ĐIỆN tử VIỄN THÔNG lecture7 packet switching networks khotailieu

End system βPhysical layer Data link layer Physical layer Data link layer End system α Network layer Network layer Physical layer Data link layer Network layer Physical layer Data link

Bài giảng Mạng Viễn thông (33BB)

Trần Xuân Nam Khoa Vô tuyến Điện tư Học viện Kỹ thuật Quân sự

Routing in Packet Networks

Shortest Path Routing

Network Layer

 Network Layer: Lớp phức tạp nhất

 Yêu cầu các điều phối của các phần tử mạng phân tán theo địa lý (switches & routers)

 Cần phải làm việc với phạm vi rất rộng

 Hàng tỉ người dùng (người & thiết bị liên lạc)

 Các thách thức lớn nhất

 Addressing: thông tin cần chuyển tới đâu?

 Routing: sử dụng đường nào để đưa thông tin tới đích?

t0 t1

Network

Packet Switching

 Truyền thông tin ở dạng một gói đơn hay nhiều gói nho

 Truyền gói đơn yêu cầu về độ chính xác và trễ truyền

 Truyền nhiều gói nho, ngoài yêu cầu độ chính xác, trễ truyền còn yêu cầu thêm về thứ tự các gói và đảm bảo quan hệ thời gian giữa các gói nho

End system β

Physical layer

Data link layer

Physical layer

Data link layer

End

system

α

Network layer

Network layer

Physical layer

Data link layer

Network layer

Physical layer

Data link layer

Network layer

Network Service

 Network layer có thể cung cấp nhiều dịch vụ cho transport layer

 Connection-oriented service hay connectionless service

 Best-effort hay delay/loss guarantees

Connection Oriented Service

 Transport layer không thể yêu cầu truyền cho đến khi đã thiết lập xong kết nối

 Network layer được thông báo trước về luồng dữ liệu gửi vào mạng

 Trong quá trình thiết lập kết nối có thoa thuận về sử dụng và QoS, và trao đổi tài nguyên mạng

 Yêu cầu có ngắt kết nối

 Phức tạp hơn connectionless service

Connectionless Service

 Đơn giản

 Chỉ cần hai thao thác giữa network layer va transport layer

 Phía phát: yêu cầu gửi packet

 Phía thu: chỉ thị đã có gói tới

 Giao trách nhiệm về kiểm soát lỗi, thứ tự packets, điều

khiển luồng cho E2E transport layers

Network Internal Operation

 Connectionless operation

 Packets truyền qua mạng ở dạng datagram

 Mỗi packet được định tuyến độc lập

 Các packets có thể được truyền qua các đường khác nhau và có thể đến không theo thứ tự

Network Service vs Operation

Network Service

 Datagram Transfer

 Tin cậy và có thể truyền

ứng dụng có tốc độ bít không đổi (constant bit rate)

Các kết hợp có thể có

 Connection-oriented service over Connectionless operation

 Connectionless service over Connection-Oriented operation

 Tùy trường hợp & yêu cầu xác định

Các chức năng của Network Layer

 Routing: là cơ cấu để xác định một tập hợp các đường tốt

nhất để định tuyến các packet; yêu cầu hợp tác của các

phần tử trong mạng

 Forwarding: truyền các packets từ đầu vào NE tới đầu ra

Đặc điểm mạng chuyển mạch gói

networks

 Sử dụng Statistical Multiplexing để tập trung các dòng

 Các ứng dụng peer-to-peer kích thích sự phát triển mạnh về dung lượng lưu lượng

mạng được kiểm soát bởi nhiều tổ chức khác nhau

 Không có một thực thể nào chịu trách nhiệm cho dịch vụ end-to-end

Access MUX

To packet network

Access Multiplexing

 Lưu lượng packet từ các người dùng được ghép kênh tại điểm truy nhập vào mạng thành các dòng kết hợp

 Lưu lượng DSL ghép kênh tại DSL Access Mux (DSLAM)

 Lưu lượng Cable modem ghép kênh tại Cable Modem

Home LANs

 LAN Access using Ethernet or WiFi (IEEE 802.11)

 Private IP addresses in Home (192.168.0.x) using Network Address Translation (NAT)

 Single global IP address from ISP issued using Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP)

Home Router

To packet network

WiFi

Ethernet

LAN Concentration

 LAN Hubs and switches in the access network also aggregate packet streams that flows into switches and routers

    

Switch / Router

R

R R

S

S S

s

s s

Organization Servers

Interdomain level

Intradomain level

Autonomous

system or domain

Border routers

Border routers

Internet service provider

s s s

National Service Provider A

National Service Provider B

National Service Provider C

Private peering

Internet Backbone

 Network Access Points: set up during original

commercialization of Internet to facilitate exchange of traffic

 Private Peering Points: two-party inter-ISP agreements to

RB

Route Server

NAP

National Service Provider A

National Service Provider B

National Service Provider C

Vai trò của Routing

Chuyển packet như thế nào từ nơi này đến nơi khác?

trở thành một thách thức chính

 Các giao thức Interior gateway protocols (IGPs) được sử dụng để xác định các tuyến trong một domain

 Các giao thức Exterior gateway protocols (EGPs) được sử dụng để xác định các routes qua các domains

 Các routes phải nhất quán & tạo các dòng ổn định

 Cấu trúc phân cấp của địa chỉ IP có ý nghĩa thiết yếu để giữ kích thước bảng định tuyến có thể quản lý được

Chức năng chuyển mạch

 Kết nối động các đầu vào tới đầu ra

 Cho phép chia sẻ động các nguồn tài nguyên truyền dẫn

 Hai giải pháp cơ bản:

Packet switch Network

Transmission

line User

Packet Switching Network

Packet switching network

 Chuyển packets giữa các người sử dụng

 Các đường truyền dẫn + packet switches (routers)

 Bắt nguồn từ message switching

Hai chế độ công tác:

 Connectionless ()

 Virtual Circuit

 Message switching phát minh cho điện báo

 Toàn bộ các bản tin được ghép vào các đường chia sẻ, lưu giữ & chuyển tiếp

 Đầu bản tin sử dụng để đánh địa chỉ source &

Message Switching

t t t t

Trễ trong Message Switching

Có thể có trễ xếp hàng tại mỗi tuyến

Messages dài hay Packets

 Approach 1: send 1 Mbit

 Probability packet arrives correctly

 On average it takes about 1.1 transmissions/hop

 Total # bits transmitted ≈ 2.2 Mbits

3 / 1 )

10 1

( − 6 106 ≈ 10610 6 = 1 ≈

= − e− − e−

P c P c′ = ( 1 − 10 −6)105 ≈ e−10510−6 = e−0.1 ≈ 0 9

Packet Switching - Datagram

 Bản tin được chia nho thành

các đơn vị dữ liệu nho hơn

(packets)

 Địa chỉ source & destination ở

packet header

 Connectionless, các packet

được định tuyến độc lập

(datagram)

 Packet có thế đến không theo

trình tự

 Pipelining các packets qua

mạng có thể giảm trễ, tăng

thông lượng

 Trễ thấp hơn message

switching, thích hợp cho lưu

lượng tương tác

Packet 2

Packet 1

Packet 1

Packet 2 Packet 2

t t t t

1

Minimum Delay = 3τ + 5(T/3) (single path assumed)

Có thể có trễ xếp hàng tại mỗi tuyến

Packet pipelining cho phép message đến sớm hơn

Trễ trong Packet Switching

Giả thiết 3 packets trong 1 message đi qua cùng 1

đường

t t t

1

3 τ + 2(T/3) first bit received

3 τ + 3(T/3) first bit released

3 τ + 5 (T/3) last bit released

Lτ + (L-1)P first bit received

Lτ + LP first bit released

Lτ + LP + (k-1)P last bit released

address

Output port

2458

7 0785

6

12 1566

Bảng định tuyến trong Datagram Networks

 Route được xác định bởi bảng tra

 Quyết định định tuyến liên quan đến việc tìm ra chặng tiếp theo ở trên tuyến tới đích xác định

 Bảng định tuyến có một giá trị cho mỗi đích xác định cổng ra tới chặng tiếp theo

 Kích thước của bảng trở nên quá lớn khi số trạm đích rất lớn

Ví dụ: Internet Routing

 Giao thức IP sử dụng chuyển mạch gói datagram qua các mạng

 Các mạng được coi như các đường liên kết dữ liệu

 Các hosts có địa chỉ IP hai phần:

 Network address + Host address

 Các routers tra bảng theo network address

 Giảm kích thước của routing table

Packet Switching – Virtual Circuit

 Thiết lập một đường cố định giữa nguồn và đích trước khi truyền dữ liệu

 Tất cả các packets trên một kết nối đi theo cùng một đường

 Có thể sử dụng cho dịch vụ variable bit rates

 Trễ biến đổi, nhưng vẫn còn lớn hơn so với circuit switching

 Có thể phân phối tài nguyên trên mỗi tuyến theo yêu cầu

Virtual circuit

Packet Packet

Packet

Packet

Connect request

Connect confirm

Connect confirm

Connect confirm

…

Connection Setup

 Các bản tin báo hiệu lan truyền khi chọn được tuyến

 Các bản tin báo hiệu xác định kết nối và thiết lập các bảng chuyển tiếp trong switches

 Tại đầu vào mỗi swicths, kết nối được xác định bởi một

nhãn gọi là Virtual Circuit Identifier (VCI)

 Mỗi switch chỉ cần biết quan hệ giữa nhãn (VCI) đầu vào và nhãn (VCI) đầu ra tới switch tiếp theo

 Khi bảng chuyển tiếp thiết lập, packets có thể đi theo dọc đường đã thiết lập

t t t

Trễ thiết lập kết nối

lớn các packets

VCI

Output port

Output VCI

23 16

34

Bảng Chuyển tiếp của Virtual Circuit

 Mỗi input port của switch có một bảng chuyển tiếp

 Tìm VCI của trong header của packet tới

 Xác định output port (next hop) và chèn VCI cho tuyến tiếp theo

 Tốc độ xử lý cao do độ dài VCI ngắn (số kết nối max cho 1 input port)

 Bảng có thể bao gồm cả ưu tiên hay các thông tin khác

Minimum delay = 3 τ + T

t t t

packet có thể chuyển tiếp ngay sau khi thu và xử lý xong header

Message vs Packet Minimum Delay

Ví dụ: ATM Networks

 Tất cả thông tin ánh xạ thành các packet có độ dài cố định (53bytes) gọi là cells

 Thiết lập kết nối qua mạng

 Thiết lập virtual circuits qua mạng

 Thiết lập bảng tại các ATM switches

 Các dịch vụ

 Constant bit rate connections

 Variable bit rate connections

Chapter 7

Packet-Switching

Networks

Datagrams and Virtual Circuits

Structure of a Packet Switch

Packet Switch: Intersection where

Traffic Flows Meet

1 2

N

1 2

Line card

1 2 3

Generic Packet Switch

“Unfolded” View of Switch

 Ingress Line Cards

 Header processing

 Demultiplexing

 Routing in large switches

 Controller

 Routing in small switches

 Signalling & resource allocation

 Interconnection Fabric

 Transfer packets between line cards

 Egress Line Cards

 Scheduling & priority

 Multiplexing

Backplane transceivers

To

physical

ports

To switch fabric

To other line cards

Line Cards

Folded View

 1 circuit board is ingress/egress line card

 Physical layer processing

 Data link layer processing

 Network header processing

Physical layer across fabric + framing

1 2 3

N

1 2 3

N

Queue Control

Ingress Processing

Connection Control

Shared Memory Packet Switch

Output Buffering

1 2 3

 Large switches built from crossbar & multistage space switches

 Requires centralized controller/scheduler (who sends to whom when)

0 1 2

3 4 5 6 7

0 1 2 3 4 5 6 7

Self-Routing Switches

Định tuyến trong Packet Networks

 Có 3 tuyến routes từ 1 tới 6:

 1-3-6, 1-4-5-6, 1-2-5-6

 Tuyến nào “tốt nhất”?

 Trễ nho nhất? Số chặng ít nhất? Băng thông lớn nhất? Chi phí thấp nhất? Tin cậy nhất?

Yêu cầu về thuật toán định tuyến

 Đáp ứng nhanh khi có thay đổi

 Cấu hình hay băng thông, nghẽn

 Xác định nhanh các router tạo nên tập hợp các tuyến

C

D

1 5

2 3

7 1

 Example: VCI from A to D

 From A & VCI 5 → 3 & VCI 3 → 4 & VCI 4

Destination Next node

Destination Next node Destination Next node

Destination Next node Destination Next node

Bảng Định tuyến trong

Datagram Packet Networks

0000

0111

1010 1101

0001

0100

1011 1110

0011

0101

1000 1111

0011

0110

1001 1100

R1

1

4 3

 Không có quan hệ giữa các địa chỉ gần nhau

 Bảng định tuyến cần 16 số

0000

0001

0010 0011

0100

0101

0110 0111

1100

1101

1110 1111

1000

1001

1010 1011

1

4 3

Địa chỉ có Phân cấp và Định tuyến

Định tuyến Đặc biệt

 Đánh tràn (Flooding)

 Hữu ích khi thiết lập mạng

 Hữu ích khi lan truyền thông tin tới các nút

 Đánh lệch (Deflection Routing)

 Cố định, thủ tục định tuyến đặt trước

 Không tổng hợp tuyến

Gửi một packet tới tất cả các nút trong mạng

 Không có bảng định tuyến

 Sử dụng khi cần quảng bá packet tới tất cả các nút (VD: lan truyền thông tin trạng thái link)

Giải pháp

 Gửi packet tới tất cả các ports trừ port tới

 Số lượng truyền packet tăng theo hàm mu

Flooding Giới hạn

 Số packets truyền sau mỗi chặng tăng theo hàm mu, có thể gây tắc nghẽn mạng

 Giải pháp giới hạn số packets

 Trường Time-to-Live ở mỗi packet giới hạn số chặng tới một đường kính nhất định

 Mỗi switch bổ sung ID của nó trước khi flooding; loại bo truyền lặp

 Trạm nguồn đặt số thứ tự ở mỗi packet; switch ghi lại địa chỉ

nguồn và số thứ tự và loại bo truyền lặp

Deflection Routing

port)

packet tới port khác

topology)

 Mạng Manhattan street

 Mảng vuông của các nút

 Nút được ký hiệu (i,j)

 Hàng chạy một chiều

 Cột chạy 1 chiều

 Đề xuất cho mạng optical packet

Shortest Paths & Routing

 Có nhiều đường nối nguồn bất kỳ tới đích bất kỳ

 Định tuyến liên quan đến việc chọn ra đường sử dụng để thực hiện một chuyển tiếp packet

 Có thể gắn một giá trị “chi phí” hay “cự ly” cho một tuyến nối hai nút mạng

 Định tuyến trở thành bài toán tìm đường ngắn nhất

(shortest path problem)

Routing Metrics

Là phương tiện đo độ mong muốn của một đường (path)

 Số chặng (Hop count): là đại lượng thô (rough) về tài nguyên sử dụng

 Độ tin cậy (Reliability): độ khả dụng của tuyến; BER

 Trễ (Delay): tổng trễ theo đường (path); phức tạp & có tính động

 Băng thông (Bandwidth): “dung lượng khả dụng” trong một đường

 Tải (Load): Mức độ sử dụng tuyến & router trên một đường

 Chi phí: $$$

Các giải pháp Shortest Path

Các giao thức Vector Cự ly (Distance Vector Protocols)

 Các nút kề (neighbors) trao đổi danh sách các cự ly tới đích

 Xác định chặng tiếp theo tốt nhất cho từng đích

 Thuật toán (phân tán) đường ngắn nhất Ford-Fulkerson

Các giao thức Trạng thái Tuyến (Link State Protocols)

 Thông tin trạng thái tuyến được đánh tràn (flood) tới tất cả các routers

 Các routers có đầy đủ thông tin về topology của mạng

 Tính toán đường ngắn nhất (Shortest path) và chặng tiếp theo

 Thuật toán (tập trung) đường ngắn nhất Dijkstra

g Q L

Vector Cự ly

Do you know the way to Hạ Long?

Vector Cự ly

Các biển chỉ đường tại chỗ

Bảng định tuyến

Danh sách thông tin cho

trao đổi các dữ liệu (entries)

theo tốt nhất hiện xác định được

kề biết

 Theo chu kỳ

 Sau khi có thay đổi

dest next dist

Đường ngắn nhất tới HL

Hạ Lo ng

Dj

Di Nếu Di là cự ly ngắn nhất từ nút i tới HL,

và nếu j là nút kề trên đường ngắn nhất

Các nút tìm đường ngắn nhất tới một nút

đích, vd., tới Hạ Long

i không biết đường ngắn nhất tới HL mà

chỉ có thông tin tại chỗ từ các nút kề

Dj"

i

Hạ Lo ng

Đường ngắn nhất tới HL

Why Distance Vector Works

Hạ

Long

1 Hop From HL

2 Hops From HL

3 Hops

From HL

Accurate info about HL

HL sends accurate info

Hop-1 nodes calculate current (next hop, dist), & send to neighbors