Bài giảng Lớp Mạng (Network Layer) - Chương 6 Mạng Máy Tính

Chương 6

LỚP MẠNG (Network Layer)

Lớp mạng

4-1

NỘI DUNG

r GIỚI THIỆU r VIRTUAL CIRCUIT NETWORK VÀ

DATAGRAM NETWORK

r ROUTER

Lớp mạng

4-2

Giới thiệu lớp mạng

application transport network data link physical

datagram

network data link physical

r Vận chuyển các segment r Đóng gói segment vào

network data link physical

cho lớp transport

network data link physical

r Tách segment và chuyển

r Các giao thức lớp mạng có trong mỗi host và router

network data link physical

application transport network data link physical

network data link physical

các header của IP datagram chuyển qua nó

Lớp mạng

4-3

r router kiểm tra và xử lý

Hai chức năng chính của lớp mạng

r routing: Xác định đường đi cho gói để đi đến đích

m Giải thuật định tuyến

(routingalgorithm)

r forwarding:

Chuyển các gói từ một đầu vào đến một đầu ra thích hợp trên router.

Lớp mạng

4-4

Tác động qua lại giữa routing và forwarding

routing algorithm

local forwarding table header value output link

3 2 2 1

0100 0101 0111 1001

Giá trị trong header của gói đến

0111

Lớp mạng

4-5

Thiết lập cầu nối

mạng: m ATM, frame relay, X.25

r Là chức năng quan trọng thứ 3 trog một số kiến trúc

router trung gian phải thiết lập một mạch ảo (virtual connection) m Các router tham gia vào

r Trước khi datagram được chuyển hai host và các

transport: m network: giữa hai host m transport: giữa hai process

Lớp mạng

4-6

r Khác biệt giữa dịch vụ kết nối lớp network và lớp

Mô hình dịch vụ mạng (Network service model) Đâu là mô hình dịch vụ cho kênh vận chuyển gói tin từ nguồn đến đích?

Ví dụ các dịch vụ cho

luồng gói:

theo đúng thứ tự

Ví dụ các dịch vụ cho từng gói riêng: r Phân phối bảo đảm r Bảo đảm trễ nhỏ hơn

r Chuyển phát datagram

40ms

thiểu cho luồng

r Bảo đảm băng thông tối

Lớp mạng

4-7

r Hạn chế sự biến động về khoảng cách giữa các gói

Các mô hình dịch vụ lớp Network

Bảo đảm ?

Loss Bandwidth Timing Order Service Model Kiến trúc Network Congestion feedback

no none no no best effort Internet

yes yes yes CBR ATM

yes yes yes VBR ATM

no no yes ABR ATM no (inferred via loss) no congestion no congestion yes

Lớp mạng

4-8

no constant rate guaranteed rate guaranteed minimum none no yes UBR ATM no

NỘI DUNG

r GIỚI THIỆU r VIRTUAL CIRCUIT NETWORK VÀ

DATAGRAM NETWORK

r ROUTER

Lớp mạng

4-9

Dịch vụ connection-oriented và connectionless

r datagram network cung cấp dịch vụ

connectionless

r VC network cung cấp dịch vụ connection-

oriented

r Tương tự với dịch vụ lớp truyền tải, nhưng

khác chỗ: m service: host-to-host m no choice: mạng chỉ cung cấp một trong hai m Triển khai: trong network core

Lớp mạng 4-10

Virtual circuits

“đường đi từ nguồn đến đích giống như mạch điện

thoại” m Hiệu năng m Tác động dọc đường đi

r Thiết lập cuộc gọi trước khi chuyển gói r Mỗi gói mang một danh định mạch (VC IDentifier) (không

r Mỗi router duy trì trạng thái cho mỗi cuộc gọi qua nó r Các tài nguyên như link, router (bandwidth, buffer) được cấp phát cho mỗi VC (dedicated resources = predictable service)

Lớp mạng 4-11

phải địa chỉ nguồn hay đích)

Thực hiện VC

Một VC gồm:

1. Đường đi từ nguồn đến đích 2. VC number, một số cho một kênh ảo 3. Mục trong forwarding table trong router dọc

đường đi

r Gói thuộc về VC nào sẽ mang VC number

của kênh đó

r VC number của gói có thể được thay đổi

theo mỗi liên kết. m VC number mới lấy từ forwarding table

Lớp mạng 4-12

Forwarding table

VC number

interface number

Forwarding table của router A:

Incoming interface Incoming VC # Outgoing interface Outgoing VC #

1 12 3 2 63 1 3 7 2 1 97 3 …

…

22 18 17 87 …

Router duy trì thông tin trạng thái!

Lớp mạng 4-13

Giao thức báo hiệu (signaling protocol) cho VC

r Được dùng để thiết lập duy trì và kết thúc

6. Receive data

5. Data flow begins 4. Call connected 1. Initiate call

3. Accept call 2. incoming call

r Trong ATM, frame-relay, X.25 r Chưa được dùng trong Internet

Lớp mạng 4-14

application transport network data link physical application transport network data link physical

Datagram network

m Không có khái niệm kết nối ở mức mạng

r Không có thiết lập gọi r router: không duy trì trạng thái

r Packet được chuyển đi căn cứ vào địa chỉ host đích m Các gói của cùng cặp host nguồn và đích có thể di trên các

1. Send data

2. Receive data

đường khác nhau. m Vì sao? làm sao?

Lớp mạng 4-15

application transport network data link physical application transport network data link physical

Forwarding table (1)

Destination Address Range

Link Interface

11001000 00010111 00010000 00000000

through

11001000 00010111 00010111 11111111

11001000 00010111 00011000 00000000

through

11001000 00010111 00011000 11111111

11001000 00010111 00011001 00000000

through

11001000 00010111 00011111 11111111

otherwise

Lớp mạng 4-16

Forwarding table (2)

Network Next-hop

10.0.0.0/24 A

Router A

Router C

Router B

10.0.0.0/24

172.16.0.0/24

10.0.0.0/24

192.168.0.0/24

172.16.0.0/24

172.16.0.0/24 C

Lưu ý quy tắc: No routes, no reachability!

Lớp mạng 4-17

Nguyên tắc so trùng tiền tố dài nhất (Longest prefix matching)

Prefix Match 11001000 00010111 00010 11001000 00010111 00011000 11001000 00010111 00011 otherwise

Link Interface 0 1 2 3

Ví dụ

interface?

Địa chỉ đích: 11001000 00010111 00010110 10100001

interface?

Địa chỉ đích: 11001000 00010111 00011000 10101010

Lớp mạng 4-18

Cơ sở tạo lập datagram network và VC network

Internet (datagram) r Cho phép các máy tính trao

ATM (VC) r Cải cách theo điện thoại r Đàm thoại :

m Ràng buộc định thời, độ

r Các đầu cuối thông minh

m Nhu cầu bảo đảm dịch vụ

r Đầu cuối đơn giản

m Sự phức tạp dành cho

đổi data m Dịch vụ linh động, không ràng buộc về định thời tin cậy

m có thể thích nghi, kiểm soát hiệu năng và sửa lỗi m Đơn giản cho core, đẩy điều phức tạp về edge

r Nhiều loại liên kết

m Các đặc tính khác biệt m Khó đồng nhất dịch vụ

Lớp mạng 4-19

bên trong mạng

NỘI DUNG

r GIỚI THIỆU r VIRTUAL CIRCUIT NETWORK VÀ

DATAGRAM NETWORK

r ROUTER

Lớp mạng 4-20

Tổng quan về kiến trúc router (1)

Lớp mạng 4-21

Tổng quan về kiến trúc router (2) Hai chức năng chính: r Chạy các giao thức định tuyến (RIP, OSPF, BGP...) r Forwarding: chuyểndatagram từ incoming link đến

outgoing link

Lớp mạng 4-22

Chức năng của Input Port

Physical layer: Tiếp nhận bit

Chuyển mạch phân tán: r Căn cứ vào đích của datagram, tra tìm

Data link layer: Dùng giao thức như Fram Relay, Ethernet...

r Mục đích: hoàn tất xử lý input port với

output port trong forwarding table chứa trong input port memory

r Xếp hàng (queuing): nếu datagram đến

tốc độ đầu vào

Lớp mạng 4-23

nhanh hơn tốc độ chuyển tiếp vào cơ cấu chuyển mạch (switch fabric)

Ba loại cơ cấu chuyển mạch

Lớp mạng 4-24

Chuyển mạch qua bộ nhớ

Các router thế hệ đầu: r là máy tính truyền thống, hoạt động chuyển mạch dưới sự điều khiển trực tiếp của CPU và hệ điều hành r Gói được chép vào bộ nhớ hệ thống r tốc độ bị hạn chế bởi băng thông bộ nhớ

Memory

Input Port

Output Port

System Bus

Lớp mạng 4-25

Chuyển mạch qua một Bus

đến output port memory qua shared bus

r datagram từ input port memory

mạch bị hạn chế bởi băng thông của bus

r Tranh chấp bus : tốc độ chuyển

Lớp mạng 4-26

r Ví dụ Cisco 5600 có băng thông bus là 32 Gbps: làm access router cho doanh nghiệp

Chuyển mạch qua một mạng liên nối (1)

r Khắc phục sự giới hạn của băng thông bus r Banyan network, và các hình dạng liên nối khác đã được phát triển để nối nhiều bộ xử lý trong hệ đa bộ xử lý

Lớp mạng 4-27

r Thiết kế tiên tiến: phân chia các datagram thành các cell có chiều dài cố định, chuyển các cell thông qua cơ cấu chuyển mạch.

Chuyển mạch qua một mạng liên nối (2)

r Được xây dựng từ một số lớn các phần tử chuyển mạch 2x2 được kết nối theo qui tắc như mạng Banyan r Ví dụ Cisco 12000: chuyển mạch tốc độ 60 Gbps qua interconnection network

Lớp mạng 4-28

Output Port

chuyển mạch nhanh hơn tốc độ truyền

r Đệm (Buffering): khi datagram đến từ cơ cấu

trong số các datagram xếp hàng để truyền đi

Lớp mạng 4-29

r Cơ chế lập lịch (Schedulingdiscipline): tuyển chọn

Xếp hàng ở output port

Tranh chấp output port vào thời điểm t

Một packet time sau đó

Xếp hàng: -delay -loss: do bộ đệm bị tràn

Lớp mạng 4-30

Đệm bao nhiêu?

r RFC 3439 : đệm trung bình bằng với RTT (giá trị thông thường là 250ms) lần dung lượng liên kết m Ví dụ C = 10 Gbps thì đệm 2.5 Gbit

r Các khuyến nghị mới đây thì với N luồng,

đệm bằng:

RTT C. N

Lớp mạng 4-31

Xếp hàng ở Input Port

hàng tại các hàng đợi đầu vào.

r Cơ cấu chuyển mạch chậm hơn tổng các đầu vào-> xếp

trước ngăn cản các datagram khác r delayvàlossdo bộ đệm nhập bị tràn

Gói màu xanh lá cây bị HOL blocking

Tranh chấp output port tại thời điểm t. Chỉ một gói đỏ được truyền

Lớp mạng 4-32

r Head-of-the-Line (HOL) blocking: datagram xếp

Một số router trên thị trường

YAMAHA RTX-1500

Cisco 2600

BUFFALO BHR-4RV

PLANEX GW-AP54SAG

Cisco CRS-1

Access Router

Juniper M10

Hitachi GR2000-1B

http://www.cisco.com.vn http://www.juniper.net/ http://www.buffalotech.com

Foundry Networks NetIron 800

Lớp mạng 4-33

Core Router

Cisco 3700

Router cỡ trung

Ví dụ 1

r Cho ba đường đi ứng với:

m 11.1.2.0/24 m 11.1.0.0/16 m 11.0.0.0/8

r Xác định đường đi để chuyển datagram có

địa chỉ đích là 11.1.2.5

Lớp mạng 4-34

Ví dụ 1 (tt)

= 00001011.00000001.00000010.00000101

Địa chỉ đích: 11.1.2.5 Đường đi 1: 11.1.2.0/24 = 00001011.00000001.00000010.00000000 Đường đi 2: 11.1.0.0/16 = 00001011.00000001.00000000.00000000 Đường đi 3: 11.0.0.0/8

= 00001011.00000000.00000000.00000000

Lớp mạng 4-35