Giáo trình Mạng máy tính - Chương 4: Giao thức tầng mạng (network layer) - Trần Quang Hải Bằng

Chương 4. Giao thức tầng mạng (network layer) Bang Q.H. Tran Faculty of Information Technology University of Transports and Communication (HCM Campus) Email: bangtqh@utc2.edu.vn 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 2bangtqh@utc2.edu.vn Chức năng của tầng mạng
Truyền các gói tin (packets) từ sending host tới receiving host.  segment  packets (datagrams). network data link networknetwork application transport network data link physical
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): network data link physical network data link physical physical network data link physical network data link physical data link physical network data link data link physical application Chương 4. Giao thức tầng mạng 3bangtqh@utc2.edu.vn 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. physical transport network data link physical Routing & switching in routers routing algorithm local forwarding table header value output link 10111 value in arriving packet’s header 0100 0101 0111 1001 3 2 2 1 Chương 4. Giao thức tầng mạng 4bangtqh@utc2.edu .vn 23 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 5bangtqh@utc2.edu.vn 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) Chương 4. Giao thức tầng mạng 6bangtqh@utc2.edu.vn  lược đồ (gam) dữ liệu (datagram) 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 Chương 4. Giao thức tầng mạng 7bangtqh@utc2.edu.vn (VC identifier number).
Các routers/packet switches trên kênh ảo (VC) luôn nắm giữ trạng thái của kênh đi qua nó. 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 application transport 3. Accept call4. Call connected 5. Data flow begins 6. Receive data Chương 4. Giao thức tầng mạng 8bangtqh@utc2.edu.vn data link physical network data link physical 1. Initiate call 2. incoming call host A server B application transport network data link physical application transport network data link physical Sự khác biệt giữa liên kết tại tầng Transport và Network? application transport network application transport Chương 4. Giao thức tầng mạng 9bangtqh@utc2.edu .vn data link physical network data link physical 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 application transport Chương 4. Giao thức tầng mạng 10bangtqh@utc2.edu.vn data link physical network data link physical 1. Send data 2. Receive data Network taxonomy (review) communication networks circuit-switched networks (vd. telephone) switched networks broadcast networks (vd. Radio, Broadcast TV) packet-switched networks Chương 4. Giao thức tầng mạng 11bangtqh@utc2.edu .vn datagram networks (vd. Internet) virtual circuit- switched networks (vd. ATM) FDM TDM Datagram or VC network: why? Internet
Mạng máy tính:  dịch vụ nhạy cảm. ATM
Mạng điện thoại (chuyển mạch kênh).
Tương tác người-người đòi hỏi:  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  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 Chương 4. Giao thức tầng mạng 12bangtqh@utc2.edu .vn phức tạp.
Nhiều dạng liên kết mạng dẫn đến một dịch vụ thuần nhất (kênh) là không thích hợp. mạng. 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 13bangtqh@utc2.edu.vn 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 14bangtqh@utc2.edu.vn Input ports Decentralized switching:
sử dụng forwarding table có trong input port memory để tra cứu output port Physical layer: bit-level reception Data link layer: e.g., Ethernet Chương 4. Giao thức tầng mạng 15bangtqh@utc2.edu .vn
queuing: nếu các gam dữ liệu (datagram) đến nhanh quá, cần phải xếp hàng chờ xử lý. Các cơ cấu chuyển mạch (switching fabrics) Chương 4. Giao thức tầng mạng 16bangtqh@utc2.edu .vn Output ports
Buffering: khi datagram được gửi ra nhanh hơn tốc độ xử Chương 4. Giao thức tầng mạng 17bangtqh@utc2.edu.vn lý, cần đưa vào bộ đệm.
Scheduling discipline: cơ chế lựa chọn datagram từ bộ đệm để tiếp tục gửi đi. 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 18bangtqh@utc2.edu.vn The Internet (TCP/IP) network layer Network layer được thực thi tại end system cũng như tại router! Transport layer: TCP, UDP routing table Routing protocols •path selection •RIP, OSPF, BGP IP protocol •addressing conventions •datagram format •packet handling conventions ICMP protocol •error reporting •router “signaling” Network layer Chương 4. Giao thức tầng mạng 19bangtqh@utc2.edu .vn Link layer physical layer IP datagram format ver length 32 bits 16-bit identifier IP protocol version number header length (bytes) for fragmentation/ total datagram length (bytes)head. len type of service “type” of data flgs fragment Internet checksum time to live 32 bit source IP address max number remaining hops (decremented at each router) reassembly upper layer protocol to deliver payload to 6 = TCP; 17 = UDP offset upper layer 32 bit destination IP address Options (if any) E.g. timestamp, record route Chương 4. Giao thức tầng mạng 20bangtqh@utc2.edu .vn data (variable length, typically a TCP or UDP segment) taken, specify list of routers to visit. 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 21bangtqh@utc2.edu.vn IP’s HeaderIP version: 4 Header length: 20 bytes TOSTotal length: 72 bytes Id Flags & Fragment’s offset TTL Transport’s protocol: UDP Chương 4. Giao thức tầng mạng 22bangtqh@utc2.edu.vn Checksum Source’s IP: 192.168.1.10 IP’s Header Chương 4. Giao thức tầng mạng 23bangtqh@utc2.edu.vn Dest’s IP: 203.162.4.190 Phân tích gói tin tầng Internet - Transport
Địa chỉ MAC của sender & receiver ? What are your Chương 4. Giao thức tầng mạng 24bangtqh@utc2.edu.vn
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 ? answers ? IP Fragmentation & Reassembly
Fragmentation: gam dữ liệu (datagram) lớn được chia thành nhiều gam dữ liệu fragmentation: 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 in: one large datagram out: 3 smaller datagrams reassembly Chương 4. Giao thức tầng mạng 25bangtqh@utc2.edu.vn liệu nhỏ được hợp nhất thành gam dữ liệu lớn (ngược lại) tại điểm đến cuối cùng ID =x offset =0 fragflag =0 length =4000 Example
4000 byte datagram ID =x offset =0 fragflag =1 length =1500 ID =x offset =185 fragflag =1 length =1500 gam dữ liệu lớn được chia thành nhiều gam dữ liệu nhỏ hơn
MTU = 1500 bytes 1480 bytes in data field Chương 4. Giao thức tầng mạng 26bangtqh@utc2.edu .vn ID =x offset =370 fragflag =0 length =1040 offset = 1480/8 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. 223.1.1.1 223.1.1.2 223.1.1.4 223.1.2.9 223.1.2.1 Chương 4. Giao thức tầng mạng 27bangtqh@utc2.edu.vn 223.1.1.3 223.1.2.2 223.1.3.2223.1.3.1 223.1.3.27 223.1.1.1 = 11011111 00000001 00000001 00000001 223 1 11 32-bit = 4 số 8-bit  dạng thập phân dễ nhớ: Mạng & mạng con (subnet)
Internet = network of networks.
Địa chỉ IP bao gồm 2 phần:  Các bit cao dành cho network. 223.1.1.1 223.1.1.2 223.1.1.4 223.1.2.9 223.1.2.1  Các bit thấp dành cho host.
Network:  Mạng tạo bởi các interface có phần network trong IP addr 223.1.1.3 223.1.2.2 223.1.3.2223.1.3.1 223.1.3.27 LAN Chương 4. Giao thức tầng mạng 28bangtqh@utc2.edu.vn giống nhau.  Các host cùng network có thể trao đổi dữ liệu không cần thông qua router. network = 3 IP networks IP addressing: Class-full Chương 4. Giao thức tầng mạng 29bangtqh@utc2.edu.vn Subnet
Đôi khi cần chia nhỏ một mạng thành các mạng nhỏ hơn (subnet)
Ví dụ: Chương 4. Giao thức tầng mạng 30bangtqh@utc2.edu.vn 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 Chương 4. Giao thức tầng mạng 31bangtqh@utc2.edu.vn (111111111.11111111.11111111.00000000)
Kiểm tra xem hai IP có cùng một subnet không?  (IP1 XOR IP2) AND SM = 0? 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 Chương 4. Giao thức tầng mạng 32bangtqh@utc2.edu.vn các gói tin được coi như được gửi tới từ nút khác.  thường dùng 127.0.0.1 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. Chương 4. Giao thức tầng mạng 33bangtqh@utc2.edu.vn 11001000 00010111 00010000 00000000 network part host part 200.23.16.0/23 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): Chương 4. Giao thức tầng mạng 34bangtqh@utc2.edu.vn
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. Phân cấp địa chỉ Internet - ISP 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 ICANN: Internet Corporation for Assigned Names and Numbers “Send me anything with addresses beginning 200.23.16.0/20” 200.23.16.0/23 200.23.18.0/23 Fly-By-Night-ISP Organization 0 Organization 1 200.23.20.0/23 Organization 2 . ... ... ... .. .. Organization 7 11001000 00010111 00011110 00000000 200.23.30.0/23 Chương 4. Giao thức tầng mạng 35bangtqh@utc2.edu .vn 200.23.30.0/23 Organization 7 Internet ISPs-R-Us “Send me anything with addresses beginning 199.31.0.0/16” .. NAT: Network Address Translation 10.0.0.1 local network (e.g., home network) 10.0.0/24 rest of Internet 10.0.0.2 10.0.0.3 10.0.0.4 138.76.29.7 Datagrams with source or All datagrams leaving local Chương 4. Giao thức tầng mạng 36bangtqh@utc2.edu .vn destination in this network have 10.0.0/24 address for source, destination (as usual) network have same single source NAT IP address: 138.76.29.7, different source port numbers 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 Chương 4. Giao thức tầng mạng 37bangtqh@utc2.edu.vn mạng trong. Các thiết bị mạng trong không “nhìn thấy” được từ mạng ngoài. 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 Chương 4. Giao thức tầng mạng 38bangtqh@utc2.edu.vn fields of every incoming datagram with corresponding (source IP address, port #) stored in NAT table NAT example 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 2: NAT router changes datagram source addr from 10.0.0.1 10.0.0.2 S: 10.0.0.1, 3345 D: 128.119.40.186, 80 1 10.0.0.4 138.76.29.7 S: 128.119.40.186, 80 4 S: 138.76.29.7, 5001 D: 128.119.40.186, 802 10.0.0.1, 3345 to 138.76.29.7, 5001, updates table Chương 4. Giao thức tầng mạng 39bangtqh@utc2.edu .vn 10.0.0.3 D: 10.0.0.1, 3345 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 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). Type Code description 0 0 echo reply (ping) 3 0 dest. network unreachable 3 1 dest host unreachable  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 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 Chương 4. Giao thức tầng mạng 40bangtqh@utc2.edu.vn  được đóng gói trong IP datagrams/packet.  type + code + 8 bytes of IP datagram. 10 0 router discovery 11 0 TTL expired 12 0 bad IP header 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 41bangtqh@utc2.edu.vn 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 Chương 4. Giao thức tầng mạng 42bangtqh@utc2.edu.vn lượng  không được coi là flow.
next header: giao thức tầng trên. 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 ..$o.._.P....... Receiver’s MAC Sender’s MAC Type: 0x86DD (IPv6) 0030: 00 A0 24 6F B6 A3 23 3F 04 06 63 A9 BC 4A 1E 41 ..$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... Chương 4. Giao thức tầng mạng 43bangtqh@utc2.edu.vn 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. 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 ..$o.._.P....... TCP at upper layer Payload length: 203 (bytes) Flow label Hops Limit: 64 0030: 00 A0 24 6F B6 A3 23 3F 04 06 63 A9 BC 4A 1E 41 ..$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... Chương 4. Giao thức tầng mạng 44bangtqh@utc2.edu.vn 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. 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 ? What are your Chương 4. Giao thức tầng mạng 45bangtqh@utc2.edu.vn
Hops limit value ?
Transport protocol ?
Source port # and Dest port # at transport layer ? answers ? 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 46bangtqh@utc2.edu.vn Tunneling A B E F IPv6 IPv6 IPv6 IPv6 tunnelLogical view: A B E FC D Physical view: IPv6 IPv6 IPv6 IPv6IPv4 IPv4 Flow: X Src: A Dest: F data Flow: X Src: A Dest: F data Flow: X Src: A Dest: F Src:B Dest: E Flow: X Src: A Dest: F Src:B Dest: E Chương 4. Giao thức tầng mạng 47bangtqh@utc2.edu .vn data data A-to-B: IPv6 E-to-F: IPv6 B-to-C: IPv6 inside IPv4 B-to-C: IPv6 inside IPv4 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 48bangtqh@utc2.edu.vn Forwarding & routing routing algorithm local forwarding table header value output link 10111 value in arriving packet’s header 0100 0101 0111 1001 3 2 2 1 Chương 4. Giao thức tầng mạng 49bangtqh@utc2.edu .vn 23 Network: graph abstraction wv 5 3 5
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 yx z 2 2 1 3 1 1 2 Chương 4. Giao thức tầng mạng 50bangtqh@utc2.edu.vn { (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. Routing Algorithm classification Thông tin tập trung hay phân tán? Tập trung:
mỗi router phải nắm giữ thông tin toàn Tĩnh hay động? Tĩnh:
đường đi ít thay đổi 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) Động:
đường đi thay đổi thường xuyên  các thông tin dẫn đường được cập nhật định kỳ. Chương 4. Giao thức tầng mạng 51bangtqh@utc2.edu .vn
quá trình tính toán mang tính chất lặp đi lặp lại, trao đổi thông tin giữa các routers.
“distance vector” algorithms  link cost thay đổi. 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. Chương 4. Giao thức tầng mạng 52bangtqh@utc2.edu.vn p(v): đỉnh trước đỉnh v trên đường đi ngắn nhất N: tập hợp đỉnh mà đường đi ngắn nhất đã được xác định. 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: Chương 4. Giao thức tầng mạng 53bangtqh@utc2.edu .vn 12 D(v) = min( D(v), D(w) + c(w,v) ) 13 until tất cả nút thuộc N Dijkstra’s algorithm: example Step 0 1 N A AD D(B),p(B) 2,A 2,A D(C),p(C) 5,A 4,D D(D),p(D) 1,A D(E),p(E) ∞ 2,D D(F),p(F) ∞ ∞ 2 3 4 5 ADE ADEB ADEBC ADEBCF 2,A 3,E 3,E 4,E 4,E 4,E 5 Chương 4. Giao thức tầng mạng 54bangtqh@utc2.edu .vn A ED CB F 2 2 1 3 1 1 2 5 3 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 (XZ.Y) Z là nút kế tiếp cần đi tới= Chương 4. Giao thức tầng mạng 55bangtqh@utc2.edu.vn c(X,Z) + min {D (Y,w)}Z w = Distance Table: example A CB 7 8 1 2 D () A B DE cost to destination via E D 1 2 A B C 1 7 6 14 8 9 5 5 4 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= Chương 4. Giao thức tầng mạng 56bangtqh@utc2.edu .vn D 4 11 2w= 2+3 = 5 D (A,B) E c(E,B) + min {D (A,w)}B w = = 8+6 = 14 loop! loop! Distance table  routing table D () A B DE cost to destination via Outgoing link to use, cost A B C 1 7 6 14 8 9 5 5 4 A B C A,1 D,5 D,4 Chương 4. Giao thức tầng mạng 57bangtqh@utc2.edu .vn D 4 11 2 D D,4 Distance table Routing table DV Algorithm: Initialization 1 Initialization: At all nodes, X: 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 Chương 4. Giao thức tầng mạng 58bangtqh@utc2.edu .vn 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) */ w XX Chương 4. Giao thức tầng mạng 59bangtqh@utc2.edu .vn 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 X X X w w DV Algorithm: example X Z 12 7 Y D (Z,Y) X c(X,Y) + min {D (Z,w)} w= = 2+1 = 3 Y Chương 4. Giao thức tầng mạng 60bangtqh@utc2.edu .vn D (Y,Z) X c(X,Z) + min {D (Y,w)} w= = 7+1 = 8 Z DV Algorithm: example X Z 12 7 Y Chương 4. Giao thức tầng mạng 61bangtqh@utc2.edu .vn Một vài so sánh (LS và DV) Link-State
Cần nắm được thông tin toàn bộ mạng Distance Vector
Chỉ nắm giữ thông tin liên quan tới các nút “hàng xóm”
n nút, E links, nE msgs được gửi mỗi lần
O(n2), nE msgs
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 Chương 4. Giao thức tầng mạng 62bangtqh@utc2.edu .vn
Mỗi nút chỉ tính toán bảng dẫn đường cho riêng mình. này được sử dụng bởi nút khác.  Một nút gặp sự cố có thể gây ảnh hưởng tới các nút khác. 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 Chương 4. Giao thức tầng mạng 63bangtqh@utc2.edu.vn người quản trị mạng muốn điều khiển việc dẫn đường (routing) trong mạng họ quản lý. 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 Chương 4. Giao thức tầng mạng 64bangtqh@utc2.edu.vn  sử dụng intra-AS routing protocol với các routers khác trong AS sử dụng inter-AS routing protocol với các gateway routers khác. Hierarchical Routing (cont) Gateways: •perform inter-AS routing amongst themselvesa b a A.a A.c C.b B.a c •perform intra-AS routers with other routers in their AS inter-AS, intra-AS network layer link layer b a C A B d b c Chương 4. Giao thức tầng mạng 65bangtqh@utc2.edu .vn routing in gateway A.c physical layer Hierarchical Routing (cont) Inter-AS Host h2 a b b a aC A B d c A.a A.c C.b B.a c b Host h1 routing between A and B Intra-AS routing within AS B Chương 4. Giao thức tầng mạng 66bangtqh@utc2.edu .vn Intra-AS routing within AS A 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 67bangtqh@utc2.edu.vn 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: Chương 4. Giao thức tầng mạng 68bangtqh@utc2.edu.vn 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) Internet AS Hierarchy Inter-AS border (exterior gateway) routers Chương 4. Giao thức tầng mạng 69bangtqh@utc2.edu .vn Intra-AS interior (gateway) routers 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 70bangtqh@utc2.edu.vn 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 BA u v w destination hops u 1 v 2 Chương 4. Giao thức tầng mạng 71bangtqh@utc2.edu.vn DC x y z w 2 x 3 y 3 z 2 RIP: Example w x y z Destination Network Next Router Num. of hops to dest. w A 2 y B 2 A C D B Chương 4. Giao thức tầng mạng 72bangtqh@utc2.edu .vn z B 7 x -- 1 . . .... Routing table in D 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 73bangtqh@utc2.edu.vn RIP Table example 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
Three attached class C networks (LANs)
Router only knows routes to attached LANs
Default router used to “go up” 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 74bangtqh@utc2.edu.vn
Route multicast address: 224.0.0.0
Loopback interface (for debugging) 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) Chương 4. Giao thức tầng mạng 75bangtqh@utc2.edu.vn
 Carried in OSPF messages directly over IP (rather than TCP or UDP 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: Chương 4. Giao thức tầng mạng 76bangtqh@utc2.edu.vn Multicast OSPF (MOSPF) uses same topology data base as OSPF
Hierarchical OSPF in large domains. 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 77bangtqh@utc2.edu.vn 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 R3 R4 R5 Chương 4. Giao thức tầng mạng 78bangtqh@utc2.edu.vn R1 R2
Card mạng (Network Interface Card - NIC)
Modem Repeater (Bộ chuyển tiếp) Các thiết bị liên kết mạng

Hub (Bộ tập trung)
Bridge (Cầu nối)
Switch (Bộ chuyển mạch)
Router (Bộ định tuyến) Chương 4. Giao thức tầng mạng 79bangtqh@utc2.edu .vn
Gateway (Cổng nối) 79 Biểu diễn của các thiết bị mạng trong sơ đồ mạng Chương 4. Giao thức tầng mạng 80bangtqh@utc2.edu .vn 80 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 Chương 4. Giao thức tầng mạng 81bangtqh@utc2.edu .vn 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 Card mạng (tt) Chương 4. Giao thức tầng mạng 82bangtqh@utc2.edu .vn 82 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. Chương 4. Giao thức tầng mạng 83bangtqh@utc2.edu .vn 83 Modem Chương 4. Giao thức tầng mạng 84bangtqh@utc2.edu .vn 84 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. Chương 4. Giao thức tầng mạng 85bangtqh@utc2.edu .vn 85 Repeater (bộ chuyển tiếp) Chương 4. Giao thức tầng mạng 86bangtqh@utc2.edu .vn 86 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. Chương 4. Giao thức tầng mạng 87bangtqh@utc2.edu .vn 87 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. Chương 4. Giao thức tầng mạng 88bangtqh@utc2.edu .vn 88 Hub (bộ tập trung) Chương 4. Giao thức tầng mạng 89bangtqh@utc2.edu .vn 89 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 Chương 4. Giao thức tầng mạng 90bangtqh@utc2.edu .vn tra các gói tin và xử lý chúng trước khi có quyết định chuyển đi hay không. 90 Bridge (cầu nối) Bridge Chương 4. Giao thức tầng mạng 91bangtqh@utc2.edu .vn 91 Hub Hub 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). Chương 4. Giao thức tầng mạng 92bangtqh@utc2.edu .vn
Hoạt động ở lớp Data Link. 92 Switch (bộ chuyển mạch) Chương 4. Giao thức tầng mạng 93bangtqh@utc2.edu .vn 93 Switch (bộ chuyển mạch) Chương 4. Giao thức tầng mạng 94bangtqh@utc2.edu .vn 94 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: Chương 4. Giao thức tầng mạng 95bangtqh@utc2.edu .vn
Vectơ khoảng cách: RIP, IGRP, EIGRP, BGP
Trạng thái đường liên kết: OSPF 95 Router (Bộ định tuyến) Chương 4. Giao thức tầng mạng 96bangtqh@utc2.edu .vn 96 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 47 Chương 4. Giao thức tầng mạng 97bangtqh@utc2.edu .vn 97 Phương tiện truyền dẫn
Cáp đồng trục
Cáp xoắn đôi
Cáp quang
Wireless Chương 4. Giao thức tầng mạng 98bangtqh@utc2.edu .vn 98 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 Chương 4. Giao thức tầng mạng 99bangtqh@utc2.edu .vn  Kết nối 99 Cáp đôi dây xoắn Unshielded Twisted Pair (UTP) Cable Chương 4. Giao thức tầng mạng 100bangtqh@utc2.edu .vn 100 Cáp đôi dây xoắn Shielded Twisted Pair (STP) Cable Chương 4. Giao thức tầng mạng 101bangtqh@utc2.edu .vn 101 Chuẩn cáp 568A & 568B Chương 4. Giao thức tầng mạng 102bangtqh@utc2.edu .vn Giới thiệu 102 Phương thức bấm Cáp Chương 4. Giao thức tầng mạng 103bangtqh@utc2.edu .vn Giới thiệu 103 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 Lớp phủ Chương 4. Giao thức tầng mạng 104bangtqh@utc2.edu .vn  Giá thành  Kết nối 104 Lõi Lớp đệm Cáp quang (Fiber optic) Chương 4. Giao thức tầng mạng 105bangtqh@utc2.edu .vn 105