nghiên cứu về Chuyển mạch IP

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
SV Nguyễn Quang Hiếu
3

SAPI
SAR
SDH
SDU
SLIP
SPT
SSCS
SVC
TC
TCP
TDP
TDM
TER
TIB
T/TCP
TOS
TSR
TTL
UBR
UDP
UNI
UPC
VBR
VCC
VCI
VLSM
VPC
VPI
VPN
WAN
SAP Identifier
Segmentation/reasembly
Synchronous digital heirachy
Service data unit
Serial line IP
Server processing time
Specific service CS
Switched virtual circuit
Transmission convergence
Transmission control protocol
Tag distribution protocol
Time domain multiplexing
Tag edge router
Tag information base
TCP extention for transactions
Type of service
Tag switch router
Time to live
Unspecified bit rate
User data protocol
User network protocol
Usage parameter control
Variable bit rate
Virtual circuit connection
Virtual circuit identifier
Variable length subnet mask
Virtual path connection
Virtual path identifier
Virtual private network
Wide area netword
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
SV Nguyễn Quang Hiếu
4

LỜI NÓI ĐẦU
Trước sự phát triển của các giao thức Internet khởi đầu từ những năm
của thập niên 70 và tiếp tuc phát triển vào những năm sau đó. Ngày nay, mạng
IP đã thực sự bùng nổ cả về khối lượng lưu lượng cũng như các yêu cầu về
chất lượng dịch vụ như: tốc độ truyền dẫn, băng thông, truyền dẫn đa phương
tiện,… Nhưng mạng IP hiện nay vẫn chưa thực sự đáp ứng được các yêu cầu
về truyền dẫn lưu lượng, do đó, cần phải có một giải pháp công nghệ mới đưa
vào để khắc phục những nhược điểm của mạng đang tồn tại.
Công nghệ chuyển mạch IP ra đời và được xem là một giải pháp tốt để
giải quyết những yêu cầu trên. Chuyển mạch IP là sự kết hợp hài hòa của các
giao thức điều khiển mềm dẻo với phần cứng chuyển mạch ATM. Chuyển
mạch IP đã khắc phục được nhược điểm về tốc độ xử lý chậm của các bộ định
tuyến và tính phức tạp của các giao thức báo hiệu trong chuyển mạch ATM.
Chuyển mạch IP đang là điểm tập trung nghiên cứu của các hãng viễn thông
nổi tiếng trên thế giới như: Ipsilon, Toshiba, IBM, Cisco,
Với mục đích gắn quá trình học tập và nghiên cứu để tìm hiểu một công
nghệ mới tiên tiến trên cơ sở những kiến thức đã học và nghiên cứu những tài
liệu mới. Em đã dành thời gian làm đồ án tốt nghiệp của mình để nghiên cứu về
“Chuyển mạch IP”. Đồ án của em gồm hai phần với nội dung chính như sau:
Phần I: Tổng quan
- Giới thiệu chung về ATM và IP
- Đánh địa chỉ trong IP
- Một số phương pháp định tuyến lớp mạng
Phần II: Chuyển mạch IP và ứng dụng
- Chuyển mạch IP
- Ứng dụng của chuyển mạch IP
Thông qua đồ án em đã có dịp trình bày những hiểu biết của mình về
một công nghệ chuyển mạch mới. Tuy nhiên do năng lực còn hạn chế nên đồ
án không tránh khỏi thiếu sót, em rất mong có được những đóng góp quý báu
của thầy cô và toàn thể các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn ThS Nguyễn Thị Thanh Kỳ người đã trực
tiếp hướng dẫn và chỉ bảo để em có thể hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Em
cũng xin cảm ơn các thầy cô trong học viện và các bạn đã tận tình giúp đỡ em
trong quá trình học tập và nghiên cứu ở Học viện. Em xin chân thành cảm ơn


Sinh viên
Nguyễn Quang Hiếu

5






















ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG
SV Nguyễn Quang Hiếu - Đ2001VT

6
CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 nh tuyn trong chuyn mch gói truyn thng
Để chuyển các gói tin từ mạng này đến mạng khác một cách nhanh
chóng và chính xác, các gói tin cần phải được định tuyến, những thiết bị để
định tuyến các gói tin ban đầu được gọi là Gateway (đóng vai trò là một cổng
giao tiếp từ mạng này tới mạng khác) và và sau đó router ra đời để kết nối
giữa các mạng vật lý khác nhau tạo thành một liên mạng hợp nhất rộng lớn
hơn. Các gói thông tin riêng biệt bao gồm một nhãn mạng đích mà router thực
hiện tương hợp nhãn với một trong nhiều thực thể của bảng mạng đích mà nó
biết trước. Khi tìm thấy một sự tương hợp, router có thể định hướng gói tin tới
giao diện tương ứng và chờ đến khi gói tín khác đến. Quá trình tương quan
đơn giản này được thực hiện đối với mỗi gói riêng biệt đến router. Thậm chí
nếu có một số lượng lớn gói tin có cùng một đích đến chung, thì router sẽ vẫn
xử lý mỗi gói tin theo cách riêng.
Chú ý thế hệ router đầu tiên được giới thiệu trong hình 1.1:

Hình 1.1: Router thế hệ đầu tiên
Nó bao gồm một bộ xử lý trung tâm và nhiều card giao tiếp, tất cả được
nối với nhau bằng một đường bus chung. Bộ xử lý rất tin cậy cho chạy giao
thức định tuyến và duy trì một bảng hướng đi của router bước nhảy tiếp theo
mà gói được gửi đến. Các gói đi vào router qua bus và đi vào bộ xử lý nơi sẽ
tra cứu bảng định tuyến chuẩn và thực hiện xác định bước nhẩy tiếp theo. Gói
sau đó được đi vào bus chung đến giao diện đầu ra tương ứng. Hiệu năng của
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG
SV Nguyễn Quang Hiếu - Đ2001VT

7
hệ thống này phụ thuộc vào tốc độ bus và khả năng xử lý của bộ xử lý trung
tâm. Và mỗi gói được yêu cầu đi trên bus hai lần.
Trước sự phát triển không ngừng của Internet. Ngày càng có nhiều
người hơn sẽ đăng nhập vào mạng và khi đó bảng định tuyến sẽ lớn hơn, thời
gian tra cứu cũng sẽ lâu hơn. Kết hợp với sự tăng trưởng trong lưu lượng
người dùng, dẫn tới đòi hỏi phải tạo ra những router sử dụng công nghệ cao
hơn. Nhờ vào sự tăng cường tính toán hướng tới của các gói tin đến các giao
diện chuyển tiếp. Một phần hoặc toàn bộ bảng định tuyến có thể được lưu
trong bộ nhớ của bộ chuyển tiếp đầu vào. Điều này cho phép bộ chuyển tiếp
đầu vào thực hiện tính toán hướng đi và định hướng các gói trên đường bus
tương ứng với bộ chuyển tiếp đầu ra mà không cần sự can thiệp của bộ xử lý
trung tâm.
Hiệu năng của mô hình này vẫn sẽ bị giới hạn bởi tốc độ bus và thời
gian yêu cầu để sắp xếp trên một bảng định tuyến lớn trong suốt thời gian tra
cứu. Một công nghệ cải thiện router khác là thay thế bus bằng một switch. Vì
toàn bộ cổng đầu vào và ra được kết nối với nhau bằng một kết cấu chuyển
mạch không nghẽn. Mô hình này được giới thiệu trong hình 1.2.

Hình 1.2: Kiến trúc của Router có các đường bus dùng switch
Bằng cách cải thiện thiết kế bên trong và hiệu quả hơn sẽ thay thế yêu
cầu xử lý mỗi gói đối với bản thân router điều này sẽ đặc biệt hữu dụng trước
tính chất bùng nổ tự nhiên không đoán trước của lưu lượng IP do các gói tin
được phục vụ theo cơ chế hàng đợi first-in first-out (FIFO) có chi phí cao, độ
lợi về thông lượng nhỏ và hiệu năng thì lại không đạt được độ tin cây cao.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG
SV Nguyễn Quang Hiếu - Đ2001VT

8

1.2 ATM & IP
a/ IP – Internet Protocol
IP là giao thức chuyển tiếp gói tin. Việc chuyển tiếp gói tin thực hiện
theo cơ chế phi kết nối. IP định nghĩa cơ cấu đánh số, cơ cấu chuyển tin, cơ
cấu định tuyến và các chức năng điều khiển ở mức thấp (ICMP). Gói tin IP
gồm địa chỉ của bên nhận, địa chỉ là số duy nhất trong toàn mạng và mang đầy
đủ thông tin cần cho việc chuyển gói tới đích.
Cơ cấu định tuyến có nhiệm vụ tính toán đường đi tới các nút trong
mạng. Do vậy, cơ cấu định tuyến phải được cập nhật các thông tin về topo
mạng, thông tin về nguyên tắc chuyển tin (như trong BGP) và nó phải có khả
năng hoạt động trong môi trường mạng gồm nhiều nút. Kết quản tính toán của
cơ cấu định tuyến được lưu trong các bảng chuyển tin (forwarding table) chứa
thông tin về chặng tiếp theo để có thể gửi gói tin tới hướng đích.
Dựa trên các bản chuyển tin, cơ cấu chuyển tin chuyển mạch các gói IP
hướng tới đích. Phương thức chuyển tin truyền thống là theo từng chặng một.
Ở cách này, mỗi nút mạng tính toán mạng chuyển tin một cách độc lập.
Phương thức này, do vậy, yêu cầu kết quả tính toán của phần định tuyến tại tất
cả các nút phải nhất quán với nhau. Sự không thống nhất của kết quả sẽ dẫn
đến việc chuyển gói tin sai hướng, điều này đồng nghĩa với việc mất gói tin.
Kiểu chuyển tin theo từng chặng hạn chế khả năng của mạng. Tuy
nhiên, bên cạnh đó, phương thức định tuyến và chuyển tin này nâng cao độ tin
cậy cũng như khả năng mở rộng của mạng. Giao thức định tuyến động cho
phép mạng phản ứng lại với sự cố bằng việc thay đổi tuyến khi router biết
được sự thay đổi về topo mạng thông qua việc cập nhật thông tin về trạng thái
kết nối. Với các phương thức như CDIR (Classless Inter Domain Routing),
kích thước của bản tin được duy trì ở mức chấp nhận được, và do việc tính
toán định tuyến đều do các nút tự thực hiện, mạng có thể mở rộng mà không
cần bất cứ thay đổi nào.
Tóm lại, IP là một giao thức chuyển mạch gói có độ tin cậy và khả năng
mở rộng cao. Tuy nhiên, việc điều khiển lưu lượng rất khó thực hiện do phương
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG
SV Nguyễn Quang Hiếu - Đ2001VT

9
thức định tuyến theo từng chặng. Mặt khác, IP cũng không hỗ trợ chất lượng
dịch vụ.

b/ ATM – Asynchronous Tranfer Mode
Công nghệ ATM dựa trên cơ sở của phương pháp chuyển mạch gói,
thông tin được nhóm vào các gói tin có chiều dài cố định, ngắn; trong đó vị
trí của gói không phụ thuộc vào đồng hồ đồng bộ và dựa trên nhu cầu bất kỳ
của kênh cho trước. Các chuyển mạch ATM cho phép hoạt động với nhiều
tốc độ và dịch vụ khác nhau.
ATM có hai đặc điểm quan trọng :
- Thứ nhất, ATM sử dụng các gói có kích thước nhỏ và cố định gọi là
các tế bào ATM , các tế bào nhỏ với tốc độ truyền lớn sẽ làm cho trễ
truyền và biến động trễ giảm đủ nhỏ đối với các dịch vụ thời gian
thực, cũng sẽ tạo điều kiện cho việc hợp kênh ở tốc độ cao được dễ
dàng hơn.
- Thứ hai, ATM có khả năng nhóm một vài kênh ảo thành một đường
ảo nhằm giúp cho việc định tuyến được dễ dàng.
ATM khác với định tuyến IP ở một số điểm. Nó là công nghệ chuyển
mạch hướng kết nối. Kết nối từ điểm đầu đến điểm cuối phải được thiết lập
trước khi thông tin được gửi đi. ATM yêu cầu kết nối phải được thiết lập bằng
nhân công hoặc thiết lập một cách tự động thông qua báo hiệu. Mặt khác, ATM
không thực hiện định tuyến tại các nút trung gian. Tuyến kết nối xuyên suốt
được xác định trước khi trao đổi dữ liệu và được giữ cố định trong suốt thời
gian kết nối. Trong quá trình thiết lập kết nối, các tổng đài ATM trung gian
cung cấp cho kết nối một nhãn. Việc này thực hiện hai điều: dành cho kết nối
một số tài nguyên và xây dựng bảng chuyển tế bào tại mỗi tổng đài. Bảng
chuyển tế bào này có tính cục bộ và chỉ chứa thông tin về các kết nối đang hoạt
động đi qua tổng đài. Điều này khác với thông tin về toàn mạng chứa trong
bảng chuyển tin của router dùng IP.
Quá trình chuyển tế bào qua tổng đài ATM cũng tương tự như việc
chuyển gói tin qua router. Tuy nhiên, ATM có thể chuyển mạch nhanh hơn vì
nhãn gắn trên cell có kích thước cố định (nhỏ hơn của IP), kích thước bảng
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG
SV Nguyễn Quang Hiếu - Đ2001VT

10
chuyển tin nhỏ hơn nhiều so với của IP router, và việc này được thực hiện trên
các thiết bị phần cứng chuyên dụng. Do vậy, thông lượng của tổng đài ATM
thường lớn hơn thông lượng của IP router truyền thống.
Bảng so sánh công nghệ IP và ATM
Công nghệ IP ATM
Bản chất
công nghệ
- Là một giao thức chuyển
mạch gói có độ tin cậy và khả
năng mở rộng cao.
- Do phương thức định tuyến
theo từng chặng nên điều khiển
lưu lượng rất khó thực hiện.
- Sử dụng gói tin có chiều
dài cố định 53 byte gọi là
tế bào (cell).
- Nguyên tắc định tuyến :
chuyển đổi VPI/VCI -Nền
tảng phần cứng tốc độ cao
Ưu điểm
- Đơn giản, hiệu quả
- Tốc độ chuyển mạch cao,
mềm dẻo, hỗ trợ QoS theo
yêu cầu
Nhược
điểm
- Không hỗ trợ QoS
- Giá thành cao, không mềm
dẻo trong hỗ trợ những
ứng dụng IP, VoA

1.3 IP over ATM
Hiện nay, trong xây dựng mạng IP, có đến mấy loại kỹ thuật, như IP
over SDH/ SONET, IP over WDM và IP over Fiber. Còn kỹ thuật ATM, do
có các tính năng như tốc độ cao, chất lượng dịch vụ (QoS), điều khiển lưu
lượng, … mà các mạng lưới dùng bộ định tuyến truyền thống chưa có, nên đã
được sử dụng rộng rãi trên mạng đường trục IP. Mặt khác, do yêu cầu tính
thời gian thực còn tương đối cao đối với mạng lưới, IP over ATM vẫn là kỹ
thuật được chọn trước tiên hiện nay. Cho nên việc nghiên cứu đối với IP over
ATM vẫn còn rất quan trọng. Mà MPLS chính là sự cải tiến của IP over ATM
kinh điển, cho nên ở đây chúng ta cần nhìn lại một chút về hiện trạng của kỹ
thuật IP over ATM.
IP over ATM truyền thống là một loại kỹ thuật kiểu xếp chồng, nó xếp
IP (kỹ thuật lớp 3) lên ATM (kỹ thuật lớp 2); giao thức của hai tầng hoàn toàn
độc lập với nhau; giữa chúng phải nhờ một loạt giao thức (như NHRP,
ARP,…) nữa mới đảm bảo nối thông. Điều đó hiện nay trên thực tế đã được
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG
SV Nguyễn Quang Hiếu - Đ2001VT

11
ứng dụng rộng rãi. Nhưng trong tình trạng mạng lưới được mở rộng nhanh
chóng, cách xếp chồng đó cũng gây ra nhiều vần đề cần xem xét lại.
Trước hết, vấn đề nổi bật nhất là trong phương thức chồng xếp, phải
thiết lập các liên kết PVC tại N điểm nút, tức là cần thiết lập mạng liên kết.
Như thế có thể sẽ gây nên vấn đề bình phương N, rất phiền phức, tức là khi
thiết lập, bảo dưỡng, gỡ bỏ sự liên kết giữa các điểm nút, số việc phải làm
(như số VC, lượng tin điều khiển) đều có cấp số nhân bình phương của N
điểm nút. Khi mà mạng lưới ngày càng rộng lớn, chi phối kiểu đó sẽ làm cho
mạng lưới quá tải.
Thứ hai là phương thức xếp chồng sẽ phân cắt cả mạng lưới IP over
ATM ra làm nhiều mạng logic nhỏ (LIS), các LIS trên thực tế đều là ở trong
một mạng vật lý. Giữa các LIS dùng bộ định tuyến trung gian để liên kết, điều
này sẽ có ảnh hưởng đến việc truyền nhóm gói tin giữa các LIS khác nhau.
Mặt khác, khi lưu lượng rất lớn, những bộ định tuyến này sẽ gây hiện tượng
nghẽn cổ chai đối với băng rộng.
Hai điểm nêu trên đều làm cho IP over ATM chỉ có thể dùng thích hợp
cho mạng tương đối nhỏ, như mạng xí nghiệp,… nhưng không thể đáp ứng
được nhu cầu của mạng đường trục Internet trong tương lai. Trên thực tế, hai
kỹ thuật này đang tồn tại vấn đề yếu kém về khả năng mở rộng thêm.
Thứ ba là trong phương thức chồng xếp, IP over ATM vẫn không có
cách nào đảm bảo QoS thực sự.
Thứ tư, vốn khi thiết kế hai loại kỹ thuật IP và ATM đều làm riêng lẻ,
không xét gì đến kỹ thuật kia, điều này làm cho sự nối thông giữa hai bên phải
dựa vào một loạt giao thức phức tạp, cùng với các bộ phục vụ xử lý các giao
thức này. Cách làm như thế có thể gây ảnh hường không tốt đối với độ tin cậy
của mạng đường trục.
Các kỹ thuật MPOA (Multiprotocol over ATM – đa giao thức trên
ATM) LANE (LAN Emulation – Mô phỏng LAN)… cũng chính là kết quả
nghiên cứu để giải quyết các vấn đề đó, nhưng các giải thuật này đều chỉ giải
quyết được một phần các tồn tại, như vấn đề QoS chẳng hạn. Phương thức mà
các kỹ thuật này dùng vẫn là phương thức chồng xếp, khả năng mở rộng vẫn
không đủ. Hiện nay đã xuất hiện một loại kỹ thuật IP over ATM không dùng
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG
SV Nguyễn Quang Hiếu - Đ2001VT

12
phương thức xếp chồng, mà dùng phương thức chuyển mạch nhãn, áp dụng
phương thức tích hợp. Kỹ thuật này chính là cơ sở của MPLS.

Xem chi tiết: nghiên cứu về Chuyển mạch IP