So sánh chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói, cấu trúc của bộ định tuyến , so sánh VC và DG

4.1. So sánh chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói

Chuyển mạch kênh

Chuyển mạch kênh được định nghĩa là kỹ thuật chuyển mạch đảm bảo việc thiết lập các đường truyền dẫn dành riêng cho việc truyền tin của một quá trình trao đổi thông tin giữa hai hay nhiều thuê bao khác nhau. Chuyển mạch kênh được ứng dụng cho việc liên lạc một cách tức thời, quá trình chuyển mạch được đưa ra một cách không có cảm giác về sự chậm trễ (thời gian thực) và đột rễ biến thiên giữa nơi thu và nơi phân phối tin hay ở bất kỳ phần nào của hệ thống truyền tin.

Đặc điểm chính:

- Trước khi trao đổi thông tin, hệ thống sẽ thiết lập kết nối giữa 2 thực thể bằng một đường truyền vật lý. Thực thể đích nếu bận, kết nối này sẽ bị huỷ bỏ.

- Duy trì kết nối trong suốt quá trình 2 thực thể trao đổi thông tin.

- Giải phóng kết nối: Sau khi truyền xong dữ liệu, kết nối sẽ được huỷ bỏ, giải phóng các tài nguyên đã bị chiếm dụng để sẵn sàng phục vụ cho các yêu cầu kết nối khác.

Nhược điểm là cần nhiều thời gian để thiết lập kênh truyền, vì vậy thời gian thiết lập kênh chậm và xác suất kết nối không thành công cao. Khi cả hai không còn thông tin để truyền, kênh bị bỏ không trong khi các thực thể khác có nhu cầu.

Chuyển mạch gói

Nguyên lý chuyển mạch gói: Thông điệp (Message) của người sử dụng được chia thành nhiều gói nhỏ (Packet) có độ dài quy định. Độ dài gói tin cực đại (Maximum Transfer Unit) MTU trong các mạng khác nhau là khác nhau. Các gói tin của một thông điệp có thể truyền độc lập trên nhiều tuyến hướng đích và các gói tin của nhiều thông điệp khác nhau có thể cùng truyền trên một tuyến liên mạng. Tại mỗi node, các gói tin được tiếp nhận, lưu trữ, xử lý tại bộ nhớ, không cần phải lưu trữ tạm thời trên bộ nhớ ngoài (như đĩa cứng) và được chuyển tiếp đến node kế tiếp. Định tuyến các gói tin qua mạng nhanh hơn và hiệu quả hơn.

Kỹ thuật chuyển mạch gói có nhiều ưu điểm hơn so với chuyển mạch kênh:

- Các gói tin lưu chuyển hướng đích độc lập, trên một đường có thể chia sẻ cho nhiều gói tin. Vì vậy hiệu suất đường truyền cao hơn.

- Các gói tin được xếp hàng và truyền qua tuyến kết nối.

- Hai thực thể có tốc độ dữ liệu khác nhau có thể trao đổi các gói với tốc độ phù hợp.

- Trong mạng chuyển mạch kênh, khi lưu lượng tăng thì mạng từ chối thêm các yêu cầu kết nối (do nghẽn) cho đến khi giảm xuống. Trong mạng chuyển mạch gói, các gói tin vẫn được chấp nhận, nhưng trễ phân phát gói tin có thể tăng lên.

Các công nghệ chuyển mạch gói: Nếu một thực thể gửi một gói dữ liệu qua mạng có độ dài lớn hơn kích thước gói cực đại MTU, nó sẽ được chia thành các gói nhỏ có độ dài quy định và gửi lên mạng. Có hai kỹ thuật được sử dụng trong các mạng chuyển mạch gói là kỹ thuật datagram trong mạng không liên kết (Connectionless) và kỹ thuật kênh ảo cho mạng hướng liên kết (Connection- Oriented).

4.2 So sánh VC và DG

Phương thức datagram sử dụng trong mạng không liên kết: Mỗi một gói tin được lưu chuyển và xử lý độc lập, không cần tham chiếu đến các gói tin đã gửi trước. Mỗi một gói tin được xem như là một datagram.

Ưu, nhược điểm của phương thức datagram: Giai đoạn thiết lập và giải phóng kết nối sẽ được bỏ qua. Phù hợp với yêu cầu truyền khối lượng dữ liệu không lớn trong thời gian ngắn. Phương thức linh hoạt hơn so với phương thức kênh ảo. Nếu xẩy ra nghẽn thông tin, các datagram có thể được định tuyến ra khỏi vùng nghẽn. Và nếu có node bị hỏng, các gói tin tự tìm một tuyến khác để lưu chuyển hướng đích, việc phân phát các gói tin tin cậy hơn.

Phương thức kênh ảo VC (Virtual Circuit) sử dụng trong mạng hướng liên kết: Trước khi trao đổi thông tin, hai thực thể tham gia truyền thông đàm phán với nhau về các tham số truyền thông như kích thước tối đa của gói tin, các cửa sổ, đường truyền.... Một kênh ảo đã được hình thành thông qua liên mạng và tồn tại cho đến khi các thực thể ngừng trao đổi với nhau. Tại một thời điểm, có thể có nhiều kênh ảo đi và đến từ nhiều hướng khác nhau. Các gói tin vẫn được đệm tại mỗi node và được xếp hàng đầu ra trên một đường truyền, các gói tin của các thông điệp khác trên kênh ảo khác có thể chia sẻ sử dụng đường truyền này.

Ưu, nhược điểm của phương pháp kênh ảo: Mạng có thể cung cấp các dịch vụ kênh ảo, bao gồm việc điều khiển lỗi và thứ tự các gói tin. Tất cả các gói tin đi trên cùng một tuyến sẽ đến theo thứ tự ban đầu. Điều khiển lỗi đảm bảo không chỉ các gói đến đích theo đúng thứ tự mà cho tất cả các gói không bị lỗi. Một ưu điểm khác là các gói tin lưu chuyển trên mạng sẽ nhanh hơn vì không cần phải định tuyến tại các node. Tuy nhiên sẽ khó khăn hơn việc thích ứng với nghẽn. Nếu có node bị hỏng thì tất cả các kênh ảo qua node đó sẽ bị mất, việc phân phát datagram càng khó khăn hơn, độ tin cậy không cao.

4.3. Cấu trúc bộ định tuyến

Thế hệ thứ nhất của bộ định tuyến tương đối đơn giản nếu chúng ta nhìn nhận từ phương diện cấu trúc (xem trên hình 3.5).

Bộ định tuyến sử dụng bus truyền thống gồm một bộ xử lý tập trung đa chức năng, bộ đệm tập trung và một BUS chung chia sẻ dữ liệu cho các card đường truyền đầu vào và đầu ra. Bộ định tuyến nhận các gói tin tại giao diện và gửi các gói tin này tới bộ xử lý trung tâm (CPU).

CPU có nhiệm vụ xác định chặng đến tiếp theo của gói tin và gửi chúng tới giao diện đầu ratương ứng. Các gói tin đi vào bộ định tuyến phải được truyền trên cùng một bus để lập lịch trình tới đầu ra và thường được lưu đệm tại một bộ nhớ dữ liệu tập trung. Các card giao tiếp đường truyền là các thiết bị không chứa khả năng xử lý gói.

Nhược điểm cơ bản của mô hình kiến trúc này là dữ liệu phải đi hai lần qua bus sau khi vào bộ định tuyến và bus chỉ có thể được sử dụng cho một card đường truyền tại một thời điểm.

Một nhược điểm khác nữa là hệ thống xử lý của bộ định tuyến, với chức năng đa xử lý, CPU sẽ phải thực hiện rất nhiều công việc gồm cả chức năng định tuyến lẫn chuyển gói, nó tạo ra một tải trọng lớn cho các bộ xử lý đồng thời tạo ra hiện tượng nghẽn cổ chai tại bộ định tuyến.

Hiệu năng của bộ định tuyến thế hệ đầu tiên phụ thuộc rất lớn vào tốc độ bus và năng lực xử lý của bộ xử lý trung tâm. Kiến trúc này không thể đáp ứng được nhu cầu lưu lượng ngày càng tăng của các giao diện mạng với tốc độ lên tới nhiều gigabit.

Thế hệ thứ hai:

Thiết kế cơ bản của bộ định tuyến thế hệ thứ hai được chỉ ra trên hình 3.6 sau đây. Bộ địnhtuyến được bổ sung các bộ xử lý ASIC và một vài bộ nhớ trong card đường truyền nhằm phân tán hoạt động chuyển gói, giảm lưu lượng tải trên bus dùng chung. Những thành phần bổ sung này có thể thực hiện tìm kiếm trong tiêu đề gói tin các thông tin và thực hiện lưu đệm gói tin đến khi bus rỗi, có nghĩa là kiến trúc này cho phép xử lý gói tin ngay tại các giao diện

Trong kiến trúc này, bộ định tuyến giữ một bảng định tuyến trung tâm và các bộ xử lý vệ tinh tại các giao diện mạng. Nếu một tuyến nối không có sẵn trong bảng lưu đệm thì giao diện sẽ yêu cầu tới bảng biên dịch tại trung tâm, như vậy, tại tốc độ cao các bộ xử lý trung tâm vẫn xảy ra hiện tượng tắc nghẽn vì có quá nhiều yêu cầu cần xử lý tại các giao diện mạng và thời gian xử lý chậm hơn rất nhiều nếu như dữ liệu này đã được cache tại card đường dây.

Hạn chế cơ bản của kiến trúc này là lưu lượng phụ thuộc rất lớn vào khả năng xử lý của CPU và năng lực của BUS, tuy nhiên chúng ta có thể thấy rõ biện pháp cải thiện hiệu năng hệ thống qua việc tăng cường tính năng cho các giao diện, bằng cách sử dụng bộ nhớ lớn hơn với các bảng định tuyến có kích thước tăng lên. Một giải pháp khác nhằm phân tán và giảm tốc độ truyền bằng các khối chuyển gói song song, như vậy cấu trúc này tận dụng được băng thông của BUS sử dụng chung. Tuy nhiên, các bộ định tuyến thế hệ 2 chỉ tồn tại trong một khoảng thời gian ngắn vì không hỗ trợ được yêu cầu thông lượng lại mạng lõi, cấu trúc sử dụng bus làm phương tiện truyền đã bộc lộ điểm yếu rõ rệt và rất khó thiết kế tại tốc độ cao.

Thế hệ thứ ba:

Để giải quyết vấn đề tắc nghẽn của các bộ định tuyến thế hệ thứ hai, thế hệ bộ định tuyến thứ ba được thiết kế với mục tiêu thay thế bus sử dụng chung bằng trường chuyển mạch. Các thiết kế cho bộ định tuyến thế hệ thứ 3 nhằm giải quyết 3 vấn đề tiềm tàng trước đây: Năng lực xử lý, kích thước bộ nhớ, và băng thông của bus. Cả 3 vấn đề này đều có thể tránh được bằng cách sử dụng một kiến trúc với nền tảng là ma trận chuyển mạch và các giao diện được thiết kế hợp lý.

Hình 3.7 chỉ ra một kiến trúc thông dụng nhất, bộ định tuyến được chia thành hai mặt bằng xử lý riêng biệt: Mặt bằng định tuyến gồm bộ xử lý, bộ nhớ điều hành và cơ sở dữ liệu sử dụng cho các giao thức định tuyến; mặt bằng chuyển tiếp gói tin được xây dựng trên cơ sở ma trận chuyển mạch gói và được điều khiển trực tiếp bởi bảng thông tin chuyển tiếp gói tin. Một bước tiến quan trọng trong việc xây dựng các bộ định tuyến hiệu năng cao là tăng cường xử lý cho từng giao diện mạng để giảm thiểu khối lượng xử lý và nguồn tài nguyên bộ nhớ của bộ định tuyến. Các bộ xử lý đa năng và các mạch tích hợp đặc biệt 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 chọn tuyến, cũng như kiến trúc trường chuyển mạch được lựa chọn.

Tóm lại là có hai mặt bằng ():

• Mặt bằng điều khiển: thực hiện các giao thức định tuyến. Bảng định tuyến ở mặt bằng điều khiển.

• Mặt bằng dữ liệu : chứa bảng chuyển tiếp + chức năng chuyển mạch