Mạng máy tính - Chương 4: Giao thức tầng mạng (network layer) - Trần Quang Diệu

Chương 4. Giao thức tầng mạng (network layer) Quang Dieu Tran, PhD Faculty of Information Technology University of Communication and Transport (Branch in Ho Chi Minh City) Email: dieutq@gmail.com Website: sites.google.com/sites/tranlectures Chương 4. Giao thức tầng mạng 2 Ch4. The Network Layer 4.1 - Giới thiệu và chức năng của tầng mạng. 4.2 - Network service model (VC and Datagram). 4.3 - Thiết bị tầng mạng - Bộ định tuyến (router). 4.4 - Giao thức IP (Internet Protocol). 4.5 - Giải thuật chọn đường (Routing Algorithms). 4.6 - Chọn đường trong mạng Internet. Chương 4. Giao thức tầng mạng 3 Chức năng của tầng mạng  Truyền các gói tin (packets) từ sending host tới receiving host.  segment  packets (datagrams).  Network layer được cài đặt tại router và cả end system.  Chức năng:  chọn đường (path selection): có nhiều đường đi, gói tin sẽ đi theo đường nào?  chuyển mạch (switching, forwarding): chuyển gói tin từ cổng vào tới cổng ra của router một cách thích hợp.  thiết lập liên kết (call setup): một số kiến trúc mạng cần thiết lập kênh truyền trước khi truyền. network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical application transport network data link physical application transport network data link physical Chương 4. Giao thức tầng mạng 4 Routing & switching in routers 1 23 0111 value in arriving packet’s header routing algorithm local forwarding table header value output link 0100 0101 0111 1001 3 2 2 1 Chương 4. Giao thức tầng mạng 5 Ch4. The Network Layer 4.1 - Giới thiệu và chức năng của tầng mạng. 4.2 - Network service model (VC and Datagram). 4.3 - Thiết bị tầng mạng - Bộ định tuyến (router). 4.4 - Giao thức IP (Internet Protocol). 4.5 - Giải thuật chọn đường (Routing Algorithms). 4.6 - Chọn đường trong mạng Internet. Chương 4. Giao thức tầng mạng 6 Network service model  Tầng mạng cung cấp dịch vụ cho tầng Transport:  tin cậy vào tầng network? các gói tin có đến đích đúng thứ tự đã gửi?  thời gian truyền có được đảm bảo? có phản hồi về tình trạng nghẽn mạng?  Hai model cơ bản của tầng mạng: kênh ảo (virtual circuit)  lược đồ (gam) dữ liệu (datagram) Chương 4. Giao thức tầng mạng 7 Virtual Circuit  Thiết lập liên kết trước khi truyền dữ liệu và huỷ bỏ liên kết sau khi truyền xong.  VC setup: trước khi truyền, tầng mạng phải thiết lập một kênh truyền ảo (VC) từ sender tới receiver (đã biết địa chỉ).  Data transfer: dữ liệu được truyền qua VC.  VC teardown: một khi sender hoặc receiver muốn ngắt VC, nó thông báo cho network layer biết, network layer sẽ huỷ bỏ VC.  Còn được gọi là connection-oriented  Mỗi gói tin chứa thêm thông tin về kênh mà nó sẽ đi qua (VC identifier number).  Các routers/packet switches trên kênh ảo (VC) luôn nắm giữ trạng thái của kênh đi qua nó. Chương 4. Giao thức tầng mạng 8 Virtual Circuit: Signaling protocol  Giao thức truyền các thông điệp giữa end system và network layer để yêu cầu thiết lập, huỷ bỏ VC; giữa các thiết bị chuyển mạch (switches) để thiết lập VC.  Được sử dụng trong mạng ATM, Frame Relay, X.25. application transport network data link physical application transport network data link physical 1. Initiate call 2. incoming call 3. Accept call4. Call connected 5. Data flow begins 6. Receive data Chương 4. Giao thức tầng mạng 9 Sự khác biệt giữa liên kết tại tầng Transport và Network? host A server B application transport network data link physical application transport network data link physical application transport network data link physical application transport network data link physical Chương 4. Giao thức tầng mạng 10 Datagram network  Không thiết lập kênh truyền.  Các thiết bị chuyển mạch không cần nắm giữ trạng thái các kênh.  Gói tin được truyền dựa trên địa chỉ của receiving host.  Đường đi của các gói tin giữa hai host có thể khác nhau. application transport network data link physical application transport network data link physical 1. Send data 2. Receive data Chương 4. Giao thức tầng mạng 11 Network taxonomy (review) circuit-switched networks (vd. telephone) communication networks switched networks broadcast networks (vd. Radio, Broadcast TV) packet-switched networks datagram networks (vd. Internet) virtual circuit- switched networks (vd. ATM) FDM TDM Chương 4. Giao thức tầng mạng 12 Datagram or VC network: why? Internet  Mạng máy tính:  dịch vụ nhạy cảm.  không giới hạn thời gian.  Các hệ thống cuối “thông minh” (computer):  có khả năng thích nghi, kiểm soát, khôi phục lỗi.  kiến trúc bên trong mạng đơn giản nhưng kết nối các mạng phức tạp.  Nhiều dạng liên kết mạng dẫn đến một dịch vụ thuần nhất (kênh) là không thích hợp. ATM  Mạng điện thoại (chuyển mạch kênh).  Tương tác người-người đòi hỏi:  thời gian truyền.  độ tin cậy.  dịch vụ phải được đảm bảo.  Các thiết bị cuối đơn giản, dường như cố định:  điện thoại.  mức độ phức tạp nằm bên trong mạng. Chương 4. Giao thức tầng mạng 13 Ch4. The Network Layer 4.1 - Giới thiệu và chức năng của tầng mạng. 4.2 - Network service model (VC and Datagram). 4.3 - Thiết bị tầng mạng - Bộ định tuyến (router). 4.4 - Giao thức IP (Internet Protocol). 4.5 - Giải thuật chọn đường (Routing Algorithms). 4.6 - Chọn đường trong mạng Internet. Chương 4. Giao thức tầng mạng 14 Bộ định tuyến – router  Thực thi các giải thuật chọn đường (routing algorithms).  Chuyển tiếp (forwarding) các gói tin từ cổng vào tới cổng ra thích hợp. Chương 4. Giao thức tầng mạng 15 Input ports Decentralized switching:  sử dụng forwarding table có trong input port memory để tra cứu output port  queuing: nếu các gam dữ liệu (datagram) đến nhanh quá, cần phải xếp hàng chờ xử lý. Physical layer: bit-level reception Data link layer: e.g., Ethernet Chương 4. Giao thức tầng mạng 16 Các cơ cấu chuyển mạch (switching fabrics) Chương 4. Giao thức tầng mạng 17 Output ports  Buffering: khi datagram được gửi ra nhanh hơn tốc độ xử lý, cần đưa vào bộ đệm.  Scheduling discipline: cơ chế lựa chọn datagram từ bộ đệm để tiếp tục gửi đi. Chương 4. Giao thức tầng mạng 18 Ch4. The Network Layer 4.1 - Giới thiệu và chức năng của tầng mạng. 4.2 - Network service model (VC and Datagram). 4.3 - Thiết bị tầng mạng - Bộ định tuyến (router). 4.4 - Giao thức IP (Internet Protocol). 4.5 - Giải thuật chọn đường (Routing Algorithms). 4.6 - Chọn đường trong mạng Internet. Chương 4. Giao thức tầng mạng 20 IP datagram format ver length 32 bits data (variable length, typically a TCP or UDP segment) 16-bit identifier Internet checksum time to live 32 bit source IP address IP protocol version number header length (bytes) max number remaining hops (decremented at each router) for fragmentation/ reassembly total datagram length (bytes) upper layer protocol to deliver payload to 6 = TCP; 17 = UDP head. len type of service “type” of data flgs fragment offset upper layer 32 bit destination IP address Options (if any) E.g. timestamp, record route taken, specify list of routers to visit. Chương 4. Giao thức tầng mạng 21 IP datagram - example Receiver’s MAC address Sender’s MAC address Type of upper layer’s protocol ( 0x0800 = IP ) Chương 4. Giao thức tầng mạng 22 IP’s HeaderIP version: 4 Header length: 20 bytes TOS Total length: 72 bytes Id Flags & Fragment’s offset TTL Transport’s protocol: UDP Checksum Source’s IP: 192.168.1.10 Chương 4. Giao thức tầng mạng 23 IP’s Header Dest’s IP: 203.162.4.190 Chương 4. Giao thức tầng mạng 24 Phân tích gói tin tầng Internet - Transport  Địa chỉ MAC của sender & receiver ?  Địa chỉ IP của sender và receiver ?  Độ dài tổng của IP datagram ?  TTL của IP datagram?  Source’s IP, destination’s IP ?  Giao thức sử dụng ở tầng Application ? What are your answers ? Chương 4. Giao thức tầng mạng 25 IP Fragmentation & Reassembly  Fragmentation: gam dữ liệu (datagram) lớn được chia thành nhiều gam dữ liệu nhỏ.  Do mỗi đường truyền giữa các nút (link) có tốc độ giới hạn, chỉ cho phép truyền đơn vị dữ liệu có kích thước tối đa là MTU (Max Transfer Unit)  Reassembly: Các gam dữ liệu nhỏ được hợp nhất thành gam dữ liệu lớn (ngược lại) tại điểm đến cuối cùng fragmentation: in: one large datagram out: 3 smaller datagrams reassembly Chương 4. Giao thức tầng mạng 26 ID =x offset =0 fragflag =0 length =4000 ID =x offset =0 fragflag =1 length =1500 ID =x offset =185 fragflag =1 length =1500 ID =x offset =370 fragflag =0 length =1040 gam dữ liệu lớn được chia thành nhiều gam dữ liệu nhỏ hơn Example  4000 byte datagram  MTU = 1500 bytes 1480 bytes in data field offset = 1480/8 Chương 4. Giao thức tầng mạng 27 IPv4 Addressing: introduction  IP address: Số 32-bit định danh giao diện mạng (interface).  Interface (NIC - Network Interface Card): giao diện kết nối mạng từ nút mạng tới mạng.  host interface: mỗi máy tính thường có một NIC, cho phép nối vào một đường liên kết.  router interface: router thường có nhiều giao diện mạng. 223.1.1.1 223.1.1.2 223.1.1.3 223.1.1.4 223.1.2.9 223.1.2.2 223.1.2.1 223.1.3.2223.1.3.1 223.1.3.27 223.1.1.1 = 11011111 00000001 00000001 00000001 223 1 11 32-bit = 4 số 8-bit  dạng thập phân dễ nhớ: Chương 4. Giao thức tầng mạng 28bangtqh@utc2.edu.vn Mạng & mạng con (subnet)  Internet = network of networks.  Địa chỉ IP bao gồm 2 phần:  Các bit cao dành cho network.  Các bit thấp dành cho host.  Network:  Mạng tạo bởi các interface có phần network trong IP addr giống nhau.  Các host cùng network có thể trao đổi dữ liệu không cần thông qua router. 223.1.1.1 223.1.1.2 223.1.1.3 223.1.1.4 223.1.2.9 223.1.2.2 223.1.2.1 223.1.3.2223.1.3.1 223.1.3.27 network = 3 IP networks LAN Chương 4. Giao thức tầng mạng 29 IP addressing: Class-full Chương 4. Giao thức tầng mạng 30 Subnet  Đôi khi cần chia nhỏ một mạng thành các mạng nhỏ hơn (subnet)  Ví dụ: Chương 4. Giao thức tầng mạng 31 Subnet mask  Một interface trong mạng cần có:  IP address  Mặt nạ mạng con (subnet mask):  Là một số 32 bit bao gồm các bit cao = 1 và các bit thấp = 0. Các bit 1 quy định subnet, các bit 0 quy định địa chỉ host.  từ subnet mask có thể xác định ranh giới giữa địa chỉ mạng và địa chỉ của interface (host).  Ví dụ: Subnet gồm các host 192.168.10.x, một host có thể có thông số như sau:  IP = 192.168.10.1  SM = 255.255.255.0 (111111111.11111111.11111111.00000000)  Kiểm tra xem hai IP có cùng một subnet không?  (IP1 XOR IP2) AND SM = 0? Chương 4. Giao thức tầng mạng 32 Network addr, Broadcast và loopback  Để ám chỉ một mạng, thay địa chỉ host bằng các bit 0, ví dụ: 192.168.10.0  Broadcast: Địa chỉ host thay bằng các bit 1, vd: 192.168.10.255 Các gói tin có ip đích dạng broadcast sẽ được gửi cho mọi host trong mạng.  Loopback ip: 127.x.x.x các gói tin được coi như được gửi tới từ nút khác.  thường dùng 127.0.0.1 Chương 4. Giao thức tầng mạng 33 IP addressing: CIDR  Class-full addressing: sự phân lớp cứng nhắc, không còn thích hợp nữa.  CIDR (Classless InterDomain Routing): Vị trí ngăn cách giữa net addr và host addr tuỳ ý. addr format: a.b.c.d/x, với x là số lượng bit dành cho net addr. 11001000 00010111 00010000 00000000 network part host part 200.23.16.0/23 Chương 4. Giao thức tầng mạng 34 IP addresses: how to get one?  Làm thế nào để có địa chỉ IP cho host?  Người quản trị hệ thống thiết lập (TCP/IP properties trong Windows 2000/XP).  RARP (Reverse Address Resolution Protocol):  RARP server cung cấp IP cho client dựa trên bảng cấu hình sẵn có (từ địa chỉ vật lý (MAC)  IP).  BOOTP (BOOTstrap Protocol):  BOOTP server cung cấp IP cho client dựa trên bảng cấu hình sẵn có.  DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol):  Giao thức cấp phát địa chỉ IP động.  DHCP server phụ trách việc cấp phát/thu hồi IP cho/từ các DHCP client. Client có thể nhận IP khác nhau tuỳ thời điểm kết nối. Chương 4. Giao thức tầng mạng 35 Phân cấp địa chỉ Internet - ISP “Send me anything with addresses beginning 200.23.16.0/20” 200.23.16.0/23 200.23.18.0/23 200.23.30.0/23 Fly-By-Night-ISP Organization 0 Organization 7 Internet Organization 1 ISPs-R-Us “Send me anything with addresses beginning 199.31.0.0/16” 200.23.20.0/23 Organization 2 . . . . . . ISP's block 11001000 00010111 00010000 00000000 200.23.16.0/20 Organization 0 11001000 00010111 00010000 00000000 200.23.16.0/23 Organization 1 11001000 00010111 00010010 00000000 200.23.18.0/23 Organization 2 11001000 00010111 00010100 00000000 200.23.20.0/23 ... .. . . Organization 7 11001000 00010111 00011110 00000000 200.23.30.0/23 ICANN: Internet Corporation for Assigned Names and Numbers Chương 4. Giao thức tầng mạng 36 NAT: Network Address Translation 10.0.0.1 10.0.0.2 10.0.0.3 10.0.0.4 138.76.29.7 local network (e.g., home network) 10.0.0/24 rest of Internet Datagrams with source or destination in this network have 10.0.0/24 address for source, destination (as usual) All datagrams leaving local network have same single source NAT IP address: 138.76.29.7, different source port numbers Chương 4. Giao thức tầng mạng 37 NAT: Network Address Translation (cont)  Một LAN chỉ sử dụng một IP duy nhất khi giao tiếp với mạng ngoài.  Từ đó: Không cần tìm dải IP từ ISP để cấp phát cho các thiết bị mạng trong (máy trạm) vì chỉ dùng 1 IP. Thay đổi IP của máy trạm nội bộ mà không ảnh hưởng tới mạng ngoài. Thay đổi ISP mà không cần thay đổi địa chỉ các thiết bị mạng trong. Các thiết bị mạng trong không “nhìn thấy” được từ mạng ngoài. Chương 4. Giao thức tầng mạng 38 NAT: Implementation NAT router:  outgoing datagrams: replace (source IP address, port #) of every outgoing datagram to (NAT IP address, new port #) . . . remote clients/servers will respond using (NAT IP address, new port #) as destination addr.  remember (in NAT translation table) every (source IP address, port #) to (NAT IP address, new port #) translation pair  incoming datagrams: replace (NAT IP address, new port #) in dest fields of every incoming datagram with corresponding (source IP address, port #) stored in NAT table Chương 4. Giao thức tầng mạng 39 NAT example 10.0.0.1 10.0.0.2 10.0.0.3 S: 10.0.0.1, 3345 D: 128.119.40.186, 80 1 10.0.0.4 138.76.29.7 1: host 10.0.0.1 sends datagram to 128.119.40, 80 NAT translation table WAN side addr LAN side addr 138.76.29.7, 5001 10.0.0.1, 3345 S: 128.119.40.186, 80 D: 10.0.0.1, 3345 4 S: 138.76.29.7, 5001 D: 128.119.40.186, 802 2: NAT router changes datagram source addr from 10.0.0.1, 3345 to 138.76.29.7, 5001, updates table S: 128.119.40.186, 80 D: 138.76.29.7, 5001 3 3: Reply arrives dest. address: 138.76.29.7, 5001 4: NAT router changes datagram dest addr from 138.76.29.7, 5001 to 10.0.0.1, 3345 Chương 4. Giao thức tầng mạng 40 ICMP (Internet Control Message Protocol)  Giao tiếp ở mức mạng giữa các hosts, routers  thông báo lỗi (vd: không tìm được đường đi, không gửi tin được tới host, port).  echo request/reply.  ICMP có thể coi là một thành phần của IP  về mặt kiến trúc, ICMP thuộc về tầng ứng dụng.  sử dụng UDP.  ICMP msg  được đóng gói trong IP datagrams/packet.  type + code + 8 bytes of IP datagram. Type Code description 0 0 echo reply (ping) 3 0 dest. network unreachable 3 1 dest host unreachable 3 2 dest protocol unreachable 3 3 dest port unreachable 3 6 dest network unknown 3 7 dest host unknown 4 0 source quench (congestion control - not used) 8 0 echo request (ping) 9 0 route advertisement 10 0 router discovery 11 0 TTL expired 12 0 bad IP header Chương 4. Giao thức tầng mạng 41 IPv6  IPv4: sử dụng 32-bit địa chỉ IP sẽ là không đủ???  IPv6: sử dụng 128-bit địa chỉ. phần tiêu đề (header) cung cấp khả năng xử lý nhanh hơn, chất lượng hơn (QoS). 40 bytes header. không cho phép phân mảnh (fragmentation). ICMP v6. [RFC 1885] Chương 4. Giao thức tầng mạng 42 IPv6: datagram format  ver: phiên bản (6=v6, 4#v4!!).  priority: thứ tự các gói tin trong cùng flow.  flow: nhãn của luồng mà gói tin thuộc về  các ứng dụng đòi hỏi chất lượng cao  flow.  ứng dụng không đòi hỏi chất lượng  không được coi là flow.  next header: giao thức tầng trên. Chương 4. Giao thức tầng mạng 43 IPv6 datagram analysis (example) 0000: 00 A0 24 6F B6 A3 00 A0 24 6F B7 02 86 DD 60 00 ..$o....$o....`. 0010: 00 00 00 CB 06 40 5F 15 50 00 82 C0 0E 00 00 BD .....@_.P....... 0020: 00 A0 24 6F B7 02 5F 15 50 00 82 C0 0E 00 00 BD ..$o.._.P....... 0030: 00 A0 24 6F B6 A3 23 3F 04 06 63 A9 BC 4A 1E 41 ..$o..#?..c..J.A 0040: B0 80 80 18 43 80 74 8A 00 00 01 01 08 0A 00 0A ....C.t......... 0050: 96 D9 00 00 14 D5 4C 61 73 74 20 6C 6F 67 69 6E ......Last login 0060: 3A 20 54 75 65 20 4A 61 6E 20 20 37 20 31 37 3A : Tue Jan 7 17: 0070: 30 33 3A 34 36 20 66 72 6F 6D 20 61 6C 69 63 65 03:46 from alice 0080: 2D 76 36 2E 69 70 76 36 0D 0A 57 61 72 6E 69 6E -v6.ipv6..Warnin 0090: 67 3A 20 6E 6F 20 4B 65 72 62 65 72 6F 73 20 74 g: no Kerberos t 00A0: 69 63 6B 65 74 73 20 69 73 73 75 65 64 2E 0D 0A ickets issued... 00B0: 4F 70 65 6E 42 53 44 20 31 2E 32 20 28 49 50 4E OpenBSD 1.2 (IPN 00C0: 47 4B 45 52 29 20 23 31 3A 20 46 72 69 20 4E 6F GKER) #1: Fri No 00D0: 76 20 31 35 20 30 38 3A 30 33 3A 34 32 20 50 53 v 15 08:03:42 PS 00E0: 54 20 31 39 39 36 0D 0A 0D 0A 57 65 6C 63 6F 6D T 1996....Welcom 00F0: 65 20 74 6F 20 4F 70 65 6E 42 53 44 2E 0D 0A 0D e to OpenBSD.... 0100: 0A A3 5F 44 A9 .._D. Receiver’s MAC Sender’s MAC Type: 0x86DD (IPv6) Chương 4. Giao thức tầng mạng 44 IPv6 datagram analysis (example) cnt. 0000: 00 A0 24 6F B6 A3 00 A0 24 6F B7 02 86 DD 60 00 ..$o....$o....`. 0010: 00 00 00 CB 06 40 5F 15 50 00 82 C0 0E 00 00 BD .....@_.P....... 0020: 00 A0 24 6F B7 02 5F 15 50 00 82 C0 0E 00 00 BD ..$o.._.P....... 0030: 00 A0 24 6F B6 A3 23 3F 04 06 63 A9 BC 4A 1E 41 ..$o..#?..c..J.A 0040: B0 80 80 18 43 80 74 8A 00 00 01 01 08 0A 00 0A ....C.t......... 0050: 96 D9 00 00 14 D5 4C 61 73 74 20 6C 6F 67 69 6E ......Last login 0060: 3A 20 54 75 65 20 4A 61 6E 20 20 37 20 31 37 3A : Tue Jan 7 17: 0070: 30 33 3A 34 36 20 66 72 6F 6D 20 61 6C 69 63 65 03:46 from alice 0080: 2D 76 36 2E 69 70 76 36 0D 0A 57 61 72 6E 69 6E -v6.ipv6..Warnin 0090: 67 3A 20 6E 6F 20 4B 65 72 62 65 72 6F 73 20 74 g: no Kerberos t 00A0: 69 63 6B 65 74 73 20 69 73 73 75 65 64 2E 0D 0A ickets issued... 00B0: 4F 70 65 6E 42 53 44 20 31 2E 32 20 28 49 50 4E OpenBSD 1.2 (IPN 00C0: 47 4B 45 52 29 20 23 31 3A 20 46 72 69 20 4E 6F GKER) #1: Fri No 00D0: 76 20 31 35 20 30 38 3A 30 33 3A 34 32 20 50 53 v 15 08:03:42 PS 00E0: 54 20 31 39 39 36 0D 0A 0D 0A 57 65 6C 63 6F 6D T 1996....Welcom 00F0: 65 20 74 6F 20 4F 70 65 6E 42 53 44 2E 0D 0A 0D e to OpenBSD.... 0100: 0A A3 5F 44 A9 .._D. TCP at upper layer Payload length: 203 (bytes) Flow label Hops Limit: 64 Chương 4. Giao thức tầng mạng 45 IPv6 – Analysis (example 2) 0000: 33 33 00 00 00 09 08 00 2B B5 A7 A8 86 DD 67 00 33......+.....g. 0010: 00 00 00 20 11 FF FE 80 00 00 00 00 00 00 00 00 ... ............ 0020: 08 00 2B B5 A7 A8 FF 02 00 00 00 00 00 00 00 00 ..+............. 0030: 00 00 00 00 00 09 02 09 02 09 00 20 21 A1 01 01 ........... !... 0040: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 ................ 0050: 00 00 00 00 00 10 F2 9B F3 73  Địa chỉ IPv6 của máy gửi và máy nhận ?  Payload length của IPv6 datagram ?  Hops limit value ?  Transport protocol ?  Source port # and Dest port # at transport layer ? What are your answers ? Chương 4. Giao thức tầng mạng 46 IPv6: chuyển đổi IPv4  IPv6  Chuyển đổi tất cả các hosts, routers sang sử dụng IPv6: không thể!!!  Chuyển đổi dần dần:  tồn tại các nút mạng IPv4 và IPv6. IPv6 có khả năng xử lý gói tin IPv4. Tunneling: gói tin IPv6 được coi như phần data (payload) của IPv4 khi đi qua các nút mạng IPv4. Chương 4. Giao thức tầng mạng 47 Tunneling A B E F IPv6 IPv6 IPv6 IPv6 tunnelLogical view: Physical view: A B E F IPv6 IPv6 IPv6 IPv6 C D IPv4 IPv4 Flow: X Src: A Dest: F data Flow: X Src: A Dest: F data Flow: X Src: A Dest: F data Src:B Dest: E Flow: X Src: A Dest: F data Src:B Dest: E A-to-B: IPv6 E-to-F: IPv6 B-to-C: IPv6 inside IPv4 B-to-C: IPv6 inside IPv4 Chương 4. Giao thức tầng mạng 48 Ch4. The Network Layer 4.1 - Giới thiệu và chức năng của tầng mạng. 4.2 - Network service model (VC and Datagram). 4.3 - Thiết bị tầng mạng - Bộ định tuyến (router). 4.4 - Giao thức IP (Internet Protocol). 4.5 - Giải thuật chọn đường (Routing Algorithms). 4.6 - Chọn đường trong mạng Internet. Chương 4. Giao thức tầng mạng 49 Forwarding & routing 1 23 0111 value in arriving packet’s header routing algorithm local forwarding table header value output link 0100 0101 0111 1001 3 2 2 1 Chương 4. Giao thức tầng mạng 50 Network: graph abstraction  Network = Graph = G(N,E).  N = tập hợp các routers = { u, v, w, x, y, z }.  E = tập các đường nối giữa các routers. = { (u,v), (u,x), (v,x), (v,w), (x,w), (x,y), (w,y), (w,z), (y,z) }  Trọng số = chi phí (cost): độ trễ, độ nghẽn mạng, cước phí  Đường đi tốt = đường đi có “chi phí” thấp nhất. u yx wv z 2 2 1 3 1 1 2 5 3 5 Chương 4. Giao thức tầng mạng 51 Routing Algorithm classification Thông tin tập trung hay phân tán? Tập trung:  mỗi router phải nắm giữ thông tin toàn bộ mạng (topology, link cost)  “link state” algorithms Phân tán:  router nắm được chi phí truyền tin tới các router được nối trực tiếp với mình (hàng xóm)  quá trình tính toán mang tính chất lặp đi lặp lại, trao đổi thông tin giữa các routers.  “distance vector” algorithms Tĩnh hay động? Tĩnh:  đường đi ít thay đổi Động:  đường đi thay đổi thường xuyên  các thông tin dẫn đường được cập nhật định kỳ.  link cost thay đổi. Chương 4. Giao thức tầng mạng 52 A Link-State Routing Algorithm  Giải thuật Dijkstra:  tất cả các nút mạng có thông tin như nhau về các liên kết của toàn bộ mạng.  cho phép tìm đường đi từ một nút tới tất cả các nút còn lại.  Ký hiệu: c(i,j): chi phí phải trả để đi từ i tới j (trực tiếp) D(v): giá trị hiện tại của chi phí phải trả để đi từ đỉnh xuất phát tới đỉnh v. p(v): đỉnh trước đỉnh v trên đường đi ngắn nhất N: tập hợp đỉnh mà đường đi ngắn nhất đã được xác định. Chương 4. Giao thức tầng mạng 53 Dijsktra’s Algorithm 1 Initialization: 2 N = {A} 3 for all nodes v 4 if v kề với A 5 then D(v) = c(A,v) 6 else D(v) = ∞ 7 8 Loop 9 Tìm w không thuộc N sao cho D(w) nhỏ nhất 10 N = N + w 11 for all v kề với w và không thuộc N: 12 D(v) = min( D(v), D(w) + c(w,v) ) 13 until tất cả nút thuộc N Chương 4. Giao thức tầng mạng 54 Dijkstra’s algorithm: example Step 0 1 2 3 4 5 N A AD ADE ADEB ADEBC ADEBCF D(B),p(B) 2,A 2,A 2,A D(C),p(C) 5,A 4,D 3,E 3,E D(D),p(D) 1,A D(E),p(E) ∞ 2,D D(F),p(F) ∞ ∞ 4,E 4,E 4,E A ED CB F 2 2 1 3 1 1 2 5 3 5 Chương 4. Giao thức tầng mạng 55 Distance Vector Routing Algorithm Distance Table data structure  mỗi nút mạng có một bảng khoảng cách.  hàng dành cho các đích có thể đến được.  cột dành cho các nút có thể đến trực tiếp (hàng xóm)  Ví dụ: tại nút X, với đích Y đến qua nút Z: D (Y,Z) X chi phí cho đường đi (XZY) Z là nút kế tiếp cần đi tới c(X,Z) + min {D (Y,w)} Z w = = Chương 4. Giao thức tầng mạng 56 Distance Table: example A E D CB 7 8 1 2 1 2 D () A B C D A 1 7 6 4 B 14 8 9 11 D 5 5 4 2 E cost to destination via D (C,D) E c(E,D) + min {D (C,w)} D w = = 2+2 = 4 D (A,D) E c(E,D) + min {D (A,w)} D w = = 2+3 = 5 D (A,B) E c(E,B) + min {D (A,w)} B w = = 8+6 = 14 loop! loop! Chương 4. Giao thức tầng mạng 57 Distance table  routing table D () A B C D A 1 7 6 4 B 14 8 9 11 D 5 5 4 2 E cost to destination via A B C D A,1 D,5 D,4 D,4 Outgoing link to use, cost Distance table Routing table Chương 4. Giao thức tầng mạng 58 DV Algorithm: Initialization 1 Initialization: 2 for all adjacent nodes v: 3 D (*,v) = infinity /* the * operator means "for all rows" */ 4 D (v,v) = c(X,v) 5 for all destinations, y 6 send min D (y,w) to each neighbor /* w over all X's neighbors */ X X X w At all nodes, X: Chương 4. Giao thức tầng mạng 59 DV Algorithm: Loop 8 loop 9 wait (until I see a link cost change to neighbor V 10 or until I receive update from neighbor V) 11 12 if (c(X,V) changes by d) 13 /* change cost to all dest's via neighbor v by d */ 14 /* note: d could be positive or negative */ 15 for all destinations y: D (y,V) = D (y,V) + d 16 17 else if (update received from V wrt destination Y) 18 /* shortest path from V to some Y has changed */ 19 /* V has sent a new value for its min DV(Y,w) */ 20 /* call this received new value is "newval" */ 21 for the single destination y: D (Y,V) = c(X,V) + newval 22 23 if we have a new min D (Y,w)for any destination Y 24 send new value of min D (Y,w) to all neighbors 26 forever w XX X X X w w Chương 4. Giao thức tầng mạng 60 DV Algorithm: example X Z 12 7 Y D (Y,Z) X c(X,Z) + min {D (Y,w)} w= = 7+1 = 8 Z D (Z,Y) X c(X,Y) + min {D (Z,w)} w= = 2+1 = 3 Y Chương 4. Giao thức tầng mạng 61 DV Algorithm: example X Z 12 7 Y Chương 4. Giao thức tầng mạng 62 Một vài so sánh (LS và DV) Link-State  Cần nắm được thông tin toàn bộ mạng  n nút, E links, nE msgs được gửi mỗi lần  O(n2), nE msgs  Mỗi nút chỉ tính toán bảng dẫn đường cho riêng mình. Distance Vector  Chỉ nắm giữ thông tin liên quan tới các nút “hàng xóm”  msgs chỉ được gửi cho các nút “hàng xóm”.  tốc độ hội tụ có thể khác nhau tuỳ từng tình huống, đôi khi rơi vào trạng thái lặp vô hạn.  Thông tin dẫn đường của nút này được sử dụng bởi nút khác.  Một nút gặp sự cố có thể gây ảnh hưởng tới các nút khác. Chương 4. Giao thức tầng mạng 63 Hierarchical Routing Dẫn đường theo từng mức mạng, do: Quy mô mạng Internet là rất lớn: một nút không thể chứa tất cả các bản ghi cho mọi đích! việc cập nhật bảng dẫn đường tốn kém! Nhu cầu mạng tự trị Internet = network of networks người quản trị mạng muốn điều khiển việc dẫn đường (routing) trong mạng họ quản lý. Chương 4. Giao thức tầng mạng 64bangtqh@utc2.edu.vn Hierarchical Routing (cont)  Phân vùng routers, tạo thành các “autonomous systems” (AS)  routers trong cùng AS sử dụng chung giao thức tìm đường, gọi là “intra-AS” routing protocol.  routers tại các AS khác nhau có thể sử dụng intra-AS routing protocol khác nhau.  Gateway router:  router đặc biệt trong AS  sử dụng intra-AS routing protocol với các routers khác trong AS sử dụng inter-AS routing protocol với các gateway routers khác. Chương 4. Giao thức tầng mạng 65 Hierarchical Routing (cont) Gateways: •perform inter-AS routing amongst themselves •perform intra-AS routers with other routers in their AS inter-AS, intra-AS routing in gateway A.c network layer link layer physical layer a b b a aC A B d A.a A.c C.b B.a c b c Chương 4. Giao thức tầng mạng 66 Hierarchical Routing (cont) Host h2 a b b a aC A B d c A.a A.c C.b B.a c b Host h1 Intra-AS routing within AS A Inter-AS routing between A and B Intra-AS routing within AS B Chương 4. Giao thức tầng mạng 67 Ch4. The Network Layer 4.1 - Giới thiệu và chức năng của tầng mạng. 4.2 - Network service model (VC and Datagram). 4.3 - Thiết bị tầng mạng - Bộ định tuyến (router). 4.4 - Giao thức IP (Internet Protocol). 4.5 - Giải thuật chọn đường (Routing Algorithms). 4.6 - Chọn đường trong mạng Internet. Chương 4. Giao thức tầng mạng 68 Routing in the Internet  Internet = nhiều Autonomous Systems (AS) : Stub AS: các công ty nhỏ: một kết nối với AS khác. Multihomed AS: công ty lớn: nhiều liên kết tới AS khác. Transit AS: nhà cung cấp (móc nối các AS với nhau).  Two-level routing: Intra-AS: người quản trị có quyền chọn giải thuật cho riêng mạng của mình Inter-AS: giải thuật duy nhất (inter-AS routing: BGP) Chương 4. Giao thức tầng mạng 69 Internet AS Hierarchy Inter-AS border (exterior gateway) routers Intra-AS interior (gateway) routers Chương 4. Giao thức tầng mạng 70 Intra-AS Routing  Tên gọi khác: Interior Gateway Protocols (IGP)  Các giao thức chính: RIP: Routing Information Protocol OSPF: Open Shortest Path First IGRP: Interior Gateway Routing Protocol (Cisco proprietary) Chương 4. Giao thức tầng mạng 71 RIP ( Routing Information Protocol)  Sử dụng Distance vector algorithm  Included in BSD-UNIX Distribution in 1982  Đơn vị đo khoảng cách: số lượng chặng (hop, tối đa = 15 hops)  Routing table được trao đổi 30 giây một lần thông qua RIP response msg (RIP advertisement), mỗi msg chứa tối đa 25 bản ghi.  v1: RFC 1058; v2: RFC 1723 DC BA u v w x y z destination hops u 1 v 2 w 2 x 3 y 3 z 2 Chương 4. Giao thức tầng mạng 72 RIP: Example Destination Network Next Router Num. of hops to dest. w A 2 y B 2 z B 7 x -- 1 . . .... w x y z A C D B Routing table in D Chương 4. Giao thức tầng mạng 73 RIP Table processing  RIP routing tables managed by application-level process called route-d (daemon)  advertisements được gửi định kỳ, qua UDP packets. Chương 4. Giao thức tầng mạng 74 RIP Table example  Three attached class C networks (LANs)  Router only knows routes to attached LANs  Default router used to “go up”  Route multicast address: 224.0.0.0  Loopback interface (for debugging) Destination Gateway Flags Ref Use Interface -------------------- -------------------- ----- ----- ------ --------- 127.0.0.1 127.0.0.1 UH 0 26492 lo0 192.168.2. 192.168.2.5 U 2 13 fa0 193.55.114. 193.55.114.6 U 3 58503 le0 192.168.3. 192.168.3.5 U 2 25 qaa0 224.0.0.0 193.55.114.6 U 3 0 le0 default 193.55.114.129 UG 0 143454 Chương 4. Giao thức tầng mạng 75 OSPF (Open Shortest Path First)  “open”: publicly available; RFC 2178  Uses Link State algorithm  LS packet dissemination  Topology map at each node  Route computation using Dijkstra’s algorithm  OSPF advertisement carries one entry per neighbor router  Advertisements disseminated to entire AS (via flooding)  Carried in OSPF messages directly over IP (rather than TCP or UDP Chương 4. Giao thức tầng mạng 76 OSPF “advanced” features (not in RIP)  Security: các OSPF msgs đều chứa thông tin chứng thực (authenticated).  Multiple same-cost paths: Cho phép truyền tin theo nhiều đường có cùng chi phí với cùng một phiên truyền tin.  Diff. cost metrics for diff. TOS: Cho phép nhiều đơn vị đo khác nhau cho từng loại dịch vụ (e.g., satellite link cost set “low” for best effort; high for real time)  Integrated unicast and multicast support: Multicast OSPF (MOSPF) uses same topology data base as OSPF  Hierarchical OSPF in large domains. Chương 4. Giao thức tầng mạng 77 Hierarchical OSPF  Two-level hierarchy: local area, backbone.  Link-state advertisements only in area  each nodes has detailed area topology; only know direction (shortest path) to nets in other areas.  Area border routers: “summarize” distances to nets in own area, advertise to other Area Border routers.  Backbone routers: run OSPF routing limited to backbone.  Boundary routers: connect to other AS’s. Chương 4. Giao thức tầng mạng 78 Internet inter-AS routing: BGP  BGP (Border Gateway Protocol): RFC 1771; RFC 1772; RFC 1773 AS2 (OSPF intra-AS routing) AS1 (RIP intra-AS routing) BGP AS3 (OSPF intra-AS routing) BGP R1 R2 R3 R4 R5 Chương 4. Giao thức tầng mạng 79  Card mạng (Network Interface Card - NIC)  Modem  Repeater (Bộ chuyển tiếp)  Hub (Bộ tập trung)  Bridge (Cầu nối)  Switch (Bộ chuyển mạch)  Router (Bộ định tuyến)  Gateway (Cổng nối) 79 Các thiết bị liên kết mạng Chương 4. Giao thức tầng mạng 80 Biểu diễn của các thiết bị mạng trong sơ đồ mạng 80 Chương 4. Giao thức tầng mạng 81 Card mạng  Kết nối giữa máy tính và cáp mạng để phát hoặc nhận dữ liệu với các máy tính khác thông qua mạng.  Kiểm soát luồng dữ liệu giữa máy tính và hệ thống cáp.  Mỗi NIC (Network Interface Adapter Card) có một mã duy nhất gọi là địa chỉ MAC (Media Access Control). MAC address có 6 byte, 3 byte đầu là mã số nhà sản xuất, 3 byte sau là số serial của card. 81 Chương 4. Giao thức tầng mạng 82 Card mạng (tt) 82 Chương 4. Giao thức tầng mạng 83 Modem  Là tên viết tắt của hai từ điều chế (MOdulation) và giải điều chế (DEModulation).  Điều chế tín hiệu số (Digital) sang tín hiệu tương tự (Analog) để gởi theo đường điện thoại và ngược lại.  Có 2 loại là Internal và External. 83 Chương 4. Giao thức tầng mạng 84 Modem 84 Chương 4. Giao thức tầng mạng 85 Repeater (bộ chuyển tiếp)  Khuếch đại, phục hồi các tín hiệu đã bị suy thoái do tổn thất năng lượng trong khi truyền.  Cho phép mở rộng mạng vượt xa chiều dài giới hạn của một môi trường truyền.  Chỉ được dùng nối hai mạng có cùng giao thức truyền thông.  Hoạt động ở lớp Physical. 85 Chương 4. Giao thức tầng mạng 86 Repeater (bộ chuyển tiếp) 86 Chương 4. Giao thức tầng mạng 87 Hub (bộ tập trung)  Chức năng như Repeater nhưng mở rộng hơn với nhiều đầu cắm các đầu cáp mạng.  Tạo ra điểm kết nối tập trung để nối mạng theo kiểu hình sao.  Tín hiệu được phân phối đến tất cả các kết nối.  Có 3 loại Hub: thụ động, chủ động, thông minh. 87 Chương 4. Giao thức tầng mạng 88 Hub (bộ tập trung)  Hub thụ động (Passive Hub): chỉ đảm bảo chức năng kết nối, không xử lý lại tín hiệu.  Hub chủ động (Active Hub): có khả năng khuếch đại tín hiệu để chống suy hao.  Hub thông minh (Intelligent Hub): là Hub chủ động nhưng có thêm khả năng tạo ra các gói tin thông báo hoạt động của mình giúp cho việc quản trị mạng dễ dàng hơn. 88 Chương 4. Giao thức tầng mạng 89 Hub (bộ tập trung) 89 Chương 4. Giao thức tầng mạng 90 Bridge (cầu nối)  Dùng để nối 2 mạng có giao thức giống hoặc khác nhau.  Chia mạng thành nhiều phân đoạn nhằm giảm lưu lượng trên mạng.  Hoạt động ở lớp Data Link với 2 chức năng chính là lọc và chuyển vận.  Dựa trên bảng địa chỉ MAC lưu trữ, Brigde kiểm tra các gói tin và xử lý chúng trước khi có quyết định chuyển đi hay không. 90 Chương 4. Giao thức tầng mạng 91 Bridge (cầu nối) 91 Hub Hub Bridge Chương 4. Giao thức tầng mạng 92 Switch (bộ chuyển mạch)  Là thiết bị giống Bridge và Hub cộng lại nhưng thông minh hơn.  Có khả năng chỉ chuyển dữ liệu đến đúng kết nối thực sự cần dữ liệu này làm giảm đụng độ trên mạng.  Dùng để phân đoạn mạng trong các mạng cục bộ lớn (VLAN).  Hoạt động ở lớp Data Link. 92 Chương 4. Giao thức tầng mạng 93 Switch (bộ chuyển mạch) 93 Chương 4. Giao thức tầng mạng 94 Switch (bộ chuyển mạch) 94 Chương 4. Giao thức tầng mạng 95 Router (Bộ định tuyến)  Dùng để ghép nối các mạng cục bộ lại với nhau thành mạng rộng.  Lựa chọn đường đi tốt nhất cho các gói tin hướng ra mạng bên ngoài.  Hoạt động chủ yếu ở lớp Network.  Có 2 phương thức định tuyến chính:  Định tuyến tĩnh: cấu hình các đường cố định và cài đặt các đường đi này vào bảng định tuyến.  Định tuyến động:  Vectơ khoảng cách: RIP, IGRP, EIGRP, BGP  Trạng thái đường liên kết: OSPF 95 Chương 4. Giao thức tầng mạng 96 Router (Bộ định tuyến) 96 Chương 4. Giao thức tầng mạng 97 Gateway (Proxy - cổng nối)  Thường dùng để kết nối các mạng không thuần nhất, chủ yếu là mạng LAN với mạng lớn bên ngoài chứ không dùng kết nối LAN – LAN.  Kiểm soát luồng dữ liệu ra vào mạng.  Hoạt động phức tạp và chậm hơn Router.  Hoạt động từ tầng thứ 47 97 Chương 4. Giao thức tầng mạng 98 Phương tiện truyền dẫn  Cáp đồng trục  Cáp xoắn đôi  Cáp quang  Wireless 98 Chương 4. Giao thức tầng mạng 99 Cáp đồng trục (coaxial)  Cấu tạo  Phân loại  Thinnet/Thicknet  Baseband/ Broadband  Thông số kỹ thuật  Chiều dài cáp  Tốc độ truyền  Nhiễu  Lắp đặt/bảo trì  Giá thành  Kết nối 99 Chương 4. Giao thức tầng mạng 100 Cáp đôi dây xoắn Unshielded Twisted Pair (UTP) Cable 100 Chương 4. Giao thức tầng mạng 101 Cáp đôi dây xoắn Shielded Twisted Pair (STP) Cable 101 Chương 4. Giao thức tầng mạng 102 Chuẩn cáp 568A & 568B Giới thiệu 102 Chương 4. Giao thức tầng mạng 103 Phương thức bấm Cáp Giới thiệu 103 Chương 4. Giao thức tầng mạng 104 Cáp quang (Fiber optic)  Thành phần & cấu tạo  Dây dẫn  Nguồn sáng (LED, Laser)  Đầu phát hiện (Photodiode, photo transistor)  Phân loại  Multimode stepped index  Multimode graded index  Single mode (mono mode)  Thông số kỹ thuật  Chiều dài cáp  Tốc độ truyền  Nhiễu  Lắp đặt/bảo trì  Giá thành  Kết nối 104 Lõi Lớp phủ Lớp đệm Chương 4. Giao thức tầng mạng 105 Cáp quang (Fiber optic) 105