Thực hiện mô phỏng: Định tuyến trong mạng IP/wDM

Thực hiện mô phỏng: Định tuyến trong mạng IP/wDM

CHƯƠNG 3 ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG IP/WDM3.1 Giới thiệu chương

Trong mạng IP/WDM, người sử dụng liên lạc với nhau qua các kênh thông tin quang được gọi là các lightpath Lightpath là một đường đi của tín hiệu ánh sáng từ nguồn đến đích dưới dạng quang thông qua các kết nối trung gian Một lightpath có thể kéo dài qua nhiều tuyến truyền dẫn để cung cấp một kết nối chuyển mạch giữa hai node mà có thể chứa một luồng lưu lượng lớn giữa chúng

Khi các lightpath thực hiện việc mang thông tin từ một node nguồn đến một node đích nào đó thì nó cần được định tuyến Định tuyến cho lightpath là vấn đề hết sức quan trọng và xảy ra thường xuyên trong mạng

Chương này sẽ nói rõ về việc định tuyến trong mạng IP/WDM

3.2 Các giao thức định tuyến IP

3.2.1 Khái niệm: Định tuyến IP là quá trình chuyển lưu lượng người dùng từ nguồn

đến đích Trong mạng, bộ định tuyến (router) là thiết bị dùng để định tuyến cho lưu lượng Router cần dựa vào bảng định tuyến để tìm ra tuyến đường chuyển gói tin đi Bảng định tuyến thường gồm ba thành phần chính là kiểu giao thức mạng, địa chỉ mạng đích và giao diện gói ra

3.2.2 Chức năng:

- Đóng gói và phân tán các thông tin trạng thái lưu lượng người dùng và mạng Gồm vị trí hiện tại và các yêu cầu dịch vụ người dùng, các dịch vụ được cung cấp

và tài nguyên sẵn có trong mạng

- Tạo ra và lựa chọn các đường thích hợp dựa trên các thông tin trạng thái của người dùng và mạng Con đường thích hợp là con đường thoả được tất cả các yêu cầu giữa người dùng và mạng

- Chuyển tiếp lưu lượng người dùng trên các con đường đã chọn, lưu lượng có thể được chuyển tiếp theo hướng kết nối hay không kết nối

3.2.3 Phân loại định tuyến

Có nhiều cách phân loại định tuyến, có thể đưa ra một số loại định tuyến sau:

Dựa vào chức năng thích nghi với trạng thái hiện thời của mạng để phân loại thành: định tuyến tĩnh và định tuyến động.

a Định tuyến tĩnh: Với định tuyến tĩnh, đường dẫn được chọn trước cho mỗi cặp

nguồn – đích của các node trong mạng Các giải thuật định tuyến chi phí tối thiểu có thể được sử dụng Kế hoạch định tuyến tĩnh được sử dụng hầu hết các mạng truyền thống, trong kế hoạch định tuyến này chủ yếu với mục đích làm giảm các hệ thống chuyển mạch phải đi qua với yêu cầu kết nối đường dài Kĩ thuật định tuyến tĩnh bộc lộ một số nhược điểm như: quyết định định tuyến tĩnh không dựa trên sự đánh giá lưu lượng và topo mạng hiện thời Các bộ định tuyến không phát hiện ra các bộ định tuyến mới, chúng chỉ có thể chuyển thông tin đến tới các các bộ định tuyến được chỉ định trước của nhà quản lí mạng

* Ưu điểm của định tuyến tĩnh :

Ưu điểm lớn nhất của định tuyến tĩnh là sự thay đổi chậm, điều đó có nghĩa là 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 muốn tiết lộ Ví dụ trong trường hợp hình 3.1 dưới đây, mạng LAN chỉ có một đường đi duy nhất tới mạng, thì chỉ một tuyến tĩnh tới mạng là đủ

Hình 3.1: sử dụng tuyến tĩnh cho mạng kết nối một đường

* Nhược điểm của định tuyến tĩnh :

+ Quyết định định tuyến tĩnh không dựa trên sự đánh giá lưu lượng và Topo

mạng hiện thời

+ 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

+ 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 3.2 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

Hình 3.2: phương pháp chọn Router thay thế

b Định tuyến động: 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 thay đổi hoặc lưu lượng mạng thay đổi Định tuyến động thể hiện tính linh hoạt và dễ dàng mở rộng mạng

* Ưu điểm của định tuyến động :

Hình 3.3: có thể tự thay thế tuyến hỏng bằng các tuyến khác

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:

Thêm thiết bị và địa chỉ mới vào mạng

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)

- 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

Dựa vào phạm vi định tuyến, ta phân loại thành: định tuyến trong và định tuyến ngoài

c Định tuyến trong: định tuyến xảy ra bên trong một hệ thống độc lập (AS –

Autonomous System), các giao thức thường dùng là :

* Giao thức định tuyến RIP (Router Information Protocol): dùng định tuyến véc

tơ khoảng cách nên chọn hop count làm metric và dùng thuật toán Bellman Ford để xây dựng bảng định tuyến Khi một gói dữ liệu đi qua một router thì RIP xem như

là một hop Nếu tồn tại hai tuyến có tốc độ hoặc băng thông không bằng nhau đến cùng một đích nhưng cùng hop count, thì RIP xem cả hai tuyến là cùng khoảng cách, đây rõ ràng là một hạn chế của giao thức định tuyến này

Router sẽ broadcast thông tin định tuyến của mình sau một chu kỳ, chẳng hạn là 30s Mỗi thông tin cập nhật tuyến thường gồm hai phần là địa chỉ mạng và khoảng cách đến được mạng này Đồng thời, các router sẽ lắng nghe các thông tin định

tuyến trên mạng để cập nhật bảng định tuyến của mình dựa vào khoảng cách ngắn nhất tức là số hop nhỏ nhất.

* Giao thức ưu tiên con đường ngắn nhất mở rộng OSPF (Open Shortest Path First):

+ OSPF bao gồm việc định tuyến theo kiểu dịch vụ, người quản lý có thể cài đặt nhiều tuyến đường đi đến một đích nào đó, mỗi tuyến đường được sử dụng riêng cho một độ ưu tiên hay một loại dịch vụ Khi gửi gói tin đi, bộ định tuyến chạy OSPF sẽ sử dụng cả địa chỉ đích và vùng kiểu dịch vụ trong phần đầu IP để chọn tuyến đường

+ OSPF cung cấp cơ chế cân bằng lưu lượng Nếu như nhà quản lý xác định nhiều tuyến đường đi đến mục đích nào đó và với cùng một giá trị bộ đo lượng, thì bộ định tuyến có thể chọn phương pháp chia tải để gửi gói tin

+ Để cho phép sự phát triển và làm cho các mạng tại các đơn vị dễ quản lý, OSPF cho phép phân chia các mạng và các bộ định tuyến thành các tập hợp con ( khu vực) Mỗi khu vực là riêng biệt, cấu hình cũng được che dấu với các khu vực khác, như vậy tính mềm dẻo của mạng sẽ được tăng lên

+ Giao thức OSPF xác định rằng tất cả những trao đổi giữa các bộ định tuyến có thể được xác minh OSPF cho phép có những mô hình khác nhau, và thậm chí cho phép một khu vực được quyền chọn một mô hình riêng biệt với mô hình khác

+ OSPF cho phép các mạng đa truy xuất có một cổng được chỉ định, để gửi đi các bản tin trạng thái liên kết, đại diện cho tất cả các bộ định tuyến đấu vào mạng này.+ Để cho phép độ ổn định tối đa, OSPF cho phép người quản lý mô tả cấu hình mạng ảo tách biệt với mạng vật lý

+ OSPF cho phép bộ định tuyến trao đổi thông tin định tuyến học được từ bên

ngoài Định dạng của bản tin cho phép phân biệt được thông tin học từ mạng ngoài hoặc từ nội bộ mạng

OFPS dùng định tuyến trạng thái liên kết nên dùng metric dựa trên băng thông và thuật toán Dijkstra để xây dựng bảng định tuyến OFPS được dùng để định tuyến

trong một vùng hay giữa nhiều vùng OSPF có độ hội tụ nhanh và được đặc tả chi tiết trong RFC 2328.

Hình 3.4: sử dụng OSPF nội vùng và liên vùng

* Giao thức định tuyến EIGRP :

The Enhanced Interior Gateway Routing Protocol (EIGRP) được phát triển từ IGRP Kết quả của sự phát triển này xuất phát từ những thay đổi bên trong hệ thống mạng, nhằm đáp ứng được yêu cầu của người sử dụng và đặc biệt là sự mở rộng ngày một lớn của các liên mạng

EIGRP có khả năng kết hợp được cả hai phương pháp định tuyến tĩnh và động cùng hoạt động đan xen, hay nói cách khác EIGRP sử dụng phương pháp định tuyến lai cân bằng (Balanced Hybrid Routing Protocol) Bên cạnh thuật toán Bellman Ford EIGRP

Còn sử dụng thêm thuật toán cập nhật khuếch tán Diffusing-Update- Althgorithm(DUAL)

EIGRP hoàn toàn tương thích với những mạng sử dụng giao thức IGRP cũ, nó xem IGRP như một giao thức định tuyến ngoài từ đó cung cấp cách quản trị mạng để hoạt động theo mục đích của nó

- Ưu điểm của EIGRP

+ Hội tụ nhanh

+ Hỗ trợ cho mặt nạ mạng con (Subnet mask) có chiều dài liên tục thay đổi

+ Hỗ trợ cho nhiều giao thức hoạt động bên trong tầng mạng

+ Ít tốn băng thông hơn so với IGRP

* Định tuyến ngoài: định tuyến xảy ra giữa các hệ thống độc lập (AS), liên quan tới dịch vụ của nhà cung cấp mạng sử dụng giao thức định tuyến ngoài rộng và phức tạp Giao thức thường dùng là BGP

- Giao thức BGP đặc trưng bởi một số tính chất :

+ Sử dụng để thông tin liên lạc với các hệ tự quản AS

+ Phối hợp giữa nhiều bộ định tuyến sử dụng BGP

+ Nhân bản thông tin về tính liên kết

+ Cung cấp thông tin về mô hình trạm kế tiếp theo vector khoảng cách

+ Hỗ trợ tuỳ chọn các chính sách cho người quản trị mạng

+ Giao thức cổng biên giới sử dụng TCP trong thông tin liên lạc để chuyển tải

đáng tin cậy

+ Giao thức BGP cho phép thông tin về con đường đi từ nguồn tới đích

+ Hỗ trợ địa chỉ không phân lớp và định tuyến liên vùng CIDR

+ Tích luỹ thông tin về tuyến đường để bảo vệ băng thông của mạng qua việc gửi một lần cho nhiều đích đến

+ BGP cho phép cơ chế xác minh bản tin; kiểm chứng tên của nơi gửi tin

gian cũng ngẫu nhiên Vì thế các lightpath không chỉ được thiết lập động mà còn phải được giải phóng động.

Việc định tuyến và gán bước sóng phụ thuộc vào trạng thái của mạng ở thời điểm yêu cầu kết nối xảy ra Mỗi khi có yêu cầu kết nối xuất hiện,các thuật toán D-RWA phải thực hiện để xem xét liệu tài nguyên mạng có đủ để đáp ứng yêu cầu có hay không Nếu có thể thì thực hiện quá trình định tuyến và gán bước sóng tại các nút trung gian cần thiết để thiết lập lightpath Còn nếu một yêu càu kết nối không được đáp ứng do thiếu tài nguyên thì xem như bị nghẽn

Khi quá trình liên lạc kết thúc,kết nối được giải phóng và vì vậy,bước sóng đã

sử dụng có thể được sử dụng lại cho một kết nối khác Như vậy ta thấy định tuyến động tận dụng bước sóng tốt hơn Về mặt kinh tế,điều này sẽ đem kại lợi nhuận nhiều hơn cho các nhà kinh doanh mạng, gián tiếp giảm chi phí cho câc thuê bao.Bài toán D-RWA có thể được khái quát như sau:

D-b Định tuyến cố định (Fĩed Routing):

Phương pháp đơn giản nhất để định tuyến một kết nối là luôn chọn cùng một tuyến cố định cho một cặp nút nguồn – đích cho trước Một trong những ví dụ như thế là định tuyến tìm đường đi ngắn nhất cố định (Fixed Shortest-Path Routing) Đường đi ngắn nhất cho một cặp núp được tính off-line, sử dụng các thuật toán tìm đường ngắn nhất thông dụng như Dijkstra hay Bellman-Ford Bất kì kết nối nào giữa một cặp nút cụ thể đều được thiết lập bằng cách sử dụng đường đi được xác định trước Hình 3.8 minh họa đường đi ngắn nhất cố định từ nút 0 đến nút 2 Phương pháp định tuyến này rất đơn giản nhưng có nhược điểm là nếu nguồn tài nguyên (bước sóng) dọc theo đường đi đã được sử dụng hết sẽ dẫn đến xác xuất tắc nghẽn cao trong trường hợp lưu động, hoặc có thể dẫn đến số lượng bước sóng được sử dụng rất lớn trong trường hợp lưu lượng tĩnh Ngoài ra, định tuyến cố định cũng không thể xử lý các tình huống lỗi khi một hay nhiều liên kết trong mạng bị hỏng Để xử lý trường hợp liên kết tronh mạng bị hỏng, việc định tuyến cần phải xét đến các đường đi thay thế hoặc phải có khả năng tìm ra một tuyến mới một cách linh động Ví dụ trong hình 3.5, tất cả các yêu cầu từ nút 0 đến nút 12 sẽ bị tắt nghẽn nếu có một trong hai liên kết (0,1),(1,2) bị hỏng.

Hình 3.5: Đường đi ngắn nhất cố định từ nút 0 đến nút 2

Trong các thuật toán tìm đường ngắn nhất, người ta quan tâm nhiều đến chi phí (cost) hay còn gọik là trọng số (weight) của liên kết giữa các nút Tùy theo cách các trọng số này được tinh toán như thế nào mà người ta có các quan điểm khác nhau về đường ngắn nhất Sau đây, tôi xin trình bày một số cách tính trọng số dựa trên đặc điểm và trạng thái của mạng

Gọi Wij là trọng số (chi phí) của liên kết trực tiếp giữa hai nút i và j, nếu giữa i và j không có liên tiếp trực tiếp thì xem như Wij vô cùng lớn a

ij

λ là số lượng bước sóng rỗi trên liên kết tại thời tập hợp các thông tin về trạng thái liên kết T

ij

λ là tổng số bước sóng có trên liên kết

Hàm trọng số dựa trên chặng (HW-Hop-basd Weight):

Trong hàm này, wij =1 Có nghĩa là các đường được chọn hoàn toàn dựa trên số lượng chặng (hop) nhỏ nhất Đường ngắn nhất sẽ là đường có số chặng nhỏ nhất Bằng trực quan, ta có thể nhận xét là khi có ít chặng hơn thì khả năng tim được một bước sóng chung cho tất cả các liên kết trung gian là lớn hơn

Hàm trọng số dựa trên chặng cách (DW-Distance-based Weight):

w =d với dij là khoảng cách vật lý giữa hai nút i và j.dij được đánh giá bởi

độ trễ truyền dẫn Như vậy, với hàm trọng số này, đường ngắn nhất chính là đường

1 1

a a

λ λ

λ có nghĩa như độ cản trở của một liên kết khi thiết lập một yêu cầu kết nối, càng

có nhiều bước sóng rỗi trên liên kết thì độ cản trở càng thấp,tức khả năng thiết lập

kết nối trên liên kết càng cao Do đó, a

toàn bộ đường dẫn nên cần phải cực đại hóa các giá trị này của các liên kết trung gian Do bản chất của thuật toán Dijkstra là ưu tiên cho đường đi nào đó có Trọng

số nhỏ hơn nên hàm trọng lượng phải là phủ định âm của hàm log Hàm trọng số này phụ thuộc vào bước sóng rỗi trên liên kết nên có phụ thuộc vào trạng thái mạng

Hàm trọng số dựa trên số bước sóng sẵn có và số chặng (HAW – Hop count and Available wave lengths-based Weight):

a ij

1 (1 ) ij

w =  α βα β−+ −λ

ij 1 1

a a ij

λ λ

>

>

( , α β > 0)

α và β lần lượt là các trọng số liên đến số chặng và số bước sóng sẵn có Tùy theo

ta quan niệm rằng số chặng hay số bước sóng sẵn có là quan trọng hơn mà có các giá trị α và β phù hợp.

Hàm dựa trên tổng số bước sóng và số bước sóng sẵn có (TAW-Total wavelengths and Available warelength-based Weight):

ij

w

χ

λ λ

ij

Χ

Ρ là xác xuất mà tất cả các bước sóng sẽ sử dụng cùng một thời điểm trong tương lai.Từ trạng thái hiện tại của

mạng, có thể ước lượng xác xuất này bằng

a ij T ij

(1 λ )λ

− Xác xuất có ít nhất một bước

sóng sẵn có trên liên kết trong tương lai là a

ij

(1− Ρλ ) Do đó khi một đường dẫn có

nhiều liên kết,ta mong muốn cực đại hóa các giá trị a

ij

(1− Ρλ )Của tất cả các liên kết thuộc đường dẫn đó Do thuật toán Dijkstra chọn lựa đường đi tối ưu theo trọng số tăng dần,nên hàm trọng số phải là phủ định âm của hàm log,nghĩa là tối ưu hóa giá trị này

Hàm trọng số dựa trên số chặng, tổng số bước sóng và số bước sóng sẵn có (HTAW-Hop count and Total warelengths and Available warelengths warelengths-based Weight):

log(1 (1 ) )

a a

ij ij T ij

ij

w

χ λ

ij

λ ) tương ứng với độ trễ trên liên kết (i,j), số bước sóng sẵn có (rỗi) trên liên kết tổn số bước sóng trên liên kết

Hình 3.6 tôpô mạng sử dụng trong định tuyến với các hàm trọngsố khác nhau

Ta cần xác định đường đi từ nút A đến nút D Bảng 3.2 cho thấy các đường đi

có thể từ nút A đến nút D và giá trị chi phí trên mỗi đường đi được tính bởi các hàm trọng số khác nhau giá trị α và β được giả sử bằng 1.

Bảng 3.2: Chi phí đường đi khác nhau tính theo cá hàm trọng số khác nhau

đường đi A-E-D có các liên kết với hệ số sử dụng thấp nhất Tương tự, đường đi được chọn khi sử dụng hàm trọng số là HAW sẽ là A-F-D vì đường này có số bước sóng rỗi nhiều hơn đường A-E-D Cuối cùng, nếu hàm trọng số là HTAW thì được chọn là A-F-D (với số chặng thấp nhất) bởi vì nó có các liên kết với hệ số sử dụng thấp nhất (50%).

Giải thuật First-Fit

Trong giải thuật này, tất cả các bước sóng đều được đánh số thứ tự Trong tất cả các bước sóng rỗi, bước sóng có chỉ số thấp hơn sẽ được xem xét trước các bước sóng có chỉ số cao hơn Như vậy, bước sóng rỗi đầu tiên sẽ được chọn Thuật toán này không cần thông tin tổng thể

So sánh với giải thuật Random thì First-Fit có chi phí tính toán ít hơn do không cần phải duyệt qua tất cả các bước sóng cho mỗi tuyến Ý tưởng của giải thuật này

là ép tất cả các bước sóng đang sử dụng về đầu cuối của danh sách các bước sóng

để các đường dìa hơn có xu hướng sử dung các bước sóng ở phía trên của danh sách, do đó xác xuất thiết lập thành công cao hơn Giải thuật này cho kết quả khá tốt về khía cạnh xác xuất nghẽn và thường được sử dụng trong thực tế do đơn giản.Nhìn chung, phương pháp First-Fit sẽ tốt hơn so với phương pháp Random khi

có đầy đủ thông tin về trạng thái mạng Tuy nhiên, trong trường hợp thông tin bị hạn chế hoặc được cập nhật không kịp thời thì việc cấp phát bước sóng theo phương pháp Random có thể tốt hơn Lý do là trong phương pháp First-Fit, nếu cùng một lúc có nhiều yêu cầu kết nối muốn thiết lập lightpath, thì hầu như chúng

sẽ chọn một bước sóng giống nhau dẫn đến một hoặc nhiều kết nối bị nghẽn

Ví dụ 3.2

Giả sử ta có 5 nút với 4 liên kết.Mỗi liên kết có thể có 3 bước sóng.

Hình 3.7: các bước sóng được gắn bởi giải thuật First-Fit

3.3.2 Warelength Reservation (WR) trong IP/WDM

* Phương pháp DIR:

Trong phương pháp này, đầu tiên nút nguồn bởi gói PROGE về phía nút đích Gói PROGE sẽ thu nhập các thông tin về trạng thái bước sóng tại các nút trung gian

mà nó đi qua Khi nút đích nhận được gói PROGE, nó sẽ có được tất cả thông tin

về việc sử dụng bước sóng tại các liên kết trung gian Dựa trên các thông tin này, nút đích thực hiện giải thuật toán gán bước sóng và quyết định chọn một bước sóng

để dành trước Sau đó nó gởi gói RESV trở ngược về phía nút nguồn Khi nút nguồn nhận được gói RESV thì đồng nghĩa với việc lightpath đã được thiết lập xong, nút nguồn bắt đầu quá trình truyền dữ liệu Khi kết thúc việc truyền dữ liệu, nút nguồn cũng đợi một khoảng thời gian timeout trước khi quyết gởi gói REL để giải phóng lightpath