Sơ lược về giao thức TCPIP.doc.DOC

Sơ lược về giao thức TCPIP.

Lời giới thiệu

Mặc dù rất nhiều giao thức đợc đa ra nhằm áp dụng cho internet, nhng chỉ một bộ giao thức nổi bật đợc sử dụng rộng rãi nhất cho liên mạng Bộ giao thức đó là bộ giao thức internet TCP/IP (the TCP/IP Internet Protocols); nhiều chuyên gia gọi nó đơn giản là TCP/IP.

TCP/IP là bộ giao thức đầu tiên đợc phát triển để sử dụng cho internet.TCP/IP bắt đầu đợc nghiên cứu vào những năm 1970, xấp xỉ thời gian với mạng cục bộ đợc phát triển Quân đội Mỹ đã đầu t rất nhiều công sức vào việc nghiên cứu bộ giao thức TCP/IP và liên mạng thông qua tổ chức ARPA Quân đội Mỹ là một trong những tổ chức đầu tiên mà có rất nhiều mạng khác nhau Do đó họ cũng là những tổ chức đầu tiên nhận ra nhu cầu cần thiết có dịch vụ toàn mạng Vào giữa những năm 1980, tổ chức khoa học quốc gia và một vài cơ quan chính phủ của Mỹ đã tiếp tục nghiên cứu phát triển giao thức TCP/IP và liên mạng diện rộng nhằm thử ngiệm bộ giao thức naỳ.

Việc nghiên cứu trên internet và giao thức TCP/IP đã đạt đợc những kết quả đáng kể Liên mạng đã trở thành một ý tởng quan trọng trong hệ thống mạng hiện đại Thực tế, công nghệ mạng đã tạo ra một cuộc cách mạng trong truyền thông máy tính Nhiều tổ chức lớn đã sử dụng internet nh là một hệ thống truyền thông máy tính cơ bản của họ Các tổ chức nhỏ hơn và các cá nhân cũng đã bắt đầu tiến hành nh vậy Hơn nữa, cùng với việc liên kết các internet riêng, công nghệ TCP/IP đã tạo ra một mạng Internet toàn cầu có tới hơn 5 triệu máy tính trong các trờng học, tổ chức thơng mại và các tổ chức quân đội, chính phủ ở khắp nơi trên hơn 82 nớc trên toàn thể giới.

Thực tế đã chứng minh bộ giao thức TCP/IP có ý nghĩa cực kì quan trọng và có ứng dụng lớn trong thời đại ngày nay_thời đại của internet Do hạn chế về mặt thời gian nên trong phần tiểu luận viết về giao thức TCP/IP này em chỉ trình bày một số vấn đề khái quát về giao thức TCP/IP.

Phần I

Sơ lợc về giao thức TCP/IP

I Các lớp và giao thức TCP/IP

Mô hình tham chiếu 7 lớp OSI đã đợc phát minh trớc khi có internet Do vậu mô hình này đã có những lớp không phù hợp với giao thức internet Hơn nữa, mô hình này đã dành toàn bộ một lớp cho một bộ giao thức mà điểu này trở nên kém quan trọng bằng hệ thống máy tính đã thay đổi từ các hệ thống phân chi thời gian lớn thành các máy trạm riêng Do vậy các nhà nghiên cứu mà phát triển giao thức TCP/IP đã phát minh ra mô hình lớp mới

Mô hình phân lớp TCP/IP hay còn gọi là mô hình phân lớp Internet hay mô hình tham chiếu Internet (Internet Reference Model) có 5 lớp nh trên hình sau

Hình1.Năm lớp của mô hình tham chiếu TCP/IP

4 lớp của mô hình tham chiếu TCP/IP tơng ứng với một hoặc nhiều lớp trong mô hình tham chiếu OSI

Lớp 2: Nối ghép mạng

Lớp 2 chỉ ra cách thức dữ liệu đợc tổ chức trong frame và máy tính truyền đi các frame nh thế nào, tơng tự nh lớp 2 trong mô hình tham chiếu OSI.

Lớp 3: Internet

Lớp 3 chỉ ra định dạng các gói tin đợc truyền qua internet và cơ chế sử dụng để truyền tiếp các gói tin từ một máy tính thông qua một hoặc nhiều router đến máy tính đích.

Lớp 4: truyền tải

Lớp 4 giống nh lớp 4 trong mô hình OSI, chỉ ra làm thế nào để đảm bảo độ tin cậy khi truyền tin.

Lớp 5: ứng dụng

Lớp 5 tơng ứng với lớp 6 và lớp 7 trong mô hình OSI Mỗi giao thức lớp 5 chỉ ra một ứng dụng sử dụng internet nh thế nào.

II Máy chủ, router và các lớp giao thức

TCP/IP định nghĩa ra thuật ngữ máy chủ (host computer) để chỉ bất kỳ hệ thống máy tính nào mà đợc nối với internet và có chạy các ứng dụng Host computer có thể chỉ là một máy tính cá nhân nhỏ nhng cũng có thể là máy mainframe lớn Hơn nữa, CPU của máy chủ có thể là nhanh hay chậm, bộ nhớ lớn hay bé và mạng mà có máy chủ nối kết có thể có tốc độ nhanh hay chậm Giao thức TCP/IP cho phép bất kỳ một cặp máy chủ nào cũng có thể giao tiếp với nhau bất chấp sự khác nhau về phần cứng.

Cả máy chủ và router đều cần đến phần mềm giao thức TCP/IP Tuy nhiên, router không sử dụng giao thức trong tất cả các lớp Đặc biệt router không cần giao thức lớp 5 cho các ứng dụng nh là việc truyền file bởi vì router không chạy các ứng dụng đó

Phần II

Địa chỉ IP

I IP_ Địa chỉ giao thức internet

Mục đích của liên mạng là tạo ra một hệ thống truyền thông đồng nhất Để đạt đợc điều này, phần mềm giao thức internet phải ẩn đi mọi chi tiết về các mạng vật lý và đa ra những đặc điểm thuận lợi của một mạng ảo Sự hoạt động của mạng ảo giống nh bất kỳ mạng nào khác, cho phép các máy tính truyền và nhận các gói tin Sự khác biệt cơ bản giữa internet và một mạng vật lý đó là internet chỉ là một mạng hoàn toàn trừu tợng đợc hình

dung ra bởi ngời thiết kế nó và đợc tạo ra bằng phần mềm Những ngời thiết kế tự do lựa chọn địa chỉ, định dạng gói tin, và kỹ thuật truyền tin độc lập với phần cứng vật lý cụ thể.

Địa chỉ là một thành phần khó nhất của mạng internet Để tạo ra đợc một hệ thống đồng bộ, tất cả các máy tính phải có một cơ chế đánh địa chỉ đồng bộ Nhng các địa chỉ vật lý của mạng không thể dùng đợc bởi một mạng internet có thể gồm nhiều công nghệ mạng khác nhau và mỗi công nghệ có một định dạng địa chỉ của riêng nó Do vậy, các địa chỉ của hai công nghệ mạng khác nhau có thể không tơng thích với nhau bởi vì chúng khác nhau về kích thớc và định dạng

Để đảm bảo sự đồng bộ về địa chỉ trên tất cả các host, phần mềm giao thức định nghĩa một cơ chế đánh địa chỉ mà hoàn toàn độc lập với địa chỉ phần cứng Mặc dù cơ chế đánh địa chỉ cho internet là trừu tợng tạo ra bởi phần mềm, nhng các địa chỉ giao thức sử dụng đối với các đến các đích trong mạng ảo cũng giống nh là cách mà địa chỉ phần cứng sử dụng trong mạng vật lý Để truyền gói tin qua mạng internet, máy gửi để địa chỉ giao thức của máy đích trong gói tin và truyền gói tin đó đến phần mềm giao thức để truyền đi Phần mềm sẽ sử dụng địa chỉ giao thức đích kho nó chuyển tiếp các gói tin này qua mạng internet đến máy tính đích.

Để tạo ra một địa chỉ đồng bộ trong mạng internet, phần mềm giao thức định nghĩa ra một cơ chế đánh địa chỉ trừu tợng mà mỗi host đợc thiết lập một địa chỉ duy nhất Ngời sử dụng , các chơng trình ứng dụng và các lớp phần mềm giao thức cao hơn sử dụng địa chỉ trừu tợng này để giao tiếp với nhau.

II Cơ chế đánh địa chỉ IP

Trong stack giao thức TCP/IP, địa chỉ đợc quy định bởi giao thức liên mạng (IP - internet protocol) Chuẩn IP quy định mỗi host đợc thiết lập một số 32 bit duy nhất gọi là địa chỉ giao thức liên mạng của host, hay thờng đợc viết tắt là địa chỉ IP hoặc địa chỉ internet Mỗi gói tin gửi qua mạng đều có chứa địa chỉ IP 32 bit của máy gửi và địa chỉ của máy nhận Do vậy, để truyền thông tin qua mạng TCP/IP, một máy tính cần biết địa chỉ IP của máy tính cần truyền đến.

1 Phân cấp địa chỉ IP

Mỗi địa chỉ IP 32 bit đợc chia thành hai phần: phần đầu và phần cuối; phân cấp làm hai mức để dễ dàng cho việc định tuyến Phần đầu địa chỉ xác định mạng vật lý mà máy tính nối vào, còn phần sau xác định địa chỉ của từng máy tính nối trong mạng đó Do vậy, mỗi mạng vật lý trong liên mạng đợc thiết lập một giá trị duy nhất gọi là số của mạng (network number) Số của mạng xuất hiện trong phần đầu của địa chỉ của mỗi máy tính nối mạng đó Hơn nữa, mỗi máy tính trong mạng vật lý cụ thể cũng đợc thiết lập một giá trị duy nhất là phần sau của địa chỉ.

Mặc dù không có hai mạng nào có thể cùng có một giá trị network number và không có hai máy tính nào trong cùng một mạng có cùng giá trị phần sau, nhng một giá trị phần

sau có thể sử dụng trong một hoặc nhiều mạng khác nhau Ví dụ, nếu liên mạng gồn có 3 mạng, chúng có thể đánh số các mạng là 1, 2 và 3 Ba máy tính nối với mạng 1 có thể có giá trị phần sau là 1, 3 và 5, trong khi 3 máy tính nối mạng 2 có thể thiết lập giá trị phần sau là 1, 2 và 3.

Sự phần cấp địa chỉ IP phải đảm bảo hai tính chất quan trọng sau: • Mỗi máy tính có một giá trị địa chỉ duy nhất.

•Mặc dù việc thiết lập giá trị network number phải đợc phối hợp trên toàn mạng, nh-ng phần sau của địa chỉ có thể thiết lập một cách cục bộ.

Tính chất thứ nhất luôn đợc đảm bảo bởi vì một địa chỉ đầy đủ có cả phần đầu và phần sau, và chúng đợc thiết lập đảm bảo tính duy nhất Nếu hai máy tính nối với hai mạng vật lý khác nhau, địa chỉ của chúng sẽ khác nhau ở phần đầu Nếu hai máy tính nối với cùng một mạng vật lý thì địa chỉ của chúng khác nhau ở phần sau.

2 Các lớp của địa chỉ IP

Mỗi khi lựa chọn việc thiết kế địa chỉ IP và việc phân chia địa chỉ thành hai phần, các nhà thiết kế phải quyết định bao nhiêu bit dành cho mỗi phần Phần đầu cần sô bit đủ để tạo ra số mạng là duy nhất để có thể thiết lập cho mỗi mạng vật lý thuộc liên mạng Phần sau cần số bit đủ để đảm bảo mỗi máy tính nối với cùng một mạng vật lý cũng có giá trị phần sau là duy nhất Không phải dễ dàng để đa ra sự chọn lựa bởi vì thêm một bit vào phần này đồng nghĩa với việc giảm một bit của phần kia Việc chọn lựa phần đầu lớn thích hợp cho nhiều mạng nhng điều đó lại giới hạn kích thớc của mỗi mạng; nếu chọn phần sau lớn thì mỗi mạng vật lý có thể chứa nhiều máy tính nhng lại bị giới hạn về tổng số mạng.

Bởi vì một liên mạng có thẻ có các công nghệ mạng bât kỳ nên một liên mạng có thể có một số ít các mạng lớn trong khi một liên mạng khác lại có thể có nhiều mạng nhỏ Quan trọng hơn, một liên mạng có thể là sự kết hợp của cả mạng lớn và mạng nhỏ Kết quả là ngời thiết kế phải chọn lựa cơ chế đánh địa chỉ sao cho thoả mãn đợc sự thích hợp với cả mạng lớn và mạng nhỏ Cơ chế chia địa chỉ IP thành 3 lớp cơ bản, trong đó mỗi lớp có kích thớc các phần khác nhau.

Bốn bit đầu của mỗi địa chỉ quyết định địa chỉ đó thuộc lớp nào, và chỉ ra phần còn lại của địa chỉ đợc chia thành các phần nh thế nào Hình dới đây minh hoạ 5 lớp địa chỉ, các bit đầu để xác định các lớp và sự phân chia của phần đầu và phần sau Các con số quy -ớc việc sử dụng số bit của giao thức TCP/IP từ trái qua phải và số 0 là bit đầu tiên.

5 lớp của địa chỉ IP trong đó địa chỉ để thiết lập cho các máy là thuộc lớp A,B hoặc C.

Lớp A, B và C gọi là các lớp cơ bản bởi vì chúng sử dụng cho địa chỉ của các host Lớp D sử dụng cho multicast để dùng cho một tập các máy tính Để sử dụng địa chỉ multicast, một tập các máy trạm phải thoả thuận dùng chung một địa chỉ multicast Mỗi khi một nhóm multicast đợc thiết lập, một bản sao của bất kỳ gói tin nào chuyên đến địa chỉ multicast đều đợc chuyển đến tất cả các máy trạm thuộc nhóm multicast.

Nh trên hình vẽ ta thấy, các lớp cơ bản sử dụng đơn vị byte để phân chia địa chỉ thành phần đầu và phần sau Lớp A xác định ranh giới giữa byte đầu tiên và byte thứ hai Lớp B xác định ranh giới giữa byte thứ hai và byte thứ ba, và lớp C ranh giới giữa byte thứ 3 và thứ 4.

3 Tính toán các lớp của một địa chỉ

Phần mềm IP tính lớp của địa chỉ đích mỗi khi nó nhận đợc một gói tin Vì sự tính toán này đợc lặp lại thờng xuyên, nên nó phải hết sức hiệu quả Địa chỉ Ip gọi là địa chỉ tự nhận dạng bởi vì lớp của địa chỉ có thể tính đợc từ bản thân địa chỉ đó.

Một phần nguyên nhân của việc sử dụng các bit đầu để biểu thị từng lớp địa chỉ thay vì sử dụng khoảng giá trị xuất phát từ việc nghiên cứu sự tính toán: sử dụng các bit có thể làm giảm thời gian tính toán Đặc biệt, một vài máy tính có thể kiểm tra các bit nhanh hơn việc so sánh giữa các số nguyên Ví dụ, trên máy tính có các lệnh logic and và shift và tìm chỉ số, 4 bit đầu có thể đợc lấy ra và sử dụng một bảng chỉ số để xác định lớp của địa chỉ Hình sau minh hoạ nội dung của bảng sử dụng để tính toán.

4 bit đầu của địa

1101 13 C

Hình 3.Bảng có thể sử dụng để tính các lớp địa chỉ 4 bit đầu tiên của địa chỉ đợc lấy ra để sử dụng nh là chỉ số trong bảng.

Nh trên bảng ta thấy, 8 tổ hợp bắt đầu bằng số 0 thuộc lớp A 4 tổ hợp bắt đầu bằng 10 thuộc lớp B, và 2 tổ hợp bắt đầu bằng 110 thuộc lớp C Một địa chỉ bắt đầu bằng 111 thuộc lớp D và cuối cùng một địa chỉ bắt đầu bằng 1111 thuộc lớp E là lớp để dự phòng cha sử dụng đến.

Ký hiệu thập phân bằng chấm

Mặc dù các địa chỉ IP là số 32 bit, ngời sử dụng hiếm khi đọc hoặc nhập giá trị vào ở dạng nhị phân thay vào đó, khi giao tiếp với ngời sử dụng, phần mềm sử dụng dạng địa chỉ khác thuận tiện hơn Gọi là dạng ký hiệu thập phân bằng chấm (dotted decimal notation), dạng này gom 8 bit của số 32 bit thành các giá trị thập phân và dùng dấu chấm để phân chia thành các phần Hình sau minh hoạ ví dụ số nhị phân và và các dạng thập phân chấm

Hình 4 ví dụ về số 32 bit nhị phân và dạng thập phân chấm tơng đơng Mỗi byte đ-ợc viết thành số thập phân và dùng dấu chấm để phân tách các byte.

Thập phân chấm coi mỗi byte là một số nguyên nhị phân không dấu Nh trong ví dụ cuối cùng, giá trị nhỏ nhất có thể là 0 xuất hiện khi toàn bộ các bit là 0 và giá trị lớn nhất có thể là 255 khi toàn bộ các bit là 1 Do vậy, địa chỉ thập phân chấm chỉ nằm trong khoảng từ 0.0.0.0 đến 255.255.255.255

4 Các lớp và các ký hiệu thập phân bằng chấm

Dạng thập phân chấm có thể làm việc tốt với các địa chỉ IP bởi vì nó phân chia các phần của địa chỉ theo các byte Trong lớp A, 3 byte cuối tơng ứng với địa chỉ phần sau của máy trạm tơng tự nh vậy, địa chỉ lớp B có 2 byte cho địa phần sau của máy trạm và lớp C có 1 byte.

Nhng không may là việc dùng dạng thập phân chấm không chia thành từng bit để cót hể thấy rõ các lớp địa chỉ, các lớp phải nhận biết từ giá trị thập phân của địa chỉ Hình sau chỉ ra khoảng giá trị thập phân cho mỗi lớp.

7

Hình 5 khoảng giá trị thập phân thuộc byte đầu tiên của mỗi lớp địa chỉ Sự phân chia các khoảng địa chỉ

Cơ chế lớp địa chỉ IP không chia địa chỉ 32 bit thành các khoảng bằng nhau giữa các lớp, và các lớp không có chứa cùng một số mạng Ví dụ, hơn một nửa số địa chỉ IP (những địa chỉ mà có bit đầu bằng 0) thuộc lớp A Lớp A chỉ có thể chứa 128 mạng bởi vì bit đầu của địa chỉ lớp A là 0 và phần đầu của địa chỉ này là 1 byte Do vậy chỉ có 7 bit còn lại là sử dụng để đánh số các mạng Hình sau tóm tắt số các mạng lớn nhất có thể trong mỗi lớp và số máy trạm lớn nhất trên mỗi mạng.

Lớp địa chỉ Số bit thuộc

phần đầu Số mạng lớn nhất Số bit phần sau Số máy trạm lớn nhất mỗi mạng

Hình 6: số mạng lớn nhất và máy trạm trên mỗi mạng với 3 lớp địa chỉ IP

Nh trên bảng ta thấy, số bit cho mỗi phần đầu và phần cuối của mỗi lớp địa chỉ quyết định các số giá trị duy nhất có thể có để thiết lập Ví dụ, phần đầu của n bit cho phép có 2n

số mạng duy nhất, trong khi phần cuối có n bit sẽ có 2n số máy trạm cho mỗi mạng.

5 Nơi quản lý các địa chỉ

Trên toàn bộ mạng, mỗi mạng phải có giá trị địa chỉ duy nhất Đối với các mạng kết nối Internet toàn cầu, một tổ chức có thể lấy số các mạng từ các công ty cung cấp dịch vụ kết nối Internet Các công ty đó gọi là nhà cung cấp dịch vụ Internet (Internet Service Provider - ISP) Các nhà cung cấp dịch vụ Internet phối hợp với tổ chức trung tâm là nơi quản lý đánh số điạ chỉ Internet (internet Assigned Number Authority), để đảm bảo số cấp cho mỗi mạng là duy nhất trên toàn mạng.

Với liên mạng riêng biệt, việc chọn số cho mỗi mạng có thể đợc quyết định bởi tổ chức ấy Để đảm bảo rằng mỗi phần đầu của địa chỉ là duy nhất, một nhóm xây dựng liên mạng quyết định việc phối hợp thiết lập các giá trị Thông thờng, ngời quản trị mạng thiết

8

lập phần đầu địa chỉ cho tất cả các mạng trong liên mạng của công ty đó để đảm bảo các giá trị đó không bị trùng nhau.

III Ví dụ về một cách đánh địa chỉ

Một ví dụ sẽ làm sáng tỏ ý tởng và giải thích việc thiết lập các địa chỉ trong thực tế Hãy xem xét một tổ chức chọn lựa để xây dựng liên mạng TCP/IP gồm có 4 mạng vật lý Tổ chức này phải mua các router để nối kết 4 mạng đó, và sau đó phải thiết lập địa chỉ IP Để bắt đầu, tổ chức sẽ chọn lựa một giá trị duy nhất cho mỗi mạng để làm phần đầu địa chỉ.

Khi đã thiết lập giá trị cho phần đầu của địa chỉ, các giá trị số sẽ đợc chọn lựa theo lớp A, B và C tuỳ vào kích thớc của mạng vật lý Thông thờng các mạng thiết lập địa chỉ thuộc lớp C trừ phi lớp B thực sự cần thiết còn lớp A thì hiếm khi đợc lựa chọn bởi rất ít mạng có thể chứa tới 65536 máy trạm Đối với mạng kết nối Internet toàn cầu, nhà cung cấp dịch vụ sẽ thực hiện việc chọn lựa Đối với các liên mạng lẻ, ngời quản trị mạng sẽ lựa chọn lớp địa chỉ.

Hãy để ý ví dụ về liên mạng riêng lẻ đã nói ở trên ngời quản trị mạng sẽ ớc tính kích thớc của các mạng vật lý và dùng các kích thớc đó để chọn lựa phần đầu Nếu tổ chức đó mong muốn một mạng nhỏ, hai mạng kích thớc trung bình và một mạng lớn, ngời quản trị mạng có thể thiết lập phần đầu địa chỉ thuộc lớp C (192.5.48), hai mạng có phần đầu địa chỉ thuộc lớp B (ví dụ 128.10 và 128.211), và một mạng địa chỉ phần đầu thuộc lớp A(ví dụ 10) Hình 7 minh hoạ một liên mạng với 4 mạng vật lý đã đợc thiết lập phần đầu của địa chỉ, và ví dụ về địa chỉ IP thiết lập cho máy trạm.

Hình 7 : ví dụ về liên mạng riêng lẻ với các địa chỉ IP thiết lập cho các máy trạm

Kích thớc của các đám mấy biểu thị cho các mạng vật lý tơng ứng với số máy trạm nối kết vào mỗi mạng; kích thớc của mỗi mạng quyết định lớp địa chỉ thiết lập.

Nh trên hình vẽ ta thấy, địa chỉ IP thiết lập cho các máy trạm luôn bắt đầu với phần đầu là giá trị mà đã thiết lập cho mạng vật lý của máy trạm đó Phần sau của địa chỉ đợc thiết lập bởi ngời quản trị mạng cục bộ có thể lấy giá trị bất kỳ Trong ví dụ, hai máy trạm nối với mạng có giá trị đầu 129.10 có giá trị phần sau là 1 và 2 Mặc dù nhiều quản trị mạng chọn giá trị phần sau theo thứ tự, nhng địa chỉ IP không bắt buộc phải làm nh vậy Sự thiết lập địa chỉ trong ví dụ chỉ ra rằng có thể lấy giá trị phần sau tuỳ ý nh là 37 hoặc 85.

IV Địa chỉ IP đặc biệt

Cùng với việc thiết lập địa chỉ cho mỗi máy trạm, việc có một số địa chỉ có thể sử dụng để biểu diễn các mạng hoặc một tập các máy tính cũng khá là thuận tiện IP đa ra một tập các địa chỉ đặc biệt tạo ra để dự trữ Đó là, địa chỉ đặc biệt mà không bao giờ đợc đặt cho máy trạm Trong phần này chúng ta sẽ xem xét cả về cú pháp và ý nghĩa của các địa chỉ đặc biêt này.

1 Địa chỉ mạng

Một trong những nguyên nhân đa ra các dạng địa chỉ đặc biệt có thể nhận thấy qua hình sau – sẽ rất thuận tiện khi có một địa chỉ có thể sử dụng địa chỉ phần đầu để biểu diễn địa chỉ cho một mạng cụ thể IP đa ra địa chỉ máy trạm là 0 và sử dụng nó để biểu diễn một mạng Do đó, địa chỉ 128.211.0,0 biểu diễn mạng mà đã thiết lập địa chỉ lớp B với phần đầu địa chỉ là 128.211.

Địa chỉ mạng dùng để chỉ đến bản thân mạng đó mà không phải là máy trạm nào nối với mạng đó Do vậy, địa chỉ mạng không bao giờ nên xuất hiện là địa chỉ đích trong gói tin.

2 Địa chỉ quảng bá trực tiếp

Đôi khi, rất thuận tiện khi có thể gửi một gói tin đến tất cả các máy trạm thuộc cùng một mạng vật lý Để làm cho việc truyền toàn mạng dễ dàng, IP định nghĩa ra một địa chỉ quảng bá trực tiếp (directed broadcast address) cho mỗi mạng vật lý Khi một gói tin đợc gửi đến địa chỉ quảng bá trực tiếp, một gói tin sẽ đợc truyền qua liên mạng đến khi nó đến đợc mạng cần thiết Gói tin sau đó sẽ đợc truyền đến tất cả các máy trạm thuộc mạng đó.

Địa chỉ quảng bá trực tiếp có dạng phần đầu là địa chỉ của mạng và phần sau gồm toàn số 1 Để đảm bảo mỗi mạng có thể trực tiếp thực hiện việc quảng bá, IP dự trữ địa chỉ máy trạm có chứa toàn bit 1 Ngời quản trị mạng phải không đợc thiết lập địa chỉ máy trạm gồm toàn 0 hoặc 1 hoặc phần mềm có thể bị hỏng.

Nếu phần cứng mạng hỗ trợ quảng bá, việc quảng bá trực tiếp sẽ đợc thực hiện nhờ phần cứng Trong trờng hợp đó, sự truyền tin của một gói tin sẽ tới tất cả các máy tính trong mạng Khi việc quảng bá trực tiếp không đợc thực hiện bởi phần cứng trong mạng, phần mềm phải thực hiện việc truyền từng bản sao của gói tin đó đến từng máy trạm trên mạng.

3 Địa chỉ quảng bá giới hạn

Thuật ngữ quảng bá giới hạn để chỉ việc quảng bá chỉ thực hiện trong một mạng vật lý; thông tục chúng ta có thể gọi đó là quảng bá giới hạn với đờng dây đơn (single wire) Quảng bá giới hạn đợc thực hiện trong quá trình khởi động của máy tính khi nó cha biết giá trị số của mạng.

IP dự trữ địa chỉ gồm toàn các bit 1 để quy định quảng bá giới hạn Do vậy, IP sẽ thực hiện gửi bất kỳ gói tin nào mà có địa chỉ gồm toàn bit 1 trên toàn mạng cục bộ.

4 Địa chỉ của máy tính này

Một máy tính cần biết địa chỉ IP của nó để gửi hoặc nhận các gói tin truyền đi liên mạng bởi mỗi gói tin cần có địa chỉ nguồn và đích Bộ giao thức TCP/IP có các giao thức cho phép máy tính có thể xác định đợc địa chỉ IP của nó khi máy tính đợc khởi động Thật là thú vị vì các giao thức khởi động sử dụng IP để kết nối Khi dùng các giao thức khởi động đó, máy tính không thể cung cấp địa chỉ IP nguồn chính xác Để thực hiện đợc điều này, IP dự trữ một địa chỉ gồm toàn các số 0 để chỉ địa chỉ của máy tính này.

5 Địa chỉ lặp quay lại

IP định nghĩa một địa chỉ lặp quay lại đợc sử dụng để kiểm tra các ứng dụng của mạng những ngời lập trình thờng sử dụng kiểm tra lặp quay lại cho việc tìm lỗi ban đầu với các ứng dụng mạng vừa đợc viết Để thực hiện kiểm tra lặp quay lại, ngời lập trình cần có hai ứng dụng mà định giao tiếp với nhau qua mạng Mỗi ứng dụng cần có phần mã lệnh thực hiện việc tơng tác với phần mềm giao thức TCP/IP Thay vì việc phải thực hiện từng chơng trình trên các máy khác nhau, ngời lập trình có thể chạy cả hai chơng trình trên một máy tính và chỉ dẫn chúng thực hiện địa chỉ IP lặp quay lại khi kết nối Khi một ứng dụng gửi dữ liệu đến một ứng dụng khác, dữ liệu truyền qua các ngăn xếp giao thức để đến ch-ơng trình kia Do vậy, ngời lập trình có thể kiểm tra chch-ơng trình ứng dụng của mình một cách nhanh chóng không cần chạy trên hai máy tính và không cần truyền các gói tin qua mạng.

IP dự trữ lớp A với phần đầu địa chỉ mạng là 127 cho sử dụng với lặp quay lại Địa chỉ của máy trạm sử dụng với 127 là không xác định – tất cả các địa chỉ máy trạm là nh nhau Theo quy ớc ngời lập trình thờng sử dụng địa chỉ máy trạm là 1 có dạng 127.0.0.1 là phổ biến nhất cho lặp quay lại.

Trong suốt quá trình kiểm tra lặp quay lại không có một gói tin nào ra khỏi máy tính – phần mềm IP chỉ truyền gói tin từ ứng dụng này sang ứng dụng kia Kết quả, địa chỉ lặp quay lại không bao giờ xuất hiện trong gói tin truyền qua mạng.

Tóm tắt các địa chỉ IP đặc biệt

Bảng sau tóm tắt các dạng địa chỉ đặc biệt.

Chúng ta đã nói rằng địa chỉ đặc biệt là để dự trữ và không bao giờ dùng để thiết lập cho máy trạm Hơn nữa, mỗi địa chỉ đặc biệt này bị giới hạn trong một sử dụng Ví dụ, địa chỉ quảng bá không bao giờ đợc xuất hiện trong địa chỉ nguồn của gói tin và địa chỉ toàn 0 phải không đợc sử dụng sau khi máy tính thực hiện xong việc khởi động và đã có một địa chỉ IP.

6 Dạng địa chỉ quảng bá Berkeley

Trờng đại học California tại Berkeley phát triển và phân phối việc bổ sung giao thức TCP/IP nh là một phần của BSD UNIX Sự bổ sung BSD có những đặc tính không chuẩn nên có thể ảnh hởng đến việc thực hiện xảy ra sau Thay vì việc sử dụng phần sau địa chỉ gồm toàn 1 để biểu diễn địa chỉ quảng bá trực tiếp, sự bổ sung của Berkeley sử dụng phần sau gồm toàn số 0 Các dạng địa chỉ đó gọi là quảng bá berkeley (Berkeley broadcast).

Nhiều nhà chế tạo máy tính thực hiện các phần mềm TCP/IP đầu tiên của họ theo bổ sung của Berkeley, và một số nơi vẫn sử dụng quảng bá Berkeley Một vài thực hiện TCP/IP với các thông số cấu hình cho phép chọn lựa giữa chuẩn TCP/IP hoặc dạng Berkeley; rất nhiều sự thực hiện đợc xây dựng để chấp nhận cả hai dạng địa chỉ quảng bá TCP/IP chuẩn và địa chỉ Berkeley.

V Router và các nguyên tắc đánh địa chỉ IP

Cùng với việc thiết lập các địa chỉ liên mạng cho các máy trạm, giao thức liên mạng cũng quy đinh rằng các router cũng cần có địa chỉ IP Thực tế mỗi router có thể đợc thiết lập hai hoặc nhiều địa chỉ IP:

• Một router có nhiều kết nối với các mạng vật lý.

• Mỗi địa chỉ IP có chứa phần đầu để chỉ một mạng vật lý.

Do vậy, một địa chỉ IP không đủ cho một router bởi vì mỗi router nối kết với nhiều mạng Kỹ thuật IP có thể đợc giải thích bởi nguyên lý cơ bản:

Một địa chỉ IP không xác định một máy tính Thay vào đó, mỗi địa chỉ IP xác định một kết nối giữa một máy tính và một mạng một máy tính với nhiều kết nối mạng (ví dụ nh router) phải đợc thiết lập mỗi kết nối một địa chỉ IP.

Hình 8 minh hoạ ý tởng với ví dụ chỉ ra việc thiết lập địa chỉ IP cho hai router nối kết 3 mạng.

Hình 8 ví dụ của địa chỉ IP thiết lập cho 2 router Mỗi mạch nối ghép đợc thiết lập một địa chỉ có chữa phần đầu là mạng mà mạch nối ghép đó kết nối

IP không đòi hỏi cùng một phần sau cho địa chỉ thiết lập cho các nối ghép của cùng một router Trên hình vẽ, ví dụ router kết nối Ethernet và Token ring có phần sau địa chỉ là 99.5 (kết nối với Ethernet) và 2 (kết nối với Token Ring) Tuy nhiên, IP không ngăn cấm việc sử dụng cùng một giá trị địa chỉ phần sau cho tất cả các kết nối Do vậy, ví dụ cũng chỉ ra rằng có thể chọn lựa cùng một giá trị phần sau địa chỉ là 17 cho cả hai nối ghép của router với mạng Token ring và mạng WAN Trong thực tế sử dụng cùng một giá trị phần sau có thể giúp cho việc quản lý liên mạng bởi dùng cùng một giá trị số sẽ dễ dàng nhớ đ-ợc.

Phần III

Đóng kết địa chỉ giao thức (ARP)

I.Giới thiệu chung

Địa chỉ Ip là địa chỉ ảo bởi chúng chỉ đợc duy trì bởi phần mềm Không có một phần cứng nào mạng cục bộ hay mạng diện rộng có thể hiểu đợc mối quan hệ giữa phần đầu địa chỉ IP với một mạng cụ thể hoặc mối quan hệ giữa phần sau của địa chỉ IP với một máy tính cụ thể Hơn nữa một khung tin truyền qua mạng vật lý cần có địa chỉ phần cứng của máy tính đích Do vậy, trớc khi phần mềm giao thức có thể truyền các gói tin qua mạng vật lý, nó cần chuyên địa chỉ IP của máy tính đích sang địa chỉ vật lý tơng ứng.

2 Địa chỉ giao thức và sự phân phát các gói tin

Khi một chơng trình ứng dụng đa ra dữ liệu cần truyền qua liên mạng, phần mềm giao thức sẽ để dữ liệu trong các gói tin mà có chứa địa chỉ của máy nhận Phần mềm trong mỗi máy trạm và router sử dụng địa chỉ giao thức đích đó để chọn lựa máy tiếp theo cần chuyển tới Khi mà máy tiếp theo đã đợc lựa chọn, phần mềm giao thức sẽ truyền gói tin đó qua mạng vật lý để đến máy đã đợc chọn.

Để tạo ra đợc một mạng ảo lớn, phần mềm làm việc với địa chỉ IP khi truyền tiếp các gói tin Cả địa chỉ của máy tiếp và địa chỉ đích của gói tin đều là địa chỉ IP Không may là

địa chỉ giao thức không thể đợc sử dụng để truyền các frame qua phần cứng mạng vật lý bởi nó không hiểu đợc địa chỉ IP Thay vào đó, frame gửi qua mạng vật lý phải sử dụng định dang frame của phần cứng và tất cả địa chỉ trong frame đều là địa chỉ vật lý Kết quả là, địa chỉ giao thức của máy tiếp sẽ đợc chuyển thành địa chỉ vật lý tơng ứng trớc khi frame đợc truyền đi.

II Phân giải địa chỉ

Sự chuyển đổi địa chỉ giao thức của máy tính thành địa chỉ vật lý tơng ứng gọi là sự phân giải địa chỉ (address resolution), và địa chỉ giao thức đợc gọi là chuyển đổi sang địa chỉ vật lý tơng ứng Phân giải địa chỉ là cục bộ với mỗi mạng Một máy tính có thể chuyển đổi địa chỉ của một máy tính khác chỉ khi hai máy tính đó thuộc cùng một mạng vật lý – một máy tính không bao giờ phân giải địa chỉ của một máy tính ở trên mạng khác Ví dụ, hãy xem xét một liên mạng đơn giản trên hình sau:

Hình 9.Một liên mạng đơn giản với 2 router R1 và R2 nối kết 3 mạng vật lý; mỗi mạng có hai máy trạm kết nối.

Trên hình 9, máy trạm A và B nối với cùng một mạng vật lý Nếu một ứng dụng trên máy trạm A gửi dữ liệu đến một ứng dụng trên máy trạm B, ứng dụng sử dụng địa chỉ IP của B là địa chỉ đích Phần mềm giao thức trên máy A chuyển đổi địa chỉ IP của B thành địa chỉ phần cứng của B và dùng địa chỉ phần cứng đó để truyền đi frame trực tiếp.

Chúng ta đã nói rằng phân giải địa chỉ chỉ cho phép thực hiện trong cùng một mạng vật lý Trên hình vẽ, nếu ứng dụng trên máy A gửi một thông điệp đến máy trạm F nằm ở một mạng khác, phần mềm trên máy trạm A không thể chuyển đổi đợc địa chỉ của F thya vào đó phần mềm trên A trớc tiên quyết định rằng gói tin đó cần truyền qua router R1 Phần mềm trên A sẽ chuyển đổi địa chỉ của router R1 và sau đó sẽ gửi gói tin đó đến router Phần mềm trên R1 xác định rằng gói tin cần truyền tiếp đến R2, chuyển đổi địa chỉ của R2 và gửi gói tin đi Cuối cùng R2 nhận gói tin xác định rằng địa chỉ F đợc nối với mạng vật lý bên phải nhất, chuyển đổi địa chỉ của F và chuyển gói tin đến F Nh trong ví dụ trên, mỗi máy tính nhận điều khiển gói tin chuyển đổi địa chỉ của máy tiếp trớc khi gửi gói

III.Kỹ thuật phân giải địa chỉ

Thuật toán mà phần mềm sử dụng để chuyển đổi địa chỉ giao thức thành địa chỉ phần cứng phụ thuộc và giao thức và cơ chế địa chỉ phần cứng Ví dụ, phơng pháp sử dụng để chuyển đổi địa chỉ IP thành địa chỉ Ethernet khác với phơng pháp chuyển đổi địa chỉ IP thành địa chỉ ATM bởi vì cơ chế đánh địa chỉ của mạng Ethernet khác với mạng ATM Hơn nữa, bởi vì router hoặc máy trạm đa kết nối có thể kết nối với nhiểu kiểu mạng vật lý khác nhau, những máy tính nh vậy có thể sử dụng nhiều kiểu phân giải địa chỉ Do vậy, một máy tính đợc nối với nhiều mạng có thể cần nhiều môđun chuyển đổi địa chỉ.

Thuật toán phân giải địa chỉ có thể đợc nhóm lại thành 3 loại:

• Bảng tra cứu Sự tơng ứng giữa địa chỉ đợc lu trữ trong một bảng trong bộ nhớ và phần mềm sẽ tìm kiếm trong bảng đó khi cần chuyển đổi địa chỉ.

• Tính toán dạng gần đúng Địa chỉ giao thức thiết lập cho một máy tính phải đợc lựa chọn cẩn thận vì vậy địa chỉ phần cứng của máy tính có thể đợc tính toán từ địa chỉ giao thức bằng cách sử dụng các toán tử logic và số học cơ bản.

• Trao đổi thông điệp Các máy tính trao đổi thông điệp qua mạng để chuyển đổi một địa chỉ Một máy tính gửi một thông điệp và yêu cầu gửi địa chỉ kèm, và các máy tính khác gửi trả lời mà có chứa các thông tin yêu cầu.

IV Giao thức phân giải địa chỉ

TCP/IP có thể sử dụng một trong 3 phơng pháp phân giải địa chỉ; phơng pháp lựa chọn cho mạng cụ thể phụ thuộc vào cơ chế địa chỉ sử dụng cho phần cứng Bảng tra cứu thờng đợc sử dụng phân giải địa chỉ với mạng WAN, tính toán gần đúng sử dụng với mạng có thể cấu hình đợc, và trao đổi thông điệp sử dụng trong mạng LAN có địa chỉ tĩnh.

Để đảm bảo rằng tất cả các máy tính đều chấp nhận một định dạng chính xác và ý nghĩa của các thông điệp sử dụng trong phân giải địa chỉ, bộ giao thức TCP/IP gồm có một giao thức phần giải địa chỉ (ARP – address resolution protocol) Chuẩn ARP định nghĩa hai loại thông điệp cơ bản: sự yêu cầu và sự trả lời Thông điệp yêu cầu có chứa địa chỉ IP và yêu cầu địa chỉ phần cứng tơng ứng; thông điệp trả lời có cả địa chỉ IP và địa chỉ phần cứng.

V Định dạng thông điệp ARP

ARP có một trờng có kích thớc cố định vào đầu mỗi thông điệp ARP để chỉ ra kích thớc của trờng địa chỉ phần cứng Ví dụ, khi ARP sử dụng với mạng Ethernet, địa chỉ phần cứng dài 6 byte vì địa chỉ Ethernet là 48 bit.

ARP không bị giới hạn với địa chỉ IP hoặc địa chỉ phần cứng đa ra – về mặt lý thuyết, giao thức có thể sử dụng gắn địa chỉ mức cao hơn với địa chỉ phần cứng Trong thực tế bởi tính phổ biến của ARP nên nó ít khi đợc sử dụng: hầu hết sự thực hiện của ARP là gắn địa chỉ IP với địa chỉ Ethernet.

Tóm lại: mặc dù định dạng thông điệp ARP là khá linh hoạt cho phép các địa chỉ IP và phần cứng bất kỳ ARP luôn luôn sử dụng gắn kết địa chỉ IP 32 bit với địa chỉ Ethernet 48 bit.

Hình 10 minh hoạ định dạng của thông điệp ARP với địa chỉ giao thức IP là 4 byte và địa chỉ phần cứng Ethernet là 6 byte.

Hình 10 Định dạng của một thông điệp ARP khi sử dụng địa chỉ giao thức internet gắn kết với địa chỉ phần cứng Ethernet

Mỗi dòng của hình vẽ tơng ứng với 32 bit của thông điệp ARP Hai trờng 16 bit đầu tiên chứa giá trị của kiểu địa chỉ phần cứng và địa chỉ giao thức Ví dụ, trờng HARDWARE ADDRESS TYPE có giá trị là 1 khi ARP là dùng với Ethernet và trờng PROTOCOL ADDRESS TYPE có giá trị là 0x0800 khi ARP sử dụng với IP Hai trờng tiếp theo, HADDR LEN và PADDR LEN chỉ ra số byte của địa chỉ phần cứng và địa chỉ giao thức Trờng OPERATION chỉ ra liệu thông điệp này là yêu cầu (giá trị =1) hay trả lời (giá trị 2).

Mỗi thông điệp ARP có chứa các trờng cho sự gắn kết hai địa chỉ Một gắn kết tơng ứng với địa chỉ của máy gửi và gắn kết kia tơng ứng với địa chỉ của máy nhận, mà trong ARP gọi là target Khi thông điệp yêu cầu gửi đi, máy gửi không biết địa chỉ phần cứng của đích (đó là thông tin nó yêu cầu biết) Do đó, trờng TARGET HADDR trong thông điệp yêu cầu có giá trị 0 bởi vì nội dung này không sử dụng Trong thông điệp trả lời, gắn kết đích chỉ rõ cho máy tính ban đầu mà gửi yêu cầu Do đó, thông tin đích trong trả lời không có mục đích gì - nó tồn tại từ phiên bản trớc của giao thức.

VI Gửi đi một thông điệp ARP

Khi một máy tính gửi đi một thông điệp đến máy tính khác, thông điệp đó đợc đặt trong một frame Thông điệp ARP đợc xem nh là một dữ liệu cần đợc truyền đi – phần cứng mạng không biết gì về định dạng của thông điệp và cũng không xem xét nội dung của các trờng.

Về mặt kỹ thuật, việc đặt thông điệp trong một frame để truyền đi gọi là đóng gói

Hardware address typeProtocol address type0 8 16 24 31

HADDR LEN PADDRLENOPERATIONSENDER HADDR (4 byte đầu )SEND HADDR (2 byte )SENDER PADDR

SENDER PADDRTARGET HADDR TARGET HADDR (4 byte cuối)TARGET PADDR (tất cả 4 byte)

khái niệm này.

Hình11: minh hoạ một thông điệp ARP đợc đóng gói trong frame Ethernet Toàn bộ thông điệp ARP đợc đặt trong vùng dữ liệu của frame; phần cứng mạng không dịch cũng nh không thay đổi gì nội dung của thông điệp.

VII Xử lý thông điệp ARP đến

Khi một thông điệp ARP đến, giao thức chỉ ra cho máy nhận phải thực hiện hai bớc cơ bản Bớc thứ nhất, máy nhận lấy ra địa chỉ máy gửi và kiểm tra xem liệu gắn kết này đã có trong cache Nếu nh vậy, máy nhận sử dụng gắn kết trong thông điệp ARP để thay thế cho gắn kết đã lu trữ trớc Cập nhật một gắn kết mới là việc làm tối u bởi nó rất có ích trong trờng hợp địa chỉ phần cứng của máy gửi đã thay đổi Bớc thứ hai, máy nhận xem xét trờng OPERATION của thông điệp để xác định thông điệp đó là yêu cầu hay trả lời Nũu thông điệp là trả lời, máy nhận đã có một yêu cầu trớc đó và đang chờ sự gắn kết Nếu thông điệp là yêu cầu máy nhận so sánh trờng TARGER PADDR với địa chỉ giao thức cục bộ Nếu chúng giống nhau máy tính đó sẽ là đích của yêu cầu và phải gửi thông điệp trả lời Để tạo ra thông điệp trả lời, máy tính bắt đầu từ thông điệp yêu cầu, chuyển đổi gắn kết của máy gửi và đích, chen thêm địa chỉ phần cứng vào trờng SENDER HADDR, và chuyển giá trị trờng OPERATION thành 2.

ARP có sự tối u hơn: sau khi một máy tính trả lời thông điệp yêu cầu, máy tính đó sẽ lấy ra gắn kết của địa chỉ máy gửi và thêm vào cache của nó cho lần sử dụng sau Để hiểu sự tối u này, cần thiết phải biết hai thực tế sau:

• Hỗu hết các giao tiếp giữa máy tính là thực hiện theo hai chiều – nếu một thông điệp đợc gửi từ máy này đến máy kia thì rất có khả năng rằng sự trả lời sẽ đ-ợc gửi trở lại.

• Bởi vì mỗi gắn kết địa chỉ đỏi hỏi bộ nhớ, một máy tính không thể lu trữ số l-ợng tuỳ ý gắn kết địa chỉ.

Điều thứ nhất giải thích tại sao việc lấy gắn kết địa chỉ của máy gửi là tối u hiệu suất ARP Nhớ lại rằng mỗi máy tính chỉ gửi một yêu cầu ARP đến một đích nhất định khi nó muốn gửi một gói tin Do vậy, khi máy tính W gửi một yêu cầu ARP cho máy tính Y, W phải có thông điệp để chuyển đến Y Rất có thể rằng mỗi khi một gói tin đợc truyển đi, một gói tin cũng sẽ đợc truyền trở lại từ Y đến W Nếu Y không có gắn kết địa chỉ của W, Y sẽ

ARP MESSAGE

FRAME DATA AREA CRC

FRAME HEADER

cần phải gửi đi yêu cầu ARP và W lại phải trả lời Thực hiện lấy gắn kết gửi đi từ W từ thông điệp yêu cầu giảm bớt đợc việc gửi yêu cầu ARP lần sau của Y.

Điều thứ hai giải thích tại sao sự tối u chỉ thực hiện bởi máy tính là đích của thông điệp yêu cầu Bởi vì tất cả các máy tính trên mạng đều nhận đợc thông điệp ARP, nên có thể là tất cả các máy tính đó đều lấy gắn kết địa chỉ của máy nhận và lu trữ lại Tuy nhiên, làm nh vậy sẽ lãng phí thời gian CPU và bộ nhớ bởi không phải tất cả các cặp máy tính cần giao tiếp Do vậy, ARP đợc tối u để thực hiện ghi trớc gắn kết địa chỉ mà có thể cần thiết sau đó.

VII Các lớp, phân giải địa chỉ, địa chỉ giao thức

Lớp thấp nhất của mô hình lớp TCP/IP tơng ứng với phần cứng vật lý của mạng, và lớp tiếp theo tơng ứng với phần mềm nối ghép mạng dùng để truyền và nhận các gói tin Phân giải địa chỉ là ví dụ về chức năng thực hiện với lớp mạch nối ghép Phần mềm phân giải địa chỉ ẩn đi mọi chi tiết của địa chỉ vật lý và cho phép phần mềm ở lớp cao hơn sử dụng các địa chỉ giao thức Do vậy, có một ranh giới khái niệm quan trọng ẩn chứa giữa lớp mạch nối ghép và các lớp cao hơn: các ứng dụng cũng nh là phần mềm giao thức lớp cao hơn đợc xây dựng chỉ sử dụng địa chỉ giao thức.

Hình sau minh hoạ ranh giới địa chỉ này.

Hình 12:minh hoạ phần mềm giao thức lớp trong một máy tính và ranh giới khải niệm

giữa lớp nối ghếp mạng và các lớp cao hơn Phần mềm trên ranh giới sử dụng địa chỉ giao thức ; phần mềm dới ranh giới chuyển đổi mỗi địa chỉ giao thức thành địa chỉ vật lý tơng

Phần VI

IP datagram và datagram forwarding

I IP Datagram

Các giao thức TCP/IP dùng tên gọi IP Datagram để ám chỉ một gói tin liên mạng IP Datagram bắt đầu với phần header và sau đó là phần dữ liệu Hình sau minh hoạ định dạng một IP Datagram.

Hình 13

Định dạng chung của một IP Datagram với phần header và sau đó là vùng dữ liệu Phần header có chứa các thông tin điều khiển nơi gửi và cách gửi đi IP Datagram Khối lợng dữ liệu có trong một datagram là không cố định Máy gửi tin chọn lựa lợng dữ liệu thích hợp cho từng mục đích cụ thể Ví dụ, một ứng dụng truyền đi sự bấm phím qua mạng có thể đặt mỗi sự gõ phím trong một datagram, trong khi một ứng dụng truyền một file lớn có thể gửi đi một datagram lớn Điều quan trọng là:

Kích thớc của một datagram đợc quyết định bởi ứng dụng mà gửi dữ liệu đi Việc cho phép kích thớc của các datagram thay đổi làm cho IP có thể thích nghi với các ứng dụng khác nhau.

Trong phiên bản hiện tại của IP, một datagram có thể chứa ít là 1 byte dữ liệu hoặc nhiều nhất là 64Kb dữ liệu gồm cả phần header Trong hầu hết các datagram, phần header nhỏ hơn nhiều so với phần dữ liệu Để hiểu tại sao chúng ta cần thiết xem xét đến chi phí cho việc truyền dữ liệu Giống nh frame header dùng trong mạng vật lý, một datagram header biểu diễn toàn bộ – trong khi nó chiếm các byte header truyền tin, một mạng không thể truyền đi một dữ liệu của ngời sử dụng Bởi vì kích thớc của datagram header là cố định, nên gửi đi các datagram lớn kết quả là nhiều byte dữ liệu hơn đợc truyền đi trên một đơn vị thời gian (thông lợng lớn hơn).

Tơng tự nh một frame header, một datagram header có chứa các thông tin để định tuyến datagram truyền qua liên mạng Ví dụ, header có chứa địa chỉ của máy tính gửi datagram cũng nh là địa chỉ của máy tính mà datagram gửi đến Các địa chỉ trong trong datagram header khác với các địa chỉ sử dụng trong frame header – một datagram có chứa các địa chỉ IP, trong khi một frame có chứa địa chỉ phần cứng.

Tóm lại: một gói tin gửi qua mạng TCP/IP gọi là IP Datagram Mỗi datagram gồm có hai phần là header và phần dữ liệu Địa chỉ nguồn và đích trong datagram là các địa chỉ IP.

headerVùng dữ liệu

II Truyền tiếp một IP Datagram

Chúng ta đã nói rằng các datagram truyền đi qua liên mạng theo một đờng dẫn bắt đầu từ máy nguồn qua các router và đến máy đích Mỗi router dọc theo đờng đi nhận đợc datagram đó, lấy ra địa chỉ đích từ header, và sử dụng địa chỉ đích để quyết định máy tiếp nào để gửi datagram đó đến Router sau đó sẽ chuyển tiếp datagram đến máy tiếp đó, có thể là máy tính đích hoặc router khác.

Để tạo ra việc lựa chọn máy tiếp một cách hiệu quả và dễ dàng cho con ngời hiểu đợc sự tính toán, mỗi router IP lu giữ thông tin trong một bảng định tuyến Một bảng định tuyến phải đợc khởi tạo khi router khởi động, và phải đợc cập nhật nếu nh cấu hình mạng thay đổi hoặc phần cứng bị trục trặc.

Bảng định tuyến có các dòng và mỗi dòng gồm có đích và máy tiếp dùng để đến đợc đích Hình 14 chỉ ra nội dung của bảng định tuyến của một trong 3 router đợc sử dụng để liên kết 4 mạng trong một liên mạng nhỏ.

Hình 14(a) ví dụ liên mạng có 3 router nối kết 4 mạng vật lý, (b) bảng định tuyến của router R2 Mỗi dòng của bảng liệt kê mạng đích và máy tiếp theo một đờng dẫn để đến mạng đó.

Nh trên hình vẽ ta thấy, router r2 nối kết trực tiếp với các mạng Net 2 và Net 3 Do đó, R2 có thể truyền một datagram đến bất kỳ máy tính đích này nối với hai mạng đó Khi một datagram muốn truyền đến mạng 4, R2 phải truyền datagram đó đến router R3.

Mỗi đích liệt kê trong bảng định tuyến là một mạng, không phải là một máy trạm Sự phân biệt này là quang trọng bởi vì một liên mạng có thể có nhiều gấp 1000 lần máy trạm có trong các mạng này Do vậy, sử dụng các mạng là các đích trong bảng định tuyến góup cho kích thớc của chúng nhỏ hơn

Tóm lại: Bởi vì mỗi đích trong bảng định tuyến tơng ứng với 1 mạng, số dòng trong bảng tỷ lệ với số mạng trong một liên mạng.

III Địa chỉ IP và các dòng bảng định tuyến

Trong thực tế, một bảng định tuyến IP thờng phức tạp Thứ nhất, trờng đích trong mỗi dòng có chứa phần đầu mạng của mạng đích Thứ hai, một trờng thêm vào trong mỗi dòng có chứa mặt nạ địa chỉ (address mask) để chỉ ra số bit của đích tơng ứng với phần đầu mạng Thứ ba, một địa chỉ Ip sử dụng trong trờng máy tiếp để biểu diễn mỗi router Hình sau minh hoạ một bảng định tuyến.

Hình 15(a) liên mạng có 4 mạng và 3 router và có các địa chỉ IP thiết lập cho các nối ghép router,15 (b) bảng định tuyến của router trung tâm Mỗi dòng trong bảng liệt kê các đích, mặt nạ, và máy tiếp sử dụng để tới đích.

Hai mạng dâu tiên trong hình vẽ có địa chỉ phần đầu thuộc lớp A, mạng thứ 3 thuộc lớp B và mạng thứ 4 thuộc lớp C Mỗi router đợc thiết lập hai đại chỉ IP , mỗi địa chỉ thuộc một nối ghép Ví dụ, router mà kết nối mạng 30.0.0.0 với mạng 40.0.0.0 có hai địa chỉ là 30.0.0.7 và 40.0.0.7 Mặc dù địa chỉ phần sau là giống nhau cho cả hai nối ghép của router, nhng IP cũng không đòi hỏi phải cần thiết nh vậy – quảng trị mạng có thể tự do thiết lập giá trị địa chỉ khác nhau cho mỗi nối ghép.

IV Trờng mặt nạ và truyền tiếp datagram

Quá trình sử dụng bảng định tuyến để chọn lựa máy tiếp cho mỗi datagram đợc gọi là sự định tuyến (routing) hoặc sự truyền tiếp (forwding) Trờng mặt nạ (Mask) trong mỗi dòng bảng định tuyến sử dụng để lấy ra địa chỉ phần mạng trong quá trình tìm kiếm Để hiểu mặt nạ đợc sử dụng nh thế nào, tởng tợng rằng khi phần mềm định tuyến đợc đa đến một datagram để truyền tiếp Cũng giả sử rằng datagram đó cũng có địa chỉ IP đích là D Phần mềm định tuyến phải tìm một dòng trong bảng để tìm ra máy tiếp cho D Để làm điều này, phần mềm xem xét mỗi dòng trong bảng bằng việc sử dụng mặt nạ trong mỗi dòng để tìm ra phần đầu địa chỉ D và so sánh kết quả với trờng đích trong mỗi dòng Nếu hai kết quả bằng nhau, datagram sẽ đợc truyền tiếp đến máy tiếp trong dòng đó.

Mặt nạ bit giúp cho việc lấy ra phần đầu địa chỉ dễ dàng – phần mềm sẽ thực hiện phép logic and giữa địa chỉ đích D của datagram và giá trị mặt nạ Do vậy sự tính toán để xem xét dòng thứ IP Datagram trong bảng có thể đợc diễn tả nh sau:

If ((Mask[i] & D) == Destination[i]) forward to NextHop[i];

Trong ví dụ trên, giả sử rằng datagram cần chuyển đến địa chỉ 192.4.10.3 và nó đang ở router có bảng định tuyến trong hình 16.3 Hơn nữa giả sử phần mềm tìm kiếm trong bảng tuần tự Dòng đầu không thoả mãn bởi 255.0.0.0 & 192.4.10.3 không bằng 30.0.0.0 Sau khi kiểm tra không thoả mãn dòng 2 và 3, cuối cùng phần mềm định tuyến sẽ chọn đợc máy tiếp là 128.1.0.9 bởi vì 255.255.255 & 192.4.10.3 == 192.4.10.0.

V Các địa chỉ của đích và của máy tiếp

Có mối liên hệ gì giữa địa chỉ đích trong header của datagram và địa chỉ của máy tiếp mà datagram đợc chuyển tới? Trờng DESTINATION IP ADDRESS trong datagram có chứa địa chỉ của đích cuối cùng Khi một router nhận một datagram, router lấy ra địa chỉ đích D và dùng nó để tính toán địa chỉ của router tiếp theo mà datagram cần đợc gửi đến là N Mặc dù datagram đợc gửi trực tiếp đến N, header trong datagram vẫn chứa địa chỉ đích D Nói cách khác:

Địa chỉ đích trong datagram header luôn là địa chỉ đích cuối cùng Khi một router truyền tiếp một datagram đến router khác, địa chỉ của máy tiếp không xuất hiện trong header của datagram.

Mặc dù tất cả các định tuyến đều đợc tính toán sử dụng địa chỉ IP Saukhi tính địa chỉ của máy tiếp N, phần mềm IP sử dụng địa chỉ gắn kết đã nói trong phần trớc để chuyển đổi N sang địa chỉ phần cứng tơng ứng để truyền đi Trong tiếp theo, chúng ta sẽ học về cách datagram đợc truyền qua mạng vật lý.

VI Truyền đi với nỗ lực hết mình (Best-effort Delivery)

Cùng với việc đa ra định dạng của một datagram cho liên mạng, giao thức liên mạng cũng đa ra ngữ nghĩa của sự truyền thông, và dùng thuật ngữ nỗ lực hết sức (best-effort) để chỉ một dịch vụ mà nó đa ra Một cách trực quan các chuẩn chỉ ra mặc dù IP nỗ lực hết sức để truyền đi mõi datagram, Ip không đảm bảo rằng nó sẽ quản lý đợc hết các sự cố nh là:

• Sự trùng lặp datagram

• Sự truyền bị trễ hoặc sai thứ tự • Sự sai lệch dữ liệu

• Sự mất các datagram

Cần có các lớp phần mềm giao thức khác để quản lý các sự cố này.

Dờng nh có vẻ hơi lạ khi cho rằng Ip có thể bị xảy ra những lỗi này Tuy nhiên, có mộtl ý do quan trọng: mỗi lớp của phần mềm giao thức có trách nhiệm trong một khía cạnh truyền thông nhất định., và IP không thể quản lý hết các lỗi này Hơn nữa, bởi vì các mạng