Chuyển mạch IP trong mạng máy tính

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 1 LỜI NÓI ĐẦU .4 PHẦN I TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN MẠCH IP 5 CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG . 6 1.1 Định tuyến trong chuyển mạch gói truyền thống 6 1.2 ATM & IP . 8 1.3 IP over ATM 10 CHƯƠNG 2. ĐÁNH ĐỊA CHỈ VÀ ĐỊNH TUYẾN IP 12 2.1 Mô hình chồng giao thức TCP/IP . 12 2.2 Đánh địa chỉ IP 13 2.3 Định tuyến IP 15 2.4 Các giao thức định tuyến trong IP 17 2.4.1 Định tuyến theo vectơ khoảng cách .19 2.4.2 Định tuyến trạng thái đường .21 2.4.3 RIP (Routing Information Protocol) .23 2.4.4 OSPF (Open Shortest Path First) 29 2.4.5 BGP (Border Gateway Protocol) 36 PHẦN II CHUYỂN MẠCH IP VÀ ỨNG DỤNG 39 CHƯƠNG 3. CHUYỂN MẠCH IP .40 3.1 Định nghĩa và các thuật ngữ .40 3.1.1 Chuyển mạch IP 40 3.1.2 Đầu vào và đầu ra của chuyển mạch IP 42 3.1.3 Đường tắt 43 3.2 Các mô hình địa chỉ của chuyển mạch IP 45 3.2.1 Địa chỉ riêng 45 3.2.2 Ánh xạ địa chỉ IP sang VC . 46 3.3 Các mô hình chuyển mạch IP .46 3.3.1 Mô hình xếp chồng . 46 3.3.2 Mô hình đồng cấp 48 3.4 Các kiểu chuyển mạch IP 49 3.4.1 Giải pháp chuyển mạch theo luồng 49 3.4.2 Giải pháp chuyển mạch theo cấu hình . 51 3.5 Một số giải pháp trong chuyển mạch IP .53 CHƯƠNG 4. CHUYỂN MẠCH THẺ CỦA CISCO .56 4.1 Giới thiệu chuyển mạch thẻ .56 4.2 Kiến trúc của chuyển mạch thẻ .57 4.3 Các thành phần .59 4.4 Các phương pháp cấp phát thẻ 62 4.4.1 Phương pháp downstream .62 4.4.2 Phương pháp downstream on demand 63 4.4.3 Phương pháp upstream .64 4.5 Giao thức phân phối thẻ .64 4.5.1 Chức năng của TDP .65 4.5.2 Các kiểu đơn vị giao thức TDP .65 CHƯƠNG 5. ỨNG DỤNG CỦA CHUYỂN MẠCH IP 65 5.1 Chuyển mạch IP hỗ trợ lưu lượng đa hướng .65 5.1.1 IFMP hỗ trợ lưu lượng đa hướng .65 5.1.2 CSR và Multicast 65 5.1.3 Hỗ trợ đa hướng trong chuyển mạch thẻ .65 5.1.4 ARIS và dịch vụ đa hướng .65 5.2 Mạng chuyển mạch IP . 65 5.2.1 Chuyển mạch IP của hãng Ipsilon 65 5.2.2 Mạng CSR 65 3.2.3 Mạng chuyển mạch thẻ 65 5.2.4 Mạng ARIS 65 KẾT LUẬN 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

doc85 trang | Chia sẻ: lvcdongnoi | Ngày: 02/07/2013 | Lượt xem: 2310 | Lượt tải: 2download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Chuyển mạch IP trong mạng máy tính, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
ức của diễn đàn ATM tuy nhiên, có sử dụng các giá trị VPI/VCI để liên kết thông tin lớp IP với một kết nối VC. Đặc điểm của chế độ địa chỉ IP-to-VC là: Chỉ sử dụng một địa chỉ duy nhất là địa chỉ IP Chỉ sử dụng một giao thức định tuyến để thông báo địa chỉ mạng IP Sử dụng giao thức ánh xạ IP-to-VC để liên kết gói tin IP với một đường tắt. Chế độ địa chỉ chuyển đổi này được sử dụng trong tất cả bộ chuyển mạch IP ngang hàng với nhau và những khi không sử dụng giao thức của diễn đàn ATM hoặc sử dụng để thiết lập một đường dẫn tắt. Các giải pháp chuyển mạch IP sử dụng chế độ địa chỉ này rất nhiều như IFMP, GSMP,... 3.3 Các mô hình chuyển mạch IP Có hai chế độ cơ bản của chuyển mạch IP, chúng khác nhau ở cách sử dụng hoặc không sử dụng các giao thức của diễn đàn ATM và thuộc kiểu cấu trúc thiết bị chuyển mạch IP hay chuyển mạch IP ảo. Đó là chế độ ngang hàng (Peer) và chồng phủ (Overlay). 3.3.1 Mô hình xếp chồng Chế độ chồng phủ của chuyển mạch IP là chế độ mà lớp IP chạy trên đầu lớp ATM. Hay nói cách khác, nó bao gồm các thiết bị IP với địa chỉ IP chạy giao thức định tuyến IP và thiết bị ATM (như máy chủ IP, bộ định tuyến IP, chuyển mạch ATM) với địa chỉ ATM chạy các giao thức báo hiệu và định tuyến ATM. Do vậy, có thể nói chế độ chồng phủ là chế độ đơn giản nhất bởi vì các thành phần IP và ATM đều sẵn có và chạy hầu hết các giao thức cơ bản. Tuy nhiên có nhược điểm là hiệu năng hoạt động không cao bởi sẽ có nhiều chức năng được lặp lại bởi luôn tồn tại 2 kiểu địa chỉ và chạy trên 2 bộ giao thức cùng chức năng. Đặc điểm của chế độ chồng phủ: Sử dụng chế độ địa chỉ tách biệt Chạy các giao thức định tuyến tách biệt: IP (OSPF, BGP,...), ATM (PNNI), nghĩa là sử dụng hai cấu hình tách biệt và mỗi cấu hình không quan tâm đến nhau. Ví dụ, một bộ định tuyến IP chạy giao thức OSPF chỉ biết cấu hình của mạng IP mà không biết và không thấy chuyển mạch ATM. Nếu sử dụng SVC thì yêu cầu có sự phân giải địa chỉ giữa IP - ATM và thực hiện giao thức định tuyến/ báo hiệu UNI/PNNI để thiết lập đường định tuyến bình thường cũng như đường dẫn tắt. Thông thường sử dụng cho cấu trúc chuyển mạch IP ảo Hỗ trợ các đường định tuyến mặc định (Lớp 3) và đường tắt (Lớp 2) Có cùng một phiên bản cho kỹ thuật IP trên các mạng đa truy nhập không quảng bá khác (NBMA). Một ví dụ của chế độ chồng phủ được minh hoạ như hình vẽ 3.3 sau: Hình 3.3: Ví dụ về chế độ xếp chồng của chuyển mạch IP Trong ví dụ này, sử dụng chế độ địa chỉ tách biệt và dựa trên thiết bị mạng IP và ATM có sẵn.Đường định tuyến mặc định giữa biên vào và ra mạng xuyên qua một chuỗi các IPCP #1 và IPCP#2 (IPCP: Điểm điều khiển giao thức IP). Đường dẫn tắt được thiết lập giữa biên vào và ra, bỏ qua các chặng định tuyến trung gian là IPCP #1 và IPCP#2. Tại đầu vào mạng, biên vào phải xác định được địa chỉ ATM của biên ra, sau đó nó thực hiện các giao thức định tuyến và báo hiệu ATM để thiết lập đường chuyển mạch lớp 2 qua các bộ chuyển mạch ATM 1,3 và 4. Trong trường hợp này, gói tin được truyền qua đường tắt không cùng liên kết vật lý và Node như khi nó được truyền qua đường định tuyến mặc định lớp 3. Điều này cũng rất hợp lý bởi vì giao thức định tuyến và báo hiệu ATM quyết định đường SVC từ biên vào đến biên ra chỉ phụ thuộc vào cấu hình mạng ATM mà không phụ thuộc vào cấu hình mạng IP. 3.3.2 Mô hình đồng cấp Trong chế độ này, các bộ chuyển mạch IP thành phần chỉ sử dụng địa chỉ IP và giao thức định tuyến IP. Chế độ ngang hàng cũng sử dụng một giao thức điều khiển riêng để thực hiện sự ánh xạ lưu lượng IP vào các đường tắt. Đặc điểm của chế độ ngang hàng: Chỉ sử dụng một kiểu địa chỉ duy nhất: địa chỉ IP Chỉ sử dụng một giao thức định tuyến Chuyển mạch IP sử dụng các giao thức điều khiển đặc biệt để ánh xạ các gói tin vào các đường tắt: đường chuyển mạch lớp 2. Hỗ trợ cả đường định tuyến mặc định và đường tắt. Hình vẽ 3.4 sau minh hoạ chế độ ngang hàng. Hình 3.4: Ví dụ về chế độ ngang hàng của chuyển mạch IP Địa chỉ IP-VC được thực hiện bởi vì không có sự có mặt của thành phần chuyển mạch ATM và chạy các giao thức của diễn đàn ATM. Ở ví dụ này, đường dẫn tắt trùng với đường định tuyến mặc định xét về tính vật lý của node và liên kết. Sỡ dĩ có sự giống nhau bởi vì trong chế độ này ta chỉ dùng một giao thức định tuyến IP để tính một đường dẫn tối ưu đến một đích dựa vào cấu hình mạng IP. Bảng 3.1 sau đây sẽ đưa ra sự so sánh tóm tắt giữa các chế độ chuyển mạch IP. Thuộc tính Overlay Peer Chế độ địa chỉ Địa chỉ tách biệt (IP và ATM) Địa chỉ đơn (IP) và sử dụng ánh xạ trực tiếp IP-to-VC Giao thức định tuyến Yêu cầu cả IP và ATM Chỉ yêu cầu IP Yêu cầu các giao thức của ATM Có Không Yêu cầu các giao thức đặc biệt IP-to-Shortcut Không Có Đường định tuyến lớp 3 và đường chuyển mạch lớp 2 Không trùng nhau Trùng nhau Các thành phần chuyển mạch IP Chuyển mạch IP ảo, bộ định tuyến, máy chủ Chuyển mạch IP, bộ định tuyến, máy chủ Triển khai ở các mạng MPOA, Bộ định tuyến gán với mạng ATM Chuyển mạch IP chạy IFMP/GSMP, ARIS, ... 3.4 Các kiểu chuyển mạch IP Các tiêu chuẩn cho việc thiết lập và phân loại lưu lượng để truyền vào các đường chuyển mạch lớp 2 phụ thuộc vào các kiểu và giao thức của các giải pháp chuyển mạch IP. Nói một cách tổng quát, có hai giải pháp cho chuyển mạch IP là giải pháp theo lưu lượng và giải pháp theo cấu hình mạng 3.4.1 Giải pháp chuyển mạch theo luồng Luồng (flow) là một chuỗi các gói có cùng địa chỉ nguồn, địa chỉ đích và số cổng vào, ra. Giải pháp chuyển mạch IP theo luồng dữ liệu là giải pháp chỉ áp dụng cho từng luồng cụ thể. Hoạt động cơ bản của chuyển mạch IP dựa theo luồng lưu lượng được minh hoạ như ở hình vẽ 3.5 và bao gồm các bước sau đây: Giải pháp này tiến hành dựa vào các bước cơ bản sau: Đầu tiên N gói tin của một luồng được định tuyến theo từng chặng qua một hay nhiều thực thể định tuyến IP (R1, R2,..., RN) đến đích. Các thực thể định tuyến Ri này thuộc các bộ định tuyến IP, bộ định tuyến IP ảo, hoặc các bộ định tuyến được kết nối với nhau bằng các kết nối ATM. Dựa vào đặc tính của luồng IP ví dụ kiểu lưu lượng, số cổng, địa chỉ IP nguồn/đích, tốc độ đến, ... các thực thể định tuyến IP (tại biên cũng như ở giữa mạng) quyết định khởi đầu một chu trình tái điều khiển. Chu trình tái định hướng này liên quan đến việc yêu cầu hệ thống thiết lập một đường tắt chuyển mạch lớp 2 và điều khiển lưu lượng truyền qua đường tắt vừa thiết lập. Một khi luồng IP được tái điều khiển thì tất cả các gói tin còn lại được truyền qua đường chuyển mạch lớp 2. RB1B RB2B RN : N gói tín : N gói tín Nguồn Đích ATM Switch ATM Switch ATM Switch (N +1)+M gói tín (N +1)+M gói tín Tái điều khiển Hình 3.5: Chuyển mạch IP kiểu hướng dữ liệu Hình vẽ 3.5 minh hoạ kiểu chuyển mạch này. Kiểu chuyển mạch IP theo luồng dữ liệu có nhiều ưu điểm. Thứ nhất, nó không cần thiết chuyển mạch tất cả các luồng lưu lượng của tất cả các luồng. Bởi vì không phải luồng dữ liệu nào cũng cần thiết phải yêu cầuchuyển mạch như luồng ICMP “ping”, hay thư điện tử tối ưu,... Thứ hai, sự tái điều khiển chỉ được thực hiện riêng cho từng luồng cụ thể do đó, đảm bảo chất lượng gói tin truyền qua luồng đó. Tóm lại, đặc điểm cơ bản của kiểu chuyển mạch IP theo dữ liệu là: Tuỳ vào tình trạng của một luồng cụ thể mà thiết bị chuyển mạch IP quyết định thiết lập một đường chuyển mạch cho luồng đấy từ ứng dụng đến ứng dụng khác hay từ máy chủ đến máy chủ. Một luồng được định nghĩa là một chuỗi các gói tin có chung các thông tin tiêu đề như địa chỉ IP đích/ nguồn hay số cổng TCP/UDP. Sự tái điều khiển được thực hiện độc lập cho mỗi luồng và phạm vi có thể chỉ ở các thiết bị chuyển mạch lân cận nhau hoặc xuyên suốt từ biên vào và ra mạng. Nghĩa là các thiết bị chuyển mạch có thể xử lý khác nhau cho cùng một luồng lưu lượng. Nếu một đường tắt không tồn tại hoặc tự nhiên biến mất thì các gói tin phải được định tuyến đến đích. Các đường tắt được thiết lập dựa vào lưu lượng mang trạng thái mềm nghĩa là chúng sẽ huỷ bỏ nếu không được làm tươi trước một thời gian định trước (time out). 3.4.2 Giải pháp chuyển mạch theo cấu hình Chuyển mạch IP theo cấu hình dựa trên cấu hình mạng IP và sử dụng các giao thức định tuyến IP thông thường (như OSPF, BGP...) và được thực hiện tại các thực thể định tuyến IP của chuyển mạch IP. Các thẻ mới (VPI/VCI) được kết hợp với địa chỉ mạng IP đích để chỉ ra một mạng đích. Chúng được tạo ra và phân phối tới các chuyển mạch IP khác trong miền định tuyến. Tất cả lưu lượng đã được dự tính trước cho một mạng đích cụ thể sẽ đi theo một đường dẫn chuyển mạch dựa trên các thẻ VPI/VCI mới. Hoạt động cơ bản của chuyển mạch IP dựa theo cấu hình được minh hoạ như ở hình vẽ 3.6. Hình 3.6: Chuyển mạch IP theo cấu hình Quá trình chuyển mạch bao gồm các bước sau: Bước 1: Hội tụ các chuyển mạch IP trên một cấu hình mạng dựa vào sự thay đổi các bản tin giao thức định tuyến giữa các thực thể định tuyến IP (R1,R2, ... Rn). Bước 2: Các thẻ VPI/VCI mới được kết hợp với địa chỉ mạng đích theo dạng: {địa chỉ mạng đích, thẻ} được tạo ra và phân phối tới các thành phần của chuyển mạch IP trong miền định tuyến. Bước 3: Đầu vào của chuyển mạch IP kiểm tra địa chỉ mạng đích của các gói vào mạng. Thay vì chuyển tiếp các gói đến địa chỉ IP trong chặng tiếp theo, đầu vào chuyển mạch IP đặt các gói lên một đường dẫn chuyển mạch để đến mạng đầu ra. Tất cả lưu lượng đến đích đó truyền qua một đường dẫn chuyển mạch từ mạng đầu vào đến mạng đầu ra. Bước 4: Tại đầu ra chuyển mạch IP nhận được các gói qua đường dẫn chuyển mạch và chuyển tiếp chúng đến lớp 3 để tới mạng đích. Giải pháp điều khiển theo cấu hình cho chuyển mạch IP cải thiện hiệu năng và tính linh hoạt so với giải pháp điều khiển luồng. Thứ nhất, tất cả lưu lượng gồm một hoặc nhiêu luồng đến cùng một mạng đích được chuyển mạch. Mặt khác toàn bộ lưu lượng được chuyển mạch, không chỉ có phần đuôi như trong trường hợp chuyển mạch IP theo luồng. Thứ hai, chuyển mạch IP theo cấu hình có trễ thời gian xử lý gói tin thấp hơn nhiều so với phương pháp theo luồng bởi vì các đường dẫn chuyển mạch chỉ được thiết lập sau khi có thay đôi cấu hình hoặc sau khi điều khiển lưu lượng. Nếu cấu hình ổn định, các đường dẫn chuyển mạch sẽ được thiết lập và tất cả lưu lượng thích hợp sẽ được truyền qua nó. Xét về phương diện qui mô thì giải pháp theo cấu hình là tốt hơn. Bởi vì số đường dẫn chuyển mạch trong một miền định tuyến là cân đối với số lượng các bộ định tuyến hay kích thước của mạng. Ngoài ra, có thể cho phép các mức cao hơn sử dụng các kết nối đa điểm đến điểm (ví dụ sự hợp nhất VC) để dùng chung một tập mạng đích. Bên cạnh những ưu điểm nêu trên thì kỹ thuật này cũng có nhiều hạn chế so với kỹ thuật thứ nhất. Thứ nhất, được lợi về qui mô và hiệu năng thực hiện thì phải trả giá về chi phí. Chuyển mạch theo cấu hình dựa vào cấu hình mạng để thiết lập tất cả các đường tắt có thể có ngay cả với những đường không có lưu lượng truyền qua do đó làm lãng phí tài nguyên. Thứ hai, theo kỹ thuật này việc thực hiện cung cấp QoS cho dịch vụ là khó khăn bởi vì các đường tắt cho các luồng là cố định về thời gian và tính tối ưu. Thứ ba, có thể sinh ra các vòng lặp bởi vì nếu sự cập nhật bảng định tuyến là chưa chính xác (chưa kịp thời) thì các thiết bị chuyển mạch sẽ xác định các thẻ không chính xác dẫn đến khả năng bị lặp. Tóm lại, các đặc điểm cơ bản của chuyển mạch IP theo cấu hình là: Đường tắt được thiết lập dựa vào sự tồn tại của các mạng đích và chỉ được thiết lập sau khi có sự thay đổi trong cấu hình. Tất cả lưu lượng có cùng một luồng đều được chuyển mạch qua đường tắt. Đầu ra của các chuyển mạch IP nhận được một thẻ mới tương ứng với một địa chỉ đích. Thông thường chuyển tiếp IP được thực hiện nhưng thay vì chuyển trực tiếp các gói đến địa chỉ IP của chặng tiếp theo, đầu vào chuyển mạch IP được bổ sung thêm vào các thẻ mới và đặt các gói lên một đường dẫn chuyển mạch. Tại mỗi thành phần chuyển mạch trung gian, các gói (hay các tế bào) được tráo thẻ. Đầu ra chuyển mạch IP nhận được các gói từ đường dẫn chuyển mạch, loại bỏ thẻ và sau đó chuyển tiếp các gói sử dụng các thủ tục lớp 3 thông thường. Các gói có thể được định tuyến lớp 3 thông thường đến đích nếu một đường tắt gặp sự cố. Có thể gây ra các vòng lặp ngắn tại lớp 2. 3.5 Một số giải pháp trong chuyển mạch IP 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 4.1: Cơ cấu tráo thẻ 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. Chuyển mạch gói tin dựa vào thẻ trên đỉnh ngăn xếp A X Gói tin C X Gói tin Gói tin Y Gói tin X TSR #1 TSR #5 Hình 4.5: Ngăn xếp thẻ 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 xếp thẻ. Bây giờ, gói tin có 2 thẻ và nó được truyền đi theo nội dung của thẻ phía trên đỉnh xuyên qua mạng chuyển mạch. Giả sử tại TSR #5, yêu cầu loại bỏ chế độ ngăn xếp thẻ, TSR #5 tiến hành loại bỏ thẻ đỉnh và dùng thẻ lớp 1 để chuyển mạch đến TSR tiếp theo. Quá trình xếp thẻ có thể được sư dụng khi úng dụng chuyển mạch thẻ vào định tuyến phân cấp .Ví dụ thẻ mức 1 được gắn với bộ định tuyến bên trong miền (BGP),và thẻ mức hai có thể đươc cung cấp cho bộ định tuyến bên trong miền(OSPF). j) Lớp chuyển tiếp tương đương (Forwarding Equivalence Class- FEC): Lớp chuyển tiếp tương đương là một chuỗi các gói có cùng các đặc điểm chung và được chuyển tiếp cùng một cách thức xuyên qua mạng. Ví dụ, tất cả các gói có cùng địa chỉ mạng đích có thể xem là một FEC đơn do đó, các gói tin đó được gán với cùng một thẻ khi truyền qua mạng. k) Đường dẫn chuyển mạch thẻ (Tag Switch Path:TSP): Là đường dẫn chuyển mạch từ biên vào đến biên ra của mạng, xuyên qua một chuỗi các TSR được tạo nên bởi sự liên kết một FEC với một tập các thẻ. 4.4 Các phương pháp cấp phát thẻ Một trong các hoạt động cơ bản của chuyển mạch thẻ đó là cấp phát, phân phối thẻ và gán thẻ. Thẻ được phân phối bởi các giao thức TDP cũng như tận dụng các giao thức điều khiển đã có sẵn. TSR sử dụng 3 kỹ thuật cấp phát thẻ đó là: downstream, downstream on demand, upstream. 4.4.1 Phương pháp downstream Theo phương pháp này, các thẻ được cấp phát bởi các thiết bị TSR downstream và chuyển thông báo đến TSR upstream gần nhất. Phương pháp này thực hiện theo các bước cơ bản sau đây: Hình 4.7: Cấp phát thẻ theo phương pháp Downstream - Với mỗi thực thể trong bảng định tuyến, thiết bị TSR downstream cấp phát một thẻ và cập nhật đến thực thể vào trong TIB. Sau đó, truyền một yêu cầu liên kết thẻ có dạng đến thiết bị TSR upstream. - Khi thiết bị TSR nhận được yêu cầu liên kết thẻ, nó xác định được chặng tiếp theo trên đường đến đích và TSR upstream sẽ đặt thẻ trên vào thực thể tương ứng ở vị trí thẻ ra. 4.4.2 Phương pháp downstream on demand Cấp phát thẻ theo phương pháp Downstream on demand giống như phương pháp Downstream nhưng có sự khác biệt đó là quá trình gán thẻ chỉ được thực hiện khi có một yêu cầu cụ thể từ thiết bị TSR upstream. Kỹ thuật này phù hợp nhất cho các thiết bị TSR chứa các thành phần chuyển mạch ATM. Bởi vì chuyển mạch ATM có hỗ trợ một tập các thẻ (các giá trị VPI/VCI). Do vậy, sự thực hiện chuyển mạch thẻ trên môi trường ATM sẽ gần giống như chuyển mạch thẻ và các dịch vụ ATM nguyên bản. Điều này có nghĩa là toàn bộ thẻ VPI/VCI được phân chia giữa hai và giảm hơn nữa số thẻ sẵn có dành cho chuyển mạch. Bởi vậy, nó chỉ cấp phát thẻ chỉ khi thật sự cần thiết. Các bước cơ bản của phương pháp cấp phát thẻ Downstream-on-demand được minh hoạ như hình vẽ sau: Hình 4.8: Cấp phát thẻ theo phương pháp Downstream on demand - Với mỗi thực thể trong bảng định tuyến, thiết bị TSR upstream sinh ra một yêu cầu liên kết thẻ và truyền nó đến chặng tiếp theo trên đường đến đích. - Khi một TSR downstream nhận được yêu cầu này, nó cấp phát một thẻ và cập nhật vào bảng TIB giá trị này ở vị trí trường thẻ vào sau đó nó truyền một bản tin có dạng cho TSR upstream. - Khi TSR upstream nhận được bản tin yêu cầu liên kết thẻ của TSR downstream nó đặt giá trị thẻ vào trường thẻ ra trong thực thể tương ứng của bảng TIB TSR upstream. 4.4.3 Phương pháp upstream Trong phương pháp cấp phát thẻ upstream thì thẻ được cấp phát bởi thiết bị TSR upstream và được truyền qua liên kết điểm-tới-điểm đến thiết bị TSR downstream. Hình 4.9: Cấp phát thẻ theo phương pháp Upstream - Đối với mỗi thực thể trong bảng định tuyến có chứa địa chỉ đích của trạm kế tiếp có thể liên lạc được bằng liên kết điểm - điểm thì đầu tiên TSR upstream sẽ cấp phát một thẻ. Tiếp đến, nó cập nhật vào thực thể TIB thích hợp bằng cách thay thế thẻ vừa được cấp phát vào trường thẻ ra của thực thể với thông tin của từng lớp liên kết dữ liệu. Tiếp đến, nó tạo ra một yêu cầu gán thẻ có nội dung . - TSR upstream truyền yêu cầu liên kết thẻ tới TSR downstream là trạm tiếp theo trên đường tới đích. - TSR downstream nhận được yêu cầu gán thẻ và đặt thẻ vào thực thể TIB đầu vào cho mạng đích. 4.5 Giao thức phân phối thẻ Giao thức phân phối thẻ (TDP) là một trong những giao thức điều khiển được sử dụng trong cấu trúc chuyển mạch thẻ để mang thông tin liên kết thẻ giữa các thiết bị TSR tham gia chuyển mạch. Tuy nhiên các giao thức điều khiển được thiết kế cho các mục đích cụ thể. TDP hoạt động dựa trên các thiết bị TSR và TER nó kết hợp với các giao thức định tuyến đơn hướng và đa hướng thông thường. TDP hoạt động độc lập với sự kiện (các sự kiện) yêu cầu việc sinh ra và phân phối các thông tin về gán thẻ. Khi có một cuộc gọi qua nó ,TDP có thể phân phối một cách có hiệu quả và tin cậy thông tin liên kết thẻ đến các thiết bị TSR. 4.5.1 Chức năng của TDP Chức năng cơ bản của TDP là hỗ trợ cho sự phân phối thẻ, yêu cầu và giải phóng thông tin liên kết thẻ giữa các thiết bị TSR tham gia. TDP hoạt động qua một kết nối TCP được thiết lập giữa các thiết bị TSR. TCP được sử dụng như một phương tiện vận chuyển vì các lý do sau đây: Thứ nhất TDP hoạt động theo quan điểm là nó chỉ tăng cường cập nhật những trạng thái mới hoặc thay đổi trong quá trình chuyển tiếp gói tin. Điều này tương tự như khái niệm và hoạt động của OSPF và BGP. Với kiến trúc này thì thông tin phải được phân phát một cách tin cậy tới đích một cách thích hợp và theo đúng thư tự. TCP cung cấp khả năng này và vì thế tất cả các bản tin TDP được truyền qua một kết nối TCP. Thứ hai TCP cung cấp một phương tiện vận chuyển tin cậy do đó không cần thiết phải thiết kế cho TDP để đảm bảo được tính năng này nên cấu trúc TDP đơn giản hơn nhiều. Hai thiết bị TSR muốn trao đổi thông tin liên kết thẻ với nhau đầu tiên chúng phải thiết lập một kết nối TCP. Kết nối TCP này là song hướng vì vậy bản tin TDP có thể truyền trong mọi hướng. Mỗi bản tin TDP bao gồm độ dài tiêu đề cố định với một hay nhiều phần tử giao thức thông tin(PIE) với độ dài thay đổi. Một PIE bao gồm một hoặc nhiều trường TLV. Kiến trúc tổng quát của gói TAP và kiến trúc của hai PIE minh họa như hình vẽ: Tiêu đề của TDP TDP PIE TVL #1 TDP PIE TVL #2 Hình 4.10: Định dạng gói TDP Sau khi thiết lập một kết nối TCP, một chuỗi các bản tin khởi đầu được truyền đi để đặt các thiết bị TSR ngang hàng vào trong một trạng thái hoạt động. Bây giờ, các TSR mới bắt đầu dùng TDP để trao đổi các bản tin gán thẻ. Thông tin cho gán thẻ được đóng gói thành các cấu trúc TDP PIE và thành khung với một tiêu đề TDP cố định để truyền trên các kết nối TCP đã được thiết lập. Nếu kết nối TCP bị mất thì thông tin về gán thẻ bị loại bỏ và các thẻ phải được cấp phát lại. 4.5.2 Các kiểu đơn vị giao thức TDP TDP PIE gồm các bản tin sau: TDP_PIE_OPEN: Là PIE đầu tiên được một TSR gửi đi cho các TSR ngang hàng sau khi một kết nối TCP được thiết lập. Khi một TSR nhân được PIE này, nó sẽ ngay lập tức trả lời bằng TDP_PIE_KEEPALIVE hoặc TDP_PIE_NOTIFICATION. TDP_PIE_BIND: Là PIE được một TSR gửi đi khi muốn gán thẻ cho một luồng lưu lượng nào đấy. Nó được sinh ra dựa vào một sự kiện (như cập nhật bảng định tuyến) hay đáp ứng thành phần TDP_REQUEST_BIND. Thông tin gán thẻ được chứa trong cấu trúc TLV và có thể chứa một giá trị thẻ, địa chỉ mạng hoặc độ dài. Cấu trúc của TDP_PIE_BIND được minh hoạ như hình vẽ 4.11. Type(0x200) Độ dài Request ID AFAM BLIST_TYPE BLIST_LENGTH Binding List Binding List Tham số tuỳ chọn Hình 4.11: Định dạng TDP_PIE_BIND Request ID: Được sử dụng để đáp ứng TDP_BIND_REQUEST AFAM: Xác định địa chỉ của lớp mạng chứa trong các yêu cầu gán thẻ. BLIST_TYPE: Xác định định dạng của thực thể BLIST trong BINDING_LIST. BLIST_LENGTH: Độ dài của danh sách liên kết BINDING_LIST: Trường này có độ dài thay đổi chứa một hoặc nhiều thực thể BLIST được chỉ định trong kiểu BLIST_TYPE. Thực thể BLIST thông thường bao gồm một giá trị thẻ 32 bit và địa chỉ mạng đơn hướng hoặc nhóm địa chỉ đa hướng. Trong trường hợp lưu lượng đơn hướng, độ dài địa chỉ cũng phải được chỉ ra. Giá trị số chặng HC định nghĩa kiểu BLIST 5 và 6 được sử dụng để chỉ số chặng định tuyến mà một gói tin đã được gán thẻ được truyền đi qua đường chuyển mạch. TDP_PIE_REQUEST_BIND: Được sử dụng để yêu cầu gán thẻ cho một địa chỉ mạng đích. TDP_PIE_WITHDRAW_BIND: Được TSR dùng để thông báo rằng nó không còn sử dụng cơ chế gán thẻ nữa trong phiên làm việc đó. TDP_PIE_KEEP_ALIVE: Được một TSR dùng để thông báo với cho các TSR khác chờ nó. Nếu quá thời gian định trước (time out) thì kết nối TCP bị mất. TDP_PIE_NOTIIFICATION: Thông báo cho thiết bị TSR ngang hàng rằng có một sự kiện “đáng lưu ý”. Ví dụ như xảy ra lỗi làm thay đổi dung lượng của TSR cũng như trạng thái hoạt động. TDP_PIE_RELEASE_BIND: Thông báo giải phóng kết nối UDP. CHƯƠNG 5 ỨNG DỤNG CỦA CHUYỂN MẠCH IP 5.1 Chuyển mạch IP hỗ trợ lưu lượng đa hướng Các giải pháp chuyển mạch IP của bốn hãng đã xét ở chương trước đều nhằm mục đích chung là nâng cao hiệu quả của mạng, cố gắng thực hiện chuyển mạch các luồng lưu lượng IP thay vì định tuyến chúng trên cơ sở từng chặng thông thường. Nhiều giải pháp khác nhau cùng với các phiên bản giao thức nâng cấp đã khắc phục được các nhược điểm trong việc cung cấp dịch vụ của chuyển mạch IP như: Cung cấp dịch vụ trên cơ sở QoS, CoS, hỗ trợ đa hướng,… Trong chương này sẽ chỉ ra phương thức hỗ trợ lưu lượng đa hướng (multicast) của các giải pháp chuyển mạch IP. 5.1.1 IFMP hỗ trợ lưu lượng đa hướng Hoạt động chuyển mạch IP hỗ trợ lưu lượng đa hướng cũng hoàn toàn tương tự như trong trường hợp hỗ trợ đơn hướng. Đối với giải pháp chuyển mạch IP của hãng Ipsilon thì các bản tin đổi hướng IFMP cũng truyền ngược từ các nhánh của cây phân phát để đối chiếu một luồng với một kết nối ảo mới. Chỉ có một sự khác biệt là địa chỉ đích của bộ nhận dạng luồng địa chỉ nhóm đa hướng: đó là địa chỉ của các điểm nhánh của cây phân phát. Hơn nữa, giao thức quản lý chuyển mạch chung (GSMP) sẽ phải tính toán nhiều thao tác thêm nhánh (ADD BRANCH) mà số thao tác này tùy thuộc vào số lượng các nhánh luồng xuống trong cây phân phát. Hình 5.1 chỉ ra một ví dụ mà IFMP hỗ trợ lưu lượng đa hướng: Hình 5.1: Hỗ trợ lưu lượng đa hướng 5.1.2 CSR và Multicast ARIS có thể hỗ trợ cho lưu lượng IP đa hướng. Trong mạng con ATM thì thiết bị CSR luồng lên có thể thiết lập liên kết điểm-điểm, hoặc liên kết điểm-đa điểm tới một hoặc nhiều thiết bị CSR luồng xuống (hoặc cây máy chủ). Các thiết bị CSR luồng xuống là thành viên của một nhóm đa hướng và là các nhánh trên môt cây phân phát đa hướng. Cũng giống như trong trường hợp lưu lượng đơn hướng, khi thiết bị CSR phát hiện thấy một VC dành riêng đầu vào và một hay nhiều VC đầu ra dành riêng và các VC đầu ra này đều có cùng một bộ phận dạng luồng (một điạ chỉ nhóm đa hướng) thì CSR thực hiện tiến trình ghép nối VC, lúc đó đường tắt nội bộ trong CSR đó hình thành. Sau đó gói kích khởi (trigger) sẽ tạo nên các kết nối ảo điểm-đa điểm của cây phân phát dựa trên sự xuất hiện của dữ liệu đa hướng, cá bản tin PIM-JOIN, các báo cáo IGMP, hay các bản tin MARS JOIN nếu thiết bị CSR có một khách hàng MARS. 5.1.3 Hỗ trợ đa hướng trong chuyển mạch thẻ Thêm vào việc hỗ trợ lưu lượng IP đơn hướng, chuyển mạch nhãn cũng có thể hỗ trợ lưu lượng đa hướng. Một cách đặc biệt, một nhãn được liên kết với một cây phân phát đa hướng. Khi một gói tin thu nhận được từ một thiết bị TSR hướng lên thì nhãn sẽ được dùng để chỉ ra một hoặc nhiều khoản mục trong bảng TIB. Các khoản mục này liên kết với các nhánh xuống trên cây phân phát. Quá trình trao đổi nhãn được thực hiện và gói tin được truyền trực tiếp xuống cây phân phát. Nếu trong TIB không có một khoản mục nào trùng hợp thì gói tin sẽ bị đào thải. Phương thức chuyển tiếp đa hướng này của chuyển mạch nhãn rất đơn giản và đạt tốc độ cao. Cũng giống như trường hợp đơn hướng, chuyển mạch nhãn tiến hành dò tìm khoản mục thích hợp trong bảng TIB sau đó tiến hành tráo giá trị nhãn của các nhãn đó. Việc kiểm tra RPF (Reverse Path Forwarding – Chuyển tiếp đường ngược chiều) rất đơn giản – nếu không có giá trị thích hợp trong bảng TIB gói tin sẽ bị loại. Quá trình phân phối các nhãn đại diện cho các nhóm đa hướng có thể do các thiết bị TSR luồng lên hoặc luồng xuống đảm nhận. Thông thường thiết bị TSR luồng lên lựa chọn nhãn và phát đa hướng tới các TSR lân cận theo hướng xuống trong mạng LAN. Mặc dù đây là cách đơn giản nhất nhưng có một số điểm cần xem xét. Một thiết bị TSR hướng lên cũng có thể có nhiều nguồn đa hướng lên nữa, nên yêu cầu số nhãn nhiều hơn số nhãn được phân phát chung. Mặt khác nếu có sự thay đổi trong cấu hình mạng thì có thể dẫn tới việc xuất hiện thiết bị TSR hướng lên mới, do dod phải yêu cầu thực hiện quá trình gán lại nhãn. Nên quá trình phân bố và gán nhãn xuất phát từ luồng xuống là thuận lợi và thích hợp hơn, nó cũng hoàn toàn nhất quán với thông tin của các node thành viên nhóm đa hướng với quá trình phân phối, ấn định nhãn trong định tuyến đơn hướng. Phương pháp này cũng cho phép sử dụng các bản tin định tuyến đa hướng PIM để thêm phần thông tin của nhãn vào vì nó theo hướng luồng xuống. Quan trọng hơn là khi có sự thay đổi trong cấu hình mãng dẫn tới hình thành thiết bị TSR mới thì cũng không cần phải thực hiện quá trình gán lại nhãn. 5.1.4 ARIS và dịch vụ đa hướng ARIS có thể thiết lập các đường chuyển mạch cho lưu lượng đa hướng. Quá trình thiết lập một cây phát điểm-đa điểm chuyển mạch có thể xuất phát tại gốc hay tại node đầu vào. Cây có các đường chuyển mạch mạng toàn bộ lưu lượng đa hướng từ thiết bị ISR đầu ào tới tất cả các các thiết bị ISR đầu ra đều sử dụng chuyển mạch trên cơ sở phần cứng trong các thiết bị ISR trung chuyển. Cơ chế sử dụng phần cứng cải thiện nhiều hơn so với định tuyến đa hướng trên cơ sở phần mềm của bộ định tuyến. ARIS độc lập với bất kỳ giao thức đinh tuyến đa hướng cơ bản nào. ARIS hỗ trợ cho cách thiết lập theo dữ liệu, mỗi cặp (nguồn, địa chỉ nhóm) trong cây phân phát có gốc tai nguồn yêu cầu như yêu cầu trong giao thức DVMRP và PIM DM (PIM-DM). AIRS cũng hỗ trợ cách thiết lập theo bên nhận, ở đó cây phân phát dùng chung đối lập với mỗi cặp (*, địa chỉ nguồn) như yêu cầu trong PIM-SM (PIM Sparse Mode) 5.2 Mạng chuyển mạch IP Các giải pháp chuyển mạch IP đã xét ở chương 4 và chương 4 có đặc điểm khác nhau nên môi trường mạng có thể áp dụng cho các giải pháp chuyển mạch IP đó cũng khác nhau. Vấn đề là đưa mô hình nào vào cấu hình mạng nào để cho mạng phục vụ tốt nhất. Phần này sẽ chỉ ra một số môi trường có thể triển khai công nghệ chuyển mạch IP vào mạng. 5.2.1 Chuyển mạch IP của hãng Ipsilon Chuyển mạch IP có thể hoạt động trong nhiều khung cảnh mạng khác nhau. Chuyển mạch IP cũng có thể chuyển lưu lượng IP sử dụng quá trình xử lý từng chặng chuẩn nên trong khía cạnh này nó hoàn toàn giống với các bộ định tuyến IP chuẩn. Tuy nhiên, mục đích của chuyển mạch IP là phải tăng tốc lưu lượng IP mà giải pháp này phải yêu cầu các tài nguyên chuyển mạch đủ cho mỗi luồng và các thiết bị cạnh tại đầu vào và đầu ra phải có khả năng hỗ trợ IFMP. Một khung cảnh mạng đưa ra là mạng IP của trường DH hay mạng IP của công ty nhỏ như chỉ ra trong hình 5.2: Hình 5.2: Chuyển mạch IP trong một công ty Trong môi trường này các nhóm làm việc trên cơ sở Ethernet gắn tới mạng xương sống gồm các chuyển mạch IP thông qua thiết bị cạnh hỗ trợ IFMP. Các server tốc đọ cao cũng có thể gắn trực tiếp tới mạng xương sống nhờ sử dụng một bộ thích ứng IFMP, và mạng lõi là các chuyển mạch IP tham gia vào quá trình chuyển mạch nên thực tế lưu lượng được chuyển mạch sẽ không vượt quá dung lượng cực đại của các tài nguyên chuyển mạch trong mạng. Tổng đọ thông suốt sẽ tùy thuộc vào dung lượng chuyển tiếp qua các thiết bị cạnh đầu vào và đầu ra. Trong trường hợp riêng này thì khả năng hỗ trợ giải pháp IFMP cũng tương tư MPOA (đa giao thức qua ATM) ngoại trừ rằng IFMP là một giao thức điều khiển. Một khu vực khác mà chuyển mạch IP của hãng Ipsilon có thể có lợi đó là tại cạnh của một mạng. Các cơ chế chuyển mạch được ứng dụng làm một bộ phận loại luồng, bộ định dạng lưu lượng để nhận dạng, gán nhãn, hay để phục vụ các luổng riêng đặc biệt, cho phép truy cập nhanh hơn hay chậm hơn khi đi vào hay đi ra khỏi một mạng xương sống ISP. Xem xét hai ví dụ trong hình 5.3: Hình 5.3: Các dịch vụ cạnh (edge service) của chuyển mạch IP Trong trường hợp thứ nhất, một chuyển mạch IP là đầu cuối phía trước của một server, trong đó bộ phân loại luồng đã được lập trình để nhận dạng và đánh nhãn các luồng có độ ưu tiên cao hơn, các luồng này sẽ đi vào mạng ISP theo đường chuyển mạch; ngược lại, các luồng khác sẽ được xử lý từng chặng với nỗ lực lớn nhất (best-effort). Trường hợp thứ hai là một trường hợp thú vị; một modem băng rộng tại nhà riêng hỗ trợ IFMP (cáp hoặc xDSL) dùng để chuyển bản tin đổi hướng IFMP hướng tới đầu cuối (Head End), do đó cá luông lưu lượng IP xác định tới nhà sẽ nhanh hơn. 5.2.2 Mạng CSR Thiết bị CSR có thể triển khai hiệu quả trong môi trường mạng khác nhau. Xem xét trường hợp đầu tiên, khi có một số lượng lớn các bộ định tuyến biên kết nối tới một mạng ATM chung. Thông thường phải yêu cầu một lưới các PVC (kết nối ảo cố định) để cung cấp hiệu năng làm việc tối ưu giữa bất kỳ cặp bộ định tuyến đầu vào-đầu ra nào. Tuy nhiên, trường hợp này phải yêu cầu tới O(NP2P) kết nối ảo và một mức tiêu tốn tỷ lệ thuận các tài nguyên sử dụng trong bộ định tuyến, trong các thiết bị chuyển mạch cũng như các nhân viên hoạt động liên quan. Việc thay thế bằng các thiết bị CSR trong lõi của mạng sẽ giảm bớt yêu cầu cho mạng lưới VC, giảm lưu lượng điều khiển phải truyền qua mạng và cẩn xuất hiện tại các bộ định tuyến mà vẫn cung cấp được khả năng thiết lập một VC trược tiếp (đường ống chuyển tắt) giữa bất kỳ cặp bộ định tuyến đầu vào-đầu ra nào. Tất nhiên đường tắt chỉ mở rộng khi nào có các cơ chế sử dụng để thiết lập nó. Do đó, khung cảnh lý tưởng cho môi trường này là yêu cầu các bộ định tuyến biên phải hỗ trợ FANP như minh họa trong hình 5.4 Hình 5.4: Các CSR trong mạng ATM rộng Một môi trường khác mà cá thiết bị CSR sẽ có lợi là mạng xương sống khu trường sở mở rộng hay mạng khu vực thành phố. Ở đó cả dịch vụ ATM nguyên bản và dịch vụ chuyển tiếp IP cùng tồn tại. Một ví dụ về một nhóm các khu trường sở khác bao gồm 10/100/1000 Ethernet chuyển mạch gắn tới một trong bốn vị trí trung tâm có thiết bị CSR qua các liên kết ATM. Các thiết bị CSR lần lượt hình thành một mạng xương sống bằng các liên kết ATM chuẩn hoạt động tại OC12 và có thể là OC48. Các dịch vụ ATM nguyên bản vẫn hữu dụng đối với mỗi khu trường sở. Trong khung cảnh này lưu lượng IP được chuyển tiếp lên mạng xương sống, và tùy thuộc vào kiểu lưu lượng, cấu hình mạng mà lưu lượng có thể chuyển thông qua một đường định tuyến từng chặng chuẩn hay được đặt lên một đường chuyển tắt chuyển mạch tế bào 3.2.3 Mạng chuyển mạch thẻ Chuyển mạch thẻ phù hợp nhất cho mạng rộng trên cơ sở IP như các mạng intranet kết hợp hay các mạng ISP. Chuyển mạch thẻ có thể triển khai bằng phần mềm trong các bộ định tuyến đang tồn tại hay thêm vào một thiết bị điều khiển để thiết lập các đường chuyển mạch giống VC trong mạng ATM đa dịch vụ. Ví dụ về một mạng chuyển mạch thẻ cơ bản có mạng đường trục (xương sống) gồm một số các bộ TSR lõi và bao quanh mạng đường trục là các thiết bị TER. Mạng này không giống với khái niệm về một đám mây chuyển mạch rộng (Frame Relay hay ATM), mà đám mây này phục vụ như là lõi của một số lượng lớn hơn gồm các bộ định tuyến cạnh. Mạng chuyển mạch thẻ này được minh họa như trên hình 5.5 Hình 5.5: Mạng chuyển mạch thẻ Chuyển mạch thẻ là một ví dụ về mô hình đồng cấp, vì vậy chỉ yêu cầu một không gian địa chỉ và giao thức định tuyến. Thiết bị TDP thêm vào để đối chiếu các tuyến với các nhãn và để phân bố các nhãn giữa các thiết bị TSR, nó cũng cung cấp lợi ích về mặt hiệu năng làm việc và điều khiển đường rõ mà ở đó các kết nối ảo chuyển mạch không yêu cầu Frame Relay hay ATM. 5.2.4 Mạng ARIS ARIS Là một giải pháp chuyển mạch hướng cấu hình, nó phù hợp nhất cho các mạng diện rộng trên cơ sở IP. Mục đích của ARIS là làm giảm nhỏ nhất khối lượng các tài nguyên mạng yêu cầu để chuyển mạch tất cả lưu lượng IP giữa hai node bất kỳ. Có nghĩa là sẽ sử dụng được nhiều tài nguyên mạng hơn (thiết bị chuyển mạch hay bộ định tuyến) để cung cấp cho các dịch vụ đặc biệt không mặc định. Những dịch vụ này có thể là các mạng riêng ảo (VPNs), các luồng QoS, định tuyến rõ ràng, các đường ngầm (tunnels), các kết nối ATM nguyên bản,... Nói chung, ARIS cho phép các mạng rất lớn chuyển mạch một số lượng lớn lưu lượng IP kết hợp nên nâng cao được toàn bộ hiệu năng mạng. ARIS phù hợp nhất với kiểu mạng rông ISP đa dịch vụ trên cơ sở hạ tầng ATM. Ví dụ về một mạng ARIS chỉ trong hình 5.6. Hình 5.6: Mạng ARIS Theo hình thì mạng có các thiết bị ISR hỗ trợ cho định tuyến IP, các dịch vụ chuyển mạch IP qua ARIS, và chuyển mạch ATM nguyên gốc. Các bộ định tuyến đặt tại ngoại biên mạng có thể chuyển tiếp các gói tại lớp 3 tới các thiết bị ISR lõi, hay dùng các giao thức để thiết lập các đường dẫn chuyển mạch xuyên suốt từ đầu vào tới đầu ra. KẾT LUẬN Từ những gì đã trình bày ở trên về chuyển mạch IP ta có thể rút ra một số kết luận sau đây: Do tính đơn giản về mặt kỹ thuật và không cần thay đổi nhiều về phần cứng khi áp dụng vào các hệ thống hiện có, chắc chắn chuyển mạch IP sẽ là giải pháp cho mạng Internet đang đòi hỏi tốc đọ cao và cung cấp các dịch vụ phong phú với số lượng khổng lồ như hiện nay và trong tương lai. Chuyển mạch IP chính là sự kết hợp ưu điểm chuyển mạch tốc đọ cao của chuyển mạch ATM với các giao thức điều khiển đơn giản, do đó khắc phục được nhược điểm cho chuyển mạch ATM và định tuyến IP. Thêm vào đó, chuyển mạch IP còn có thể áp dụng được cho nhiều kiểu mạng khác nhau: từ các mạng truy nhập đến các mạng lõi dung lượng lớn. Tuy nhiên, cung có nhiều lý do mà kỹ thuật chuyển mạch IP còn chưa được áp dụng rộng rãi. Một trong những lý do đó là giá thành, và trong nhiều trường hợp chuyển mạch tốn kém hơn nhiều sơ với định tuyến thông thường. Hơn nữa, trong một số trường hợp, việc cung cấp QoS sẽ thực hiện khó khăn và có thể gây ra trễ, trượt,… Những cuối cùng, có thể nói rằng ưu điểm của chuyển mạch IP là không thể phủ nhận, nó sẽ là một công nghệ chuyển mạch cho tương lai. Chuyển mạch IP đã và đang là điểm tập trung nghiên cứu của nhiều hãng trên thế giới nhằm đưa các sản phẩm ứng dụng chuyển mạch IP vào hoạt động trong các môi trường mạng khác nhau. Đồ án nghiên cứu về “chuyển mạch IP” mới chỉ là bước đầu xem xét nghiên cứu về một giải pháp chuyển mạch mới, một giải pháp then chốt để giải quyết các vấn đề nan giải của mạng IP hiện nay. Do thời gian có hạn và năng lực nghiên cứu hạn chế nên đồ án chắc chắn sẽ có nhiều thiếu sót, em hy vọng rằng sẽ được thầy cô và các bạn giúp đỡ để em có điều kiện tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về lĩnh vực này, góp phần nhanh chóng đưa công nghệ chuyển mạch IP này vào mạng Việt Nam. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Christopher Y.Metz, “IP Switching Protocol and Architectures”, McGraw Hill 1999 [2] White, P., “ATM Switching and IP Routing Integration: The Next State in Internet Evolution”, IEEE Communication, April 1998 [3] Newman et al, “IP Switching: ATM Under IP”, IEEE/ACM Transaction on Networking, April 1998 [4] Daniel Minoli, Andrew Schmidt, “Network layer switched sevices”, Wiley computer Publishing, 1998 [5] David E.McDysan, “ATM Theory & Application”, Signature Edition, 1999 [6] Nguyễn Quốc Cường, “Internetworking với TCP/IP”, NXB Giáo dục, 2001 [7] ThS Dương Văn Thành, “Công nghệ ATM và mạng viễn thông đa dịch vụ băng rộng”, Học viện công nghệ BCVT [8] Một số trang Web: - www.ipsilon.com - www.cisco.com - www.atmforum.com - www.rfc.com

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • docChuyển mạch IP trong mạng máy tính (chi tiết).doc
Luận văn liên quan