Bài giảng Mạng máy tính: Chương 4 - ĐH Giao thông Vận tải

Chương 4 trình bày về Giao thức tầng mạng. Nội dung cụ thể của chương này gồm có: Network service model (VC and Datagram), thiết bị tầng mạng - Bộ định tuyến (router), giao thức IP (Internet Protocol), giải thuật chọn đường (Routing Algorithms), chọn đường trong mạng Internet.

Chương 4.

Giao thức tầng mạng (network layer)

Quang Dieu Tran, PhD Faculty of Information Technology University of Communication and Transport (Branch in Ho Chi Minh City)

Email: dieutq@gmail.com Website: sites.google.com/sites/tranlectures

Chương 4 Giao thức tầng mạng 2

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  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

network

data link physical

network

data link physical

network

data link physical

network

data link physical

network

data link physical

network

data link physical

network

data link physical

application transport

network

data link physical

application transport

network

data link physical

Chương 4 Giao thức tầng mạng 4

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

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.

Chương 4 Giao thức tầng mạng 6

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?

kênh ảo (virtual circuit)

lược đồ (gam) dữ liệu (datagram)

Virtual Circuit

kết sau khi truyền xong

truyền ảo (VC) từ sender tới receiver (đã biết địa chỉ).

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

Chương 4 Giao thức tầng mạng 8

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

3 Accept call

4 Call connected

5 Data flow begins 6 Receive data

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

network

data link physical

Chương 4 Giao thức tầng mạng 10

Datagram network

kênh

network

data link physical

Network taxonomy (review)

circuit-switched

networks (vd telephone)

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.

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.

Chương 4 Giao thức tầng mạng 14

Bộ định tuyến – router

ra thích hợp

Physical layer:

bit-level reception

Data link layer:

e.g., Ethernet

Chương 4 Giao thức tầng mạng 16

Các cơ cấu chuyển mạch (switching fabrics)

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

Chương 4 Giao thức tầng mạng 18

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.

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.

IP datagram - example

Receiver’s MAC address

Sender’s MAC address

Type of upper layer’s protocol

( 0x0800 = IP )

Chương 4 Giao thức tầng mạng 22

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

IP’s Header

Dest’s IP: 203.162.4.190

Chương 4 Giao thức tầng mạng 24

Phân tích gói tin tầng Internet - Transport

 Địa chỉ MAC của sender & receiver ?

 Địa chỉ IP của sender và receiver ?

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)

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:

Chương 4 Giao thức tầng mạng 28

bangtqh@utc2.edu.vn

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.

phần network trong IP addr

giống nhau.

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

IP addressing: Class-full

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:

Chương 4 Giao thức tầng mạng 32

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

 Loopback ip: 127.x.x.x

các gói tin được coi như được gửi tới từ nút khác

thường dùng 127.0.0.1

IP addressing: CIDR

 Class-full addressing: sự phân lớp cứng nhắc,

không còn thích hợp nữa.

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 addr

network part

host part

200.23.16.0/23

Chương 4 Giao thức tầng mạng 34

IP addresses: how to get one?

Windows 2000/XP).

 RARP server cung cấp IP cho client dựa trên bảng cấu hình sẵn có (từ địa chỉ 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.

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”

200.23.20.0/23

Organization 2

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 … … ….

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)

 Một LAN chỉ sử dụng một IP duy nhất khi giao

tiếp với mạng ngoài.

Chương 4 Giao thức tầng mạng 38

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

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

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

Chương 4 Giao thức tầng mạng 40

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

lượng  không được coi là flow.

trên

IPv6 datagram analysis (example)

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

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

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

 Địa chỉ IPv6 của máy gửi và máy nhận ?

 Payload length của IPv6 datagram ?

 Hops limit value ?

 Transport protocol ?

 Source port # and Dest port # at transport layer ?

What are your answers ?

Chương 4 Giao thức tầng mạng 46

IPv6: chuyển đổi IPv4  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

Flow: X Src: A Dest: F

data

Flow: X Src: A Dest: F

data

Src:B Dest: E

Flow: X Src: A Dest: F

data

Src:B Dest: E

B-to-C:

IPv6 inside IPv4

Chương 4 Giao thức tầng mạng 48

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.

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

Chương 4 Giao thức tầng mạng 50

Network: graph abstraction

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

5

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

Chương 4 Giao thức tầng mạng 52

A Link-State Routing Algorithm

bộ mạng.

 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

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

5

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

=

=

Distance table  routing table

Chương 4 Giao thức tầng mạng 58

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:

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

Chương 4 Giao thức tầng mạng 60

DV Algorithm: example

1 2

DV Algorithm: example

1 2

7

Y

 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.

Hierarchical Routing

Dẫn đường theo từng mức mạng, do:

 Quy mô mạng Internet là rất lớn:

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

việc cập nhật bảng dẫn đường tốn kém!

 Nhu cầu mạng tự trị

Internet = network of networks

người quản trị mạng muốn điều khiển việc dẫn đường (routing) trong mạng họ quản lý