Bài giảng Mạng máy tính - Chương 4: Giao thức tầng mạng (Network layer) - Trần Quang Diệu
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.
Trang 1
Trang 2
Trang 3
Trang 4
Trang 5
Trang 6
Trang 7
Trang 8
Trang 9
Trang 10
Tải về để xem bản đầy đủ
Bạn đang xem 10 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Mạng máy tính - Chương 4: Giao thức tầng mạng (Network layer) - Trần Quang Diệu", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
Tóm tắt nội dung tài liệu: Bài giảng Mạng máy tính - Chương 4: Giao thức tầng mạng (Network layer) - Trần Quang Diệu
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. Chương 4. Giao thức tầng mạng 3 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 Chương 4. Giao thức tầng mạng 5 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? Hai model cơ bản của tầng mạng: kênh ảo (virtual circuit) lược đồ (gam) dữ liệu (datagram) Chương 4. Giao thức tầng mạng 7 Virtual Circuit Thiết lập liên kết trước khi truyền dữ liệu và huỷ bỏ liên 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. 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. Chương 4. Giao thức tầng mạng 8 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 application transport network data link physical 1. Initiate call 2. incoming call 3. Accept call 4. Call connected 5. Data flow begins 6. Receive data Chương 4. Giao thức tầng mạng 9 Sự khác biệt giữa liên kết tại tầng Transport và Network? host A server B application transport network data link physical application transport network data link physical application transport network data link physical application transport network data link physical Chương 4. Giao thức tầng mạng 10 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. application transport network data link physical application transport network data link physical 1. Send data 2. Receive data Chương 4. Giao thức tầng mạng 11 Network taxonomy (review) circuit-switchednetworks(vd. telephone) communication networks switchednetworks broadcastnetworks(vd. Radio, Broadcast TV) packet-switched networks datagram networks(vd. Internet) virtual circuit-switched networks(vd. ATM) FDM TDM Chương 4. Giao thức tầng mạng 12 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 phức tạp. 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. Chương 4. Giao thức tầng mạng 13 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 Thực thi các giải thuật chọn đường (routing algorithms). Chuyển tiếp (forwarding) các gói tin từ cổng vào tới cổng ra thích hợp. Chương 4. Giao thức tầng mạng 15 Input ports Decentralized switching : sử dụng forwarding table có trong input port m ... nút kế tiếp cần đi tới c(X,Z) + min {D (Y,w)} Z w = = Chương 4. Giao thức tầng mạng 56 Distance Table: example A E D 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 destination D (C,D) E c(E,D) + min {D (C,w)} D w = = 2+2 = 4 D (A,D) E c(E,D) + min {D (A,w)} D w = = 2+3 = 5 D (A,B) E c(E,B) + min {D (A,w)} B w = = 8+6 = 14 loop! loop! Chương 4. Giao thức tầng mạng 57 Distance table routing table 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 destination A B C D A,1 D,5 D,4 D,4 Outgoing link to use, cost destination 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: Chương 4. Giao thức tầng mạng 59 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 X X w w Chương 4. Giao thức tầng mạng 60 DV Algorithm: example X Z 1 2 7 Y D (Y,Z) X c(X,Z) + min {D (Y,w)} w = = 7+1 = 8 Z D (Z,Y) X c(X,Y) + min {D (Z,w)} w = = 2+1 = 3 Y Chương 4. Giao thức tầng mạng 61 DV Algorithm: example X Z 1 2 7 Y Chương 4. Giao thức tầng mạng 62 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. Distance Vector Chỉ nắm giữ thông tin liên quan tới các nút “hàng xóm” msgs chỉ được gửi cho các nút “hàng xóm”. tốc độ hội tụ có thể khác nhau tuỳ từng tình huống, đôi khi rơi vào trạng thái lặp vô hạn. 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. Chương 4. Giao thức tầng mạng 63 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. Chương 4. Giao thức tầng mạng 64 bangtqh@utc2.edu.vn Hierarchical Routing (cont) Phân vùng routers, tạo thành các “autonomous systems” (AS) routers trong cùng AS sử dụng chung giao thức tìm đường, gọi là “intra-AS” routing protocol. routers tại các AS khác nhau có thể sử dụng intra-AS routing protocol khác nhau. Gateway router: 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. Chương 4. Giao thức tầng mạng 65 Hierarchical Routing (cont) Gateways: perform inter-AS routing amongst themselves 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 b b a a C A B d A.a A.c C.b B.a c b c Chương 4. Giao thức tầng mạng 66 Hierarchical Routing (cont) Host h2 a b b a a C A B d c 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 Chương 4. Giao thức tầng mạng 67 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 68 Routing in the Internet Internet = nhiều Autonomous Systems (AS) : Stub AS : các công ty nhỏ: một kết nối với AS khác. Multihomed AS : công ty lớn: nhiều liên kết tới AS khác. Transit AS : nhà cung cấp (móc nối các AS với nhau). Two-level routing: Intra-AS: người quản trị có quyền chọn giải thuật cho riêng mạng của mình Inter-AS: giải thuật duy nhất (inter-AS routing: BGP) Chương 4. Giao thức tầng mạng 69 Internet AS Hierarchy Inter-AS border (exterior gateway) routers Intra-AS interior (gateway) routers Chương 4. Giao thức tầng mạng 70 Intra-AS Routing Tên gọi khác: Interior Gateway Protocols (IGP) Các giao thức chính: RIP: Routing Information Protocol OSPF: Open Shortest Path First IGRP: Interior Gateway Routing Protocol (Cisco proprietary) Chương 4. Giao thức tầng mạng 71 RIP ( Routing Information Protocol) Sử dụng Distance vector algorithm Included in BSD-UNIX Distribution in 1982 Đơn vị đo khoảng cách: số lượng chặng (hop, tối đa = 15 hops) Routing table được trao đổi 30 giây một lần thông qua RIP response msg (RIP advertisement), mỗi msg chứa tối đa 25 bản ghi. v1: RFC 1058; v2: RFC 1723 D C B A u v w x y z destination hops u 1 v 2 w 2 x 3 y 3 z 2 Chương 4. Giao thức tầng mạng 72 RIP: Example Destination Network Next Router Num. of hops to dest. w A 2 y B 2 z B 7 x -- 1 . . .... w x y z A C D B Routing table in D Chương 4. Giao thức tầng mạng 73 RIP Table processing RIP routing tables managed by application-level process called route-d (daemon) advertisements được gửi định kỳ, qua UDP packets. Chương 4. Giao thức tầng mạng 74 RIP Table example Three attached class C networks (LANs) Router only knows routes to attached LANs Default router used to “go up” Route multicast address: 224.0.0.0 Loopback interface (for debugging) Destination Gateway Flags Ref Use Interface -------------------- -------------------- ----- ----- ------ --------- 127.0.0.1 127.0.0.1 UH 0 26492 lo0 192.168.2. 192.168.2.5 U 2 13 fa0 193.55.114. 193.55.114.6 U 3 58503 le0 192.168.3. 192.168.3.5 U 2 25 qaa0 224.0.0.0 193.55.114.6 U 3 0 le0 default 193.55.114.129 UG 0 143454 Chương 4. Giao thức tầng mạng 75 OSPF (Open Shortest Path First) “open”: publicly available; RFC 2178 Uses Link State algorithm LS packet dissemination Topology map at each node Route computation using Dijkstra’s algorithm OSPF advertisement carries one entry per neighbor router Advertisements disseminated to entire AS (via flooding) Carried in OSPF messages directly over IP (rather than TCP or UDP Chương 4. Giao thức tầng mạng 76 OSPF “advanced” features (not in RIP) Security: các OSPF msgs đều chứa thông tin chứng thực (authenticated). Multiple same-cost paths: Cho phép truyền tin theo nhiều đường có cùng chi phí với cùng một phiên truyền tin. Diff. cost metrics for diff. TOS: Cho phép nhiều đơn vị đo khác nhau cho từng loại dịch vụ (e.g., satellite link cost set “low” for best effort; high for real time) Integrated unicast and multicast support: Multicast OSPF (MOSPF) uses same topology data base as OSPF Hierarchical OSPF in large domains. Chương 4. Giao thức tầng mạng 77 Hierarchical OSPF Two-level hierarchy: local area, backbone. Link-state advertisements only in area each nodes has detailed area topology; only know direction (shortest path) to nets in other areas. Area border routers: “summarize” distances to nets in own area, advertise to other Area Border routers. Backbone routers: run OSPF routing limited to backbone. Boundary routers: connect to other AS’s. Chương 4. Giao thức tầng mạng 78 Internet inter-AS routing: BGP BGP (Border Gateway Protocol): RFC 1771; RFC 1772; RFC 1773 AS2 ( OSPF intra - AS routing) AS1 (RIP intra - AS routing) BGP AS3 ( OSPF intra - AS routing) BGP R1 R2 R3 R4 R5 Chương 4. Giao thức tầng mạng 79 Card mạng (Network Interface Card - NIC) Modem Repeater (Bộ chuyển tiếp) Hub (Bộ tập trung) Bridge (Cầu nối) Switch (Bộ chuyển mạch) Router (Bộ định tuyến) Gateway (Cổng nối) 79 Các thiết bị liên kết mạng Chương 4. Giao thức tầng mạng 80 Biểu diễn của các thiết bị mạng trong sơ đồ mạng 80 Chương 4. Giao thức tầng mạng 81 Card mạng Kết nối giữa máy tính và cáp mạng để phát hoặc nhận dữ liệu với các máy tính khác thông qua mạng. Kiểm soát luồng dữ liệu giữa máy tính và hệ thống cáp. Mỗi NIC ( N etwork I nterface Adapter C ard) có một mã duy nhất gọi là địa chỉ MAC (Media Access Control). MAC address có 6 byte, 3 byte đầu là mã số nhà sản xuất, 3 byte sau là số serial của card. 81 Chương 4. Giao thức tầng mạng 82 Card mạng (tt) 82 Chương 4. Giao thức tầng mạng 83 Modem Là tên viết tắt của hai từ điều chế (MOdulation) và giải điều chế (DEModulation). Điều chế tín hiệu số (Digital) sang tín hiệu tương tự (Analog) để gởi theo đường điện thoại và ngược lại. Có 2 loại là Internal và External. 83 Chương 4. Giao thức tầng mạng 84 Modem 84 Chương 4. Giao thức tầng mạng 85 Repeater (bộ chuyển tiếp) Khuếch đại, phục hồi các tín hiệu đã bị suy thoái do tổn thất năng lượng trong khi truyền. Cho phép mở rộng mạng vượt xa chiều dài giới hạn của một môi trường truyền. Chỉ được dùng nối hai mạng có cùng giao thức truyền thông. Hoạt động ở lớp Physical. 85 Chương 4. Giao thức tầng mạng 86 Repeater (bộ chuyển tiếp) 86 Chương 4. Giao thức tầng mạng 87 Hub (bộ tập trung) Chức năng như Repeater nhưng mở rộng hơn với nhiều đầu cắm các đầu cáp mạng. Tạo ra điểm kết nối tập trung để nối mạng theo kiểu hình sao. Tín hiệu được phân phối đến tất cả các kết nối. Có 3 loại Hub: thụ động, chủ động, thông minh. 87 Chương 4. Giao thức tầng mạng 88 Hub (bộ tập trung) Hub thụ động (Passive Hub): chỉ đảm bảo chức năng kết nối, không xử lý lại tín hiệu. Hub chủ động (Active Hub): có khả năng khuếch đại tín hiệu để chống suy hao. Hub thông minh (Intelligent Hub): là Hub chủ động nhưng có thêm khả năng tạo ra các gói tin thông báo hoạt động của mình giúp cho việc quản trị mạng dễ dàng hơn. 88 Chương 4. Giao thức tầng mạng 89 Hub (bộ tập trung) 89 Chương 4. Giao thức tầng mạng 90 Bridge (cầu nối) Dùng để nối 2 mạng có giao thức giống hoặc khác nhau. Chia mạng thành nhiều phân đoạn nhằm giảm lưu lượng trên mạng. Hoạt động ở lớp Data Link với 2 chức năng chính là lọc và chuyển vận. Dựa trên bảng địa chỉ MAC lưu trữ, Brigde kiểm tra các gói tin và xử lý chúng trước khi có quyết định chuyển đi hay không. 90 Chương 4. Giao thức tầng mạng 91 Bridge (cầu nối) 91 Hub Hub Bridge Chương 4. Giao thức tầng mạng 92 Switch (bộ chuyển mạch) Là thiết bị giống Bridge và Hub cộng lại nhưng thông minh hơn. Có khả năng chỉ chuyển dữ liệu đến đúng kết nối thực sự cần dữ liệu này làm giảm đụng độ trên mạng. Dùng để phân đoạn mạng trong các mạng cục bộ lớn (VLAN). Hoạt động ở lớp Data Link. 92 Chương 4. Giao thức tầng mạng 93 Switch (bộ chuyển mạch) 93 Chương 4. Giao thức tầng mạng 94 Switch (bộ chuyển mạch) 94 Chương 4. Giao thức tầng mạng 95 Router (Bộ định tuyến) Dùng để ghép nối các mạng cục bộ lại với nhau thành mạng rộng. Lựa chọn đường đi tốt nhất cho các gói tin hướng ra mạng bên ngoài. Hoạt động chủ yếu ở lớp Network. Có 2 phương thức định tuyến chính: Định tuyến tĩnh: cấu hình các đường cố định và cài đặt các đường đi này vào bảng định tuyến. Định tuyến động: Vectơ khoảng cách: RIP, IGRP, EIGRP, BGP Trạng thái đường liên kết: OSPF 95 Chương 4. Giao thức tầng mạng 96 Router (Bộ định tuyến) 96 Chương 4. Giao thức tầng mạng 97 Gateway (Proxy - cổng nối) Thường dùng để kết nối các mạng không thuần nhất, chủ yếu là mạng LAN với mạng lớn bên ngoài chứ không dùng kết nối LAN – LAN. Kiểm soát luồng dữ liệu ra vào mạng. Hoạt động phức tạp và chậm hơn Router. Hoạt động từ tầng thứ 4 7 97 Chương 4. Giao thức tầng mạng 98 Phương tiện truyền dẫn Cáp đồng trục Cáp xoắn đôi Cáp quang Wireless 98 Chương 4. Giao thức tầng mạng 99 Cáp đồng trục (coaxial) Cấu tạo Phân loại Thinnet/Thicknet Baseband/ Broadband Thông số kỹ thuật Chiều dài cáp Tốc độ truyền Nhiễu Lắp đặt/bảo trì Giá thành Kết nối 99 Chương 4. Giao thức tầng mạng 100 Cáp đôi dây xoắnUnshielded Twisted Pair (UTP) Cable 100 Chương 4. Giao thức tầng mạng 101 Cáp đôi dây xoắn Shielded Twisted Pair (STP) Cable 101 Chương 4. Giao thức tầng mạng 102 Chuẩn cáp 568A & 568B Giới thiệu 102 Chương 4. Giao thức tầng mạng 103 Phương thức bấm Cáp Giới thiệu 103 Chương 4. Giao thức tầng mạng 104 Cáp quang (Fiber optic) Thành phần & cấu tạo Dây dẫn Nguồn sáng (LED, Laser) Đầu phát hiện (Photodiode, photo transistor) Phân loại Multimode stepped index Multimode graded index Single mode (mono mode) Thông số kỹ thuật Chiều dài cáp Tốc độ truyền Nhiễu Lắp đặt/bảo trì Giá thành Kết nối 104 Lõi Lớp phủ Lớp đệm Chương 4. Giao thức tầng mạng 105 Cáp quang (Fiber optic) 105
File đính kèm:
- bai_giang_mang_may_tinh_chuong_4_giao_thuc_tang_mang_network.ppt