Chương 3 ĐỊNH TUYẾN VÀ CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN
3.1 Tổng quan về định tuyến
3.1.1 Mở đầu
Tạo tuyến truyền gói trong mạng chuyển mạch gói (packet switched network - PSN) là chức năng cơ bản của lớp mạng trong mô hình OSI, nó có nhiệm vụ dẫn gói tin đi qua mạng tới đích. Các thuật toán chọn tuyến sẽ phụ thuộc vào hình thái dịch vụ của người sử dụng, tức là chọn tuyến cho dữ liệu đồ DG (Datagram) hay cho mạch ảo VC (Virtual Circuit). Trong mạng DG, hai gói liên tiếp của cùng một cặp người sử dụng có thể đi qua các tuyến khác nhau, và thuật toán chọn tuyến sẽ được áp dụng cho từng gói đơn lẻ. Ngược lại, trong mạng VC phương án chon tuyến được thực hiện mỗi khi thiết lập kênh ảo. Tất cả các gói của một cặp người sử dụng chỉ được lần lượt chuyển đi theo một con đường dẫn duy nhất, do thuật toán này quyết định, trừ trường hợp xảy ra tắc nghẽn trên đường dẫn trong mạng hoặc phải chọn lại tuyến vì một lý do nào đó.
Thuật toán chọn tuyến là phần mềm lớp mạng có nhiệm vụ quyết định xem gói gửi tới (incomming packet) sẽ được chuyển ra theo đường dây ra (output line) nào. Chọn tuyến trên mạng thường bao gồm tổ hợp phức của nhiều thuật toán ít nhiều độc lập với với nhau nhưng cũng hỗ trợ cho nhau bằng cách trao đổi dịch vụ hoặc thông tin cho nhau. Sự phức hợp cũng do một số nguyên nhân: thứ nhất, việc chọn tuyến đòi hỏi định hướng giữa tất cả các trạm chuyển mạch trong mạng chứ không phải chỉ có quan hệ giữa một cặp modul như trường hợp của lớp liên kết dữ liệu (Data link) hay lớp vận tải (transport).Thứ hai, hệ thống chọn tuyến phải đối đầu với các sự cố của nút chuyển mạch và đường truyền dẫn, đôi khi đòi hỏi phải có sự chọn tuyến trong cùng một quá trình truyền tin và luôn phải thu thập thông tin mới nhất về các hoạt động của toàn mạng thông qua cơ sở dữ liệu. Thứ ba, để có được hoạt tính cao, thuật toán chọn tuyến truyền phải có khi phải thay đổi tuyến đã xác lập nhằm tránh những vùng tắc nghẽn mới xuất hiện trong mạng.
3.1.2 Chức năng
Vấn đề chọn tuyến truyền, tóm lại có hai nhiệm vụ cơ bản: thứ nhất là phải chọn tuyến sao cho đạt được hoạt tính cao, có nghĩa là phải chọn được đường dẫn có hiệu quả nhất, trong phần tiếp theo ta sẽ lần lượt xét một số thuật toán cho phép ta chọn tuyến truyền theo các yêu cầu nhất định; thứ hai là phải phổ cập thông tin liên quan đến chọn tuyến (bao gồm cả các sự cố của các nút mạng cũng như các đường truyền và tình hình khắc phục giữa chúng) tới tất cả các nút chuyển mạch trong mạng.
Trong việc chọn tuyến truyền gói, có hai thông số đánh giá định lượng dịch vụ cần phải quan tâm và đồng thời chúng cũng được dùng đánh giá tính khả hoạt của các thuật toán chọn tuyến là tính khả thông (Throughput) và trễ trung bình (Average Packet Delay).
Khi lượng tải tương đối nhỏ, mạng sẽ chấp nhận toàn bộ, có nghĩa là: Khi lượng tải vượt quá giới hạn nào đó, một phần tải bị từ chối bởi thuật toán điều khiển luồng và Khả thông = Tải đưa tới - Tải bị từ chối.
Lượng tin truyền trong mạng sẽ chịu trễ trung bình của gói truyền trên tuyến do thuật toán chọn tuyến quyết định. Bên cạnh dó, khả thông phụ thuộc một cách gián tiếp vào thuật toán chọn tuyến vì mô hình điều khiển luồng đặc trưng bao gì cũng xác lập, sự cân bằng giưa trễ và khả thông, nói cách khác, mô hình điều khiển luồng bắt đầu hạn chế lượng tải đưa vào khi trễ trung bình vượt quá giới hạn xác định. Như vậy nếu phép chọn tuyến đảm bảo cho trễ gói càng nhỏ thì phép đièu khiển luồng càng cho nhiêù gói truy nhập vào mạng và làm tăng khả thong khả thông của mạng. Mối tương quan giữa chúng có sự hồi tiếp.
Như vậy bài toán chọn tuyến có thể phát biểu dưới dạng như sau:
Đòi hỏi phải chọn được tuyến truyền trông phạm vi mạng sao cho nó đạt được khả thông cao nhất cùng với giá trị của trễ truyền gói trong trường hợp mạng có tải áp đặt lớn, và giảm trễ truyền gói trung bình trong trường hợp tải áp đặt nhỏ. Nói một cách ngắn gọn thì trong trường hợp nào thuật toán chọn tuyến cũng được yêu cầu làm giảm trễ trung bình của gói.
3.1.3 Phân loại
Thông thường phép chọn đường truyền gói trong mạng chuyển mạch gói đưa đến việc chọn tuyến truyền với giá thành tối thiểu (Least - cost Routing), trong đó giá thành là một thông số đánh giá của hệ thống, ví dụ như trễ truyền, thời gian xếp hàng, độ dài đường
truyền, tỉ lệ lỗi trên tuyến truyền... Tuy nhiên, ngoài giá thành, một số thông số khác cũng phải tính đến khi thiết lập đường truyền:
- Dung lượng của đường truyền
- Số lượng các gói đang chờ để đưa vào đường truyền - Phân bố tải trên mạng
- Các yêu cầu bảo mật đối với đường truyền - Kiểu truyền tải so với dạng của đường truyền
- Số lượng các đường nối trung gian giữa trạm truyền và trạm nhận - Khả năng ghép nối với trạm trung gian và cả trạm nhận cuối cùng
Dù cho thông số mạng có thay đổi theo tiêu chuẩn nào thì vẫn phải tính đến ba điều kiện:
+ Trễ trung bình gói (Delay) + Khả thông (Throughput) + Khả nối (Connectivity)
Như chúng ta đã nói trong phần chức năng, việc định tuyến truyền có hai nhiệm vụ cơ bản: thứ nhất là phải định tuyến sao cho đạt được hoạt tính cao, có nghĩa là phải chọn được đường dẫn có hiệu quả nhất; thứ hai là phải phổ cập thông tin liên quan đến chọn tuyến bao gồm cả các sự cố của các nút mạng cũng như các đường truyền và tình hình khắc phục giữa chúng, tới tất cả các nút chuyển mạch trong mạng. Tương ứng với hai công việc này đòi hỏi phải có hai loại kỹ thuật thực hiện riêng cho từng loại. Việc thực hiện nhiệm vụ thứ nhất chính là cách tính toán tìm đường dẫn mà ta hay gọi là thuật toán tìm tuyến truyền. Các lý thuyết giải thuật để tìm tuyến truyền thì có rất nhiều và rất đa dạng, nhưng kỹ thuật chuyển mạch gói quan tâm tới hai thể loại chính: chọn tuyến truyền phân nhánh (Bifurcated Routing) và chọn tuyến truyền ngắn nhất (Shortest-Path Routing). Kĩ thuật thứ nhất còn có tên là chọn tuyến nhiều đường dẫn gói (Multipath Routing), được thiết kế sao cho nó có thể tối thiểu hoá trễ trung bình của gói trên phạm vi toàn mạng. Kĩ thuật thứ hai, chọn tuyến ngắn nhất, chủ yếu quan tâm tới trễ người sử dụng và nó chọn ra đường dẫn có giá thành tối thiểu cho một cặp người sử dụng. Việc thực hiện nhiệm vụ cơ bản thứ hai của việc chọn đường do các thuật toán thu nhận và truyền thông tin chọn đường thực hiện. Mỗi giao thức chọn đường có những phương pháp khác nhau để lấy được thông tin chọn đường và truyền thông tin chọn đường. Nếu dựa vào việc các thông
tin chọn đường có thường xuyên được cập nhật hay không thì ta có thể phân thành hai loại: Thuật toán chọn đường thích nghi (Adaptive) và thuật toán chọn đường không thích nghi (Nonadaptive). Các thuật toán không thích nghi thì không quyết định đường truyền gói dựa trên cơ sở phép đo thông số truyền tải tức thời và topology của mạng. Các đường dẫn từ một nút i tới một nút j nào đó được tính toán trước và nạp vào mạng khi mạng khởi hoạt (Network Booting).Vì thế loại hình này đôi khi còn được gọi là chọn tuyến tĩnh (Static Routing). Ngược lại, các thuật toán chọn đường thích nghi sẽ cho phép thay đổi tuyến truyền gói dựa vào các thay đổi thông số truyền tải và cấu hình của mạng. Có ba nhóm thuật toán loại này:
- Chọn tuyến tập trung (Centralized Routing) gồm các thuật toán tổng thể sử dụng các thông tin thu thập được từ toàn bộ mạng để đưa ra các kết quả tối ưu.
- Chọn tuyến cách ly (Isolated Routing) có các thuật toán vận hành trên từng trạm riêng biệt và dựa vào thông tin nó thu thập được tại trạm này, ví dụ như độ dài của hàng,...
- Chọn tuyến phân bố (Distributed Routing) là tổ hợp của cả hai hình thức trên. Thực chất, các thuật toán hiện nay đang được sử dụng đều là các thuật toán thích nghi, chúng cũng chính là các thuật toán chọn tuyến truyền ngắn nhất đã trình bày ở trên. Sự đa dạng chỉ là do cách gọi khác nhau tạo nên. Trong phần sau, ta sẽ xét sơ lược thuật toán phân nhánh (đa đường dẫn), vì nó ít được sử dụng, phần còn lại chủ yếu tập trung vào các thuật toán chọn tuyến ngắn nhất.