MẠNG MÁY TÍNH
Tổng quan về mạng máy tính
1.1.1 Khái niệm mạng máy tính
Mạng máy tính là hệ thống bao gồm nhiều máy tính và thiết bị đầu cuối, được kết nối qua các đường truyền hữu tuyến hoặc vô tuyến, cho phép trao đổi thông tin và chia sẻ tài nguyên như phần cứng, phần mềm và dữ liệu.
1.1.2 Tác dụng của mạng máy tính
Sử dụng chung tài nguyên mạng cho phép tất cả thành viên truy cập vào các thiết bị, chương trình và dữ liệu mà không cần quan tâm đến vị trí cụ thể của chúng Điều này tạo ra một môi trường hợp tác hiệu quả, nơi mọi người có thể dễ dàng chia sẻ và sử dụng tài nguyên chung.
Để tăng độ tin cậy của hệ thống, việc bảo trì máy móc và lưu trữ dữ liệu chung là rất quan trọng Khi xảy ra sự cố, dữ liệu có thể được khôi phục nhanh chóng, đảm bảo hoạt động liên tục Nếu một trạm làm việc gặp trục trặc, người dùng có thể dễ dàng chuyển sang sử dụng các trạm khác thay thế, giúp duy trì hiệu suất làm việc.
Nâng cao chất lượng và hiệu quả khai thác thông tin giúp người sử dụng tổ chức lại công việc phù hợp với các thay đổi, đáp ứng nhu cầu của hệ thống ứng dụng kinh doanh hiện đại, cung cấp sự thống nhất giữa các dữ liệu, tăng cường năng lực xử lý thông qua việc kết hợp các bộ phận phân tán, và mở rộng truy cập tới các dịch vụ mạng đa dạng trên toàn cầu.
Phân loại mạng máy tính
1.2.1 Phân loại theo khoảng cách địa lý
* Mạng cục bộ LAN (Local Area Network)
Mạng LAN, hay mạng cục bộ, là loại mạng đơn giản nhất trong thế giới mạng, kết nối nhiều máy tính trong một phạm vi nhỏ như tòa nhà, trường học hoặc cơ quan, với khoảng cách giữa các máy tính chỉ từ vài chục km.
Mạng Lan có đặc điểm:
- Toàn bộ mạng đƣợc đặt tại một vị trí duy nhất
- Tốc độ truyền dữ liệu lớn: 100Mb/s
Kết nối được thực hiện qua các môi trường truyền thông tốc độ cao, ví dụ nhƣ cáp đồng trục hay cáp quang
* Mạng đô thị MAN (Metropolitan Area Network)
MAN là mạng đƣợc cài đặt trong phạm vi một đô thị hoặc một trung tâm kinh tế - xã hội có bán kính khoảng 100 km trở lại
MAM là giải pháp hiệu quả cho mạng LAN có hàng ngàn người dùng, đặc biệt khi các trụ sở phân bố gần nhau Với MAN, người dùng có thể sử dụng đường truyền tốc độ cao qua mạng điện thoại hoặc phương tiện khác, giúp truy cập tài nguyên mạng từ nhiều vị trí khác nhau.
* Mạng diện rộng WAN (Wide Area Network)
WAN (Wide Area Network) là mạng diện rộng, cho phép kết nối máy tính trong nội bộ một quốc gia hoặc giữa các quốc gia trong cùng một châu lục Kết nối này thường được thực hiện qua các công nghệ viễn thông tiên tiến, giúp truyền tải dữ liệu hiệu quả trên khoảng cách lớn.
* Mạng GAN (Global Area Network)
Mạng toàn cầu, kết nối máy tính từ các châu lục khác nhau Thông thường kết nối này đƣợc thực hiện thông qua mạng viễn thông và vệ tinh
1.2.2 Phân loại theo kỹ thuật chuyển mạch
* Mạng chuyển mạch kênh (Cicuit – switched Network)
Trong mạng này, khi hai thực thể cần trao đổi thông tin, một kênh cố định sẽ được thiết lập và duy trì cho đến khi một trong hai bên ngắt liên lạc Dữ liệu chỉ được truyền qua một đường cố định.
Phương pháp chuyển mạch kênh có hai nhược điểm chính:
- Tiêu tốn thời gian để thiết lập kênh cố định
Hiệu suất sử dụng đường truyền thấp khi kênh bị bỏ không do hai bên đã hết thông tin cần truyền, trong khi các thực thể khác không được phép sử dụng kênh này.
* Mạng chuyển mạch thông báo (Message – swithed Network)
Thông báo (Message) là đơn vị thông tin của người sử dụng, với khuôn dạng quy định trước Mỗi thông báo chứa vùng thông tin điều khiển, chỉ định đích của thông báo Sau khi lưu trữ tạm thời, các nút trung gian sẽ chuyển tiếp thông báo, đọc thông tin điều khiển về đường dẫn và đích đến Tùy thuộc vào điều kiện mạng, các thông báo sẽ được gửi đi qua những con đường khác nhau.
Phương pháp chuyển mạch thông báo có một số ưu điểm hơn so với phương pháp chuyển mạch kênh:
- Hiệu suất sử dụng đường truyền cao do được phân chia giữa nhiều thực thể
- Mỗi nút mạng có thể lưu trữ thông báo đến khi đường truyền rỗi mới gửi thông báo đi, do đó giảm đƣợc tình trạng tắc nghẽn mạng
- Có thể điều khiển đƣợc việc truyền tin bằng cách sắp xếp thứ tự ƣu tiên cho thông báo…
Nhược điểm của phương pháp này là kích thước lớn của thông báo có thể ảnh hưởng đến thời gian và chất lượng truyền tin, do độ trễ trong lưu trữ và xử lý thông tin tại mỗi nút.
* Mạng chuyển mạch gói (Packet – switched Network)
Trong mạng, dữ liệu được phân chia thành các gói tin nhỏ với cấu trúc định sẵn Mỗi gói tin chứa thông tin điều khiển, bao gồm địa chỉ nguồn và địa chỉ đích, giúp xác định vị trí của dữ liệu trong quá trình truyền tải.
Phương pháp chuyển mạch gói cải tiến hơn so với chuyển mạch thông báo nhờ vào việc giới hạn kích thước các gói tin Điều này cho phép các nút xử lý toàn bộ gói tin trong bộ nhớ mà không cần lưu trữ tạm thời trên đĩa, giúp thông tin được truyền qua mạng nhanh hơn và nâng cao hiệu suất truyền tin.
Vấn đề lớn nhất của mạng là việc tập hợp các gói tin để tái tạo thông tin gốc của người sử dụng, đặc biệt khi các gói tin được truyền qua nhiều đường khác nhau Để giải quyết vấn đề này, cần cài đặt cơ chế đánh dấu gói tin và phục hồi các gói tin bị lỗi hoặc thất lạc trong quá trình truyền.
Topo mạng máy tính
Topo mạng là phương pháp kết nối các máy tính, bao gồm việc sắp xếp các phần tử mạng theo một cấu trúc hình học cụ thể và cách thức kết nối chúng.
Mạng máy tính chủ yếu được phân chia thành hai loại: điểm - điểm (point to point) và điểm - đa điểm (point to multipoint), còn được gọi là quảng bá (broadcast) Trong mạng cục bộ, có ba cấu hình chính thường gặp là bus (đường trục), star (hình sao) và ring (vòng).
Cấu hình mạng ảnh hưởng đến khả năng của mạng Chọn cấu hình có thể tác động đến:
- Loại thiết bị mạng cần
- Các khả năng của thiết bị
- Sự phát triển của mạng
- Cách thức quản lý mạng
Cấu hình Bus là một trong những loại cấu hình mạng đơn giản và phổ biến nhất, trong đó các máy tính được kết nối theo một đường thẳng thông qua một trục cáp chính Mỗi máy trạm kết nối vào Bus bằng cách sử dụng đầu nối chữ T (T-connection) hoặc bộ thu phát (transceiver) Khi một trạm gửi dữ liệu, tín hiệu sẽ được phát trên cả hai chiều của Bus Để ngăn chặn tín hiệu phản hồi trong cáp, một điện trở cuối (Terminator) được gắn ở mỗi đầu của cáp.
Máy tính trong mạng Bus giao tiếp bằng cách gửi dữ liệu đến một máy tính cụ thể, sau đó truyền tải dữ liệu đó qua cáp dưới dạng tín hiệu điện tử.
Dữ liệu mạng được gửi dưới dạng tín hiệu điện tử đến mọi máy tính trong mạng, nhưng chỉ những máy tính có địa chỉ khớp với địa chỉ mã hóa trong tín hiệu gốc mới chấp nhận thông tin Chỉ một máy tính có thể gửi thông điệp tại một thời điểm, do đó, hiệu suất của mạng bị ảnh hưởng bởi số lượng máy tính kết nối vào đường cáp chính Khi số lượng máy tính trên bus tăng lên, số máy tính chờ đợi để đưa dữ liệu lên bus cũng gia tăng, dẫn đến hiệu suất mạng giảm.
Bus là một cấu hình mạng thụ động, trong đó các máy tính chỉ lắng nghe dữ liệu đang được truyền trên mạng Chúng không có trách nhiệm chuyển dữ liệu từ máy tính này sang máy tính khác Nếu một máy tính gặp sự cố, nó sẽ không ảnh hưởng đến hoạt động của các máy tính khác trong mạng.
Dội tín hiệu xảy ra khi dữ liệu được gửi qua toàn mạng, di chuyển từ đầu này đến đầu kia của cáp Nếu tín hiệu không bị chặn lại sau khi đến địa chỉ đích, nó sẽ dội qua lại trong dây cáp, gây cản trở cho việc gửi tín hiệu từ các máy tính khác Để ngăn chặn tình trạng này, một Terminator được lắp đặt ở mỗi đầu cáp hở để hấp thụ các tín hiệu tự do, giúp thông cáp và cho phép các máy tính khác gửi tín hiệu một cách hiệu quả.
Khi cáp mạng bị đứt hoặc một đầu cáp bị ngắt kết nối, tín hiệu sẽ bị dội và toàn bộ mạng sẽ ngừng hoạt động do không có đầu cáp nào được nối tới terminator Mặc dù các máy tính trên mạng vẫn có khả năng hoạt động độc lập, nhưng chúng sẽ không thể giao tiếp với nhau.
Trong mạng cấu hình Star, mỗi máy tính được kết nối với một thiết bị trung tâm gọi là HUB hoặc SWITCH Tín hiệu từ máy tính gửi được truyền qua thiết bị trung tâm đến tất cả các máy tính trong mạng Mạng Star mang lại tài nguyên và chế độ quản lý tập trung, tuy nhiên, nếu thiết bị trung tâm gặp sự cố, toàn bộ mạng sẽ ngừng hoạt động.
Hub là thiết bị dùng để tập trung lưu lượng thông tin trong mạng cục bộ qua một điểm kết nối duy nhất Khi xảy ra sự cố như đứt cáp trên mạng sử dụng Hub, chỉ khu vực bị đứt sẽ bị ảnh hưởng, trong khi phần còn lại của mạng vẫn hoạt động bình thường.
Do mỗi máy tính đƣợc nối với thiết bị trung tâm nên cấu hình này cần rất nhiều cáp Song cũng có thể dễ dàng mở rộng mạng
Mạng Ring kết nối các máy tính theo hình vòng tròn, không có đầu hở, với tín hiệu truyền đi theo một chiều theo chiều kim đồng hồ Mỗi máy tính trong mạng này hoạt động như một bộ chuyển tiếp, khuếch đại tín hiệu và chuyển tiếp đến máy tính tiếp theo, điều này khác với cấu trúc Bus thụ động Tuy nhiên, nếu một máy tính trong mạng bị hỏng, nó sẽ ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống.
Các phương pháp truy nhập đường truyền vật lý
1.4.1 CSMA/CD –phương pháp đa truy nhập sử dụng sóng mang có phát hiện xung đột
Phương pháp truy cập ngẫu nhiên trên topo dạng Bus là một cải tiến của phương pháp CSMA, hay còn gọi là LBT (Listen Before Talk) Nguyên tắc của phương pháp này là trước khi một trạm truyền dữ liệu, nó phải lắng nghe để xác định xem đường truyền có rỗi hay không Nếu đường truyền rỗi, trạm sẽ tiến hành truyền dữ liệu theo khuôn dạng chuẩn Ngược lại, nếu đường truyền đang bận do một trạm khác đang truyền dữ liệu, trạm đó sẽ phải áp dụng một trong ba giải thuật sau đây.
(1) Trạm tạm rút lui, chờ một khoảng thời gian ngẫu nhiên nào đó rồi bắt đầu nghe đường truyền
(2) Trạm tiếp tục nghe đến khi đường truyền rỗi thì truyền dữ liệu đi với xác suất bằng 1
(3) Trạm tiếp tục nghe đến khi đường truyền rỗi thì truyền dữ liệu đi với xác suất bằng p
Giải thuật này có nhược điểm là các trạm chỉ nghe trước khi phát, dẫn đến việc không phát hiện được xung đột trong quá trình truyền dữ liệu Điều này khiến cho các trạm tiếp tục truyền đi, gây lãng phí băng thông Để khắc phục tình trạng này, quy tắc CSMA/CD hay LWT (Nghe trong khi nói) đã được bổ sung nhằm phát hiện xung đột hiệu quả hơn.
Khi một trạm đang truyền dữ liệu, nó vẫn tiếp tục lắng nghe đường truyền Nếu phát hiện xung đột, trạm sẽ ngay lập tức ngừng truyền nhưng vẫn phát tín hiệu sóng mang thêm một thời gian nhất định để đảm bảo tất cả các trạm trong mạng đều nhận biết sự kiện xung đột Sau đó, trạm sẽ chờ đợi một khoảng thời gian ngẫu nhiên trước khi thử truyền lại theo quy tắc của CSMA.
Phương pháp này hoạt động dựa trên nguyên lý cấp phát quyền truy cập đường truyền cho các trạm có nhu cầu truyền dữ liệu Một thẻ bài được lưu chuyển trên một vòng logic do các trạm thiết lập Khi một trạm nhận thẻ bài, nó có quyền sử dụng đường truyền trong một khoảng thời gian xác định để truyền một hoặc nhiều đơn vị dữ liệu Sau khi hoàn thành việc truyền hoặc hết thời gian, trạm sẽ chuyển thẻ bài cho trạm tiếp theo trong vòng logic Việc đầu tiên là thiết lập vòng logic, trong đó các trạm có nhu cầu truyền dữ liệu được sắp xếp theo một thứ tự nhất định, với trạm cuối cùng nối tiếp trạm đầu tiên Mỗi trạm biết địa chỉ của trạm liền kề trước và sau, và thứ tự trên vòng logic có thể khác với thứ tự vật lý Các trạm không có nhu cầu truyền dữ liệu sẽ không được đưa vào vòng logic và chỉ có thể nhận dữ liệu.
Việc thiết lập vòng logic trong chương trình không khó, nhưng duy trì nó theo trạng thái thực tế của mạng lại là thách thức lớn Để đạt được điều này, cần thực hiện các chức năng quan trọng.
Để tối ưu hóa vòng logic, cần bổ sung các trạm nằm ngoài vòng logic thông qua việc xem xét định kỳ Nếu có nhu cầu truyền dữ liệu, những trạm này sẽ được đưa vào vòng logic để đảm bảo tính hiệu quả trong việc quản lý và truyền tải thông tin.
Để tối ưu hóa việc điều khiển truy cập bằng thẻ bài, cần loại bỏ một trạm khỏi vòng logic khi trạm đó không còn nhu cầu truyền dữ liệu.
Quản lý lỗi là rất quan trọng trong hệ thống, vì một số lỗi có thể xảy ra như tình trạng trùng địa chỉ, khi hai trạm đều nghĩ đến lượt của mình, hoặc tình trạng đứt vòng, khi không có trạm nào nghĩ đến lượt của mình.
- Khởi tạo vòng logic: khi cài đặt mạng hoặc sau khi đứt vòng cần phải khởi tạo vòng logic
Phương pháp này sử dụng thẻ bài để cấp phát quyền truy nhập đường truyền, nhưng khác với phương pháp token bus, thẻ bài được lưu chuyển theo vòng vật lý mà không cần thiết lập vòng logic.
Thẻ bài là đơn vị dữ liệu đặc biệt với một bit trạng thái (bận/rỗi) để quản lý việc truyền dữ liệu Khi một trạm muốn truyền dữ liệu, nó phải chờ thẻ bài rỗi, sau đó đổi bit trạng thái thành bận và gửi dữ liệu cùng thẻ bài Khi không còn thẻ bài rỗi, các trạm khác phải đợi Dữ liệu được gửi đến trạm đích sẽ được sao lại và tiếp tục quay về trạm nguồn Tại trạm nguồn, dữ liệu sẽ bị xóa và thẻ bài được đổi thành rỗi để cho phép các trạm khác truyền dữ liệu Quy trình này cũng tạo ra cơ chế báo nhận (ACK), cho phép trạm đích gửi thông báo về kết quả tiếp nhận dữ liệu.
Trong phương pháp này cần giải quyết 2 vấn đề có thể dẫn đến phá vỡ hệ thống:
- Việc mất thẻ bài làm cho trên vòng không còn thẻ bài để chuyển nữa
- Thẻ bài bận lưu chuyển không ngừng trên vòng.
Kiến trúc và giao thức mạng máy tính
Khi mạng máy tính ra đời, các nhà thiết kế tự do lựa chọn kiến trúc mạng riêng, dẫn đến sự không tương thích giữa các mạng do phương pháp truy cập và giao thức khác nhau Sự gia tăng nhu cầu trao đổi thông tin đã khiến tình trạng này trở nên không thể chấp nhận đối với người sử dụng Để khắc phục vấn đề này, các nhà sản xuất và nhà nghiên cứu đã hợp tác qua các tổ chức chuẩn hóa quốc tế nhằm xây dựng một khung chuẩn về kiến trúc mạng, làm cơ sở cho việc thiết kế và sản xuất các sản phẩm mạng.
In 1977, the International Organization for Standardization (ISO) established a subcommittee to develop a standardized framework By 1984, ISO successfully created a reference model for connecting open systems.
Open Systems Interconnection – OSI Reference model)
Mô hình OSI chia mạng thành 7 tầng (layer)
Nhóm tầng thấp trong mô hình mạng, bao gồm tầng vật lý, liên kết dữ liệu, mạng và vận chuyển, chịu trách nhiệm cho việc truyền dữ liệu qua mạng Các tầng này thực hiện các chức năng như đóng gói, dẫn đường, kiểm tra và truyền từng nhóm dữ liệu mà không quan tâm đến loại dữ liệu từ tầng trên Chúng chỉ đơn giản là gửi dữ liệu đi mà không xử lý nội dung bên trong.
Nhóm tầng cao (session, presentation, application) chủ yếu tập trung vào việc đáp ứng nhu cầu của người sử dụng, nhằm triển khai ứng dụng trên mạng Điều này được thực hiện thông qua các phương tiện truyền thông do nhóm tầng thấp cung cấp.
Hệ thống kết nối mở OSI cho phép truyền thông tin giữa các hệ thống và mạng khác nhau, sử dụng nhiều giao thức khác nhau Hệ thống này có khả năng thông báo và chuyển đổi giữa các giao thức thông qua các chương trình, đảm bảo tính tương thích và khả năng giao tiếp hiệu quả.
* Chức năng của các tầng trong mô hình OSI
Tầng vật lý là lớp đầu tiên trong mô hình mạng, chịu trách nhiệm cung cấp các phương tiện truyền tin cũng như các thủ tục khởi động, duy trì và huỷ bỏ các liên kết vật lý Nó đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển tải các bit thông tin qua các kênh truyền thông, đồng thời quy định các chuẩn giao diện cơ, điện và các thủ tục liên quan đến môi trường vật lý.
Tầng liên kết dữ liệu cung cấp các phương tiện truyền thông tin qua liên kết vật lý, đảm bảo tính tin cậy của thông tin thông qua các cơ chế đồng bộ hóa, kiểm soát lỗi và kiểm soát luồng dữ liệu.
Tầng liên kết chịu trách nhiệm chuyển đổi các gói tin ở mức mạng thành các khung tin (frame) và truyền chúng xuống tầng vật lý Đồng thời, tầng này cũng xử lý các thông báo từ trạm thu Các thành phần chính trong khung tin bao gồm trường địa chỉ, trường kiểm tra, dữ liệu và trường kiểm tra lỗi.
Nhiệm vụ chính của tầng 2 là khởi tạo và tổ chức các frame và xử ký các thông tin liên quan tới frame
Tầng mạng có vai trò quan trọng trong việc gán địa chỉ, lựa chọn đường truyền và cung cấp dịch vụ định tuyến cho các gói dữ liệu Tầng này xác định lộ trình mà dữ liệu từ nguồn đến đích sẽ đi, dựa trên các điều kiện mạng, độ ưu tiên dịch vụ và các yếu tố khác.
Tầng giao vận đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ tin cậy và toàn vẹn dữ liệu trong quá trình truyền tải từ nơi gửi đến nơi nhận Điều này được thực hiện thông qua cơ chế kiểm tra lỗi từ các tầng bên dưới Ngoài ra, tầng giao vận còn có trách nhiệm tạo ra nhiều kết nối cụ bộ trên một kết nối mạng, được gọi là ghép kênh (multiplexing), phân chia thời gian xử lý (time sharing) và cắt hợp dữ liệu.
Tầng phiên có vai trò quan trọng trong việc thiết lập, duy trì, đồng bộ hóa và hủy bỏ các phiên làm việc Để đảm bảo sự kết nối hiệu quả, cần thiết lập liên kết thông qua việc đối thoại và trao đổi các thông số điều khiển.
Dùng tầng giao vận đển cung cấp các dịch vụ nâng cao cho phiên làm việc nhƣ: kiểm soát các cuộc hội thoại, quản lý thẻ bài (token)
Tầng trình diễn đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo rằng các hệ thống cuối có thể giao tiếp hiệu quả, bất chấp việc chúng sử dụng các biểu diễn dữ liệu khác nhau.
- Tầng ứng dụng: là tầng cao nhất trong mô hình OSI, là ranh giới giứ môi trường kết nối các hệ thống mở và các tiến trình ứng dụng
1.5.2 Các giao thức chuẩn của OSI
Mỗi thực thể truyền thông kết nối với các thực thể ở tầng trên và dưới thông qua một giao diện, bao gồm nhiều điểm truy cập dịch vụ Thực thể ở tầng N-1 cung cấp dịch vụ cho thực thể ở tầng N bằng cách gọi các hàm dịch vụ nguyên thủy Bốn hàm nguyên thủy này định nghĩa sự tương tác giữa các tầng kề nhau.
Yêu cầu (Request) được gửi từ người sử dụng dịch vụ ở tầng N+1 trong hệ thống A nhằm kích hoạt thủ tục của giao thức ở tầng N Yêu cầu này được cấu trúc dưới dạng một hoặc nhiều đơn vị dữ liệu (PDU) để truyền tới B Chỉ báo (Indication) sẽ được sử dụng để thông báo cho các tầng liên quan, trong khi phản hồi (Response) và xác nhận (Confirm) đảm bảo rằng thông tin đã được nhận và xử lý đúng cách.
Khi PDU được nhận, giao thức ở tầng N của B sẽ thông báo yêu cầu lên tầng N+1 qua hàm Indication Tiếp theo, Response từ tầng N+1 của B sẽ được gửi xuống tầng N để trả lời A.
CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRÊN MẠNG
Các khái niệm
2.1.1 Định tuyến, bảng định tuyến
Định tuyến (routing) là phương pháp xác định đường đi tối ưu cho việc vận chuyển gói tin từ nguồn đến đích trong mạng Intranet và Internet Chức năng này được thực hiện bởi các thiết bị ở lớp 3 (network) của mô hình OSI, chủ yếu là bộ định tuyến Router Mỗi Router trong mạng cần xây dựng một bảng định tuyến (routing table) chứa thông tin cần thiết để tìm ra con đường hiệu quả nhất đến đích.
Khi router nhận một gói tin, nó sẽ loại bỏ phần header của lớp 2 để xác định địa chỉ đích ở lớp 3 Sau khi tìm được địa chỉ đích, router sẽ tra cứu tuyến đường trong bảng định tuyến.
Router sẽ chuyển packet ra cổng tương ứng nếu có tuyến đường tới đích Sau đó, packet được đóng gói xuống lớp 2 theo loại đường truyền và được truyền dưới dạng bit Quá trình này tiếp tục cho đến khi packet đến được đích.
- Trong trường hợp không tìm thấy đường đến mạng đích, Router sẽ huỷ packet đó và gửi một gói ICMP network unreachable về nơi đã gửi packet
Bảng định tuyến là một bảng lưu trữ thông tin về các tuyến đường đến các mạng, được lưu trong RAM của Router Nó có thể được xây dựng thủ công bởi người quản trị thông qua định tuyến tĩnh, hoặc tự động bằng các giao thức định tuyến trong trường hợp định tuyến động.
Bảng định tuyến của mỗi giao thức khác nhau là khác nhau, nhƣng có thể bao gồm những thông tin sau:
+ Địa chỉ đích của mạng, mạng con của hệ thống
+ Địa chỉ IP củauRouter chặng kế tiếp phải đến
+ Cổng đi đến Router kế tiếp
+ Mặt nạ mạng của địa chỉ đích
+ Thời gian từ khi Router cập nhật lần cuối
Metric là yếu tố quyết định mà giao thức định tuyến sử dụng để xác định con đường tối ưu nhất Mỗi giao thức định tuyến có thể áp dụng nhiều loại metric khác nhau Những metric này được kết hợp để tạo thành một metric tổng quát, phản ánh đặc trưng của liên kết Các loại metric phổ biến thường được sử dụng bao gồm:
Chiều dài tuyến đường (Path Length) là một chỉ số cơ bản và phổ biến trong mạng, được xác định bằng số lượng Hop giữa nguồn và đích Mỗi Hop đại diện cho một liên kết giữa hai router, cho thấy độ dài của tuyến đường dữ liệu trong mạng.
Độ tin cậy (reliability) là khái niệm phản ánh mức độ ổn định của một liên kết, thường được đo qua tần suất bit lỗi Khái niệm này nhấn mạnh khả năng hoạt động liên tục và đáng tin cậy của liên kết trong quá trình truyền tải dữ liệu.
Độ trễ (delay) là thời gian cần thiết để chuyển một gói dữ liệu từ nguồn đến đích, và nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như khoảng cách vật lý, băng thông của liên kết, cũng như sự đụng độ và tranh chấp đường truyền Do đó, độ trễ là một chỉ số quan trọng trong các thuật toán định tuyến (routing).
+ Bandwith (băng thông): là một metric quan trọng để đánh giá đường truyền Băng thông chỉ lưu lượng dữ liệu tối đa có thể truyền trên liên kết
2.1.2 Giao thức định tuyến, giao thức được định tuyến a) Giao thức định tuyến (Routing Protocol): là giao thức mà Router sử dụng để trao đổi thông tin định tuyến với các Router khác
Giao thức định tuyến được cài đặt tại các Router nhằm xây dựng bảng định tuyến, đảm bảo tính tương thích giữa các bảng Routing table Điều này giúp xác định rõ ràng đường đi đến các mạng khác nhau.
Các giao thức định tuyến đƣợc chi làm 2 loại:
+ Giao thức định tuyến nội vùng: Rip, OSPF, IGRP, EIGRP + Giao thức định tuyến ngoại vùng: BGP
Các chức năng của giao thức định tuyến:
- Học thông tin định tuyến về các mạng từ Router kế cận
- Quảng bá thông tin định tuyến về các mạng đến các Router kế cận
- Nếu có nhiều hơn một tuyến đường đến một mạng, chọn tuyến đường tốt nhất dựa vào metric
Khi sơ đồ mạng thay đổi, như khi một tuyến đường bị hỏng hoặc có mạng mới được bổ sung, các router sẽ phân tích tình hình và thông báo cho các router khác về những thay đổi này Từ đó, tất cả các router sẽ chọn con đường tối ưu nhất cho mỗi mạng, quá trình này được gọi là hội tụ định routing Khả năng hội tụ nhanh chóng mà không gây ra vòng lặp là yếu tố quan trọng khi lựa chọn giao thức định routing Giao thức định routing là công cụ giúp định hướng cho gói dữ liệu, cung cấp thông tin đầy đủ về địa chỉ lớp mạng, cho phép gói dữ liệu truyền từ host này sang host khác một cách hiệu quả.
Các giao thức đƣợc định tuyến gồm có:
+ Internet Protocol (IP) + Internetwork Packet Exchange (IXP)
2.1.3 Khoảng cách quản lý (Administrative Distance (AD))
AD (Administrative Distance) là chỉ số đánh giá độ tin cậy của thông tin định tuyến mà Router nhận từ các Router hàng xóm Giá trị của AD là một số nguyên từ 0 đến 255, trong đó 0 thể hiện độ tin cậy cao nhất và 255 có nghĩa là tuyến đường không được sử dụng để vận chuyển thông tin.
Khi một Router nhận thông tin định tuyến, nó sẽ đánh giá thông tin đó và thêm tuyến hợp lệ vào bảng định tuyến Việc đánh giá thông tin định tuyến dựa trên độ tin cậy (AD), và nếu Router được cài đặt với nhiều giao thức định tuyến, tuyến đường có AD nhỏ hơn sẽ được ưu tiên sử dụng.
Mỗi giao thức định tuyến có một giá trị AD tương ứng:
+ Kết nối trực tiếp: 0 + Tuyến đường tĩnh: 1 + Rip: 120
Phân loại giao thức định tuyến
Có 2 loại giao thức định tuyến: giao thức định tuyến véc tơ khoảng các (Distance Vector) và giao thức định tuyến trạng thái đường liên kết (Link State) Việc tìm ra tuyến đường tốt nhất đưa vào bảng định tuyến của các giao thức định tuyến được thực hiện dựa trên các thuật toán tìm đường đi ngắn nhất giữa 2 đỉnh
2.2.1 Thu ật toán tìm đường đi ngắn nhất a) Bài toán:
Cho đồ thị G : V là tập các đỉnh thuộc đồ thị; E là tập các cạnh của đồ thị Kí hiệu c(u,v) là độ dài của cạnh nối giữa 2 đỉnh u và v
Cho s, t là 2 đỉnh của đồ thị Tìm đường đi ngắn nhất từ đỉnh s đến đỉnh t b) Ý tưởng chung của các thuật toán tìm đường đi ngắn nhất
- Dò tìm bằng cách thử đi qua các đỉnh trung gian
Nếu phát hiện rằng đường đi qua đỉnh trung gian ngắn hơn đường đi hiện tại, hệ thống sẽ cập nhật đường đi mới và điều chỉnh các thông số liên quan.
- Thường sử dụng 2 mảng để lưu trữ tạm thời
D(v): độ dài đường đi ngắn nhất từ s tới v T(v): lưu trữ đỉnh nằm trước v trên đường ngắn nhất từ s đến v c) Thuật toán Bellman-Ford
For all u là lân cận của v do
* Ví dụ minh họa: Cho sơ đồ mạng nhƣ sau Mỗi nút là 1 Router
Dùng thuật toán Bellman-Ford tìm đường đi từ nút u đến các nút còn lại:
Ta có bảng định tuyến của Router tại nút u sẽ nhƣ sau:
Network Nethop Cost v v 2 w x 3 x x 1 y x 2 z x 4 d) Thuật toán Dijkstra
T=V-{s}; “Tập đánh dấu các đỉnh đã chọn”
- Tìm đỉnh u T thỏa mãn D[u] nhỏ nhất;
* Ví dụ minh họa: Với sơ đồ mạng nhƣ trên
Thuật toán Dijkstra tìm đường đi từ nút u tới các nút còn lại
Ta có bảng định tuyến cho Router tại nút u:
2.2.2 Giao thức định tuyến Véc tơ khoảng cách (Distance Vector) a) Giới thiệu cơ bản về định tuyến Vector khoảng cách
Thuật ngữ "Distance Vector" bao gồm hai thành phần chính: "Distance" và "Vector" "Distance" đề cập đến khoảng cách (metric) cần thiết để đến đích, trong khi "Vector" chỉ ra hướng di chuyển đến đích, được xác định bởi next-hop của tuyến đường.
Với thuật toán Distance Vector, mỗi Router chỉ cần biết 2 yếu tố khi chọn đường: chọn theo hướng nào, khoảng cách tới đích là bao nhiêu
Trong ví dụ trên tất cả những gì Router R1 biết về mạng X là 3 vectơ: hướng của vectơ chỉ next hop, chiều dài vector chỉ metric
Thuật toán định tuyến Véc tơ khoảng cách sử dụng phương pháp tìm đường đi ngắn nhất từ một đỉnh đến tất cả các đỉnh trên đồ thị Bellman – Ford để xác định tuyến đường tối ưu đến đích Giao thức này hoạt động bằng cách chia sẻ thông tin về khoảng cách và hướng đi giữa các nút trong mạng, giúp cải thiện hiệu quả định tuyến và tối ưu hóa việc truyền tải dữ liệu.
Các giao thức Distance Vector cập nhật định tuyến bằng cách gửi toàn bộ bảng định tuyến tới các Router kết nối trực tiếp Bảng định tuyến chứa thông tin về đường đi đến mạng đích, bao gồm khoảng cách (metric) và địa chỉ của trạm kế tiếp (nexthop).
Khi tất cả các Router đã cập nhật đầy đủ thông tin về các tuyến đường đến các mạng đích, mạng được coi là đã hội tụ Ngoài ra, các giá trị thời gian cũng đóng vai trò quan trọng trong giao thức Distance Vector.
- Update time: khoảng thời gian gửi định kỳ thông tin định tuyến của Router tới tất cả các router hàng xóm
Thời gian không hợp lệ là khoảng thời gian xác định khi một tuyến đường trở nên không hợp lệ Thời gian này bắt đầu khi thời gian Holddown không nhận được cập nhật, và sau khoảng thời gian này, hệ thống sẽ gửi thông báo đến tất cả các Router hàng xóm rằng tuyến đường đó đã không còn hợp lệ.
Thời gian holddown là giá trị quan trọng được sử dụng khi thông tin về tuyến đường thay đổi Khi nhận được thông tin mới, Router sẽ đưa tuyến đường vào trạng thái holddown, có nghĩa là Router sẽ không gửi hay nhận quảng bá về tuyến đường đó trong thời gian này Sau khoảng thời gian holddown, Router mới bắt đầu nhận và gửi thông tin về tuyến đường Giá trị này giúp giảm thiểu thông tin sai lệch mà Router có thể học được.
Thời gian flush (Flush time) là khoảng thời gian tính từ khi một tuyến đường trở nên không hợp lệ cho đến khi nó bị xóa khỏi bảng định tuyến Giá trị thời gian không hợp lệ (Invalid time) phải nhỏ hơn giá trị Flush time, vì Router cần thông báo cho các Router lân cận về trạng thái không hợp lệ của tuyến đường Điều này giúp ngăn chặn lỗi vòng lặp định tuyến.
Lỗi vòng lặp định tuyến có thể xảy ra khi bảng định tuyến trên các Router chƣa đƣợc cập nhật do quá trình hội tụ chậm
Trước khi mạng 1 gặp sự cố, tất cả các Router trong hệ thống đều có thông tin chính xác về cấu trúc mạng và bảng định tuyến Khi đó, chúng ta nói rằng các Router đã hội tụ Giả sử Router C chọn đường đến mạng 1 qua Router B, với khoảng cách là 3 hops.
+ Ngay khi mạng 1 bị lỗi, Router E liền gửi thông tin cập nhật cho Router
A Router A ngay lập tức ngƣng việc định tuyến đến mạng 1 Nhƣng Router B,
C, D vẫn tiếp tục việc này vì chúng vẫn chƣa biết gì về mạng 1 bị lỗi Sau đó Router A cập nhật thông tin về mạng 1 cho Router B và D Router B, D lập tức ngƣng định tuyến các gói tin tới mạng 1
Đến thời điểm cập nhật định kỳ của Router C, thông tin cập nhật gửi đến Router D vẫn chứa đường đến mạng 1 qua Router B Router D sau đó cập nhật bảng định tuyến, bổ sung đường tới mạng 1 qua Router D và gửi thông tin này cho Router B và E Quá trình cập nhật tiếp tục diễn ra tại B và E, dẫn đến việc các gói tin từ C tới mạng 1 bị gửi lòng vòng theo chu trình C -> B -> A -> D -> C Để tránh vòng lặp định tuyến trong Distance Vector, cần áp dụng các phương pháp hiệu quả.
* Phương pháp định nghĩa giá trị tối đa
Các giao thức Distance Vector sử dụng số hop như một thông số quan trọng trong thông tin cập nhật Khi router gửi bảng định tuyến, số hop sẽ được tăng lên, giúp xác định khoảng cách đến đích.
1 Nếu vòng lặp vô hạn xảy ra thì số hop cũng sẽ tăng vô hạn
Để tránh vòng lặp vô hạn trong giao thức định tuyến Distance Vector, cần định nghĩa giá trị tối đa cho số hop Khi số hop vượt qua giá trị tối đa này, vòng lặp sẽ dừng lại và thông tin cập nhật sẽ bị Router huỷ bỏ Do đó, nếu số hop vượt quá giới hạn, mạng sẽ được xem là không thể tiếp cận.
* Phương pháp miền phân tách (split horizone)
Một nguyên nhân khác gây ra vòng lặp là khi Router gửi lại thông tin định tuyến mà nó vừa nhận cho chính Router đã gửi thông tin đó.
Trong ví dụ vừa nêu ở phần trên vì Router A cập nhật thông tin định tuyến từ Router D là có đường đến mạng 1 nên xảy ra vòng lặp
Các giao thức định tuyến trên mạng
2.3.1 Khái niệm AS (Autonomous System - Hệ tự quản)
AS là một nhóm các mạng được quản lý bởi một cơ chế định tuyến chung dưới sự kiểm soát của một tổ chức Chẳng hạn, một công ty có thể tạo ra và tài trợ cho một mạng, hoặc một mạng thuộc về chính phủ Ngoài ra, mỗi nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP) thường cũng được xem là một AS.
Routing protocols within an Autonomous System (AS) are known as Interior Gateway Protocols (IGP) In contrast, protocols designed to exchange routing information between routers in different Autonomous Systems are referred to as Exterior Gateway Protocols (EGP).
Mỗi hệ thống tự trị (AS) được xác định bởi một số gọi là chỉ số AS (ASN) Tương tự như địa chỉ IP công cộng, ICANN chịu trách nhiệm cấp phát ASN trên toàn cầu Hình ảnh minh họa dưới đây thể hiện ba nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP) sử dụng giao thức IGP (OSPF và EIGRP) trong mạng nội bộ và giao thức BGP giữa các AS.
* Mục đích của giao thức định tuyến và hệ AS
Giao thức định tuyến có vai trò quan trọng trong việc xây dựng và duy trì bảng định tuyến, chứa thông tin về các mạng khác và cổng giao tiếp trên Router Router sử dụng giao thức này để quản lý thông tin nhận được từ các Router khác, giúp tối ưu hóa quá trình truyền tải dữ liệu.
Giao thức định tuyến cập nhật thông tin về các con đường, lựa chọn đường tốt nhất để đưa vào bảng định tuyến và loại bỏ những con đường không còn sử dụng Router sử dụng thông tin từ bảng định tuyến để chuyển tiếp các gói tin của các giao thức được định tuyến.
Hệ thống tự quản AS chia mạng toàn cầu thành nhiều mạng nhỏ nhằm nâng cao khả năng quản lý Mỗi AS được gán một số ASN duy nhất, không trùng lặp với bất kỳ AS nào khác, và có cơ chế quản trị riêng biệt.
2.3.2 Các giao thức định tuyến nội vùng IGP
2.3.2.1 RIP (Routing Information Protocol) a) Giới thiệu
RIP (Routing Information Protocol) là giao thức định tuyến véc tơ khoảng cách, gửi toàn bộ bảng định tuyến đến tất cả các cổng hoạt động mỗi 30 giây Giao thức này sử dụng Metric là hop count để xác định tuyến đường tối ưu đến đích Thuật toán Bellman-Ford được áp dụng để xây dựng bảng định tuyến trong RIP.
Rip đƣợc phát triển vào những năm 1970 bởi Xerox Năm 1988 đƣợc công bố chính thức trong RFC 1058 b) Các giá trị về thời gian
+ Flush time: 240 giây c) Hoạt động của Rip
All packets of the Routing Information Protocol (RIP) are encapsulated in UDP segments, utilizing both the source and destination ports set to 520 RIP defines two types of messages.
+ Request message: đƣợc sử dụng để gửi một yêu cầu tới router hàng xóm để gửi update
+ Reponse message: mang thông tin update
Router giử broadcast bản tin Request ra tất cả các cổng đang hoạt động, đƣợc các Request message rồi gửi Response message chứa toàn bộ bảng định tuyến
* Xử lý thông tin update của router:
Sau khi hoàn tất việc xây dựng bảng định tuyến, router sẽ cập nhật thông tin về tuyến đường đến các mạng Nếu tuyến đường mới có hop count nhỏ hơn, nó sẽ thay thế tuyến đường cũ trong bảng định tuyến; ngược lại, tuyến đường mới sẽ bị bỏ qua nếu có hop count lớn hơn Cấu trúc gói tin của RIP (Rip message format) cũng cần được chú ý trong quá trình này.
The RIP packet structure includes a command field, a version field, and can accommodate up to 25 route entries Each route entry consists of an address family identifier, an IP address, and a metric, which represents the hop count.
Các trường cụ thể trong bản tin của RIP:
+ Trường command gồm 8 bít: trường này có giá trị là 1 nếu gói tin là Request message, có giá trị 0 nếu là Response message
+ Trường version gồm 8 bít: có giá trị 1 nếu là Rip V1,
+ Trường Family address 16 bít: có giá trị 2 nếu routed protocol đƣợc sử dụng là IP
+ Trường IP address gồm 32 bít: là địa chỉ đich của tuyến đường + Trường metric gồm 32 bít: là hop count của tuyến đường
- Kích thước phần header của RIP: 32 bít
- Kích thước của mỗi Route: 5*320 bít
- Kích thước header của UDP là 64 bít
- Kích thước tối đa của gói tin là : 32+20*160+64296 bit = 412byte d) Cấu hình Rip
Vào mode Configure của Router, sau đó dùng lệnh:
+ Router(config)# Router Rip (cho phép Router sử dụng giao thức Rip)
+ Router(config-router)# Network x.y.z.w (trong đó x.y.z.w là mạng đang kết nối trực tiếp với Router)
2.3.2.2 IGRP (Interior Gateway Routing Protocol) a) Giới thiệu về IGRP
IGRP là giao thức định tuyến véc tơ khoảng cách độc quyền đƣợc phát tố: Bandwith, Delay, Load, Reliability, Maximum transfer unit (MTU); mặc định là Bandwidth và delay
IGRP không dựa vào hopcount cho metric của mình, nhưng vẫn theo dõi được số lượng hop Mạng sử dụng IGRP có thể mở rộng đến 255 hop.
Mỗi lần tuyến đường được cập nhật thì thông số này được khởi động lại c) Metric của IGRP
Metric của IGRP là sự tổ hợp của 5 thành phần: Bandwith, Delay, Load, Reliability, Maximum transfer unit (MTU)
Băng thông (bandwidth) là thông số đo lường khả năng truyền tải dữ liệu của đường truyền, thường được tính bằng kilobit trên giây (kbps) Thông số này có thể được điều chỉnh bởi người quản trị và không phản ánh băng thông thực tế của đường truyền.
Delay là thời gian cần thiết để truyền một bít dữ liệu tới đích, được đo bằng micro giây Đây là một thông số tĩnh nhưng có thể được điều chỉnh bởi người quản trị hệ thống.
- Load: phần băng thông sử dụng trên đường truyền Load có giá trị từ 1
255 (giá trị 255 có nghĩa là sử dụng 100%)
Độ tin cậy (Reliability) được đo bằng số lượng gói tin đến đích mà không bị hỏng, với giá trị dao động từ 1 đến 255 Giá trị 255 tương ứng với 100% gói tin không bị hỏng, cho thấy mức độ tin cậy tối đa trong quá trình truyền tải dữ liệu.
Công thức tính metric của IGRP:
Metric = (K1*Bandwith +(K2*Bandwith)/(256-Load)+K3*Delay) * (K5/Reliability +K4)
(Trong đó: Ki là các hằng số Theo ngầm định K1=K3=1; K2=K4=K5=0) c) Hoạt động của IGRP
IGRP gửi gói tin Request broadcast tới tất cả các Router kết nối trực tiếp khi khởi động, đồng thời cập nhật thông tin mà nó nhận được.
MÔ PHỎNG CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN
Giới thiệu chương trình packet tracer
Để kiểm tra các kiến thức đã đề cập, chúng ta sử dụng phần mềm Packet Tracer nhằm xây dựng hệ thống mạng, cấu hình Router và mô phỏng hoạt động của các giao thức định tuyến.
Packet Tracer là phần mềm của Cisco cho phép người dùng thiết kế hệ thống mạng ảo giống như thực tế Với Packet Tracer, bạn có thể tạo ra một mạng ảo hoàn chỉnh với đầy đủ các thiết bị như máy tính, bộ định tuyến, bộ chuyển mạch và các kết nối giao tiếp khác.
Giao diện của chương trình như sau: Để sử dụng các thiết bị ta chỉ cần kéo thả thiết bị đó vào vùng làm việc
Packet tracer có hai chế độ xử lý:
Chế độ mô phỏng cho phép người dùng quan sát hoạt động của hệ thống mạng từng bước một, giúp theo dõi các tuyến đường mà gói tin đi qua Nó cũng cung cấp cái nhìn chi tiết về hoạt động của mô hình OSI và các thành phần bên trong mỗi gói tin.
Mô phỏng và cấu hình các giao thức định tuyến
3.2.1 Lưu đồ giải thuật của định tuyến véc tơ khoảng cách
Kí hiệu: D x (y,z): khoảng cách từ nút x đến nút y qua nút kế tiếp là z x: nút nguồn C(x,v): chi phí từ x đến v
Với nỗi nút v + D x (v,v)=C(x,v) (v nối trực tiếp với x) + D x (*,v)=∞ (*: các nút không phải là láng giềng của x)
Với mọi nút y + Tính Min w D x (y, w) + Gửi Min w D x (y, w) cho các nút láng giềng
Nút x nhận đƣợc update từ nút láng giềng v?
Với mỗi nút y + Tính D x (y,v)= C(x,v)+new D v (y, w)
Có giá trị Min w D x (y, w) mới? x gửi Min w D x (y, w) cho các nút láng giềng y n n y n y
3.2.2 Mô phỏng giao thức định tuyến RIP trên Packet tracer
Dùng Packet tracer tạo sơ đồ mạng có cấu trúc nhƣ sau:
* Cấu hình Interface và các giao thức định tuyến trên Router Để cấu hình cho các Router ta nhấn chuột vào từng Router và chọn CLI
- Chuyển cấu hình vào chế độ Privileged
- Chuyển chế độ cấu hình
- Đặt tên cho Router là R1
- Chọn giao thức định tuyến RIP
- Khai báo các mạng kết nối trực tiếp với R1
- Chuyển cấu hình vào chế độ Privileged
- Chuyển chế độ cấu hình
- Đặt tên cho Router là R2
- Chọn giao thức định tuyến RIP
- Khai báo các mạng kết nối trực tiếp với R2
- Chuyển cấu hình vào chế độ Privileged
- Chuyển chế độ cấu hình
- Đặt tên cho Router là R3
- Chọn giao thức định tuyến RIP
- Khai báo các mạng kết nối trực tiếp với R3
- Chuyển cấu hình vào chế độ Privileged
- Chuyển chế độ cấu hình
- Đặt tên cho Router là R4
- Chọn giao thức định tuyến RIP
- Khai báo các mạng kết nối trực tiếp với R4 Để xem kết quả bảng định tuyến trên từng Router ta sử dụng lệnh
+ Bảng định tuyến của Router R1:
+ Bảng định tuyến của Router R2
+ Bảng định tuyến của Router R3
+ Bảng định tuyến của Router R4
- Cấu trúc gói tin Update