Định tuyến IP - Chương 2: Tầm quan trọng của định tuyến trong kết nối liên mạng

Chương 2 : Tầm quan trọng của định tuyến trong kết nối liên mạng 13 Chương 2 Tầm quan trọng của định tuyến trong kết nối liên mạng 2.1 Giới thiệu chương : Kết nối liên mạng luôn là một vấn đề quan trọng từ khi mạng thông tin ra đời cho đến nay. Các mạng chuyển mạch gói sử dụng cho dịch vụ truyền dữ liệu đáp ứng tốt độ bùng phát băng thông mạng nhưng lại rất khó khăn trong đảm bảo tính thời gian thực. Vấn đề gói hoá các loại hình dịch vụ người sử dụng là xu hướng tất yếu của công nghệ mạng, cho dù nền tảng kỹ thuật mạng hoàn toàn là kỹ thuật chuyển mạch gói thì vẫn nảy sinh một số vấn đề cơ bản cần phải giải quyết, nhất là trong mạng toàn cầu. Chương này đề cập đến sự thiết yếu của định tuyến trong quá trình xây dựng một mạng hoặc một liên mạng. Từ đó đưa ra giải pháp hình thành bộ định tuyến, đặc biệt trong chương còn đề cập đến quá trình hoàn thiện cấu trúc phần cứng từ thế hệ đầu cho đến nay. 2.2 Kết nối liên mạng : 2.2.1 Sự thiết yếu của kết nối liên mạng : Thông tin và truyền thông liên lạc qua Internet đã trở nên một phần cơ bản của cuộc sống. Các dịch vụ do mạng toàn cầu World Wide Web chứa đựng thông tin về rất nhiều chủ đề như điều kiện khí quyển, sản xuất, giá cổ phiếu,v..v. Nhiều tổ chức đã thiết lập các mô hình cơ sở dữ liệu để lưu trữ và luân chuyển thông tin (ví dụ như các dịch vụ thư điện tử) trên đó họ có thể chia sẻ thông tin với nhau, từ thông tin kinh Chương 2 : Tầm quan trọng của định tuyến trong kết nối liên mạng 14 doanh, kỹ thuật cho đến những vấn đề cá nhân. Vì vậy, mà nguồn tài nguyên mạng được lớn mạnh không ngừng nó đòi hỏi không ngừng của sự phát triển và cải thiện các kỹ thuật mạng lưới, trong đó có kỹ thuật kết nối liên mạng. Cho tới nay, hầu hết các kỹ thuật mạng được thiết kế cho một mục đích cụ thể. Mỗi công ty hoặc tổ hợp công ty thường lựa chọn một kỹ thuật phần cứng thích hợp cho yêu cầu và khả năng tài chính của họ, kèm với nó là các giải pháp phần mềm tương ứng. Điều quan trọng hơn cả là không thể xây dựng một mạng toàn cầu từ một kỹ thuật mạng duy nhất bởi vì không một mạng riêng lẻ nào có thể đáp ứng được nhu cầu cung cấp dịch vụ cho tất cả mọi người vì tính đa dạng của dịch vụ người sử dụng. 2.2.2 Giải pháp đặt ra : Trước thực trạng nêu trên, các nhà cung cấp dịch vụ phải tìm cách dung hòa được các mạng với nhau. Để làm được điều đó, trước tiên các nhà thiết kế phải tuân theo một số nguyên tắc xây dựng mạng nhất định : • Điểm trước nhất được đặt ra là các vấn đề về liên quan tới cả kinh tế lẫn kỹ thuật. Các mạng cục bộ LAN giá thành thấp cho phép thông tin liên lạc với tốc độ cao nhưng chỉ trong những khoảng cách ngắn. Mạng diện rộng trải ra trên những khoảng cách lớn lại không thể cung cấp việc thông tin liên lạc với chi phí thấp. • Điểm thứ hai mang tính tự nhiên và hiển nhiên cần đề cập tới vì nó liên quan tới người sử dụng, hầu hết người sử dụng đều muốn liên lạc được giữa hai điểm bất kỳ và thậm chí thường không quan tâm tới kỹ thuật ứng dụng mạng. Điều đó đặt ra cho các nhà thiết kế mạng cần phải có được hệ thống thông tin liên lạc không bị giới hạn bởi địa lý và bởi rào cản của các mạng vật lý. ¾ Từ đó các nhà thiết kế đã sử dụng hai cách tiếp cận khác nhau để xây dựng một mạng thống nhất, có sự hợp tác, liên kết giữa các mạng : 1. Liên kết trong ở mức ứng dụng : Sử dụng các chương trình ứng dụng để xữ lý sự không đồng nhất giữa các hệ và che dấu các chi tiết trong hệ điều hành. Các Chương 2 : Tầm quan trọng của định tuyến trong kết nối liên mạng 15 mạng liên kết trong bao gồm nhiều thành phần trước đây đã cung cấp một dạng chung nhất thông qua các chương trình ở mức ứng dụng, gọi là các cổng ứng dụng (application gateways). Trong các hệ đó, một chương trình ở mức ứng dụng thực hiện trên mỗi máy tính trong mạng hiểu được chi tiết của các liên kết mạng của máy đó và tương tác bên trong qua các liên kết đó với những chương trình ứng dụng trên máy khác. Thoạt nhiên, việc sử dụng các chương trình ứng dụng để liên kết giữa các mạng trông có vẻ tự nhiên nhưng cách tiếp cận này có những giới hạn và khó khăn trong quá trình thông tin liên lạc. ¾ Thêm tính năng mới vào hệ có nghĩa là xây dựng chương trình ứng dụng mới cho mỗi máy. ¾ Thêm phần cứng mạng mới vào hệ này có nghĩa là phải sửa đổi những chương trình hiện tại cho mỗi một ứng dụng. Trên mỗi một máy tính, mỗi chương trình ứng dụng phải hiểu các liên kết mạng cho máy đó, như thế tạo nên sự trùng lặp chương trình trong các máy. Những người sử dụng có kinh nghiệm trong mạng hiểu rằng khi số liên kết trong này lên đến hàng trăm hay hàng nghìn, thì không ai có thể xây dựng tất cả các chương trình ứng dụng cần thiết. Hơn nữa khi một chương trình trung gian bị hỏng, cả nơi xuất phát lẫn đích đến đều không thể nhận ra hoặc kiểm soát lỗi. 2. Liên kết trong ở mức mạng : cung cấp một cơ chế để phát chuyển những gói dữ liệu từ nơi xuất phát tới đích cuối cùng mà không sử dụng đến các chương trình ứng dụng trung gian. Các liên kết mức mạng cho phép các hệ thống trung gian nhận biết thông tin chỉ tại tầng mạng, sau khi các tập tin ứng dụng đã được tạo thành các gói tin phù hợp với hạ tầng mạng, việc chuyển những đơn vị dữ liệu (gói tin) thay vì những tập tin lớn có một số ưu điểm: ¾ Mô hình này ánh xạ trực tiếp lên phần cứng cơ sở của mạng nên rất hiệu quả. ¾ Liên kết trong mức mạng tách rời các hoạt động thông tin liên lạc dữ liệu ra khỏi các chương trình ứng dụng cho phép các máy tính trung gian xử lý các giao Chương 2 : Tầm quan trọng của định tuyến trong kết nối liên mạng 16 dịch trên mạng mà không cần hiểu các chương trình ứng dụng đang gửi/nhận dữ liệu. ¾ Việc dùng các liên kết mạng giúp cho toàn bộ hệ thống được uyển chuyển, có thể xây dựng các tiện ích truyền thông tin cho những mục đích tổng quát. ¾ Mô hình này cho phép người quản lý mạng thêm vào các kỹ thuật mạng mới bằng cách sửa đổi hoặc thêm một phần mềm mức mạng mới, mà không cần phải thay đổi các chương trình ứng dụng. Với những ưu điểm của việc thực hiện liên kết trong mức mạng, trong hai thập kỷ vừa qua, một kỹ thuật mới đã hình thành làm cho việc liên kết nhiều mạng vật lý khác nhau trở thành hiện thực, và giúp chúng hoạt động như một hệ thống nhất. Kỹ thuật đó được gọi là Internetworking gọi tắt là internet có thể vận hành đa hệ, với nhiều kỹ thuật phần cứng khác nhau. Kỹ thuật internet che dấu chi tiết phần cứng của mạng, và cho phép máy tính trao đổi thông tin độc lập với những liên kết mạng vật lý của chúng. 2.3 Cơ sở thực hiện kết nối liên mạng qua bộ định tuyến IP : Câu hỏi được đặt ra ở đây là làm thế nào các mạng được liên kết với nhau để hình thành một internetwork? Câu trả lời gồm 2 phần. 2.3.1 Về mặt vật lý : Hai mạng chỉ có thể được nối bởi một máy tính mà được gán cả vào 2 mạng. Tuy nhiên việc nối một cách vật lý không cung cấp một liên kết mà chúng ta đã mô tả, vì một kết nối như vậy không bảo đảm rằng máy tính này sẽ hợp tác với những máy tính khác mà sẽ liên lạc với nhau. Để có một internet đúng nghĩa, chúng ta cần những máy tính đặc biệt mà sẵn lòng chuyển các gói từ mạng này sang mạng khác. Các máy tính mà liên kết hai hay nhiều mạng và chuyển gói từ mạng này sang mạng khác được gọi là các cổng internet (internet getways) hoặc bộ định tuyến internet (internet routers) . Chương 2 : Tầm quan trọng của định tuyến trong kết nối liên mạng 17 2.3.2 Về phương thức liên lạc : Trong một mạng hoạt động theo tiêu chuẩn giao thức TCP/IP, những máy tính đặc biệt được gọi là bộ định tuyến IP hay cổng IP cung cấp mối liên kết trong các mạng vật lý. Ý tưởng về bộ định tuyến tưởng như đơn giản nhưng lại rất quan trọng vì nó cung cấp một cách thức để liên lạc các mạng, chứ không chỉ các máy tính. Một bộ định tuyến có thể có nhiều địa chỉ IP. Vì các điạ chỉ IP bao gồm 2 phần, phần mạng và phần máy trên mạng đó, nên mỗi địa chỉ không chỉ đơn thuần xác định một máy đơn mà là một liên kết với một mạng. Như vậy một bộ định tuyến liên kết n mạng sẽ có n địa chỉ IP khác nhau, mỗi địa chỉ cho một liên kết mạng. Hình 2.2 minh họa ba địa chỉ mạng được dùng để nhận diện các phân đoạn kết nối tới bộ định tuyến. Trong một mạng internet thực tế bao gồm nhiều mạng và nhiều bộ định tuyến, mỗi bộ định tuyến cần biết về mô hình của internet nằm ngoài các mạng mà nó nối vào. Đối với một mạng internet bao gồm nhiều mạng công việc của bộ định tuyến rất phức tạp khi quyết định gửi các gói đến đích cuối cùng của chúng. ở đây bộ định tuyến sẽ sử dụng mạng đích đến, không phải máy tính đích đến khi chuyển các gói đi. Do vậy lượng thông tin mà bộ định tuyến cần lưu trữ tỷ lệ với số lượng mạng trong internet chứ không phải tỷ lệ với số lượng máy tính. Hình 2.1 : Mô hình kết nối Internet. Chương 2 : Tầm quan trọng của định tuyến trong kết nối liên mạng 18 2.4 Quá trình hình thành và phát triển cấu trúc phần cứng bộ định tuyến : 2.4.1 Hoạt động bộ định tuyến : Sự phổ biến của internet đã khiến cho lưu lượng trên mạng tăng lên nhanh chóng trong những năm gần đây. Để duy trì sự tăng trưởng các nhà cung cấp dịch vụ liên tục đưa ra các dịch vụ mới đa dạng trên nền đa phương tiện, các dịch vụ đã tạo ra sức ép với hạ tầng mạng nhất là với các bộ định tuyến. Các bộ định tuyến truyền thống hoạt động chủ yếu trên phần mềm, khả năng của bộ định tuyến thường bị giới hạn bởi khả năng xử lý mã. Để đạt được tốc độ định tuyến nhanh, cần có một bộ xử lý tốc độ cao và dung lượng bộ nhớ lớn, điều đó đồng nghĩa với giá thành cao. Các mạch tích hợp ứng dụng đặc biệt ASIC cùng với các công nghệ bộ nhớ đã được triển khai nhằm cải thiện hiệu năng của các bộ định tuyến. Mặt khác, các giải pháp công nghệ mới cũng được đề xuất và ứng dụng. Trước hết chúng ta tìm hiểu các chức năng cơ bản của bộ định tuyến IP. Bộ định tuyến là thiết bị lớp 3 trong mô hình OSI nó đảm nhiệm 2 chức năng cơ bản (định Hình 2.2 : Định địa chỉ mạng để phân biệt các kết nối Chương 2 : Tầm quan trọng của định tuyến trong kết nối liên mạng 19 tuyến và chuyển tiếp gói tin). Quá trình định tuyến tập hợp các thông tin về cấu trúc mạng và tạo ra một bảng định tuyến. Trên cơ sở đó quá trình chuyển gói thực hiện chuyển tiếp các gói tin từ cổng đầu vào tới cổng đầu ra của bộ định tuyến. Mô hình bộ định tuyến điển hình gồm có 4 khối chức năng cơ bản : phần mềm định tuyến, khối xử lý gói, ma trận chuyển mạch và card đường truyền. 1. Bộ xử lý chính : thực thi phần mềm định tuyến, phần mềm này thực hiện các chức năng định tuyến và duy trì các thông tin của mạng thông qua các giao thức định tuyến, các thông tin được lưu trữ tại bảng định tuyến và các dữ liệu được cập nhật thường xuyên tuỳ thuộc vào cấu hình mạng. 2. Ma trận chuyển mạch : thực hiện quá trình chuyển tiếp gói tin từ đầu vào tới đầu ra bộ định tuyến, nó là thành phần cốt lõi của phương tiện chuyển gói. Bộ xử lý chuyển gói thường là một ASIC được tối ưu để thực hiện nhiệm vụ xử lý gói với tốc độ cao nhất. Trong bộ xử lý chuyển gói chứa và duy trì một bảng dữ liệu dành cho nhiệm vụ chuyển gói, bảng này nhận các thông tin cơ bản từ bảng định tuyến và thực hiện các tác vụ như: đọc địa chỉ đích, tra cứu tuyến, tìm tiền tố phù hợp và chuyển gói tới đầu ra tương ứng. 2.4.2 Sự phát triển cấu trúc của các bộ định tuyến : 2.4.2.1 Bộ định tuyến thế hệ đầu tiên : Thế hệ thứ nhất của bộ định tuyến tương đối đơn giản nếu chúng ta nhìn nhận từ phương diện cấu trúc (xem trên hình 2.3). Bộ định tuyến sử dụng bus truyền thống gồm một bộ xử lý tập trung đa chức năng bộ đệm tập trung và một BUS chung chia sẻ dữ liệu cho các card đường truyền đầu vào và đầu ra. Bộ định tuyến nhận các gói tin tại giao diện và gửi các gói tin này tới bộ xử lý trung tâm (CPU), CPU có nhiệm vụ xác định chặng đến tiếp theo của gói tin và gửi chúng tới giao diện đầu ra tương ứng. Các gói tin đi vào bộ định tuyến phải được truyền trên cùng một bus để lập lịch trình tới đầu ra và thường được lưu đệm tại một bộ Chương 2 : Tầm quan trọng của định tuyến trong kết nối liên mạng 20 nhớ dữ liệu tập trung. Các card giao tiếp đường truyền là các thiết bị không chứa khả năng xử lý gói. Bé xö lý (CPU) Bé nhí MAC Card ®−êng d©y DMA MAC Card ®−êng d©y DMA MAC Card ®−êng d©y DMA Nhược điểm cơ bản của mô hình kiến trúc này là dữ liệu phải đi hai lần qua bus sau khi vào bộ định tuyến và bus chỉ có thể được sử dụng cho một card đường truyền tại một thời điểm. Một nhược điểm khác nữa là hệ thống xử lý của bộ định tuyến, với chức năng đa xử lý CPU sẽ phải thực hiện rất nhiều công việc gồm cả chức năng định tuyến lẫn chuyển gói, nó tạo ra một tải trọng lớn cho các bộ xử lý đồng thời tạo ra hiện tượng nghẽn cổ chai tại bộ định tuyến. Hiệu năng của bộ định tuyến thế hệ đầu tiên phụ thuộc rất lớn vào tốc độ bus và năng lực xử lý của bộ xử lý trung tâm. Kiến trúc này không thể đáp ứng được nhu cầu lưu lượng ngày càng tăng của các giao diện mạng với tốc độ lên tới nhiều gigabit. 2.4.2.2 Kiến trúc bộ định tuyến thế hệ thứ hai : Thiết kế cơ bản của bộ định tuyến thế hệ thứ hai được chỉ ra trên hình 2.4 sau đây. Bộ định tuyến được bổ sung các bộ xử lý ASIC và một vài bộ nhớ trong card đường truyền nhằm phân tán hoạt động chuyển gói, giảm lưu lượng tải trên bus dùng chung. Hình 2.3: Kiến trúc bộ định tuyến thế hệ đầu tiên Chương 2 : Tầm quan trọng của định tuyến trong kết nối liên mạng 21 Những thành phần bổ sung này có thể thực hiện tìm kiếm trong tiêu đề gói tin các thông tin và thực hiện lưu đệm gói tin đến khi bus rỗi, có nghĩa là kiến trúc này cho phép xử lý gói tin ngay tại các giao diện. Bé xö lý (CPU) Bé nhí DMA MAC Card ®−êng d©y Cache Bé nhí DMA MAC Cache Bé nhí DMA MAC Cache Bé nhí Trong kiến trúc này, bộ định tuyến giữ một bảng định tuyến trung tâm và các bộ xử lý vệ tinh tại các giao diện mạng. Nếu một tuyến nối không có sẵn trong bảng lưu đệm thì giao diện sẽ yêu cầu tới bảng biên dịch tại trung tâm, như vậy, tại tốc độ cao các bộ xử lý trung tâm vẫn xảy ra hiện tượng tắc nghẽn vì có quá nhiều yêu cầu cần xử lý tại các giao diện mạng và thời gian xử lý chậm hơn rất nhiều nếu như dữ liệu này đã được cache tại card đường dây. Một hạn chế chính của kiến trúc này là lưu lượng phụ thuộc rất lớn vào khả năng xử lý của CPU và năng lực của BUS, tuy nhiên chúng ta có thể thấy rõ biện pháp cải thiện hiệu năng hệ thống qua việc tăng cường tính năng cho các giao diện bằng cách sử dụng bộ nhớ lớn hơn với các bảng định tuyến có kích thước tăng lên. Một giải pháp khác nhằm phân tán và giảm tốc độ truyền bằng các khối chuyển gói song song, như vậy cấu trúc này tận dụng được băng thông của BUS sử dụng chung. Tuy nhiên, các bộ định Hình 2.4: Kiến trúc bộ định tuyến thế hệ thứ hai Chương 2 : Tầm quan trọng của định tuyến trong kết nối liên mạng 22 tuyến thế hệ 2 chỉ tồn tại trong một khoảng thời gian ngắn vì không hỗ trợ được yêu cầu thông lượng lại mạng lõi, cấu trúc sử dụng bus làm phương tiện truyền đã bộc lộ điểm yếu rõ rệt và rất khó thiết kế tại tốc độ cao. 2.4.2.3 Kiến trúc bộ định tuyến thế hệ thứ ba : Để giải quyết vấn đề tắc nghẽn của các bộ định tuyến thế hệ 2, thế hệ bộ định tuyến thứ 3 được thiết kế với mục tiêu thay thế bus sử dụng chung bằng trường chuyển mạch. Bé xö lý (CPU) Giao tiÕp m¹ng Giao tiÕp m¹ng Tr−êng chuyÓn m¹ch Giao diÖn ma trËn chuyÓn m¹ch Giao tiÕp ®a ph−¬ng tiÖn Ph©n hÖ xö lý khu vùc Xö lý ®Çu vµo Xö lý ®Çu ra Các thiết kế cho bộ định tuyến thế hệ 3 nhằm giải quyết 3 vấn đề tiềm tàng trước đây : năng lực xử lý, kích thước bộ nhớ, và băng thông của bus. Cả ba vấn đề này đều có thể tránh được bằng cách sử dụng một kiến trúc với nền tảng là ma trận chuyển mạch và các giao diện được thiết kế hợp lý. Một bước tiến quan trọng trong việc xây dựng các bộ định tuyến hiệu năng cao là tăng cường xử lý cho từng giao diện mạng để giảm thiểu khối lượng xử lý và nguồn tài nguyên bộ nhớ của bộ định tuyến. Các bộ xử lý đa năng và các mạch tích hợp đặc biệt Hình 2.5: Sơ đồ chức năng của bộ định tuyến thế hệ 3 Chương 2 : Tầm quan trọng của định tuyến trong kết nối liên mạng 23 hoàn toàn có thể giải quyết vấn đề này. Tuy nhiên, khả năng xử lý tổng thể cho các gói tin qua hệ thống như thế nào còn phụ thuộc vào khả năng tìm và chọn tuyến, cũng như kiến trúc được lựa chọn, trong phần sau chúng ta sẽ xem xét chi tiết hơn. Để kết thúc phần này, chúng ta xem xét một sơ đồ chức năng của bộ định tuyến thế hệ 3 dưới góc độ tổng quan nhất (Hình 2.5 ). Đi cùng với sự thay đổi của kiến trúc bộ định tuyến, các thuật toán xử lý cũng được phát triển ví dụ như thuật toán tìm kiếm địa chỉ theo tiền tố dài nhất, các kiểu hàng đợi, các bài toán lập lịch và các phương pháp tích hợp bộ định tuyến…... 2.5 Kết luận chương : Như đã đề cập ở trên, vấn đề hoàn thiện và mở rộng một liên mạng phụ thuộc rất lớn vào việc cải thiện và phát huy các bộ định tuyến. Để đạt được tốc độ định tuyến nhanh, cần có một bộ xử lý tốc độ cao và dung lượng bộ nhớ lớn, điều đó đồng nghĩa với giá thành cao. Các mạch tích hợp ứng dụng đặc biệt ASIC cùng với các công nghệ bộ nhớ đã được triển khai nhằm cải thiện hiệu năng của các bộ định tuyến. Bên cạnh sự phát triển cấu trúc phần cứng thì việc tối ưu các giao thức định tuyến là vấn đề cần quan tâm. Để gói tin đi từ nguồn đến đích, trước tiên nó phải tuân theo một tập hợp các quy tắc, bài toán chọn đường tối ưu sao cho giảm thiểu độ trễ cũng như băng thông mạng, vấn đề này tiếp tục được nghiên cứu kỹ hơn trong các chương sau.