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

Chương 4.Giao thức tầng mạng (network layer)Đoàn Thị Thu HàChương 4. Giao thức tầng mạng*1-6/2005Ch4. The Network Layer4.1 - Giới thiệu và chức năng của tầng mạng.4.2 - Network service model (VC and Datagram).4.3 - 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*1-6/2005Chức năng của tầng mạngnetworkdata linkphysicalnetworkdata linkphysicalnetworkdata linkphysicalnetworkdata linkphysicalnetworkdata linkphysicalnetworkdata linkphysicalnetworkdata linkphysicalnetworkdata linkphysicalapplicationtransportnetworkdata linkphysicalapplicationtransportnetworkdata linkphysicalChương 4. Giao thức tầng mạng*1-6/2005Routing & switching in routers1230111value in arrivingpacket’s headerrouting algorithmlocal forwarding tableheader valueoutput link01000101011110013221Chương 4. Giao thức tầng mạng*1-6/2005Ch4. The Network Layer4.1 - Giới thiệu và chức năng của tầng mạng.4.2 - Network service model (VC and Datagram).4.3 - 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*1-6/2005Network 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 dữ liệu (datagram)Chương 4. Giao thức tầng mạng*1-6/2005Virtual 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 mạng*1-6/2005Virtual Circuit: Các giao thức báo hiệuĐược sử dụng để thiết lập, duy trì và kết thúc các mạch ảoĐược sử dụng trong mạng như ATM, Frame Relay, X.25.Không được sử dụng trong mạng Internet ngày nayChương 4. Giao thức tầng mạng*1-6/2005Sự khác biệt giữa liên kết tại tầng Transport và Network?host Aserver Bapplicationtransportnetworkdata linkphysicalapplicationtransportnetworkdata linkphysicalapplicationtransportnetworkdata linkphysicalapplicationtransportnetworkdata linkphysicalChương 4. Giao thức tầng mạng*1-6/2005Datagram 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 mạng*1-6/2005IP 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 mạng*1-6/2005ID=xoffset=0fragflag=0length=4000ID=xoffset=0fragflag=1length=1500ID=xoffset=185fragflag=1length=1500ID=xoffset=370fragflag=0length=1060gam 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 mạng*1-6/2005Network 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 mạng*1-6/2005Datagram 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.ATM(Asynchronous Transfer Mode )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*1-6/2005Ch4. The Network Layer4.1 - Giới thiệu và chức năng của tầng mạng.4.2 - Network service model (VC and Datagram).4.3 - 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*1-6/2005Bộ 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.Chọn đường và chuyển tiếp gói tinĐịnh TuyếnChương 4. Giao thức tầng mạng*1-6/2005Input 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 mạng*1-6/2005Output 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 mạng*1-6/2005Ch4. 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.Internet ProtocolChương 4. Giao thức tầng mạng*1-6/2005The Internet (TCP/IP) network layerNetwork layer được thực thi tại end system cũng như tại router!NetworklayerĐặc điểm của giao thức IPĐịnh danh các nút trên mạngMạng và TrạmXác định lộ trìnhDataIP datagram format*/70data (variable length,typically a TCP or UDP segment)IP datagram formatVersion (4 bit): IPv4 hoặc IPv6IHL (IP packet Header Length) (4 bit): đơn vị word 32 bit.Min = 5 (không có thêm trường tuỳ chọn)Max = 15 (trường tuỳ chọn là 40 byte)Đối với một số tuỳ chọn, thí dụ để ghi con đường mà packet đã đi qua, 40 byte là quá nhỏ, không thể dùng được.*/70IP datagram formatTrường Type of service (8 bits): Dịch vụ và mức ưu tiên.Ý nghĩa của nó được người ta thay đổi chút ít trong các năm qua.Có thể có nhiều cách kết hợp khác nhau giữa độ tin cậy và tốc độ. Đối với tiếng nói được số hoá, việc phân phát nhanh quan trọng hơn phân phát chính xác. Đối với FTP, việc truyền không có lỗi quan trọng hơn việc truyền nhanh. Bản thân chính trường này lại bao gồm một số trường, tính từ trái qua phải như sau:Precedence (3 bit đầu tiên): quyền ưu tiên; 0 = normal, ... , 7 = network control packet.Cờ D, T và R (3 bit tiếp theo): cho phép host chỉ ra là nó quan tâm (cần) đến gì nhất trong tập hợp {Delay, Throughput và Reliability}. Trong thực tế, các router hiện nay lờ toàn bộ trường Type of service.2 bit còn lại hiện nay chưa dùng đến. */70IP datagram formatTrường Total Length (16 bits): Tổng chiều dài packet, kể cả header lẫn data, đơn vị = byte.Max = 65535 byteHiện nay giới hạn trên là có thể chấp nhận đượcVới các mạng Gigabit trong tương lai sẽ cần đến các datagram lớn hơn. */70IP datagram formatTrường Identification (16 bit): từ định danh của datagram (IP packet)Dùng cho host đích xác định được mảnh (fragment) thuộc về datagram nào.Tất cả các mảnh của một datagram có cùng một giá trị của trường Identification.*/70IP datagram formatTrường Flags (2 bits): dùng cho quá trình Fragmentation/ ReassemblySau trường Identification là một bit không dùng đến. Flags gồm 2 trường 1 bit là DF và MF.DF (Don't Fragment): lệnh cho các router đừng có phân mảnh datagram. Datagram phải tránh mạng có kích thước packet nhỏ.Tất cả các máy được yêu cầu chấp nhận việc phân mảnh đến 576 byte hoặc nhỏ hơn.MF (More Fragments): Tất cả các mảnh của datagram, trừ mảnh cuối cùng phải có bit MF=1  để biết được khi nào tất cả các mảnh của một datagram đã đến đích. */70IP datagram formatTrường Fragment offset (13 bits): cho biết khoảng cách tương đối của gói tin IP trong gói tin bị phân mảnh.Tất cả các mảnh của một datagram, trừ mảnh cuối cùng phải có chiều dài là bội số của 8 bytes - đơn vị cơ sở của mảnh.13 bit  nên số mảnh lớn nhất của một datagram là 8192*/70IP datagram formatTrường Time to live – TTL (8 bits): con đếm thời gian sống của một packetKhi = 0, packet bị loại bỏ và một packet cảnh báo được gửi cho bên nguồn Ngăn chặn các datagram đi lang thang mãi (nếu bảng chọn đường có lúc bị hỏng)Giả thiết đơn vị là giây  max = 255s; thường được đặt = 30sPhải được giảm đi một tại mỗi chặng (hop) và được giảm nhiều lần khi đứng xếp hàng một thời gian dài trong mỗi router.Thực tế, nó chỉ đếm các chặng.*/70IP datagram formatTrường Protocol (8 bits): Chỉ loại số liệu giao thức mức trên nằm trong trường Data.Cho biết cần trao datagram cho quá trình nào của tầng transport.Một khả năng là TCPNhưng cũng có thể là UDP và các quá trình khác.Việc đánh số các giao thức là trên phạm vi toàn cầu, trên toàn bộ Internet, được định nghĩa trong chuẩn RFC 1700. */70IP datagram formatTrường Header checksum (16 bits):Tính riêng cho header, giúp phát hiện các lỗi phát sinh trong bộ nhớ của router.Được tính lại tại mỗi chặng (hop), bởi vì sau mỗi chặng có ít nhất là một trường bị thay đổi (trường TTL).Cách tính: cộng tất cả các 16-bit halfwords sử dụng số dạng bù 1; sau đó lấy bù 1 của kết quả (phép toán XOR  tốc độ cao).*/70IP datagram formatTrường Source address, Destination address (32 bit):Địa chỉ IP của bên gửi và nhậnMỗi địa chỉ bao gồm: địa chỉ mạng và địa chỉ host trong mạngTrường Options: Tạo ra lối thoát cho các version sau:Bổ sung thêm các thông tin không có trong version đầu tiênThí nghiệm thử các ý tưởng mới và để tránh việc phải dành (allocate) các bit của header cho các thông tin hiếm khi cần đến.Chiều dài có thể thay đổi: 0..(15 – 5) x 32 bitsMỗi Option bắt đầu bằng một mã 1 byte chỉ ra tuỳ chọncont. */70IP datagram formatTrường Options:Hiện thời có 5 tuỳ chọn (option) đã được định nghĩaSecurity (an ninh) Chỉ ra mức độ bí mật của datagramStrict source routing Chỉ ra con đường đầy đủ để đi theoLoose source routing Chỉ ra danh sách các router không được bỏ quaRecord route Buộc mỗi router gắn địa chỉ IP của nó vàoTimestamp Buộc mỗi router gắn địa chỉ IP và timestamp của nó vàoTuy nhiên không phải mọi router đều hỗ trợ tất cả các tuỳ chọn này. Padding: Được chèn thêm sao cho chiều dài Header = bội của 32 bits Trường Data (32 bits): Số liệu của giao thức tầng trên.*/70Chương 4. Giao thức tầng mạng*1-6/2005IPv4 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 mạng*1-6/2005Mạng và mạng conInternet = 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 networksLANMạng và mạng conTính di độngXem địa chỉ MAC và IPIPv4 AddressChương 4. Giao thức tầng mạng*1-6/2005IP v4 addressing: Class-fullĐịa chỉ máy trạm, địa chỉ mạngPhân lớp địa chỉChương 4. Giao thức tầng mạng*1-6/2005SubnetĐôi khi cần chia nhỏ một mạng thành các mạng nhỏ hơn (subnet)Ví dụ:Chương 4. Giao thức tầng mạng*1-6/2005Subnet 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?Class ACác khối địa chỉ lớp AClass BCác khối địa chỉ lớp BClass CCác khối địa chỉ lớp CVí dụ về địa chỉ mạngFill in The informationFill in The informationChương 4. Giao thức tầng mạng*1-6/2005Network 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 127.0.0.1Sự khủng hoảng của địa chỉ IPv4