công nghệ chuyển mạch gói

Chuyển mạch gói (Packet switching) là một loại kỹ thuật gửi dữ liệu, thông tin từ máy tính nguồn tới nơi nhận (máy tính đích) qua mạng dưới dạng gói 3ung một loại giao thức thảo mãn 3 điều kiện sau: − Dữ liệu cần vân chuyển được chia nhỏ ra thành các gói (hay khung) có kích thước (size) và định dạng (format) xác định. – Mỗi gói như vậy sẽ được chuyển riêng rẽ và có thể đến nơi nhận bằng các đường truyền (route) khác nhau. Như vậy, chúng có thể dịch chuyển trong cùng thời điểm. – Khi toàn bộ các gói dữ liệu đã đến nơi nhận thì chúng sẽ được hợp lại thành dữ liệu ban đầu. Mỗi gói dữ liệu có kích thước được định nghĩa từ trước (đối với giao thức TCPIP thì kích thước tối đa của nó là 1500 bytes) và thường bao gồm 3 phần: – Phần mào đầu (header): chứa địa chỉ máy gửi , địa chỉ máy nhận và các thông tin về loại giao thức sử dụng và số thứ tự của gói. – Phần tải dữ liệu (data hay payload): là một trong những đoạn dữ liệu gốc đã được cắt nhỏ – Phần đuôi (trailer): bao gồm tín hiệu kết thúc gói và thông tin sửa lỗi dữ liệu (data correction). Kĩ thuật này rất hiệu quả để vận chuyển dữ liệu trong các mạng phức tạp bao gồm rất nhiều hệ thống máy tính nối với nhau.

- -

BÀI TẬP LỚN HỆ THỐNG VIỄN THÔNG

Đề tài: Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch gói

Giảng viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện: 1

MỤC LỤC

Phần I: TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN MẠCH GÓI 3

1.1 Khái niệm 3

1.2 Đặc điểm 3

1.3 Nguyên tắc cơ bản của chuyển mạch gói 4

2: ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA CHUYỂN MẠCH GÓI 6

2.1 Ưu điểm chuyển mạch gói 6

2.2 Nhược điểm chuyển mạch gói 6

Phần II: KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH GÓI 7

2.1 Mô hình chuyển mạch gói 7

2.2 Tổ chức phân lớp của CMG( 7 lớp trong mô hình OSI) 7

2.2.1 Lớp vật lý 8

2.2.2 Lớp liên kết dữ liệu 8

2.2.3 Lớp mạng 8

2.2.4 Lớp truyền tải 8

2.2.5 Lớp phiên 9

2.2.6 Lớp trình diễn 9

2.2.7 Lớp ứng dụng 9

2.3 Phân loại CMG 9

2.3.1 Datagram 9

2.3.2 Virtual circuit 10

Phần III: KIẾN TRÚC TRƯỜNG CHUYỂN MẠCH GÓI 11

3.1 Cấu trúc chuyển mạch phân chia theo thời gian 12

3.2 Chuyển mạch chia sẻ phương tiện 12

3.3 Chuyển mạch chia sẻ bộ nhớ 12

3.2 Chuyển mạch Croos-Bar 13

3.3 Chuyển mạch kết nối đầy đủ 13

3.4 Chuyển mạch trên cấu trúc Banyan 13

3.5 Chuyển mạch trên cấu trúc Banyan mở rộng 13

3.6 Chuyển mạch dựa trên cấu trúc đa mặt 14

3.7 Chuyển mạch dựa theo cấu trúc quay vòng: 14

3.8 Các chiến lược sử dụng bộ đệm trong trường chuyển mạch 14

Phần IV: KIẾN TRÚC BỘ ĐỊNH TUYẾN 15

4.1 Kiến trúc bộ định tuyến thế hệ đầu 15

4.2 Kiến trúc bộ định tuyến thế hệ thứ hai 16

4.3 Kiến trúc bộ định tuyến thế hệ thứ ba 17

Phần V: ĐỊNH TUYẾN TRONG CHUYỂN MẠCH GÓI 18

5.1 Khái niệm về định tuyến 18

5.2 Mục đính của định tuyến 19

5.3 Các phương thức định tuyến 20

5.3.2 Định tuyến tập trung và định tuyến phân tán 21

5.3.3 Định tuyến nguồn và định tuyến từng bước 21

5.3.4 Định tuyến phân cấp và không phân cấp 22

5.4 Các thuật toán định tuyến 22

5.4.1 Thuật toán Bellman-Ford và định tuyến vectơ khoảng cách 22

5.4.2 Thuật toán Dijkstra 24

5.4.3 So sánh hai thuật toán Bellman-Ford và Dijkstra 26

Phần VI: TÀI LIỆU THAM KHẢO 27

Phần 1: TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN MẠCH GÓI

1.1 Khái niệm

Chuyển mạch gói (Packet switching) là một loại kỹ thuật gửi dữ liệu, thông tin

từ máy tính nguồn tới nơi nhận (máy tính đích) qua mạng dưới dạng gói 3ung một loại giao thức thảo mãn 3 điều kiện sau:

− Dữ liệu cần vân chuyển được chia nhỏ ra thành các gói (hay khung) có kích thước (size) và định dạng (format) xác định

– Mỗi gói như vậy sẽ được chuyển riêng rẽ và có thể đến nơi nhận bằng các đường truyền (route) khác nhau Như vậy, chúng có thể dịch chuyển trong cùng thời điểm

– Khi toàn bộ các gói dữ liệu đã đến nơi nhận thì chúng sẽ được hợp lại thành

dữ liệu ban đầu

Mỗi gói dữ liệu có kích thước được định nghĩa từ trước (đối với giao thức TCP/IP thì kích thước tối đa của nó là 1500 bytes) và thường bao gồm 3 phần:

– Phần mào đầu (header): chứa địa chỉ máy gửi , địa chỉ máy nhận và các thông tin về loại giao thức sử dụng và số thứ tự của gói

– Phần tải dữ liệu (data hay payload): là một trong những đoạn dữ liệu gốc đã được cắt nhỏ

– Phần đuôi (trailer): bao gồm tín hiệu kết thúc gói và thông tin sửa lỗi dữ liệu (data correction)

Kĩ thuật này rất hiệu quả để vận chuyển dữ liệu trong các mạng phức tạp bao gồm rất nhiều hệ thống máy tính nối với nhau

1.2 Đặc điểm

Không cần phải hoàn tất một mạch liên tục nối từ máy gửi đến máy nhận (xem thêm về kĩ thuật chuyển mạch kênh được dùng trong các đường dây điện thoại) Thay

vào đó là các đường truyền dữ liệu giữa các bộ chuyển mạch (switcher) sẽ được thiết

lập một cách tạm thời từng cặp một để làm trung gian vận chuyển (hay trung chuyển) các gói từ máy nguồn cho đến khi tới được địa chỉ máy nhận

Các đoạn mạch nối trung chuyển cũng không cần phải thiết lập từ trước mà chỉ cho đến khi có gói cần vận chuyển thì mới thành hình

Trong trường hợp tắt nghẽn hay sự cố, các gói dữ liệu có thể trung chuyển bằng con đường thông qua các máy tính trung gian khác

Dữ liệu vận chuyển bằng các gói sẽ tiết kiệm thời gian hơn là việc gửi trọn vẹn một dữ liệu cỡ lớn vì trong trường hợp dữ liệu thất lạc (hay hư hại) thì máy nguồn chỉ

Trong mạng phức tạp thì việc vận chuyển sẽ không cần (và cũng không thể) biết trước được các gói dữ liệu sẽ được chuyển theo ngõ nào

Kỹ thuật này cho phép nối gần như với số lượng bất kì các máy tính Thực tế, nó chỉ bị giới hạn bởi khả năng cho phép của giao thức cũng như khả năng nối vào mạng của các bộ chuyển mạch với các máy

Vì có thể được gửi đi qua các đường trung chuyển khác nhau nên thời gian vận chuyển của mỗi gói từ máy nguồn đến máy đích có thể hoàn toàn khác nhau Và thứ tự các gói đến được máy đích cũng có thể không theo thứ tự như khi gửi đi

Chuyển mạch gói tùy theo cách thức gửi gói tin mà người ta phân làm 2 loại là: – Hướng kết nối (Connection-oriented) : đường đi được định tuyến trước sẽ gửi qua những nút mạng nào trước khi gửi các gói tin, các gói tin truyền do đó sẽ đúng thứ

tự khi về đích, trễ ít hơn nhưng tận dụng hiệu năng mạng kém hơn

– Phi kết nối (Connectionless) : truyền lung tung, tùy theo mạng chỗ nào dùng nhiều dùng ít mà lựa đường mà đi, tuy nhiên các gói đi quãng đường dài ngắn khác nhau, trễ giữa các nút (đi nhiều hay ít nút mạng khác nhau) khác nhau mà sẽ đến đích không đúng thứ tự, phải đợi và sắp xếp lại, nói chung thì sẽ trễ nhiều hơn

1.3 Nguyên tắc cơ bản của chuyển mạch gói

Qua các đặc tính của cơ bản của kỹ thuật chuyển mạch kênh, chúng ta nhận thấy rằng kỹ thuật chuyển mạch kênh thường được ứng dụng cho các dịch vụ thời gian thực, hướng kết nối và lưu lượng không bùng phát Trong khi đó mục tiêu của chuyển mạch gói là sử dụng cho dữ liệu nên luôn phải sẵn sàng chấp nhận lưu lượng bùng phát trong khi không cần hướng kết nối hoặc thời gian thực

Đặc tính hướng kết nối yêu cầu các giai đoạn kết nối phân biệt gồm: thiết lập kết nối, truyền thông tin và giải phóng kết nối Một kiểu kết nối khác đối ngược với kiểu kết nối là kiểu phi kết nối Phi kết nối cho phép các thực thể thông tin được truyền độc lập với các đặc tính kết nối được thể hiện trong các tiêu đề thực thể thông tin Các giai đoạn kết nối như trong chuyển mạch kênh không còn tồn tại mà thay vào đó là phương pháp chuyền theo một giai đoạn duy nhất gồm cả ba giai đoạn

Hình dưới đây chỉ ra sự khác biệt cơ bản xét theo phương diện kết nối của các phương thức chuyển mạch kênh, chuyển mạch bản tin và chuyển mạch gói

Hình 1.3a: Các phương pháp chuyển mạch cơ bản

Sự khác biệt giữa chuyển mạch bản tin và chuyển mạch gói nằm tại quá trình xử

lý bản tin, chuyển mạch gói thực hiện việc phân đoạn bản tin thành các thực thể phù hợp với đường truyền và cấu hình mạng, các gói có thể có kích thước thay đổi hoặc cố định, phương pháp chuyển với các gói cố định là chuyển mạch tế bào (cell) Như vậy, một bản tin người dùng có thể phân thành nhiều gói Sau quá trình chuyển mạch các gói sẽ được tái hợp để hoàn nguyên lại thông tin của người sử dụng

Quá trình phân mảnh và tạo gói được thực hiện tại các mô hình OSI thể hiện trong hình dưới đây:

Kỹ thuật chuyển mạch gói cho phép kết nối thông tin từ đầu tới cuối qua quá trình chia sẻ tài nguyên, sử dụng các tập thủ tục và các liên kết có tốc độ khác nhau để truyền các gói tin và có thể chuyển gói trên nhiều đường dẫ khác nhau.Có hai kiểu chuyển mạch gói cơ bản: chuyển mạch datagram và chuyển mạch kênh ảo VC (Virtual Circuit)

Phần 2: ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA CHUYỂN MẠCH GÓI

2.1 Ưu điểm chuyển mạch gói

Mềm dẻo và hiệu suất truyền tin cao: Hiệu suất sử dụng đường truyền rất cao vì trong chuyển mạch gói không có khái niệm kênh cố định và dành riêng, mỗi đường truyền giữa các node có thể được các trạm cùng chia sẻ cho để truyền tin, các gói tin sắp hàng và truyền theo tốc độ rất nhanh trên đường truyền

Khả năng tryền ưu tiên: Chuyển mạch gói còn có thể sắp thứ tự cho các gói để

có thể truyền đi theo mức độ ưu tiên Trong chuyển mạch gói số cuộc gọi bị từ chối ít hơn nhưng phải chấp nhận một nhược điểm vi thời gian trễ sẽ tăng lên

Khả năng cung cấp nhiều dịch vụ thoại và phi thoại

Thích nghi tốt nếu như có lỗi xảy ra: Đặc tính này có được là nhờ khả năng định tuyến động của mạng

Tăng hiệu suất đường truyền: một kết nối node-node có thể dung bởi nhiều gói,các gói xếp hàng và truyền đi nhanh nhất có thể

Các gói được nhận ngay khi mạng đang bận.Việc phát có thể chậm lại

2.2 Nhược điểm chuyển mạch gói

Bên cạnh những ưu điểm thì mạng chuyển mạch gói cũng bộ lộ những nhược điểm như:

– Trễ đường truyền lớn: Do đi qua mỗi trạm, dữ liệu được lưu trữ, xử lý trước khi được truyền đi

– Độ tin cậy của mạng gói không cao, dễ xảy ra tắc nghẽn, lỗi mất bản tin

– Tính đa đường có thể gây ra lặp bản tin, làm tăng lưu lượng mạng không cần thiết

– Tính bảo mật trên đường truyền chung là không cao

Phần 3: KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH GÓI

3.1 Mô hình chuyển mạch gói

Kỹ thuật chuyển mạch gói là kỹ thuật lưu và chuyển tiếp thông tin

Dữ liệu truyền được chia thành các gói nhỏ

Mỗi gói gồm dữ liệu cộng thêm thông tin điều khiển

Phương thức truyền thông tin qua mạng

– Truyền từng khối riêng biệt

– Truyền một chuỗi các khối liên tiếp

3.2 Tổ chức phân lớp của CMG( 7 lớp trong mô hình OSI)

Sử dụng mô hình 7 lớp OSI để mô tả khái niệm được sử dụng ở chuyển mạch gói và chủ yếu dựa trên ba lớp bậc thấp

3.2.1 Lớp vật lý

Dành cho kết nối giữa thiết bị trong mạng Thông tin trao đổi dưới dạng bit, bao

gồm các thông tin về số liệu, báo hiệu (điều khiển) Các tín hiệu này dùng để trao đổi tin tức cấp cao hơn giữa hai thiết bị

3.2.2 Lớp liên kết dữ liệu

Là lớp chuyển tin giữa các thiết bị và yêu cầu bản tin được chuyển đi không bị lỗi,

theo một trình tự chính xác Phát hiện lỗi trong khung truyền bằng phương pháp ARQ (Automatic Repeat reQuest), bao gồm ba phương thức:

– Phương thức dừng và chờ: bên phát một khung và phải chờ từ phía thu Nếu nhận được sự xác nhận là: ACK thì bên phát tiếp tục phát khung tiếp theo, ngược lại nếu là NAK thì bên phát phát lại khung đã phát

– Phương thức quay lùi: bên phát phát liên tục từng khung, nếu nhận được ACK thì tiếp tục phát, còn nếu là NAK thì nó sẽ xác định thứ tự khung lỗi đó và phát lại liên tục khung này

– Phương thức lặp lại có chọn lọc: phát liên tục các khung, nếu lỗi thì phát lại khung bị lỗi và tiếp tục công việc dang dở

3.2.3 Lớp mạng

Là lớp làm công việc sửa lỗi, điều khiển luồng theo tuyến giữa hai thiết bị đấu nối với nhau Lớp mạng tạo điều kiện cho thông tin giữa các thiết bị mà chúng không được đấu nối trực tiếp với nhau (nghĩa là qua mạng)

Để thiết lập kết nối lớp mạng giữa hai thiết bị,thì chúng cần có khả năng thích ứng với nhau Mỗi thiết bị đấu nối vào mạng có địa chỉ riêng, mỗi thiết bị có thể dựa vào địa chỉ của thiết bị khác mà yêu cầu thiết lập thông tin giữa chúng

Có 2 cách để xây dựng lớp mạng:

– Mỗi thiết bị có một địa chỉ riêng

– Dùng tuyến nối giữa 2 thiết bị xây dựng một địa chỉ

3.2.4 Lớp truyền tải

Lớp truyền tải cung cấp các dịch vụ truyền tải dữ liệu từ đầu cuối tới đầu cuối,

cung cấp khả năng truyền tải có độ tin cậy giữa các thiết bị đầu cuối mà không liên quan trực tiếp tới phần cứng mạng truyền thông Đáp ứng các yêu cầu của lớp phiên qua chất lượng dịch vụ , kích thước đơn vị dữ liệu, điều khiển luồng và các yêu cầu sữa lỗi

3.2.5 Lớp phiên

Lớp phiên quản l ý các dịch vụ và điều khiển luồng số liệu giữa các người sử dụng tham gia vào phiên truyền thông , các giao thức lớp phiên chỉ ra các luật và phương pháp thực hiện phiên truyền thông mà không can thiệp vào nội dung truyền thông

3.2.6 Lớp trình diễn

Lớp trình diễn chịu trách nhiệm tạo ra các khuôn dạng dữ liệu cho lớp ứng dụng tương thích giữa các ứng dụng và hệ thống truyền thông Các giao thức lớp trình diễn đưa ra các ngôn ngữ cú pháp và tập đặc tính phù hợp cho truyền thông, đồng thời thống nhất các mã, dữ liệu cho các dịch vụ lớp ứng dụng

3.2.7 Lớp ứng dụng

Cung cấp các dịch vụ truyền thông cho người sử dụng với các dạng thức số liệu, báo hiệu điều khiển và các đáp ứng của thiết bị đầu cuối, các hệ thống giao thức điều khiển các ứng dụng thông qua các phần tữ dịch vụ ứng dụng, quản lý truyền thông giữa các ứng dụng

3.3 Phân loại CMG

Các gói được xử lý theo 2 cách:

+ Datagram + Virtual circuit

3.3.1 Datagram

 Mỗi gói được xử lý độc lập

 Các gói có thể đi theo bất cứ đường thích hợp nào

 Các gói có thể đến đích không theo thứ tự gởi

 Các gói có thể thất lạc trên đường đi

 Bên nhận phải sắp xếp lại các gói mất trật tự và khôi phục các gói thất lạc

Hình 3.3.1: Minh họa Datagram

3.3.2 Virtual circuit

 Ðường đi được tạo trước khi gởi các gói dữ liệu

 Các gói yêu cầu cuộc gọi và chấp nhận cuộc gọi được dùng để tạo kết nối (handshake)

 Mỗi đường đi được gán một số ID

 Mỗi gói chứa ID của đường đi thay vì địa chỉ máy đích

 Không cần tìm đường cho từng gói

 Ðường đi không dành riêng

Hình 3.3.2: Minh họa Virtual circuit

Phần 4: KIẾN TRÚC TRƯỜNG CHUYỂN MẠCH GÓI

Cấu trúc của một trường chuyển mạch gồm 3 khối chức năng :

– bộ đệm đầu vào – Khối chuyển mạch không nghẽn – Khối giải quyết tranh chấp

4.1 Cấu trúc chuyển mạch phân chia theo thời gian

TDS được nhìn nhận như một cấu trúc truyền thông đơn chia sẻ tài nguyên cho các gói tin vào/ra hệ thống Thành phần chia sẻ tài nguyên có thể là Bus, mạch vòng Ring hoặc bộ nhớ Nhược điểm lớn nhất của kỹ thuật này là giới hạn dung lượng của cấu trúc truyền thông nội

4.2 Chuyển mạch chia sẻ phương tiện

Các gói tin tại cổng vào được ghép kênh theo thời gian à chuyền trên phương tiện Độ thông qua của phương tiện chia sẻ này quyết định năng lực của toàn bộ chuyển mạch

4.3 Chuyển mạch chia sẻ bộ nhớ

Các gói tin ghép theo thời gian thành một luồng dữ liệu đơn và chuyển tuần tự vào bộ nhớ chia sẻ

4.2 Chuyển mạch Croos-Bar: là một ma trận chuyển mạch hai chiều thường là ma

trận vuông( NxN), được cấu tạo bởi các phần tử kết nối chéo hai trạng thái (cross- bar) Đặc tính tự kết nối là một đặc điểm riêng của trường mạch gói, chức năng này gọi là chức năng tự định tuyến

4.3 Chuyển mạch kết nối đầy đủ: Trường chuyển mạch với các kết nối trung gian

đầy đủ cho phép các gói tin luôn lựa chọn được một tuyến đường giữa hai cổng của trường chuyển mạch

4.4 Chuyển mạch trên cấu trúc Banyan: à một họ chuyển mạch tự định tuyến dựa

trên các phần tử chuyển mạch (2*2) Mạng Banyan là mạng cho phép kết nối bất kỳ một đầu vào đến một đầu ra bất kỳ

4.5 Chuyển mạch trên cấu trúc Banyan mở rộng: là phương pháp mở rộng theo

chiều ngang Việc mở rộng thêm tầng đã tạo thêm cơ hội chọn đường cho các gói tin

đi trong nội bộ trường chuyển mạch

4.6 Chuyển mạch dựa trên cấu trúc đa mặt: Nhằm mục đích tăng khả năng thông

qua của trường chuyển mạch

4.7 Chuyển mạch dựa theo cấu trúc quay vòng: được thiết kế để tránh tranh chấp

đầu ra

4.8 Các chiến lược sử dụng bộ đệm trong trường chuyển mạch

Việc sử dụng bộ đệm trong chuyển mạch gói giúp tăng hiệu năng, giải quyết tranh chấp, phối hợp lưu lượng và cả thiện độ thông qua của các trường chuyển mạch

Các chiến lược sử dụng bộ đệm sắp xếp các hàng đợi tại các vị trí:

- Chuyển mạch đệm đầu vào: