Bài giảng 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, PhDFaculty of Information TechnologyUniversity of Communication and Transport (Branch in Ho Chi Minh City)Email: dieutq@gmail.comWebsite: sites.google.com/sites/tranlecturesChương 4. Giao thức tầng mạng2Ch4. The Network Layer4.1 - 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 mạng3Chức năng của tầng mạngTruyền 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.networkdata linkphysicalnetworkdata linkphysicalnetworkdata linkphysicalnetworkdata linkphysicalnetworkdata linkphysicalnetworkdata linkphysicalnetworkdata linkphysicalnetworkdata linkphysicalapplicationtransportnetworkdata linkphysicalapplicationtransportnetworkdata linkphysicalChương 4. Giao thức tầng mạng4Routing & switching in routers1230111value in arrivingpacket’s headerrouting algorithmlocal forwarding tableheader valueoutput link01000101011110013221Chương 4. Giao thức tầng mạng5Ch4. The Network Layer4.1 - 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 mạng6Network service modelTầng 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 mạng7Virtual CircuitThiết 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-orientedMỗi 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 mạng8Virtual Circuit: Signaling protocolGiao 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.applicationtransportnetworkdata linkphysicalapplicationtransportnetworkdata linkphysical1. Initiate call2. incoming call3. Accept call4. Call connected5. Data flow begins6. Receive dataChương 4. Giao thức tầng mạng9Sự khác biệt giữa liên kết tại tầng Transport và Network?host Aserver Bapplicationtransportnetworkdata linkphysicalapplicationtransportnetworkdata linkphysicalapplicationtransportnetworkdata linkphysicalapplicationtransportnetworkdata linkphysicalChương 4. Giao thức tầng mạng10Datagram networkKhông 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.applicationtransportnetworkdata linkphysicalapplicationtransportnetworkdata linkphysical1. Send data2. Receive dataChương 4. Giao thức tầng mạng11Network taxonomy (review)circuit-switchednetworks(vd. telephone)communication networksswitchednetworksbroadcastnetworks(vd. Radio, Broadcast TV)packet-switched networksdatagram networks(vd. Internet)virtual circuit-switched networks(vd. ATM)FDMTDMChương 4. Giao thức tầng mạng12Datagram or VC network: why?InternetMạng 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.ATMMạng 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 mạng13Ch4. The Network Layer4.1 - 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 mạng14Bộ định tuyến – routerThực 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 mạng15Input portsDecentralized switching: sử dụng forwarding table có trong input port memory để tra cứu output portqueuing: nếu các gam dữ liệu (datagram) đến nhanh quá, cần phải xếp hàng chờ xử lý.Physical layer:bit-level receptionData link layer:e.g., EthernetChương 4. Giao thức tầng mạng16Các cơ cấu chuyển mạch (switching fabrics)Chương 4. Giao thức tầng mạng17Output portsBuffering: 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 mạng18Ch4. The Network Layer4.1 - 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 mạng19The Internet (TCP/IP) network layerroutingtableNetwork layer được thực thi tại end system cũng như tại router!Routing protocolspath selectionRIP, OSPF, BGPIP protocoladdressing conventionsdatagram formatpacket handling conventionsICMP protocolerror reportingrouter “signaling”Transport layer: TCP, UDPLink layerphysical layerNetworklayerChương 4. Giao thức tầng mạng20IP datagram formatverlength32 bitsdata (variable length,typically a TCP or UDP segment)16-bit identifierInternet checksumtime tolive32 bit source IP addressIP protocol versionnumberheader length (bytes)max numberremaining hops(decremented at each router)forfragmentation/reassemblytotal datagramlength (bytes)upper layer protocolto deliver payload to6 = TCP; 17 = UDPhead.lentype ofservice“type” of data flgsfragment offsetupper layer32 bit destination IP addressOptions (if any)E.g. timestamp,record routetaken, specifylist of routers to visit.Chương 4. Giao thức tầng mạng21IP datagram - exampleReceiver’s MAC addressSender’s MAC addressType of upper layer’s protocol( 0x0800 = IP )Chương 4. Giao thức tầng mạng22IP’s HeaderIP version: 4Header length: 20 bytesTOSTotal length: 72 bytesIdFlags & Fragment’s offsetTTLTransport’s protocol: UDPChecksumSource’s IP: 192.168.1.10Chương 4. Giao thức tầng mạng23IP’s HeaderDest’s IP: 203.162.4.190Chương 4. Giao thức tầng mạng24Phân tích gói tin tầng Internet - TransportĐịa 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 mạng25IP Fragmentation & ReassemblyFragmentation: 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 cùngfragmentation: in: one large datagramout: 3 smaller datagramsreassemblyChương 4. Giao thức tầng mạng26ID=xoffset=0fragflag=0length=4000ID=xoffset=0fragflag=1length=1500ID=xoffset=185fragflag=1length=1500ID=xoffset=370fragflag=0length=1040gam dữ liệu lớn được chia thành nhiều gam dữ liệu nhỏ hơnExample4000 byte datagramMTU = 1500 bytes1480 bytes in data fieldoffset =1480/8 Chương 4. Giao thức tầng mạng27IPv4 Addressing: introductionIP 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.223.1.1.1223.1.1.2223.1.1.3223.1.1.4223.1.2.9223.1.2.2223.1.2.1223.1.3.2223.1.3.1223.1.3.27223.1.1.1 = 11011111 00000001 00000001 0000000122311132-bit = 4 số 8-bit  dạng thập phân dễ nhớ:Chương 4. Giao thức tầng mạng28bangtqh@utc2.edu.vnMạng & 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.223.1.1.1223.1.1.2223.1.1.3223.1.1.4223.1.2.9223.1.2.2223.1.2.1223.1.3.2223.1.3.1223.1.3.27network = 3 IP networksLANChương 4. Giao thức tầng mạng29IP addressing: Class-fullChương 4. Giao thức tầng mạng30SubnetĐôi khi cần chia nhỏ một mạng thành các mạng nhỏ hơn (subnet)Ví dụ:Chương 4. Giao thức tầng mạng31Subnet maskMột interface trong mạng cần có:IP addressMặt 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 = 192.168.10.1SM = 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 mạng32Network addr, Broadcast và loopbackĐể ám chỉ một mạng, thay địa chỉ host bằng các bit 0, ví dụ: 192.168.10.0Broadcast:Địa chỉ host thay bằng các bit 1, vd: 192.168.10.255Các gói tin có ip đích dạng broadcast sẽ được gửi cho mọi host trong mạng.Loopback ip: 127.x.x.xcác gói tin được coi như được gửi tới từ nút khác.thường dùng 127.0.0.1Chương 4. Giao thức tầng mạng33IP addressing: CIDRClass-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 00000000networkparthostpart200.23.16.0/23Chương 4. Giao thức tầng mạng34IP 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 mạng35Phân cấp địa chỉ Internet - ISP“Send me anythingwith addresses beginning 200.23.16.0/20”200.23.16.0/23200.23.18.0/23200.23.30.0/23Fly-By-Night-ISPOrganization 0Organization 7InternetOrganization 1ISPs-R-Us“Send me anythingwith addresses beginning 199.31.0.0/16”200.23.20.0/23Organization 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 NumbersChương 4. Giao thức tầng mạng36NAT: Network Address Translation10.0.0.110.0.0.210.0.0.310.0.0.4138.76.29.7local network(e.g., home network)10.0.0/24rest ofInternetDatagrams with source or destination in this networkhave 10.0.0/24 address for source, destination (as usual)All datagrams leaving localnetwork have same single source NAT IP address: 138.76.29.7,different source port numbersChương 4. Giao thức tầng mạng37NAT: 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 mạng38NAT: ImplementationNAT 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 pairincoming datagrams: replace (NAT IP address, new port #) in dest fields of every incoming datagram with corresponding (source IP address, port #) stored in NAT tableChương 4. Giao thức tầng mạng39NAT example10.0.0.110.0.0.210.0.0.3S: 10.0.0.1, 3345D: 128.119.40.186, 80110.0.0.4138.76.29.71: host 10.0.0.1 sends datagram to 128.119.40, 80NAT translation tableWAN side addr LAN side addr138.76.29.7, 5001 10.0.0.1, 3345 S: 128.119.40.186, 80 D: 10.0.0.1, 33454S: 138.76.29.7, 5001D: 128.119.40.186, 8022: NAT routerchanges datagramsource addr from10.0.0.1, 3345 to138.76.29.7, 5001,updates tableS: 128.119.40.186, 80 D: 138.76.29.7, 500133: Reply arrives dest. address: 138.76.29.7, 50014: NAT routerchanges datagramdest addr from138.76.29.7, 5001 to 10.0.0.1, 3345 Chương 4. Giao thức tầng mạng40ICMP (Internet Control Message Protocol)Giao tiếp ở mức mạng giữa các hosts, routersthông 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 IPvề mặt kiến trúc, ICMP thuộc về tầng ứng dụng.sử dụng UDP.ICMP msgđược đóng gói trong IP datagrams/packet.type + code + 8 bytes of IP datagram.Type Code description0 0 echo reply (ping)3 0 dest. network unreachable3 1 dest host unreachable3 2 dest protocol unreachable3 3 dest port unreachable3 6 dest network unknown3 7 dest host unknown4 0 source quench (congestion control - not used)8 0 echo request (ping)9 0 route advertisement10 0 router discovery11 0 TTL expired12 0 bad IP headerChương 4. Giao thức tầng mạng41IPv6IPv4: 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 mạng42IPv6: datagram formatver: phiên bản (6=v6, 4#v4!!).priority: thứ tự các gói tin trong cùng flow.flow: nhãn của luồng mà gói tin thuộc vềcác 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 mạng43IPv6 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.A0040: 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 login0060: 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 alice0080: 2D 76 36 2E 69 70 76 36 0D 0A 57 61 72 6E 69 6E -v6.ipv6..Warnin0090: 67 3A 20 6E 6F 20 4B 65 72 62 65 72 6F 73 20 74 g: no Kerberos t00A0: 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 (IPN00C0: 47 4B 45 52 29 20 23 31 3A 20 46 72 69 20 4E 6F GKER) #1: Fri No00D0: 76 20 31 35 20 30 38 3A 30 33 3A 34 32 20 50 53 v 15 08:03:42 PS00E0: 54 20 31 39 39 36 0D 0A 0D 0A 57 65 6C 63 6F 6D T 1996....Welcom00F0: 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 MACSender’s MACType: 0x86DD (IPv6)Chương 4. Giao thức tầng mạng44IPv6 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.A0040: 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 login0060: 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 alice0080: 2D 76 36 2E 69 70 76 36 0D 0A 57 61 72 6E 69 6E -v6.ipv6..Warnin0090: 67 3A 20 6E 6F 20 4B 65 72 62 65 72 6F 73 20 74 g: no Kerberos t00A0: 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 (IPN00C0: 47 4B 45 52 29 20 23 31 3A 20 46 72 69 20 4E 6F GKER) #1: Fri No00D0: 76 20 31 35 20 30 38 3A 30 33 3A 34 32 20 50 53 v 15 08:03:42 PS00E0: 54 20 31 39 39 36 0D 0A 0D 0A 57 65 6C 63 6F 6D T 1996....Welcom00F0: 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 layerPayload length: 203 (bytes)Flow labelHops Limit: 64Chương 4. Giao thức tầng mạng45IPv6 – 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 mạng46IPv6: chuyển đổi IPv4  IPv6Chuyển 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 mạng47TunnelingABEFIPv6IPv6IPv6IPv6tunnelLogical view:Physical view:ABEFIPv6IPv6IPv6IPv6CDIPv4IPv4Flow: XSrc: ADest: FdataFlow: XSrc: ADest: FdataFlow: XSrc: ADest: FdataSrc:BDest: EFlow: XSrc: ADest: FdataSrc:BDest: EA-to-B:IPv6E-to-F:IPv6B-to-C:IPv6 insideIPv4B-to-C:IPv6 insideIPv4Chương 4. Giao thức tầng mạng48Ch4. The Network Layer4.1 - 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 mạng49Forwarding & routing1230111value in arrivingpacket’s headerrouting algorithmlocal forwarding tableheader valueoutput link01000101011110013221Chương 4. Giao thức tầng mạng50Network: graph abstractionNetwork = 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 phíĐường đi tốt = đường đi có “chi phí” thấp nhất.uyxwvz2213112535Chương 4. Giao thức tầng mạng51Routing Algorithm classificationThông tin tập trung hay phân tán?Tập trung:mỗi router phải nắm giữ thông tin toàn bộ mạng (topology, link cost)“link state” algorithmsPhân 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” algorithmsTĩnh hay động?Tĩnh: đường đi ít thay đổiĐộng: đường đi thay đổi thường xuyêncác thông tin dẫn đường được cập nhật định kỳ.link cost thay đổi.Chương 4. Giao thức tầng mạng52A Link-State Routing AlgorithmGiải 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 nhấtN: tập hợp đỉnh mà đường đi ngắn nhất đã được xác định.Chương 4. Giao thức tầng mạng53Dijsktra’s Algorithm1 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 nhất10 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 mạng54Dijkstra’s algorithm: exampleStep012345 NAADADEADEBADEBCADEBCFD(B),p(B)2,A2,A2,AD(C),p(C)5,A4,D3,E3,ED(D),p(D)1,AD(E),p(E)∞2,DD(F),p(F)∞∞4,E4,E4,EAEDCBF2213112535Chương 4. Giao thức tầng mạng55Distance Vector Routing AlgorithmDistance 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)Xchi phí cho đường đi (XZY)Z là nút kế tiếp cần đi tớic(X,Z) + min {D (Y,w)}Zw==Chương 4. Giao thức tầng mạng56Distance Table: exampleAEDCB781212D ()ABCDA1764B148911D5542Ecost to destination viadestinationD (C,D)Ec(E,D) + min {D (C,w)}Dw==2+2 = 4D (A,D)Ec(E,D) + min {D (A,w)}Dw==2+3 = 5D (A,B)Ec(E,B) + min {D (A,w)}Bw==8+6 = 14loop!loop!Chương 4. Giao thức tầng mạng57Distance table  routing tableD ()ABCDA1764B148911D5542Ecost to destination viadestination ABCD A,1D,5D,4D,4Outgoing link to use, costdestinationDistance tableRouting tableChương 4. Giao thức tầng mạng58DV Algorithm: Initialization1 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 */ XXXwAt all nodes, X:Chương 4. Giao thức tầng mạng59DV Algorithm: Loop8 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 wXXXXXwwChương 4. Giao thức tầng mạng60DV Algorithm: exampleXZ127YD (Y,Z)Xc(X,Z) + min {D (Y,w)}w==7+1 = 8ZD (Z,Y)Xc(X,Y) + min {D (Z,w)}w==2+1 = 3YChương 4. Giao thức tầng mạng61DV Algorithm: exampleXZ127YChương 4. Giao thức tầng mạng62Một vài so sánh (LS và DV)Link-StateCần nắm được thông tin toàn bộ mạngn nút, E links, nE msgs được gửi mỗi lầnO(n2), nE msgsMỗi nút chỉ tính toán bảng dẫn đường cho riêng mình.Distance VectorChỉ 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 mạng63Hierarchical 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 trịInternet = network of networksngười quản trị mạng muốn điều khiển việc dẫn đường (routing) trong mạng họ quản lý.Chương 4. Giao thức tầng mạng64bangtqh@utc2.edu.vnHierarchical 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 ASsử dụng intra-AS routing protocol với các routers khác trong ASsử dụng inter-AS routing protocol với các gateway routers khác.Chương 4. Giao thức tầng mạng65Hierarchical Routing (cont)Gateways:perform inter-AS routing amongst themselvesperform intra-AS routers with other routers in their ASinter-AS, intra-AS routing in gateway A.cnetwork layerlink layerphysical layerabbaaCABdA.aA.cC.bB.acbcChương 4. Giao thức tầng mạng66Hierarchical Routing (cont)Host h2abbaaCABdcA.aA.cC.bB.acbHosth1Intra-AS routingwithin AS AInter-AS routingbetween A and BIntra-AS routingwithin AS BChương 4. Giao thức tầng mạng67Ch4. The Network Layer4.1 - 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 mạng68Routing in the InternetInternet = 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 mìnhInter-AS: giải thuật duy nhất (inter-AS routing: BGP)Chương 4. Giao thức tầng mạng69Internet AS HierarchyInter-AS border (exterior gateway) routersIntra-AS interior (gateway) routersChương 4. Giao thức tầng mạng70Intra-AS RoutingTên gọi khác: Interior Gateway Protocols (IGP)Các giao thức chính:RIP: Routing Information ProtocolOSPF: Open Shortest Path FirstIGRP: Interior Gateway Routing Protocol (Cisco proprietary)Chương 4. Giao thức tầng mạng71RIP ( Routing Information Protocol)Sử dụng Distance vector algorithmIncluded in BSD-UNIX Distribution in 1982Đơn 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 DCBAuvwxyzdestination hops u 1 v 2 w 2 x 3 y 3 z 2 Chương 4. Giao thức tầng mạng72RIP: ExampleDestination Network Next Router Num. of hops to dest. w A 2 y B 2 z B 7 x -- 1 . . ....wxyzACDBRouting table in DChương 4. Giao thức tầng mạng73RIP Table processingRIP routing tables managed by application-level process called route-d (daemon)advertisements được gửi định kỳ, qua UDP packets.Chương 4. Giao thức tầng mạng74RIP 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 mạng75OSPF (Open Shortest Path First)“open”: publicly available; RFC 2178 Uses Link State algorithm LS packet disseminationTopology map at each nodeRoute computation using Dijkstra’s algorithmOSPF advertisement carries one entry per neighbor routerAdvertisements disseminated to entire AS (via flooding)Carried in OSPF messages directly over IP (rather than TCP or UDPChương 4. Giao thức tầng mạng76OSPF “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 OSPFHierarchical OSPF in large domains.Chương 4. Giao thức tầng mạng77Hierarchical OSPFTwo-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 mạng78Internet inter-AS routing: BGPBGP (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 mạng79Card mạng (Network Interface Card - NIC) ModemRepeater (Bộ chuyển tiếp)Hub (Bộ tập trung)Bridge (Cầu nối)Switch (Bộ chuyển mạch)Router (Bộ định tuyến)Gateway (Cổng nối)79Các thiết bị liên kết mạngChương 4. Giao thức tầng mạng80Biểu diễn của các thiết bị mạng trong sơ đồ mạng80Chương 4. Giao thức tầng mạng81Card mạngKết 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.81Chương 4. Giao thức tầng mạng82Card mạng (tt)82Chương 4. Giao thức tầng mạng83ModemLà 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.83Chương 4. Giao thức tầng mạng84Modem84Chương 4. Giao thức tầng mạng85Repeater (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.85Chương 4. Giao thức tầng mạng86Repeater (bộ chuyển tiếp)86Chương 4. Giao thức tầng mạng87Hub (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.87Chương 4. Giao thức tầng mạng88Hub (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.88Chương 4. Giao thức tầng mạng89Hub (bộ tập trung)89Chương 4. Giao thức tầng mạng90Bridge (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.90Chương 4. Giao thức tầng mạng91Bridge (cầu nối)91HubHubBridgeChương 4. Giao thức tầng mạng92Switch (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.92Chương 4. Giao thức tầng mạng93Switch (bộ chuyển mạch)93Chương 4. Giao thức tầng mạng94Switch (bộ chuyển mạch)94Chương 4. Giao thức tầng mạng95Router (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, BGPTrạng thái đường liên kết: OSPF95Chương 4. Giao thức tầng mạng96Router (Bộ định tuyến)96Chương 4. Giao thức tầng mạng97Gateway (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797Chương 4. Giao thức tầng mạng98Phương tiện truyền dẫnCáp đồng trụcCáp xoắn đôiCáp quangWireless98Chương 4. Giao thức tầng mạng99Cáp đồng trục (coaxial)Cấu tạoPhân loạiThinnet/ThicknetBaseband/ BroadbandThông số kỹ thuậtChiều dài cápTốc độ truyềnNhiễuLắp đặt/bảo trìGiá thànhKết nối99Chương 4. Giao thức tầng mạng100Cáp đôi dây xoắnUnshielded Twisted Pair (UTP) Cable100Chương 4. Giao thức tầng mạng101Cáp đôi dây xoắn Shielded Twisted Pair (STP) Cable101Chương 4. Giao thức tầng mạng102Chuẩn cáp 568A & 568B Giới thiệu102Chương 4. Giao thức tầng mạng103Phương thức bấm Cáp Giới thiệu103Chương 4. Giao thức tầng mạng104Cáp quang (Fiber optic)Thành phần & cấu tạoDây dẫnNguồn sáng (LED, Laser)Đầu phát hiện (Photodiode, photo transistor)Phân loạiMultimode stepped indexMultimode graded indexSingle mode (mono mode)Thông số kỹ thuậtChiều dài cáp Tốc độ truyềnNhiễu Lắp đặt/bảo trìGiá thành Kết nối104LõiLớp phủLớp đệmChương 4. Giao thức tầng mạng105Cáp quang (Fiber optic)105