công nghệ chuyển mạch gói

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
----------

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
2
3.
4.

5.
Hà Nội ngày… tháng…năm…


Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch gói

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
5.3.1 Định tuyến tĩnh và định tuyến động......................................................................... 20

1


Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch gói

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

2


Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch gói

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
việc gửi lại đúng gói đã bị mất (hay bị hư) thay vì phải gửi lại toàn bộ dữ liệu gốc.
3


Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch gói

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.

4


Tìm hiểu về công nghệ 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:

Hình 1.3b: Đóng gói dữ liêu theo mô hình OSI
5


Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch gói

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.

6


Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch gói

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

Mạng truyền tải thông tin giữa các user
– 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.
Lớp
Hình thức truyền
Lớp 3: Lớp mạng
Gói
Lớp 2: Lớp liên kết dữ liệu
Khung
Lớp 1: Lớp vật lý
Bit

7


Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch gói

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.

8


Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch gói

3.2.5 Lớp phiên
Lớp phiên quản lý 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

9


Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch gói

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 .

10


Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch gói

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

11


Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch gói

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.

12


Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch gói

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.

13


Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch gói

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:

14


Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch gói

Chuyển

Đặc điểm

Ưu

Nhược

mạch
Đệm đầu vào

Đệm đầu ra

Các trường
chuyển mạch gồm
một ma trận không
gian bố trí các bộ

đệm tại tất cả các
cổng vào để tránh
tranh cấp

Mỗi đầu ra
được trang bị một
bộ đệm nơi các tế
bào tranh chấp tạm
thời được lưu trữ
Đệm trung
Tồn tại một
tâm(hàng đợi chi bộ nhớ trung tâm
sẻ)
có thể được truy
nhập bởi tất cả các
đầu vào và đầu ra

Dễ chuyển
mạch tốc độ cao vì
chuyển mạch hàng
đợi đầu vào có tốc
độ xấp xỉ tốc độ
cổng
- có thể
tăng kích thước
dễ dàng
Không
bị
nghẽn đầu dòng
Hiệu

suất
truyền tin có thể đạt
81%
Bộ nhớ được
chia sẻ đồng đều

Nghẽn

đầu

dòng
Vấn đề sắp
xếp gói tin

Trường hợp
xấu
nhất
với
chuyển mạch NxN
sẽ có N tế bào tranh
chấp
Giới hạn bởi
tốc độ truy nhập bộ
nhớ
Vấn
đề
hogging

Phần 5: KIẾN TRÚC BỘ ĐỊNH TUYẾN
5.1 Kiến trúc bộ định tuyến thế hệ đầu

Thế hệ thứ nhất của hệ thống định tuyến là đơn giản nhất, tốc độ nhỏ hơn
0.5Gbps. Xét từ quan điểm cấu trúc, trong đó chúng sử dụng một bộ xử lý tập trung, bộ
đệm tập trung và một bus chung kết nối đến card đường truyền (line card). Các gói tin
đi vào phải truyền trên cung một bus để được lập lịch tại một giao diện đầu ra. Các
card giao tiếp là các thiết bị đầu ra/vào “không thông minh” do không có khả năng xử
lý gói. Thiết kế này có nhiều nhược điểm, trong đo bus chỉ được sử dụng bởi một card
đường truyền tại mỗi thời điểm. Hơn nữa, gói phải truyền hai lần trên bus sau khi rời
một cổng đầu vào. Đầu tiên nó được viết vào bộ nhớ trong khi bộ xử lý thực hiện tra
cứu tuyến và khi đã thực hiện lập lịch, gói tin được lấy ra khỏi bộ nhớ, sau đó lại
truyền trên bus đến giao diện đầu ra thích hợp. Ngoài ra tất cả các chức năng gắn liền
15


Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch gói

với quá trình định tuyến và chuyển gói đều được thực hiện bởi cùng một bộ xử lý, tạo
ra một tải trọng rất lớn cho bộ xử lý này đông thời hình thành một nút thắt cổ chai
trong hệ thống.

Hình 5.1: Kiến trúc bộ định tuyến thế hệ đầu
5.2 Kiến trúc bộ định tuyến thế hệ thứ hai
Cấu trúc này có bổ xung thêm các bộ xử lý ASIC đặc biệt và một vài bộ nhớ
trong card đường truyền, tốc độ nhỏ hơn 5Gbps. Những thành phần bổ sung này có khả
năng tìm kiếm trong tiêu đề gói để lấy các thông tin về đích và lưu đệm gói cho đến khi
bus rỗi. Các bộ xử lý về tinh trong card đường truyền, mỗi bộ có một cache để lưu một
số tuyến được sử dụng gần đây nhất, cho phép card đường truyền thực hiền việc tra
cứu tuyến, nhưng việc phân xử bus vẫn do bộ xử lý trung tâm thực hiện. bộ đệm cache
này được cập nhật theo định kỳ. Nếu một tuyến không có trong cache đó thì bộ xử lý
chính mới thực hiện việc tìm kiếm định tuyến này. Kỹ thuật này làm giảm tải trọng cần
xử lý cho CPU nhưng việc phân xử lý bus vẫn còn một nút cổ chai. Các cấu trúc bộ

định tuyến thế hệ thứ hai chỉ tồn tại trong thời gian ngắn do không có khả năng hộ trợ
được nhu cầu thông lượng cao trong mạng lõi. Đầu tiên, nhược điểm của cấu trúc này
là sự tắc nghẽn: băng tần được chia sẻ cho tất cả các cổng, dẫn đến sự tranh chấp gây
them trễ (các trễ chuyển gói). Trong các trường hợp tắt nghẽn, tốc độ chuyển gói vượt
quá khả năng của bus, các bộ đệm sẽ bị tràn dẫn đến mất dữ liệu. Thứ hai là, các bus

16


Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch gói

dùng chung tốc độ cao rất khó thiết kế, vì phải truyền các tín hiệu điện đến nhièu cổng
bus, tín hiệu phải truyền qua nhiều bộ kết nối, vá sự phản xạ từ cuối các đường truyền
không được kết cuối dẫn đến những hạn chế về khả năng chuyển gói của bus.

Hình 5.2: Kiến trúc bộ định tuyến thế hệ thứ hai
5.3 Kiến trúc bộ định tuyến thế hệ thứ ba
Để giải quyết vẫn đề tắc nghẽn cảu hệ thông định tuyến thế hệ thứ hai, thế hệ
định tuyến thứ ba được thiết kế với mục tiêu thay thế bus sử dụng chung bằng trường
chuyển mạch, tốc độ nhỏ hơn 50Gbps. Các thiết kế cho hệ thống định tuyến thế hệ ba
nhằm giải quyết cho ba vẫn đề tiềm tàng trước đây: năng lực xử lý, kích thước bộ nhớ,
và băng thông của bus. Cả ba vẫn đề này đều có thể tránh được bằng các sử dụng một
kiến trúc với tiềm tàng là một ma trận chuyển mạch và các giao diện được thiết kế một
các hợp lý. Một bước tiến qua trọng trong việc xây dựng các hệ thống định tuyến hiệu
năng cao là tang cường xử lý cho từng giao diện mạng để giảm thiểu khối lượng xử lý
cà nguồn tài nguyên bọ nhớ của hệ thống định tuyến. Các bộ xử lý đa năng và các
mạch thich hợp hoàn toàn có thể giải quyết vấn đề này. Tuy nhiên khả năng xử lý tổng
thể cho các gói tin qua hệ thống như thế nào còn phụ thuộc vào khả năng tìm và chon
tuyến, cũng như kiến trúc đượng lựa chọn.

17


Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch gói

Hình 5.3: Kiến trúc bộ định tuyến thế hệ thứ ba

Phần 6: ĐỊNH TUYẾN TRONG CHUYỂN MẠCH GÓI
6.1 Khái niệm về định tuyến
Định tuyến là một công việc quan trọng trong quá trình truyền tin qua mạng. Nó
được thực hiện ở tầng mạng (tầng 3 theo mô hình tham chiếu OSI). Mục đích của định
tuyến là chuyển thông tin của người sử dụng từ điểm nguồn đến điểm đích.Quá trình định
tuyến (routing) bao gồm hai hoạt động chính, đó là: xác định đường truyền (path
determination) và chuyển tiếp thông tin (forwarding) theo đường đó (còn được gọi là
switching). Việc truyền thông tin đi theo con đường đã chọn có thể nói là khá đơn giản
(về mặt thuật toán), trong khi đó, việc xác định đường truyền phức tạp hơn rất nhiều.

18


Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch gói

Hình 6.1: Định tuyến
Trong các mạng thông tin khác nhau, việc xác định đường truyền cũng diễn ra
khác nhau. Tuy nhiên, cách xác định đường truyền nào cũng bao gồm hai công việc cơ
bản. Thứ nhất là thu thập và phân phát thông tin về tình trạng của mạng (ví dụ như
trạng thái đường truyền, tình trạng tắc nghẽn...) và của thông tin cần truyền (ví dụ như
lưu lượng, yêu cầu dịch vụ...). Các thông tin này sẽ được sử dụng làm cơ sở cho việc
xác định đường truyền. Thứ hai là chọn ra đường truyền khả dụng (cũng có thể là đường
truyền tối ưu) dựa trên các thông tin trạng thái trên. Đường truyền khả dụng là đường

truyền thoả mãn mọi yêu cầu của thông tin cần truyền (ví dụ: tốc độ) và điều kiện của
mạng (ví dụ: khả năng của đường truyền). Còn đường truyền tối ưu (theo một tiêu chuẩn
nào đó) là đường truyền tốt nhất trong những đường truyền khả dụng.
6.2 Mục đính của định tuyến
Từ các phần đã trình bày trên đây có nhận xet rằng thuộc tính Topo quan trọng
của mạng chuyển mạch gói hiện thực là tồn tại nhiều đường, nhiều hướng có thể sử
dụng để truyền tải các gói dữ liệu giữa nguồn và đích. Đương nhiên sự hoạt động của
mạng phải bao gồm các phương pháp nhờ đó các gói tin tìm được đường đi tố nhất
hoặc tương đối tốt.
Thuật ngữ đường tốt nhất có thể hiểu theo các tiêu chí khác nhau. Ví dụ đó là
đường đi ngắn nhất, chất lượng truyền dẫn tốt nhất, độ tin cậy cao nhất, độ trễ nhỏ nhất
hay ít bị tắc nghẽn v.v...
Việc tìm được một tuyến (hướng) tốt nhất qua mạng chuyển mạch gói là một bài
toán rất phức tạp. Thông tin cần phải được xác định và mô tả rõ ràng về độ sẵn sàng,
khả dụng của những đường có thể truyền tin khác nhau, chọn và định nghĩa các tiêu chí

19


Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch gói

tối ưu và cuối cùng là hướng qua đó phải truyền được gói số liệu tới đích. Có nhiều
phương pháp định tuyến được ứng dụng trong mạng chuyển mạch gói.

6.3 Các phương thức định tuyến
6.3.1 Định tuyến tĩnh và định tuyến động
Định tuyến tĩnh( hay định tuyến không thích nghi) là kỹ thuật định tuyến trong
đó việc định tuyến chỉ phải thực hiện một lần khi xây dựng mạng. Sau đó, các thông tin
về việc định tuyến được lưu trong các bảng định tuyến cho các node. Sau này, khi mạng
hoạt động, nếu giá trị của link thay đổi thì các bảng định tuyến này cũng không được

cập nhật lại. Nếu muốn thay đổi các thông tin trong bảng định tuyến, người quản trị
mạng phải trực tiếp ra lệnh thực hiện các thuật toán định tuyến để tạo ra thông tin định
tuyến mới. Thông thường, với định tuyến không thích nghi, bảng định tuyến có thể đưa
ra một số con đường thay thế khi con đường chính gặp sự cố (quá tải, hỏng).

Hình 6.3.1: Cấu hình định tuyến tĩnh
Định tuyến động( hay định tuyến thích nghi) là kỹ thuật định tuyến trong đó việc
tính toán đường truyền tối ưu được thực hiện nhiều lần trong khi mạng hoạt động. Cứ
sau một khoảng thời gian quy định trước hoặc mỗi khi mạng có sự thay đổi về cấu
hình, trạng thái thì thông tin về mạng lại được gửi tới những nơi có nhiệm vụ thực hiện
định tuyến để tiến hành định tuyến lại. Có một loại thuật toán định tuyến được gọi là
định tuyến thích nghi cách ly. Theo cách định tuyến này, các node không gửi cũng
không nhận thông tin thay đổi về tình trạng mạng. Các node lựa chọn con đường tùy
theo kết quả của những lần truyền trước được phản hồi lại.

20


Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch gói

6.3.2 Định tuyến tập trung và định tuyến phân tán
Một cách phân loại phổ biến chia các phương pháp định tuyến ra làm hai loại
dựa trên các tính toán định tuyến: định tuyến tập trung và định tuyến phân tán. Khi việc
tính toán được thực hiện tại một điểm và sau đó kết quả được chuyển tới các node trong
mạng, ta gọi đó là định tuyến tập trung. Còn khi việc tính toán được thực hiện ở các node
trong mạng, ta gọi đó là định tuyến phân tán.
Trong định tuyến tập trung, trung tâm tính toán cần phải biết tất cả các thông tin
về mạng. Các node có nhiệm vụ gửi thông tin về cấu hình của phần mạng ở xung
quanh nó về cho trung tâm này. Đồng thời, cần có một khoảng thời gian để có thể
truyền thông tin cập nhật tới tất cả các node. Đối với trung tâm xử lý, phải đảm bảo yêu

cầu rất cao về độ tin cậy trong hoạt động, bởi hoạt động của mạng bị ảnh hưởng rất lớn
nếu trung tâm xử lý mà gặp sự cố. Chính vì lý do này mà định tuyến tập trung không
được sử dụng nhiều trong các mạng hiện tại.
Các thuật toán định tuyến ngắn nhất dựa trên thuật toán Dijkstra, đặc biệt là
thuật toán Floyd thích hợp với việc xử lý tập trung bởi các thuật toán này khi thực hiện
tính toán cần có đầy đủ thông tin về mạng. Các thuật toán này cũng có thể được dùng
trong mô hình xử lý phân tán. Nhưng, khi đó, các node đều cần phải biết thông tin về
toàn bộ cấu hình mạng, nên mỗi khi mạng có thay đổi, thông tin này cần phải được
chuyển tới tất cả các node, làm cho chi phí của việc định tuyến tăng lên rất cao.
Định tuyến phân tán giúp nâng cao độ tin cậy của mạng, khi có một node hỏng,
việc định tuyến ở các node xung quanh cũng không bị ảnh hưởng. Thêm nữa, bảng định
tuyến tại mỗi node nhanh chóng được cập nhật hơn.
6.3.3 Định tuyến nguồn và định tuyến từng bước
Các phương pháp định tuyến cũng có thể phân loại dựa vào cách tạo ra tuyến
đường. Nếu tuyến đường được xác định ngay từ ở node nguồn, các node trung gian trên
đường đi chỉ làm nhiệm vụ chuyển tiếp gói tin thì ta gọi là định tuyến nguồn (Source
routing hay Host-Intelligent). Còn nếu tuyến đường không được xác định ngay từ đầu,
mà được phân thành nhiều đoạn do các node khác nhau chọn, thì ta gọi là định tuyến
từng bước (Hop-by- Hop hay Router-Intelligent).
Theo phương pháp định tuyến nguồn, mỗi gói tin khi truyền trên mạng đều phải
mang theo toàn bộ thông tin về tuyến đường của mình. ở mỗi node chỉ việc căn cứ vào
thông tin này mà chuyển tiếp gói tin. Còn theo cách định tuyến từng bước, mỗi gói tin
chỉ cần mang địa chỉ đích là đủ. Do đó, tiêu để của gói tin sẽ bé hơn.
Định tuyến từng bước đáp ứng nhanh hơn với những thay đổi trong mạng
(những thay đổi này ảnh hưởng tới gói tin ngay khi gói tin đang được truyền trong
mạng). Nhưng đồng thời, định tuyến từng bước có thể làm cho các gói tin bị chuyển đi
theo vòng. Còn định tuyến nguồn đảm bảo gói tin sẽ đi thẳng tới đích.
21

Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch gói

6.3.4 Định tuyến phân cấp và không phân cấp
Trong định tuyến không phân cấp, tất cả các node được coi là ngang hàng với
nhau. Trong khi đó, định tuyến phân cấp phân các node ra thành nhiều cấp khác nhau.
Cácnode thuộc các node khác nhau có những khả năng định tuyến thông tin khác nhau.
Định tuyến phân cấp đơn giản hơn nhiều so với định tuyến không phân cấp, tuy
nhiên, kết quả không tốt bằng.
Trong định tuyến phân cấp, các node chỉ cần biết thông tin về các node đồng
cấp, cùng vùng, mà không cần biết cấu hình của mạng ở các vùng khác, cấp khác. Để
định tuyến sang một node ở vùng khác, nó chuyển công việc lên cho node cấp trên.
Trong định tuyến không phân cấp, bảng định tuyến ở mỗi node chứa thông tin về
tất cả các node trong mạng nó có thể tới. Do đó, cần phải có lượng bộ nhớ lớn hơn để
lưu trữ bảng định tuyến, đồng thời cũng cần nhiều đường truyền dành cho việc trao đổi
thông tin định tuyến giữa các node hơn. Ưu điểm của định tuyến không phân cấp là nó
có thể đáp ứng tốt với vấn đề xử lý lưu lượng, đối phó tốt với lỗi xảy ra, do đó nâng cao
được độ tin cậy của mạng. Trong khi đó, định tuyến phân cấp làm cho hoạt động của
mạng bị phụ thuộc vào các node cấp trên, nếu các node này hỏng, mạng sẽ bị tách ra
thành nhiều phần không liên lạc được với nhau.
6.4 Các thuật toán định tuyến
6.4.1 Thuật toán Bellman-Ford và định tuyến vectơ khoảng cách
Thuật toán Bellman-Ford được sử dụng trong mô hình tập trung để tính toán
một đường dẫn ngắn nhất giữa một node nguồn và một node đích. Trong mô hình phân
tán, thuật toán được sử dụng để tính toán các đường dẫn ngắn nhất.
a, Mô hình tập trung.
Để xem xét thuật toán Bellman-ford trong tiếp cận mô hình tập trung, ta xem xét
ví dụ một mô hình hóa mạng trên hình 3.22. Mô hình mạng ví dụ được thể hiện qua một
đồ thị có trọng số thể hiện trên các liên kết, kết quả tính toán đường dẫn ngắn nhất dựa
trên các trọng số trên đồ thị. Gọi dij là trọng số (giá) liên kết giữa node i và node j, Dij
là giá tối thiểu giữa node i và node j. Nếu hai node không có kết nối trực tiếp giá liên

kết được đặt bằng ∞. Gọi nút trung gian có kết nối trực tiếp tới một trong hai node là k
và biểu thức Bellman-Ford được biểu diễn như sau.

22


Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch gói

Hình 6.4.1a: Ví dụ về mô hình kết nối mạng
Wii = 0 với mọi i, Wij min { Wik + wkj} với i ≠j.
Như vậy, giá tối thiểu phụ thuộc vào giá tối thiểu từ i tới k và giá của liên kết kj.
Có thể có nhiều node k kết nối trực tiếp tới node j(k1, k2,..) ngoại trừ node
k=i .

Hình 6.4.1b: Thuật toán Bellman-Ford tập trung
Một vấn đề quan trọng trong thuật toán này là: nếu node k không kết nối trực
tiếp tới node j nên dkj=∞. Với giả thiết đã biết giá tối thiểu Dik từ node i tới node k,

23


Tìm hiểu về công nghệ chuyển mạch gói

trong tính toán thực tế, một biến chạy được sử dụng để tính giá tối thiểu sau một số
bước, ta có giá tối thiểu sau bước thứ h là D(h)ij.
b, Mô hình phân tán.
Trong tiếp cận mô hình phân tán, các node mạng tự tính toán trên cơ sở thông
tin thu nhân được từ mạng để xác định con đường ngắn nhất từ tới đích bất kỳ. Vì vậy,
node nguồn cần biết giá đường dẫn ngắn nhất tới tất cả các node trung gian tới đích
Dik. Theo mô hình phân tán, ta tìm kiếm các liên kết ra khỏi node i trực tiếp tới node k

với giá liên kết dik và coi giá liên kết tối thiểu giữa k và j là Djk mà không cần biết cách
thức xác định giá trị này của k. Danh sách các kết nối trực tiếp tới i được ký hiệu là Ni.
Nếu node i tìm được một node lân cận của nó có đường đi ngắn nhất tới đích, nó có
thể sử dụng thông tin này để xác định giá tới đích bằng cách cộng với giá liên kết dik.
Trong phương pháp tính theo vector khoảng cách, một node nhờ vào các node
lân cận đã biết giá của đường đi tới đích để xác định tuyến tốt nhất. Để thực hiện
nhiệm vụ đó, phương pháp này thường xuyên tính toán lại theo định kỳ hoặc khi có
thông tin từ các node lân cận. Ý tưởng then chốt của thuật toán trong mô hình phân tán
là node k cần phân tán giá của nó tới node j (Dkj) tới tất cả các kết nối trực tiếp tới i,
phụ thuộc vào i và thời gian. Sự khác biệt với thuật toán Bellman-Ford tập trung là thứ
tự tính toán cùng với các liên kết đã đưa ra một góc độ khác để tính toán đường dẫn
ngắn nhất.
6.4.2 Thuật toán Dijkstra
Thuật toán Dijkstra là một kiểu tiếp cận khác trong kỹ thuật tìm đường dẫn ngắn
nhất giữa hai node trong mạng. Thuật toán Dijkstra hoạt động trên một tập node ứng
cử lân cận của node nguồn để tính toán và định đường dẫn ngắn nhất tới một node
đích.
Một đặc tính nổi trội của thuật toán Dijkstra là có thể tính toán các đường dẫn
ngắn nhất tới tất cả các node đích từ một node nguồn, thay vì tính toán theo từng cặp
nguồn - đích. Thuật toán Dijkstra cũng được phân loại hoạt động theo mô hình tập
trung và phân tán.
24