Tweet
Tác giả: SVTT
Lê Văn Tuấn Cường
Hoàng Xuân Trung
Phần I:
2 – Vị trí của MPLS trong Mô Hình OSI
Mô hình tham chiếu OSI bao gồm 7 lớp. Tham khảo hình 1 cho mô hình tham chiếu OSI.
Hình 1: Mô Hình Tham Chiếu OSI
Tầng dưới cùng là Lớp 1, hay tầng Vật lý, và tầng trên cùng là Lớp 7, hay tầng Ứng dụng. Trong khi tầng Vật lý quan tâm đến việc kết nối dây cáp, máy móc cơ học, những đặc trưng về điện, Lớp 2, tầng liên kết dữ liệu, quan tâm đến việc định dạng của các frame. Ví dụ của tầng liên kết dữ liệu là: Ethernet, PPP, HDLC, va Frame Relay. Điểm quan trọng của tầng liên kết dữ liệu là chỉ có một liên kết giữa hai máy tính, nhưng không vượt quá. Điều này có nghĩa là tiêu đề tầng liên kết dữ liệu luôn luôn được thay đổi bởi máy tính ở đầu kia của liên kết. Lớp 3, tầng mạng, liên quan đến định dạng của gói tin từ điểm cuối đến điểm cuối. Nó có ý nghĩa vượt ra ngoài liên kết dữ liệu. Ví dụ được biết nhiều nhất của một giao thức hoạt động ở lớp là IP. Trường hợp nào MPLS phù hợp? MPLS không đơn thuần là một giao thức thuộc lớp 2 bởi vì sự đóng gói ở lớp 2 vẫn còn hiện diện cùng với các gói tin đã được dán nhãn, nó được thiết kế để hoạt động tương thích các yêu cầu của nhiều công nghệ mạng liên kết dữ liệu khác nhau. MPLS cũng không thực sự là một giao thức lớp 3 bởi vì nó không có khả năng tự định tuyến hoặc có sơ đồ địa chỉ (điều kiện buộc phải có ở lớp 3). Đối với môi trường ứng dụng IP, MPLS sử dụng cách đánh địa chỉ và các giao thức định tuyến hiện có với sự điều chỉnh và bổ sung. Do đó, MPLS không phù hợp trong mô hình phân lớp OSI quá tốt. Có lẽ việc dễ nhất để làm là xem MPLS như là một công nghệ lớp 2,5 (Hình 2) và được làm việc với nó. Mô hình này chỉ ra rằng MPLS không phải là lớp mới mà nó là một phần ảo của mặt bằng điều khiển dưới lớp mạng và trên lớp liên kết dữ liệu.
3 – Những phƣơng thức phát triển chuyển mạch gói:
Chuyến mạch gói là một phương thức để chuyển một gói tin từ input interface tới output interface.Khi Cisco router lần đầu tiên được phát triển và triển khai, chỉ có một cách để chuyển mạch gói, gọi là process switching (chuyển mạch xử lí). Khi mạng
phát triển, Cisco phát triển mở rộng các phương thức chuyển mạch sau :
• Process switching
• Fast switching
• Autonomous switching
• Silicon switching engine (SSE) switching
• Optimum switching
• Distributed fast switching
• Cisco Express Forwarding (CEF)
• Distributed Cisco Express Forwarding (dCEF)
Trong khuôn khổ bài viết chúng ta chỉ quan tâm đến 3 loại chuyển mạch Process switching, Fast switching và CEF.
a) Process Swithching:
Process switching là nói về một phương thức trong đó CPU của router liên quan trực tiếp tới việc forwarding. Khi gói tin được chuyển mạch process switching qua một router, CPU của nó tải gói tin bằng cách lựa chọn một xử lí thích hợp để điểu khiển gói và lập lịch chạy quá trình xử lí.
Những dòng sau đây sẽ list ra hoạt động của gói tin khi nó được chuyển mạch process-switched qua router :
- Router đọc lấy gói tin từ đường dây kết nối với interface đầu vào.
- Router chứa gói tin trong bộ nhớ đệm sau đó gửi tín hiệu ngắt lên main processor thông báo có gói tin đang cần xử lí.
- The IOS interrupt software kiểm tra thông tin header để khẳng định gói tin IP rồi khởi động process switching – ip_input.
- Router thực hiện ip_input tìm kiếm trong bảng global routing table địa chỉ IP đích.
- Router tìm kiếm nexhop IP address hướng tới đích bằng cách phân tích routing table.
- Router tìm kiếm layer 2 header và interface đầu ra cho thiết bị next hop. Thông tin này sẽ được ghi lại trên gói tin để forward gói tin ra next hop hướng tới đích ,thông thường thông tin này sẽ được tìm kiếm trong ARP cache hoặc một vài bảng khác mà
ánh xạ một nexhop tới một địa chỉ Layer 2.
- Router rewrite địa chỉ vật lý layer 2 lên gói tin.
- Router ghi lại gói tin từ bộ nhớ sang dây kết nối với interface đầu ra.
- Sau khi thực hiện chuyển gói tin, Interface processor gửi tín hiệu ngắt cho main processor để giải phóng I/O mermory.
Từ rất sớm trong sự phát triển của Cisco router,các kĩ sư của Cisco đã nhận biết rõ ràng rằng process switching sẽ không có khả năng điều khiển gói tin đủ nhanh để đạt được tốc độ cần thiết do phải thực hiện tất cả lookup trên routing table cho m i gói
tin, khi dòng lưu lượng tăng lên theo sự phát triển của mạng ,router cần phải được thiết kế sao cho có thể đáp ứng được điều đó. Một ý kiến học từ khoa học máy tính truyền thống đã được áp dụng để giải quyết vấn đề này : Tại sao không cache kết quả của IP next hop address và Layer 2 lookup đã tìm kiếm và sử dụng chúng để chuyển mạch gói tin tiếp theo tới một đích sẵn có? Ý tưởng này mang lại kết quả là chuyển mạch nhanh fast switching .
b) Fast switching
Fast switching dựa trên đói hỏi cơ bản của việc cache để thực hiện forward gói tin. Đầu tiên gói tin được copy tới bộ nhớ gói – packet mermory và mạng hoặc host đích được tìm kiếm trong fast switching cache.Khung tin sau đó được rewrite và gửi tới
outgoing interface .Nếu địa chỉ địch hiện thời không tồn tại trong cache ,gói tin sẽ quay lai đường dẫn process switched, khi đó vi xử lí sẽ cố gắng xây dựng nên một cache entry để có thể sử dụng forward gói tin đến đích cho lần sau. Vào cuối năm 1995,một vấn đề rõ ràng là hệ thống dựa trên cache không có khả năng theo kịp yêu cầu, đặc biệt trên những platform như Cisco 12000 series router,với yêu cầu cao hơn dựa trên chuyển mạch gói phân tán – distributed packet switching. Bước phát triển về sự thay đổi trục Internet backbone là ngày càng tăng,dẫn tới sự thay đổi nhanh của tốc độ truyền dẫn và tăng kích thước của routing table trên các backbone router.
Hình vẽ sau miêu tả cách thức Fast- switching:
Cấu trúc dữ liệu của Fast cache được tổ chức thành Hash Tables and Radix Trees.
Hash table:
Trong hash table, m i prefix trỏ tới một ch riêng biệt trong bảng. Một hash table entry riêng biệt trỏ được tìm thấy bằng thực hiện thuật toán XOR trên 16 bits thấp và cao trên 32 bit IP cần tìm kiếm.Kết quả của việc tìm kiếm trỏ tới một vùng hash table
gọi là hash bucket.M i hash bucket chứa đựng một cache entry chứa MAC header đã được xây dựng từ trước cho mỗi next hop.
Radix tree hoạt động dựa trên tìm kiếm nhị phân như trong mô hình cây tìm kiếm nhị phân trong khoa học máy tính. Chuyển mạch dựa trên cache và sự thay đổi nhanh của bảng routing table không thể thoả mãn cùng nhau. Một khi các cache trở nên ổn định,một sự thay đổi mới xảy ra trong bảng routing talbe đòi hỏi phải xoá bơt một phần của cache.Mặt khác khi một section của cache bị remove,một số lượng gói sẽ được hướng tới process switching để xử lí và sau đó forward. Nếu tốc độ của sự thay
đổi trở lên đủ lớn,tỉ lệ gói tin chuyển mạch qua cơ chế cache sẽ giảm đến mức rất nhỏ hoặc không còn hiệu quả khi dùng cơ chế này.Trong thưc tế, đó cũng là điều đã xảy ra khi dùng cơ chế cache.
c) Chuyển mạch CEF:
Chuyển mạch CEF được phát triển từ cơ chế chuyển mạch Layer 3 IP,được thiết kế nhằm giải quyết những thiếu sót liên quan tới cơ chế chuyển mạch nhanh dựa trên cache (fast switching).CEF tối ưu hoá hiệu suất,khả năng mở rộng và tính đàn hồi (resiliency) cho mạng lớn và phức tạp với các mẫu lưu lượng động .Công nghệ phục hồi và forwarding của CEF cũng tiêu tốn ít CPU hơn process hay fast switching. Kết quả là thông lượng cao hơn khi sử dụng CEF.CEF cũng cung cấp rộng rãi nền code forwarding khiến cho việc thực hiện các đặc điểm phát triển và bảo trì trong forwarding path trở nên dễ dàng hơn. Kể từ năm 1999, CEF là cách thức chuyển mạch mặc định trong hầu hết các dòng Cisco router thực hiện chuyển mạch dựa trên phần mềm, và đó cũng là cơ chế được sử dụng bởi m i router thực hiện chuyển mạch dựa trên phần cứng. Distribute CEF (dCEF) switching là cơ chế mà offload quá trình chuyển mạch gói từ CPU của router tới CPU trên Versatile Interface Processcor (VIP) hoặc line card được cài đặt trong cấu trúc phân tán như là Cisco 7500 và 12000 series router.Trong cấu trúc phân tán m i VIP hay line card duy trì một bản copy của cấu trúc dữ liệu CEF forwarding, vì vậy chuyển mạch được thực hiện tại nhiều cấp độ phân bố.Bởi chuyển
mạch gói có thể thực hiện tại tầng phân bố,CPU của router có thể giành nhiều tài nguyên hơn để thực hiện việc định tuyến,quản lí mạng và các dịch vụ khác. Một table có thể được sử dụng để chuyển mạch gói tin cần lưu trữ những thông tin sau:
• Output Interface
• Chu i Layer 2 header rewrite
Output interface được yêu cầu để router có thể biết được chính xác interface trên đó gói tin sẽ được truyền ra ngoài và hướng tới đích.Chu i layer 2 header rewrite có chứa toàn bộ header cần để đóng gói packet và forwarding nó tới thiết bị next-hop kết
nối trực tiếp.Nếu next hop là reachable qua interface Ethernet,chu i MAC header rewrite sẽ chứa toàn bộ Ethernet header, bao gồm địa chỉ MAC đích và tất cả các trường đòi hỏi trong Ethernet header.CEF thực hiện việc lưu trữ những thông tin này trong 2 bảng.
Lê Văn Tuấn Cường
Hoàng Xuân Trung
Phần I:
2 – Vị trí của MPLS trong Mô Hình OSI
Mô hình tham chiếu OSI bao gồm 7 lớp. Tham khảo hình 1 cho mô hình tham chiếu OSI.
Hình 1: Mô Hình Tham Chiếu OSI
Tầng dưới cùng là Lớp 1, hay tầng Vật lý, và tầng trên cùng là Lớp 7, hay tầng Ứng dụng. Trong khi tầng Vật lý quan tâm đến việc kết nối dây cáp, máy móc cơ học, những đặc trưng về điện, Lớp 2, tầng liên kết dữ liệu, quan tâm đến việc định dạng của các frame. Ví dụ của tầng liên kết dữ liệu là: Ethernet, PPP, HDLC, va Frame Relay. Điểm quan trọng của tầng liên kết dữ liệu là chỉ có một liên kết giữa hai máy tính, nhưng không vượt quá. Điều này có nghĩa là tiêu đề tầng liên kết dữ liệu luôn luôn được thay đổi bởi máy tính ở đầu kia của liên kết. Lớp 3, tầng mạng, liên quan đến định dạng của gói tin từ điểm cuối đến điểm cuối. Nó có ý nghĩa vượt ra ngoài liên kết dữ liệu. Ví dụ được biết nhiều nhất của một giao thức hoạt động ở lớp là IP. Trường hợp nào MPLS phù hợp? MPLS không đơn thuần là một giao thức thuộc lớp 2 bởi vì sự đóng gói ở lớp 2 vẫn còn hiện diện cùng với các gói tin đã được dán nhãn, nó được thiết kế để hoạt động tương thích các yêu cầu của nhiều công nghệ mạng liên kết dữ liệu khác nhau. MPLS cũng không thực sự là một giao thức lớp 3 bởi vì nó không có khả năng tự định tuyến hoặc có sơ đồ địa chỉ (điều kiện buộc phải có ở lớp 3). Đối với môi trường ứng dụng IP, MPLS sử dụng cách đánh địa chỉ và các giao thức định tuyến hiện có với sự điều chỉnh và bổ sung. Do đó, MPLS không phù hợp trong mô hình phân lớp OSI quá tốt. Có lẽ việc dễ nhất để làm là xem MPLS như là một công nghệ lớp 2,5 (Hình 2) và được làm việc với nó. Mô hình này chỉ ra rằng MPLS không phải là lớp mới mà nó là một phần ảo của mặt bằng điều khiển dưới lớp mạng và trên lớp liên kết dữ liệu.
3 – Những phƣơng thức phát triển chuyển mạch gói:
Chuyến mạch gói là một phương thức để chuyển một gói tin từ input interface tới output interface.Khi Cisco router lần đầu tiên được phát triển và triển khai, chỉ có một cách để chuyển mạch gói, gọi là process switching (chuyển mạch xử lí). Khi mạng
phát triển, Cisco phát triển mở rộng các phương thức chuyển mạch sau :
• Process switching
• Fast switching
• Autonomous switching
• Silicon switching engine (SSE) switching
• Optimum switching
• Distributed fast switching
• Cisco Express Forwarding (CEF)
• Distributed Cisco Express Forwarding (dCEF)
Trong khuôn khổ bài viết chúng ta chỉ quan tâm đến 3 loại chuyển mạch Process switching, Fast switching và CEF.
a) Process Swithching:
Process switching là nói về một phương thức trong đó CPU của router liên quan trực tiếp tới việc forwarding. Khi gói tin được chuyển mạch process switching qua một router, CPU của nó tải gói tin bằng cách lựa chọn một xử lí thích hợp để điểu khiển gói và lập lịch chạy quá trình xử lí.
Những dòng sau đây sẽ list ra hoạt động của gói tin khi nó được chuyển mạch process-switched qua router :
- Router đọc lấy gói tin từ đường dây kết nối với interface đầu vào.
- Router chứa gói tin trong bộ nhớ đệm sau đó gửi tín hiệu ngắt lên main processor thông báo có gói tin đang cần xử lí.
- The IOS interrupt software kiểm tra thông tin header để khẳng định gói tin IP rồi khởi động process switching – ip_input.
- Router thực hiện ip_input tìm kiếm trong bảng global routing table địa chỉ IP đích.
- Router tìm kiếm nexhop IP address hướng tới đích bằng cách phân tích routing table.
- Router tìm kiếm layer 2 header và interface đầu ra cho thiết bị next hop. Thông tin này sẽ được ghi lại trên gói tin để forward gói tin ra next hop hướng tới đích ,thông thường thông tin này sẽ được tìm kiếm trong ARP cache hoặc một vài bảng khác mà
ánh xạ một nexhop tới một địa chỉ Layer 2.
- Router rewrite địa chỉ vật lý layer 2 lên gói tin.
- Router ghi lại gói tin từ bộ nhớ sang dây kết nối với interface đầu ra.
- Sau khi thực hiện chuyển gói tin, Interface processor gửi tín hiệu ngắt cho main processor để giải phóng I/O mermory.
Từ rất sớm trong sự phát triển của Cisco router,các kĩ sư của Cisco đã nhận biết rõ ràng rằng process switching sẽ không có khả năng điều khiển gói tin đủ nhanh để đạt được tốc độ cần thiết do phải thực hiện tất cả lookup trên routing table cho m i gói
tin, khi dòng lưu lượng tăng lên theo sự phát triển của mạng ,router cần phải được thiết kế sao cho có thể đáp ứng được điều đó. Một ý kiến học từ khoa học máy tính truyền thống đã được áp dụng để giải quyết vấn đề này : Tại sao không cache kết quả của IP next hop address và Layer 2 lookup đã tìm kiếm và sử dụng chúng để chuyển mạch gói tin tiếp theo tới một đích sẵn có? Ý tưởng này mang lại kết quả là chuyển mạch nhanh fast switching .
b) Fast switching
Fast switching dựa trên đói hỏi cơ bản của việc cache để thực hiện forward gói tin. Đầu tiên gói tin được copy tới bộ nhớ gói – packet mermory và mạng hoặc host đích được tìm kiếm trong fast switching cache.Khung tin sau đó được rewrite và gửi tới
outgoing interface .Nếu địa chỉ địch hiện thời không tồn tại trong cache ,gói tin sẽ quay lai đường dẫn process switched, khi đó vi xử lí sẽ cố gắng xây dựng nên một cache entry để có thể sử dụng forward gói tin đến đích cho lần sau. Vào cuối năm 1995,một vấn đề rõ ràng là hệ thống dựa trên cache không có khả năng theo kịp yêu cầu, đặc biệt trên những platform như Cisco 12000 series router,với yêu cầu cao hơn dựa trên chuyển mạch gói phân tán – distributed packet switching. Bước phát triển về sự thay đổi trục Internet backbone là ngày càng tăng,dẫn tới sự thay đổi nhanh của tốc độ truyền dẫn và tăng kích thước của routing table trên các backbone router.
Hình vẽ sau miêu tả cách thức Fast- switching:
Cấu trúc dữ liệu của Fast cache được tổ chức thành Hash Tables and Radix Trees.
Hash table:
Trong hash table, m i prefix trỏ tới một ch riêng biệt trong bảng. Một hash table entry riêng biệt trỏ được tìm thấy bằng thực hiện thuật toán XOR trên 16 bits thấp và cao trên 32 bit IP cần tìm kiếm.Kết quả của việc tìm kiếm trỏ tới một vùng hash table
gọi là hash bucket.M i hash bucket chứa đựng một cache entry chứa MAC header đã được xây dựng từ trước cho mỗi next hop.
Radix tree hoạt động dựa trên tìm kiếm nhị phân như trong mô hình cây tìm kiếm nhị phân trong khoa học máy tính. Chuyển mạch dựa trên cache và sự thay đổi nhanh của bảng routing table không thể thoả mãn cùng nhau. Một khi các cache trở nên ổn định,một sự thay đổi mới xảy ra trong bảng routing talbe đòi hỏi phải xoá bơt một phần của cache.Mặt khác khi một section của cache bị remove,một số lượng gói sẽ được hướng tới process switching để xử lí và sau đó forward. Nếu tốc độ của sự thay
đổi trở lên đủ lớn,tỉ lệ gói tin chuyển mạch qua cơ chế cache sẽ giảm đến mức rất nhỏ hoặc không còn hiệu quả khi dùng cơ chế này.Trong thưc tế, đó cũng là điều đã xảy ra khi dùng cơ chế cache.
c) Chuyển mạch CEF:
Chuyển mạch CEF được phát triển từ cơ chế chuyển mạch Layer 3 IP,được thiết kế nhằm giải quyết những thiếu sót liên quan tới cơ chế chuyển mạch nhanh dựa trên cache (fast switching).CEF tối ưu hoá hiệu suất,khả năng mở rộng và tính đàn hồi (resiliency) cho mạng lớn và phức tạp với các mẫu lưu lượng động .Công nghệ phục hồi và forwarding của CEF cũng tiêu tốn ít CPU hơn process hay fast switching. Kết quả là thông lượng cao hơn khi sử dụng CEF.CEF cũng cung cấp rộng rãi nền code forwarding khiến cho việc thực hiện các đặc điểm phát triển và bảo trì trong forwarding path trở nên dễ dàng hơn. Kể từ năm 1999, CEF là cách thức chuyển mạch mặc định trong hầu hết các dòng Cisco router thực hiện chuyển mạch dựa trên phần mềm, và đó cũng là cơ chế được sử dụng bởi m i router thực hiện chuyển mạch dựa trên phần cứng. Distribute CEF (dCEF) switching là cơ chế mà offload quá trình chuyển mạch gói từ CPU của router tới CPU trên Versatile Interface Processcor (VIP) hoặc line card được cài đặt trong cấu trúc phân tán như là Cisco 7500 và 12000 series router.Trong cấu trúc phân tán m i VIP hay line card duy trì một bản copy của cấu trúc dữ liệu CEF forwarding, vì vậy chuyển mạch được thực hiện tại nhiều cấp độ phân bố.Bởi chuyển
mạch gói có thể thực hiện tại tầng phân bố,CPU của router có thể giành nhiều tài nguyên hơn để thực hiện việc định tuyến,quản lí mạng và các dịch vụ khác. Một table có thể được sử dụng để chuyển mạch gói tin cần lưu trữ những thông tin sau:
• Output Interface
• Chu i Layer 2 header rewrite
Output interface được yêu cầu để router có thể biết được chính xác interface trên đó gói tin sẽ được truyền ra ngoài và hướng tới đích.Chu i layer 2 header rewrite có chứa toàn bộ header cần để đóng gói packet và forwarding nó tới thiết bị next-hop kết
nối trực tiếp.Nếu next hop là reachable qua interface Ethernet,chu i MAC header rewrite sẽ chứa toàn bộ Ethernet header, bao gồm địa chỉ MAC đích và tất cả các trường đòi hỏi trong Ethernet header.CEF thực hiện việc lưu trữ những thông tin này trong 2 bảng.