Công nghệ chuyển mạch IP

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.. Kết quản tính toán của cơ cấu đ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÀI TẬP LỚN CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH IP

Hà Nội Tháng 07 năm 2016

LỜI NÓI ĐẦU

Trước sự phát triển của các giao thức Internet khởi đầu từ những năm của thập niên 70 và tiếp tục 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 thời gian và kiến thức còn hạn hẹp nên bản báo cáo không tránh khỏi tồn tại nhiều thiếu sót Chúng em mong sẽ nhận được sự chỉ bảo, góp ý của thầy cô và các bạn Mong rằng bản báo cáo sẽ được hoàn thiện hơn!!

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU……… 1

MỤC LỤC……… ………… 2

1.Giới thiệu chung……….……….…3

2.Đánh địa chỉ và định tuyến……… 4

2.1 Mô hình chồng giao thức TCP/IP………4

2.2 Đánh địa chỉ IP……….6

2.3 Định tuyến IP………7

3.Chuyển mạch IP……… 10

3.1 Định nghĩa và các thuật ngữ……….……… 10

3.1.1 Chuyển mạch IP……… …10

3.1.2 Đầu vào và ra của chuyển mạch IP……… … 12

3.1.3 Đường tắt……….14

3.2 Các mô hình đia chỉ của chuyển mạch IP…….……….15

3.2.1 Địa chỉ riêng……….……… …… 15

3.2.2 Ánh xạ địa chỉ IP sang VC……….… …16

3.3 Các mô hình của chuyển mạch IP……… 17

3.3.1 Mô hình xếp chồng……… …………17

3.3.2 Mô hình đồng cấp………18

3.4 Các kiểu chuyển mạch IP……… ……20

3.4.1 Giải pháp chuyển mạch theo luồng……… … 20

3.4.2 Giải pháp chuyển mạch theo cấu hình.……… … 21

4 Kết Luận……….25

1 GIỚI THIỆU CHUNG

IP(Internet Protocol) 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

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…

Hình 1: Mô hình TCP/IP và mô hình OSI

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:

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 chỉ cho mạng IP và vì nhu cầu sử dụng có rất nhiều quy mô mạng khác nhau, nên người ta chia các điạ chỉ IP thành 5 lớp ký hiệu

là A, B, C, D và E có cấu trúc như sau:

Lớp A (/8): Được xác định bằng bít đầu tiên trong byte thứ nhất là 0 và

dùng các bít còn lại của byte này để định danh mạng Do đó, nó cho phép định danh tới 126 mạng, với 16 triệu máy trạm trong mỗi mạng

Lớp B (/16): Được xác định bằng hai bít đầu tiên nhận giá trị 10, và sử

dụng byte thứ nhất và thứ hai cho định danh mạng Nó cho phép định danh 16.384 mạng với tối đa 65.535 máy trạm trên mỗi mạng

Lớp C (/24): Được xác định bằng ba bít đầu tiên là 110 và dùng ba

byte đầu để định danh mạng Nó cho phép định danh tới 2.097.150 mạng với tối đa 254 máy trạm trong mỗi máy trạm trong mỗi mạng Do đó, nó được sử dụng trong các mạng có quy mô nhỏ

Lớp D: Được xác định bằng bốn bít đầu tiên là 1110, nó được dùng để

gửi các IP datagram tới một nhóm các host trên một mạng Tất cả các số lớn hơn 233 trong trường đầu là thuộc nhóm D

Lớp E: Được xác định bằng năm bít đầu tiên là 11110, được dự phòng

cho tương lai

Với phương thức đánh địa chỉ IP như trên, số lượng mạng và số máy tối

đa trong mỗi lớp mạng là cố định Do đó, sẽ nảy sinh vấn đề đó là có các địa chỉ không được sử dụng trong mạng của một doanh nghiệp, trong khi một doanh nghiệp khác lại không có địa chỉ mạng để dùng Do đó để tiết kiệm địa chỉ mạng, trong nhiều trường hợp một mạng có thể được chia thành nhiều mạng con (subnet) Khi đó, có thể đưa thêm các vùng subnetid để định danh cho các mạng con Vùng subnetid này được lấy từ vùng hostid của các lớp A, B và C

2.3 Định tuyến IP

Định tuyến trên Internet được thực hiện dựa trên các bảng định tuyến (Routing table) được lưu tại các trạm (Host) hay trên các thiết bị định tuyến (Router) Thông tin trong các bảng định tuyến được cập nhật tự động hoặc do người dùng cập nhật

Các phạm trù dùng trong định tuyến là:

- Tính có thể được (Reachability) dùng cho các giao thức EGP như BGP

- Véc tơ kkoảng cách (Vector-Distance) giữa nguồn và đích dùng cho RIP

- Trạng thái kết nối (Link state) như thông tin về kết nối dùng cho OSPF

Không có giao thức định tuyến nào là toàn diện, tuỳ vào đặc tính, kích thước của mạng để chọn phù hợp Mạng nhỏ đồng nhất nên dùng RIP, đối với các mạng lớn có cấu tạo thích hợp thì OSPF tối ưu hơn

U* Nguyên tắc định tuyến :

Trong hoạt động định tuyến, người ta chia làm hai loại là định tuyến trực tiếp và định tuyến gián tiếp Định tuyến trực tiếp là định tuyến giữa hai máy tính nối với nhau vào một mạng vật lý Định tuyến gián tiếp là định tuyến giữa hai máy tính ở các mạng vật lý khác nhau nên chúng phải thực hiện thông qua các Gateway

Để kiểm tra xem máy đích có nằm trên cùng một mạng vật lý với máy nguồn không thì người gửi phải tách lấy địa chỉ mạng của máy đích trong phần tiêu đề của gói dữ liệu và so sánh với phần địa chỉ mạng trong phần địa chỉ IP của nó Nếu trùng thì gói tin sẽ được truyền trực tiếp nếu không cần phải xác định một Gateway để truyền các gói tin này thông qua nó để ra mạng ngoài thích hợp

Hoạt động định tuyến bao gồm hai hoạt động cơ bản sau:

- Quản trị cơ sở dữ liệu định tuyến: Bảng định tuyến (bảng thông tin

chọn đường) là nơi lưu thông tin về các đích có thể tới được và cách thức để tới được đích đó Khi phần mềm định tuyến IP tại một trạm hay một cổng truyền nhận được yêu cầu truyền một gói dữ liệu, trước hết nó phải tìm trong bảng định tuyến, để quyết định xem sẽ phải gửi Datagram đến đâu Tuy nhiên, không phải bảng định tuyến của mỗi trạm hay cổng đều chứa tất cả các thông tin về các tuyến đường có thể tới được Một bảng định tuyến bao gồm các cặp (N,G) Trong đó:

+ N là địa chỉ của IP mạng đích

+ G là địa chỉ cổng tiếp theo dọc theo trên đường truyền đến mạng N

Bảng 2.1 minh hoạ bảng định tuyến của một cổng truyền

Đến Host trên mạng Bộ định tuyến Cổng vật lý

- Thuật toán định tuyến: Được mô tả như sau:

+ Giảm trường TTL của gói tin

+ Nếu TTL=0 thì

 Huỷ gói dữ liệu

 Gửi thông điệp ICMP báo lỗi cho thiết bị gửi

+ Nếu địa chỉ đích là một trong các địa chỉ IP của các kết nối trên mạng thì xử lý gói dữ liệu IP tại chỗ

+ Xác định địa chỉ mạng đích bằng cách nhân (AND) mặt nạ mạng (Network Mask) với địa chỉ IP đích

+ Nếu địa chỉ đích không tìm thấy trong bảng định tuyến thì tìm tiếp trong tuyến đường mặc định, sau khi tìm trong tuyến đường mặc định mà không tìm thấy các thông tin về địa chỉ đích thì huỷ

bỏ gói dữ liệu này và gửi thông điệp ICMP báo lỗi “mạng đích không đến được” cho thiết bị gửi

+ Nếu địa chỉ mạng đích bằng địa chỉ mạng của hệ thống, nghĩa là thiết bị đích đến được kết nối trong cùng mạng với hệ thống, thì tìm địa chỉ mức liên kết tương ứng với bảng tương ứng địa chỉ IP-MAC, nhúng gói IP trong gói dữ liệu mức liên kết và chuyển tiếp gói tin trong mạng

+ Trong trường hợp địa chỉ mạng đích không bằng địa chỉ mạng của hệ thống thì chuyển tiếp gói tin đến thiết bị định tuyến cùng mạng

3 CHUYỂN MẠCH IP

Chuyển mạch IP là một cơ chế và tập các giao thức sử dụng chuyển mạch lớp 2 để tăng tốc độ chuyển tiếp gói IP qua mạng Hầu hết các giải pháp chuyển mạch IP đều sử dụng chuyển mạch lớp 2 là chuyển mạch ATM tuy nhiên cũng có thể có một số kỹ thuật chuyển mạch lớp 2 khác như Frame Relay hay Tag Switching

3.1 Định nghĩa và các thuật ngữ

Như đã đề cập ở trên, chuyển mạch IP sử dụng chuyển mạch lớp 2 như

là một cơ chế chuyển tiếp các gói IP xuyên qua một mạng Ưu điểm của nó là

có thời gian chuyển mạch nhanh và băng thông lớn Tuy nhiên, chuyển mạch

IP cũng cần có giai đoạn thực hiện xử lý lớp 3 (Lớp mạng) Do vậy, có thể nói chuyển mạch IP là sự kết hợp giữa chuyển mạch lớp 2 và quá trình định tuyến, chuyển tiếp lớp 3 để chuyển tiếp gói tin qua mạng

3.1.1 Chuyển mạch IP

Chuyển mạch IP là một thiết bị hoặc hệ thống có thể chuyển tiếp gói tin

IP lớp 3 (lớp mạng) cũng như có cơ chế cho phép chuyển mạch tại lớp 2 (lớp liên kết dữ liệu) Do vậy, chuyển mạch IP phải có khả năng phân loại gói tin thành gói tin được chuyển tiếp tại lớp 3 hay được chuyển mạch tại lớp 2 và tái điều khiển một bộ phận hoặc tất cả gói tin truyền qua đường chuyển mạch lớp

2 đó Hầu hết các bộ chuyển mạch IP sử dụng cơ cấu chuyển mạch ATM nhưng cũng có một số sử dụng các kỹ thuật lớp 2 khác như chuyển mạch thẻ của Cisco, chuyển mạch thẻ đa giao thức (MPLS) của IEEF

Đường dẫn lớp 3 Đường dẫn lớp 2

Hiện nay người ta sử dụng 2 cơ cấu chuyển mạch IP như hình vẽ 3.1 Trong đó điểm điều khiển giao thức định tuyến (IPCP) trong cả hai cơ chế đều chạy các giao thức định tuyến điển hình như RIP, OSPF, BGP, để cung cấp đường định tuyến lớp 3 mặc định IPCP có thể giao tiếp một cách trực tiếp (kiểu a) hoặc gián tiếp (kiểu b) với các thành phần chuyển mạch để tái định hướng các gói tin IP qua các thành phần chuyển mạch Tương tự như chuyển mạch ATM thông thường, các bộ chuyển mạch sử dụng một bảng kết nối gồm các cổng đầu vào, thẻ đầu vào, cổng đầu ra, thẻ đầu ra tương ứng Trong hình

vẽ, sơ đồ a gọi là chuyển mạch IP và sơ đồ b gọi là chuyển mạch IP ảo Hai kiểu này phân biệt bởi các điểm khác nhau sau:

Thứ nhất là khác nhau ở phạm vi của đường chuyển mạch lớp 2 Với

chuyển mạch IP thì đường chuyển mạch lớp 2 bao gồm các thiết bị chuyển mạch IP riêng lẻ và các thiết bị chuyển mạch đó hoạt động dưới sự điều khiển trực tiếp của một IPCP tương ứng Để thiết lập đường chuyển mạch xuyên suốt (End-to-End) thì các bộ chuyển mạch IP này phải “bắt tay” nhau cùng cộng tác Nhưng đối với kiểu chuyển mạch IP ảo, một đường chuyển mạch xuyên suốt được xây dựng bởi một chuỗi các thành phần chuyển mạch IP nhưng dưới sự điều khiển của một IPCP duy nhất

Thứ hai, khác nhau ở vị trí của các “cổng” vào bộ chuyển mạch Đối

với cấu hình a, các cổng vào và ra của hệ thống chuyển mạch ở cùng trong một hệ thống còn ở cấu hình kiểu b, thì có thể ở trên cùng hoặc không cùng một thiết bị chuyển mạch

Thứ ba, khác nhau ở kiểu sử dụng các giao thức định tuyến và báo hiệu

ATM UNI/PNNI Trong kiểu chuyển mạch IP, dựa vào cấu hình mạng IP và các giao thức định tuyến để lựa chọn một đường dẫn chuyển tiếp xuyên qua mạng và sau đó sử dụng giao thức điều khiển đặc biệt để trao đổi với nhau và các chuyển mạch IP lân cận nhau sẽ thực hiện cơ chế ánh xạ đường chuyển mạch xuyên suốt đó thành đường chuyển mạch lớp 2 Còn trong kiểu chuyển mạch IP ảo, sử dụng các giao thức điều khiển đặc biệt để khởi đầu chu trình nhưng dựa trên cấu hình mạng ATM, các giao thức định tuyến và báo hiệu để