Đồ án nhập môn mạng máy tính, tìm hiểu về tầng mạng (network layer)giải thuật chống tắc nghẽn, giải thuật tìm đường tối ưu, liên mạng, phân loại giải thuật chọn đường, các vấn đề liên quan tới tầng mạng.
TRƯỜNG: ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM KHOA: Công Nghệ Thông Tin Lớp: K43.SPTINA Tìm Hiểu tầng mạng (network layer) Mạng máy tính GVHD: Nguyễn Quang Tấn SVTH: Tạ Thị Thu Thánh MSSV: 43.01.103.041 Email: tathithuthanh2501@gmail.com LỜI NÓI ĐẦU Sự đời mạng máy tính dịch vụ mang lại cho người nhiều lợi ích to lớn, đơn giản hóa thủ tục lưu trữ, xử lý, trao đổi thông tin phức tạp, liên lạc kết nối vị trí, khoảng cách lớn cách nhanh chóng hiệu Trước mơ hình OSI đời, việc thiết kế mạng lưới truyền thơng hồn tồn công ty kinh doanh phát triển độc lập Dưới khống chế luật quyền kỹ thuật, công ty lớn IBM, Apple, Novell Inc… có tiêu chuẩn giao thức truyền thơng riêng Tại thời điển đó, mạng truyền thơng lớn hỗ trợ nhiều giao thức khác nhau, dẫn đến hệ thiết bị mạng gặp khó khăn chí khơng thể giao tiếp với Mơ hình OSI cố gắng tổ chức nhằm giải mâu thuẫn công ty kinh doanh với mục đích đưa tiêu chuẩn chung kỹ thuật mạng truyền thông để sản phẩm cơng ty kinh doanh có khả phối hợp làm việc với Mơ hình OSI thiết kế dựa ngun lý phân tầng, trừu tượng hóa kỹ thuật kết nối truyền thơng máy tính Ở đề tài chủ yếu tìm hiểu tầng mạng (Network layer) mơ hình OSI Tầng mạng tầng thứ ba bảy tầng mơ hình OSI Tầng chịu trách nhiệm đáp ứng yêu cầu dịch vụ từ giao vận đưa yêu cầu dịch vụ tầng liên kết liệu định tuyến truyền thơng từ nguồn đến đích, đồng thời quản lý vấn đề giao thông như: chuyển mạch, định tuyến, khống chế tắc nghẽn gói liệu Sau chọn phương tiện vận chuyển phù hợp với nhu cầu đối tác, phải tính tốn đường tối ưu để tiết kiệm chi phí đảm bảo hàng đến tay đối tác Với điều kiện thời gian kinh nghiệm hạn chế, báo cáo đề tài khơng thể tránh thiếu sót Em mong nhận ý kiến đóng góp từ thầy để tích lũy kinh nghiệm cho lần sau Em xin trân thành cảm ơn! Mục Lục Giới thiệu Các vấn đề liên quan đến việc thiết kế tầng mạng 2.1 Kỹ thuật hoán chuyển lưu chuyển tiếp (Store-and-Forward Switching) .4 2.2 Các dịch vụ cung cấp cho tầng vận chuyển 2.2.1 Cài đặt dịch vụ không nối kết ( Implementation of Connectionless Service) 2.2.2 Cài đặt dịch vụ định hướng nối kết (Connection – Oriented Service) 2.2.3 So sánh Datagram subnet Virtual-Circuit subnet Giải thuật chọn đường .7 3.1 Giới thiệu .7 3.2 Mục tiêu giải thuật chọn đường 3.3 Phân loại giải thuật chọn đường 3.4 Các giải thuật tìm đường tối ưu 3.4.1 Giải thuật tìm đường ngắn Dijkstra 3.4.2 Giải thuật chọn đường tối ưu Ford-Fulkerson 10 3.5 Giải pháp vạch đường Vector Khoảng cách (Distance Vector) 10 3.6 Giải pháp chọn đường “Trạng thái nối kết” (Link State) 10 3.6.1 Làm ngập cách tin cậy (Reliable Flooding) 11 3.6.2 Tính tốn chọn đường Link State 12 3.7 Vạch đường phân cấp (Hierarchical Routing) 12 3.8 Vạch đường mạng di động 13 Các giải thuật chống tắc nghẽn 14 4.1 Các nguyên tắc chung để điều khiển tắc nghẽn .15 4.2 Các biện pháp phòng ngừa tắc nghẽn 16 4.3 Điều khiển tắc nghẽn mạng dạng mạch ảo .16 4.4 Điều khiển tắc nghẽn mạng dạng Datagram 17 4.4.1 Các gói tin chặn (Choke Packets) 18 4.4.2 Gởi gói chặn bước ( Hop-by-Hop Choke Packets) .18 Liên mạng 18 5.1 Các mạng nối kết với sao? 19 5.2 Nối kết mạng dạng mạch ảo 20 5.3 Nối kết mạng dạng datagram .21 5.4 Vạch đường liên mạng 22 5.5 Phân mảnh tái hợp .22 Bộ giao thức liên mạng (IPs - Internet Protocols) 23 6.1 Giới thiệu 23 6.2 Giao thức liên mạng IP (Internet Protocol) 24 6.2.1 Định dạng gói tin IP (IP Packet Format) 24 6.3 Cấu trúc địa IP 25 6.4 Một số địa IP đặc biệt 27 6.5 Ý nghĩa Netmask 28 6.6 Phân mạng (Subnetting) .28 6.6.1 Giới thiệu .28 6.6.2 Phương pháp phân mạng 28 6.6.3 Vấn đề thiếu địa IP 32 6.6.4 Vấn đề vượt khả chứa đựng bảng chọn đường 32 6.6.5 Sửa đổi lại cấu trúc cấp phát địa IP .33 6.6.6 Địa CIDR 33 6.7 Vạch đường giao thức IP 34 6.7.1 Đường gói tin 35 6.7.2 Giao thức phân giải địa (Address Resolution Protocol) .36 6.7.3 Giao thức phân giải địa ngược RARP (Reverse Address Resolution Protocol) 36 6.7.4 Giao thức thông điệp điều khiển Internet ICMP (Internet Control Message Protocol) 36 TÀI LIỆU THAM KHẢO .38 Giới thiệu Tầng mạng (Network Layer) tầng thứ ba bảy tầng mơ hình OSI Tầng chịu trách nhiệm đáp ứng yêu cầu dịch vụ từ tầng giao vận đưa yêu cầu dịch vụ tầng liên kết liệu Cấu trúc tầng mạng (Network layer) đánh giá phức tạp tầng mơ hình OSI Tầng mạng cung cấp phương tiện để truyền đơn vị liệu qua mạng, chí qua mạng mạng Các dịch vụ giao thức cho tầng mạng phải phán ánh tính phức tạp Hai chức chủ yếu tầng mạng chọn đường chuyển tiếp Ngoài hai chức trên, tầng mạng thực số chức khác mà thấy nhiều tầng mạng, ví dụ: thiết lập, trì giải phóng liên kết logic cho tầng mạng, kiểm sốt lỗi, dọn kênh, phân kênh,…Tầng mạng có nhiệm vụ đưa gói tin từ máy gởi qua chặn đường để đến máy nhận Để đến đích đến, gói tin phải bước qua nhiều router trung gian Điều trái ngược với tầng liên kết liệu vốn chịu trách nhiệm truyền tải khung từ đầu đến đầu kênh truyền vật lý Để thực nhiệm vụ này, tầng mạng phải biết hình trạng mạng đường trục (subnet) chọn đường thích hợp gói tin Nó phải ý đến việc chọn đường cho tránh tình trạng tắc nghẽn số đường truyền router số khác rãnh rỗi Các vấn đề liên quan đến việc thiết kế tầng mạng 2.1 Kỹ thuật hoán chuyển lưu chuyển tiếp (Store-and-Forward Switching) hình 1: Kỹ thuật lưu chuyển tiếp tầng mạng Trong router nằm hình oval nối lại với đường truyền theo kiểu điểm nối điểm gọi thiết bị nhà cung cấp đường truyền (Carrier’s equipment) Các thiết bị nằm bên ngồi hình oval gọi thiết bị khách hàng (Customer’s Equipment) Máy tính H1 nối trực tiếp vào router A nhà cung cấp đường truyền đường nối kết thường trực (lease line) Máy H2 nối kết vào mạng LAN cục Trong mạng LAN có router F thuộc sở hữu khách hàng F nối với router E nhà cung cấp đường nối kết thường trực Cho dù cách thức nối kết vào mạng máy tính khác trường hợp máy H1 H2, cách thức gói tin chúng truyền giống Một máy tính có gói tin cần truyền gởi gói tin đến router gần nhất, router LAN router nhà cung cấp đường truyền Gói tin lưu lại kiểm tra lỗi Kế đến gói tin chuyển đến router đường đến đích gói tin Và tiếp tục đến máy nhận gói tin Đây kỹ thuật lưu chuyển tiếp 2.2 Các dịch vụ cung cấp cho tầng vận chuyển Các dịch vụ tầng mạng cung cấp cho tầng vận chuyển cần thiết kế hướng đến mục tiêu sau: Các dịch vụ cần nên độc lập với kỹ thuật router Tầng vận chuyển cần độc lập với số lượng, kiểu hình trạng router hành Địa mạng cung cấp cho tầng vận chuyển phải có sơ đồ đánh số quán cho dù chúng LAN hay WAN Tầng mạng cung cấp hai dịch vụ Dịch vụ khơng nối kết (Connectionless Service) Dịch vụ định hướng nối kết (Connection – Oriented Service) Trong dịch vụ khơng nối kết, gói tin đưa vào subnet cách riêng lẽ vạch đường cách độc lập Không cần thiết phải thiết lập nối kết trước truyền tin Các gói tin trường hợp gọi thư tín (Datagram) subnet gọi Datagram Subnet Ngược lại dịch vụ định hướng nối kết, đường nối kết bên gởi bên nhận phải thiết lập trước gói tin gởi Nối kết gọi mạch ảo (Virtual Circuit) tương tự mạch vật lý nối kết hệ thống điện thoại subnet trường hợp gọi virtual circuit subnet 2.2.1 Cài đặt dịch vụ không nối kết ( Implementation of Connectionless Service) Giả sử q trình P1 có nhiều thơng điệp cần gởi cho q trình P2 Khi P1 gởi thông điệp cho tầng vận chuyển yêu cầu tầng vận chuyển truyền sang trình P2 máy tính H2 Tầng vận chuyển gắn thêm tiêu đề (header) vào thơng điệp chuyển thơng điệp xuống tầng mạng hình 2: Hoạt động Datagram subnet Giả sử thông điệp gởi lớn gấp lần kích thước tối đa gói tin, tầng mạng phải chia thơng điệp thành gói tin 1,2,3 4, gởi gói đến router A giao thức điểm nối điểm PPP chẳng hạn Mỗi router có bảng thơng tin cục nơi gởi gói tin để đến đích đến khác mạng Mỗi mục từ bảng chứa thông quan trọng Đích đến (Destination) ngỏ (Next Hop) cần phải chuyển gói tin đến để đến đích đến Ta gọi bảng chọn đường (Routing Table) 2.2.2 Cài đặt dịch vụ định hướng nối kết (Connection – Oriented Service) Đối với dịch vụ nối kết định hướng cần mạch ảo subnet Mục đích việc sử dụng mạch ảo để tránh phải thực việc chọn lại đường cho gói tin gởi đến đích Khi nối kết thực hiện, đường từ máy tính gởi đến máy tính nhận chọn phần giai đoạn thiết lập nối kết (Connection setup) lưu bảng chọn đường router nằm đường Khi nối kết kết thúc, mạch ảo bị xóa Với dịch vụ định hướng nối kết, gói tin có mang số định dạng để xác định mạch ảo mà thuộc 2.2.3 So sánh Datagram subnet Virtual-Circuit subnet Bảng sau so sánh điểm mạnh điểm yếu loại dịch vụ không nối kết định hướng nối kết: Vấn đề Thiết lập nối kết Datagram Subnet Không cần Đánh địa Mỗi gói tin chứa đầy đủ địa gởi nhận Thông tin trạng thái Router không cần phải lưu giữ thông tin trạng thái nối kết Chọn đường Mỗi gói tin có đường khác Không bị ảnh hưởng, Ảnh hưởng router bị ngoại trừ gói tin hỏng đường truyền bị hỏng Chất lượng dịch vụ Khó đảm bảo Điều khiển tắc nghẽn Khó điều khiển Circuit Subnet Cần thiết Mỗi gói tin chứa số nhận dạng nối kết có kích thước nhỏ Mỗi nối kết phải lưu lại bảng chọn đường router Đường chọn mạch ảo thiết lập, sau tất gói tin đường Tất mạch ảo qua router bị hỏng bị kết thúc Có thể thực dễ dàng có đủ tài nguyên gán trước cho nối kết Có thể thực dễ dàng có đủ Giải thuật chọn đường 3.1 Giới thiệu Vạch đường chất tốn lý thuyết đồ thị Hình thể đồ thị biểu diễn cho mạng hình 3: Mạng biểu diễn đồ thị Các nút đồ thị (được đánh dấu từ A đến F) host, switch, router mạng Ở tập trung vào trường hợp nút router Các cạnh đồ thị tương ứng với đường nối kết mạng Mỗi cạnh có chi phí đính kèm, thơng số giá phải trả lưu thơng nối kết mạng Vấn đề việc vạch đường tìm đường có chi phí thấp hai nút mạng bất kỳ, chi phí đường tính tổng chi phí qua tất cạnh làm thành đường Nếu khơng có đường hai nút, độ dài đường chúng xem vô 3.2 Mục tiêu giải thuật chọn đường Xác định đướng nhanh chóng, xác Khả thích nghi với thay đổi hình trạng mạng Khả thích nghi với thay đổi tải đường truyền Khả tránh nối kết bị tắt nghẽn tạm thời Chi phí tính tốn để tìm đường phải thấp 3.3 Phân loại giải thuật chọn đường Giải thuật chọn đường phân thành loại sau: Chọn đường tập trung (Centralized routing): Trong mạng có Trung tâm điều khiển mạng (Network Control Center) chịu trách nhiệm tính tốn cập nhật thơng tin đường đến tất điểm khác toàn mạng cho tất router Chọn đường phân tán (Distributed routing): Trong hệ thống này, router phải tự tính tốn tìm kiếm thơng tin đường đến điểm khác mạng Để làm điều này, router cần phải trao đổi thông tin quan lại với Chọn đường tĩnh (Static routing): Trong giải thuật này, router tự cập nhật thơng tin đường hình trạng mạng thay đổi Thông thường nhà quản mạng người cập nhật thông tin đường cho router Chọn đường động (Dynamic routing): Trong giải thuật này, router tự động cập nhật lại thông tin đường hình trạng mạng bị thay đổi 3.4 Các giải thuật tìm đường tối ưu Đường tối ưu từ A đến B đường “ngắn” số đường Tuy nhiên khái niệm “ngắn” hiểu theo nhiều ý nghĩa khác tùy thuộc vào đơn vị dùng để đo chiều dài đường Đối với router, đại lượng sau sử dụng để đo độ dài đường đi: Số lượng router trung gian phải qua (HOP) Độ trì quản trung bình gói tín Cước phí truyền tin Mỗi giải thuật chọn đường trước tiên phải chọn cho đơn vị đo chiều dài đường Để xác định đường tối ưu, giải thuật chọn đường sử dụng phương pháp đồ thị để tính tốn Trước tiên, mơ hình hóa hình trạng mạng thành đồ thị có đặc điểm sau: Nút router Cạnh nối liền nút đường truyền nối hai router Trên cạnh có giá chiều dài đường router thông qua đường truyền nối hai router Chiều dài đường từ nút A đến nút B tổng tất giá cạnh nằm đường Nếu khơng có đường router xem giá vơ Trên đồ thị thực việc tính tốn tìm đường ngắn 3.4.1 Giải thuật tìm đường ngắn Dijkstra Mục đích để tìm đường ngắn từ nút cho trước đồ thị đến nút lại mạng Giải thuật mô tả sau: Gọi: o S nút nguồn cho trước o N: tập hợp tất nút xác định đường ngắn từ S o Di: độ dài đường ngắn từ nút nguồn S đến nút i o lij: giá cạnh nối trực tiếp nút i với nút j, ∞ khơng có cạnh nối trực tiếp i j o Pj nút cha của nút j Bước 1: Khởi tạo o N={S}; Ds=0; o Với ∀i≠S: Di=lsi , Pi=S Trong chiến lược phân mảnh suốt, gói tin lớn qua mạng mạng định phải phân mảnh gói tin, gateway mạng làm nhiệm vụ phân mảnh gói tin lớn Khi mảnh hết qua mạng con, phải có gateway khác đứng tập hợp lại chúng, tái tạo lại gói tin ban đầu chuyển tiếp đến mạng Chiến lượt phân mảnh khơng suốt đòi hỏi host mạng có khả tái hợp thơng tin Ngồi làm phát sinh chi phí cho header mảnh Tuy nhiên lợi đạt là: chiến lược có quyền chọn lựa nhiều gateway đầu mạng con, hiệu suất vạch đường truyền gói tin tăng lên nhiều lần Từ đây, phát sinh nhu cầu cách thức đánh số mảnh cho trình tái hợp dễ dàng Một cách đánh số thông dụng cách đánh số internet Bộ giao thức liên mạng (IPs - Internet Protocols) 6.1 Giới thiệu Các giao thức liên mạng giao thức cho hệ thống mở tiếng giới chúng sử dụng để giao tiếp qua liên mạng thích hợp cho giao tiếp mạng LAN mạng WAN Các giao thức liên mạng bao gồm giao thức truyền thông, tiếng Giao thức điều khiển truyền tải (TCP - Transmission Control Protocol) Giao thức liên mạng (IP – Internet Protocol) hoạt động tầng tầng mơ hình OSI Ngồi hai giao thức này, giao thức IP đặc tả nhiều giao thức cho tầng ứng dụng, ví dụ giao thức cho dịch vụ thư điện tử, giao thức mô thiết bị đầu cuối giao thức truyền tải tập tin Bộ giao thức liên mạng lần phát triển vào năm thập niên 70 Văn phòng dự án nghiên cứu chuyên sâu quốc phòng Mỹ (DARPA-Defense Advanced Research Projects Agency ) quan tâm đến việc xây dựng mạng chuyển mạch gói (packet-switched network) cho phép việc trao đổi thơng tin hệ thống máy tính khác viện nghiên cứu trở nên dễ dàng Với ý tưởng nối hệ thống máy tính khơng đồng lại với nhau, DARPA cấp kinh phí nghiên cứu cho đại học Stanford, Bolt, Beranek, and Newman (BBN) vấn đề Kết nổ lực phát triển dự án giao thức Liên mạng hoàn thành vào năm cuối thập niên bảy mươi Sau TCP/IP tích hợp vào hệ điều hành UNIX phiên BSD (Berkeley Software Distribution) trở thành tảng cho mạng Internet dịch vụ WWW (World Wide Web) 23 6.2 Giao thức liên mạng IP (Internet Protocol) Giao thức liên mạng, thường gọi giao thức IP (Internet Protocol) giao thức mạng hoạt động tầng mô hình OSI, qui định cách thức định địa máy tính cách thức chuyển tải gói tin qua liên mạng IP đặc tả bảng báo cáo kỹ thuật có tên RFC (Request For Comments) mã số 791 giao thức chủ yếu Bộ giao thức liên mạng Cùng với giao thức TCP, IP trở thành trái tim giao thức Internet IP có hai chức : cung cấp dịch vụ truyền tải dạng không nối kết để chuyển tải gói tin qua liên mạng ; phân mãnh tập hợp lại gói tin để hỗ trợ cho tầng liên kết liệu với kích thước đơn vị truyền liệu khác 6.2.1 Định dạng gói tin IP (IP Packet Format) Ý nghĩa trường mô tả sau: Version (Phiên bản): Xác định phiên giao thức sử dụng IP Header Length (Chiều dài phần tiêu đề : Xác định chiều dài phần tiêu đề gói tin, tính đơn vị từ - 32 bits (32-bit word) Type-of-Service (Kiểu dịch vụ : Đặc tả mức độ quan trọng mà giao thức phía muốn xử lý gói tin Total Length (Tổng chiều dài gói tin): Đặc tả chiều dài, tính byte, gói tin IP, bao gồm phần liệu tiêu đề Identification ( Số nhận dạng ): Số nguyên nhận dạng gói tin liệu hành Trường sử dụng để ráp lại phân đoạn gói tin Flags (Cờ hiệu): Gồm bit, bit có trọng số nhỏ để xác định gói tin có bị phân đọan hay khơng Bit thứ xác định có phải phân đoạn cuối gói tin hay khơng Bit có trọng số lớn chưa sử dụng Fragment Offset (Vị trí phân đọan): Biểu thị vị trí phân đoạn liệu so với vị trí bắt đầu gói liệu gốc, cho phép máy nhận xây dựng lại gói tin ban đầu Time-to-Live (Thời gian sống gói tin): Lưu giữ đếm thời gian, giá trị giảm dần đến có giá trị gói tin bị xóa Điều giúp ngăn ngừa tình trạng gói tin truyền lòng vòng khơng đến đích Protocol(Giao thức): Biểu giao thức tầng nhận gói tin giao thức IP xử lý Header Checksum (Tổng kiểm tra lỗi tiêu đề): kiểm tra tính tồn vẹn phần tiêu đề Source Addres : Địa máy gởi gói tin Destination Address: Địa máy nhận gói tin 24 Options: Tùy chọn cho phép để hỗ trợ số vấn đề, chẳng hạn vấn đề bảo mật Data: Chứa liệu tầng gởi xuống cần truyền 6.3 Cấu trúc địa IP Mỗi máy tính mạng TCP/IP phải gán địa luận lý có chiều dài 32 bits, gọi địa IP hình 11: Cấu trúc địa IP 32 bits địa IP chia thành phần : Phần nhận dạng mạng (network id) phần nhận dạng máy tính (Host id) Phần nhận dạng mạng dùng để nhận dạng mạng phải gán Trung tâm thông tin mạng Internet (InterNIC - Internet Network Information Center) muốn nối kết vào mạng Internet Phần nhận dạng máy tính dùng để nhận dạng máy tính mạng hình 12: Phân lớp địa IP Để dễ dàng cho việc đọc hiểu người, 32 bits địa IP nhóm lại thành bytes phân cách dấu chấm (.) Giá trị bytes viết lại dạng thập phân, với giá trị hợp lệ nằm khoản từ đến 255 Câu hỏi đặt bits dành cho phần nhận dạng mạng bits dành cho phần nhận dạng máy tính Người ta phân địa thành lớp : A, B, 25 C, D E Trong đó, có lớp A, B C dùng cho mục đích thương mại Các bits có trọng số cao định lớp mạng địa Hình sau mơ tả cách phân chia lớp cho địa IP Thông tin chi tiết lớp mô tả bảng sau : Lớp Dạng Mục đích Các bits Khoản địa cao Tổng số máy tính mạng A N.H.H.H 1.0.0.0 126.0.0.0 16.777.21 (224-2) B N.N.H.H 10 128.1.0.0 đến 14/16 191.254.0.0 65.543 (216-2) C N.N.N.H Cho số tổ chức lớn Cho tổ chức có kích thước trung bình Cho tổ chức có kích thước nhỏ Truyền nhóm 110 192.0.1.0 đến 21/8 223.0.1.0 đến 223.255.254.0 245 (28-2) 1110 224.0.0.0 đến 239.255.255.25 240.0.0.0 đến 254.255.255.25 D E Dành cho 1111 thí nghiệm Ghi chú: H: host, N: Network Số bits phần nhần dạng mạng/ Số bits phần nhận dạng máy tính đến 7/24 6.4 Một số địa IP đặc biệt 26 Địa mạng (Network Address): địa IP mà giá trị tất bits phần nhận dạng máy tính 0, sử dụng để xác định mạng o Ví dụ : 10.0.0.0; 172.18.0.0 ; 192.1.1.0 Địa quảng bá (Broadcast Address) : Là địa IP mà giá trị tất bits phần nhận dạng máy tính 1, sử dụng để tất máy tính mạng o Ví dụ : 10.255.255.255, 172.18.255.255, 192.1.1.255 Mặt nạ mạng chuẩn (Netmask) : Là địa IP mà giá trị bits phần nhận dạng mạng 1, bits phần nhận dạng máy tính Như ta có mặt nạ mạng tương ứng cho lớp mạng A, B C : o Mặt nạ mạng lớp A : 255.0.0.0 o Mặt nạ mạng lớp B : 255.255.0.0 o Mặt nạ mạng lớp C : 255.255.255.0 Ta gọi chúng mặt nạ mạng mặc định (Default Netmask) Lưu ý : Địa mạng, địa quảng bá, mặt nạ mạng không dùng để đặt địa cho máy tính Địa mạng 127.0.0.0 địa dành riêng để đặt phạm vi máy tính Nó có giá trị cục ( phạm vi máy tính) Thơng thường cài đặt giao thức IP máy tính gián địa 127.0.0.1 Địa thông thường để kiểm tra xem giao thức IP máy có hoạt động không Địa dành riêng cho mạng cục không nối kết trực tiếp Internet : Các mạng cục không nối kết trực tiếp vào mạng Internet sử dụng địa mạng sau để đánh địa cho máy tính mạng : o Lớp A : 10.0.0.0 o Lớp B : 172.16.0.0 đến 172.32.0.0 o Lớp C : 192.168.0.0 6.5 Ý nghĩa Netmask Với địa IP Netmask cho trước, ta dùng phép tốn AND BIT để tính địa mạng mà địa IP thuộc Công thức sau : Network Address = IP Address & Netmask Ví dụ : Cho địa IP = 198.53.147.45 Netmask = 255.255.255.0 Ta thực phép toán AND BIT (&) hai địa trên: IP Address Biểu diễn thập phân 198.53.147.45 Biểu diễn nhị phân 11000110 00110101 10010011 00101101 27 Netmask Network Address 255.255.255.0 198.53.147.0 11111111 11111111 11111111 00000000 11000110 00110101 10010011 00000000 6.6 Phân mạng (Subnetting) 6.6.1 Giới thiệu Phân mạng kỹ thuật cho phép nhà quản trị mạng chia mạng thành mạng nhỏ, nhờ có tiện lợi sau : Đơn giản hóa việc quản trị : Với trợ giúp router, mạng chia thành nhiều mạng (subnet) mà chúng quản lý mạng độc lập hiệu Có thể thay đổi cấu trúc bên mạng mà không làm ảnh hướng đến mạng bên ngồi Một tổ chức tiếp tục sử dụng địa IP cấp mà không cần phải lấy thêm khối địa Tăng cường tính bảo mật hệ thống : Phân mạng cho phép tổ chức phân tách mạng bên họ thành liên mạng mạng bên ngồi thấy mạng 6.6.2 Phương pháp phân mạng Nguyên tắc chung để thực phân mạng : Phần nhận dạng mạng (Network Id) địa mạng ban đầu giữ nguyên Phần nhận dạng máy tính địa mạng ban đầu chia thành phần : Phần nhận dạng mạng (Subnet Id) Phần nhận dạng máy tính mạng (Host Id) hình 13: Cấu trúc địa IP phân mạng Để phân mạng con, người ta phải xác định mặt nạ mạng (subnetmask) Mặt nạ mạng địa IP mà giá trị bit phần nhận dạng mạng (Network Id) Phần nhận dạng mạng (Subnet Id) giá trị bits Phần nhận dạng máy tính (Host Id) 28 hình 14: Mặt nạ mạng phân mạng Khi có mặt nạ mạng con, ta xác định địa mạng (Subnetwork Address) mà địa IP tính cơng thức sau : Subnetwork Address = IP & Subnetmask Có hai chuẩn để thực phân mạng : Chuẩn phân lớp hoàn tồn (Classfull standard) chuẩn Vạch đường liên miền khơng phân lớp CIDR (Classless Inter-Domain Routing ) Thực tế, CIDR đa số nhà sản xuất thiết bị hệ điều hành mạng hỗ trợ chưa hồn tồn chuẩn hóa 6.6.2.1 Phương pháp phân lớp hoàn toàn (Classfull Standard) Chuẩn qui định địa IP phân mạng gồm phần : Phần nhận dạng mạng địa ban đầu (Network Id): Phần nhận dạng mạng (Subnet Id) : Được hình thành từ số bits có trọng số cao phần nhận dạng máy tính (Host Id) địa ban đầu Và cuối phần nhận dạng máy tính mạng (Host Id) bao gồm bit lại Ví dụ : Hình sau mô tả cấu trúc địa IP lớp C thực phân mạng hình 15: Địa IP phân mạng theo chuẩn Phân lớp hoàn toàn Số lượng bits thuộc phần nhận dạng mạng xác định số lượng mạng Giả sử phần nhận dạng mạng chiếm bits Như vậy, mặt lý thuyết ta phân thành 24=16 mạng Tuy nhiên phần nhận dạng mạng gồm toàn bit bit không dùng để đánh địa cho mạng trùng với địa mạng địa quảng bá mạng ban đầu 29 Ví dụ : Cho địa mạng lớp C : 192.168.1.0 với mặt nạ mạng mặc định 255.255.255.0 Xét trường hợp phân mạng cho mạng sử dụng bits để làm phần nhận dạng mạng Mặt nạ mạng trường hợp 255.255.255.192 Khi ta có địa mạng sau : Địa IP Biểu diễn dạng Mạng ban đầu Mạng Mạng Mạng Mạng Địa IP Biểu diễn dạng 192.168.1.0 192.168.1.0 192.168.1.64 192.168.1.12 192.168.1.19 Địa IP Biểu diễn dạng 1100 0000 1010 1000 0000 0001 0000 0000 1100 0000 1100 0000 1100 0000 1010 1000 1010 1000 1010 1000 0000 0001 0010 0001 0000 0001 0000 0000 0100 0000 1000 0000 1100 0000 1010 1000 0000 0001 1100 0000 Ta nhận thấy rằng: Địa mạng thứ 192.168.1.0 trùng với địa mạng ban đầu Địa mạng thứ tư 192.168.1.192 có địa quảng bá trùng với địa quảng bá mạng ban đầu Chính mà hai địa ( có phần nhận dạng mạng tồn bit tồn bit 1) khơng dùng để đánh địa cho mạng Nói tóm lại, với n bits làm phần nhận dạng mạng ta phân 2n-2 mạng mà Mỗi mạng có địa quảng bá Đó địa mà bits phần nhận dạng máy tính có giá trị Địa IP Mạng Địa quảng bá Mạng Địa quảng bá Biểu diễn dạng thập phân 192.168.1.64 Biểu diễn dạng nhị phân 1100 0000 1010 1000 0010 0001 0100 0000 192.168.1.127 1100 0000 1010 1000 0010 0001 01 11 1111 192.168.1.128 1100 0000 1010 1000 0000 0001 1000 0000 192.168.1.191 1100 0000 1010 1000 0000 0001 10 11 1111 30 Như qui trình phân mạng tóm tắt sau : Xác định số lượng mạng cần phân, giả sử N Biểu diễn (N+1) thành số nhị phân số lượng bit cần thiết để biểu diễn (N+1) số lượng bits cần dành cho phần nhận dạng mạng Ví dụ N=6, biểu diễn (6+1) dạng nhị phân 111 Như cần dùng bits để làm phần nhận dạng mạng Tạo mặt nạ mạng Liệt kê tất địa mạng có thể, trừ hai địa mà phần nhận dạng mạng tồn bits bit Chọn N địa mạng từ danh sách mạng liệt kê 6.6.2.2 Phương pháp Vạch đường liên miền không phân lớp CIDR (Classless Inter-Domain Routing ) CIDR sơ đồ đánh địa cho mạng Internet hiệu nhiều so với sơ đồ đánh địa cũ theo kiểu phân lớp A, B C CIDR đời để giải hai vấn đề xúc mạng Internet : Thiếu địa IP Vượt khả chứa đựng bảng chọn đường 6.6.3 Vấn đề thiếu địa IP Với sơ đồ đánh địa truyền thống, địa phân thành lớp A, B C Mỗi địa có phần, phần nhận dạng mạng phần nhận dạng máy tính Khi số lượng mạng số máy tính tối đa cho mạng thống kê bảng sau : Lớp mạng Số lượng mạng Số máy tính tối đa mạng A 126 16.777.214 B 65.000 65.534 C Hơn triệu 254 Bởi địa mạng Internet thường gán theo kích thước dẫn đến tình trạng lãng phí Trường hợp bạn cần 100 địa chỉ, Bạn cấp địa lớp C Như 154 địa khơng sử dụng Chính điều dẫn đến trình trạng thiếu địa IP cho mạng Internet Theo thống kê, có khoảng 3% số địa cấp phát 31 sử dụng đến Chính sơ đồ đánh địa CIDR đời để khắc phục tình trạng 6.6.4 Vấn đề vượt khả chứa đựng bảng chọn đường Khi số lượng mạng mạng Internet tăng đồng nghĩa với việc tăng số lượng router mạng Trong năm gần đây, người ta dự đoán router đường trục mạng Internet nhanh chóng tiến đến mức ngưỡng tối đa số lượng router mà chấp nhận Thậm chí với cơng nghệ đại dùng để sản xuất router mặt lý thuyết kích thước tối đa bảng chọn đường đến 60.000 mục từ (đường đi) Nếu khơng có cải tiến router đường trục đạt đến số mở rộng mạng Internet Để giải hai vấn đề trên, cộng đồng Internet đưa giải pháp sau : Sửa đổi lại cấu trúc cấp phát địa IP để tăng hiệu Kết hợp việc chọn đường có cấu trúc để giảm tối đa số lượng mục từ bảng chọn đường 6.6.5 Sửa đổi lại cấu trúc cấp phát địa IP CIDR sử dụng để thay cho sơ đồ cấp phát cũ với việc qui định lớp A, B, C Thay phần nhận dạng mạng giới hạn với 8, 16 24 bits, CIDR sử dụng phần nhận dạng mạng có tính tổng qt từ 13 đến 27 bits Chính khối địa gán cho mạng nhỏ với 32 máy tính đến mạng lớn 500.000 máy tính Điều đáp ứng gần yêu cầu đánh địa tổ chức khác 6.6.6 Địa CIDR Một địa theo cấu trúc CIDR, gọi tắt tắt địa CIDR, bao gồm 32 bits địa IP chuẩn với thông tin bổ sung số lượng bit sử dụng cho phần nhận dạng mạng Ví dụ : Với địa CIDR 206.13.01.48/25 chuỗi số "/25" 25 bits địa IP dùng để nhận dạng mạng, số bits lại dùng để nhận dạng máy tính mạng Bảng sau so sánh sơ đồ đánh địa theo kiểu CIDR sơ đồ đánh địa theo chuẩn phân lớp hoàn toàn Số bits nhận dạng mạng /27 /26 /25 Số bits nhận dạng mạng 1/8 lớp C 1/4 lớp C 1/2 lớp C Số bits nhận dạng mạng 32 64 128 32 /24 /23 /22 /21 /20 /19 /18 /17 /16 /15 /14 /13 lớp C lớp C lớp C lớp C 16 lớp C 32 lớp C 64 lớp C 128 lớp C 256 lớp C (= lớp B) 512 lớp C 1,024 lớp C 2,048 lớp C 256 512 1.024 2.048 4.096 8.192 16.384 32.768 65.536 131.072 262.144 524.288 Kết hợp việc chọn đường có cấu trúc để giảm tối đa số lượng mục từ bảng chọn đường Sơ đồ đánh địa theo theo CIDR cho phép kết hợp đường đi, mục từ bảng chọn đường mức cao đại diện cho nhiều router mức thấp bảng chọn đường tổng thể Sơ đồ giống hệ thống mạng điện thoại mạng thiết lập theo kiến trúc phân cấp Một router mức cao (quốc gia), quan tâm đến mã quốc gia số điện thoại, sau vạch đường cho gọi đến router đường trục phụ trách mạng quốc gia tương ứng với mã quốc gia Router nhận gọi nhìn vào phần đầu số điện thoại, mã tỉnh, để vạch đường cho gọi đến mạng tương ứng với mã tỉnh đó, Trong sơ đồ này, router đường trục lưu giữ thông tin mã quốc gia cho mục từ bảng chọn đường mình, mục từ đại diện cho số khổng lồ số điện thoại riêng lẽ số điện thoại cụ thể Thông thường, khối địa lớn cấp cho nhà cung cấp dịch vụ Internet (IP- Internet Service Providers) lớn, sau họ lại cấp lại phần khối địa họ cho khách hàng Hiện tại, mạng Internet sử dụng hai sơ đồ cấp phát địa Classfull standard CIDR Hầu hết router hỗ trợ CIDR nhà quản lý Internet khuyến khích người dùng cài đặt sơ đồ đánh địa CIDR 6.7 Vạch đường giao thức IP Cho ba mạng Net1, Net2 Net3 nối lại với nhờ router R1, R2 R3 Mạng Net4 nối router lại với Công việc thiết kế mạng liên mạng IP chọn địa mạng cho nhánh mạng Trong trường hợp ta chọn mạng lớp C cho mạng bảng sau: 33 Mạng Địa mạng Mặt nạ mạng Net1 192.168.1.0 255.255.255.0 Net2 192.168.2.0 255.255.255.0 Net3 192.168.3.0 255.255.255.0 Net4 192.168.4.0 255.255.255.0 Kế tiếp, gán địa cho máy tính mạng Ví dụ mạng Net1, máy tính gán địa 192.168.1.2 (Ký hiệu cách viết tắt địa IP để mơ tả Phần nhận dạng máy tính) 192.168.1.3 Mỗi router có hai giao diện tham gia vào hai mạng khác Ví dụ, giao diện tham gia vào mạng NET1 router R1 có địa 192.168.1.1 giao diện tham gia vào mạng NET4 có địa 192.168.4.1 hình 16: Ví dụ liên mạng liên mạng sử dụng giao thức IP Để máy tính mạng giao tiếp với nhau, cần phải có thơng tin đường Bảng chọn đường router tạo thủ cơng tự động Đối với mạng nhỏ, nhà quản trị mạng nạp đường cho router thông qua lệnh cung cấp hệ điều hành router Bảng chọn đường giao thức IP có thơng tin quan trọng : Địa mạng đích Mặt nạ mạng đích 34 Router nhận gói tin (Next Hop) Giao diện chuyển gói tin 6.7.1 Đường gói tin Để hiểu rõ có chế hoạt động giao thức IP, ta xét hai trường hợp gởi gói tin: Trường hợp máy tính gởi nhận nằm mạng trường hợp máy tính gởi máy tính nhận nằm hai mạng khác Giả sử máy tính có địa 192.168.3.3 gởi gói tin cho máy tính 192.168.3.2 Tầng hai máy gởi đặt gói tin vào khung với địa nhận địa vật lý máy nhận gởi khung lên đường truyền NET3, máy tính nhận nhận gói tin Bây ta xét trường hợp máy tính có địa 192.168.3.3 mạng NET3 gởi gói tin cho máy tính có địa 192.168.1.2 mạng Net1 Theo bảng chọn đường máy gởi, gói tin có địa nằm ngồi mạng 192.168.3.0 chuyển đến router R3 (địa 192.168.3.1) Chính thế, máy tính gởi đặt gói tin vào khung với địa nhận địa vật lý giao diện 192.168.3.1 đưa lên đường truyền NET3 Nhận gói tin, R3 phân tích địa IP máy nhận để xác định đích đến gói tin Bảng chọn đường cho thấy, với đích đến mạng 192.168.1.0 cần phải chuyển gói tin cho router R1 địa 192.168.4.1 thông qua giao diện 192.168.4.3 Vì R3 đặt gói tin vào khung với địa nhận địa vật lý giao diện 192.168.4.1 router R1 đưa lên đường truyền NET4 Tương tự, R1 chuyển gói tin cho máy nhận 192.168.1.2 khung đường truyền NET1 6.7.2 Giao thức phân giải địa (Address Resolution Protocol) Nếu máy tính muốn truyền gói tin IP cần đặt gói tin vào khung đường truyền vật lý mà nối kết vào Để truyền thành cơng khung, máy tính gởi cần thiết phải biết địa vật lý (MAC) máy tính nhận Điều thực cách sử dụng bảng để ánh xạ địa IP địa vật lý Giao thức IP sử dụng giao thức ARP (Address Resolution Protocol) để thực ánh xạ từ địa IP địa MAC 6.7.3 Giao thức phân giải địa ngược RARP (Reverse Address Resolution Protocol) Ngày nay, trạm làm việc không đĩa cứng (Diskless workstation) sử dụng rộng rãi Mỗi máy tính cần xử lý nhớ, tất không gian lưu trữ cung cấp từ máy chủ (Server) sử dụng hệ thống tập tin mạng theo chuẩn Do khơng có tập tin cấu hình, tiến trình khởi động máy tính thường sử dụng 35 giao thức truyền tải tập tin đơn giản TFTP Tuy nhiên, trước nối kết đến server, trạm làm việc cần phải biết địa IP Giao thức RARP dùng trường hợp RARP sử dụng định dạng yêu cầu ARP trường Operation có giá trị cho yêu cầu cho trả lời Trên server trì bảng mô tả mối tương quan địa vật lý địa IP máy trạm Khi nhận yêu cầu RARP, server tìm bảng địa trả địa IP tương ứng cho máy trạm gởi yêu cầu 6.7.4 Giao thức thông điệp điều khiển Internet ICMP (Internet Control Message Protocol) Giao thức ICMP cài đặt hầu hết tất máy tính TCP/IP Các thơng điệp giao thức gởi gói tin IP dùng để gởi báo lỗi hay thông tin điều khiển ICMP tạo nhiều loại thông điệp hữu ích : Đích đến khơng tới (Destination Unreachable) Thăm hỏi trả lời (Echo Request and Reply) Chuyển hướng (Redirect) Vượt thời gian (Time Exceeded) Quảng bá chọn đường (Router Advertisement) Cô lập chọn đường (Router Solicitation) … Nếu thông điệp phân phát khơng gởi lại Điều để tránh tình trạng di chuyển khơng dừng thơng điệp ICMP Nếu thơng điệp « Đích đến khơng tới » gởi router, điều có nghĩa router khơng thể gởi gói tin đến đích Khi router xóa gói tin khỏi hàng đợi Có hai ngun nhân làm cho gói tin khơng thể đến nơi Phần lớn máy gởi mô tả địa nhận mà khơng tồn thực tế Trường hợp router khơng biết đường đến nơi nhận gói tin Thơng điệp Đích đến khơng tới được chia thành bốn loại : Mạng không đến (Network unreachable) : Có nghĩ`a có cố vấn đề vạch đường địa nhận gói tin Máy tính khơng đến (Host unreachable) : Thơng thường dùng để trục trặc vấn đề phân phát, sai mặt nạ mạng chẳng hạn 36 Giao thức không đến (Protocol unreachable) : Máy nhận không hỗ trợ giao thức tầng cao gói tin mơ tả Cổng khơng đến (Port unreachable) : Socket giao thức TCP hay cổng khơng tồn Một thơng điệp « Thăm hỏi trả lời » tạo lệnh ping từ máy tính để kiểm tra tính liên thơng liên mạng Nếu có thơng điệp trả lời, điều biểu máy gởi máy nhận giao tiếp với Một thơng điệp « Chuyển hướng » gởi router đến máy gởi gói tin để khuyến cáo đường tốt Router chuyển tiếp gói tin mà nhận Thơng điệp chuyển hướng giữ cho bảng chọn đường máy tính nhỏ chúng cần chứa địa router mà thơi, chí router cung cấp đường tốt Đôi sau nhận thông điệp chuyển hướng, thiết bị gởi sử dụng đường cũ Một thông điệp « Vượt thời hạn » gởi router thời gian sống (Time– to-live) gói tin, tính số router hay giây, có giá trị Thời gian sống gói tin giúp phòng ngừa trường hợp gói tin gởi lòng vòng mạng không đến nơi nhận Router bỏ gói tin hết thời gian sống TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Hoàng Việt, Bài giảng Mạng máy tính, Khoa CNTT, 1998 Phạm Hồng Dũng, Nguyễn Đình Tê, Hồng Đức Hải, Giáo trình Mạng máy tính, nhà xuất giáo dục, 1996 Nguyễn Thúc Hải, Mạng máy tính hệ thống mở, Nhà xuất giáo dục, 1999 Andrew S Tanenbeau,Computer Networks, Fourth Edition, Prentice Hall Inc., 2003 William Stallings, Data & Computer Communication, Sixth Edition, Prentice Hall Inc., 2000 Behrouz A Forouzan,Data Communications and Networking, Third Edition, Mc Graw Hill, 2003 Larry L Peterson & Bruce S Davie, Computer Networks A System Approach, Third Edition, Morgan Haufmann, 2003 37