Bài giảng Mạng máy tính: Chương 4.1 - Nguyễn Cao Đạt

Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM

LỚP NETWORK

CHƯƠNG IV

Bản quyền ®2004- Khoa Công Nghệ Thông Tin

Trang 1

Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM

LỚP NETWORK
z

Mục tiêu thiết kế lớp network :
–

Liên mạng:
z
z
z
z

–
–

Autonomous domain (subnet).
Sử dụng cách đánh địa chỉ mạng có tính toàn cục.
Định tuyến.
Sử dụng nhiều kỹ thuật liên kết (LAN, WAN).

Định tuyến trong liên mạng.
Giải quyết tắc nghẽn.

Bản quyền ®2004- Khoa Công Nghệ Thông Tin

Trang 2


Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM

LỚP NETWORK
z

Thiết bị sử dụng :
–
–
–

Chuyên dụng và dùng vào mục đích đặc biệt.
Làm việc được với các kỹ thuật LAN hay WAN.
Được biết dưới tên là router hay đôi khi còn gọi là
gateway.

•router

Bản quyền ®2004- Khoa Công Nghệ Thông Tin

Trang 3

Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM

LỚP NETWORK
z

Tổ chức bên trong của lớp network :
–

–

Virtual circuit
z Cầu nối được thiết lập như là đường đi của packet.
z Tất các các dữ liệu truyền qua cầu nối.
z Cầu nối đóng thì virtual circuit sẽ đóng.
Datagram
z Packet được tìm đường độc lập.
z Từng datagram chứa đựng đầy đủ các địa chỉ.

Bản quyền ®2004- Khoa Công Nghệ Thông Tin

Trang 4


Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM

LỚP NETWORK
z

Ví dụ về IP (Internet Protocol)
–

–
–
–

z

RFC 791
Giao thức lớp 3 phổ biến.
Giao thức nền tảng tạo nên Internet.
Connectionless.

Ví dụ về địa chỉ IP
–
–

Độc lập với địa chỉ phần cứng (MAC).
Được dùng cho những giao thức lớp cao hơn và các ứng
dụng mạng.
Bản quyền ®2004- Khoa Công Nghệ Thông Tin

Trang 5

Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM

LỚP NETWORK
z

Ví dụ về địa chỉ IPv4
–
–

Được dùng cho vấn đề truyền thông liên mạng.
Được gán trên mỗi giao tiếp mạng.
z
z

–

Một địa chỉ IP tương ứng một kết nối giữa một máy tính và
mạng.
Một máy tính có nhiều giao tiếp mạng tương ứng sẽ có mỗi địa
chỉ IP trên mỗi giao tiếp mạng.

Có chiều dài 32 bit và chia thành hai phần:
z
z

prefix chỉ định mạng (do global authority gán)
suffix chỉ định máy tính trên mỗi giao tiếp (do Local
administrator gán).
Bản quyền ®2004- Khoa Công Nghệ Thông Tin

Trang 6


Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM

LỚP NETWORK

•Mô

hình đánh địa chỉ IP trong mạng

Bản quyền ®2004- Khoa Công Nghệ Thông Tin

Trang 7

Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM

LỚP NETWORK
z

Ví dụ về dịnh dạng của Packet (IP Datagram)

Bản quyền ®2004- Khoa Công Nghệ Thoâng Tin

Trang 8


Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM

LỚP NETWORK
z

Ví dụ vấn đề về truyền nhận IP Datagram
–
–
–

z

Không hướng kết nối (connectionless), tức có thay đổi
đường đi.
Có thể được trì hoãn và truyền không theo thứ tự.
Có thể bị mất trong khi truyền vì vậy cần tạo bản sao.

Ví dụ về định tuyến trên IP
–
–
–

Được diễn tả tại các router.
Chuyển tiếp cơ bản dựa trên hop-by -hop.
Địa chỉ đích được dùng cho việc xác định đường đi.
Bản quyền ®2004- Khoa Công Nghệ Thông Tin

Trang 9

Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM

LỚP NETWORK
z

Ví dụ về việc định tuyến
–
–
–
–

Xác định địa chỉ đích D.

Tìm đường đi đến D trong bảng đường đi.
Tìm ra địa chỉ gởi kế tiếp (Next hop address).
Gởi Frame đến N.

Bản quyền ®2004- Khoa Công Nghệ Thông Tin

Trang 10


Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM

LỚP NETWORK

IP Routing

140.192.10.5
0060CA23BE45

140.192.10.25
0060CA34CD29

140.192.100.34
0060CA4AD2EE

140.192.10.1
00C0C1AA3411

140.192.201.1
00C0C1AA3410

140.192.201.22
0060CA3499CC

140.192.201.126
0060CA3499DE

140.192.100.8
0060CAAABBCC

140.192.100.1
00C0C1AA3412

Router

140.192.34.1
00C0C1AA3413

140.192.34.34
0060CA114499

140.192.34.35
0060CA7819AA

Trang 11

Bản quyền ®2004- Khoa Công Nghệ Thông Tin

Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM

LỚP NETWORK

z

Làm thế nào để chuyển dữ liệu giữa các mạng
–

Dựa vào bảng đường đi tại bộ định tuyến.
Layer 2 <--> Layer 3 Table
ARP Table

Routing Table
Network

Interface

Network.Host

Layer 2

140.192.10.0

0

140.192.10.5

0060CA23BE45

140.192.100.0

1

140.192.10.25

0060CA34CD29

140.192.201.0

2

140.192.100.34

0060CA4AD2EE

140.192.34.0

3

140.192.100.8

0060CAAABBCC

140.192.201.22

0060CA3499CC

140.192.201.126

0060CA3499DE

140.192.34.34

0060CA114499

140.192.34.35

0060CA7819AA

Bản quyền ®2004- Khoa Công Nghệ Thông Tin

Trang 12


Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM

LỚP NETWORK
From 140.192.34.34 to 140.192.10.5
140.192.34.34 knows that 140.192.10.5 isn't on the same net and sends it to router at 140.192.34.1
Note DA for layer 2
00C0C1AA3413

0060CA114499

IP

140.192.10.5 140.192.34.34

Data

FCS

Inside the router the Layer 2 headers and trailers are removed leaving only the

layer 3 packet.
The router looks up the packet's DA in the routing table and forwards to the
appropriate interface.
140.192.10.5 140.192.34.34

Data

At the interface, layer 2 headers and trailers are added back.
DA is the address of the destination host.
SA is the address of the router.
FCS is recalculated.
0060CA23BE45

00C0C1AA3411

IP

140.192.10.5 140.192.34.34

Bản quyền ®2004- Khoa Công Nghệ Thông Tin

Data

FCS

Trang 13

Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM

LỚP NETWORK

z

ARP:
–
–
–

Address Resolution Protocol
Phân giải địa chỉ IP thành địa chỉ MAC.
Mỗi node gởi broadcast tìm một node khác:
z

–

Node tương ứng trả lời với địa chỉ MAC của nó
z

z

140.192.34.34 broadcasts tìm 140.192.34.1
140.192.34.1 trả lời với 00C0C1AA3412

Bảng ARP:
–

Bao gồm các trường (IP, MAC) đã được học từ các node láng giềng.

Bản quyền ®2004- Khoa Công Nghệ Thông Tin

Trang 14

Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM

LỚP NETWORK
z

Ví dụ về bảng đường đi

Bản quyền ®2004- Khoa Công Nghệ Thông Tin

Trang 15

Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM

LỚP NETWORK
z

Làm thế nào để xây dựng bảng đường đi ?
–

Làm bằng tay (Static Routing)
z
z
z

–

Bảng được tạo bằng tay.
Thường được dùng trong các mạng nhỏ.

Được dùng nếu đường đi không bao giờ thay đổi.

Tự động (Dynamic Routing)
z
z
z
z

Phần mềm tạo và cập nhật thông tin trong bảng.
Cần dùng trong các mạng lớn.
Thay đổi đường đi khi có một số sự cố xảy ra.
Ví dụ: Distance Vector Routing, Link State Routing, Hierarchical
Routing.
Bản quyền ®2004- Khoa Công Nghệ Thông Tin

Trang 16


Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM

LỚP NETWORK
z

Làm thế nào để tìm ra đường đi tốt nhất ?
–

Biểu diễn mạng dưới dạng đồ thị:
Node : biểu diễn cho router
Arc :biểu diễn communication line (link)
Đại lượng sử dụng:

z
z
z

Khoảng cách.
– Thời gian delay trung bình.
– Dung lựơng.
–

–

Sử dụng một giải thuật tìm đường
Dijkstra.
Flooding,
Flow-Based Routing.

z
z
z

Trang 17

Bản quyền ®2004- Khoa Công Nghệ Thông Tin

Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM

LỚP NETWORK
B
2

7
2

A

E

2

F

B (2 , A )

A

D

E (¥ , -)

H

G (6 , A )
(b )

(a )
B (2 , A )
A

C (9 , B )

B (2 , A )

E (4 , B )
F (¥ , -)
G (6 , A )

D (¥ ,-)

A

A

F (6 , E )
H (¥ , -)

B (2 , A )

E (4 , B )
F (6 , E )

ãMoọt

D (Ơ ,1 )

(d )
C (9 , B )

H (9 , G )
(e )

H (¥ , -)

C (9 , B )

G (5 , E )

H (¥ , -)

G (5 , E )

D (¥ , -)

E (4 , B )

(c )
B (2 , A )

F (¥ , -)

2

4
G

C (¥ , -)

3

2

1

6

C
3

D (¥ ,-)

A

C (9 , B )

E (4 , B )
F (6 ,E )
G (5 , E )

D (¥ ,-)

H (8 , F )
(f)

ví dụ tìm đường từ A->D dùng Dijkstra
Bản quyền ®2004- Khoa Công Nghệ Thông Tin

Trang 18


Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM

LỚP NETWORK
z

Giải thuật Flooding :
–
–
–

–

Packet đến gởi ra tất cả các link.
Tạo một lượng lớn packet trùng lặp.
Các kỹ thuật giải quyết trùng lặp :
z Dùng kỹ thuật hop counter để loại bỏ
z Lưu trữ lại packet đã được flood
Selective flooding :
z Router gởi packet ra các link hướng tới đích.

Bản quyền ®2004- Khoa Công Nghệ Thông Tin

Trang 19

Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM

LỚP NETWORK
z

Giải thuật Flow-Based Routing :
–

Thuật giải sử dụng tải & mô hình mạng (topology) cho tính toán và
chọn đường đi tốt nhất (có thời gian trể trung bình nhỏ nhất).
z
z
z

z

Tính toán thời gian trễ trung bình dựa trên tải & topology.
Tính nhiều lần trên nhiều tập đường đi.
Chọn ra tập đường đi tốt nhất.

Các thông tin để tính toán thời gian trể trung bình:
z
z
z
z

Mô hình mạng.
Lưu lượng thông tin giữa các node (router).
Dung lượng đường truyền giữa các node (router).
Tập đường đi đang sử dụng.
Bản quyền ®2004- Khoa Công Nghệ Thông Tin

Trang 20


Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM

LỚP NETWORK
Giải thuật Flow-Based Routing :

z

A
A

20

C

20
A
20

10
20

20

Destination
C
D
E

F

9
AB

4
1
7
ABC ABFD AE

4
AEF

9
B BA

D
10

E 50 F
(a) A subnet with line
capacibilities shown in kbps

Source

B

B

C

8
BC

4
8
CBA CB

3
2
4
BFD BFE BF
3
CD

1
3
3
D DFBA DFB DC
E

7
EA

2
3
EFB EC

4
4
F FEA FB

3
CE

2
CEF

3
4
DCE DF
3
ECD

2
4
FEC FD

5
EF
5
FE

(b) The traffic in packets/sec and the routing matrix
Bản quyền ®2004- Khoa Công Nghệ Thông Tin

Trang 21

Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM

LỚP NETWORK
z

Các công thức tính toán

– Ti= 1/(µCi - λi)
– Wi= λI / Σ λi
– Taver = Ti x Wi

Bản quyền ®2004- Khoa Công Nghệ Thông Tin

Trang 22


Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM

LỚP NETWORK
z

Ví dụ: (giả sử 1/à = 800 bits/packet)

Line (pkts/sec)
AB
14
BC
12
CD
6
AE
11
EF
13
FD
8
BF

10
EC

8

C(kbps)
20
20
10
20
50
10
20

T(msec)
91
77
154
71
20
222
67

àC(pkts/sec)
25
25
12.5
25
62.5
12.5

25

20

25

Weight
0.171
0.146
0.073
0.134
0.159
0.098
0.122

59

0.098
Trang 23

Baỷn quyen đ2004- Khoa Công Nghệ Thông Tin

Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM

LỚP NETWORK
z

Distance Vector Routing
–
–

–

–

–

Là giải thuật động (RIP,
RIPv2, IGRP)
Còn gọi là Bellman-Ford,
Ford-Fulkerson routing.
Từng router có một bảng cho
biết con đường tốt nhất tới
đích.
Định kỳ trao đổi các bảng
đường đi với các router láng
giềng.
Tính toán lại khi các liên kết
có lỗi.

Newestimated
delay fromJ

Router
A

E

I

B

C

D

F

G

J

L
K
(a) Subnet

H

Bản quyền ®2004- Khoa Công Nghệ Thông Tin

To A
0
12
25
40
14
23
18
17
21
9

24
29
JA
delay
is
8

I
24
36
18
27
7
20
31
20
0
11
22
33
JI
delay
is
10

H K
20 21
31 28
19 36
8 24

30 22
19 40
6 31
0 19
14 22
7 10
22 0
9
9
JH JK
delay delay
is is
12 6

8
20
28
20
17
30
18
12
10
0
6
15
New
routing
table
for J

Vectors received from
J's four neighbors
(b) routing table

Trang 24


Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM

LỚP NETWORK
z

Distance Vector Routing : (Tiếp theo)
–

Vấn đề Count-to-Infinity :

A

B

C

D

E

∞

∞
∞

∞
∞
∞

∞
∞
∞
∞

1
1
1
1

2
2
2

3
3

A

B

C

D

E

Initially
After 1 exchange
After 2 exchanges
After 3 exchanges
4 After 4 exchanges

1
3
3
5
5
7
7

2
2
4
4
6
6
8

3
3
3
5

5
7
7

4
4
4
4
6
6
8

∞

∞

(a)

∞

..
.
∞

Initially
After 1 exchange
After 2 exchange
After 3 exchange
After 4 exchange
After 5 exchange

After 6 exchange

(b)
Bản quyền ®2004- Khoa Công Nghệ Thông Tin

Trang 25

Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM

LỚP NETWORK
z

Distance Vector Routing : (Tiếp theo)
–

Giải quyết vấn đề Count-to-Infinity :
z Hold down :
–

z

Report the entire path :
–

z

Chờ một thời gian trước khi thay đổi đường đi. Báo giá trị vô
cùng của một router. Căn bản dựa vào timer.
Bảo đảm không bị lăp nhưng trả giá khá đắt.

Split horizon :
–

Không báo các đường đi đến các router láng giềng nếu hướng đi
đó không nhận được từ các router láng giềng khác.

Bản quyền ®2004- Khoa Công Nghệ Thông Tin

Trang 26


Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM

LỚP NETWORK
z

Link State Routing :
OSPF
Các router trao đổi thông tin trạng thái liên kết.
Cách thực hiện :

–
–
–

Tìm các neighbors & học địa chỉ của nó :

z

Dùng packet HELLO

–

Tính toán delay & chi phí cho từng neighbors của nó :

z

Dùng packet ECHO.

–

Xây dựng packet dùng báo tất cả đã được học.
Gởi packet này đến tất cả router : dùng flooding
Tính toán con đường ngắn nhất tới mọi router khác.

z
z
z

Trang 27

Bản quyền ®2004- Khoa Công Nghệ Thông Tin

Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM

LỚP NETWORK
z

Link State Routing : (Tiếp theo)
Xây dựng Link State packet :

z Packet bao gồm :

–

Sender
Sequence number & age
Danh saùch caùc neighbors

–
–
–
B

2

C

4

3

A

D
1

5
E

6

8

7
F

(a) A subnet

A
Seq.
Age
B 4
E 5

Link
B
Seq.
Age
A 4
C 2
F 6

State
C
Seq.
Age
B 2
D 3
E 1

D

Seq.
Age
C 3
F 7

Packets
E
Seq.
Age
A 5
C 1
F 8

F
Seq.
Age
B 6
D 7
E 8

(b) The link state packets for this subnet

Bản quyền ®2004- Khoa Công Nghệ Thông Tin

Trang 28


Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM

LỚP NETWORK

z

Hierarchical Routing :
Hệ thống mạng lớn -> bảng routing lớn :

–

Hao tốn nhiều tài nguyên khi xử lý
Hao tốn nhiều bandwitdth để truyền nhận các report

z
z

Router chia thành các vùng (regions)
Router biết rõ về vùng của mình & không biết cấu trúc các vùng khác

–
–

Trang 29

Bản quyền ®2004- Khoa Công Nghệ Thông Tin

Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM

LỚP NETWORK
z

Hierarchical Routing : (Tiếp theo)
Full table for 1A

Region 1

Region 2

1B

2A 2B

1A
1C

4A

3A
3B
Region 3

4B

5A
4C

Region 4

(a)

2C

2D

5B

5C

5D
5E
Region 5

Dest. Line
Ð
1A
1B 1B
1C 1C
2A 1B
2B 1B
2C 1B
2D 1B
3A 1C
3B 1C
4A 1C
4B 1C
4C 1C
5A 1C
5B 1C
5C 1B
5D 1C
5E 1C

Hops
Ð

1
1
2
3
3
4
3
2
3
4
4
4
5
5
6
5

Hierarchical table for 1A
Dest. Line
Ð
1A
1B 1B
1C 1C
2 1B
3 1C
4 1C
5 1C

(b)

Bản quyền ®2004- Khoa Công Nghệ Thoâng Tin

Hops
Ð
1
1
2
2
3
4

(c)

Trang 30