TÓM TẮT:
Trong thế giới mạng số liệu có nhiều chuyển mạch khác nhau. Chuyển mạch dùng để chuyển các gói tin số liệu giữa các trạm trong các vùng hoặc các phân đoạn khác nhau. Trong bất cứ môi trường nào, chuyển mạch LAN và WAN đều có các thuộc tính cơ bản: Làm việc tại lớp hai và dưới mọi ngăn xếp giao thức. Tức là, chuyển mạch LAN hoặc WAN trong suốt với IP hoặc bất kỳ giao thức lớp mạng nào chạy trên nó.
Đề tài trình bày các công nghệ cơ bản ứng dụng trong chuyển mạch diện rộng hiện đang sử dụng. Các công nghệ chuyển mạch khung, chuyển mạch tế bào và chuyển mạch nhãn đa giao thức được giới thiệu trên khía cạnh nguyên lý, các thiết bị chuyển mạch chính yếu và một số vấn đề liên quan tới kiến trúc, nhiệm vụ thực thi của các thiết bị định tuyến.
Từ khóa: Chuyển mạch, mạng LAN, mạng WAN, truyền tải, Ethernet.
1. Đặt vấn đềCùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu trao đổi thông tin của con người rất lớn, trong khi các lĩnh vực như nghiên cứu, an ninh, quốc phòng, y tế,… cũng đòi hỏi một trình độ kĩ thuật công nghệ ngày càng cao và phức tạp, cho nên cần có sự trao đổi hợp tác từ rất nhiều cơ quan và đơn vị khác nhau. Từ đó, các mạng LAN, WAN và Internet đã được hình thành nhằm đáp ứng các nhu cầu cấp thiết này.
Bên cạnh đó, với sự ra đời của rất nhiều dịch vụ tốc độ cao đòi hỏi mạng viễn thông phải có năng lực xử lý mạnh mẽ và dung lượng lớn. Các mạng hiện nay đang bộc lộ nhiều yếu điểm về băng thông cũng như tốc độ xử lý. Do đó, việc triển khai các thiết bị truyền dẫn như cáp quang, bộ định tuyến tốc độ cao vào mạng lưới là một điều cần thiết.
Các mạng LAN vẫn tồn tại trong các doanh nghiệp và phạm vi của chúng chỉ có thể trải rộng trong khuôn khổ một vài tòa nhà, nhưng không thể trải dài trong phạm vi quốc gia, nếu không dùng đến một cái gì đó làm nhiệm vụ trung chuyển ở giữa. Tức là, phải sử dụng một mạng khác nhằm kết nối các mạng LAN lại với nhau để chúng hoạt động như một mạng đồng nhất. Những mạng này được gọi là các mạng diện rộng WAN.
2. Công nghệ chuyển mạch LAN
Khi máy tính có năng lực xử lý ngày càng mạnh mẽ và được sử dụng rộng rãi, đã tạo ra nhu cầu về mạng lớn hơn và sau đó nhanh chóng hình thành một ngành công nghiệp mới: Đó là công nghiệp mạng LAN.
Mạng LAN kết nối các máy tính, cho phép chúng chia sẻ các file và truyền thông với nhau. Tất cả những ứng dụng sử dụng bởi người dùng đều được lưu trong các máy tính cá nhân và các trạm làm việc riêng lẻ. Do đó, nếu mạng LAN bị trục trặc thì các máy tính vẫn hoạt động, chúng chỉ không liên lạc được với nhau mà thôi.
Hình 1: Phân loại các công nghệ chuyển mạch2.1. Sự phát triển của công nghệ chuyển mạch
Như trên Hình 1, các công nghệ hoặc dùng cho các mạng công cộng hoặc trong mạng riêng hoặc cho cả hai loại mạng này. Quá trình chuyển mạch có thể thực hiện ở tất cả các lớp trong mô hình OSI. Cụ thể: Tại lớp vật lý [các kết nối quay số trong chuyển mạch]; lớp liên kết dữ liệu của mô hình OSI [Fame-Relay, ATM, chuyển mạch Ethernet và LANE]; lớp ba của mô hình OSI [chuyển mạch gói].
Chuyển mạch IP là công nghệ mới được phát triển, thực hiện chức năng chuyển mạch thậm chí tốt hơn khi được thực hiện trên các Router hiện đại. Chuyển mạch IP dùng tất cả các cách để sử dụng bộ chuyển mạch ATM để hỗ trợ chức năng chuyển mạch. Chuyển mạch thẻ là một ví dụ về chuyển mạch IP.
2.2. Đặc điểm cơ bản của chuyển mạch LAN
Các bộ chuyển mạch chuyển các gói dữ
liệu nhận được trên cổng vào tới cổng ra. Sự truyền tải không tham khảo một bộ
xử lý riêng nào. Thực hiện chức năng này bằng phần cứng dẫn đến hiệu năng tốt
hơn, trễ thấp hơn, giảm sự phức tạp và giá thấp hơn. Hình 2 mô tả sự liên lạc
giữa hai điểm đầu cuối qua một đường được chuyển mạch lớp hai.
2.2.1. Các kiểu mạng LAN
Thông thường, mạng có ba dạng cấu trúc là: Mạng dạng hình sao [Star Topology], mạng dạng vòng [Ring Topology] và mạng dạng tuyến [Linear Bus topology]. Ngoài ba dạng cấu hình kể trên còn có một số dạng khác biến tướng từ ba dạng này như mạng dạng cây, mạng dạng hình sao - vòng, mạng dạng hỗn hợp,…
a. Mạng dạng hình sao [Star Topology]
Xác định cặp địa chỉ gửi và nhận được phép chiếm tuyến thông tin và liên lạc với nhau.
Cho phép theo dõi và xử lý sai trong quá trình trao đổi thông tin. Thông báo các trạng thái của mạng…
b. Mạng hình tuyến [Bus Topology]
Theo cách bố trí hành lang các đường như hình vẽ thì máy chủ [Host] cũng như tất cả các máy tính khác [Worktation] hoặc các nút [Node] đều được nối về với nhau trên một trục đường dây cáp chính để chuyển tải tín hiệu.
Tất cả các nút đều sử dụng chung đường dây cáp chính này. Phía hai đầu dây cáp được bịt bởi một thiết bị gọi là Terminator. Các tín hiệu và gói dữ liệu [Packet] khi di chuyển lên hoặc xuống trong dây cáp đều mang theo địa chỉ của nơi đến.
Loại hình mạng này dùng dây cáp ít nhất. Tuy vậy, cũng có những bất lợi, đó là sẽ có sự ùn tắc giao thông khi di chuyển dữ liệu với lưu lượng lớn và khi có sự hỏng hóc ở đoạn nào đó thì rất khó phát hiện, một sự ngừng trên đường dây để sửa chữa sẽ ngừng toàn bộ hệ thống.
c. Mạng dạng vòng [Ring Topology]
Mạng dạng này bố trí theo dạng xoay vòng, đường dây cáp được thiết kế làm thành một vòng khép kín, tín hiệu chạy quanh theo một chiều nào đó. Các nút truyền tín hiệu cho nhau tại mỗi thời điểm chỉ có được một nút mà thôi. Dữ liệu truyền đi phải có kèm theo địa chỉ cụ thể của mỗi trạm tiếp nhận.
Mạng dạng vòng có thuận lợi là có thể nới rộng ra, tổng đường dây cần thiết ít hơn so với hai kiểu trên. Nhược điểm là đường dây phải khép kín, nếu bị ngắt ở một nơi nào đó thì toàn bộ hệ thống cũng bị ngừng.
d. Mạng dạng lưới [Mesh Topology]
Cấu trúc dạng lưới được sử dụng trong các mạng có độ quan trọng cao mà không thể ngừng hoạt động, chẳng hạn trong các nhà máy điện nguyên tử hoặc các mạng của an ninh, quốc phòng. Trong mạng này, mỗi máy được nối với toàn bộ các máy còn lại. Đây cũng là cấu trúc của mạng Internet.
e. Mạng hình sao mở rộng
Cấu hình mạng dạng này kết hợp các mạng hình sao lại với nhau bằng cách kết nối các Hup hay Switch. Lợi điểm của cấu hình mạng dạng này là có thể mở rộng được khoảng cách cũng như độ lớn của mạng hình sao.
f. Mạng có cấu trúc cây [Hierachical Topology]
Mạng dạng này tương tự như mạng dạng sao mở rộng, nhưng thay vì liên kết các Switch/Hup lại với nhau thì hệ thống kết nối với một máy tính làm nhiệm vụ kiểm tra lưu thông trên mạng.
2.2.2. Các kỹ thuật chuyển tiếp
Một bộ chuyển mạch đơn giản là một thiết bị có một số cổng mà các thiết bị khác gắn vào. Khi nhận một gói tin tại cổng vào, nhiệm vụ của bộ chuyển mạch hoặc là hủy bỏ hoặc là chuyển gói tin đó tới một cổng đầu ra đúng và gửi nó lên đường truyền. Cổng đầu ra đúng được quyết định dựa vào thông tin chứa trong gói tin và trong một số trường hợp chứa trong chính bộ chuyển mạch. Thông tin chứa trong gói tin là một trong các thông tin sau: Địa chỉ đích; Vectơ tuyến nguồn; Nhận dạng kết nối.
Điều khiển đường chuyển mạch được thực hiện qua các kỹ thuật: Học địa chỉ - Cây phân nhánh - Quảng bá và phát hiện - Định tuyến trạng thái kết nối - Báo hiệu rõ.
2.3. Các công nghệ chuyển mạch LAN
2.3.1. Chuyển mạch Ethernet
Ethernet sử dụng cấu hình bus. Để kết nối máy tính với bus, một khối truy nhập phương tiện được sử dụng [MAU]. Khối này có một số tác dụng: Xác định khi nào một nút có thể truyền dữ liệu trên bus [sử dụng CSMA/CD], cung cấp một giao diện chuẩn giữa nút và mạng và xác định sự xung đột sau khi truyền dữ liệu. MAU được sử dụng chủ yếu với các cáp đồng trục lớn [thick coaxial cable].
2.3.2. Chuyển mạch Token–Ring
Ở thời điểm Ethernet có tốc độ dưới 10Mbps, thì Token Ring hỗ trợ tốc độ 16Mbps. Token Ring sử dụng cấu hình vòng, sử dụng giải pháp có độ tin cậy cao hơn so với Ethernet. Trong Token Ring, sử dụng các khung nhỏ [gọi là token] để truyền dữ liệu trên mạng. Khi một khung được truyền trên mạng tất cả các nút đều đọc và truyền lại khung đó.
2.3.3. Chuyển mạch FDDI
FDDI có các điểm nổi trội so với Ethernet và Token Ring đó là, về tốc độ hoạt động, độ tin cậy và không phải dùng các giao diện điện tử.
- Tốc độ hoạt động: Làm việc ở tốc độ 100 Mbps, FDDI nhanh gấp 5 đến 20 lần so với Token Ring, mười lần so với Ethernet 10Base-T.
- Về độ tin cậy: Chuẩn FDDI đưa ra các chi tiết kĩ thuật dùng các vòng Ring sợi quang kép, do vậy cung cấp sự dự phòng khi có sự cố mạng.
- Khả năng cài đặt cáp quang không dùng cống ngầm, khoảng cách truyền dẫn của hệ thống quang được mở rộng và không dùng các dao động điện.
FDDI dùng 2 vòng Ring, tạo thành Topology vòng - sao. Một vòng là vòng sơ cấp, một vòng là vòng thứ cấp. Vòng Ring sơ cấp tương tự như đường Ring chính của mạng Token-Ring, còn vòng Ring thứ cấp có thể tự động chuyển vào hoạt động theo cơ chế “tự hồi phục”.
3. Công nghệ chuyển mạch WAN
Nếu một mạng kết nối với các mạng LAN khác và giao thức của nó sử dụng địa chỉ mạng chứ không phải địa chỉ máy thì đó có thể là một mạng WAN. Mạng WAN sử dụng các bộ định tuyến để kết nối với các mạng LAN. Bộ định tuyến thuộc thiết bị lớp 3 cho nên chúng sử dụng các địa chỉ mạng có trong tiêu đề của giao thức WAN để định tuyến dữ liệu qua một mạng WAN. Có lẽ sự khác biệt lớn nhất giữa định tuyến trong mạng LAN và WAN là cách thức đánh địa chỉ.
3.1. Chuyển mạch Fame-Relay
Cơ sở để tạo được mạng Fame-Relay là các thiết bị truy nhập mạng FRAD [Frame Relay Access Device], các thiết bị mạng FRND [Frame Relay Network Device] là cầu nối giữa các thiết bị và mạng trục Fame-Relay.
Mạng Fame-Relay có những đặc tính như sau:
- Giải pháp cho truyền dẫn LAN-to-LAN, hiệu quả cho người sử dụng các mạng riêng ảo.
- Đáp ứng tốt cho tăng trưởng của internet, xử lý tốt cho các bộ tập trung.
- Các bộ giao thức của Fame-Relay đơn giản, chỉ hoạt động tại hai mức thấp của mô hình OSI. Tiêu đề nhỏ, băng thông có thể thiết kế lớn tới 50Mb/s.
Hình 3: Cấu hình chung của mạng chuyển mạch khung [Fame - Relay]Đường kết nối giữa các thiết bị là giao
diện chung cho FRAD và FRND, giao thức người dùng và mạng hay gọi F.R UNI
[Frame Relay User Network Interface].
Mạng trục Fame-Relay có các hệ thống tổng đài kết nối với nhau trên mạng truyền
dẫn theo thủ tục riêng của Fame-Relay. Fame-Relay có thể hỗ trợ cho nhiều dịch
vụ khác nhau.
Người sử dụng gửi một khung đi với giao thức LAP-D hay LAP-F [Link Access Protocol D hay F], chứa thông tin về nơi đến và thông tin người sử dụng, hệ thống sẽ dùng thông tin này để định tuyến trên mạng.
3.2. Chuyển mạch ATM
Nguyên lý cơ bản của ATM là kết hợp các ưu điểm của chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói và ghép kênh thống kê ATDM. Trong mạng ATM, thứ tự các tế bào được giữ nguyên, tức là các tế bào ở phía thu có thứ tự như ở phía phát. Sự truyền tải của ATM hoàn toàn độc lập với các hệ thống thiết bị sử dụng, các tế bào ATM có thể được truyền tải trong các khung của hệ thống truyền dẫn phân cấp đồng bộ [SDH] hoặc dưới dạng cấu trúc khung của hệ thống truyền dẫn phân cấp cận đồng bộ [PDH]. Tùy theo từng trường hợp cụ thể yêu cầu sự liên kết khác nhau giữa tế bào ATM và các bit của hệ thống truyền dẫn.
3.3. Công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS
Chuyển mạch nhãn đa giao thức là cơ chế ánh xạ địa chỉ lớp 3 vào nhãn ở lớp 2 và chuyển tiếp gói dữ liệu, thích hợp với cơ chế định tuyến ở tầng mạng. Vì vậy, MPLS có những đặc điểm như khả năng mở rộng, tính linh hoạt của cơ chế định tuyến cũng như khả năng quản lý lưu lượng, hỗ trợ QoS và hiệu suất cao của cơ chế chuyển mạch.
Hình 5: Lớp chèn MPLS
MPLS được xây dựng dựa trên các công nghệ của hai tầng nên nó không phụ thuộc vào công nghệ của tầng nào, hướng tiếp cận khác cho rằng công nghệ MPLS là công nghệ lớp 2.5. Vì vậy, MPLS được gọi là đa giao thức. Ngoài ra, không yêu cầu một giao thức phân bố nhãn cụ thể nào. MPLS có một số ứng dụng quan trọng như kỹ thuật điều khiển lưu lượng, hỗ trợ QoS và mạng riêng ảo.
Hình 6: Các kiểu node MPLSĐặc điểm nổi bật của MPLS là sự độc lập của hai mặt phẳng: Mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng chuyển tiếp. Một nút MPLS có thể thực hiện việc định tuyến ở tầng 3 hoặc chuyển mạch ở tầng 2 ngoài khả năng chuyển mạch các gói đã được dán nhãn. Hai mặt phẳng này được thể hiện rất rõ trong kiến trúc của LSR và được minh họa trong hình 8.
Hình 8: Kiến trúc nút mạng MPLSMặt phẳng chuyển tiếp của MPLS có nhiệm vụ vận chuyển các gói dữ liệu dựa vào các giá trị nằm trong nhãn. Mặt phẳng điều khiển của MPLS có nhiệm vụ xây dựng và duy trì thông tin trong các bảng phục vụ quá trình chuyển tiếp.
4. Kết luận
Qua tìm hiểu và nghiên cứu về các công nghệ chuyển mạch LAN & WAN và bộ định tuyến tốc độ cao, có thể rút ra một số kết luận như sau:
Về các công nghệ chuyển mạch LAN: Quy tắc chung khi xây dựng các nhóm làm việc và các đường trục LAN hiệu năng cao là chuyển mạch nếu có thể, và chỉ chia sẻ phương tiện khi cần. Điều này vẫn đúng vì chuyển mạch đạt được thông lượng lớn hơn và giảm bớt các vấn đề về cạnh tranh thông lượng vốn là đặc tính cố hữu của môi trường Ethernet chia sẻ. Các công nghệ chuyển mạch LAN truyền thống, mà đặc biệt là Ethernet có ưu điểm về tính đơn giản và giá cả, tận dụng các mạng hiện có. Vì vậy, vẫn chiếm ưu thế trong môi trường LAN. Nhược điểm của nó là, các vấn đề về giới hạn mở rộng mạng, với công nghệ Ethernet chuyển mạch vẫn hoạt động theo cơ chế đầu cuối - đầu cuối, đây có thể là nhược điểm khi kích thước mạng tăng lên, ảnh hưởng tới hiệu năng, sự quản lý và tính cân bằng. Mặt khác, Ethernet có giới hạn về khoảng cách và không có khả năng phối hợp với các công nghệ LAN khác nếu không có các bộ phận bổ sung đắt tiền.
Sự phát triển bùng nổ về lưu lượng Internet trong một vài năm gần đây cho thấy các thiết bị VLSI không đáp ứng được các nhu cầu trong tương lai. Do đó, giới nghiên cứu đang quan tâm rất nhiều đến việc sử dụng các ma trận chuyển mạch quang cho bộ định tuyến. Chúng có khả năng chuyển mạch với tốc độ rất cao phục vụ cho hàng trăm cổng vào/ra, mỗi cổng đạt đến tốc độ hàng Gigabit/s.
Do nhu cấu kết nối mạng ngày càng tăng, các công nghệ mạng thu hút mạnh mẽ sự quan tâm của khách hàng cũng như các nhà cung cấp dịch vụ để lựa chọn các giải pháp tối ưu cho cấu trúc hạ tầng mạng đang khai thác. Hiện tại, có nhiều giải pháp mạng và bộ định tuyến đang được sử dụng, cho nên, nắm vững và sử dụng chúng có hiệu quả là một điều cần thiết.
TÀI LIỆU THAM KHẢO:
1. David E.McDysan, “ATM Theory & Application”, Signature Edition, 1999.
2. Gilbert Held, “High-Speed Networking with LAN Switches”, Wiley Computer Publishing, 1997.
3. Christopher Y. Metz, “IP Switching Protocols ang Architectures”, McGraw-Hill, 1998.
4. Daniel Minoli, Andrew, “Network Layer Switched Service”, Wiley Computer Publishing, 1998.
5. S.Saunders, “Closing the price gap between routers and switches”, DataCommunication, Feb 1995.
6. L. Wirbel, “At N plus I, unity and all hell breakin loose”, Electronic Engineering Times; Manhasset, Sep 16, 1996.
7. Nguyễn Thúc Hải, “Mạng máy tính và các hệ thống mở”, NXB Giáo Dục, 1997.
8. Tài liệu cơ bản về mạng LAN - Trung tâm tin học Athena – 2009.
9. Giáo trình thiết kế và xây dựng mạng LAN và WAN - Trung tâm Khoa học tự nhiên và Công nghệ quốc gia, Viện Công nghệ thông tin - NXB Hà Nội 2004.
10. Một số trang web: www.atmforum.com, www.frforum.com, www.rfc.com, www.mpoa.com
LAN & WAN SWITCHING TECHNOLOGIES
AND HIGH SPEED ROUTERS
● LAI VAN HAI
Faculty of Basic Science, Nam Dinh University of Nursings
● MA. VU THI HUE
Postgraduate Affairs Office, Nam Dinh University of Nursing
ABSTRACT:
There is a variety of switching types which are used to transfer data packets among stations in different regions or segments. In any environment, both LAN and WAN switching have some common basic properties including operating at Layer 2 and at any protocol stacks. This paper is to introduce basic technologies which are being used in wide switching. Frame switching, cell switching and multiprotocol label switching technologies are presented in this paper in terms of their working prinicles, main switches and other aspects related to structures and functions of routers.
Keywords: Switching, local area network [LAN], wide area network [WAN], transiting, Ethernet.
Xem tất cả ấn phẩm Các kết quả nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ số 08 tháng 07/2017 tại đây