Phân tích các khả năng, hạn chế của mạng IP hiện nay

1 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC  Bài Tập Môn học Công nghệ mạng viễn thông thế hệ mới Chủ đề Phân tích các khả năng, hạn chế của mạng IP hiện nay Giảng viên TS Ng.

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

KHOA ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC



Bài Tập Môn học: Công nghệ mạng viễn thông thế hệ mới Chủ đề: Phân tích các khả năng, hạn chế của mạng IP hiện nay

Giảng viên: TS Nguyễn Chiến Trinh

Hà Nội, 03/2021

Mục lục

I Tổng quan giới thiệu 3

1 Tìm hiểu về mạng IP 3

2 Khả năng của mạng IP hiện nay 4

II Hạn chế của mạng IP hiện nay 4

1 Sự giới hạn về kích thước địa chỉ 4

2 Chất lượng dịch vụ QoS 5

2.1 Trễ 5

2.2 Nghẽn 6

2.3 Jitter 6

2.4 Mất gói 7

3 Hạn chế về tính bảo mật và kết nối đầu cuối – đầu cuối 7

4 Tính tin cậy không cao 7

5 Quản lý phân tán 8

6 Cấu trúc định tuyến không hiệu quả 8

III Kết luận 8

Tài liệu tham khảo 10

I Tổng quan giới thiệu

1 Tìm hiểu về mạng IP

Tiền thân của mạng Internet là mạng ARPANET của Bộ quốc phòng Mỹ Mạng ARPANET ra đời với mục đích là kết nối các trung tâm nghiên cứu của một

số Viện nghiên cứu và trường đại học nhằm chia sẻ, trao đổi tài nguyên thông tin Ban đầu giao thức truyền thông được sử dụng là NCP (Network Control Protocol) nhưng sau đó được thay thế bởi bộ giao thức TCP/IP (Transfer Control Protocol/ Internet Protocol) Bộ giao thức TCP/IP gồm một tập hợp các chuẩn của mạng, đặc

tả chi tiết cách thức cho các máy tính thông tin liên lạc với nhau, cũng như quy ước cho đấu nối liên mạng và định tuyến cho mạng

Trước đây, người ta định nghĩa “Internet là mạng của tất cả các mạng sử dụng giao thức IP” Nhưng hiện nay điều đó không còn chính xác nữa vì nhiều mạng có kiến trúc khác nhau nhưng nhờ các cầu nối giao thức nên vẫn có thể kết nối vào Internet và vẫn có thể sử dụng đầy đủ các dịch vụ Internet Internet không chỉ là một tập hợp các mạng được liên kết với nhau, Internetworking còn có nghĩa là các mạng được liên kết với nhau trên cơ sở cùng đồng ý với nhau về các quy ước mà cho phép các máy tính liên lạc với nhau, cho dù con đường liên lạc sẽ đi qua những mạng mà chúng không được đấu nối trực tiếp tới Như vậy, kỹ thuật Internet che dấu chi tiết phần cứng của mạng, và cho phép các hệ thống máy tính trao đổi thông tin độc lập với những liên kết mạng vật lý của chúng

Theo một nghiên cứu gần đây, lưu lượng IP toàn cầu sẽ tăng gấp ba lần trong năm 2014 đến 2018, nhưng quan trọng hơn, hơn một nửa lưu lượng IP sẽ bắt nguồn

từ các thiết bị không phải PC vào thời điểm đó Từ giả định rằng hầu hết các thiết bị IoT (Internet of Things) đều là thiết bị không phải PC, sự tăng trưởng to lớn này về

cả lưu lượng IoT và số lượng thiết bị IoT, đã đưa ra các yêu cầu mới từ cơ sở hạ tầng của nó, như hỗ trợ phân phối nội dung có thể mở rộng, khác biệt Hỗ trợ QoS (Chất lượng dịch vụ), quản lý lưu lượng, bảo mật, tin cậy, di động, v.v

2 Khả năng của mạng IP hiện nay

TCP/IP hoạt động hiệu quả trên nhiều hệ thống khác nhau

Ưu điểm thứ nhất của TCP/IP chính là không chịu sự kiểm soát của bất kỳ tổ chức nào Vì vậy, bạn có thể tự do trong việc sử dụng

Thứ hai, TCP/IP có khả năng tương thích cao với tất cả các hệ điều hành, phần cứng máy tính và mạng Vì vậy, giao thức này hoạt động hiệu quả với nhiều hệ thống khác nhau, đơn giản và dễ dàng triển khai ứng dụng

Cuối cùng, TCP/IP có khả năng mở rộng cao Giao thức này có thể định tuyến Và thông qua mạng có thể xác định được đường dẫn hiệu quả nhất

II Hạn chế của mạng IP hiện nay

1 Sự giới hạn về kích thước địa chỉ

Do IPv4 chỉ dùng 32 bit để đánh địa chỉ nên không gian địa chỉ IPv4 chỉ có 2^32 địa chỉ Với sự phát triển mạnh mẽ của Internet hiện nay, tài nguyên địa chỉ IPv4 đã gần cạn kiệt Như vậy IPv4 ngày nay hầu như không còn đáp ứng được nhu cầu sử dụng của mạng Internet Hai vấn đề lớn mà IPv4 đang phải đối mặt là việc thiếu hụt các địa chỉ, đặc biệt là các không gian địa chỉ tầm trung (lớp B) và việc phát triển về kích thước rất nguy hiểm của các bảng định tuyến trong Internet

Để giải quyết vấn đề thiếu hụt địa chỉ IP, người ta đã sử dụng rất nhiều phương pháp như: Subneting, VLSM, CIDR, NAT Thêm vào đó, nhu cầu tự động cấu hình (Auto-config) ngày càng trở nên cần thiết Địa chỉ IPv4 trong thời kỳ đầu được phân loại dựa vào dung lượng của địa chỉ đó (số lượng địa chỉ IPv4) Địa chỉ IPv4 được chia thành 5 lớp A, B, C, D, E 3 lớp đầu tiên được sử dụng phổ biến nhất Các lớp địa chỉ này khác nhau ở số lượng các bit dùng để định nghĩa Network ID IPv6 được thiết kế bao gồm những chức năng và định dạng mở rộng hơn IPv4 để giải quyết vấn

đề này Tất cả các địa chỉ sử dụng trong Internet đều phải duy nhất Với phương thức định địa chỉ hiện nay thì việc thiếu địa chỉ sẽ xảy ra sớm hơn IPv6 là một giao thức thay thế có khả năng duy trì sự phát triển của Internet, giải quyết vấn đề không gian

địa chỉ IP: 3,4x1038 so với khoảng 4 tỉ địa chỉ IPv4 và những thuộc tính khác của Internet

2 Chất lượng dịch vụ QoS

Chất lượng dịch vụ QoS mang ý nghĩa là “khả năng của mạng đảm bảo và duy trì các mức thực hiện nhất định cho mỗi ứng dụng theo như các yêu cầu đã được chỉ

rõ của mỗi người sử dụng”

2.1 Trễ

Trễ (latency, delay) là đặc tính để chỉ lượng thời gian cần thiết để một gói tin di chuyển từ nguồn tới đích (trễ end – to – end) Trễ end – to – end là kết hợp của ba loại trễ: trễ truyền lan, trễ quá trình, và trễ xếp hàng

Trễ truyền lan

Trễ truyền lan do tốc độ truyền tín hiệu trong mạng gây nên Ví dụ tốc độ các điện

tử truyền truyền lan trong cáp đồng là 125000 mile/giây Như vậy một mạng cáp kéo dài liên tục nửa vòng trái đất có trễ truyền lan một chiều vào khoảng 70ms

Trễ quá trình

Trễ quá trình là trễ gây ra bởi quá trình xử lý của các thiết bị trong mạng (như các thiết bị chuyển mạch, router), và nhiều yếu tố khác như quá trình đóng gói, nén…Trễ quá trình ảnh hưởng rất lớn tới mạng chuyển mạch gói trong đó có mạng IP

Trễ xếp hàng

Trong mạng chuyển mạch gói việc sử dụng các hàng đợi sẽ gây ra một loại trễ đó là trễ hàng đợi Sỡ dĩ có loại trễ này là do trong quá trình xếp vào hàng đợi các gói phải chờ xử lý để được ra khỏi hàng đợi Trong trường hợp lưu lượng mạng thấp (hàng đợi không bị đầy) thì các gói có thể được xử lý ngay Nhưng khi mạng xảy ra nghẽn (hàng đợi bị đầy) thì các gói sẽ phải chờ một thời gian xử lý mới có thể được truyền

đi và quá trình đợi này có thể rất lâu tuỳ vào tình trạng nghẽn kéo dài hay không Trễ gây ra quá trình xếp hàng này là không thể dự đoán trước và thường giao động theo một mô hình nghẽn

2.2 Nghẽn

Chúng ta biết rằng router là điểm quy tụ và phân chia lưu lượng của hàng chục, hàng trăm, thậm chí hàng nghìn luồng gói Lưu lượng các luồng gói đến là luôn luôn thay đổi Nếu như các luồng lưu lượng đến đồng thời cùng một lúc mà nó cùng định hướng tới một đầu ra, mà khả năng xử lý và tốc độ giao diện đầu ra không đáp ứng kịp thời, tức là tốc độ đến lớn hơn tốc độ đi thì sẽ có nghẽn xảy ra

2.3 Jitter

Một cách đơn giản jitter là sự thay đổi khoảng thời gian giữa các gói Jitter là một vấn đề chỉ tồn tại trên các mạng gói Ví dụ có một lượng gói được truyền đi (giả sử

là gói thoại) trong môi trường IP Người gửi mong đợi các gói này được chuyển đi một cách tin cậy và cách nhau một khoảng thời gian không đổi (chẳng hạn 20ms) Thực tế các gói này có thể bị trì hoãn khi đi qua mạng và không thể đến đích vào các thời điểm cách đều nhau như khi gửi đi Ví dụ, chúng có thể không nhận được sau mỗi 20 ms như chỉ ra trên hình 1 Độ lệch giữa thời điểm mong đợi và thời điểm nhận được gói thực sự được gọi là jitter

A

A

D1 D2 = D1 D3 ≠ D2

Máy nguồn

Máy đích

Máy đích truyền

Khe nhận Mạng

Hình 1: Hiện tượng jitter

Trên hình 1 cho thấy thời lượng cần phải gửi gói A và gói B là bằng nhau (D1 = D2) Gói C vấp phải một thời gian trễ trên mạng và nhận được vào thời điểm trễ hơn so với thời gian dự định Đây là lý do tồn tại bộ đêm jitter, bộ đệm này che đi sự thay đổi thời gian trễ

Điều cần lưu ý là jitter và trễ không phải là một sự việc, cho dù có nhiều jitter trong mạng gói có thể làm tăng tổng thời gian trễ trong mạng Bởi vì càng có nhiều jitter thì càng phải tăng bộ đệm jitter để bù vào bản chất tự nhiên không thể dự đoán được của mạng gói

Nếu mạng số liệu của chúng ta tốt và có phòng ngừa thích hợp thì jitter trong mạng không phải là trở ngại lớn và bộ đệm jitter không đóng góp lượng đáng kể vào tổng trễ

2.4 Mất gói

Một vấn đề khác là mất gói Như chúng ta đã biết các router thường chỉ có một khả năng đệm giới hạn, giai đoạn duy trì nghẽn có thể làm cho bộ đệm đạt tới giới hạn của chúng Khi các gói đi vào bộ đệm mà không gian bộ đệm đã hết thì các gói phải bị thải hồi cho đến khi bộ đệm trở lại khả dụng Điều này sẽ làm cho phía thu không nhận được gói Nó cũng gây nên trễ cộng vào khi thực hiện truyền lại

3 Hạn chế về tính bảo mật và kết nối đầu cuối – đầu cuối

Trong cấu trúc thiết kế của địa chỉ IPv4 không có cách thức bảo mật nào đi kèm IPv4 không cung cấp phương tiện hỗ trợ mã hóa dữ liệu Kết quả là hiện nay, bảo mật ở mức ứng dụng được sử dụng phổ biến, không bảo mật lưu lượng truyền tải giữa các host Nếu áp dụng IPSec là một phương thức bảo mật phổ biến tại tầng IP,

mô hình bảo mật chủ yếu là bảo mật lưu lượng giữa các mạng, việc bảo mật lưu lượng đầu cuối – đầu cuối được sử dụng rất hạn chế

4 Tính tin cậy không cao

IP là phương thức cung cấp dịch vụ truyền thông theo kiểu “không liên kết” (connectionless) hay còn gọi là dịch vụ Datagram Phương thức không liên kết cho phép các cặp đối tác không cần phải thiết lập liên kết trước khi truyền số liệu và do vậy cũng không cần phải giải phóng liên kết khi không có nhu cầu truyền số liệu nữa Phương thức kết nối không liên kết cho phép thiết kế và thực hiện trao đổi số liệu đơn giản (không có cơ chế phát hiện và khắc phục lỗi truyền) Do đó, độ tin cậy trao đổi số liệu của loại giao thức này không cao Truyền thông không tin cậy (best

5 Quản lý phân tán

Internet là mạng của tất cả các mạng sử dụng giao thức IP, do đó tính phân cấp lỏng lẻo, khó khăn trong việc quản lý

6 Cấu trúc định tuyến không hiệu quả

Địa chỉ IPv4 có cấu trúc định tuyến vừa phân cấp, vừa không phân cấp Mỗi router phải duy trì bảng thông tin định tuyến lớn, đòi hỏi router phải có dung lượng

bộ nhớ lớn IPv4 cũng yêu cầu router phải can thiệp xử lý nhiều đối với gói tin IPv4,

ví dụ thực hiện phân mảnh, điều này tiếu tốn CPU của router và ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý (gây trễ, hỏng gói tin)

III Kết luận

Trong bài này đã giới thiệu về thực trạng mạng IP hiện nay, những lợi ích như sự đơn giản, tính tương thích và dễ dàng triển khai Cùng với sự thay đổi về bản chất của Internet và mạng thương mại mà giao thức liên mạng IP trở nên lỗi thời bởi chất lượng Qos, an ninh, độ tin cậy, cách thức quản lý, Trước đây, Internet và hầu hết mạng TCP/IP cung cấp sự hỗ trợ các ứng dụng phân tán khá đơn giản như truyền file, mail, truy nhập từ xa qua TELNET, song ngày nay Internet ngày càng trở thành

đa phương tiện, môi trường giàu tính ứng dụng, dẫn đầu là dịch vụ WWW (World Wide Web) Tất cả sự phát triển này đã bỏ xa khả năng đáp ứng các chức năng và dịch vụ của mạng IP Một môi trường liên mạng cần phải hỗ trợ lưu lượng thời gian thực, kế hoạch điều khiển tắc nghẽn linh hoạt và các đặc điểm bảo mật mà IPv4 hiện không đáp ứng được đầy đủ Do vậy, để tiến tới xã hội thông tin và xã hội mạng và trước khi mạng IP tiến tới giới hạn của nó thì việc xây dựng mạng thế hệ mới là hết sức cần thiết và cấp bách

Xu hướng:

Sự gia tăng cả về chất lượng lẫn số lượng của các nhu cầu dịch vụ ngày càng trở nên phức tạp từ phía khách hàng đã kích thích sự phát triển nhanh chóng của thị trường công nghệ Điện tử - Tin học – VIễn thông Hiện tại xu hướng phát triển của công nghệ điện tử - tin học – viễn thông đang diễn ra theo xu hướng hội tụ định

hướng kết nối CO (connection operation) và không định hướng kết nối CL (connectionless operation) CÔng nghệ phát triển định hướng kết nối có ưu điểm chất luợng dịch vụ Qos cao, chất lượng mạng tốt phát triern cùng với công nghệ truyền dẫn ATM cho phép phát triển các dịch vụ băng rộng Sự phát triển theo hướng công nghệ không định hướng kết nối CL có ưu điểm đơn giản, tiện lợi, chi phí thấp, tiết kiệm băng thông nên đang được phát triển mạnh mẽ

Xu hướng phát triển công nghệ định hướng kết nối và không định hướng kết nối dần tiệm cận gần nhau và hội tụ tiến tới việc phát triển công nghệ ATM/IP được đặt nhiều kỳ vọng cho việc phát triển mạng theo hướng dung hợp thống nhất có thể làm cho dịch vụ độc lập với mạng lưới, nhanh chóng cung cấp dịch vụ mang tính tổng hợp

Hình 2: Xu hướng phát triển

Sự phát triển của công nghệ mới và nhiều dịch vụ mới đã tác động trực tiếp tới

sự phát triển của cấu trúc mạng Nghĩa là nhu cầu xã hội cần có mạng thế hệ mới NGN Giải pháp cốt lõi trong mạng NGN chính là công nghệ Softswich – công nghệ chuyển mạch mềm

Tài liệu tham khảo

Kima , Young Ju Heoa , Ju Wook Janga,* a Sogang Universiy, 35 Baekbeom–ro, Mapo–gu, Seoul, 121-742, South Korea

[2] TS Nguyễn Chiến Trinh, “Công nghệ mạng viễn thông thế hệ mới”, 2015