Chuyển tiếp là gì? Các nghiên cứu khoa học về Chuyển tiếp

Định nghĩa chuyển tiếp trong khoa học và kỹ thuật

Chuyển tiếp (forwarding) là quá trình chuyển tiếp thông tin, tín hiệu hoặc dữ liệu từ điểm này sang điểm khác thông qua một hoặc nhiều trung gian trong một hệ thống kỹ thuật. Trong lĩnh vực mạng máy tính, chuyển tiếp là hành động di chuyển các gói dữ liệu từ một cổng vào đến một cổng ra của thiết bị mạng dựa trên các quy tắc định tuyến hoặc bảng chuyển tiếp.

Khái niệm chuyển tiếp còn áp dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật khác nhau:

• Trong điện tử, chuyển tiếp có thể liên quan đến hoạt động của transistor hoặc các cổng logic.
• Trong truyền thông quang học, chuyển tiếp đề cập đến việc truyền ánh sáng từ một thiết bị sang thiết bị khác.
• Trong điều khiển học, tín hiệu chuyển tiếp được sử dụng trong vòng phản hồi (feedback loop) để điều chỉnh hành vi hệ thống.

Tuy nhiên, phổ biến nhất vẫn là trong kỹ thuật mạng, nơi mà chuyển tiếp là một phần không thể thiếu trong hoạt động của router, switch và firewall.

Phân biệt chuyển tiếp và định tuyến

Chuyển tiếp và định tuyến tuy liên quan nhưng về mặt kỹ thuật là hai quá trình riêng biệt. Định tuyến (routing) là quá trình xác định đường đi tối ưu từ nguồn đến đích trong mạng, trong khi chuyển tiếp là việc thực thi quyết định đó bằng cách chuyển từng gói dữ liệu qua các node trung gian.

Sự khác biệt có thể được minh họa như sau:

Tiêu chí	Định tuyến (Routing)	Chuyển tiếp (Forwarding)
Bản chất	Quá trình ra quyết định	Hành vi thực thi quyết định
Đối tượng thao tác	Đường đi giữa các node	Gói dữ liệu cụ thể
Hoạt động tại	Bộ xử lý điều khiển (control plane)	Mặt phẳng dữ liệu (data plane)
Tần suất cập nhật	Định kỳ hoặc theo sự kiện	Liên tục theo từng gói

Việc tách bạch rõ ràng giữa định tuyến và chuyển tiếp giúp tối ưu hóa hiệu suất xử lý, giảm độ trễ và nâng cao tính linh hoạt của hệ thống mạng. Hầu hết các thiết bị mạng hiện đại đều triển khai kiến trúc phân tách control plane và data plane để đạt hiệu quả cao hơn.

Quá trình chuyển tiếp trong mạng máy tính

Trong mạng IP, chuyển tiếp được thực hiện tại lớp 3 (network layer) theo mô hình OSI. Khi một gói dữ liệu đến router, thiết bị sẽ trích xuất địa chỉ IP đích trong header và tra cứu bảng chuyển tiếp (forwarding table) để xác định cổng ra phù hợp.

Quy trình cơ bản bao gồm:

1. Nhận gói dữ liệu tại cổng mạng (interface)
2. Phân tích header IP để lấy địa chỉ đích
3. Tra cứu bảng định tuyến hoặc bảng FIB (Forwarding Information Base)
4. Xác định cổng đầu ra và địa chỉ MAC kế tiếp (next-hop)
5. Chuyển tiếp gói qua cổng tương ứng

Trong thiết bị cao cấp, chuyển tiếp còn có thể được tăng tốc bằng phần cứng thông qua ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) hoặc TCAM (Ternary Content Addressable Memory), giúp thực hiện chuyển tiếp với tốc độ hàng triệu gói/giây.

Phân loại chuyển tiếp

Tùy theo môi trường mạng và loại thiết bị, chuyển tiếp có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau:

Loại chuyển tiếp	Mô tả	Thiết bị ứng dụng
Chuyển tiếp gói (Packet Forwarding)	Xử lý và chuyển tiếp gói IP riêng lẻ	Router
Chuyển tiếp khung (Frame Forwarding)	Xử lý các khung Ethernet dựa trên MAC	Switch
Chuyển tiếp mạch (Circuit Switching)	Dành riêng một kênh vật lý liên tục	Mạng điện thoại PSTN
Chuyển tiếp nhãn (Label Switching)	Sử dụng nhãn để định tuyến nhanh	MPLS Router

Ngoài ra còn có:

• Chuyển tiếp theo nội dung: sử dụng thông tin payload (deep packet inspection)
• Chuyển tiếp có điều kiện: dựa vào chính sách mạng như ACL hoặc QoS
• Chuyển tiếp theo SDN: do controller điều khiển, không cố định trên thiết bị

Thuật toán và bảng chuyển tiếp

Bảng chuyển tiếp (forwarding table) là cấu trúc dữ liệu quan trọng dùng để xác định cổng ra tương ứng cho mỗi gói dữ liệu dựa trên địa chỉ đích. Bảng này được xây dựng dựa trên thông tin từ quá trình định tuyến và được sử dụng ở mặt phẳng dữ liệu (data plane) để xử lý gói tin với độ trễ tối thiểu.

Một số thuật toán và cấu trúc được sử dụng trong xây dựng và tra cứu bảng chuyển tiếp:

• Longest Prefix Match: xác định tuyến đường khớp dài nhất với địa chỉ đích
• Trie (Patricia Trie): dùng cây để tổ chức tiền tố IP
• Hash table: cho tra cứu nhanh nhưng ít phổ biến do khó xử lý tiền tố IP
• TCAM (Ternary Content Addressable Memory): cho phép tra cứu song song và cực nhanh trong thiết bị mạng

Một công thức đơn giản để mô hình hóa thời gian tra bảng: $T_{lookup} = \frac{1}{R_{throughput}}$, trong đó $R_{throughput}$ là số gói xử lý mỗi giây (pps). Giảm $T_{lookup}$ là chìa khóa để cải thiện hiệu suất chuyển tiếp.

Chuyển tiếp trong mạng không dây và di động

Trong mạng không dây như MANET (Mobile Ad-hoc Network) hoặc mesh network, chuyển tiếp không cố định qua các node, mà diễn ra động và phụ thuộc vào vị trí hiện tại, năng lượng pin hoặc chất lượng liên kết. Các giao thức như AODV, DSR sử dụng cơ chế tìm đường theo yêu cầu để hỗ trợ chuyển tiếp.

Một thách thức trong môi trường không dây là nhiễu loạn và mất gói, đòi hỏi cơ chế chuyển tiếp phải đi kèm với kiểm soát lỗi. Ngoài ra, việc tối ưu đường đi cũng phải tính đến yếu tố không đồng nhất về tốc độ, vùng phủ sóng và tải mạng.

Trong mạng 5G, chuyển tiếp còn bao gồm chức năng handover – chuyển giao người dùng từ cell này sang cell khác mà không làm gián đoạn phiên truyền dữ liệu. Điều này yêu cầu chuyển tiếp dữ liệu song song đến cả hai trạm trước và sau khi chuyển giao. Nguồn: IEEE – Forwarding Techniques in Wireless Networks

Chuyển tiếp trong mạng quang và MPLS

Trong mạng truyền dẫn quang, chuyển tiếp không hoạt động theo gói hay khung, mà theo luồng ánh sáng liên tục qua các switch quang. Tương tự, trong MPLS (Multiprotocol Label Switching), mỗi gói tin được gán một nhãn (label) tại điểm vào (ingress) và được chuyển tiếp dựa trên bảng nhãn (Label Forwarding Information Base – LFIB) thay vì địa chỉ IP.

Mô hình chuyển tiếp trong MPLS có thể được mô tả như sau: $\text{Label}_{in} \xrightarrow[]{swap} \text{Label}_{out}$ Thiết bị mạng chỉ cần thực hiện thao tác đổi nhãn, không cần phân tích toàn bộ header IP, giúp tăng tốc độ chuyển tiếp đáng kể.

Chuyển tiếp bằng nhãn đặc biệt phù hợp với mạng lõi do hiệu suất cao, khả năng thiết lập đường đi cố định và khả năng tích hợp dịch vụ VPN. Nguồn: Cisco – MPLS Forwarding Overview

Hiệu năng và độ trễ trong chuyển tiếp

Hiệu suất chuyển tiếp được đo lường qua thông lượng (throughput), độ trễ (latency), và khả năng xử lý song song. Độ trễ chuyển tiếp tổng thể được tính bằng tổng các thành phần: $D_{total} = D_{lookup} + D_{queue} + D_{transmit}$ trong đó:

• $D_{lookup}$: thời gian tra bảng
• $D_{queue}$: thời gian chờ trong hàng đợi
• $D_{transmit}$: thời gian truyền trên cổng

Tối ưu hóa hiệu năng chuyển tiếp đòi hỏi cân bằng giữa thiết kế phần cứng (tốc độ bus, CPU, RAM), thuật toán phần mềm (FIFO, RED), và kiến trúc mạng tổng thể. Nhiều trung tâm dữ liệu hiện nay triển khai forwarding plane chuyên dụng bằng FPGA hoặc ASIC để đạt tốc độ chuyển tiếp hàng tỷ gói mỗi giây.

Ứng dụng chuyển tiếp trong bảo mật và tối ưu mạng

Cơ chế chuyển tiếp không chỉ dùng để truyền dữ liệu mà còn là công cụ thực thi chính sách mạng:

• Áp dụng Access Control List (ACL) để lọc gói
• Thực thi QoS: ưu tiên chuyển tiếp các gói có DSCP cao
• Phát hiện bất thường: DDoS, port scan thông qua phân tích mẫu chuyển tiếp

Các hệ thống giám sát mạng (NIDS, NetFlow, sFlow) dựa vào hành vi chuyển tiếp để phát hiện và phản ứng với sự cố trong thời gian thực. Trong SDN, việc chuyển tiếp được điều khiển động thông qua control plane trung tâm, cho phép tái cấu trúc đường đi linh hoạt. Nguồn: Princeton – Software-Defined Forwarding Plane

Tài liệu tham khảo

1. Cloudflare – Routing and Forwarding
2. Cisco – MPLS Overview
3. IEEE – Forwarding in Wireless Networks
4. IETF RFC 3031 – MPLS Architecture
5. Princeton – SDN and Forwarding Logic