Đồ án Chuyển mạch IP trong mạng máy tính

MỤC LỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ARIS ARP ARS API AS ATM B-ISDN PRM BGP CBR CDV CLIP CoS CPCS CPE CRC CS CSLIP CSR EGP EIGRP ER FANP FDDI FEC FIB GFC GFMP ICMP ID IDRP IETF IFMP InATMARP IP IPCP ISDN ISP ISR LAN LANE LFN LLC/SNAP LSA LSP MARS MBS MCR MPOA NHRP NNI ODR OSPF PAWS PCR PDU PMD PNNI PPP PVC RARP RFC RIP RSVP RTO RTT SAP 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 Aggregate route-based IP switching Address resolution protocol Address resolution server Application programming interface Autonomous system Asynchronous tranfer mode Broadband-ISDN protocol reference model Border gateway protocol Contant bit rate Cell delay variation Classical IP over ATM Class of service Common path convergence sublayer Customer prime equipment Cycle redundantce code Convergence sublayer Compressed SLIP Cell switch router External gateway protocol Enhanced interior gateway routing protocol Explicit route Flow attribute notification protocol Fibler distributed data interconnect Forwarding equivalen class Forwarding information base General flow control General flow management protocol Internet control management protocol Identifier Interdomain routing protocol Internet enginering task force Ipsilon flow management protocol Inverse ATMARP Internet protocol IP control point Intergrated service digital network Internet service provider Intergrated switch router Local area network LAN emulation Long-fast network Logical link control/subnetwork access protocol Link state advertiseent Link state packet Multicast address resolution server Maximum burst sequence Minimum cell rate Multiprotocol over ATM Next hop resolution protocol Network-network interface On demand routing Open shortdest path first Protection against wapped sequence Peak cell rate Protocol data unit Physical medium dependent Private NNI Point-to-point protocol Permanent virtual circuit Reverse ARP Request for recommend Routing information protocol Resource reservation protocol Retransmission timeout Round trip time Service access point 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 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 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Định tuyến trong chuyển mạch gói truyền thống 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 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. 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 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 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 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 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. CHƯƠNG 2 ĐÁNH ĐỊA CHỈ VÀ ĐỊNH TUYẾN IP 2.1 Mô hình chồng giao thức TCP/IP TCP/IP là một bộ giao thức mở được xây dựng cho mạng Internet mà tiền thân của nó là mạng ARPnet của bộ quốc phòng Mỹ. Do đây là một giao thức mở, nên nó cho phép bất kỳ một đầu cuối nào sử dụng bộ giao thức này đều có thể được kết nối vào mạng Internet. Chính điều này đã tạo nên sự bùng nổ của Internet toàn cầu trong thời gian gần đây. Trong bộ giao thức này, hai giao thức được sử dụng chủ yếu đó là giao thức truyền tải tin cậy TCP (Transmission Control Protocol) và IP (Internet Procol). Chúng cùng làm việc với nhau để cung cấp phương tiện truyền thông liên mạng. Điểm khác nhau cơ bản của TCP/IP so với OSI đó là tầng liên mạng sử dụng giao thức không kết nối (connectionless) IP, tạo thành hạt nhân hoạt động của mạng Internet. Cùng với các giao thức định tuyến như RIP, OSPF, BGP,… tầng liên mạng IP cho phép kết nối một cách mềm dẻo và linh hoạt các loại mạng vật lý khác nhau như: Ethernet, Token Ring, X25… TCP/IP có kiến trúc phân lớp, gồm 4 lớp chức năng sau: 1) Lớp liên kết dữ liệu (DataLink Layer): Định nghĩa các hàm, thủ tục, phương tiện truyền dẫn đảm bảo sự truyền dẫn an toàn các khung thông tin trên bất kỳ một phương tiện truyền dẫn nào như Ethernet, ATM, token-ring, frame-relay,… 2) Lớp giao thức Internet(Internet Protocol): Chuyển tiếp các gói tin từ nguồn tới đích. Mỗi gói tin chứa địa chỉ đích và IP sử dụng thông tin này để truyền gói tin tới đích của nó. Giao thức IP được chạy trên tất cả các máy chủ (Host) cũng như trong tất cả các thiết bị định tuyến (Router). Lớp IP là lớp kết nối phi hướng nghĩa là mạng không cần thiết lập bất kỳ một đường dẫn nào đến đích trước khi gói tin được truyền qua mạng đến đích do vậy, mỗi gói đến đích với mỗi đường tối ưu khác nhau và IP không đảm bảo thứ tự đến đích của các gói tin. Mạng Internet hoạt động trên bất kỳ phương tiện truyền tải nào (nhờ có lớp DataLink) và có thể có rất nhiều ứng dụng trên lớp IP nhưng chỉ có một lớp IP với giao thức IP duy nhất là điểm hội tụ của TCP/IP cho phép nó hoạt động một cách linh hoạt và mềm dẻo trên mạng máy tính cực lớn. Hiện nay có hai phiên bản của IP là IPv4 và IPv6 (IPng). IPv4 là phiên bản đang sử dụng thống nhất hiện nay nhưng do nhu cầu phát triển của mạng và công nghệ truyền thông trong tương lai gần sẽ phải sử dụng phiên bản IPv6. 3) Lớp TCP/UDP: Lớp này chạy trên đỉnh của lớp IP và bao gồm hai giao thức là TCP và UDP. TCP là một kiểu phương thức hướng kết nối cho phép cung cấp các dịch vụ tin cậy còn UDP sử dụng phương thức hướng không kết nối cung cấp các dịch vụ kém tin cậy hơn. TCP/UDP chỉ được chạy trên hệ thống máy chủ và được sử dụng bởi mọi dịch vụ lớp ứng dụng. 4) Lớp ứng dụng (Application Layer): Là giao diện giữa người dùng và mạng Internet, lớp ứng dụng sử dụng các dịch vụ lớp TCP/IP. Các ứng dụng rất đa dạng, phong phú và ngày càng nhiều như Telnet, FTP, HTTP, SMTP,… 2.2 Đánh địa chỉ IP Địa chỉ IP là địa chỉ lớp mạng, được sử dụng để định danh các máy trạm (HOST) trong liên mạng. Địa chỉ IP có độ dài 32 bít đối với IPv4 và 128 bít với IPv6. Nó có thể được biểu thị dưới dạng thập phân, bát phân, thập lục phân và nhị phân. Có hai cách cấp phát địa chỉ IP phụ thuộc vào cách thức ta kết nối mạng. Nếu mạng của ta kết nối vào mạng Internet, địa chỉ mạng được xác nhận bởi NIC (Network Information Center). Nếu mạng của ta không kết nối với Internet, người quản trị mạng sẽ cấp phát địa chỉ IP cho mạng này. Về cơ bản, khuôn dạng địa chỉ IP gồm hai phần: Network Number và Host Number như hình vẽ: Network number Host number 0 16 31 Trong đó, phần Network Number là địa chỉ mạng còn Host Number là địa chỉ các máy trạm làm việc trong mạng đó. Do việc tăng các WW theo hàm mũ trong những năm gần đây vì số lượng WW mở ra rất nhiều, nên với địa chỉ IP là 32 bít là rất ít do vậy để mở rộng khả năng đánh điạ ch