Bài giảng Mạng máy tính - Chương 3: Tầng mạng – Internet Layer - Ngô Hồng Sơn

1Chương 3: Tầng mạng – Internet Layer Giảng viên: Ngơ Hồng Sơn Khoa CNTT- ðHBK Hà Nội Bộ mơn Truyền thơng và Mạng máy tính Bài giảng cĩ sử dụng nguồn tài liệu cung cấp bởi trường ðại học Keio, Nhật Bản 2Tổng quan
Tuần trước
Vì sao phải phân tầng
Kiến trúc phân tầng, mơ hình OSI/TCP
Khái niệm về địa chỉ IP, địa chỉ MAC, số hiệu cổng, tên miền.
Tuần này
Giao thức tầng mạng – Internet Protocol
ðịa chỉ IP và khuơn dạng gĩi tin IP
Giao thức thơng báo điều khiển- ICMP 3Giới thiệu về giao thức tầng mạng IP Khái niệm cơ bản Nguyên lý lưu-và-chuyển tiếp ðặc điểm giao thức IP 4Internet Protocol
Là một giao thức ở tầng mạng
Hai chức năng cơ bản
Chọn đường (Routing): Xác định đường đi của gĩi tin từ nguồn đến đích
Chuyển tiếp (Forwarding): Chuyển dữ liệu từ đầu vào tới đầu ra của bộ định tuyển (router)
VD application TCP/UDP IP data link physical application TCP/UDP IP data link physical 1. Send data 2. Receive data 5Chọn đường và chuyển tiếp gĩi tin payload IP header IP packet Ver IHL TOS Packet length FlagIdentification Fragment Offset Source IP address TTL Protocol Header Checksum Destination IP address • ðường đi tiếp theo? • Chuyển tiếp đến router nào? Host Host Router Router Router 6Nhắc lại: Network layer vs. Transport layer
network: Giữa các máy trạm hoặc các bộ định tuyến (Hosts)
transport: Giữa các tiến trình trên máy trạm (Processes) 7ðặc điểm của giao thức IP
Khơng tin cậy / nhanh
Truyền dữ liệu theo phương thức “best effort”
IP khơng cĩ cơ chế phục hồi lỗi
Khi cần, sẽ sử dụng dịch vụ tầng trên để đảm bảo độ tin cậy (TCP)
Giao thức khơng liên kết
Các gĩi tin được xử lý độc lập 8ðịa chỉ IP Lớp địa chỉ IP CIDR – ðịa chỉ IP khơng phân lớp Mạng con và mặt nạ mạng Các địa chỉ IP đặc biệt 9ðịa chỉ IP (IPv4)
ðịa chỉ IP : Một số 32-bit để định danh giao diện máy trạm, bộ định tuyến
Mỗi địa chỉ IP được gán cho một giao diện
ðịa chỉ IP cĩ tính duy nhất 223.1.1.1 223.1.1.2 223.1.1.3 223.1.1.4 223.1.2.9 223.1.2.2 223.1.2.1 223.1.3.2223.1.3.1 223.1.3.27 223.1.1.1 = 11011111 00000001 00000001 00000001 223 1 11 10 Ký hiệu thập phân cĩ chấm 8 bits 0 – 255 integer Sử dụng 4 phần 8 bits để miêu tả một địa chỉ 32 bits Ví dụ: 203.178.136.63 o 259.12.49.192 x 133.27.4.27 o 0 1 1 0 0 1 0 01 0 0 0 1 1 1 11 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 203 178 143 100 3417476964 11 ðịa chỉ máy trạm, địa chỉ mạng
ðịa chỉ IP cĩ hai phần
Host ID – địa chỉ máy trạm
Network ID – địa chỉ mạng 0 1 1 0 0 1 0 01 0 0 0 1 1 1 11 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 203 178 143 100 Network ID Host ID
Làm thế nào biết được phần nào là cho máy trạm, phần nào cho mạng?
Phân lớp địa chỉ
Khơng phân lớp – CIDR 12 Phân lớp địa chỉ IP Class A 0 Class B 1 0 Class C 1 1 0 Class D 1 1 1 0 Class E 1 1 1 1 Reserve for future use Multicast 5ｂｉｔ 7ｂｉｔ 6bit H N H H H H N N H # of network # of hosts Class A 128 2^24 Class B 16384 65536 Class C 2^21 256 8bits 8bits 8bits 8bits 13 Hạn chế của việc phân lớp địa chỉ
Lãng phí khơng gian địa chỉ
Việc phân chia cứng thành các lớp (A, B, C, D, E) làm hạn chế việc sử dụng tồn bộ khơng gian địa chỉ
CIDR: Classless Inter Domain Routing
Phần địa chỉ mạng sẽ cĩ độ dài bất kỳ
Dạng địa chỉ: a.b.c.d/x, trong đĩ x (mặt nạ mạng) là số bit trong phần ứng với địa chỉ mạng Cách giải quyết 14 Mặt nạ mạng
Mặt nạ mạng chia một địa chỉ IP làm 2 phần
Phần ứng với máy trạm
Phần ứng với mạng
Dùng tốn tử AND
Tính địa chỉ mạng
Tính khoảng địa chỉ IP 15 Mơ tả mặt nạ mạng
255.255.255.224
/27
0xFFFFFFe0
Sẽ là một trong các số: 0 248 128 252 192 254 224 255 240 255 255 255 224 1 1 1 0 0 0 0 01 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 16 Cách tính địa chỉ mạng Netmask (/27) 111 11 111 255 . 111 11 111 255 111 11 111 255 111 00 000 224. . IP Address 110 10 011 203 . 101 01 010 178 100 10 110 142 100 00 010 130. . 27 (bit)AND Network address 203.178.142.128/27 Network part Host Part 110 10 011 203 . 101 01 010 178 100 10 111 142 100 00 000 128. . 17 Mặt nạ mạng và kích thước mạng
Kích thước
Theo lũy thừa 2
RFC1878
Trong trường hợp /26
Phần máy trạm = 6 bits
26=64
Dải địa chỉ cĩ thể gán:
0 - 63
64 - 127
128 - 191
192 - 255 255 255 255 192 1 1 0 0 0 0 0 01 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 18 ðịa chỉ mạng hay máy trạm (1) 1 1 0 0 0 0 0 01 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 00 0 0 0 0 1 0 01 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 133 27 4 160 1 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 1 0 01 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 133 27 4 128 19 ðịa chỉ mạng hay máy trạm (2) 1 1 1 0 0 0 0 01 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 00 0 0 0 0 1 0 01 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 133 27 4 160 1 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 1 0 01 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 133 27 4 128 20 Các dạng địa chỉ
ðịa chỉ mạng
ðịa chỉ IP gán cho một mạng
ðịa chỉ máy trạm
ðịa chỉ IP gán cho một card mạng
ðịa chỉ quảng bá
ðịa chỉ dùng để gửi cho tất cả các máy trạm trong mạng
Tồn bit 1 phần ứng với địa chỉ máy trạm 21 ðịa chỉ IP và mặt nạ mạng (1) 203.178.142.128 /25 (2) 203.178.142.128 /24 (3) 203.178.142.127 /25 (4) 203.178.142.127 /24
ðịa chỉ nào là địa chỉ máy trạm, địa chỉ mạng, địa chỉ quảng bá?
Lưu ý: Với cách địa chỉ hĩa theo CIDR, địa chỉ IP và mặt nạ mạng luơn phải đi cùng nhau 22 Mạng con - subnet
Là một phần của một mạng nào đĩ
ISP thường được gán một khối địa chỉ IP
Một vài mạng con sẽ được tạo ra 223.1.1.1 223.1.1.2 223.1.1.3 223.1.1.4 223.1.2.9 223.1.2.2 223.1.2.1 223.1.3.2223.1.3.1 223.1.3.27 Mạng với 3 mạng con subnet
Tạo subnet như thế nào
Sử dụng một mặt nạ mạng dài hơn 23 11001000 00010111 00010000 00000000 200. 23. 16. 0 /24 Ví dụ: Chia làm 2 subnets 11001000 00010111 00010000 00000000 200. 23. 16. 0 /25 11001000 00010111 00010000 10000000 200. 23. 16. 128 /25 24 Ví dụ: Chia làm 4 subnets
Mạng với mặt nạ /24
Cần tạo 4 mạng con
Mạng với 14 máy tính
Mạng với 30 máy tính
Mạng với 31 máy tính
Mạng với 70 máy tính /28 /26 /25/27 /24 /28 /27 /26 /25 25 Khơng gian địa chỉ IPv4
Theo lý thuyết
Cĩ thể là 0.0.0.0 ～ 255.255.255.255
Một số địa chỉ đặc biệt
ðịa chỉ IP đặc biệt (RFC1918)
ðịa chỉ liên kết nội bộ: 169.254.0.0/16 224.0.0.0 ～239.255.255.255Multicast address 127.0.0.0Loopback address 10.0.0.0/8 172.16.0.0/12 192.168.0.0/16 Private address 26 Lưu ý về địa chỉ IP
Internet đang sử dụng IPv4: 32 bits
133.113.215.10 (IPv4)
IPv6 đã và sẽ được sử dụng rộng rãi hơn: 128bits
2001:200:0:8803::53 (IPv6)
IPv6 sẽ được đề cập kỹ hơn sau. 27 Gán đ/c IP? Q: Làm thế nào để máy cĩ địa chỉ IP?
Do người quản trị gán trực tiếp
Windows: control-panel->network- >configuration->tcp/ip->properties
UNIX: /etc/rc.config
DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol: Giao thức cấu hình địa chỉ động
“plug-and-play” 28 DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol Mục đích: Cho phép máy trạm nhận một địa chỉ IP động khi kết nối vào mạng - Cĩ thể “renew”, “release” - Hỗ trợ người dùng hay phải di chuyển (mobile) Tổng quan về DHCP :
Máy trạm quảng bá thơng điệp “DHCP discover”
Máy chủ DHCP trả lời với “DHCP offer”
Máy trạm xin địa chỉ với : “DHCP request”
Máy chủ DHCP cấp địa chỉ với: “DHCP ack” 29 Hoạt động của DHCP client-server 223.1.1.1 223.1.1.2 223.1.1.3 223.1.1.4 223.1.2.9 223.1.2.2 223.1.2.1 223.1.3.2223.1.3.1 223.1.3.27 A B E DHCP server DHCP client 30 DHCP client-server scenario DHCP server: 223.1.2.5 arriving client time DHCP discover src : 0.0.0.0 dest.: 255.255.255.255 yiaddr: 0.0.0.0 transaction ID: 654 DHCP offer src: 223.1.2.5, 67 dest: 255.255.255.255 yiaddrr: 223.1.2.4 transaction ID: 654 Lifetime: 3600 secs DHCP request src: 0.0.0.0 dest:: 255.255.255.255, 67 yiaddrr: 223.1.2.4 transaction ID: 655 Lifetime: 3600 secs DHCP ACK src: 223.1.2.5 dest: 255.255.255.255 yiaddrr: 223.1.2.4 transaction ID: 655 Lifetime: 3600 secs 31 Cấp địa chỉ IP cho mạng? Q: Một mạng con lấy địa chỉ IP từ đâu? A: Chia ra từ khơng gian địa chỉ của ISP (Internet Service Provider) ISP's block 11001000 00010111 00010000 00000000 200.23.16.0/20 Organization 0 11001000 00010111 00010000 00000000 200.23.16.0/23 Organization 1 11001000 00010111 00010010 00000000 200.23.18.0/23 Organization 2 11001000 00010111 00010100 00000000 200.23.20.0/23 ... .. . . Organization 7 11001000 00010111 00011110 00000000 200.23.30.0/23 32 Quản lý đ/c IP Q: ISP lấy địa chỉ IP từ đâu ? A: ICANN: Internet Corporation for Assigned Names and Numbers
Cấp phát địa chỉ
Quản DNS. 33 Khuơn dạng gĩi tin IP 34 Phần đầu gĩi tin IP ver length 32 bits data (variable length, typically a TCP or UDP segment) 16-bit identifier header checksum time to live 32 bit source IP address IP protocol version number header length (bytes) max number remaining hops (decremented at each router) for fragmentation/ reassembly total datagram length (words) upper layer protocol to deliver payload to head. len DS QoS support flgs fragment offset upper layer 32 bit destination IP address Options (if any) E.g. timestamp, record route taken, specify list of routers to visit. 35 IP header (1)
Phiên bản giao thức (4 bits)
IPv4
IPv6
ðộ dài phần đầu: 4bits
Tính theo từ (4 bytes)
Min: 5
Max: 60 36 IP header (2)
DS (Differentiated Service : 8bits)
Tên cũ: Type of Service
Hiện tại được sử dụng trong quản lý QoS
Diffserv 37 IP header (3)
ðộ dài tồn bộ, tính cả phần đầu (16 bits)
Theo bytes
Max: 65536
ID – Số hiệu gĩi tin
Dùng để xác định một chuỗi các gĩi tin của một gĩi tin bị phân mảnh
Flag – Cờ
Fragmentation offset – Vị trí gĩi tin phân mảnh trong gĩi tin ban đầu 38 IP header (4)
TTL, 8 bits – Thời gian sống
ðộ dài đường đi gĩi tin cĩ thể đi qua
Max: 255
Router giảm TTL đi 1 đơn vị khi xử lý
Gĩi tin bị hủy nếu TTL bằng 0
Protocol – giao thức tầng trên
Giao thức giao vận phía trên (TCP, UDP,)
Các giao thức tầng mạng khác (ICMP, IGMP, OSPF ) cũng cĩ trường này 39 IP header (4)
Checksum – Mã kiểm sốt lỗi
ðịa chỉ IP nguồn
32 bit, địa chỉ của trạm gửi
ðịa chỉ IP đích
32 bit, địa chỉ của trạm đích 40 Phân mảnh gĩi tin (1)
ðường truyền cĩ một giá trị MTU (Kích thước đơn vị dữ liệu tối đa)
Các đường truyền khác nhau cĩ MTU khác nhau
Một gĩi tin IP lớn quá MTU sẽ bị
Chia làm nhiều gĩi tin nhỏ hơn
ðược tập hợp lại tại trạm đích Phân mảnh: in: 1 gĩi tin lớn out: 3 gĩi tin nhỏ hơn Hợp nhất 41 Phân mảnh (2)
Trường Identification
ID được sử dụng để tìm các phần của gĩi tin
Flags – cờ (3 bits)
Dự phịng
Khơng được phép phân mảnh
Cịn phân mảnh
Dùng để tập hợp gĩi tin 42 Phân mảnh (3)
ðộ lệch - Offset
Vị trí của gĩi tin phân mảnh trong gĩi tin ban đầu
Theo đơn vị 8 bytes 0 3999 0 1399 1400 2799 2800 3999 Offset = 0/8 = 0 Offset = 1400/8 = 175 Offset = 2800/8 = 350 1400 2800 43 Checksum
Mã kiểm sốt lỗi cho phần đầu
Tại bên gửi
ðặt checksum = 0
Tổng theo các số 16 bits
ðảo bit tất cả
Tại bên nhận
Tổng tất cả theo các số 16 bit
Phải thu được tồn các bit 1
Nếu khơng, gĩi tin bị lỗi 44 Tùy chọn
Dùng để thêm vào các chức năng mới
Cĩ thể tới 40 bytes Code (8) Length (8) Data (Variable length) copy Class Number Copy: 0: copy only in first fragment 1: copy into all fragment Class: 00: Datagram control 01: Reserved 10: Debugging and measurement 11: Reserved Number: 00000: End of option 00001: No operation 00011: Loose source route 00100: Timestamp 00111: Record route 01001: Strict source route 45 Internet Control Message Protocol Tổng quan Khuơn dạng gĩi tin Ping và Traceroute 46 Tổng quan về ICMP (1)
IP là giao thức khơng tin cậy, khơng liên kết
Thiếu các cơ chế hỗ trợ và kiểm sốt lỗi
ICMP được sử dụng ở tầng mạng để trao đổi thơng tin
Báo lỗi: báo gĩi tin khơng đến được một máy trạm, một mạng, một cổng, một giao thức.
Thơng điệp phản hồi 47 Tổng quan về ICMP (2)
Cũng là giao thức tầng mạng, song “phía trên” IP:
Thơng điệp ICMP chứa trong các gĩi tin IP
ICMP message: Type, Code, cùng với 8 bytes đầu tiên của gĩi tin IP bị lỗi IP header ICMP message ICMP message 48 Nhắc lại: IP header và trường Protocol DS Total LengthHLENVer Identification TTL Protocol Header Checksum Source IP address Destination IP address Flags Fragmentation offset Option Protocol: 1: ICMP 2: IGMP 6: TCP 17: UDP 89: OSPF Cĩ thể xem số hiệu giao thức tại /etc/protocols C:\WINDOWS\system32\drivers\etc\protocols 49 Khuơn dạng gĩi tin ICMP
Type: dạng gĩi tin ICMP
Code: Nguyên nhân gây lỗi
Checksum
Mỗi dạng cĩ phần cịn lại tương ứng Type Code Checksum Rest of the header Data 0 15 16 317 8 50 Một số dạng gĩi tin ICMP I C M P M e s s a g e T y p e 3 4 5 11 12 8 or 0 13 or 14 17 or 18 9 or 10 Error-reporting messages Query messages Destination Unreachable Source quench Redirection Time exceeded Parameter problem Echo reply or request Time stamp request or reply Address mask request or reply Router advertisement or solicitation 51 ICMP và các cơng cụ debug
ICMP luơn hoạt động song trong suốt với người sử dụng
NSD cĩ thể sử dụng ICMP thơng qua các cơng cụ debug
ping
traceroute 52 Ping và ICMP
ping
Sử dụng để kiểm tra kết nối
Gửi gĩi tin “ICMP echo request”
Bên nhận trả về “ICMP echo reply”
Mỗi gĩi tin cĩ một số hiệu gĩi tin
Trường dữ liệu chứa thời gian gửi gĩi tin
Tính được thời gian đi và về - RTT (round-trip time) 53 RTT (Round-Trip Time) Sender time R e p l y time 0 RTT L / R RTT + L / R Receiver 54 Ping: Ví dụ C:\Documents and Settings\hongson>ping www.yahoo.co.uk Pinging www.euro.yahoo-eu1.akadns.net [217.12.3.11] with 32 bytes of data: Reply from 217.12.3.11: bytes=32 time=600ms TTL=237 Reply from 217.12.3.11: bytes=32 time=564ms TTL=237 Reply from 217.12.3.11: bytes=32 time=529ms TTL=237 Reply from 217.12.3.11: bytes=32 time=534ms TTL=237 Ping statistics for 217.12.3.11: Packets: Sent = 4, Received = 4, Lost = 0 (0% loss), Approximate round trip times in milli-seconds: Minimum = 529ms, Maximum = 600ms, Average = 556ms 55 Traceroute: Cơng cụ dị vết đường đi C:\Documents and Settings\hongson>tracert www.jaist.ac.jp Tracing route to www.jaist.ac.jp [150.65.5.208] over a maximum of 30 hops: 1 1 ms <1 ms <1 ms 192.168.1.1 2 15 ms 14 ms 13 ms 210.245.0.42 3 13 ms 13 ms 13 ms 210.245.0.97 4 14 ms 13 ms 14 ms 210.245.1.1 5 207 ms 230 ms 94 ms pos8-2.br01.hkg04.pccwbtn.net [63.218.115.45] 6 * 403 ms 393 ms 0.so-0-1-0.XT1.SCL2.ALTER.NET [152.63.57.50] 7 338 ms 393 ms 370 ms 0.so-7-0-0.XL1.SJC1.ALTER.NET [152.63.55.106] 8 402 ms 404 ms 329 ms POS1-0.XR1.SJC1.ALTER.NET [152.63.55.113] 9 272 ms 288 ms 310 ms 193.ATM7-0.GW3.SJC1.ALTER.NET [152.63.49.29] 10 205 ms 206 ms 204 ms wide-mae-gw.customer.alter.net [157.130.206.42] 11 427 ms 403 ms 370 ms ve-13.foundry2.otemachi.wide.ad.jp [192.50.36.62] 12 395 ms 399 ms 417 ms ve-4.foundry3.nezu.wide.ad.jp [203.178.138.244] 13 355 ms 356 ms 378 ms ve-3705.cisco2.komatsu.wide.ad.jp [203.178.136.193] 14 388 ms 398 ms 414 ms c76.jaist.ac.jp [203.178.138.174] 15 438 ms 377 ms 435 ms www.jaist.ac.jp [150.65.5.208] Trace complete. 56 Traceroute và ICMP: Cơ chế hoạt động
Bên gửi truyền gĩi tin cho bên nhận
Gĩi thứ nhất cĩ TTL =1
Gĩi thứ 2 cĩ TTL=2,
Khi gĩi tin thứ n đến router thứ n:
Router hủy gĩi tin
Gửi trả lại một gĩi tin ICMP (type 11, code 0)
Cĩ chứa tên và địa chỉ IP của router
khi nhận được gĩi tin trả lời, bên gửi sẽ tính ra RTT 57 Traceroute và ICMP ðiều kiện kết thúc
Gĩi tin đến được đích
ðích trả về gĩi tin ICMP “host unreachable” (type 3, code 3)
Khi nguồn nhận được gĩi tin ICMP này sẽ dừng lại
Mỗi gĩi tin lặp lại 3 lần 3 probes 3 probes 3 probes 58 Traceroute: Ví dụ C:\Documents and Settings\hongson>tracert www.jaist.ac.jp Tracing route to www.jaist.ac.jp [150.65.5.208] over a maximum of 30 hops: 1 1 ms <1 ms <1 ms 192.168.1.1 2 15 ms 14 ms 13 ms 210.245.0.42 3 13 ms 13 ms 13 ms 210.245.0.97 4 14 ms 13 ms 14 ms 210.245.1.1 5 207 ms 230 ms 94 ms pos8-2.br01.hkg04.pccwbtn.net [63.218.115.45] 6 * 403 ms 393 ms 0.so-0-1-0.XT1.SCL2.ALTER.NET [152.63.57.50] 7 338 ms 393 ms 370 ms 0.so-7-0-0.XL1.SJC1.ALTER.NET [152.63.55.106] 8 402 ms 404 ms 329 ms POS1-0.XR1.SJC1.ALTER.NET [152.63.55.113] 9 272 ms 288 ms 310 ms 193.ATM7-0.GW3.SJC1.ALTER.NET [152.63.49.29] 10 205 ms 206 ms 204 ms wide-mae-gw.customer.alter.net [157.130.206.42] 11 427 ms 403 ms 370 ms ve-13.foundry2.otemachi.wide.ad.jp [192.50.36.62] 12 395 ms 399 ms 417 ms ve-4.foundry3.nezu.wide.ad.jp [203.178.138.244] 13 355 ms 356 ms 378 ms ve-3705.cisco2.komatsu.wide.ad.jp [203.178.136.193] 14 388 ms 398 ms 414 ms c76.jaist.ac.jp [203.178.138.174] 15 438 ms 377 ms 435 ms www.jaist.ac.jp [150.65.5.208] Trace complete. 59 Tổng kết
Giao thức IP
ðịa chỉ và khuơn dạng gĩi tin
Mạng con, mặt nạ mạng
Giao thức ICMP
Khuơn dạng gĩi tin
Ping, Traceroute 60 Tuần tới: tiếp tục về tầng mạng
Vấn đề chọn đường
Bộ định tuyến, bảng chọn đường
Chọn đường tĩnh và chọn đường động