Bài giảng Mạng máy tính: Chương 4 - TS. Trần Quang Diệu (2017)

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:
Website: sites.google.com/sites/tranlectures


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

2


Chức năng của tầng mạng


Truyền các gói tin (packets) từ sending
applicatio
host tới receiving host.
n






segment  packets (datagrams).

Network layer được cài đặt tại router
và cả end system.
Chức năng:





transport
network
data link
physical

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.
Chương 4. Giao thức tầng mạng

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

applicatio
n
transport
network
data link
physical

3


Routing & switching in routers
routing algorithm

local forwarding table
header
output link
value0100 3
0101
0111
1001

2
2
1

value in arriving
packet’s header
0111

1

3 2

Chương 4. Giao thức tầng mạng

4


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

5


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

6


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
thơng báo cho network layer biết, network layer sẽ huỷ bỏ VC.
 Còn được gọi là connection-oriented



Mỗi gói tin chứa thêm thơng 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

7


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.
applicatio
5. Data flow begins
n
transport 4. Call connected
network 1. Initiate call
data link
physical

6. Receive data applicatio

n
3. Accept call
2. incoming call transport

Chương 4. Giao thức tầng mạng

network
data link
physical

8


application
transport
network
data link
physical

host A

application
transport
network
data link
physical

server B

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

network
data link
physical

applicatio
n
transport
network
data link
physical
Chương 4. Giao thức tầng mạng

9


Datagram network





Không thiết lập kênh truyền.
Các thiết bị chuyển mạch khơng 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.
applicatio
n
transport
network 1. Send data

data link
physical

applicatio
n
2. Receive data transport
network
data link
physical
Chương 4. Giao thức tầng mạng

10


Network taxonomy (review)
communication
networks
switched
networks

circuit-switched
networks
(vd. telephone)

FDM

TDM

broadcast
networks

(vd. Radio,
Broadcast TV)
packet-switched
networks

datagram
networks
(vd. Internet)

virtual circuitswitched
networks
(vd. ATM)

Chương 4. Giao thức tầng mạng

11


Datagram or VC network: why?
Internet






ATM

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
sốt, khơi 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
khơng thích hợp.






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

12


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

13


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

14


Input ports

Physical layer:
bit-level reception
Data link layer:
e.g., Ethernet

Decentralized switching:



sử dụng forwarding table có trong input
port memory để tra cứu output port
queuing: nếu các gam dữ liệu
(datagram) đến nhanh quá, cần phải xếp
hàng chờ xử lý.
Chương 4. Giao thức tầng mạng

15


Các cơ cấu chuyển mạch (switching fabrics)

Chương 4. Giao thức tầng mạng

16


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

17


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

18


The Internet (TCP/IP) network layer
Network layer được thực thi tại end system cũng như tại router!
Transport layer: TCP, UDP

Network
layer

IP protocol
•addressing conventions
•datagram format
•packet handling conventions

Routing protocols
•path selection
•RIP, OSPF, BGP

routing
table

ICMP protocol
•error reporting
•router
“signaling”

Link layer
physical layer

Chương 4. Giao thức tầng mạng

19


IP datagram format
IP protocol version
number
header length

(bytes)
“type” of data
max number
remaining hops
(decremented at
each router)
upper layer protocol
to deliver payload to
6 = TCP; 17 = UDP

32 bits
ver head. type of
len service

length
fragment
16-bit identifier flgs
offset
time to upper
Internet
layer
live
checksum

total datagram
length (bytes)
for
fragmentation/
reassembly

32 bit source IP address
32 bit destination IP address
Options (if any)

data
(variable length,
typically a TCP
or UDP segment)

Chương 4. Giao thức tầng mạng

E.g. timestamp,
record route
taken, specify
list of routers
to visit.

20


IP datagram - example
Sender’s MAC address
Receiver’s MAC address

Type of upper layer’s protocol
( 0x0800 = IP )

Chương 4. Giao thức tầng mạng

21

Total length:
72 bytes

Id

IP version: 4
Header length: 20 bytes

TOS

IP’s Header

Flags & Fragment’s offset

TTL

Transport’s protocol: UDP Checksum

Source’s IP:
192.168.1.10

Chương 4. Giao thức tầng mạng

22


IP’s Header

Dest’s IP:
203.162.4.190

Chương 4. Giao thức tầng mạng

23


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 ?
TTL của IP datagram?
Source’s IP, destination’s IP ?
Giao thức sử dụng ở tầng Application ?

What are your
answers ?

Chương 4. Giao thức tầng mạng

24

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)

fragmentation:
in: one large datagram
out: 3 smaller datagrams

reassembly

Reassembly: Các gam dữ
liệu nhỏ được hợp nhất
thành gam dữ liệu lớn
(ngược lại) tại điểm đến
cuối cùng

Chương 4. Giao thức tầng mạng

25