CHƯƠNG 7: CHUYỂN MẠCH VÀ CHUYỂN TIẾP NHÃN Một trong những điều khó hiểu nhất của các kỹ thuật chuyển mạch, định tuyến và chuyển tiếp đang được tìm hiểu đó là ý nghĩa của các thuật ngữ này. Các nhà kinh doanh, các nhóm tiêu chuẩn và các nhà cung cấp dịch vụ thường gắn các ý nghĩa khác nhau cho các thuật ngữ này. Ta cũng phải giải quyết sự khác nhau giữa định tuyến và chuyển tiếp. Trong chương này ta phải làm sang tỏ khái niệm chuyển mạch và chuyển tiếp bằng cách đưa ra phân loại vấn đề n ày. Chương này cung cấp các tài liệu về giao thức chuyển mạch thẻ của Cisco bởi hai lý do. Thứ nhất, nó cung cấp một ví dụ tốt cho hoạt động chuyển mạch nhãn thực tế và thứ hai nó thiết lập nền tảng cho các nguyên lý hoạt động của MPLS. 4.1. Sự phân chia mạng chuyển mạch và chuyển tiếp Đầu tiên, thuật ngữ định tuyến ám chỉ việc tạo ra các quyết định chuyển mạch mà được thực hiện tại trạm dựa trên các chương trình phần mềm và các bảng định tuyến được lưu trữ trong RAM. Ngược lại, thuật ngữ chuyển mạch nói đến các quyết định chuyển mạch với các chức năng hỗ trợ chủ yếu trong phần cứng. Hơn nữa, định tuyến truyền thống dùng địa chỉ lớp đích 3 (ví dụ địa chỉ IP) để đưa ra quyết định chuyển mạch, trong khi chuyển mạch dùng địa chỉ lớp 2 để thực hiện hoạt động chuyển mạch. Trong nhiều trường hợp, địa chỉ lớp 2 là địa chỉ MAC dùng trong các m ạng LAN. Với hoạt động ở lớp 3, địa chỉ sử dụng địa chỉ IP. Tuy nhiên, cách đây vài năm một số công nghệ xuất hiện đ ã s ử dụng các kỹ thuật này hoặc kết hợp các kỹ thuật này và đặt cho chúng những tên khác nhau. Các tên phổ biến nhất trong công nghiệp hiện nay được mô tả trong chương này. Những kỹ thuật này là tương đối giống nhau, một số các kỹ thuật này chồng chéo về mặt chức năng. Như chúng ta đã nói, những sự chồng chéo này gây cho chúng ta nh ầm lẫn giữa các kỹ thuật. Hình 4.1 giúp chúng ta trong quá trình nói về các kỹ thuật này. Chúng ta sẽ lần lượt xem xét từng kỹ thuật, bắt đầu từ góc bên trái và t ừ trên xuống dưới. Major Schemes Layer 3 Routing Layer 2 Switch Layer 4 Switching Layer 3 Switching g Label Switching Mapping/Swapping Layer 3 to Layer 2 Mapping IP Switch ing Router Server - based Relaying MPOA & NHRP Hình 4.1. Sự phân chia các giao thức chuyển mạch và chuy ển tiếp. Tuy nhiên, trong phạm vi đồ án tôi chỉ trình bày những điều được cho l à thiết yếu nhất đối với MPLS. Thông tin được sử dụng trong quyết định chuyển tiếp Cần nhớ rằng bất cứ thuật ngữ nào được sử dụng thì công vi ệc chính của nó là phải gửi một gói tới đích cuối cùng. Ngoài ra các ho ạt động được mô tả trong chương này làm cơ sở cho quyết định chuyển tiếp dựa tr ên một hoặc một số trường trong gói tin tới. Những trường này được mô tả trong chương 3 (hình 3.1). 4.1.1. Chuyển mạch lớp 2 Hình 4.2 sẽ được nghiên cứu trong suốt quá trình thảo luận về chuyển mạch lớp 2 và định tuyến lớp 3, đó là các chủ đề của 2 phần tiếp theo trong chương này. Một bridge LAN hoạt động tại lớp 2, lớp liên kết dữ liệu (gồm 2 phân lớp MAC và LLC). Thông thường nó sử dụng 48 bít địa chỉ MAC để thực hiện chức năng chuyển tiếp của nó. Thuật ngữ chuyển mạch lớp 2 thường được dùng để mô tả bridge LAN. Gateways Routers Bridges, ATM/FR a. Lớp giao thức Convergence Functon / Protocol Conversion Network Data Link Physical L_3 Routing L_2 Switching b. Định tuyến và chuyển mạch truyền thống Hình 4.2. Các Bridge, router, gateway Tuy nhiên thuật ngữ này cũng được dùng để mô tả một chuyển mạch ATM hoặc FR . Vì ATM và FR hoạt động tại lớp 2, do đó chúng cũng được liệt v ào các giao thức chuyển mạch lớp 2. Nói một cách chặt chẽ ATM và FR nên được xem xét như tổ hợp của các công nghệ chuyển mạch lớp 2 và 3 bởi vì cả 2 đều bắt nguồn từ X.25 nơi sử dụng tiêu đề lớp 3 cho các hoạt động chính của nó. Nhưng đa số mọi người trong công nghiệp viễn thông sử dụng thuật ngữ chuyển mạch lớp 2 cho ATM và FR, vì vậy tôi cũng theo thực tế này. N ếu ATM hay FR được sử dụng, các nhận dạng kênh ảo (VCID) của chúng được sử dụng để thực hiện quyết định chuyển tiếp. Các VCID là các nhãn thực sự, mặc dù chúng được quản lý theo cách khác so với các nhãn MPLS, một chủ đề được thảo luận trong phần sau đồ án. 4.1.2. Định tuyến lớp 3 Hoạt động này dùng một router quy ước và chuyển tiếp lưu lượng dựa trên 32 bit địa chỉ IP đích nằm trong mào đầu IP. IP được phân loại như một giao thức lớp 3. Tuy nhiên, rất là quan trọng để làm sáng tỏ lại thuật ngữ định tuyến. Trong chương 2, ta đã nhấn mạnh định tuyến là kết hợp của quảng báo tuyến và khám phá tuyến. Do đó, khi nghiên cứu các RFC gần đây thì các giao thức định tuyến được tham luận là OSPF và BGP ch ứ không phải IP. Vấn đề của hoạt động chuyển tiếp IP Hoạt động chuyển tiếp IP truyền thống tốn chi phí. Khi địa chỉ đích trong mào đầu dữ liệu đồ IP được kiểm tra bởi một router, nó phải đối chọi với bảng định tuyến để nút tiếp theo trên đường tới đích. Hoạt động này yêu cầu việc tìm trong bảng định tuyến rất lớn một lượng lớn các nút ngang cấp trong mạng Internet, một bảng định tuyến có khoảng 50000 lối vào. Mỗi gói vào phải được xử lý ngược lại bảng này. Thêm vào đó việc dùng các mặt nạ mạng con yêu cầu địa chỉ IP đích trong gói lối vào để chống lại mặt nạ trong bảng định tuyến. Nguyên tắc chống lại dài nhất yêu cầu chọn ra router dựa trên cơ sở mặt nạ mà nhiều bít chống lại nhất, một vấn đề vượt qua phạm vi đồ án. Kết quả là chuyển tiếp IP quy ước đơn giản không được d ùng trong các mạng lớn vì nó mất quá lâu để xử lý một gói. 4.1.3. Chuyển mạch lớp 3 Công nghệ này là phương pháp mới hơn của chuyển tiếp gói. Thuộc tính phân biệt của chuyển mạch lớp 3 là chức năng chuyển mạch được thực hiện trong phần cứng thông qua việc dùng các mạng tích hợp ứng dụng đặc trưng hoặc phần cứng thiết kế đặc trưng. Địa chỉ IP được sử dụng không cần quan tâm tới bất cứ thẻ hay nhãn nào. Chuyển mạch hỗ trợ bộ nhớ Vài hệ thống chuyển mạch lớp 3 dùng chuyển mạch hỗ trợ bộ nhớ. Bộ nhớ được xây dựng cho việc chứa dữ liệu địa chỉ đối với các mạng đặc trưng nhận được rất nhiều lưu lượng. Với cách này, m ỗi dữ liệu đồ không phải là vấn đề đối với sự quy ước tin cậy trên b ảng trung tâm cho việc tìm kiếm tuyến. Tuyến truy nhập tần số cao nhất được lưu trữ trong bộ nhớ tốc độ cao nhất. Phân bổ nhãn Với nhãn được phân bố, bộ xử lý phân chia được đặt trên mỗi modun giao diện. Bảng định tuyến được tính toán bởi bộ xử lý trung tâm, như ng bộ xử lý này không bao hàm quyết định chuyển tiếp cho mỗi dữ liệu đồ. Đáng lẽ ra, các bảng chuyển tiếp phải được tải xuống các bộ xử lý giao diện. Các bộ xử lý n ày lần lượt đưa ra các quyết định chuyển tiếp. Ví dụ chuyển mạch lớp 3 Ví dụ của lớp 3 là router tốc độ cao hàng gigabit (MGR) được xây dựng bởi các công nghệ BNN. Line Card Switch Line Card Input Input Output Output Bộ phận chuyển tiếp ậ Hình 4.3. Chuyển mạch lớp 3. Hình 4.3 chỉ ra toàn bộ kiến trúc của MGR. Ta giả sử các gói vào từ phía trái và ra phía phải. Router chứa các card đa đường để hỗ trợ một hoặc nhiều giao diện, các card chuyển tiếp và tất cả các kết nối tới một switch. Mào đầu của các gói đến được chuyển qua switch t ới các card chuyển tiếp trong khi phần còn lại của gói được lưu trong card đường dây v ào. Card chuyển tiếp kiểm tra mào đầu, quyết định định tuyến cho gói, cập nhật mào đầu và chuyển nó lại card đường v ào kết hợp với thông tin chuyển tiếp. Card này gắn lại mào đầu với phần c òn lại của gói và gửi gói này tới card đường Gói Mào đầu Xử lý gói Gói Mào đầu Reply FIFO Request FIFO Route memory Route memory B ộ xử lý Gói Mào đầu Xử lý gói dây ra thích hợp. MGR có tổng dung lượng là 50 Gb/switch và tốc độ gói tr ên giây là 32 triệu gói một giây. MGR dùng một vài phương pháp khá khác với router quy ước. Thứ nhất, router dùng b ảng định tuyến phân bố. Mỗi card chuyển tiếp thiết lập hoàn thành m ột bảng định tuyến để thay cho sự hạn chế về địa chỉ. Điều này tránh được thời gian trễ v à sự tranh chấp được dùng trong b ảng trung tâm. Hơn nữa, các bảng này không chứa các lối vào b ảng quy ước, chúng chỉ chứa thông tin về hop tiếp theo. Thứ hai, switch không chia sẻ bus nhưng một chuyển mạch điểm - điểm chứa hơn 15 cổng. Switch là một cơ cấu hàng đợi đầu vào. Mỗi đầu vào giữ một hàng đợi FIFO và dùng một giao thức để đặt tới đầu ra. Điều này tránh được nghẽn đầu d òng và nhà thiết kế tuyên bố họ đã đảm bảo được 100 phần trăm đầu ra. Thứ ba, các card chuyển tiếp là các card đường dây riêng rẽ. Điều n ày mang lại sự linh động hơn cho cả hai chức năng và cho phép các nhà thi ết kế linh hoạt hơn trong việc chỉ định cách nhiều giao diện chia xẻ card chuyển tiếp. Nó có thể dành một card chuyển tiếp đơn cho một mạng ảo đơn. Thứ tư, các card đường dây có thể chấp nhận các khối dữ liệu giao thức lớp 2 khác nhau nhưng chúng phải chuyển dữ liệu này thành định dạng nội bộ chung của lớp 2 cho việc xử lý bên trong MGR. Thứ năm, router hỗ trợ hoạt động QoS, do các card chuyển tiếp đã phân loại gói và chia các gói vào các luồng. Thông tin được chuyển tới card đường dây đầu ra kèm theo việc truyền gói với một bộ xử lý QoS đặc trưng. 4.1.4. Chuyển mạch lớp 4 Chuyển mạch lớp 4 là thuật ngữ mới. Nó nói đến hoạt động kiểm tra các chỉ số cổng Internet như một phần của quyết định chuyển tiếp. Chỉ số cổng đích luôn được dùng còn chỉ số cổng nguồn có thể được dùng hoặc không. Các chỉ số cổng được dùng để liên kết với các địa chỉ IP nguồn và đích để ra một quyết định chuyển tiếp. Hơn nữa, trường PID trong mào đầu IP cũng được sử dụng. Do đó, chuyển mạch lớp 4 không thực sự là chuyển mạch lớp 4. 4.2. Ánh xạ từ lớp 3 tới lớp 2 Phần này tương tự với phân loại luồng và chuyển mạch IP, với địa chỉ lớp 3 được ánh xạ sang nhãn hoặc VCID. Hình 4.4 chỉ ra sự ánh xạ của địa chỉ lớp 3, hoạt động này có thể dùng các chỉ số cổng Internet và PID để lấy một FEC cho thủ tục ánh xạ. Ánh xạ địa chỉ (hoặc FEC) có thể là VCID của ATM hoặc VCID của FR hoặc cho cùng nội dung là nhãn MPLS hoặc thẻ Cisco. Việc ánh xạ xảy ra bởi một router hoặc switch nằm ở biên của mạng. [...]...Việc thực hiện phương pháp này được lan rộng bao gồm cả chuyển mạch thẻ của Cisco, ARIS của IBM,… Router chuyển mạch nhãn hoặc chuyển mạch thẻ TCP, UDP, OSPF, BGP,… Yes Địa chỉ cục bộ ? No 1 Trao đổi địa chỉ L_3 tới nhãn L_2 2 Đóng gói dữ liệu Ok Queue Queue Error ? Dữ liệu vào Yes Loại bỏ Tế bào ATM/Khung FR Hình 4.4 Trao đổi từ L_3 tới L_2 tại LSR lối vào . CHƯƠNG 7: CHUYỂN MẠCH VÀ CHUYỂN TIẾP NHÃN Một trong những điều khó hiểu nhất của các kỹ thuật chuyển mạch, định tuyến và chuyển tiếp đang. hay nhãn nào. Chuyển mạch hỗ trợ bộ nhớ Vài hệ thống chuyển mạch lớp 3 dùng chuyển mạch hỗ trợ bộ nhớ. Bộ nhớ được xây dựng cho việc chứa dữ liệu địa chỉ