Chuyển tiếp (tiếng Anh: packet forwarding) là quá trình phần cứng và phần mềm của một thiết bị mạng (bộ định tuyến - router hoặc thiết bị chuyển mạch - switch) tiếp nhận gói dữ liệu từ một cổng vào (ingress port), tra cứu thông tin địa chỉ đích trong bảng chuyển tiếp (Forwarding Information Base - FIB) và đẩy gói tin sang cổng ra thích hợp (egress port) để tiếp tục hành trình tới đích. Trong kiến trúc mạng máy tính, chuyển tiếp là hành vi vi mô cục bộ ở mặt phẳng dữ liệu (Data Plane), diễn ra ở tốc độ đường truyền (wire speed) trong phạm vi nano giây. Bài viết này phân tích sự khác biệt giữa định tuyến và chuyển tiếp, các kỹ thuật tra cứu bảng chuyển tiếp IP, kiến trúc phần cứng bộ định tuyến và công nghệ chuyển tiếp lập trình được.
Phân biệt giữa Chuyển tiếp (Forwarding) và Định tuyến (Routing)
Mặc dù thường được sử dụng song hành, chuyển tiếp và định tuyến là hai khái niệm hoạt động ở hai mặt phẳng hoàn toàn khác nhau trong thiết bị mạng (McKeown và cộng sự, 2008):
- Định tuyến (Routing - Mặt phẳng Điều khiển / Control Plane): Là quá trình mang tính toàn cục và logic, trong đó các bộ định tuyến chạy các thuật toán định tuyến phân tán (như OSPF, IS-IS, BGP) để trao đổi thông tin cấu trúc liên kết mạng và tính toán đường đi tối ưu giữa các nút mạng. Kết quả của định tuyến là xây dựng nên Bảng định tuyến (Routing Information Base - RIB).
- Chuyển tiếp (Forwarding - Mặt phẳng Dữ liệu / Data Plane): Là hành động mang tính cục bộ tức thời tại từng nút. Dựa trên bản sao nén của RIB là Bảng chuyển tiếp FIB được nạp vào phần cứng chuyên dụng (ASIC, TCAM), bộ định tuyến chỉ thực hiện nhiệm vụ: nhận gói tin -> đọc tiêu đề (header) -> tra cứu bảng FIB -> chỉnh sửa trường TTL và checksum -> đẩy gói tin ra cổng đích.
| Đặc tính so sánh | Định tuyến (Routing) | Chuyển tiếp (Forwarding) |
|---|---|---|
| Mặt phẳng hoạt động | Mặt phẳng Điều khiển (Control Plane) | Mặt phẳng Dữ liệu (Data Plane / Forwarding Plane) |
| Phạm vi xử lý | Toàn mạng phân tán (Global) | Cục bộ từ cổng vào sang cổng ra (Local hop-by-hop) |
| Thành phần phần cứng | CPU chính của Router, phần mềm | Chip chuyển mạch chuyên dụng (ASIC, FPGA, TCAM) |
| Thang thời gian xử lý | Mili giây đến giây (ms - s) | Nano giây đến micro giây (ns - µs) |
| Cơ sở dữ liệu sử dụng | Bảng định tuyến (RIB) | Bảng chuyển tiếp (FIB / MAC Table) |
Mô hình độ trễ chuyển tiếp và kỹ thuật tìm kiếm tiền tố dài nhất (LPM)
Tổng độ trễ chuyển tiếp gói tin qua một nút mạng () là tổng của độ trễ tra cứu (), độ trễ hàng đợi () và độ trễ truyền dẫn ():
Thời gian tra cứu cực đại liên hệ chặt chẽ với thông lượng chuyển tiếp của thiết bị theo biểu thức:
T_{ ext{lookup}} = rac{1}{R_{ ext{throughput}}}
Trong chuyển tiếp gói tin IPv4/IPv6, một địa chỉ IP đích có thể khớp với nhiều tiền tố mạng có độ dài khác nhau trong bảng chuyển tiếp. Nguyên tắc chuyển tiếp chuẩn yêu cầu thiết bị phải chọn tiền tố cụ thể nhất, được gọi là thuật toán Tìm kiếm Tiền tố Dài nhất (Longest Prefix Match - LPM). Theo Waldvogel và các cộng sự (2001), các thuật toán LPM sử dụng cây tiền tố (Trie) và kỹ thuật tìm kiếm nhị phân trên độ dài tiền tố giúp giảm độ phức tạp tính toán từ tuyến tính xuống mức logarit.
Để đạt tốc độ chuyển tiếp hàng trăm gigabit mỗi giây, các router lõi sử dụng bộ nhớ định địa chỉ theo nội dung ba trạng thái (Ternary Content-Addressable Memory - TCAM) kết hợp với các cấu trúc bảng nén FIB (Degermark và cộng sự, 1997). Bộ nhớ TCAM cho phép so khớp toàn bộ bảng định tuyến chỉ trong đúng một chu kỳ xung nhịp đồng hồ duy nhất.
Chuyển tiếp nhãn đa giao thức (MPLS) và Mạng điều khiển bằng phần mềm (SDN)
Để tăng tốc độ chuyển tiếp và hỗ trợ kỹ thuật điều lượng lưu lượng (Traffic Engineering), công nghệ Chuyển tiếp Nhãn Đa Giao thức (Multi-Protocol Label Switching - MPLS) đã thay thế việc tra cứu IP phức tạp bằng thao tác hoán đổi nhãn chuyển tiếp 20-bit () tại biên và lõi mạng.
Theo tổng quan của Kreutz và các cộng sự (2015), với sự ra đời của Kiến trúc Mạng điều khiển bằng phần mềm (Software-Defined Networking - SDN) và giao thức OpenFlow (McKeown và cộng sự, 2008), toàn bộ logic điều khiển mạng được tập trung về bộ điều khiển trung tâm (SDN Controller), biến các thiết bị phần cứng chuyển tiếp thành các phần tử thực thi thuần túy, nâng cao khả năng lập trình và mở rộng quy mô mạng dữ liệu toàn cầu.