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:
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 Giới thiệu chuyển mạch thẻ
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 Kiến trúc của chuyển mạch thẻ
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
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 gói và thông tin lưu trữ trong các thiết bị chuyển mạch để thực hiện quá trình chuyển tiếp gói. Mặc dù mỗi thẻ đảm nhận các thể hiện khác nhau tuỳ thuộc vào phương tiện vật lý (ví dụ VPI/VCI, DLCI,...) nhưng cơ chế chuyển tiếp cơ bản là không thay đổi. Do dó chuyển mạch thẻ có thể hoạt động trên bất kỳ một kỹ thuật liên kết dữ liệu nào.
4.3 Các thành phần
Chuyển mạch thẻ bao gồm các chức năng, thành phần và thiết bị sau:
a) Thành phần điều khiển: Thành phần điều khiển chịu trách nhiệm
tạo ra và quản lý một bộ các thẻ tại các thiết bị TSR. Việc tạo ra một thẻ liên quan đến việc cấp phát và gán cho một đích cụ thể. Đích này có thể là một địa chỉ máy chủ mạng, địa chỉ mạng, địa chỉ nhóm đa hướng hoặc chỉ là các thông tin lớp mạng. Việc phân phối các thẻ được thực hiện bởi TDP hoặc sử dụng trên các giao thức đã tồn tại trước.
b) Thành phần chuyển tiếp: Thành phần chuyển tiếp dùng thẻ chứa
trong một gói tin và thông tin lấy từ bảng thông tin thẻ (TIB) của từng thiết bị TSR để chuyền tiếp gói tin. Đặc biệt khi một gói chứa thẻ thu được từ TSR, thẻ này được dùng làm khoá để xác định một thực thể thích hợp trong bảng TIB. Một thực thể trong TIB bao gồm một thẻ đầu vào, một cho đầu ra và các thông tin về liên kết hoặc đóng gói dữ liệu. Khi có yêu cầu chuyển mạch ứng với một thực thể trong bảng TIB thì thẻ đầu vào cùng với các thông tin liên kết khác được trao đổi với thẻ đầu ra và gói tin với thẻ mới tiếp tục được chuyển đi trên đường truyền. Hoạt động chuyển tiếp được minh hoạ như hình sau:
Hình 4.2: Chuyển tiếp chuyển mạch thẻ
c) Chuyển mạch thẻ: Bao gồm kiến trúc, các giao thức và các thủ tục
để gán các thông tin lớp mạng vào các thẻ và chuyển tiếp gói sử dụng cơ cấu trao đổi thẻ.
d) Bộ định tuyến chuyển mạch thẻ (Tag Switching Router-TSR): Là
thiết bị chuyển mạch chạy các giao thức định tuyến đơn hướng và đa hướng, có khả năng chuyển tiếp gói tin ở lớp 3, cũng như có cấu tạo phần cứng và phần mềm hỗ trợ cơ chế tráo thẻ lớp 2. Một TSR có thể phân phối các thẻ liên kết với các luồng lưu lượng của các TSR lân cận và các TSR được kết nối. TSR có thể là các bộ định tuyến truyền thống, chuyển mạch ATM, hoặc các thiết bị định tuyến/chuyển mạch.
e) Bộ định tuyến biên chuyển mạch thẻ (TER:Tag Edge Router): Là
một TSR đặt tại vị trí vào hoặc ra mạng. TER có thể chuyển tiếp gói tin ở lớp 3, chạy các giao thức định tuyến đơn hướng, đa hướng chuẩn. Khi một gói tin lớp 3 đến bộ định tuyến biên vào, TER có nhiệm vụ gán thẻ cho gói tin đó bằng cách đọc thông tin trong tiêu để của gói tin và so sánh với bảng TIB. Từ đây, gói tin được truyền đi dựa vào nội dung của thẻ vừa gán trên đường chuyển mạch lớp 2. Tại đầu ra mạng, TER có nhiệm vụ loại bỏ thẻ đó và tiếp tục chuyển tiếp gói tin đến chặng tiếp theo trên đường đến đích.
f) Thẻ của gói tin (Tag):Thẻ là một trường trong tiêu đề với độ dài cố định chứa trong một gói. Thẻ có thể mang giá trị là VPI/VCI trong tế bào ATM hoặc tiêu đề DLCI trong PDU của chuyển tiếp khung hoặc “shim tag” trong một gói của chuyển mạch thẻ (ở chuyển mạch thẻ thì “shim tag” được chèn vào giữa phần thông tin của lớp 2 và lớp 3)
Hình vẽ 4.3 minh hoạ “shim tag”:
Hình 4.3: Tiêu đề “Tag shim”
“Tag shim” là trường có độ dài 32 bit trong đó 20 bit đầu tiên dùng để cấp phát thẻ, 3 bit cho COS (Class Of Services), 1 bit cho chỉ thị ngăn xếp, và 8 bit cho trường TTL(time to live).Vị trí của tiêu đề “tag shim” trong PPP hoặc khung Erthernet nói chung được minh hoạ như hình vẽ trên.
g) Bảng thông tin thẻ (Tag Information Base -TIB): TIB là một bảng kết nối hoặc tráo thẻ được các TSR xây dựng và sử dụng. Các thực thể trong TIB được cập nhật bởi các thẻ chứa trong TDP hoặc các giao thức điều khiển khác.
Hình vẽ 4.4 minh hoạ một TIB.
Hình 4.4: TIB
h) Giao thức phân phối thẻ (Tag Distribution Protocol -TDP): TDP là
giao thức điều khiển ngang hàng (peer) được TSR sử dụng để gán thẻ cho luồng lưu lượng giữa các TSR lân cận hoặc ngang hàng trong mạng chuyển mạch.
i) Ngăn xếp thẻ (Tag stack): Một trong những ưu điểm của chuyển
mạch thẻ đó là việc sử dụng ngăn xếp thẻ. Kỹ thuật này tương tự như IP trên sự đóng gói IP, cho phép một gói tin có thể mang nhiều hơn một thẻ. Tại đầu vào một mạng, bằng cách đặt một thẻ mức 2 trên một thẻ mức 1 đã tồn tại, tại mạng đó gói tin sẽ được chuyển mạch theo nội dung của thẻ lớp 2. Khi ra khỏi mạng, gói tin lớp 2 sẽ bị loại bỏ và gói tin khi này được chuyển mạch theo nội dung của thẻ lớp 1 đi trong mạng chuyển mạch thẻ lớp1.
Xét một ví dụ như hình vẽ 4.5.
Trên hình vẽ: Một gói tin đã được gắn thẻ X đến TSR1, giả sử tại đây TSR #1 được yêu cầu sử dụng phương pháp ngăn xếp thẻ, TSR #1 thực hiện đặt thêm một thẻ thứ hai (A) trên thẻ thứ nhất (X) đã tồn tại tạo nên một ngăn
Chuyển mạch gói tin dựa vào thẻ trên đỉnh ngăn xếp Chuyển mạch gói tin dựa vào thẻ trên