Hình 4.2 sẽ được nghiên cứu trong suốt quá trình thảo luận về chuyển mạch lớp 2 và định tuyến lớp 3, đó là các chủ đề của 2 phần tiếp theo trong chương này.
Một bridge LAN hoạt động tại lớp 2, lớp liên kết dữ liệu (gồm 2 phân lớp MAC và LLC). Thông thường nó sử dụng 48 bít địa chỉ MAC để thực hiện chức năng chuyển tiếp của nó. Thuật ngữ chuyển mạch lớp 2 thường được dùng để mô tả bridge LAN.
Gateways Routers Bridges, ATM/FR a. Lớp giao thức Convergence Functon / Protocol Conversion Network Data Link Physical L_3 Routing L_2 Switching Gói Mào đầu Xử lý gói Reply FIFO Request FIFO Gói Mào đầu Xử lý gói
b. Định tuyến và chuyển mạch truyền thống Hình 4.2. Các Bridge, router, gateway
Tuy nhiên thuật ngữ này cũng được dùng để mô tả một chuyển mạch ATM hoặc FR . Vì ATM và FR hoạt động tại lớp 2, do đó chúng cũng được liệt vào các giao thức chuyển mạch lớp 2. Nói một cách chặt chẽ ATM và FR nên được xem xét như tổ hợp của các công nghệ chuyển mạch lớp 2 và 3 bởi vì cả 2 đều bắt nguồn từ X.25 nơi sử dụng tiêu đề lớp 3 cho các hoạt động chính của nó. Nhưng đa số mọi người trong công nghiệp viễn thông sử dụng thuật ngữ chuyển mạch lớp 2 cho ATM và FR, vì vậy tôi cũng theo thực tế này.
Nếu ATM hay FR được sử dụng, các nhận dạng kênh ảo (VCID) của chúng được sử dụng để thực hiện quyết định chuyển tiếp. Các VCID là các nhãn thực sự, mặc dù chúng được quản lý theo cách khác so với các nhãn MPLS, một chủ đề được thảo luận trong phần sau đồ án.
4.1.2. Định tuyến lớp 3
Hoạt động này dùng một router quy ước và chuyển tiếp lưu lượng dựa trên 32 bit địa chỉ IP đích nằm trong mào đầu IP. IP được phân loại như một giao thức lớp 3.
Tuy nhiên, rất là quan trọng để làm sáng tỏ lại thuật ngữ định tuyến. Trong chương 2, ta đã nhấn mạnh định tuyến là kết hợp của quảng báo tuyến và khám phá tuyến. Do đó, khi nghiên cứu các RFC gần đây thì các giao thức định tuyến được tham luận là OSPF và BGP chứ không phải IP.
Vấn đề của hoạt động chuyển tiếp IP
Hoạt động chuyển tiếp IP truyền thống tốn chi phí. Khi địa chỉ đích trong mào đầu dữ liệu đồ IP được kiểm tra bởi một router, nó phải đối chọi với bảng định tuyến để nút tiếp theo trên đường tới đích. Hoạt động này yêu cầu việc tìm trong bảng định tuyến
Gói Mào đầu Xử lý gói Reply FIFO Request FIFO Gói Mào đầu Xử lý gói
rất lớn một lượng lớn các nút ngang cấp trong mạng Internet, một bảng định tuyến có khoảng 50000 lối vào. Mỗi gói vào phải được xử lý ngược lại bảng này. Thêm vào đó việc dùng các mặt nạ mạng con yêu cầu địa chỉ IP đích trong gói lối vào để chống lại mặt nạ trong bảng định tuyến. Nguyên tắc chống lại dài nhất yêu cầu chọn ra router dựa trên cơ sở mặt nạ mà nhiều bít chống lại nhất, một vấn đề vượt qua phạm vi đồ án. Kết quả là chuyển tiếp IP quy ước đơn giản không được dùng trong các mạng lớn vì nó mất quá lâu để xử lý một gói.
4.1.3. Chuyển mạch lớp 3
Công nghệ này là phương pháp mới hơn của chuyển tiếp gói. Thuộc tính phân biệt của chuyển mạch lớp 3 là chức năng chuyển mạch được thực hiện trong phần cứng thông qua việc dùng các mạng tích hợp ứng dụng đặc trưng hoặc phần cứng thiết kế đặc trưng. Địa chỉ IP được sử dụng không cần quan tâm tới bất cứ thẻ hay nhãn nào.
Chuyển mạch hỗ trợ bộ nhớ
Vài hệ thống chuyển mạch lớp 3 dùng chuyển mạch hỗ trợ bộ nhớ. Bộ nhớ được xây dựng cho việc chứa dữ liệu địa chỉ đối với các mạng đặc trưng nhận được rất nhiều lưu lượng. Với cách này, mỗi dữ liệu đồ không phải là vấn đề đối với sự quy ước tin cậy trên bảng trung tâm cho việc tìm kiếm tuyến. Tuyến truy nhập tần số cao nhất được lưu trữ trong bộ nhớ tốc độ cao nhất.
Phân bổ nhãn
Với nhãn được phân bố, bộ xử lý phân chia được đặt trên mỗi modun giao diện. Bảng định tuyến được tính toán bởi bộ xử lý trung tâm, nhưng bộ xử lý này không bao hàm quyết định chuyển tiếp cho mỗi dữ liệu đồ. Đáng lẽ ra, các bảng chuyển tiếp phải được tải xuống các bộ xử lý giao diện. Các bộ xử lý này lần lượt đưa ra các quyết định chuyển tiếp.
Ví dụ chuyển mạch lớp 3
Ví dụ của lớp 3 là router tốc độ cao hàng gigabit (MGR) được xây dựng bởi các công nghệ BNN.
Line Card Switch Line Card
Input Input Output Output Yes No Ok Queue Queue Yes Gói Mào đầu Xử lý gói Gói Mào đầu Reply FIFO Request FIFO Route memory Route memory B ộ xử lý Gói Mào đầu Xử lý gói
Bộ phận chuyển tiếp ậ
Hình 4.3. Chuyển mạch lớp 3.
Hình 4.3 chỉ ra toàn bộ kiến trúc của MGR. Ta giả sử các gói vào từ phía trái và ra phía phải. Router chứa các card đa đường để hỗ trợ một hoặc nhiều giao diện, các card chuyển tiếp và tất cả các kết nối tới một switch. Mào đầu của các gói đến được chuyển qua switch tới các card chuyển tiếp trong khi phần còn lại của gói được lưu trong card đường dây vào. Card chuyển tiếp kiểm tra mào đầu, quyết định định tuyến cho gói, cập nhật mào đầu và chuyển nó lại card đường vào kết hợp với thông tin chuyển tiếp. Card này gắn lại mào đầu với phần còn lại của gói và gửi gói này tới card đường dây ra thích hợp. MGR có tổng dung lượng là 50 Gb/switch và tốc độ gói trên giây là 32 triệu gói một giây. MGR dùng một vài phương pháp khá khác với router quy ước. Thứ nhất, router dùng bảng định tuyến phân bố. Mỗi card chuyển tiếp thiết lập hoàn thành một bảng định tuyến để thay cho sự hạn chế về địa chỉ. Điều này tránh được thời gian trễ và sự tranh chấp được dùng trong bảng trung tâm. Hơn nữa, các bảng này không chứa các lối vào bảng quy ước, chúng chỉ chứa thông tin về hop tiếp theo.
Thứ hai, switch không chia sẻ bus nhưng một chuyển mạch điểm - điểm chứa hơn 15 cổng. Switch là một cơ cấu hàng đợi đầu vào. Mỗi đầu vào giữ một hàng đợi FIFO và dùng một giao thức để đặt tới đầu ra. Điều này tránh được nghẽn đầu dòng và nhà thiết kế tuyên bố họ đã đảm bảo được 100 phần trăm đầu ra.
Thứ ba, các card chuyển tiếp là các card đường dây riêng rẽ. Điều này mang lại sự linh động hơn cho cả hai chức năng và cho phép các nhà thiết kế linh hoạt hơn trong việc chỉ định cách nhiều giao diện chia xẻ card chuyển tiếp. Nó có thể dành một card chuyển tiếp đơn cho một mạng ảo đơn.
Yes No Ok Queue Queue Yes Yes No Ok Queue Queue Yes
Thứ tư, các card đường dây có thể chấp nhận các khối dữ liệu giao thức lớp 2 khác nhau nhưng chúng phải chuyển dữ liệu này thành định dạng nội bộ chung của lớp 2 cho việc xử lý bên trong MGR.
Thứ năm, router hỗ trợ hoạt động QoS, do các card chuyển tiếp đã phân loại gói và chia các gói vào các luồng. Thông tin được chuyển tới card đường dây đầu ra kèm theo việc truyền gói với một bộ xử lý QoS đặc trưng.
4.1.4. Chuyển mạch lớp 4
Chuyển mạch lớp 4 là thuật ngữ mới. Nó nói đến hoạt động kiểm tra các chỉ số cổng Internet như một phần của quyết định chuyển tiếp. Chỉ số cổng đích luôn được dùng còn chỉ số cổng nguồn có thể được dùng hoặc không. Các chỉ số cổng được dùng để liên kết với các địa chỉ IP nguồn và đích để ra một quyết định chuyển tiếp. Hơn nữa, trường PID trong mào đầu IP cũng được sử dụng. Do đó, chuyển mạch lớp 4 không thực sự là chuyển mạch lớp 4.
4.2. Ánh xạ từ lớp 3 tới lớp 2
Phần này tương tự với phân loại luồng và chuyển mạch IP, với địa chỉ lớp 3 được ánh xạ sang nhãn hoặc VCID. Hình 4.4 chỉ ra sự ánh xạ của địa chỉ lớp 3, hoạt động này có thể dùng các chỉ số cổng Internet và PID để lấy một FEC cho thủ tục ánh xạ. Ánh xạ địa chỉ (hoặc FEC) có thể là VCID của ATM hoặc VCID của FR hoặc cho cùng nội dung là nhãn MPLS hoặc thẻ Cisco. Việc ánh xạ xảy ra bởi một router hoặc switch nằm ở biên của mạng. Việc thực hiện phương pháp này được lan rộng bao gồm cả chuyển mạch thẻ của Cisco, ARIS của IBM,…
Router chuyển mạch nhãn hoặc chuyển mạch thẻ
Yes No Ok Queue Queue Yes TCP, UDP, OSPF, BGP,…
1. Trao đổi địa chỉ L_3 tới nhãn L_2 2. Đóng gói dữ liệu Địa chỉ cục bộ ? Error ? Loại bỏ Yes No Ok Queue Queue Yes
Dữ liệu vào Tế bào ATM/Khung FR
Hình 4.4. Trao đổi từ L_3 tới L_2 tại LSR lối vào
4.2.1. LSR lối vào
Hình 4.4 chỉ ra cách một router chuyển mạch thẻ lối vào hoặc router chuyển mạch nhãn xử lý một dữ liệu IP đầu vào. Gói vào được lưu trữ trong hàng đợi để chờ xử lý. Khi bắt đầu xử lý, trường lựa chọn trong mào đầu IP được xử lý để quyết định nếu các sự lựa chọn nằm trong mào đầu. Mào đầu dữ liệu được kiểm tra đối với bất cứ sự thay đổi nào trong quá trình của nó tới nút IP này. Địa chỉ IP đích được kiểm tra. Nếu địa chỉ IP đích là cục bộ, trường IP PID trong mào đầu được dùng để chuyển trường dữ liệu tới modun tiếp theo như TCP, UDP và ICMP. Nếu dữ liệu được quyết định chuyển tiếp truyền qua mạng ATM hoặc FR thì địa chỉ IP lớp 3 trong trường đích của dữ liệu IP sẽ tương đương với một thẻ hoặc một nhãn được lưu trữ trong bảng ở LSR. Sau đó, dữ liệu được đóng gói thành tế bào ATM hoặc khung FR với mào đầu đóng gói gắn với dữ liệu.
4.2.2. LSR trung gian
Lưu lượng được gửi tới giao diện đầu ra để truyền tới nút tiếp theo, mà ở đó một VCID của ATM hoặc FR hoặc một nhãn được kiểm tra để quyết định việc đảm nhiệm khối dữ liệu này. Việc này được chỉ ra trong hình 4.5.
Router chuyển mạch nhãn hoặc chuyển mạch thẻ
Yes
No
Ok
Queue Queue
Yes
1.Mở gói dữ liệu, xử lý mào đầu IP 2.Chuyển dữ liệu tới modun chuẩn
1. Ghi vào bảng nhãn 2. Tìm nút tiếp theo 3. Trao đổi nhãn Địa chỉ cục bộ ? Error ? Loại bỏ
Đầu vào: Đầu ra:
Tế bào ATM/ Khung FR Tế bào ATM/ Khung FR
Hình 4.5. Xử lý tại LSR trung gian hoặc LSR lối ra.
Nhãn được kiểm tra để quyết định nó là cục bộ hay là liên kết tới nút tiếp theo. Nếu nó là cục bộ thì nó được mở gói thì mào đầu IP được dùng để xử lý lưu lượng thêm vào. Nếu nhãn chỉ định gói phải chuyển tới nút khác, nhãn sẽ dùng chỉ số trong bảng nhãn để tìm gói xử lý bao gồm độ ưu tiên của nó, nút tiếp theo và nhãn mới đó được thay thế cho nhãn cũ.
4.2.3. LSR lối ra
Cuối cùng một gói cũng được chuyển tới LSR cuối cùng. LSR quyết định giao thức dữ liệu tại nút cuối này nhưng phải có phương pháp để quyết định nhãn một nội bộ thuộc về LSR nội bộ. Xử lý liên kết nhãn nội bộ thực hiện trước khi việc truyền dữ liệu người dùng xảy ra, LSR nội bộ truy cập bảng để định danh nhãn của nó ở mỗi giao diện đầu vào.
Do đó, khi tế bào hoặc khung tới, nhãn nhanh chóng quyết định được nhãn có phải là cục bộ hay không, đó là nếu lưu lượng dừng lại tại nút mà không chuyển tiếp tới nút tiếp theo. Điều này được chỉ ra trong hình 4.5.
Quá trình xử lý không phức tạp lắm. Mào đầu tế bào ATM hoặc FR được xử lý rồi chuyển đi. Mào đầu đóng gói được xử lý để quyết định tương lai của gói người dùng. Dựa vào giá trị của mào đầu đóng gói, gói được chuyển tới đúng modun trong LSR hoặc chuyển tới các thiết bị nôi bộ (như router, server hoặc host) để xử lý tiếp.
4.3. Chuyển mạch thẻ
Như đã đề cập, chuyển mạch thẻ là một dạng của chuyển mạch nhãn. Chuyển mạch thẻ dựa trên cơ sở việc dùng một nhãn (thẻ) đặt vào một địa chỉ cho quyết định chuyển mạch và được công bố trong RFC 2105. Đa giao thức trên ATM là một ví dụ điển hình của chuyển mạch thẻ. Nỗ lực của Cisco đã có kết quả trong nhóm làm việc MPLS nơi đang cho công bố giao thức chuyển mạch nhãn “vendor-neutral”. Nhiều khái niệm được giải thích trong phần này khá giống với MPLS và các hoạt động được giới thiệu ở chương 3.
Chuyển mạch thẻ gồm có hai phần: chuyển tiếp và điều khiển. Thành phần chuyển tiếp dùng thông tin thẻ được mang bởi gói và thông tin chuyển tiếp thẻ được lưu trữ bởi chuyển mạch thẻ để thực hiện gói chuyển tiếp. Thành phần điều khiển chịu trách nhiệm lưu giữ hiệu chỉnh thông tin chuyển tiếp thẻ giữa một nhóm kết nối chuyển mạch thẻ.
4.3.1. Thành phần chuyển tiếp
Hoạt động chuyển tiếp thiết lập bởi chuyển mạch thẻ dựa trên sự thay đổi nhãn. Khi một gói được nhận một thẻ từ chuyển mạch thẻ thì switch sử dụng thẻ như chỉ số cơ sở thông tin thẻ của nó (TIB). Mỗi lối vào TIB bao gồm một thẻ lối vào và một hoặc nhiều hơn các lối vào con (như thẻ đầu ra, giao diện đầu ra, thông tin liên kết đầu ra). Nếu switch tìm được một lối vào với thẻ đầu vào ngang bằng với thẻ mang thì nó sẽ đặt thẻ vào gói với thẻ đầu ra và đặt thông tin liên kết vào trong gói với thông tin lớp liên kết đầu ra và chuyển tiếp gói qua giao diện đầu ra.
Quyết định chuyển tiếp dựa trên thuật toán phù hợp dùng độ dài ngắn của thẻ như một chỉ số. Điều này cho phép thủ tục chuyển tiếp đơn giản được so sánh với chuyển tiếp truyền thống được dùng tại lớp mạng. Thủ tục chuyển tiếp là đơn giản đủ để cho phép thực hiện trên phần cứng.
Quyết định chuyển tiếp phụ thuộc vào bản chất chuyển tiếp của thẻ. Ví dụ, thuật toán giống nhau áp dụng cho cả unicast và multicast. Lối vào một unicast sẽ là một lối vào con đơn (như thẻ đầu ra, giao diện đầu ra, thông tin liên kết đầu ra), trong khi một lối vào multicast một hoặc nhiều hơn các lối vào con (như thẻ đầu ra, giao diện đầu ra, thông tin liên kết đầu ra). Thủ tục chuyển tiếp được tách ra từ thành phần điều khiển của
chuyển mạch thẻ. Chức năng định tuyến mới có thể triển khai mà không làm xáo trộn hoạt động chuyển tiếp.
Đóng gói thẻ
Thông tin về thẻ được mang trong một gói với nhiều cách khác nhau: - Như một phần nhỏ mào đầu thẻ được chèn giữa mào đầu lớp 2 và lớp 3. - Như một phần của mào đầu lớp 2, nếu mào đầu lớp 2 cung cấp đủ nghĩa. - Như một phần của mào đầu (trong trường luồng nhãn ở IPv6)
Thành phần chuyển mạch thẻ là độc lập với lớp 3. Việc sử dụng thành phần điều khiển tiêu biểu tới giao thức riêng biệt cho phép dùng chuyển mạch thẻ với các giao thức lớp 3 khác nhau.
4.3.2. Thành phần điều khiển
Thành phần điều khiển chịu trách nhiệm việc tạo ra các liên kết thẻ và phân phối thông tin liên kết thẻ giữa các chuyển mạch thẻ. Thành phần điều khiển được tổ chức bộ sưu tập của các modun, mỗi thiết kế để hỗ trợ một chức năng định tuyến riêng biệt. Để hỗ trợ các chức năng định tuyến mới thì các modun mới có thể được thêm vào. Phần tiếp theo sẽ mô tả một vài modun trong số đó.
Cơ sở định tuyến đích
Để hỗ trợ định tuyến đích với việc chuyển mạch thẻ thì một thẻ chuyển mạch (giống như một router) sẽ tham gia vào hoạt động của giao thức định tuyến (như OSPF, BGP) và xây dựng thông tin chuyển tiếp thẻ (TFIB) bằng thông tin nhận được từ các giao thức này.