Bài giảng Mạng máy tính - Chương 3: Tầng mạng - Huỳnh Thanh Hòa

Chương 3: Tầng mạng 1. Giới thiệu chung: Tầng mạng có nhiệm vụ đưa các gói tin từ máy gởi qua các chặn đường để đến được máy nhận. Để thực hiện được nhiệm vụ này, tầng mạng phải biết được hình trạng của mạng đường trục (subnet) và chọn đường thích hợp để cho gói tin đi. Nó phải chú ý đến việc chọn đường sao cho tránh được tình trạng tắc nghẽn trên một số đường truyền và router trong khi số khác thì đang rãnh rỗi. Th.S Huỳnh Thanh Hòa 2. Các vấn đề liên quan đến việc thiết kế tầng mạng : A. Kỹ thuật hoán chuyển lưu và chuyển tiếp (Store-and-Forward Switching) : Một máy tính có một gói tin cần truyền đi sẽ gởi gói tin đến router gần nó nhất, có thể là router trên LAN của nó hoặc router của nhà cung cấp đường truyền. Gói tin được lưu lại ở đó và được kiểm tra lỗi. Kế đến gói tin sẽ được chuyển đến một router kế tiếp trên đường đi đến đích của gói tin. Và cứ tiếp tục như thế cho đến khi đến được máy nhận gói tin. Đây chính là kỹ thuật lưu và chuyển tiếp. Th.S Huỳnh Thanh Hòa Th.S Huỳnh Thanh Hòa B. Các dịch vụ cung cấp cho tầng vận chuyển : Các dịch vụ này cần nên độc lập với kỹ thuật của các router.
Tầng vận chuyển cần được độc lập với số lượng, kiểu và hình trạng của các router hiện hành.
Địa chỉ mạng cung cấp cho tầng vận chuyển phải có sơ đồ đánh số nhất quán cho dù chúng là LAN hay WAN. Tầng mạng cung cấp hai dịch vụ chính là Dịch vụ không nối kết (Connectionless Service) và Dịch vụ định hướng nối kết (Connection – Oriented Service). Th.S Huỳnh Thanh Hòa ◊ Cài đặt dịch vụ không nối kết ( Implementation of Connectionless Service) : Mỗi router có một bảng thông tin cục bộ chỉ ra nơi nào có thể gởi các gói tin để có thể đến được những đích đến khác nhau trên mạng. Mỗi mục của bảng chứa 2 thông tin quan trọng nhất đó là Đích đến (Destination) và ngỏ ra kế tiếp (Next Hop) cần phải chuyển gói tin đến để có thể đến được đích đến này. Ta gọi là bảng chọn đường (Routing Table). Th.S Huỳnh Thanh Hòa Th.S Huỳnh Thanh Hòa ◊ Cài đặt dịch vụ định hướng nối kết (Connection – Oriented Service) : Đối với dịch vụ định hướng kết nối chúng ta cần một mạch ảo trên subnet. Mục đích của việc sử dụng mạch ảo là để tránh phải thực hiện việc chọn lại đường đi mới cho mỗi gói tin gởi đến cùng một đích. Với dịch vụ định hướng nối kết, mỗi gói tin có mang một số định dạng để xác định mạch ảo mà nó thuộc về. Th.S Huỳnh Thanh Hòa Th.S Huỳnh Thanh Hòa 12 22 32 1 2 3 số hiệu số hiệu giao tiếp giao tiếp vào số hiệu kết nối vào giao tiếp ra số hiệu kết nối ra 1 12 3 22 2 63 1 18 3 7 2 17 1 97 3 87 Th.S Huỳnh Thanh Hòa Bảng sau so sánh điểm mạnh và điểm yếu của 2 loại dịch vụ không nối kết và định hướng nối kết: Th.S Huỳnh Thanh Hòa 3. Giải thuật chọn đường : A. Định nghĩa : Vấn đề cơ bản của việc vạch đường là tìm ra đường đi có chi phí thấp nhất giữa hai nút mạng bất kỳ, trong đó chi phí của đường đi được tính bằng tổng chi phí khi đi qua tất cả các cạnh làm thành đường đi đó. Nếu không có một đường đi giữa hai nút, thì độ dài đường đi giữa chúng được xem như bằng vô cùng. Th.S Huỳnh Thanh Hòa Th.S Huỳnh Thanh Hòa B. Mục tiêu của giải thuật chọn đường : ― Chọn đường đi đến đích với ‘chi phí’ (metric) thấp nhất cho một gói tin. ― Lưu và chuyển tiếp các gói tin từ nhánh mạng này sang nhánh mạng khác. Th.S Huỳnh Thanh Hòa • Đại lượng đo lường (Metric) : Có thể dùng các thước đo sau để đo độ dài đường đi cho các giải thuật chọn đường: – Chiều dài đường đi (length path): Là số lượng router phải đi qua trên đường đi. – Độ tin cậy (reliable) của đường truyền – Độ trì hoãn (delay) của đường truyền – Băng thông (bandwidth) kênh truyền – Tải (load) của các router – Cước phí (cost) kênh truyền Th.S Huỳnh Thanh Hòa C. Các giải thuật tìm đường đi tối ưu : Trước tiên, nó mô hình hóa hình trạng mạng thành một đồ thị có các đặc điểm như sau:  Nút là các router.  Cạnh nối liền 2 nút là đường truyền nối hai router.  Trên mỗi cạnh có giá trị đó là chiều dài đường đi giữa 2 router thông qua đường truyền nối hai router . Th.S Huỳnh Thanh Hòa  Chiều dài đường đi từ nút A đến nút B là tổng tất cả các giá trị của các cạnh nằm trên đường đi. Nếu không có đường đi giữa 2 router thì xem như giá trị là vô cùng. Th.S Huỳnh Thanh Hòa Giải thuật tìm đường đi ngắn nhất Dijkstra : để tìm đường đi ngắn nhất từ một nút cho trước trên đồ thị đến các nút còn lại trên mạng. Th.S Huỳnh Thanh Hòa Dijkstra’s algorithm: example Step 0 1 2 3 4 5 N' u ux uxy uxyv uxyvw uxyvwz D(v),p(v) 2,u 2,u 2,u D(w),p(w) 5,u 4,x 3,y 3,y D(x),p(x) 1,u D(y),p(y) ∞ 2,x D(z),p(z) ∞ ∞ 4,y 4,y 4,y u yx wv z 2 2 1 3 1 1 2 5 3 5 v x y w z (u,v) (u,x) (u,x) (u,x) (u,x) destination link Th.S Huỳnh Thanh Hòa Giải thuật chọn đường tối ưu Ford-Fulkerson : để tìm đường đi ngắn nhất từ tất cả các nút đến một nút đích cho trước trên mạng. Th.S Huỳnh Thanh Hòa D. Giải pháp vạch đường Vector Khoảng cách (Distance Vector) : gửi theo định kỳ , gửi toàn bộ bảng định tuyến ( ví dụ : RIP, IGRP,..) Th.S Huỳnh Thanh Hòa • Giả sử chi phí trên mỗi đường nối đều được đặt bằng 1 Th.S Huỳnh Thanh Hòa Th.S Huỳnh Thanh Hòa • Sử dụng các giao thức định tuyến theo vectơ khoảng cách thường tốn ít tài nguyên của hệ thống nhưng tốc độ đồng bộ giữa các router lại chậm và thông số được sử dụng để chọn đường đi có thể không phù hợp với những hệ thống mạng lớn Th.S Huỳnh Thanh Hòa E. Giải pháp chọn đường “Trạng thái kết nối” (Link State) : gửi khi có thay đổi , gửi tình trạng kết nối ( ví dụ : Open Shortest Path First (OSPF) , ISIS , ) Sau khi toàn bộ các router đã được hội tụ thì giao thức định tuyến theo trạng thái đường liên kết chỉ sử dụng gói thông tin nhỏ để cập nhật ,về sự thay đổi cấu trúc mạng chứ không gửi đi toàn bộ bảng định tuyến .Các gói thông tin cập nhật này được truyền đi cho tất cả router khi có sự thay đổi xảy ra ,do đó tốc độ hội tụ nhanh. Th.S Huỳnh Thanh Hòa F. Vạch đường phân cấp (Hierarchical Routing): • Khi mạng tăng kích thước: – Tăng kích thước bảng vạch đường của các router – Tăng kích thước bộ nhớ – Tăng thời gian tìm kiếm đường đi – Cần thực hiện vạch đường phân cấp • Trong vạch đường phân cấp: – Các router được chia thành những vùng (domain). – Router biết cách vạch đường bên trong vùng, nhưng không biết gì về cấu trúc bên trong của các vùng khác. Th.S Huỳnh Thanh Hòa Host h2 a b b a aC 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 Vạch đường phân cấp (Hierarchical Routing) Th.S Huỳnh Thanh Hòa 4. Liên mạng : Mạng được hình thành từ việc liên nối kết nhiều mạng lại với nhau. • Các mạng thành phần là không đồng nhất (homogeneous): khác nhau về phần cứng, phần mềm, giao thức • Mục tiêu của việc xây dựng liên mạng là cho phép người dùng trên một mạng con có thể liên lạc được với người dùng trên các mạng con khác Th.S Huỳnh Thanh Hòa Th.S Huỳnh Thanh Hòa Ở tầng mạng: Người ta dùng các router để nối kết các mạng với nhau. Nếu hai mạng có tầng mạng khác nhau, router có thể chuyển đổi khuôn dạng gói tin, quản lý nhiều giao thức khác nhau trên các mạng khác nhau. Th.S Huỳnh Thanh Hòa