2.3.1 Giới thiệu định tuyến
2.3.1.1 Định tuyến đ−ờng đi ngắn nhất hoặc chi phí tối thiểu
Các bộ router sử dụng các giao thức mà dùng một thuật toán đơn giản để chọn đ−ờng đi ngắn nhất. Khái niệm đ−ờng đi ngắn nhất và chi phí tối thiểu là t−ơng đ−ơng nhau.
Hình 2.8 mô tả một mạng 5 nút đơn giản dùng để mô tả sự khác nhau giữa định tuyến theo đ−ờng đi ngắn nhất và định tuyến theo rằng buộc. 5 nút đ−ợc đánh số theo thứ tự từ A đến E đ−ợc kết nối bằng kênh DS-3 có dụng l−ợng xấp xỉ 45 Mpbs. Ví dụ này liên quan đến định tuyến các luồng 10 Mbps từ một cổng trên nút A đến cổng nút B đ−ợc kết nối. Giả thiết là không có đ−ờng nào hoạt động trên đ−ờng đi ngắn nhất tức đ−ờng đi có ít chặng nhất.
Hình 2.8 Định tuyến đ−ờng đi ngắn nhất phi kết nối
Định tuyến đ−ờng đi ngắn nhất định h−ớng tất cả các luồng qua một đ−ờng đi ngắn nhất có tên là A-C-B. Khi đó sẽ xảy ra quá tải trên đ−ờng đi này. Nếu các luồng l−u l−ợng sử dụng giao thức điều khiển tắc nghẽn lớp cao hơn nh−
TCP thì các luồng sẽ bị suy giảm thông l−ợng. Tuy nhiên nếu các luồng yêu cầu
45Mbps 45Mbps E B A D C 45Mbps 45Mbps 45Mbps 1.10Mpbs 2.10Mpbs 3.10Mpbs 4.10Mpbs 5.10Mpbs
http://www.ebook.edu.vn
Sinh viên thực hiện: Lê Xuân Trung, Lớp D99VT 34
một mức dung luợng nhất định (nh− video conference hoặc voice) thì quá tải sẽ gây ra chất l−ợng không thể chấp nhận đ−ợc. Tình trạng này có thể xảy ra với định tuyến đ−ờng đi ngắn nhất bởi vì việc tối yếu chỉ xem xét đến một tham số là độ dài đ−ờng đi và không xem xét các rằng buộc khác nh− là yêu cầu dung l−ợng.
2.3.1.2 Định tuyến c−ỡng bức
Để hiểu khái niệm định tuyến c−ỡng bức, tr−ớc hết ta xem xét cơ chế định tuyến truyền thống đ−ợc sử dụng trong mạng IP nh− trong mạng Internet chẳng hạn. Một mạng có thể đ−ợc mô hình hoá nh− là một tập hợp các hệ thống độc lập (AS), trong đó việc định tuyến trong mỗi AS tuân theo giao thức định tuyến nội vùng, còn giao thức định tuyến giữa các AS tuân theo giao thức định tuyến liên vùng. Các giao thức định tuyến nội vùng có thể là RIP, OSPF và IS-IS, còn các giao thức định tuyến liên vùng tuân có thể là BCG. Cơ chế tính toán xác định các giao thức định tuyến nội vùng tuân theo thuật toán tối −u. Trong tr−ờng hợp giao thức RIP thì đó là số nút mạng trên đ−ờng. Chúng ta biết rằng bao giờ cũng có thể lựa chọn nhiều đ−ờng đi đến một đích, RIP sử dụng thuật toán Bellman-Ford để xác định sao cho đ−ờng đi qua sẽ qua số l−ợng nút là ít nhất. Trong tr−ờng hợp OSPF hoặc IS-IS thì đó là thuật toán tìm đ−ờng đi ngắn nhất. Nhà quản trị mạng ứng với giao thức OSPF (hoặc IS-IS) sẽ ấn định cho mỗi kênh trong mạng một giá trị t−ơng ứng với độ dài của kênh đó. OSPF (hoặc IS-IS) sẽ sử dụng thuật toán tìm đ−ờng đi ngắn nhất Dijkstra để lựa chọn đ−ờng đi ngắn nhất trong số các đ−ờng đi có thể kết nối tới đích, với định nghĩa độ dài của một đ−ờng đi là tổng độ dài của tất cả các kênh trên đ−ờng đó.
Về cơ bản chúng ta có thể định nghĩa định tuyến cuỡng bức nh− sau. Một mạng có thể biểu diễn theo sơ đồ theo V và E (V,E), trong đó V là tập hợp các nút mạng và E là tập hợp các kênh kết nối giữa các nút mạng. Mỗi kênh sẽ có các đặc điểm riêng. Đ−ờng kết nối giữa nút thứ nhất đến nút thứ hai phải thoả mãn một số điều kiện rằng buộc. Tập hợp các điều kiện rằng buộc này đ−ợc coi là đặc điểm của kênh và chỉ có nút đầu tiên trong cặp đóng vai trò khởi tạo kết nối mới biết các đặc điểm này. Nhiệm vụ của định tuyến cuỡng bức là tính toán đ−ờng xác định đ−ờng kết nối từ nút này đến nút khác sao cho đ−ờng đi không vi phạm điều kiện rằng buộc và là một ph−ơng án tối −u theo một tiêu chí nào đó (ví dụ số nút ít nhất hoặc đ−ờng đi ngắn nhất) khi đã xác định đ−ợc một đ−ờng
http://www.ebook.edu.vn
Sinh viên thực hiện: Lê Xuân Trung, Lớp D99VT 35
kết nối thì định tuyến c−ỡng bức sẽ thực hiện việc thiết lập, duy trì và truyền trạng thái kết nối dọc theo các kênh trên đ−ờng.
Điểm khác nhau chính giữa định tuyến IP truyền thống và định tuyến c−ỡng bức đó là: thuật toán định tuyến IP truyền thống chỉ tìm ra đ−ờng đi tối −u ứng với một tiêu chí nào đó (ví dụ số nút bé nhất), trong khi đó thuật toán định tuyến c−ỡng bức vừa tìm ra một đ−ờng đi tối −u theo một tiêu chí nào đó mà đồng thời lại phải không vi phạm điều kiện rằng buộc. Yêu cầu không vi phạm điều kiện rằng buộc là điểm khác nhau cơ bản để phân biệt giữa định tuyến c−ỡng bức và định tuyến thông th−ờng.
Một điều kiện rằng buộc phải là điều kiện giúp ta tìm ra một đ−ờng có các tham số hoạt động nhất định. Ví dụ nh− chúng ta muốn tìm đ−ờng với độ rộng băng tần khả dụng nhỏ nhất. Trong điều kiện rằng buộc đó phải đ−a vào thuật toán định tuyến để tìm đ−ờng và số liệu đầu vào ít nhất phải có là độ rộng băng tần khả dụng của tất cả các kênh dọc theo đ−ờng. Đặc điểm của kênh ở đây là phải quan tâm đến độ rộng băng tần khả dụng. L−u ý các đ−ờng khác nhau trong mạng có thể có điều kiện rằng buộc về độ rộng băng tần khác nhau t−ơng ứng. Điều này có nghĩa là đối với một cặp nút, một đ−ờng đi từ nút đầu tiên đến nút thứ hai có thể yêu cầu giá trị một giá trị của độ rộng băng tần khả dụng nhỏ nhất, trong khi đó một cặp nút khác thì lại yêu cầu giá trị khác của độ rộng băng tần khả dụng nhỏ nhất.
Một điều kiện rằng buộc khác có thể yêu cầu là quản trị. Ví dụ nh− nhà quản trị mạng muốn ngăn không cho một l−u l−ợng thoại nào đó không đ−ợc đi qua một kênh nào đó xác định trong mạng, trong đó các kênh đ−ợc xác định bởi các điều kiện cụ thể. Trong tr−ờng hợp đó điều kiện rằng sẽ đ−ợc đ−a vào thuật toán định tuyến để xác định đ−ờng cho l−u l−ợng đó không đ−ợc đi qua các kênh đã đ−ợc loại ra. Hoặc nhà quản trị mạng lại muốn một l−u l−ợng loại nào đó chỉ đ−ợc đi qua các kênh nhất định trong mạng và các kênh cũng đ−ợc xác định bằng các đặc điểm cụ thể. Khi đó điều kiện rằng buộc sẽ đ−ợc đ−a vào thuật toán định tuyến để xác định đ−ờng đi cho l−u l−ợng chỉ có thể qua các kênh có đặc điểm thoả mãn điều kiện cụ thể. L−u ý cũng giống nh− điều kiện rằng buộc là khả năng của kênh, điều kiện rằng buộc là quản trị ứng với các đ−ờng khác nhau cũng có thể là điều kiện rằng buộc là các quản trị khác nhau. Ví dụ, nh− đối với một cặp nút, đ−ờng đi từ nút thứ nhất tới nút thứ hai trong cặp có thể bao gồm một tập hợp các kênh có một số đặc điểm nhất định bị loại ra, trong khi đối với một cặp khác thì lại có một tập kênh khác bị loại ra.
http://www.ebook.edu.vn
Sinh viên thực hiện: Lê Xuân Trung, Lớp D99VT 36
Định tuyến c−ỡng bức có thể kết hợp cả hai điều kiện rằng buộc là nhà quản lý và tính năng của kênh chứ không nhất thiết là chỉ một trong hai điều kiện đó. Ví dụ, nh− định tuyến c−ỡng bức vừa phải tìm ra đ−ờng đi có độ rộng băng tần nhất định vừa phải loại trừ một số kênh có đặc điểm nhất định.
2.3.1.3 Các mẫu l−u l−ợng và đặc tính cộng đồng
Trong hầu hết các hệ thống l−u l−ợng một đặc tính cộng đồng hoặc một mẫu luồng l−u l−ợng giữa các mạng th−ờng xảy ra. Trong các hệ thống đ−ờng cao tốc, giai đoạn bận nhất của l−u l−ợng giao thông th−ờng xảy ra theo h−ớng từ ngoại thành vào nội thành trong buổi sáng và theo chiều ng−ợc lại vào buổi chiều. Vì vậy các nhà thiết kế đã bỏ ra rất nhiều công để đo nhu cầu đi lại giữa các vị trí địa lý để sau đó lên kế hoạch xây dựng các đ−ờng cao tốc, sắp xếp các chuyến bay hàng không, hoặc sắp xếp các chuyến tàu để phục vụ nhu cầu đã đ−ợc dự báo. Các nhà thiết kế mạng phải phân tích các mẫu l−u l−ợng giống nh−
việc thu thập ma trận l−u l−ợng đ−a ra giữa các nút trong mạng. Hơn nữa các nhà thiết kế mạng tìm kiếm các mức l−u l−ợng có thể dự báo đ−ợc và th−ờng xảy ra ở các thời điểm khác nhau trong ngày, tuần và mùa giữa các khối cộng đồng khác nhau.
Cũng nh− trong thiết kế giao thông, các nhà thiết kế mạng cũng phải tìm cách để tối thiểu chi phí toàn mạng bao gồm chi phí thiết bị, các thiết bị truyền dẫn và chi phí hoạt động.
2.3.2 Các thuật toán định tuyến
Các thuật toán định tuyến sau đây áp dụng cho các mạng IP và ATM.
2.3.2.1 Thuật toán định tuyến theo trạng thái kênh và phát hiện cấu hình
Các router thực hiện một giao thức trạng thái kênh theo 4 chức năng cơ bản:
ắ Chúng thực hiện “chào “ các nút bên cạnh, nhận biết địa chỉ và thu thập các thông tin về “chi phí” và “ khoảng cách” định tuyến.
ắ Chúng chọn thông tin trạng thái từ tất cả các kênh của chúng và đặt chúng vào các gói trạng thái kênh.
ắ Chúng gửi các gói trạng từ tràn ra toàn mạng một cách hiệu quả và tin cậy sao cho mọi router hiểu chính xác nh− nhau về cấu hình của toàn mạng.
http://www.ebook.edu.vn
Sinh viên thực hiện: Lê Xuân Trung, Lớp D99VT 37
2.3.2.2 Các thuật toán đ−ờng đi ngắn nhất a)Thuật toán Dijkstra a)Thuật toán Dijkstra
Định nghĩa một tập hợp B chứa các nút mà thuật toán đã tìm ra đ−ờng đi ngắn nhất cho chúng. Khởi đầu của tập hợp này chỉ chứa 1 nút
(nút gốc). Ví dụ B=(1) khi chọn N1 làm nút gốc. Cuối cùng định nghĩa các tham số đi để giữ khoảng cách hiện tại từ gốc tới từng nút Ni. Khởi tạo dự tính khoảng cách nh− sau:
0 i=1
di=
Wij với tr−ờng hợp khác
Sau khi đ−a ra định nghĩa và khởi tạo trên, thuật toán Dijkstra bao gồm các b−ớc sau:
1. Chọn nút Nk gần nhất: dk=Min(dj).
2. Thêm nút Nk vào tập hợp các nút B có đ−ờng đi ngắn nhất đã tìm ra. 3. Nếu tìm đ−ợc đ−ờng đi ngắn nhất đã đ−ợc biết đối với mọi b−ớc thì
dừng, thuật toán hoàn thành.
4. Cập nhập các dự tính khoảng cách cho tất cả các nút không nằm trong B bằng giá trị kênh ngắn nhất nếu đ−ờng dẫn mới ngắn hơn tr−ớc: dj:=Min[dj,wkj+dk].
5. Quay lại b−ớc 1.
b) Thuật toán Bellman-Ford
Thuật toán Bellman-Ford sử dụng ph−ơng pháp tiếp cận khác để tìm đ−ờng đi ngắn nhất. Nó hữu hiệu nếu nh− số l−ợng lớn nhất các nút bị giới hạn. Thuật toán này duy trì tham số d1h=0, dih=∞ đối với mọi i≠1 và thiết lập h=1. Tiếp theo thuật toán thực hiện các b−ớc sau:
1. Khoảng cách tích luỹ cho nút thực hiện tại h: dih=
j
Min[wji+djh] đối với mọi i≠1.
2. Nếu không có sự thay đổi nào trong khoảng cách tích luỹ (dih=dih- 1
đối với mọi i) thì dừng, thuật toán kết thúc. 3.Tăng biến đếm nút (h←h+1). 4.Quay lại b−ớc 1.
http://www.ebook.edu.vn
Sinh viên thực hiện: Lê Xuân Trung, Lớp D99VT 38
Thuật toán này thực sự tìm ra cây mở rộng có đ−ờng đi ngắn nhất giống nh− thuật toán Dijkstra nếu nh− các rằng buộc bị phá vỡ trong cùng mức độ. Thuật toán bắt đầu với một nút gốc, sau đó đến nút nhánh h−ớng ra tất cả các đích theo h−ớng tăng dần bán kích từ nút gốc. Nh− vậy, khi thực hiện ở mức phân tán thì nó hoạt động nh− là một thuật toán định tuyến theo vector khoảng cách
http://www.ebook.edu.vn
Sinh viên thực hiện: Lê Xuân Trung, Lớp D99VT 39
Ch−ơng 3. Định cỡ mạng truyền dẫn
3.1 Các công nghệ truyền dẫn
3.1.1 Các giải pháp truyền tải l−u l−ợng IP trên mạng quang
Xu h−ớng nghiên cứu tích hợp IP quang đang diễn ra nhanh chóng không chỉ ở các dự án nghiên cứu phát triển của những trung tâm nghiên cứu khoa học lớn mà nó còn lan rộng đến các phòng Lab của các tr−ờng đại học. Theo thống kê của EURESCOM (European Institute for Research and Stratrgic Studies in Telecommunication) trong dự án Project P709, Plan of Optical Network của EURESCOM, hiện nay trên thế giới có khoảng 13 giải pháp (đã đ−ợc công bố).
Qua nghiên cứu thấy hai ph−ơng h−ớng khả thi là:
9 Một là khai thác lợi điểm của các công nghệ hiện có trên mạng, thêm tính năng thích ứng với việc mạng l−u l−ợng IP có kích th−ớc gói thay đổi.
9 Hai là nghiên cứu ra các giao thức mới phù hợp với các đặc tính l−u l−ợng IP. Chúng ta sẽ thấy rõ điều này khi gắn các giải pháp vào mô hình phân lớp mạng nh− trong hình 3.1
IP/ATM sẽ đóng vai trò cung cấp ứng dụng dịch vụ và chức năng định tuyến lớp 3.
Hình 3.1 Các kịch bản phân lớp mạng
Chức năng lớp 2 đ−ợc xây dựng dựa trên các công nghệ đã tr−ởng thành nh− SDH, ATM, Ethernet, DTM, WDM. Một số giao thức nh− MPOA/LAPS, RSP, POS, SDL đ−ợc phát triển trong lớp mạng này thực hiện đóng gói IP (Encapsulation) trong các định dạng khung cho truyền dẫn các b−ớc sóng quang. Một điều dễ nhận thấy là các giao thức này đ−ợc xây dựng xung quanh các công nghệ đã tr−ởng thành kể trên. Điều này có thể đ−ợc giải thích: các dự án nghiên cứu phần lớn chịu ảnh h−ởng bởi nguồn tài chính từ các nhà khai thác mạng, sản xuất thiết bị, nh− thế nó chỉ giải quyết vấn đề đang tồn đọng của họ. Chính vì
http://www.ebook.edu.vn
Sinh viên thực hiện: Lê Xuân Trung, Lớp D99VT 40
vậy nghiên cứu các giao thức truyền tải cũng chỉ tập chung vào các công nghệ này mà thôi.
Lớp một sẽ là các tế bào ATM (theo giao diện STM-1 hoặc STM-4), khung truyền dẫn SDH, Ethenet, DTM và Digital Wrapper (G907). Các b−ớc sóng quang sẽ đóng vai trò kết nối điểm-điểm giữa các nút trong mạng.
Một điểm l−u ý nữa là khi xuất hiện chuyển mạch gói quang (OPS), công nghệ này có khả năng hoạt động từ lớp một đến lớp 3 trong mô hình OSI, thì gói IP sẽ đ−ợc sắp xếp trực tiếp trong các gói quang mà không cần qua lớp trung gian. Tuy nhiên, cần rất nhiều thời gian để công nghệ chuyển mạch gói quang mới có thể th−ơng mại rộng rãi trên thị tr−òng.
3.1.2 Chuyển đổi thích ứng IP trên lớp mạng quang (WDM) 3.1.2.1 IP/ATM/SDH cho truyền dẫn WDM 3.1.2.1 IP/ATM/SDH cho truyền dẫn WDM
Truyền tải IP qua ATM đ−ợc thực hiện qua nhiều giao thức IP. ATM cổ điển, Lan mô phỏng, đa giao thức qua ATM… để truyền tải trong các tuyến WDM, phần lớn các định dạng truyền dẫn chuẩn sử dụng khung SDH. Ngăn giao thức cho giải pháp này đ−ợc trình bày trong bảng 3.1.
Hình 3.2 Ví dụ IP/ATM/SDH cho truyền tải qua mạng WDM
Hình 3.2 biểu diễn kiến trúc mạng khả thi sử dụng IP/ATM/SDH qua WDM. Theo kịch bản này, các gói IP đ−ợc phân tách trong các tế bào ATM và đ−ợc gán vào. Kết nối ảo (VC) qua card đ−ờng truyền SDH/ATM trong bộ định tuyến IP. Tiếp đến các tế bào ATM đ−ợc đóng trong khung SDH và đ−ợc gửi tới chuyển mạch ATM hoặc trực tiếp tới bộ Transponder WDM để truyền tải qua lớp mạng quang.
http://www.ebook.edu.vn
Sinh viên thực hiện: Lê Xuân Trung, Lớp D99VT 41
Hiện tại, một cách thực hiện đảm bảo QoS cho dịch vụ IP là cung cấp một băng tần cố định giữa các cặp thiết bị định tuyến IP cho từng khách hàng (quản lý QoS lớp 2). ATM cung cấp tính năng thực hiện điều này với tính năng hạt băng tần thay đổi nhờ các Kênh ảo cố định (PVC) linh hoạt, tất cả nằm trong