Hạn chế của chuyển mạch gói là gì?

Các giao thức chuyển mạch gói bao gồm IP và X-25

Chuyển mạch gói là phương pháp được sử dụng bởi một số giao thức mạng máy tính để phân phối dữ liệu qua kết nối cục bộ hoặc đường dài. Ví dụ về các giao thức chuyển mạch gói là Frame Relay , IP và X.25 .

Cách chuyển mạch gói hoạt động

Chuyển mạch gói đòi hỏi phá vỡ dữ liệu vào một số phần sau đó được đóng gói trong các đơn vị được định dạng đặc biệt được gọi là các gói. Chúng thường được định tuyến từ nguồn đến đích bằng cách sử dụng các bộ chuyển mạch và bộ định tuyến mạng và sau đó dữ liệu được tập hợp lại tại đích.

Mỗi gói chứa thông tin địa chỉ xác định máy tính gửi và người nhận dự định. Sử dụng các địa chỉ này, thiết bị chuyển mạch mạng và bộ định tuyến xác định cách tốt nhất để chuyển gói giữa "hops" trên đường dẫn đến đích của nó. Có các ứng dụng miễn phí như Wireshark để giúp bạn nắm bắt và xem dữ liệu nếu cần.

Hop là gì?

Trong mạng máy tính, một hop đại diện cho một phần của đường dẫn đầy đủ giữa nguồn và đích. Ví dụ: khi giao tiếp qua Internet, dữ liệu đi qua một số thiết bị trung gian bao gồm bộ định tuyến và chuyển mạch thay vì truyền trực tiếp qua một dây đơn. Mỗi thiết bị như vậy làm cho dữ liệu chuyển đổi giữa một kết nối mạng điểm-điểm và một kết nối khác.

Số hop đại diện cho tổng số thiết bị mà gói dữ liệu đã cho đi qua. Nói chung, càng nhiều bước nhảy mà các gói dữ liệu phải đi qua để đến đích, thì độ trễ truyền càng lớn.

Các tiện ích mạng như ping có thể được sử dụng để xác định số hop đến một đích cụ thể. Ping tạo ra các gói bao gồm một trường dành riêng cho số hop. Mỗi lần một thiết bị có khả năng nhận các gói này, thiết bị đó sẽ thay đổi gói dữ liệu, tăng số lượng hop theo một gói. Ngoài ra, thiết bị so sánh số lượng hop so với giới hạn định trước và loại bỏ gói nếu số hop của nó quá cao. Điều này ngăn chặn các gói tin không ngừng nảy xung quanh mạng do lỗi định tuyến.

Ưu điểm và nhược điểm của chuyển mạch gói

Chuyển mạch gói là sự thay thế cho các giao thức chuyển mạch được sử dụng trong lịch sử cho các mạng điện thoại và đôi khi có các kết nối ISDN .

So với chuyển mạch, chuyển mạch gói cung cấp những điều sau đây:

• PRO. Sử dụng hiệu quả hơn băng thông mạng tổng thể do tính linh hoạt trong việc định tuyến các gói nhỏ hơn các liên kết được chia sẻ.
• PRO. Các mạng chuyển mạch gói thường rẻ hơn để xây dựng khi cần ít thiết bị hơn.
• PRO. Độ tin cậy. Nếu một gói tin không đến đúng như mong đợi tại đích của nó, máy tính nhận phát hiện một gói bị thiếu và yêu cầu nó bị gửi lại.
• PRO. Chuyển mạch gói cung cấp định tuyến lại tự động nếu bất kỳ nút nào trên hành trình của nó không thành công.
• CON. Trì hoãn lâu hơn khi nhận tin nhắn do thời gian cần thiết để gói và định tuyến gói. Đối với nhiều ứng dụng, sự chậm trễ không đủ dài để có ý nghĩa, nhưng đối với các ứng dụng hiệu suất cao như video thời gian thực, công nghệ Chất lượng dịch vụ bổ sung [QoS] thường được yêu cầu để đạt được các mức hiệu suất yêu cầu.
• CON. Tiềm năng rủi ro an ninh mạng tồn tại do việc sử dụng các liên kết vật lý được chia sẻ. Các giao thức và các yếu tố liên quan khác trong các mạng chuyển mạch gói phải phù hợp với các biện pháp phòng ngừa an ninh thích hợp.

• CON. Độ trễ là không thể đoán trước.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤTKHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN----------BÀI TẬP LỚN HỆ THỐNG VIỄN THÔNGĐề tài: Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch góiGiảng viên hướng dẫn:Sinh viên thực hiện:123.4.5.Hà Nội ngày… tháng…năm…Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch góiMỤC LỤCPhần I: TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN MẠCH GÓI ........................................................... 31.1 Khái niệm .................................................................................................................. 31.2 Đặc điểm ................................................................................................................... 31.3 Nguyên tắc cơ bản của chuyển mạch gói .................................................................. 42: ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA CHUYỂN MẠCH GÓI ................................. 62.1 Ưu điểm chuyển mạch gói ........................................................................................ 62.2 Nhược điểm chuyển mạch gói .................................................................................. 6Phần II: KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH GÓI.................................................................... 72.1 Mô hình chuyển mạch gói ........................................................................................ 72.2 Tổ chức phân lớp của CMG[ 7 lớp trong mô hình OSI] ........................................... 72.2.1 Lớp vật lý ........................................................................................................... 82.2.2 Lớp liên kết dữ liệu ............................................................................................ 82.2.3 Lớp mạng ........................................................................................................... 82.2.4 Lớp truyền tải ..................................................................................................... 82.2.5 Lớp phiên ........................................................................................................... 92.2.6 Lớp trình diễn .................................................................................................... 92.2.7 Lớp ứng dụng ..................................................................................................... 92.3 Phân loại CMG ......................................................................................................... 92.3.1 Datagram ............................................................................................................ 92.3.2 Virtual circuit ................................................................................................... 10Phần III: KIẾN TRÚC TRƯỜNG CHUYỂN MẠCH GÓI ............................................. 113.1 Cấu trúc chuyển mạch phân chia theo thời gian ..................................................... 123.2 Chuyển mạch chia sẻ phương tiện .......................................................................... 123.3 Chuyển mạch chia sẻ bộ nhớ .................................................................................. 123.2 Chuyển mạch Croos-Bar ......................................................................................... 133.3 Chuyển mạch kết nối đầy đủ................................................................................... 133.4 Chuyển mạch trên cấu trúc Banyan ........................................................................ 133.5 Chuyển mạch trên cấu trúc Banyan mở rộng.......................................................... 133.6 Chuyển mạch dựa trên cấu trúc đa mặt ................................................................... 143.7 Chuyển mạch dựa theo cấu trúc quay vòng: ........................................................... 143.8 Các chiến lược sử dụng bộ đệm trong trường chuyển mạch .................................. 14Phần IV: KIẾN TRÚC BỘ ĐỊNH TUYẾN ...................................................................... 154.1 Kiến trúc bộ định tuyến thế hệ đầu ......................................................................... 154.2 Kiến trúc bộ định tuyến thế hệ thứ hai .................................................................... 164.3 Kiến trúc bộ định tuyến thế hệ thứ ba ..................................................................... 17Phần V: ĐỊNH TUYẾN TRONG CHUYỂN MẠCH GÓI .............................................. 185.1 Khái niệm về định tuyến ......................................................................................... 185.2 Mục đính của định tuyến ........................................................................................ 195.3 Các phương thức định tuyến ................................................................................... 205.3.1 Định tuyến tĩnh và định tuyến động......................................................................... 201Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch gói5.3.2 Định tuyến tập trung và định tuyến phân tán ................................................... 215.3.3 Định tuyến nguồn và định tuyến từng bước .................................................... 215.3.4 Định tuyến phân cấp và không phân cấp ......................................................... 225.4 Các thuật toán định tuyến ....................................................................................... 225.4.1 Thuật toán Bellman-Ford và định tuyến vectơ khoảng cách ........................... 225.4.2 Thuật toán Dijkstra ......................................................................................... 245.4.3 So sánh hai thuật toán Bellman-Ford và Dijkstra ............................................ 26Phần VI: TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 272Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch góiPhần 1: TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN MẠCH GÓI1.1 Khái niệmChuyển mạch gói [Packet switching] là một loại kỹ thuật gửi dữ liệu, thông tintừ máy tính nguồn tới nơi nhận [máy tính đích] qua mạng dưới dạng gói 3ung một loạigiao thức thảo mãn 3 điều kiện sau:− Dữ liệu cần vân chuyển được chia nhỏ ra thành các gói [hay khung] có kíchthước [size] và định dạng [format] xác định.– Mỗi gói như vậy sẽ được chuyển riêng rẽ và có thể đến nơi nhận bằng cácđường truyền [route] khác nhau. Như vậy, chúng có thể dịch chuyển trong cùngthời điểm.– Khi toàn bộ các gói dữ liệu đã đến nơi nhận thì chúng sẽ được hợp lại thànhdữ liệu ban đầu.Mỗi gói dữ liệu có kích thước được định nghĩa từ trước [đối với giao thức TCP/IP thìkích thước tối đa của nó là 1500 bytes] và thường bao gồm 3 phần:– Phần mào đầu [header]: chứa địa chỉ máy gửi , địa chỉ máy nhận và các thôngtin về loại giao thức sử dụng và số thứ tự của gói.– Phần tải dữ liệu [data hay payload]: là một trong những đoạn dữ liệu gốc đãđược cắt nhỏ– Phần đuôi [trailer]: bao gồm tín hiệu kết thúc gói và thông tin sửa lỗi dữ liệu[data correction].Kĩ thuật này rất hiệu quả để vận chuyển dữ liệu trong các mạng phức tạp baogồm rất nhiều hệ thống máy tính nối với nhau.1.2 Đặc điểmKhông cần phải hoàn tất một mạch liên tục nối từ máy gửi đến máy nhận [xemthêm về kĩ thuật chuyển mạch kênh được dùng trong các đường dây điện thoại]. Thayvào đó là các đường truyền dữ liệu giữa các bộ chuyển mạch [switcher] sẽ được thiếtlập một cách tạm thời từng cặp một để làm trung gian vận chuyển [hay trung chuyển]các gói từ máy nguồn cho đến khi tới được địa chỉ máy nhận.Các đoạn mạch nối trung chuyển cũng không cần phải thiết lập từ trước mà chỉcho đến khi có gói cần vận chuyển thì mới thành hình.Trong trường hợp tắt nghẽn hay sự cố, các gói dữ liệu có thể trung chuyển bằngcon đường thông qua các máy tính trung gian khác.Dữ liệu vận chuyển bằng các gói sẽ tiết kiệm thời gian hơn là việc gửi trọn vẹnmột dữ liệu cỡ lớn vì trong trường hợp dữ liệu thất lạc [hay hư hại] thì máy nguồn chỉviệc gửi lại đúng gói đã bị mất [hay bị hư] thay vì phải gửi lại toàn bộ dữ liệu gốc.3Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch góiTrong mạng phức tạp thì việc vận chuyển sẽ không cần [và cũng không thể] biếttrước được các gói dữ liệu sẽ được chuyển theo ngõ nào.Kỹ thuật này cho phép nối gần như với số lượng bất kì các máy tính. Thực tế, nóchỉ bị giới hạn bởi khả năng cho phép của giao thức cũng như khả năng nối vào mạngcủa các bộ chuyển mạch với các máy.Vì có thể được gửi đi qua các đường trung chuyển khác nhau nên thời gian vậnchuyển của mỗi gói từ máy nguồn đến máy đích có thể hoàn toàn khác nhau. Và thứ tựcác gói đến được máy đích cũng có thể không theo thứ tự như khi gửi đi.Chuyển mạch gói tùy theo cách thức gửi gói tin mà người ta phân làm 2 loại là:– Hướng kết nối [Connection-oriented] : đường đi được định tuyến trước sẽ gửiqua những nút mạng nào trước khi gửi các gói tin, các gói tin truyền do đó sẽ đúng thứtự khi về đích, trễ ít hơn nhưng tận dụng hiệu năng mạng kém hơn.– Phi kết nối [Connectionless] : truyền lung tung, tùy theo mạng chỗ nào dùngnhiều dùng ít mà lựa đường mà đi, tuy nhiên các gói đi quãng đường dài ngắn khácnhau, trễ giữa các nút [đi nhiều hay ít nút mạng khác nhau] khác nhau mà sẽ đến đíchkhông đúng thứ tự, phải đợi và sắp xếp lại, nói chung thì sẽ trễ nhiều hơn.1.3 Nguyên tắc cơ bản của chuyển mạch góiQua các đặc tính của cơ bản của kỹ thuật chuyển mạch kênh, chúng ta nhận thấyrằng kỹ thuật chuyển mạch kênh thường được ứng dụng cho các dịch vụ thời gian thực,hướng kết nối và lưu lượng không bùng phát. Trong khi đó mục tiêu của chuyển mạchgói là sử dụng cho dữ liệu nên luôn phải sẵn sàng chấp nhận lưu lượng bùng phát trongkhi không cần hướng kết nối hoặc thời gian thực.Đặc tính hướng kết nối yêu cầu các giai đoạn kết nối phân biệt gồm: thiết lập kếtnối, truyền thông tin và giải phóng kết nối. Một kiểu kết nối khác đối ngược với kiểukết nối là kiểu phi kết nối. Phi kết nối cho phép các thực thể thông tin được truyền độclập với các đặc tính kết nối được thể hiện trong các tiêu đề thực thể thông tin. Các giaiđoạn kết nối như trong chuyển mạch kênh không còn tồn tại mà thay vào đó là phươngpháp chuyền theo một giai đoạn duy nhất gồm cả ba giai đoạn.Hình dưới đây chỉ ra sự khác biệt cơ bản xét theo phương diện kết nối của cácphương thức chuyển mạch kênh, chuyển mạch bản tin và chuyển mạch gói.4Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch góiHình 1.3a: Các phương pháp chuyển mạch cơ bảnSự khác biệt giữa chuyển mạch bản tin và chuyển mạch gói nằm tại quá trình xửlý bản tin, chuyển mạch gói thực hiện việc phân đoạn bản tin thành các thực thể phùhợp với đường truyền và cấu hình mạng, các gói có thể có kích thước thay đổi hoặc cốđịnh, phương pháp chuyển với các gói cố định là chuyển mạch tế bào [cell]. Như vậy,một bản tin người dùng có thể phân thành nhiều gói. Sau quá trình chuyển mạch cácgói sẽ được tái hợp để hoàn nguyên lại thông tin của người sử dụng.Quá trình phân mảnh và tạo gói được thực hiện tại các mô hình OSI thể hiệntrong hình dưới đây:Hình 1.3b: Đóng gói dữ liêu theo mô hình OSI5Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch góiKỹ thuật chuyển mạch gói cho phép kết nối thông tin từ đầu tới cuối qua quátrình chia sẻ tài nguyên, sử dụng các tập thủ tục và các liên kết có tốc độ khác nhau đểtruyền các gói tin và có thể chuyển gói trên nhiều đường dẫ khác nhau.Có hai kiểuchuyển mạch gói cơ bản: chuyển mạch datagram và chuyển mạch kênh ảo VC [VirtualCircuit]Phần 2: ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA CHUYỂN MẠCHGÓI2.1 Ưu điểm chuyển mạch góiMềm dẻo và hiệu suất truyền tin cao: Hiệu suất sử dụng đường truyền rất cao vìtrong chuyển mạch gói không có khái niệm kênh cố định và dành riêng, mỗi đườngtruyền giữa các node có thể được các trạm cùng chia sẻ cho để truyền tin, các gói tinsắp hàng và truyền theo tốc độ rất nhanh trên đường truyền.Khả năng tryền ưu tiên: Chuyển mạch gói còn có thể sắp thứ tự cho các gói đểcó thể truyền đi theo mức độ ưu tiên. Trong chuyển mạch gói số cuộc gọi bị từ chối íthơn nhưng phải chấp nhận một nhược điểm vi thời gian trễ sẽ tăng lên.Khả năng cung cấp nhiều dịch vụ thoại và phi thoại.Thích nghi tốt nếu như có lỗi xảy ra: Đặc tính này có được là nhờ khả năng địnhtuyến động của mạng.Tăng hiệu suất đường truyền: một kết nối node-node có thể dung bởi nhiềugói,các gói xếp hàng và truyền đi nhanh nhất có thể.Các gói được nhận ngay khi mạng đang bận.Việc phát có thể chậm lại.2.2 Nhược điểm chuyển mạch góiBên cạnh những ưu điểm thì mạng chuyển mạch gói cũng bộ lộ những nhượcđiểm như:– Trễ đường truyền lớn: Do đi qua mỗi trạm, dữ liệu được lưu trữ, xử lý trướckhi được truyền đi.– Độ tin cậy của mạng gói không cao, dễ xảy ra tắc nghẽn, lỗi mất bản tin– Tính đa đường có thể gây ra lặp bản tin, làm tăng lưu lượng mạng không cầnthiết.– Tính bảo mật trên đường truyền chung là không cao.6Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch góiPhần 3: KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH GÓI3.1 Mô hình chuyển mạch góiKỹ thuật chuyển mạch gói là kỹ thuật lưu và chuyển tiếp thông tin.Dữ liệu truyền được chia thành các gói nhỏ.Mỗi gói gồm dữ liệu cộng thêm thông tin điều khiển.Phương thức truyền thông tin qua mạngMạng truyền tải thông tin giữa các user– Truyền từng khối riêng biệt– Truyền một chuỗi các khối liên tiếp3.2 Tổ chức phân lớp của CMG[ 7 lớp trong mô hình OSI]Sử dụng mô hình 7 lớp OSI để mô tả khái niệm được sử dụng ở chuyển mạchgói và chủ yếu dựa trên ba lớp bậc thấp.LớpHình thức truyềnLớp 3: Lớp mạngGóiLớp 2: Lớp liên kết dữ liệuKhungLớp 1: Lớp vật lýBit7Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch gói3.2.1 Lớp vật lýDành cho kết nối giữa thiết bị trong mạng. Thông tin trao đổi dưới dạng bit, baogồm các thông tin về số liệu, báo hiệu [điều khiển]. Các tín hiệu này dùng để trao đổitin tức cấp cao hơn giữa hai thiết bị.3.2.2 Lớp liên kết dữ liệuLà lớp chuyển tin giữa các thiết bị và yêu cầu bản tin được chuyển đi không bị lỗi,theo một trình tự chính xác. Phát hiện lỗi trong khung truyền bằng phương pháp ARQ[Automatic Repeat reQuest], bao gồm ba phương thức:– Phương thức dừng và chờ: bên phát một khung và phải chờ từ phía thu. Nếunhận được sự xác nhận là: ACK thì bên phát tiếp tục phát khung tiếp theo,ngược lại nếu là NAK thì bên phát phát lại khung đã phát.– Phương thức quay lùi: bên phát phát liên tục từng khung, nếu nhận được ACKthì tiếp tục phát, còn nếu là NAK thì nó sẽ xác định thứ tự khung lỗi đó và phátlại liên tục khung này.– Phương thức lặp lại có chọn lọc: phát liên tục các khung, nếu lỗi thì phát lạikhung bị lỗi và tiếp tục công việc dang dở.3.2.3 Lớp mạngLà lớp làm công việc sửa lỗi, điều khiển luồng theo tuyến giữa hai thiết bị đấunối với nhau. Lớp mạng tạo điều kiện cho thông tin giữa các thiết bị mà chúng khôngđược đấu nối trực tiếp với nhau [nghĩa là qua mạng].Để thiết lập kết nối lớp mạng giữa hai thiết bị,thì chúng cần có khả năng thíchứng với nhau. Mỗi thiết bị đấu nối vào mạng có địa chỉ riêng, mỗi thiết bị có thể dựavào địa chỉ của thiết bị khác mà yêu cầu thiết lập thông tin giữa chúng.Có 2 cách để xây dựng lớp mạng:– Mỗi thiết bị có một địa chỉ riêng.– Dùng tuyến nối giữa 2 thiết bị xây dựng một địa chỉ.3.2.4 Lớp truyền tảiLớp truyền tải cung cấp các dịch vụ truyền tải dữ liệu từ đầu cuối tới đầu cuối,cung cấp khả năng truyền tải có độ tin cậy giữa các thiết bị đầu cuối mà không liênquan trực tiếp tới phần cứng mạng truyền thông. Đáp ứng các yêu cầu của lớp phiênqua chất lượng dịch vụ , kích thước đơn vị dữ liệu, điều khiển luồng và các yêu cầu sữalỗi.8Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch gói3.2.5 Lớp phiênLớp phiên quản lý các dịch vụ và điều khiển luồng số liệu giữa các người sửdụng tham gia vào phiên truyền thông , các giao thức lớp phiên chỉ ra các luật vàphương pháp thực hiện phiên truyền thông mà không can thiệp vào nội dung truyềnthông.3.2.6 Lớp trình diễnLớp trình diễn chịu trách nhiệm tạo ra các khuôn dạng dữ liệu cho lớp ứng dụngtương thích giữa các ứng dụng và hệ thống truyền thông. Các giao thức lớp trình diễnđưa ra các ngôn ngữ cú pháp và tập đặc tính phù hợp cho truyền thông, đồng thời thốngnhất các mã, dữ liệu cho các dịch vụ lớp ứng dụng.3.2.7 Lớp ứng dụngCung cấp các dịch vụ truyền thông cho người sử dụng với các dạng thức sốliệu, báo hiệu điều khiển và các đáp ứng của thiết bị đầu cuối, các hệ thống giao thứcđiều khiển các ứng dụng thông qua các phần tữ dịch vụ ứng dụng, quản lý truyền thônggiữa các ứng dụng3.3 Phân loại CMGCác gói được xử lý theo 2 cách:+ Datagram+ Virtual circuit3.3.1 DatagramMỗi gói được xử lý độc lậpCác gói có thể đi theo bất cứ đường thích hợp nàoCác gói có thể đến đích không theo thứ tự gởiCác gói có thể thất lạc trên đường điBên nhận phải sắp xếp lại các gói mất trật tự và khôi phục các gói thấtlạc9Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch góiHình 3.3.1: Minh họa Datagram3.3.2 Virtual circuitÐường đi được tạo trước khi gởi các gói dữ liệu.Các gói yêu cầu cuộc gọi và chấp nhận cuộc gọi được dùng để tạokết nối [handshake].Mỗi đường đi được gán một số ID.Mỗi gói chứa ID của đường đi thay vì địa chỉ máy đíchKhông cần tìm đường cho từng gói.Ðường đi không dành riêng .10Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch góiHình 3.3.2: Minh họa Virtual circuit.Phần 4: KIẾN TRÚC TRƯỜNG CHUYỂN MẠCH GÓICấu trúc của một trường chuyển mạch gồm 3 khối chức năng :– bộ đệm đầu vào– Khối chuyển mạch không nghẽn– Khối giải quyết tranh chấp11Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch gói4.1 Cấu trúc chuyển mạch phân chia theo thời gianTDS được nhìn nhận như một cấu trúc truyền thông đơn chia sẻ tài nguyên chocác gói tin vào/ra hệ thống. Thành phần chia sẻ tài nguyên có thể là Bus, mạch vòngRing hoặc bộ nhớ. Nhược điểm lớn nhất của kỹ thuật này là giới hạn dung lượng củacấu trúc truyền thông nội.4.2 Chuyển mạch chia sẻ phương tiệnCác gói tin tại cổng vào được ghép kênh theo thời gian à chuyền trên phương tiện. Độthông qua của phương tiện chia sẻ này quyết định năng lực của toàn bộ chuyển mạch.4.3 Chuyển mạch chia sẻ bộ nhớCác gói tin ghép theo thời gian thành một luồng dữ liệu đơn và chuyển tuần tự vào bộnhớ chia sẻ.12Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch gói4.2 Chuyển mạch Croos-Bar: là một ma trận chuyển mạch hai chiều thường là matrận vuông[ NxN], được cấu tạo bởi các phần tử kết nối chéo hai trạng thái [cross- bar].Đặc tính tự kết nối là một đặc điểm riêng của trường mạch gói, chức năng này gọi làchức năng tự định tuyến.4.3 Chuyển mạch kết nối đầy đủ: Trường chuyển mạch với các kết nối trung gianđầy đủ cho phép các gói tin luôn lựa chọn được một tuyến đường giữa hai cổng củatrường chuyển mạch.4.4 Chuyển mạch trên cấu trúc Banyan: à một họ chuyển mạch tự định tuyến dựatrên các phần tử chuyển mạch [2*2]. Mạng Banyan là mạng cho phép kết nối bất kỳmột đầu vào đến một đầu ra bất kỳ.4.5 Chuyển mạch trên cấu trúc Banyan mở rộng: là phương pháp mở rộng theochiều ngang. Việc mở rộng thêm tầng đã tạo thêm cơ hội chọn đường cho các gói tinđi trong nội bộ trường chuyển mạch.13Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch gói4.6 Chuyển mạch dựa trên cấu trúc đa mặt: Nhằm mục đích tăng khả năng thôngqua của trường chuyển mạch.4.7 Chuyển mạch dựa theo cấu trúc quay vòng: được thiết kế để tránh tranh chấpđầu ra.4.8 Các chiến lược sử dụng bộ đệm trong trường chuyển mạchViệc sử dụng bộ đệm trong chuyển mạch gói giúp tăng hiệu năng, giải quyếttranh chấp, phối hợp lưu lượng và cả thiện độ thông qua của các trường chuyển mạchCác chiến lược sử dụng bộ đệm sắp xếp các hàng đợi tại các vị trí:Chuyển mạch đệm đầu vào:14Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch góiChuyểnĐặc điểmƯuNhượcmạchĐệm đầu vàoĐệm đầu raCác trườngchuyển mạch gồmmột ma trận khônggian bố trí các bộđệm tại tất cả cáccổng vào để tránhtranh cấpMỗi đầu rađược trang bị mộtbộ đệm nơi các tếbào tranh chấp tạmthời được lưu trữĐệm trungTồn tại mộttâm[hàng đợi chi bộ nhớ trung tâmsẻ]có thể được truynhập bởi tất cả cácđầu vào và đầu raDễ chuyểnmạch tốc độ cao vìchuyển mạch hàngđợi đầu vào có tốcđộ xấp xỉ tốc độcổng- có thểtăng kích thướcdễ dàngKhôngbịnghẽn đầu dòngHiệusuấttruyền tin có thể đạt81%Bộ nhớ đượcchia sẻ đồng đềuNghẽnđầudòngVấn đề sắpxếp gói tinTrường hợpxấunhấtvớichuyển mạch NxNsẽ có N tế bào tranhchấpGiới hạn bởitốc độ truy nhập bộnhớVấnđềhoggingPhần 5: KIẾN TRÚC BỘ ĐỊNH TUYẾN5.1 Kiến trúc bộ định tuyến thế hệ đầuThế hệ thứ nhất của hệ thống định tuyến là đơn giản nhất, tốc độ nhỏ hơn0.5Gbps. Xét từ quan điểm cấu trúc, trong đó chúng sử dụng một bộ xử lý tập trung, bộđệm tập trung và một bus chung kết nối đến card đường truyền [line card]. Các gói tinđi vào phải truyền trên cung một bus để được lập lịch tại một giao diện đầu ra. Cáccard giao tiếp là các thiết bị đầu ra/vào “không thông minh” do không có khả năng xửlý gói. Thiết kế này có nhiều nhược điểm, trong đo bus chỉ được sử dụng bởi một cardđường truyền tại mỗi thời điểm. Hơn nữa, gói phải truyền hai lần trên bus sau khi rờimột cổng đầu vào. Đầu tiên nó được viết vào bộ nhớ trong khi bộ xử lý thực hiện tracứu tuyến và khi đã thực hiện lập lịch, gói tin được lấy ra khỏi bộ nhớ, sau đó lạitruyền trên bus đến giao diện đầu ra thích hợp. Ngoài ra tất cả các chức năng gắn liền15Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch góivới quá trình định tuyến và chuyển gói đều được thực hiện bởi cùng một bộ xử lý, tạora một tải trọng rất lớn cho bộ xử lý này đông thời hình thành một nút thắt cổ chaitrong hệ thống.Hình 5.1: Kiến trúc bộ định tuyến thế hệ đầu5.2 Kiến trúc bộ định tuyến thế hệ thứ haiCấu trúc này có bổ xung thêm các bộ xử lý ASIC đặc biệt và một vài bộ nhớtrong card đường truyền, tốc độ nhỏ hơn 5Gbps. Những thành phần bổ sung này có khảnăng tìm kiếm trong tiêu đề gói để lấy các thông tin về đích và lưu đệm gói cho đến khibus rỗi. Các bộ xử lý về tinh trong card đường truyền, mỗi bộ có một cache để lưu mộtsố tuyến được sử dụng gần đây nhất, cho phép card đường truyền thực hiền việc tracứu tuyến, nhưng việc phân xử bus vẫn do bộ xử lý trung tâm thực hiện. bộ đệm cachenày được cập nhật theo định kỳ. Nếu một tuyến không có trong cache đó thì bộ xử lýchính mới thực hiện việc tìm kiếm định tuyến này. Kỹ thuật này làm giảm tải trọng cầnxử lý cho CPU nhưng việc phân xử lý bus vẫn còn một nút cổ chai. Các cấu trúc bộđịnh tuyến thế hệ thứ hai chỉ tồn tại trong thời gian ngắn do không có khả năng hộ trợđược nhu cầu thông lượng cao trong mạng lõi. Đầu tiên, nhược điểm của cấu trúc nàylà sự tắc nghẽn: băng tần được chia sẻ cho tất cả các cổng, dẫn đến sự tranh chấp gâythem trễ [các trễ chuyển gói]. Trong các trường hợp tắt nghẽn, tốc độ chuyển gói vượtquá khả năng của bus, các bộ đệm sẽ bị tràn dẫn đến mất dữ liệu. Thứ hai là, các bus16Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch góidùng chung tốc độ cao rất khó thiết kế, vì phải truyền các tín hiệu điện đến nhièu cổngbus, tín hiệu phải truyền qua nhiều bộ kết nối, vá sự phản xạ từ cuối các đường truyềnkhông được kết cuối dẫn đến những hạn chế về khả năng chuyển gói của bus.Hình 5.2: Kiến trúc bộ định tuyến thế hệ thứ hai5.3 Kiến trúc bộ định tuyến thế hệ thứ baĐể giải quyết vẫn đề tắc nghẽn cảu hệ thông định tuyến thế hệ thứ hai, thế hệđịnh tuyến thứ ba được thiết kế với mục tiêu thay thế bus sử dụng chung bằng trườngchuyển mạch, tốc độ nhỏ hơn 50Gbps. Các thiết kế cho hệ thống định tuyến thế hệ banhằm giải quyết cho ba vẫn đề tiềm tàng trước đây: năng lực xử lý, kích thước bộ nhớ,và băng thông của bus. Cả ba vẫn đề này đều có thể tránh được bằng các sử dụng mộtkiến trúc với tiềm tàng là một ma trận chuyển mạch và các giao diện được thiết kế mộtcác hợp lý. Một bước tiến qua trọng trong việc xây dựng các hệ thống định tuyến hiệunăng cao là tang cường xử lý cho từng giao diện mạng để giảm thiểu khối lượng xử lýcà nguồn tài nguyên bọ nhớ của hệ thống định tuyến. Các bộ xử lý đa năng và cácmạch thich hợp hoàn toàn có thể giải quyết vấn đề này. Tuy nhiên khả năng xử lý tổngthể cho các gói tin qua hệ thống như thế nào còn phụ thuộc vào khả năng tìm và chontuyến, cũng như kiến trúc đượng lựa chọn.17Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch góiHình 5.3: Kiến trúc bộ định tuyến thế hệ thứ baPhần 6: ĐỊNH TUYẾN TRONG CHUYỂN MẠCH GÓI6.1 Khái niệm về định tuyếnĐịnh tuyến là một công việc quan trọng trong quá trình truyền tin qua mạng. Nóđược thực hiện ở tầng mạng [tầng 3 theo mô hình tham chiếu OSI]. Mục đích của địnhtuyến là chuyển thông tin của người sử dụng từ điểm nguồn đến điểm đích.Quá trình địnhtuyến [routing] bao gồm hai hoạt động chính, đó là: xác định đường truyền [pathdetermination] và chuyển tiếp thông tin [forwarding] theo đường đó [còn được gọi làswitching]. Việc truyền thông tin đi theo con đường đã chọn có thể nói là khá đơn giản[về mặt thuật toán], trong khi đó, việc xác định đường truyền phức tạp hơn rất nhiều.18Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch góiHình 6.1: Định tuyếnTrong các mạng thông tin khác nhau, việc xác định đường truyền cũng diễn rakhác nhau. Tuy nhiên, cách xác định đường truyền nào cũng bao gồm hai công việc cơbản. Thứ nhất là thu thập và phân phát thông tin về tình trạng của mạng [ví dụ nhưtrạng thái đường truyền, tình trạng tắc nghẽn...] và của thông tin cần truyền [ví dụ nhưlưu lượng, yêu cầu dịch vụ...]. Các thông tin này sẽ được sử dụng làm cơ sở cho việcxác định đường truyền. Thứ hai là chọn ra đường truyền khả dụng [cũng có thể là đườngtruyền tối ưu] dựa trên các thông tin trạng thái trên. Đường truyền khả dụng là đườngtruyền thoả mãn mọi yêu cầu của thông tin cần truyền [ví dụ: tốc độ] và điều kiện củamạng [ví dụ: khả năng của đường truyền]. Còn đường truyền tối ưu [theo một tiêu chuẩnnào đó] là đường truyền tốt nhất trong những đường truyền khả dụng.6.2 Mục đính của định tuyếnTừ các phần đã trình bày trên đây có nhận xet rằng thuộc tính Topo quan trọngcủa mạng chuyển mạch gói hiện thực là tồn tại nhiều đường, nhiều hướng có thể sửdụng để truyền tải các gói dữ liệu giữa nguồn và đích. Đương nhiên sự hoạt động củamạng phải bao gồm các phương pháp nhờ đó các gói tin tìm được đường đi tố nhấthoặc tương đối tốt.Thuật ngữ đường tốt nhất có thể hiểu theo các tiêu chí khác nhau. Ví dụ đó làđường đi ngắn nhất, chất lượng truyền dẫn tốt nhất, độ tin cậy cao nhất, độ trễ nhỏ nhấthay ít bị tắc nghẽn v.v...Việc tìm được một tuyến [hướng] tốt nhất qua mạng chuyển mạch gói là một bàitoán rất phức tạp. Thông tin cần phải được xác định và mô tả rõ ràng về độ sẵn sàng,khả dụng của những đường có thể truyền tin khác nhau, chọn và định nghĩa các tiêu chí19Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch góitối ưu và cuối cùng là hướng qua đó phải truyền được gói số liệu tới đích. Có nhiềuphương pháp định tuyến được ứng dụng trong mạng chuyển mạch gói.6.3 Các phương thức định tuyến6.3.1 Định tuyến tĩnh và định tuyến độngĐịnh tuyến tĩnh[ hay định tuyến không thích nghi] là kỹ thuật định tuyến trongđó việc định tuyến chỉ phải thực hiện một lần khi xây dựng mạng. Sau đó, các thông tinvề việc định tuyến được lưu trong các bảng định tuyến cho các node. Sau này, khi mạnghoạt động, nếu giá trị của link thay đổi thì các bảng định tuyến này cũng không đượccập nhật lại. Nếu muốn thay đổi các thông tin trong bảng định tuyến, người quản trịmạng phải trực tiếp ra lệnh thực hiện các thuật toán định tuyến để tạo ra thông tin địnhtuyến mới. Thông thường, với định tuyến không thích nghi, bảng định tuyến có thể đưara một số con đường thay thế khi con đường chính gặp sự cố [quá tải, hỏng].Hình 6.3.1: Cấu hình định tuyến tĩnhĐịnh tuyến động[ hay định tuyến thích nghi] là kỹ thuật định tuyến trong đó việctính toán đường truyền tối ưu được thực hiện nhiều lần trong khi mạng hoạt động. Cứsau một khoảng thời gian quy định trước hoặc mỗi khi mạng có sự thay đổi về cấuhình, trạng thái thì thông tin về mạng lại được gửi tới những nơi có nhiệm vụ thực hiệnđịnh tuyến để tiến hành định tuyến lại. Có một loại thuật toán định tuyến được gọi làđịnh tuyến thích nghi cách ly. Theo cách định tuyến này, các node không gửi cũngkhông nhận thông tin thay đổi về tình trạng mạng. Các node lựa chọn con đường tùytheo kết quả của những lần truyền trước được phản hồi lại.20Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch gói6.3.2 Định tuyến tập trung và định tuyến phân tánMột cách phân loại phổ biến chia các phương pháp định tuyến ra làm hai loạidựa trên các tính toán định tuyến: định tuyến tập trung và định tuyến phân tán. Khi việctính toán được thực hiện tại một điểm và sau đó kết quả được chuyển tới các node trongmạng, ta gọi đó là định tuyến tập trung. Còn khi việc tính toán được thực hiện ở các nodetrong mạng, ta gọi đó là định tuyến phân tán.Trong định tuyến tập trung, trung tâm tính toán cần phải biết tất cả các thông tinvề mạng. Các node có nhiệm vụ gửi thông tin về cấu hình của phần mạng ở xungquanh nó về cho trung tâm này. Đồng thời, cần có một khoảng thời gian để có thểtruyền thông tin cập nhật tới tất cả các node. Đối với trung tâm xử lý, phải đảm bảo yêucầu rất cao về độ tin cậy trong hoạt động, bởi hoạt động của mạng bị ảnh hưởng rất lớnnếu trung tâm xử lý mà gặp sự cố. Chính vì lý do này mà định tuyến tập trung khôngđược sử dụng nhiều trong các mạng hiện tại.Các thuật toán định tuyến ngắn nhất dựa trên thuật toán Dijkstra, đặc biệt làthuật toán Floyd thích hợp với việc xử lý tập trung bởi các thuật toán này khi thực hiệntính toán cần có đầy đủ thông tin về mạng. Các thuật toán này cũng có thể được dùngtrong mô hình xử lý phân tán. Nhưng, khi đó, các node đều cần phải biết thông tin vềtoàn bộ cấu hình mạng, nên mỗi khi mạng có thay đổi, thông tin này cần phải đượcchuyển tới tất cả các node, làm cho chi phí của việc định tuyến tăng lên rất cao.Định tuyến phân tán giúp nâng cao độ tin cậy của mạng, khi có một node hỏng,việc định tuyến ở các node xung quanh cũng không bị ảnh hưởng. Thêm nữa, bảng địnhtuyến tại mỗi node nhanh chóng được cập nhật hơn.6.3.3 Định tuyến nguồn và định tuyến từng bướcCác phương pháp định tuyến cũng có thể phân loại dựa vào cách tạo ra tuyếnđường. Nếu tuyến đường được xác định ngay từ ở node nguồn, các node trung gian trênđường đi chỉ làm nhiệm vụ chuyển tiếp gói tin thì ta gọi là định tuyến nguồn [Sourcerouting hay Host-Intelligent]. Còn nếu tuyến đường không được xác định ngay từ đầu,mà được phân thành nhiều đoạn do các node khác nhau chọn, thì ta gọi là định tuyếntừng bước [Hop-by- Hop hay Router-Intelligent].Theo phương pháp định tuyến nguồn, mỗi gói tin khi truyền trên mạng đều phảimang theo toàn bộ thông tin về tuyến đường của mình. ở mỗi node chỉ việc căn cứ vàothông tin này mà chuyển tiếp gói tin. Còn theo cách định tuyến từng bước, mỗi gói tinchỉ cần mang địa chỉ đích là đủ. Do đó, tiêu để của gói tin sẽ bé hơn.Định tuyến từng bước đáp ứng nhanh hơn với những thay đổi trong mạng[những thay đổi này ảnh hưởng tới gói tin ngay khi gói tin đang được truyền trongmạng]. Nhưng đồng thời, định tuyến từng bước có thể làm cho các gói tin bị chuyển đitheo vòng. Còn định tuyến nguồn đảm bảo gói tin sẽ đi thẳng tới đích.21Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch gói6.3.4 Định tuyến phân cấp và không phân cấpTrong định tuyến không phân cấp, tất cả các node được coi là ngang hàng vớinhau. Trong khi đó, định tuyến phân cấp phân các node ra thành nhiều cấp khác nhau.Cácnode thuộc các node khác nhau có những khả năng định tuyến thông tin khác nhau.Định tuyến phân cấp đơn giản hơn nhiều so với định tuyến không phân cấp, tuynhiên, kết quả không tốt bằng.Trong định tuyến phân cấp, các node chỉ cần biết thông tin về các node đồngcấp, cùng vùng, mà không cần biết cấu hình của mạng ở các vùng khác, cấp khác. Đểđịnh tuyến sang một node ở vùng khác, nó chuyển công việc lên cho node cấp trên.Trong định tuyến không phân cấp, bảng định tuyến ở mỗi node chứa thông tin vềtất cả các node trong mạng nó có thể tới. Do đó, cần phải có lượng bộ nhớ lớn hơn đểlưu trữ bảng định tuyến, đồng thời cũng cần nhiều đường truyền dành cho việc trao đổithông tin định tuyến giữa các node hơn. Ưu điểm của định tuyến không phân cấp là nócó thể đáp ứng tốt với vấn đề xử lý lưu lượng, đối phó tốt với lỗi xảy ra, do đó nâng caođược độ tin cậy của mạng. Trong khi đó, định tuyến phân cấp làm cho hoạt động củamạng bị phụ thuộc vào các node cấp trên, nếu các node này hỏng, mạng sẽ bị tách rathành nhiều phần không liên lạc được với nhau.6.4 Các thuật toán định tuyến6.4.1 Thuật toán Bellman-Ford và định tuyến vectơ khoảng cáchThuật toán Bellman-Ford được sử dụng trong mô hình tập trung để tính toánmột đường dẫn ngắn nhất giữa một node nguồn và một node đích. Trong mô hình phântán, thuật toán được sử dụng để tính toán các đường dẫn ngắn nhất.a, Mô hình tập trung.Để xem xét thuật toán Bellman-ford trong tiếp cận mô hình tập trung, ta xem xétví dụ một mô hình hóa mạng trên hình 3.22. Mô hình mạng ví dụ được thể hiện qua mộtđồ thị có trọng số thể hiện trên các liên kết, kết quả tính toán đường dẫn ngắn nhất dựatrên các trọng số trên đồ thị. Gọi dij là trọng số [giá] liên kết giữa node i và node j, Dijlà giá tối thiểu giữa node i và node j. Nếu hai node không có kết nối trực tiếp giá liênkết được đặt bằng ∞. Gọi nút trung gian có kết nối trực tiếp tới một trong hai node là kvà biểu thức Bellman-Ford được biểu diễn như sau.22Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch góiHình 6.4.1a: Ví dụ về mô hình kết nối mạngWii = 0 với mọi i, Wij min { Wik + wkj} với i ≠j.Như vậy, giá tối thiểu phụ thuộc vào giá tối thiểu từ i tới k và giá của liên kết kj.Có thể có nhiều node k kết nối trực tiếp tới node j[k1, k2,..] ngoại trừ nodek=i .Hình 6.4.1b: Thuật toán Bellman-Ford tập trungMột vấn đề quan trọng trong thuật toán này là: nếu node k không kết nối trựctiếp tới node j nên dkj=∞. Với giả thiết đã biết giá tối thiểu Dik từ node i tới node k,23Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch góitrong tính toán thực tế, một biến chạy được sử dụng để tính giá tối thiểu sau một sốbước, ta có giá tối thiểu sau bước thứ h là D[h]ij.b, Mô hình phân tán.Trong tiếp cận mô hình phân tán, các node mạng tự tính toán trên cơ sở thôngtin thu nhân được từ mạng để xác định con đường ngắn nhất từ tới đích bất kỳ. Vì vậy,node nguồn cần biết giá đường dẫn ngắn nhất tới tất cả các node trung gian tới đíchDik. Theo mô hình phân tán, ta tìm kiếm các liên kết ra khỏi node i trực tiếp tới node kvới giá liên kết dik và coi giá liên kết tối thiểu giữa k và j là Djk mà không cần biết cáchthức xác định giá trị này của k. Danh sách các kết nối trực tiếp tới i được ký hiệu là Ni.Nếu node i tìm được một node lân cận của nó có đường đi ngắn nhất tới đích, nó cóthể sử dụng thông tin này để xác định giá tới đích bằng cách cộng với giá liên kết dik.Trong phương pháp tính theo vector khoảng cách, một node nhờ vào các nodelân cận đã biết giá của đường đi tới đích để xác định tuyến tốt nhất. Để thực hiệnnhiệm vụ đó, phương pháp này thường xuyên tính toán lại theo định kỳ hoặc khi cóthông tin từ các node lân cận. Ý tưởng then chốt của thuật toán trong mô hình phân tánlà node k cần phân tán giá của nó tới node j [Dkj] tới tất cả các kết nối trực tiếp tới i,phụ thuộc vào i và thời gian. Sự khác biệt với thuật toán Bellman-Ford tập trung là thứtự tính toán cùng với các liên kết đã đưa ra một góc độ khác để tính toán đường dẫnngắn nhất.6.4.2 Thuật toán DijkstraThuật toán Dijkstra là một kiểu tiếp cận khác trong kỹ thuật tìm đường dẫn ngắnnhất giữa hai node trong mạng. Thuật toán Dijkstra hoạt động trên một tập node ứngcử lân cận của node nguồn để tính toán và định đường dẫn ngắn nhất tới một nodeđích.Một đặc tính nổi trội của thuật toán Dijkstra là có thể tính toán các đường dẫnngắn nhất tới tất cả các node đích từ một node nguồn, thay vì tính toán theo từng cặpnguồn - đích. Thuật toán Dijkstra cũng được phân loại hoạt động theo mô hình tậptrung và phân tán.24