IV.1.1. Chức năng
Tầng mạng (Network layer) đảm bảo truyền tin thơng suốt giữa hai nút đầu cuối trong mạng. Truyền các gĩi tin (packets) từ nơi gửi (sending host) tới nơi nhận (receiving host). Tầng mạng được cài đặt tại router và cả end system.
Chức năng chính:
• Chọn đường (path selection): cĩ nhiều đường đi, gĩi tin sẽ đi theo đường nào?
• Chuyển mạch (switching, forwarding): chuyển gĩi tin từ cổng vào tới cổng ra của router một cách thích hợp.
• Thiết lập liên kết (call setup): một số kiến trúc mạng cần thiết lập kênh truyền trước khi truyền.
Hình IV-1. Tầng mạng
IV.1.2. Dịch vụ cung cấp cho tầng giao vận
• Các dịch vụ phải độc lập với cơng nghệ được dùng trong mạng. • Tầng giao vận phải độc lập với cơng nghệ được dùng trong mạng.
• Các địa chỉ mạng phải thống nhất để tầng iao vận cĩ thể dùng cả mạng LAN và WAN
Cĩ hai loại dịch vụ:
Dịch vụ truyền tin liên kết (Connection Oriented Service)
Dich vụ truyền tin khơng liên kết (Connectionless Service) Sự khác nhau giữa hai dịch vụ:
Vấn đề Dịch vụ cĩ liên kết Dịch vụ khơng liên kết
Khởi động kênh Cần thiết Khơng
Địa chỉ đích Chỉ cần lúc khởi động Cần ở mọi gĩi tin
Thứ tự gĩi tin Được đảm bảo Khơng đảm bảo
Kiểm sốt lỗi Ở tầng mạng Ở tầng giao vận
Điều khiển thơng lượng Ở tầng mạng Ở tầng giao vận
Thỏa thuận tham số Cĩ Khơng
Nhận dạng liên kết Cĩ Khơng
IV.1.3. Tổ chức các kênh truyền tin trong mạng 1. Kênh ảo (Virtual Circuit):
Tương đương kênh điện thoại trong tầng vật lý sử dụng trong mạng cĩ liên kêt. Kênh ảo được thiết lập cho mỗi liên kết. Một khi đã được thiết lập thì các gĩi tin được chuyển đi tương tự trong mạng điện thoại cho đến khi liên kết bị hủy bỏ.
• Mỗi nút mạng chứa một kênh ảo.
• Khi một liên kết được khởi động một kênh ảo chưa dùng sẽ được chọn. • Nút chọn kênh ảo chứa đường dẫn đến trạm tiếp theo và cĩ số thấp nhất. Khi gĩi tin khởi động đến nút đích, nút chọn kênh ảo cĩ số thấp nhất thay thế số trong gĩi tin và chuyển vào trạm đích. Số kênh ảo nối với trạm đích cĩ thể khác số kênh ảo mà trạm nguồn sử dụng.
2. Mạng Datagram:
Tương đương với điện báo sử dụng trong mạng khơng liên kết. Trong mạng này khơng cĩ tuyến đường nào được thiết lập. Các gĩi tin cĩ thể đi theo nhiều đường khác nhau mà khơng nhất thiết theo một trình tự xác định. Thơng tin vào là địa chỉ đích, thơng tin ra là nút mạng phải tới.
Mạng Datagram phức tạp về điều khiển nhưng nếu kênh hỏng thì dễ dàng chuyển sang kênh mới.
Một số đặc trưng của mạng kênh ảo và datagram:
Vấn đề Mạng kênh ảo Mạng datagram
Khởi động kênh Cần thiết Khơng
Địa chỉ hĩa Gĩi tin chỉ cần số kênh ào Gĩi tin phải cĩ địa chỉ
nguồn và địa chỉ đích Thơng tin tìm đường Mỗi kênh ảo cần một vùng
trong bảng Khơng cần bất cứ thơng tin nào Tìm đường Được thiết lập khi khởi động
kênh ảo mới. Liên kết sẽ được duy trì cho cả phiên
Mỗi gĩi tin tìm đường độc lập.Phải tìm đường mỗi khi cĩ gĩi tin đến nút mạng
Điều khiển Kênh ảo qua nút hỏng sẽ bị
hủy
Chỉ mất gĩi tin trong nút hỏng
Hỏng nút Dễ khắc phục Khĩ khắc phục
Độ phức tạp Trong tầng mạng Trong tầng giao vận
Thích hợp Các dịch vụ liên kết Các dịch vụ liên kết và khơng liên kết
IV.1.4. Tìm đường đi (định tuyến) trong mạng
Chức năng quan trọng nhất của tầng mạng là dẫn đường cho các gĩi tin từ trạm nguồn đến trạm đích. Thuật tốn tìm đường là quy trình để quyết định chọn đường ra khỏi nút mạng nhằm gửi gĩi tin đi tiếp đến nút khác.
Yêu cầu của thuật tốn tìm đường:
• Chính xác, ổn định, đơn giản và tối ưu.
• Thuật tốn tìm đường phải cĩ khả năng cập nhật lại cấu hình và đường vận chuyển để khơng phải khởi động lại mạng khi cĩ một nút hỏng hoặc phải ngừng hoạt động của các máy trạm.
Các thuật tốn chia làm hai nhĩm:
• Nhĩm khơng thích nghi (non adaptive): việc chọn đường khơng dựa vào việc đánh gia tình trạng mạng và cấu hình trong thời gian thực. • Nhĩm thích nghi (adaptive): việc tìm đường phải thích nghi với tình
trạng mạng hiện tại.
IV.1.5. Tắc nghẽn trong mạng
Khi cĩ quá nhiều gĩi tin trong mạng hoặc một phần của mạng làm cho hiệu suất của mạng giảm đi vì các nút mạng khơng đủ khả năng lưu trữ, xử lý, gửi đi và
chúng bắt đầu bị mất các gĩi tin. Hiện tượng này gọi là sự tắc nghẽn (congestion) trong mạng.
Hàng đợi sẽ bị đầy (phải lưu tập tin, các bảng định tuyến,...) nếu khả năng xử lý của nút yếu hay thơng tin vào nhiều hơn khả năng của đường ra.
Các biện pháp ngăn ngừa:
• Bố trí khả năng vận chuyển, lưu trữ, xử lý của mạng dư so với yêu cầu.
• Hủy bỏ các gĩi tin bị tắc nghẽn quá thời hạn.
• Hạn chế số gĩi tin vào mạng nhờ cơ chế cửa sổ (flow control). • Chặn đường vào của các gĩi tin khi mạng quá tải.
IV.2. Bộ định tuyến và các thiết bị kết nối mạng khác:
IV.2.1. Bộ định tuyến (Router)
Trong mơi trường gồm nhiều mạng gắn kết với nhau bằng nhiều giao thức và kiến trúc mạng khác nhau, bộ chuyển mạch (cầu nối) khơng thể truyển thơng nhanh trong tất cả các đoạn mạng. Mạng cĩ độ phức tạp như vậy cần một thiết bị khơng những biết địa chỉ mạng mỗi đoạn mạng mà cịn quyết định tuyến đường tốt nhất để truyền dữ liệu và lọc các lưu lượng quảng bá trên các đoạn mạng cục bộ. Thiết bị như vậy gọi là bộ định tuyến (Router).
Hình IV-2. Router Chức năng bộ định tuyến:
• Chuyển và định tuyến gĩi dữ liệu qua nhiều mạng dựa trên địa chỉ phân lớp mạng.
• Phân chia mạng lớn thành nhiều mạng nhỏ và kết nối các đoạn mạng với nhau.
• Lọc gĩi tin và giới hạn lưu lượng mạng, hoạt động như một rào cản an tồn giữa các đoạn mạng.
• Ngăn chặn tình trạng quảng bá vì router khơng chuyển tiếp gĩi tin dạng quảng bá.
• Các bộ định tuyến cĩ thể chia sẻ thơng tin trạng thái và thơng tin định tuyến với nhau, sử dụng thơng tin này để bỏ qua các kết nối hỏng hoặc chậm.
Nguyên lý hoạt động:
Trong bộ định tuyến cĩ một bảng định tuyến chứa các địa chỉ mạng. Tuy nhiên địa chỉ mạng cĩ thể được lưu trữ tùy vào giao thức mạng đang chạy. Bộ định tuyến dùng bảng định tuyến để xác định địa chỉ đích cho dữ liệu nhận được. Bảng này liệt kê các thơng tin sau:
• Địa chỉ mạng đã kết nối trực tiếp.
• Cách kết nối tới những mạng khác.
• Chi phí truyền dữ liệu qua các lộ trình đĩ.
Khi router nhận được gĩi dữ liệu truyền tới mạng ở xa, nĩ kiểm tra bảng định tuyến và chọn đường đi tối ưu (cĩ chi phí thấp nhât) để gửi gĩi dữ liệu đến đích.
Hình IV-3. Kiến trúc Router trong mơ hình OSI
Truyền dữ liệu qua bộ định tuyến:
Khi một trạm xác định cần gửi một gĩi dữ liệu tới một trạm trên một mạng khác. Cơng việc đầu tiên của trạm này là lấy địa chỉ vật lý của router (địa chỉ cổng kết nối ngầm định). Sau đĩ nĩ điền thơng tin trong trường địa chỉ vật lý của gĩi dữ liệu bằng địa chỉ vậy lý của router và trường thơng tin địa chỉ đích của tầng mạng (là địa chỉ IP nếu dùng TCP/IP) bằng địa chỉ của trạm đích.
Khi router kiểm tra địa chỉ đích, nĩ xác định xem nĩ cĩ biết cách hay khơng chuyển tiếp gĩi tin đến chặng tiếp theo (next hop) là router kế tiếp trên đường đi, bằng cách kiểm tra địa chỉ. Nếu địa chỉ mạng đích nằm trong gĩi dữ liệu khơng cĩ trong bảng định tuyến, router sẽ bỏ gĩi dữ liệu trừ khi nĩ được cấu hình đường đi mặc định. Ngược lại nếu địa chỉ mạng đích cĩ trong bảng định tuyến, router thay
địa chỉ vật lý đích bằng địa chỉ vật lý của chặng tiếp theo và truyền gĩi dữ liệu đến đĩ.
Như vậy, khi một gĩi tin truyền qua liên mạng, địa chỉ vật lý thay đổi nhưng địa chỉ của giao thức khơng đổi.
IV.2.2. Bộ lặp (Repeater)
Bộ lặp thực hiện chức năng ở tầng vật lý dùng để khuyếch đại tín hiệu khi tín hiệu đi xa. Bộ lặp được sử dụng để kết nối các đoạn mạng lại với nhau. Bộ lặp nhận tín hiệu từ một đoạn mạng, tái tạo lại và truyền tín hiệu này đến đoạn mạng khác. Nhờ cĩ bộ lặp mà tín hiệu bị suy yếu do phải truyền qua một đoạn cáp dài cĩ thể trở lại dạng ban đầu và truyền đi được xa hơn.
Hình IV-4.Bộ lặp.
Tất cả các tín hiệu điện, bao gồm nhiễu điện từ và các lỗi khác cũng được lặp và khuyếch đại. Để bộ lặp hoat động, cả hai đoạn mạng nối với bộ lặp phải sử dụng cùng một phương pháp truy cập đường truyền.
Hình IV-5. Repeater trong mơ hình OSI
IV.2.3. Hub
Hub là thiết bị liên kết mạng được sử dụng làm trung tâm trong cấu trúc mạng cĩ dạng hình sao (star). Mạng sao dùng sự phân chia tín hiệu trong Hub để đưa các tín hiệu ra các đường cáp khác nhau. Cĩ 3 loại Hub thường sử dụng trong mạng là
• Hub chủ động: tái tạo và truyền tín hiệu giống như bộ lặp. Hub cĩ nhiều cổng nên được gọi là bộ lặp đa cổng. Hub chủ động đưa các các tín hiệu mạnh hơn do đĩ cho phép đoạn cáp dài hơn. Đa phần các Hub là Hub chủ động.
• Hub thụ đơng: hoặc động như các điểm kết nối, khơng tái tạo hay khuyếch đại tín hiệu.
• Hub lai: thích ứng với nhiều loại cáp khác nhau
Hình IV-6.Hub
IV.2.4. Cầu nối (Bridge)
Cầu nối là thiết bị hoạt động ở tầng liên kết dữ liệu, dùng để nối hai hay nhiều đoạn mạng (segment) của mạng LAN khác nhau.
Chức năng của cầu nối:
• Mở rộng khoảng cách phân đoạn mạng, tăng số lượng máy tính trên mạng.
• Lọc những gĩi dữ liệu để gửi đi hay khơng gửi đi cho đoạn nối, hoặc gửi trả lại nơi xuất phát.
• Phân chia mạng lớn thành nhiều mạng nhỏ nhằm cơ lập lưu lượng, tăng tốc độ mạng. Nếu lưu lượng từ một nhĩm máy tính trở nên quá tải và giảm hiệu xuất mạng thì cầu nối cĩ thể cơ lập máy tính hay bộ phận này.
• Kết nối các phương tiện truyền dẫn khác nhau.
• Kết nối các đoạn mạng sử dụng phương pháp truy cập khác nhau.
Hình IV-7.Bridge trong mơ hình OSI Ngun lý hoạt động:
• Cầu nối khơng phân biệt giao thức này với giao thức khác, chỉ cĩ nhiệm vụ lưu chuyển tất cả các giao thức trên mạng. Vì các giao thức đều cĩ thể di chuyển qua cầu nối nên tùy thuộc vào từng máy quyết định chúng cĩ thể nhận diện giao thức
• Cầu nối hoạt động trên nguyên tắc mỗi nút mạng cĩ một địa chỉ riêng. Cầu nối chuyển gĩi dữ liệu dựa trên địa chỉ vật lý (MAC address) của nút đích. Khi dữ liệu truyền qua cầu nối, thơng tin địa chỉ này sẽ được lưu trong RAM của cầu nối dùng để xây dựng bản địa chỉ dựa trên địa chỉ nguổn của gĩi tin.
IV.2.5. Bộ chuyển mạch (Switch)
Bộ chuyển mạch cĩ chức năng giống cầu nối nhưng cĩ nhiều port. Bộ chuyển mạch cĩ thể kết nối một số mạng LAN riêng biệt và cung cấp khả năng lọc gĩi dữ liệu giữa chúng. Hiện nay, bộ chuyển mạch được sử dụng rộng rãi thay thế cho Hub.
Hình IV-8. Switch
IV.2.6. Gateway
Gateway (cổng nối) hoạt động ở mức mạng, thực hiện việc ghép nối với WAN. Nguyên lý chung của nối kết này là tạo ra một tầng “liên mạng” (internet) trong tất cả các kiến trúc của mạng con tham gia nối kết. Tầng liên mạng thường là tầng con nằm ngay trên tầng 3 trong mơ hình OSI.
Hình IV-9. Sơ đồ kiến trúc của gateway trong mơ hình OSI.
Tầng con Internet được cài đặt trong tất cả các trạm cũng như trong các giao diện kết nối (gateway). Tầng này cung cấp dịch vụ truyền thơng liên mạng với hai chức năng chính:
• Chuyển đổi các đơn vị dữ liệu của giao thức (Protocol Data Unit- PDU).
• Chọn đường đi cho các PDU này.
Các gĩi tin ở tầng con Internet lưu thơng trong mạng theo phương pháp “đĩng gĩi/tách gĩi”. Khi một datagram được truyền từ mạng con này qua mạng con khác thơng qua gateway thì nĩ được bổ sung vào hoặt tách ra các phần thơng tin điều khiển cần thiết cho mạng con. Gateway cĩ các giao thức xác định trước thường là nhiều giao thức, một gateway đa giao thức thường được chế tạo như các card cĩ chứa các bộ xử lý riêng và cài đặt trên các máy tính hoặc thiết bị chuyên biệt.
IV.3. Giao thức IP (IP Protocol)
Giao thức IP (Internet Protocol) hoạt động ở tầng mạng, cung cấp dịch vụ dữ liệu khơng liên kết (connectionless) cho nhiều giao thức liên kết dữ liệu khác. Đơn vị dữ liệu dùng trong IP là datagram, hay cịn gọi là gĩi tin.
Chức năng chính của IP:
• Định nghĩa gĩi tin datagram là đơn vị dữ liệu cơ bản của việc truyền tin trên Internet.
• Xác định mơ hình gán địa chỉ cho các gĩi tin và quản lý các quá trình trao đổi, xử lý các gĩi tin này.
• Chọn đường cho các datagram trên mạng. • Phân đoạn và sắp xếp lại các gĩi tin. Tính chất của giao thức IP
• Là giao thức hoạt động theo phương thức khơng nối kết.
• Khơng tin cậy: giao thức IP khơng cĩ khả năng phát hiện và khắc phục lỗi, khơng quan tâm đến vấn đề dữ liệu cĩ được nhận một cách chính xác khơng. Các gĩi dữ liệu cĩ thể bị thất lạc, trùng lập, bị chậm hoặc khơng đúng thứ tự. Mỗi gĩi dữ liệu được xử lý độc lập và cĩ thể gửi theo những đường định tuyến khác nhau.
IV.3.1. Định dạng khung gĩi tin IP
Hình IV-10. Định dạng khung gĩi tin IP Ý nghĩa các trường dữ liệu:
0 15 16 31
4-bit
Version Header 4-bit Length
8-bit Type Of Service
(TOS)
16-bit Total Length (in bytes)
16-bit Identification
3-bit
Flags 13-bit Fragment Offset
8 bit Time To Live
TTL 8-bit Protocol 16-bit Header Checksum 32-bit Source IP Address
32-bit Destination IP Address
Options (if any)
Data
• VER (4 bits): chỉ version hiện hành của giao thức IP hiện được cài đặt, việc cĩ chỉ số version cho phép cĩ các trao đổi giữa các hệ thống sử dụng version cũ và hệ thống sử dụng version mới.
• IHL (4 bits): chỉ độ dài phần đầu (Internet header Length) của gĩi tin
datagram, tính theo đơn vị từ ( 32 bits). Trường này bắt buột phải cĩ
vì phần đầu IP cĩ thể cĩ độ dài thay đổi tùy ý. Độ dài tối thiểu là 5 từ (20 bytes), độ dài tối đa là 15 từ hay là 60 bytes.
• Type of service (8 bits): đặc tả các tham số về dịch vụ nhằm thơng
báo cho mạng biết dịch vụ nào mà gĩi tin muốn được sử dụng, chẳng hạn ưu tiên, thời hạn chậm trễ, năng suất truyền và độ tin cậy. Hình sau cho biết ý nghĩ của trường 8 bits này.
o Precedence (3 bit): chỉ thị về quyền ưu tiên gửi datagram, nĩ cĩ giá trị từ 0 (gĩi tin bình thường) đến 7 (gĩi tin kiểm sốt mạng).
o D (Delay) (1 bit): chỉ độ trễ yêu cầu trong đĩ (D = 0 gĩi tin cĩ độ trễ bình thường, D = 1 gĩi tin độ trễ thấp)
o T (Throughput) (1 bit): chỉ độ thơng lượng yêu cầu sử dụng để truyền gĩi tin với lựa chọn truyền trên đường thơng suất thấp hay đường thơng suất cao.
• T = 0 thơng lượng bình thường và • T = 1 thơng lượng cao
o R (Reliability) (1 bit): chỉ độ tin cậy yêu cầu (R = 0 độ tin cậy bình thường, R = 1 độ tin cậy cao)
• Total Length (16 bits): chỉ độ dài tồn bộ gĩi tin, kể cả phần đầu tính
theo đơn vị byte với chiều dài tối đa là 65535 bytes. Hiện nay giới hạn trên là rất lớn nhưng trong tương lai với những mạng Gigabit thì các gĩi tin cĩ kích thước lớn là cần thiết.
• Identification (16 bits): cùng với các tham số khác (như Source Address và Destination Address) tham số này dùng để định danh duy nhất cho một datagram trong khoảng thời gian nĩ vẫn cịn trên liên