyền khụng cao.
− X25 được thiết kế cho cả truyền thụng chuyển mạch lẫn truyền thụng kiểu điễm nối điểm.
− Được quan tõm và tham gia nhanh chúng trờn toàn cầu.
Trong X25 cú chức năng dồn kờnh (multiplexing) đối với liờn kết logic (virtual circuits) chỉ làm nhiệm vụ kiểm soỏt lỗi cho cỏc frame đi qua. Điều này làm tăng độ phức tạp trong việc phối hợp cỏc thủ tục giữa hai tầng kề nhau, dẫn đến thụng lượng bị hạn chế do tổng phớ xử lý mỗi gúi tin tăng lờn. X25 kiểm tra lỗi tại mỗi nỳt trước khi truyền tiếp, điều này làm cho đường truyền cú chất lượng rất cao gần như phi lỗi. Tuy nhiờn do vậy khối lượng tớch toỏn tại mỗi nỳt khỏ lớn, đối với những đường truyền của những năm 1970 thỡ điều đú là cần thiết nhưng hiện nay khi kỹ thuật truyền dẫn đó đạt được những tiến bộ rất cao thỡ việc đú trở nờn lóng phớ.
• Đặc điểm:
− Là mạng truyền dữ liệu cụng cộng đầu tiờn.
− Vận chuyển dữ liệu hướng kết nối
− Để sử dụng X.25, mỏy tớnh đầu tiờn phải thiết lập kết nối tới một mỏy tớnh ở xa, nghĩa là phải thiết lập một cuộc gọi (telephone call)
− Kết nối này được gỏn 1 connection number để sử dụng cho cỏc gúi (packet) số liệu vận chuyển:
+ Nhiều kết nối cú thểđược sử dụng đồng thời giữa 2 mỏy tớnh. + Kết nối trong X.25 là kết nối ảo (Virtual Circuit)
• Nguyờn tắc hoạt động
− X.25 là một dịch vụ truyền thụng mỏy tớnh cụng cộng, dựa trờn hệ thống viễn thụng diện rộng (PSTN).
− X.25 được CCITT và sau này là ITU chuẩn hoỏ (1976).
− X.25 chỉđặc tả giao diện giữa DTE và DCE:
+ DCE (Data Circuit-terminating Equipment) - thiết bị mạch đầu cuối dữ liệu, hay là thiết bị kết nối mạng.
− X.25 khụng quy định cụ thể kiến trỳc và tổ chức hoạt động nội bộ của mạng.
− Tổ chức và thực hiện hệ thống mạng để cung cấp dịch vụ X.25 tại giao diện với NSD là nhiệm vụ của nhà cung cấp dịch vụ X.25 - thường là nhà cung cấp dịch vụ viễn thụng cụng cộng.
y Cỏc giao thức chuẩn: X.25 qui định sử dụng cỏc giao thức chuẩn ở cỏc mức như sau: • Mức vật lý:
– X.21 cho truyền số liệu số (Digital) giữa DTE và DCE
– X.21 bis cho truyền số liệu tương tự (Analog) giữa DTE và DCE • Mức liờn kết:
– LAPB (Link Access Protocol Balanced), là một phần của HDLC, để trao đổi số liệu tin cậy giữa DTE và DCE
• Mức mạng:
– PLP (Packet Level Protocol): giao thức chuyển mạch gúi + hướng kết nối, cỏc subscriber sử dụng để thiết lập VC và truyền thụng với nhau.
– là giao thức được đặc tả mới trong X.25
• Ba mức trờn tương ứng với 3 mức thấp nhất của mụ hỡnh ISO/OSI
Cỏc đặc điểm quan trọng nhất của X.25:
– Cỏc gúi tin điều khiển cuộc gọi, được dựng để thiết lập và huỷ bỏ cỏc kờnh ảo, được gửi trờn cựng kờnh và mạch ảo như cỏc gúi in dữ liệu.
– Việc dồn kờnh của cỏc kờnh ảo xảy ra ở tầng 3
– Cả tầng 2 và tầng 3 đều ỏp dụng cơ chếđiều khiển lưu lượng và kiểm soỏt lỗi. – X.25 được sử dụng rộng rói trong khoảng 10 năm.
– Khoảng 1980s, X.25 được thay thế bởi một mạng mới – Frame Relay.
2.3.5. Cụng nghệ chuyển mạch nhanh
2.3.5.1. Mạng chuyển mạch khung – Frame Relay (FR)
Mỗi gúi tin trong mạng gọi là Frame, do vậy mạng gọi là Frame relay. Đặc điểm khỏc biệt giữa mạng Frame Relay và mạng X25 mạng Frame Relay là chỉ kiểm tra lỗi tại hai trạm gửi và trạm nhận cũn trong quỏ trỡnh chuyển vận qua cỏc nỳt trung gian gúi tin sẽ khụng được kiểm lỗi nữa. Do vậy thời gian xử lý trờn mỗi nỳt nhanh hơn, tuy nhiờn khi cú lỗi thỡ gúi tin phải được phỏt lại từ trạm đầu. Với độ an toàn cao của đường truyền hiện nay thỡ chi phớ việc phỏt lại đú chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ nếu so với khối lượng tớnh toỏn được giảm đi tại cỏc nỳt nờn mạng Frame Relay tiết kiệm được tài nguyờn của mạng hơn so với mạng X25.
Frame relay khụng chỉ là một kỹ thuật mà cũn là thể hiện một phương phỏp tổ chức mới. Với nguyờn lý là truyền mạch gúi nhưng cỏc thao tỏc kiểm soỏt giữa cỏc đầu cuối giảm đỏng kể Kỹ thuật Frame Relay cho phộp thụng luợng tối đa đạt tới 2Mbps và hiện nay nú đang cung cấp cỏc giải phỏp để tương nối cỏc mạng cục bộ LAN trong một kiến trỳc xương sống tạo nờn mụi trường cho ứng dụng multimedia.
Khỏc nhau căn bản giữa FR và X.25:
− Tớn hiệu điều khiển cuộc gọi được vận chuyển trờn một kết nối logic riờng; vỡ vậy, cỏc node trung gian khụng cần phải duy trỡ cỏc bảng trạng thỏi và xử lý cỏc message này cho từng kết nối.
− Multiplexing và switching đối với cỏc kết nối logic được thực hiện ở layer 2 (chứ khụng phải layer 3), do đú loại bỏđược chi phớ xử lý ở 1 layer.
− Điều khiển lưu lượng và kiểm soỏt lỗi: Khụng ỏp dụng cỏc cơ chế điều khiển theo chặng. FR cũng khụng cung cấp cỏc cơ chế điều khiển End-to-end, nhiệm vụ này cỏc tầng trờn phải giải quyết
Ưu điểm của FR với X.25:
− Làm cho quỏ trỡnh truyền thụng hợp lý hơn
− Chức năng giao thức tại giao diện user-network được giảm bớt
− Chi phớ xử lý bờn trong mạng cũng giảm ặ Lower delay & Higher throughput (cỡ 1 bậc)
− Ứng dụng quan trọng nhất của Frame Relay: kết nối cỏc mạng LAN ở cỏc văn phũng của một cụng ty.
− Frame Relay đạt được mức độ thành cụng vừa phải, hiện vẫn đang được sử dụng.
Túm tắt cỏc đặc trưng cụng nghệ:
− FR thực hiện cỏc chức năng cơ bản của mức Data link: tạo và xử lý frame, địa chỉ hoỏ, quản lý cỏc kờnh ảo.
− Sử dụng kỹ thuật dồn/tỏch kờnh khụng đồng bộở mức Data link: ặ Sử dụng hiệu quả hơn đường truyền. Tốc độ trao đổi số liệu: 56 Kbps – 2,048 Mbps.
− Thiết lập và giải phúng kờnh theo giao thức bỏo hiệu chuẩn Q.931 của mạng ISDN.
− Khụng cú chức năng xử lý giao thức ở mức mạng.
− No Link-by-link Flow Control and Error Control; Cỏc ES kiểm tra phỏt hiện lỗi và khắc phục (end-to-end).
− Hệ chuyển mạch ở giao diện giữa mạng và hệ thống cuối kiểm tra CRC và khụng forward cỏc frame bị lỗi.
− Giao diện quản trị nội tại LMI (Local Management Interface) của FR hỗ trợ việc quản trị trao đổi số liệu trờn cỏc kờnh ảo trong mạng.
2.3.5.2. Kỹ thuật ATM
Hiện nay kỹ thuật Cell Relay dựa trờn phương thức truyền thụng khụng đồng bộ (ATM) cú thể cho phộp thụng lượng hàng trăm Mbps. Đơn vị dữ liệu dựng trong ATM được gọi là tế bào (cell). Cỏc tế bào trong ATM cú độ dài cốđịnh là 53 bytes, trong đú 5 bytes dành cho phần chứa thụng tin điều khiển (cell header) và 48 bytes chứa dữ liệu của tầng trờn.
Trong kỹ thuật ATM, cỏc tế bào chứa cỏc kiểu dữ liệu khỏc nhau được ghộp kờnh tới một đường dẫn chung được gọi là đường dẫn ảo (virtual path). Trong đường dẫn ảo đú cú thể gồm nhiều kờnh ảo (virtual channel) khỏc nhau, mỗi kờnh ảo được sử dụng bởi một ứng dung nào đú tại một thời điểm.
ATM đó kết hợp những đặc tớnh tốt nhất của dạng chuyển mạch liờn tục và dạng chuyển mạch gúi, nú cú thể kết hợp dải thụng linh hoạt và khả năng chuyển tiếp cao tốc và cú khả năng quản lý đồng thời dữ liệu số, tiếng núi, hỡnh ảnh và multimedia tương tỏc. Mục tiờu của kỹ thuật ATM là nhằm cung cấp một mạng dồn kờnh, và chuyển mạch tốc độ cao, độ trễ nhỏ dỏp ứng cho cỏc dạng truyền thụng đa phương tiện (multimecdia)
Chuyển mạch cell cần thiết cho việc cung cấp cỏc kết nối đũi hỏi băng thụng cao, tỡnh trạng tắt nghẽn thấp, hỗ trợ cho lớp dịch vụ tớch hợp lưu thụng dữ liệu õm thanh hỡnh ảnh. Đặc tớnh tốc độ cao là đặc tớnh nổi bật nhất của ATM.
ATM sử dụng cơ cấu chuyển mạch đặc biệt: ma trận nhị phõn cỏc phần tử chuyển mạch (a matrix of binary switching elements) để vận hành lưu thụng. Khả năng mở rộng (scalability) là một đặc tớnh của cơ cấu chuyển mạch ATM. Đặc tớnh này tương phản trực