Giao thức tầng mạng chapter04

The Network Layer 4.1 - Giới thiệu và chức năng của tầng mạng.. The Network Layer 4.1 - Giới thiệu và chức năng của tầng mạng.. Giao thức tầng mạng 8 1-6/2006 Virtual Circuit: Signaling

Trang 1

Chương 4.

Giao thức tầng mạng (network layer)

Đặng Xuân Hà Computer Networking 2006 Dept of CS, HAU1.

Chương 4 Giao thức tầng mạng 2

1-6/2006

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.

Chức năng của tầng mạng

Truyền các gói tin (packets) từ sending

host tới receiving host.

segment Æ 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 linkphysical

network

data linkphysical

network

data linkphysical

network

data linkphysical

network

data linkphysical

network

data linkphysical

network

data linkphysical

network

data linkphysical

applicationtransport

network

data linkphysical

applicationtransport

network

data linkphysical

Trang 2

1-6/2006

Routing & switching in routers

1 2 3

0111

value in arriving packet’s header

routing algorithm

local forwarding tableheader value output link

0100011132

1-6/2006

4.1 - Giới thiệu và chức năng của tầng mạng.

4.2 - Network service model (VC and Datagram).

Network service model

Tầng mạng cung cấp dịch vụ cho tầng Transport:

tin cậy vào tầng network?

các gói tin có đến đích đúng thứ tự đã gửi?

thời gian truyền có được đảm bảo?

có phản hồi về tình trạng nghẽn mạng?

Hai model cơ bản của tầng mạng:

kênh ảo (virtual circuit)

lược đồ (gam) dữ liệu (datagram)

Trang 3

1-6/2006

Virtual Circuit

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.

Æ Còn được gọi là connection-oriented

(VC identifier number).

giữ trạng thái của kênh đi qua nó.

1-6/2006

Virtual Circuit: Signaling protocol

network layer để yêu cầu thiết lập, huỷ bỏ VC; giữa các

thiết bị chuyển mạch (switches) để thiết lập VC.

network

data link physical

1 Initiate call 2 incoming call 3 Accept call

4 Call connected 5 Data flow begins

network

data link physical

Trang 4

1-6/2006

Datagram network

kênh.

network

data link physical

communication networks switched

(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”

(computer):

có khả năng thích nghi, kiểm

soát, khôi phục lỗi.

kiến trúc bên trong mạng đơn

giản nhưng kết nối các mạng

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 5

1-6/2006

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

1-6/2006

Bộ định tuyến – router

Physical layer:

bit-level reception

Data link layer:

e.g., Ethernet

Trang 6

Scheduling discipline : cơ chế lựa chọn datagram từ bộ đệm

để tiếp tục gửi đi.

4.4 - Giao thức IP (Internet Protocol).

Trang 7

1-6/2006

The Internet (TCP/IP) network layer

routing table

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

or UDP segment)

16-bit identifier

Internet checksum

time to live

32 bit source IP address

IP protocol version

number header length

(bytes) max number

remaining hops

(decremented at

each router)

for fragmentation/

reassembly

total datagram length (bytes)

upper layer protocol

to deliver payload to

6 = TCP; 17 = UDP

head.

len type of service

offset upper

layer

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

record route taken, specify list of routers

to visit.

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)

Trang 8

=x fragflag =1 offset =185

length

=1500 ID

1-6/2006

IPv4 Addressing: introduction

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

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

223.1.1.3

223.1.1.4 223.1.2.9

223.1.2.2 223.1.2.1

223.1.3.2 223.1.3.1

223.1.3.27 223.1.1.1 = 11011111 00000001 00000001 00000001

32-bit = 4 số 8-bit Æ 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.

Các bit thấp dành cho host.

Mạng tạo bởi các interface có

phần network trong IP addr

giống nhau.

Các host cùng network có thể

trao đổi dữ liệu không cần

thông qua router.

223.1.1.1 223.1.1.2

223.1.1.3

223.1.1.4 223.1.2.9

223.1.2.2 223.1.2.1

223.1.3.2 223.1.3.1

223.1.3.27

network = 3 IP networks

LAN

Trang 9

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).

có thông số như sau:

IP = 192.168.10.1

SM = 255.255.255 0

( 111111111.11111111.11111111 00000000)

(IP1 XOR IP2) AND SM = 0?

Trang 10

1-6/2006

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.

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

IP addresses: how to get one?

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) Æ 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 11

1-6/2006

Phân cấp địa chỉ Internet - ISP

“Send me anythingwith 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-ISPOrganization 0

Organization 1

ISPs-R-Us “Send me anythingwith addresses

beginning 199.31.0.0/16”

10.0.0.4 138.76.29.7

local network (e.g., home network) 10.0.0/24

rest of Internet

Datagrams with source or destination in this network have 10.0.0/24 address for source, destination (as usual)

All datagrams leaving local

network have same single source

NAT IP address: 138.76.29.7,

different source port numbers

NAT: Network Address Translation (cont)

Giả sử một LAN chỉ sử dụng một IP duy nhất khi

giao tiếp với mạng ngoài.

Lợi điểm:

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

Trang 12

1-6/2006

NAT: Implementation

NAT router:

outgoing datagrams: replace (source IP address, port #) of every

outgoing datagram to (NAT IP address, new port #)

remote clients/servers will respond using (NAT IP address, new

port #) as destination addr.

remember (in NAT translation table) every (source IP address, port

#) to (NAT IP address, new port #) translation pair

incoming datagrams: replace (NAT IP address, new port #) in dest

fields of every incoming datagram with corresponding (source IP

address, port #) stored in NAT table

1-6/2006

NAT example

10.0.0.1 10.0.0.2 10.0.0.3

S: 10.0.0.1, 3345D: 128.119.40.186, 801

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

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

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 13

phần tiêu đề (header) cung cấp khả năng xử lý nhanh

hơn, chất lượng hơn (QoS).

ứng dụng không đòi hỏi chất

lượng Æ không được coi là flow.

trên.

IPv6: chuyển đổi IPv4 Æ 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.

Trang 14

Flow: XSrc: ADest: F

data

Src:B Dest: E

data

Src:B Dest: E

1-6/2006

4.5 - Giải thuật chọn đường (Routing Algorithms).

Forwarding & routing

1 2 3

0111

value in arriving packet’s header

routing algorithm

local forwarding tableheader value output link

0100011132

Trang 15

1-6/2006

Network: graph abstraction

= { (u,v), (u,x), (v,x), (v,w), (x,w), (x,y), (w,y), (w,z), (y,z) }

phí…

u

y x

w v

z

2 2

1

1 2

5 3 5

1-6/2006

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

link cost thay đổi.

A Link-State Routing Algorithm

tất cả các nút mạng có thông tin như nhau về các liên kết của toàn

bộ mạng.

cho phép tìm đường đi từ một nút tới tất cả các nút còn lại.

Ký hiệu:

c(i,j): chi phí phải trả để đi từ i tới j (trực tiếp)

D(v): giá trị hiện tại của chi phí phải trả để đi từ đỉnh xuất phát

tới đỉnh v.

p(v): đỉnh trước đỉnh v trên đường đi ngắn nhất

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

Trang 16

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

Distance Vector Routing Algorithm

Distance Table data structure

chi phí cho đường đi (XÆZÆ…ÆY)

Z là nút kế tiếp cần đi tới c(X,Z) + min {D (Y,w)} Z

w

=

Trang 17

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,1 D,5 D,4 D,4

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:

Trang 18

1-6/2006

DV Algorithm: Loop

8 loop

9 wait (until I see a link cost change to neighbor V

10 or until I receive update from neighbor V)

11

12 if (c(X,V) changes by d)

13 /* change cost to all dest's via neighbor v by d */

14 /* note: d could be positive or negative */

15 for all destinations y: D (y,V) = D (y,V) + d

16

17 else if (update received from V wrt destination Y)

18 /* shortest path from V to some Y has changed */

19 /* V has sent a new value for its min DV(Y,w) */

20 /* call this received new value is "newval" */

21 for the single destination y: D (Y,V) = c(X,V) + newval

22

23 if we have a new min D (Y,w)for any destination Y

24 send new value of min D (Y,w) to all neighbors

26 forever

w

X X

X w w

7 Y

D (Y,Z) X = c(X,Z) + min {D (Y,w)} w

7 Y

Trang 19

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.

1-6/2006

Hierarchical Routing

Dẫn đường theo từng mức mạng, do:

một nút không thể chứa tất cả các bản ghi cho mọi đích!

việc cập nhật bảng dẫn đường tốn kém!

Internet = network of networks

người quản trị mạng muốn điều khiển việc dẫn đường

(routing) trong mạng họ quản lý.

Hierarchical Routing (cont)

(AS)

gọi là “intra-AS” routing protocol.

routers tại các AS khác nhau có thể sử dụng intra-AS routing

protocol khác nhau.

router đặc biệt trong AS

sử dụng intra-AS routing protocol với các routers khác trong AS

sử dụng inter-AS routing protocol với các gateway

routers khác.

Trang 20

•perform intra-AS routers with other routers in their AS

inter-AS, intra-AS

routing in gateway A.c

network layer link layer physical layer

A.a A.c

C.b

B.a c b c

1-6/2006

Hierarchical Routing (cont)

Host h2 a

b

C A

B

A.a A.c

C.b

B.a c b Host

h1

Intra-AS routing within AS A

Inter-AS routing between

A and B

Intra-AS routing within AS B

4.6 - Chọn đường trong mạng Internet.

Định dạng
Số trang	24
Dung lượng	887,89 KB