Bài giảng Mạng máy tính và internet: Chương 5 - ThS. Trần Quang Hải Bằng

Chương 5 trình bày các giao thức tầng network. Chương này gồm có những nội dung chính sau: Các nguyên lý dịch vụ tầng mạng, bộ định tuyến (router), giao thức IP (Internet Protocol), giải thuật chọn đường (định tuyến), định tuyến trong Internet. Mời các bạn tham khảo.

3 Giao thức IP (Internet Protocol).

4 Giải thuật chọn đường (định tuyến).

4 Giải thuật chọn đường (định tuyến).

5 Định tuyến trong Internet.

transport

network data link physical

bangtqh@utc2.edu.vn Chương 5 - Giao thức tầng mạng 3

network

data link physical

5.1 Nguyên lý & dịch vụ tầng mạng (tt)

Gửi các phân đoạn dữ liệu

(segment) từ máy gửi tới máy

nhận

Máy gửi (sender) đóng gói các

segment thành các gói tin

(packet) và vận chuyển nó tới

máy đích

network

data link physical

network

data link physical

network

data link

network

data link physical

network

data link physical

application transport

network

data link physical

máy đích

Tại máy đích (receiver) phát

packet lên tầng transport

Giao thức tầng mạng cần phải

triển khai tại mọi node trên mạng

Các bộ định tuyến kiểm tra

header của mọi packet đi qua nó

network

data link physical

network

data link physical

data link physical

network

data link physical

application transport

network

data link physical

3 2 2 1

routing algorithm determines end-end-path through network forwarding table determines local forwarding at this router

1

2 3

0111

value in arriving

packet’s header

5.1 Nguyên lý & dịch vụ tầng mạng (tt)

Tầng vận tải (transport) cần gì ở tầng mạng?

– 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 ?

bangtqh@utc2.edu.vn

Hai mô hình cơ bản của tầng mạng:

– Kênh ảo (virtual circuit)

– Lược đồ (gram) dữ liệu (datagram)

– Data transfer: Truyền qua dữ liệu qua VC.

– VC teardown: Hủy bỏ VC (sender hoặc receiver ra thông báo ngắt VC)

VC)

Mỗi packet chứa thông tin về kênh mà nó sẽ đi qua (VC identifier number)

Các bộ thiết bị định tuyến luôn nắm giữ trạng thái của

kênh ảo (VC) 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.

bangtqh@utc2.edu.vn Chương 5 - Giao thức tầng mạng 9

network

data link physical

1 Initiate call 2 incoming call

3 Accept call

4 Call connected

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

Datagram or VC network: why?

Tương tác người-người đòi hỏi:

– thời gian truyền.

– độ tin cậy.

bangtqh@utc2.edu.vn

– có khả năng thích nghi,

kiểm soát, khôi phục lỗi.

– kiến trúc bên trong mạng

đơn giản nhưng kết nối các

Các thiết bị cuối đơn giản, dường như cố định:

– điện thoại.

– mức độ phức tạp nằm bên trong mạng.

Nội dung

1 Các nguyên lý dịch vụ tầng mạng

2.

2 Bộ định tuyến (router) Bộ định tuyến (router).

3 Giao thức IP (Internet Protocol).

4 Giải thuật chọn đường (định tuyến).

4 Giải thuật chọn đường (định tuyến).

5 Định tuyến trong Internet.

5.2 Bên trong bộ định tuyến

Hai chức năng chính

Chạy giải thuật chọn đường (RIP, OSPF, BGP).

Chuyển tiếp (forwarding) các gói tin từ cổng vào tới cổng ra thích hợp.

bangtqh@utc2.edu.vn Chương 5 - Giao thức tầng mạng 13

Cổng vào

Physical layer:

Chuyển mạch không tập trung:

Cho đích của gói tin, tìm cổng ra sử dụng bảng chuyển mạch trong bộ nhớ của cổng vào

Mục tiêu: hoàn thành xử lý ở cổng vào với ‘tốc

Các cơ cấu chuyển mạch

Ba cơ cấu

memory

bangtqh@utc2.edu.vn Chương 5 - Giao thức tầng mạng 15

Chuyển mạch qua bộ nhớ

Một máy tính truyền thống với cài đặt cơ chế chuyển mạch dưới sự điều khiển trực tiếp của CPU

Gói tin được chép vào bộ nhớ hệ thống

vận tốc bị hạn chế bởi băng thông của bộ nhớ (mỗi gói đi qua mạch bus 2 hai lần)

input port (e.g., Ethernet)

memory

output port (e.g., Ethernet)

system bus

Chuyển gói thông qua mạch dẫn

Gói tin đi từ bộ nhớ của cổng vào tới

bộ nhớ của cổng ra thông qua một

mạch chia sẻ (shared bus)

Tranh giành bus: tốc độ chuyển

mạch bị hạn chế bởi băng thông của

thông của bus

Thiết kế cao cấp: chia gói tin thành

các ô đó qua cơ cấu chuyển mạch.

Cisco 12000: chuyển 60 Gbps

thông qua một mạng kết nối lẫn

nhau

crossbar

Cổng ra

Buffering : gói tin đến từ cổng vào nhanh hơn tốc

độ truyền tải Cần đưa vào bộ nhớ đệm.

Nguyên tắc lập lịch: Cơ chế lựa chọn các

datagram từ bộ đệm để tiếp tục gửi đi.

Datagram (packets) can be lost due to congestion, lack of buffers

bangtqh@utc2.edu.vn Chương 5 - Giao thức tầng mạng 19

due to congestion, lack of buffers

Priority scheduling – who gets best performance, network neutrality

5.2 Bên trong bộ định tuyến (tt)

Xếp hàng (queuing ở cổng ra)

switch fabric

switch fabric

Nhớ tạm khi mà tốc độ tới vượt quá tốc độ của đường đi

ra

xếp hàng (trễ) và mất gói là do tràn bộ nhớ tạm của cổng ra!

at t, packets more

from input to output

one packet time later

5.2 Bên trong bộ định tuyến (tt)

Nhớ tạm (buffering) bao nhiêu thì đủ?

RFC 3439: bộ nhớ đệm trung bình bằng RTT “trung bình” (khoảng 250 msec) nhân với băng thông của liên kết C

5.2 Bên trong bộ định tuyến (tt)

Tranh chấp đầu ra:

Chỉ packet đỏ được đi ra packet đỏ (chậm hơn) bị chặn lại

switch fabric

1 packet đỏ đã được chuyển tới đầu ra;

Packet xanh iếp tục bị

chặn lại

switch fabric

Nội dung

1 Các nguyên lý dịch vụ tầng mạng

2 Bộ định tuyến (router).

3.

3 Giao thức IP (Internet Protocol) Giao thức IP (Internet Protocol).

4 Giải thuật chọn đường (định tuyến).

bangtqh@utc2.edu.vn

4 Giải thuật chọn đường (định tuyến).

5 Định tuyến trong Internet.

Tầng

mạng

Nội dung

1 Các nguyên lý dịch vụ tầng mạng

2 Bộ định tuyến (router).

3.

3 Giao thức IP (Internet Protocol) Giao thức IP (Internet Protocol).

4 Giải thuật chọn đường (định tuyến).

bangtqh@utc2.edu.vn

4 Giải thuật chọn đường (định tuyến).

5 Định tuyến trong Internet.

time to live

32 bit địa chỉ IP máy gửi

Tổng độ dài gói tin (bytes)

head.

len type of service

fragment offset

upper layer

Timestamp, Danh

Dữ liệu

(Độ dài bất kỳ, thường là 1 segment TCP hoặc UDP)

32 bit địa chỉ IP máy gửi

tiếp còn lại được

đi qua (giảm mỗi khi qua

1 trạm)

Giao thức tầng trên

(Transport)

6 = TCP; 17 = UDP

32 bit địa chỉ IP máy nhận

Thông tin bổ sung (nếu có)

Timestamp, Danh sách router sẽ đi qua, Đường đi

Chi phí cho TCP

20 byte TCP header

20 bytes IP header

= 40 bytes + Header tầng ứng dụng

IP datagram - example

Receiver’s MAC address

Sender’s MAC address

Type of upper layer’s protocol

Total length:

72 bytes

Id Flags & Fragment’s offset

TTL Transport’s protocol: UDP Checksum Source’s IP: 192.168.1.10

Địa chỉ MAC của sender & receiver ?

Địa chỉ IP của sender và receiver ?

Độ dài tổng của IP datagram ?

Phân mảnh và ghép mảnh IP

Fragment: Đường kết nối trong

mạng có kích thước truyền tải

tối đa (MTU) cho 1 packet.

packet ban đầu tại đích.

– các bit trong header IP được

Một datagram lớn được chia thành vài datagram nhỏ hơn

Địa chỉ IP: Giới thiệu

– host interface: mỗi máy tính

thường có một NIC, cho

phép nối vào một đường liên

– Mạng tạo bởi các interface

có phần network trong địa

chỉ IP giống nhau.

– Các host cùng subnet có

thể trao đổi dữ liệu không

cần thông qua router.

223.1.1.3

223.1.1.4 223.1.2.9

223.1.2.2

223.1.3.2 223.1.3.1

223.1.3.27

network = 3 IP networks

subnet

223.1.7.0 223.1.9.2

bangtqh@utc2.edu.vn Chương 5 - Giao thức tầng mạng 35

223.1.2.2 223.1.2.1

223.1.2.6

223.1.3.2 223.1.3.1

223.1.3.27

223.1.7.1 223.1.8.0

223.1.8.1 223.1.9.1

Đánh địa chỉ IP: Class-Full

Đánh địa chỉ IP: Classless

Class-full: sự phân lớp cứng nhắc, không còn thích hợp nữa (mạng con quá lớn/quá nhỏ)

CIDR ( C lassless I nter D omain R outing):

– Số bit dành cho subnet có độ dài bất kỳ (theo ý đồ của nhà cung cấp hoặc người quản trị mạng)

– Ký hiệu: a.b.c.d/x, với x là số lượng bit dành cho phần

host part

Xác định địa chỉ subnet ?

Địa chỉ mạng:

– Tất cả các bit phần host đặt về 0

cho biết địa chỉ mạng

Kiểm tra công thức

Ví dụ: hãy cho biết 3 địa chỉ sau địa chỉ nào cùng

Địa chỉ quảng bá (broadcast)

Khi một host gửi tin cho tất cả các máy trong cùng subnet

– Cách 1: Gửi N gói tin tới N máy trong subnet

– Cách 2: Gửi 1 gói tin với địa chỉ quảng bá của subnetHai loại địa chỉ quảng bá

bangtqh@utc2.edu.vn

Hai loại địa chỉ quảng bá

– Private broadcast address: 255.255.255.255

– Direct broadcast address: tất các bit phần host = 1

– Địa chỉ địa chỉ mạng: các bit phần host = 0

– Địa chỉ broadcast của mạng: các bit phần host =1

– Số host tối đa trong mạng = 2(32-x) – 2

– Địa chỉ host đầu tiên = a.b.c.d/x + 1

– Địa chỉ host cuối cùng = đ/c broadcast – 1

Địa chỉ loopback 127.x.x.x

– Các gói tin được coi như được gửi tới từ nút khác

Địa chỉ IP: How to get one?

Làm thế nào để có địa chỉ IP cho host?

– Người quản trị hệ thống thiết lập

• Windows:

control-panel->network->configuration->tcp/ip->properties

• UNIX: /etc/rc.config

– DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol):

• Giao thức cấp địa chỉ IP tự động mỗi khi client tham gia vào mạng

• DHCP server phụ trách việc cấp phát/thu hồi IP

• Client có thể nhận địa chỉ IP khác nhau tuỳ theo thời điểm kết nối.

Mục đích: cho phép máy lấy địa chỉ IP động tự động

từ máy chủ trong mạng khi nó tham gia vào mạng – Có thể làm mới địa chỉ

– Cho phép sử dụng lại địa chỉ

– Hỗ trợ người dùng di động (laptop) khi họ muốn tham gia vào mạng

bangtqh@utc2.edu.vn

gia vào mạng

Tổng quan DHCP:

– Client phát tán thông điệp “DHCP discover”

– DHCP server trả lời với thông điệp “DHCP offer”

– Client yêu cầu địa chỉ IP: th/điệp “DHCP request”

– DHCP server gửi địa chỉ: t/điệp “DHCP ack”

223.1.2.1

DHCP server

arriving DHCP client needs address in this network

223.1.2.0/24

223.1.3.0/24

223.1.1.3

223.1.3.2 223.1.3.1

223.1.3.27 223.1.2.2 network

DHCP offer

src: 223.1.2.5, 67 dest: 255.255.255.255, 68 yiaddrr: 223.1.2.4

Broadcast: is there a DHCP server out there?

Broadcast: I’m a DHCP server! Here’s an IP

bangtqh@utc2.edu.vn Chương 5 - Giao thức tầng mạng 47

transaction ID: 654 lifetime: 3600 secs

DHCP request

src: 0.0.0.0, 68 dest:: 255.255.255.255, 67 yiaddrr: 223.1.2.4 transaction ID: 655 lifetime: 3600 secs

DHCP ACK

src: 223.1.2.5, 67 dest: 255.255.255.255, 68 yiaddrr: 223.1.2.4 transaction ID: 655 lifetime: 3600 secs

server! Here’s an IP address you can use

Broadcast: OK I’ll take that IP address!

Broadcast: OK You’ve got that IP address!

Địa chỉ IP: Làm sao để có đ/c mạng

Hỏi: Làm sao ISP lấy được một khối địa chỉ?

Đáp: ICANN : I nternet C orporation for A ssigned

– Cấp phát địa chỉ

– Quản lí DNS

– Đăng kí tên miền, giải quyết tranh chấp

– Đăng kí tên miền, giải quyết tranh chấp

Địa chỉ IP: Quản lý địa chỉ phân cấp

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

200.23.16.0/23

Organization 0

bangtqh@utc2.edu.vn Chương 5 - Giao thức tầng mạng 49

“Gửi cho tôi các gói tin với địa chỉ bắt đầu bằng 200.23.16.0/20 ”

ISP - ABC “Gửi cho tôi các gói tin

với địa chỉ bắt đầu bằng

Quản lý địa chỉ phân cấp

Đánh địa chỉ phân cấp cho phép quảng bá thông tin định tuyến một cách hiệu quả:

ISP-ABC có đường đi cụ thể hơn tới ISP-X

“Gửi cho tôi các gói tin với địa chỉ bắt đầu bằng 200.23.16.0/20 ”

ISP - ABC “Gửi cho tôi các gói tin

với địa chỉ bắt đầu bằng

Chuyển gói tin IP từ nguồn đích

223.1.1.1

223.1.1.2

223.1.1.4 223.1.2.9

223.1.2.1

Routing table tại A

Dest Net Next router Nhops 222.1.1.0 - 1 223.1.2.0 223.1.1.4 2 223.1.3.0 223.1.1.4 2

Tình huống 1:

– Host A có nhu cầu gửi

tin tới host B

– Datagram được gắn địa

– Host A có nhu cầu gửi

tin tới host E

– Datagram được gắn địa

223.1.1.2

223.1.1.4 223.1.2.9

223.1.2.1

Routing table tại A

Dest Net Next router Nhops 222.1.1.0 - 1 223.1.2.0 223.1.1.4 2 223.1.3.0 223.1.1.4 2

223.1.3.27

B

E

223.1.1.1 223.1.2.2 Data

Chuyển gói tin IP từ nguồn đích

Tình huống 2 (tt)

– Router kiểm tra bảng

định tuyến xác định

dest Addr là 223.1.2.0

– Tâng datalink tại router

chuyển ipdatagram tới

223.1.1.1

223.1.1.2

223.1.1.4 223.1.2.9

223.1.2.1

Routing table Router

Dest Net Next Numof Interface

router hops 222.1.1.0 - 1 223.1.1.4 223.1.2.0 - 1 223.1.2.9 223.1.3.0 - 1 223.1.3.27

223.1.3.27

B

E R

NAT: Network Address Translation

10.0.0.1

10.0.0.2 10.0.0.4

138.76.29.7

Mạng nộibộ (vd, mạng gia đình) 10.0.0/24

Phần còn lại của Internet

10.0.0.3 138.76.29.7

Các gói tin trong mạng này đều có đ/c IP nguồn và đích thuộc mạng 10.0.0/24

Tất cả ipdatagrams đi ra khỏi mạng

Nội bộ có cùng một địa chỉ IP nguồn

NAT: 138.76.29.7, và số cổng khác

nhau

– Có thể đổi đ/c IP của các host trong mạng nội mà

“không ảnh hưởng tới hòa bình thế giới”

– Đổi ISP khác nhưng không cần thay đổi lại địa chỉ của các thiết bị trong mạng nội bộ

– Các thiết bị, host trong mạng nội bộ “vô hình” với thế giới mạng bên ngoài (điểm cộng cho an ninh mạng)

NAT: Implementation

Triển khai NAT tại các Router

Datagram đi ra: thay thế (source IP, port #) thành (NAT IP, port # mới)

Host ở xa sẽ trả lời sử dụng (IP NAT, port # mới) làm địa chỉ đích

Ghi nhớ (trong bảng) mọi cặp dịch từ (source IP, port #) thành (NAT IP, port # mới)

Datagrams đi vào: thay thế (NAT IP, port # mới) trong

trường destination thành (source IP, port #) tương ứng đã

NAT: Implementation

10.0.0.1

S: 10.0.0.1, 3345 D: 128.119.40.186, 80

1:host 10.0.0.1 gửi ipdatagram đến 128.119.40.186, 80

NAT translation table WAN side addr LAN side addr

2

bảng NAT

S: 128.119.40.186, 80 D: 138.76.29.7, 5001 3

3:datagram trả lời có địa chỉ đích là:

138.76.29.7, 5001

4:NAT router Đổi địa chỉ đích 138.76.29.7, 5001 trong gói tin trả lời thành 10.0.0.1, 3345

NAT (tt)

Trường port-number có 16 bit

– Cho phép tới 60.000 kết nối đồng thời tới 1 đ/c LAN

– Nằm ở tầng transport

“Tranh cãi” khi dùng NAT

– Router nên “chỉ làm việc” ở lớp 3 (network layer)

– Router nên “chỉ làm việc” ở lớp 3 (network layer)

– Vi phạm nguyên tắc end-to-end

• Với các ứng dụng P2P thì NAT phải xem xét khi tiết kế

– Việc cạn kiệt không gian địa chỉ IP nên giải quyết bằng IPv6

Vấn đề truy cập vào trong NAT

khách muốn truy cập vào máy

để chuyển tiếp yêu cầu kết nối

tới cổng nhất định nào đó sang

138.76.29.7

Vấn đề truy cập vào trong NAT

Plug and Play (UPnP) Internet

Gateway Device (IGD) Cho phép

máy trong mạng NAT:

– Học địa chỉ IP công cộng

10.0.0.1

IGD

138.76.29.7 – Học địa chỉ IP công cộng

Vấn đề truy cập vào trong NAT

Giải pháp 3: chuyển tiếp gói (dùng trong Skype)

– Client trong NAT thiết lập kết nối tới máy chủ chuyển tiếp (MCCT)

– Client bên ngoài kết nối tới MCCT

– MCCT tạo cầu nối gói tin giữa 2 kết nối

bangtqh@utc2.edu.vn Chương 5 - Giao thức tầng mạng 61

138.76.29.7

client

1. Kết nối tới MCCT khởi tạo bởi máy trong NAT

2. Kết nối tới

MCCT bởi máy

ngoài NAT

3.Chuyển tiếp được thiết lập

NAT router

10.0.0.1

Giao thức ICMP

ICMP: Internet Control Message Protocol

– Được các máy tính sử dụng để trao đổi thông tin về tầng mạng

• Báo lỗi

• Kiểm tra tính liên thông request/reply (lệnh ping)

Thông điệp ICMP được đặt trong IP datagram

Thông điệp ICMP được đặt trong IP datagram

– “nằm trên” IP (trường “upper layer” của datagram = 1)

ICMP Message:

– Luôn kèm theo 8 byte

của datagram gây lỗi