Bài giảng Mạng máy tính: Chương 4 - Nguyễn Quang Hải Bằng

Bài giảng Mạng máy tính - Chương 4: Giao thức tầng mạng (network layer) cung cấp cho người học các kiến thức: Giới thiệu và chức năng của tầng mạng, Network service model, thiết bị tầng mạng - Bộ định tuyến, giao thức IP, giải thuật chọn đường, chọn đường trong mạng Internet. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Trang 1

Chương 4.

Giao thức tầng mạng (network layer)

Trần Quang Hải BằngFaculty of Information TechnologyUniversity of Communication and Transport (Branch 2)Office location: Administration building, Block D3, Room 6Office phone: 38962018

Cell phone: N/AEmail: tqhbang@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.

Trang 2

Chương 4 Giao thức tầng mạng 3

23/08 - 10/10/2010

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.

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

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

23/08 - 10/10/2010

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:

Hai model cơ bản của tầng mạng:

Trang 4

23/08 - 10/10/2010

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.

thông báo cho network layer biết, network layer sẽ huỷ bỏ VC.

Còn được gọi là connection-oriented

(VC identifier number).

giữ trạng thái của kênh đi qua nó.

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.

1 Initiate call 2 incoming call

3 Accept call

4 Call connected

5 Data flow begins 6 Receive data

Trang 5

Datagram network

kênh.

1 Send data 2 Receive data

Trang 6

switched networks broadcastnetworks

(vd Radio, Broadcast TV) packet-switched

networks

datagram networks (vd Internet)

virtual switched networks (vd ATM) FDM TDM

circuit-Datagram or VC network: why?

Internet

Mạng 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

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 trongmạng

Trang 7

23/08 - 10/10/2010

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

Bộ định tuyến – router

ra thích hợp.

Trang 8

(datagram) đến nhanh quá, cần phải xếp hàng chờ xử lý.

Trang 9

Scheduling discipline: cơ chế lựa chọn datagram từ bộ đệm

để tiếp tục gửi đi.

4.4 - Giao thức IP (Internet Protocol).

Trang 10

23/08 - 10/10/2010

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

total datagram length (bytes)

upper layer protocol

“type” of data flgs fragment

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

23/08 - 10/10/2010

IP datagram - example

Receiver’s MAC address

Sender’s MAC address

Type of upper layer’s protocol

( 0x0800 = IP )

IP’s Header

IP version: 4 Header length: 20 bytes

TOS Total length:

72 bytes

Id

Flags & Fragment’s offset

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

Trang 12

23/08 - 10/10/2010

IP’s Header

Dest’s IP: 203.162.4.190

Phân tích gói tin tầng Internet - Transport

Địa chỉ MAC của sender & receiver ?

Địa chỉ IP của sender và receiver ?

Độ dài tổng của IP datagram ?

Trang 13

23/08 - 10/10/2010

IP Fragmentation & Reassembly

(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 14

23/08 - 10/10/2010

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

223.1.3.27 223.1.1.1 = 11011111 00000001 00000001 00000001

32-bit = 4 số 8-bit dạng thập phân dễ nhớ:

Mạng & mạng con (subnet)

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.

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 16

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 củainterface (host)

có thông số như sau:

(111111111.11111111.11111111.00000000)

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 17

CIDR (Classless InterDomain Routing):

addr.

11001000 00010111 00010000 00000000

network part

host part

200.23.16.0/23

IP addresses: how to get one?

Người quản trị hệ thống thiết lập (TCP/IP properties trong

Windows 2000/XP).

RARP server cung cấp IP cho client dựa trên bảng cấu hình sẵn có (từ địachỉ vật lý (MAC) IP)

BOOTP server cung cấp IP cho client dựa trên bảng cấu hình sẵn có

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 18

23/08 - 10/10/2010

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 anything

with addresses beginning 199.31.0.0/16”

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

rest of Internet

Datagrams with source or destination in this networkhave 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

Trang 19

23/08 - 10/10/2010

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.

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

Trang 20

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

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)

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 21

hơn, chất lượng hơn (QoS).

trên.

Trang 22

23/08 - 10/10/2010

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 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 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.

Receiver’s MAC Sender’s MAC Type: 0x86DD (IPv6)

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 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 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.

TCP at upper layer Payload length: 203 (bytes) Hops Limit: 64 Flow label

Trang 23

23/08 - 10/10/2010

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

Source port # and Dest port # at transport layer ?

What are your answers ?

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.

Trang 24

Flow: X Src: A Dest: F

data

Src:B Dest: E

data

Src:B Dest: E

B-to-C:

IPv6 inside IPv4

4.5 - Giải thuật chọn đường (Routing Algorithms).

4.6 - Chọn đường trong mạng Internet.

Trang 25

value in arriving packet’s header

routing algorithm

local forwarding table header value output link

0100 0101 0111 1001

3 2 2 1

Network: graph abstraction

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

z

2 2

1

1 2

5 3

5

Trang 26

23/08 - 10/10/2010

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:

tới đỉnh v.

Trang 27

D(D),p(D)1,A

D(E),p(E)

∞2,D

D(F),p(F)

∞

∞4,E4,E4,E

A

CB

F

2 2

1 2

5 3

5

Trang 28

23/08 - 10/10/2010

Distance Vector Routing Algorithm

Distance Table data structure

chi phí cho đường đi (XZ*Y)

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

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

Trang 29

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 30

23/08 - 10/10/2010

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

DV Algorithm: example

1 2

Định dạng
Số trang	39
Dung lượng	1,04 MB