Chương 4. Giao thức tầng mạng (network layer) ĐH CNTT

The Network Layer 4.1 - Giới thiệu và chức năng của tầng mạng.. network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data l

Trang 1

Chương 4.

Giao thức tầng mạng (network layer)

Mạng Máy Tính

Nguyễn Duy Khoa Mạng Máy Tính và Truyền Thông Trường ĐH Công Nghệ Thông Tin

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.

Trang 2

duyn@uit.edu.vn 9/30/2011

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

application transport network data link physical

3 of 71

Routing & switching in routers

1 2 3 0111

value in arriving packet’s header

routing algorithm

local forwarding table header value output link

0100 0101 0111 1001

3 2 2 1

Trang 3

4.1 - Giới thiệu và chức năng của tầng mạng.

4.2 - Network service model (VC and Datagram).

5 of 71

Network service model

 Tầng mạng cung cấp dịch vụ cho tầng Transport:

 Hai model cơ bản của tầng mạng:

Trang 4

 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

7 of 71

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

network

data link physical

1 Initiate call 2 incoming call

3 Accept call

4 Call connected

5 Data flow begins 6 Receive data

Trang 5

Sự khác biệt giữa liên kết tại tầng Transport và Network?

network

data link physical

network

data link physical

application transport network data link physical

9 of 71

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

network

data link physical

network

data link physical

1 Send data 2 Receive data

Trang 6

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 switched networks (vd ATM)

 không giới hạn thời gian.

 Các hệ thống cuối “thông minh”

 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.

Trang 7

4.3 - Thiết bị tầng mạng - Bộ định tuyến (router).

13 of 71

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

Trang 8

Trang 9

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

17 of 71

4.4 - Giao thức IP (Internet Protocol).

Trang 10

The Internet (TCP/IP) network layer

routing table

Network layer được thực thi tại end system cũng như tại router!

Network layer

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

offset upper

layer

32 bit destination IP address Options (if any) E.g timestamp,

record route taken, specify list of routers

to visit.

Trang 11

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

offset = 1480/8

Trang 12

IPv4 Addressing: introduction

 IP address: Số 32-bit định danh giao diện mạng (interface).

 Interface (NIC - Network Interface Card): giao diện kết nối mạng

223.1.3.2 223.1.3.1

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.

223.1.3.2 223.1.3.1

223.1.3.27

network = 3 IP networks

LAN

Trang 13

Trang 14

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?

27 of 71

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:

mọi host trong mạng

 Loopback ip: 127.x.x.x

Trang 15

IP addressing: CIDR

 Class-full addressing: sự phân lớp cứng nhắc, không còn thích hợp nữa.

 CIDR (Classless InterDomain Routing):

addr

11001000 00010111 0001000 0 00000000

network part

host part

200.23.16.0/23

29 of 71

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.

Trang 16

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 1

ISPs-R-Us “Send me anythingwith addresses

beginning 199.31.0.0/16”

Organization 7 11001000 00010111 00011110 00000000 200.23.30.0/23

ICANN : I nternet

C orporation for

A ssigned N ames and N umbers

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)

Alldatagrams leavinglocal network have same single source NAT IP address: 138.76.29.7, different source port numbers

Trang 17

NAT: Network Address Translation (cont)

 Một LAN chỉ sử dụng một IP duy nhất khi giao tiếp với mạng ngoài.

 Từ đó:

mạng trong (máy trạm) vì chỉ dùng 1 IP

 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

Trang 18

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, 80

2

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

35 of 71

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.

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

Trang 19

IPv6

 IPv4: sử dụng 32-bit địa chỉ IP sẽ là không đủ???

 IPv6:

hơn, chất lượng hơn (QoS)

Trang 20

 Chuyển đổi tất cả các hosts, routers sang sử dụng IPv6: không thể!!!

 Chuyển đổi dần dần:

(payload) của IPv4 khi đi qua các nút mạng IPv4

data

Flow: X Src: A Dest: F

data

Src:B Dest: E

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

Trang 21

4.5 - Giải thuật chọn đường (Routing Algorithms).

41 of 71

Forwarding & routing

1 2 3 0111

value in arriving packet’s header

routing algorithm

local forwarding table header value output link

0100 0101 0111 1001

3 2 2 1

Trang 22

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

y

x

w v

z

2 2

1

1 2

5 3

5

43 of 71

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

 link cost thay đổi.

Trang 23

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)

tới đỉnh v.

N:tập hợp đỉnh mà đường đi ngắn nhất đã được xác định.

Trang 24

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

E D

C B

F

2 2

1

1 2

5 3

5

47 of 71

Distance Vector Routing Algorithm

Distance Table data structure

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

=

Trang 25

Distance Table: example

A

C B

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

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

Trang 26

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:

51 of 71

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

w

X X

Trang 27

Trang 28

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(n 2 ), nE msgs

 Mỗi nút chỉ tính toán bảng dẫn đường cho riêng mình.

 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.

55 of 71

Hierarchical Routing

Dẫn đường theo từng mức mạng, do:

(routing) trong mạng họ quản lý

Định dạng
Số trang	36
Dung lượng	1,57 MB