Định tuyến IP - Chương 3: Phân tích các chức năng và hoạt động của định tuyến

Chương 3 : Phân tích các chức năng và hoạt động của định tuyến 24 Chương 3 Phân tích các chức năng và hoạt động của định tuyến 3.1 Giới thiệu chương : Định tuyến là một chức năng phức tạp không thể thiếu trong bất kỳ một loại hình viễn thông nào và cũng được xem là phần trung tâm của kiến trúc mạng, thiết kế mạng và điều hành mạng. Khi còn là tổng đài nhân công, việc kết nối các cuộc gọi dưới hình thức nối dây là hình thức định tuyến sơ khai nhất. Với sự ra đời của tổng đài kỹ thuật số, đã làm thay đổi cả phương thức cũng như kỹ thuật định tuyến, nhưng nó vẫn là một chức năng cơ bản trong một tổng đài điện thoại, không có định tuyến không có kết nối cuộc gọi. Việc tối ưu hoá định tuyến trong mạng đem lại hiệu quả kinh doanh tối đa và ý nghĩa kinh tế vô cùng to lớn trên đà phát triển mạng viễn thông hiện nay. Chưong ba mô tả các bước thực hiện định tuyến, chức năng của định tuyến nhằm khẳng định mục tiêu của định tuyến là làm gì và làm như thế nào? Ngoài ra chương này còn phân tích cơ sở lý thuyết trên quan điểm mạng để xây dựng kỹ thuật định tuyến và trình bày cụ thể các kiểu định tuyến dựa trên sự phân chia đó như định tuyến tập trung, định tuyến phân tán hay định tuyến tĩnh, định tuyến động. 3.2 Khái niệm định tuyến : Định tuyến là quá trình chọn một con đường để truyền một đơn vị dữ liệu (một gói tin chẳng hạn) từ trạm nguồn cho tới trạm đích. Ta xét một mạng chuyển mạch gói bao gồm tập hợp các node chuyển mạch gói nối với nhau bởi các liên kết dữ liệu (hình 3.1). Các gói dữ liệu được truyền từ một hệ Chương 3 : Phân tích các chức năng và hoạt động của định tuyến 25 thống mở tới một hệ thống mở khác trên mạng phải được chọn đường qua một chuỗi các node. Mỗi node trong mạng nhận gói dữ liệu từ một đường vào (incoming link) rồi chuyển tiếp nó tới một đường ra (outgoing link) hướng đến đích của dữ liệu. Như vậy ở mỗi node trung gian đó phải thực hiện các chức năng chọn đường hay còn gọi là định tuyến và chuyển tiếp cho đơn vị dữ liệu. Các chức năng đó thuộc lớp mạng - lớp 3 của mô hình OSI, vì các giao thức định tuyến hoạt động ở trên lớp liên kết dữ liệu - lớp 2 và để cung cấp một dịch vụ “trong suốt” cho tầng giao vận, vì vậy chúng phải ở dưới tầng giao vận – lớp 4. 3.3 Mục tiêu của định tuyến : Ba mục tiêu cơ bản của định tuyến : • Tối ưu hiệu năng mạng. • Tối thiểu giá thành mạng. • Tối ưu tham số mạng như băng thông, độ trễ, độ tin cậy, chất lượng gói tin.. Vì vậy để đạt được mục tiêu đề ra một kỹ thuật định tuyến cần phải hoàn thiện được hai chức năng chính sau : Hình 3.1: Chức năng định tuyến trong mô hình kết nối hệ thống mở OSI Chương 3 : Phân tích các chức năng và hoạt động của định tuyến 26 • Quyết định chọn đường theo những chuẩn tối ưu nào đó. • Cập nhật thông tin định tuyến, tức là thông tin dùng cho chức năng. 3.4 Phân loại kỹ thuật định tuyến trong mạng IP : 3.4.1 Cơ sở cho việc phân chia các kỹ thuật định tuyến : Trong các mạng máy tính có rất nhiều các kỹ thuật định tuyến khác nhau đã được đưa ra. Sự phân biệt giữa các kỹ thuật định tuyến chủ yếu căn cứ vào các yếu tố liên quan đến hai chức năng chính đã chỉ ra trên mục 3.3 . Các yếu tố đó thường là: (a) Sự phân tán của các chức năng chọn đường trên các node của mạng. (b) Sự thích nghi với trạng thái hiện hành của mạng. (c) Các tiêu chuẩn tối ưu để định tuyến. ¾ Dựa trên yếu tố (a) ta có thể phân biệt kỹ thuật định tuyến thành: Kỹ thuật định tuyến tập trung (centralized routing). Kỹ thuật định tuyến phân tán (distributed routing). ¾ Dựa trên yếu tố (b) ta có thể phân biệt kỹ thuật định tuyến thành : Kỹ thuật định tuyến tĩnh (static hay fixed routing). Kỹ thuật định tuyến động (adaptative routing). ¾ Cuối cùng các kỹ thuật định tuyến cùng loại theo (a) và (b) lại có thể phân biệt bởi yếu tố (c). Tiêu chuẩn tối ưu để định tuyến được xác định bởi người quản lý hoặc người thiết kế mạng, nó có thể là: Độ trễ trung bình của thời gian truyền gói tin. Số lượng node trung gian giữa nguồn và đích của gói tin. Độ an toàn của việc truyền tin. Nguồn tài nguyên mạng sử dụng cho truyền tin . v.v.. Tổ hợp của các tiêu chuẩn trên. Chương 3 : Phân tích các chức năng và hoạt động của định tuyến 27 Việc chọn tiêu chuẩn tối ưu như vậy phụ thuộc vào nhiều bối cảnh mạng (topo, thông lượng, mục đích sử dụng.v.v..). Các tiêu chuẩn có thể thay đổi vì bối cảnh mạng cũng có thể thay đổi theo thời gian hoặc các triển khai ứng dụng trên mạng, chính vì thế mà vấn đề tối ưu hoá định tuyến luôn được đặt ra trong thời gian triển khai mạng, nhất là sự đối lập về quan điểm người sử dụng dịch vụ và nhà khai thác dịch vụ mạng. 3.4.2 Định tuyến tập trung và định tuyến phân tán : 3.4.2.1 Định tuyến tập trung : 3.4.2.1.1 Giới thiệu : Giải pháp quản lý định tuyến cho các mạng nhỏ (về kích cỡ mạng và độ phức tạp của mạng) thường ứng dụng kiểu định tuyến tập trung để giảm giá thành và thuận tiện trong công tác quản lý. Tuy nhiên kiểu định tuyến tập trung thường bộc lộ các yếu điểm vì phải công khai thông tin định tuyến cho toàn mạng và dễ bị tấn công. Hơn nữa, định tuyến tập trung phản ứng với sự thay đổi trạng thái mạng kém nhanh nhạy. Đề tài này đề cập đến phương pháp bản đồ trạng thái trung kế (TSMR) là một phương pháp định tuyến đại diện cho định tưyến động theo thời gian thực tập trung. 3.4.2.1.2 Mạng định tuyến động theo thời gian thực tập trung (Centralized Real-Time Dynamic Routing Network) : Mô hình mạng định tuyến động với bản đồ trạng thái trung kế ở hình 3.2. Mỗi tổng đài gởi định kỳ T giây thông tin về trạng thái rỗi trong các trung kế TSMP thông qua kênh báo hiệu (CCS) và sẽ nhận định kỳ thông tin cập nhật trạng thái trung kế từ TSMP. Khi một cuộc gọi đến tổng đài nguồn, tổng đài phân tích số bị gọi để biết được tổng đài đích . Thủ tục TSMR sẽ chọn hướng ưu tiên 1, hướng ưu tiên 1 là hướng có lưu lượng thấp nhất, nếu trên hướng này có mạch rỗi thì nó sẽ chọn, nếu không rỗi thì nó Chương 3 : Phân tích các chức năng và hoạt động của định tuyến 28 chọn hướng có tải thấp nhất, là hướng có số mạch rỗi lớn nhất nhờ vào bản đồ trạng thái trung kế tập trung. Khi một cuộc gọi đến tổng đài nguồn, tổng đài phân tích số bị gọi để biết được tổng đài đích . Thủ tục TSMR sẽ chọn hướng ưu tiên 1, hướng ưu tiên 1 là hướng có lưu ES ES ES CCS TSM UPDATE STATUS STATUS UPDATE UPDATE STATUS UPDATE UPDATE STATUS STATUS UPDATE STATUS Hướng đi của gói Hình 3.2 : Định tuyến với bản đồ trạng thái trung kế Số mạch rỗi hiện tại trên Router Bộ xử lý bản đồ trạng thái trung kế (TSMP) Cập nhật bản định tuyến A B C E 15 20 30 10 25 Tổng đài nguồn Tổng đài đích Hình 3.3 : Định tuyến động theo thời gian thực tập trung. Chương 3 : Phân tích các chức năng và hoạt động của định tuyến 29 lượng thấp nhất, nếu trên hướng này có mạch rỗi thì nó sẽ chọn, nếu không rỗi thì nó chọn hướng có tải thấp nhất, là hướng có số mạch rỗi lớn nhất nhờ vào bản đồ trạng thái trung kế tập trung. Ví dụ như hình 3.3, hướng được chọn là hướng A-C-B : 3.4.2.2 Định tuyến phân tán : 3.4.2.2.1 Giới thiệu : Mô hình tập trung được xây dựng từ hệ thống tính toán định tuyến, nhưng trong các điều kiện mạng phát triển rất nhanh và mạnh. Mô hình phân tán thực sự chiếm được ưu thế với độ động lớn hơn, vì các chức năng định tuyến được thực hiện trên nhiều thực thể mạng, các thông tin được lưu tại nhiều thực thể và vì thế độ tin cậy của mạng tăng lên. Sau đây xin đề cập phương pháp định tuyến mạng thời gian thực (RTNR) đại diện cho định tuyến động thời gian thực phân tán. 3.4.2.2.2 Mạng định tuyến động theo thời gian thực tập trung (Centralized Real-Time Dynamic Routing Network) : Phương pháp định tuyến mạng thời gian thực Real Time Network Routing (RTNR) được minh hoạ trong hình 3.4. Least load Truy ấ Trạng Tổng đài Tổng đài ồ Hình 3.4 : Định tuyến động theo thời gian thực phân tán Chương 3 : Phân tích các chức năng và hoạt động của định tuyến 30 Khi một cuộc gọi đến tổng đài nguồn, nó phân tích số bị gọi để biết được tổng đài đích. Tổng đài nguồn luôn luôn chọn thử đường nối trực tiếp giữa hai tổng đài , nếu không có mạch rỗi nó chọn hướng quá giang dựa vào trạng thái thực tại. Tổng đài nguồn yêu cầu tổng đài đích gởi thông tin về trạng thái bận rỗi của tất cả các trung kế nối đến tổng đài đích. Tổng đài nguồn sẽ so sánh trạng thái bận rỗi của các trung kế nối đến nó sau đó chọn hướng có tải thấp nhất để định tuyến cuộc gọi . Việc định tuyến được thực hiện cho từng cuộc gọi. 3.4.3 Định tuyến tĩnh và định tuyến động : 3.4.3.1 Định tuyến tĩnh : 3.4.3.1.1 Giới thiệu : Định tuyến tĩnh là một giải pháp mà các tuyến tĩnh được người quản trị cập nhật và quản lý nhân công. Trong trường hợp cấu hình mạng mạng thay đổi, người quản trị phải cập nhật lại các tuyến tĩnh một cách thủ công. 3.4.3.1.2 Ưu điểm của định tuyến tĩnh : Ưu điểm lớn nhất của định tuyến tĩnh là sự thay đổi chậm, điều đó có nghĩa là tính chịu đàn hồi của mạng sẽ tốt hơn. Điều đó dẫn tới việc dự đoán hiệu năng mạng và sửa lỗi nhanh hơn. Các hệ thống sử dụng định tuyến tình thường là các hệ thống kết cuối, việc chuyển thông tin vào mạng có thể chỉ có một tuyến đường duy nhất và thường được gọi là hướng ngầm định, các bộ định tuyến không cần trao đổi các thông tin tìm đường cũng như cơ sở dữ liệu định tuyến. Vì vậy, định tuyến tĩnh có một số ứng dụng hữu ích. Định tuyến động có khuynh hướng truyền đạt tất cả các thông tin về một liên mạng. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, vì lý do an toàn chúng ta có thể muốn che dấu một số phần của liên mạng. Định tuyến tĩnh cho phép chúng ta che dấu thông tin không Chương 3 : Phân tích các chức năng và hoạt động của định tuyến 31 muốn tiết lộ. Ví dụ trong trường hợp hình 3.5 dưới đây, mạng LAN chỉ có một đường đi duy nhất tới mạng, thì chỉ một tuyến tĩnh tới mạng là đủ. 3.4.3.1.3 Nhược điểm của định tuyến tĩnh : 1. Quyết định định tuyến tĩnh không dựa trên sự đánh giá lưu lượng và Topo mạng hiện thời. 2. Trong môi trường IP các bộ định tuyến không thể phát hiện ra các bộ định tuyến mới, chúng chỉ có thể chuyển gói tin tới các bộ định tuyến được chỉ định của nhà quản lý mạng. 3. Trong định tuyến tĩnh, các tuyến được thiết lập thủ công, mỗi khi mạng có sự cố hoặc cấu hình mạng thay đổi thì quản trị mạng phải thiết lập lại tuyến mới. Hiện nay hầu hết các nước trên thế giới đều sử dụng định tuyến thay thế, phương pháp này được mô tả như hình 3.6. Trước tiên tổng đài sẽ chọn hướng ưu tiên 1 để định tuyến cuộc gọi, nếu không định tuyến được trên hướng này thì sẽ chọn đến hướng có mức ưu tiên thấp hơn và quá trình cứ thế được tiếp tục. R1 Kết nối chuyển mạch Một đường kết nối Mạng stub Hình 3.5 :Sử dụng tuyến tĩnh cho mạng kết cuối một đường. Chương 3 : Phân tích các chức năng và hoạt động của định tuyến 32 3.4.3.2 Định tuyến động : 3.4.3.2.1 Giới thiệu : Định tuyến động có cơ chế hoạt động ngược lại so với định tuyến tĩnh. Sau khi người quản trị nhập các lệnh cấu hình để khởi tạo định tuyến động, thông tin về tuyến sẽ được cập nhật tự động mỗi khi nhận được một thông tin mới từ lớp mạng. Các thay đổi về Topo mạng được trao đổi giữa các bộ định tuyến. 3.4.3.2.2 Ưu điểm của định tuyến động : D E B A 1 2 3 2 1 3 2 1 Mức ưu tiên Hình 3.6 : Phương pháp chọn Router thay thế R1 R2 R3 R4 Hình 3.7 : Có thể thay thế tự động tuyến hỏng bằng tuyến khác Chương 3 : Phân tích các chức năng và hoạt động của định tuyến 33 Định tuyến động lựa chọn tuyến dựa trên thông tin trạng thái hiện thời của mạng. Thông tin trạng thái có thể đo hoặc dự đoán và tuyến đường có thể thay đổi khi topo mạng hoặc lưu lượng mạng thay đổi. Thông tin định tuyến cập nhật vào trong các bảng định tuyến của các node mạng trực tuyến, và đáp ứng tính thời gian thực nhằm tránh tắc nghẽn cũng như tối ưu hiệu năng mạng. Ưu điểm lớn nhất của định tuyến động là nó có thể thiết lập tuyến đường tới tất cả các thiết bị trong mạng, tự động thay đổi tuyến đường khi cấu hình mạng thay đổi. Nó rất thích hợp cho: ƒ Thêm thiết bị và địa chỉ mới vào mạng. ƒ Loại bỏ thiết bị và địa chỉ khỏi mạng. Các giao thức định tuyến động cũng có thể chuyển lưu lượng từ cùng một phiên làm việc qua nhiều đường đi khác nhau trong mạng để có hiệu suất cao hơn. Tính chất này được gọi là chia sẻ tải (load sharing). 3.4.3.2.3 Nhược điểm của định tuyến động : Trong mạng phức hợp sử dụng định tuyến động, một mạng có thể bị tái tạo lại cấu hình một cách liên tục vì sự khác nhau về thiết bị và chính sách của rất nhiều nhà khai thác cùng hoạt động. Điều đó có thể gây nên những tổn thất trên mạng về sử dụng tài nguyên hay nói cách khác việc sử dụng định tuyến động cũng sẽ tạo ra độ phức tạp cao. 3.5 Kết luận chương : Hai giải pháp định tuyến thường được sử dụng là định tuyến tĩnh và định tuyến động. Định tuyến tĩnh là một giải pháp mà các tuyến tĩnh được người quản trị cập nhật và quản lý nhân công. Ưu điểm lớn nhất của định tuyến tĩnh là sự thay đổi chậm, điều đó có nghĩa là tính chịu đàn hồi của mạng sẽ tốt hơn. Trong một số mạng chuyển mạch, việc sử dụng định tuyến tĩnh tránh được lưu lượng cập nhật của định tuyến động, bảo Chương 3 : Phân tích các chức năng và hoạt động của định tuyến 34 mật được nguồn tin. Hiện nay khi mạng phân cấp đang phát triển làm thay đổi một số tính năng hỗ trợ của mạng và đặt ra yêu cầu cao về điều hành và giám sát hoạt động của mạng viễn thông. Qua đó kỹ thuật định tuyến đã bộc lộ những nhược điểm như độ hội tụ kém, thông tin thay đổi Topo chỉ được gởi đến Router do nhà quản trị mạng qui định. Ngược lại với định tuyến tĩnh thì sau khi người quản trị nhập các lệnh cấu hình để khởi tạo định tuyến động, thông tin về tuyến sẽ được cập nhật tự động mỗi khi nhận được một thông tin mới từ lớp mạng. Ưu điểm lớn nhất của định tuyến động là nó có thể thiết lập tuyến đường tới tất cả các thiết bị trong mạng, tự động thay đổi tuyến đường khi cấu hình mạng thay đổi dẫn đến độ hội tụ nhanh. Các giao thức định tuyến động cũng có thể chuyển lưu lượng từ cùng một phiên làm việc qua nhiều đường đi khác nhau trong mạng để có hiệu suất cao hơn. Tính chất này được gọi là chia sẻ tải (load sharing). Không đơn giản như định tuyến tĩnh, định tuyến động đòi hỏi cung cấp nhiều tài nguyên mạng hơn như băng thông, phương thức xử lý phức tạp là một trong số các nguyên nhân gây trễ đường truyền. Định tuyến động xây dựng trên hai yếu tố cơ bản là mô hình hình tính toán và thông tin trạng thái. Có hai kiểu mô hình tính toán sử dụng trong định tuyến động là mô hình tập trung và mô hình phân tán. Mô hình tập trung được xây dựng từ hệ thống tính toán định tuyến, nhưng trong các điều kiện mạng phát triển rất nhanh và mạnh, mô hình phân tán thực sự chiếm được ưu thế với độ rộng lớn hơn. Vì các chức năng định tuyến được thực hiện trên nhiều thực thể mạng, các thông tin được lưu tại nhiều thực thể và vì thế độ tin cậy của mạng tăng lên.