Định tuyến IP - Chương 1: Tổng quan về Internet

Chương 1 : Tổng quan về Internet 1 Chương 1 Tổng quan về Internet 1.1 Giới thiệu chương : Mạng Internet là mạng chuyển mạch gói được thiết kế dành cho các ứng dụng mà sự thay đổi chất lượng có thể chấp nhận được. Nhân tố quan trọng góp phần hình thành nên mạng Internet phải kể đến kỹ thuật mạng, bao gồm việc nghiên cứu cấu hình và quản lý các giao thức là điều hết sức quan trọng đối với người quản lý mạng. Giao thức là một tập hợp các quy tắc về khuôn dạng gói tin và cách thức xử lý để trao đổi thông tin một cách có hiệu quả. Để nắm bắt về định tuyến trước tiên phải nắm rõ về mạng Internet. Chương này đề cập đến một số khái niệm Internet như mô hình kết nối hệ thống mở (OSI), họ giao thức TCP/IP, ICMP, ARP, RARP và cách định địa chỉ IP (IP address). 1.2 Nguyên tắc của chuyển mạch gói : Trong chuyển mạch gói thì các thông tin truyền trên mạng Internet (thoại, văn bản, hình ảnh...) được chia thành nhiều gói nhỏ. Các gói có chứa địa chỉ đến và các số thứ tự. Các bộ định tuyến (Router) và các máy chủ (Server) trong mạng Internet sẽ chuyển các gói này tới các địa chỉ cần đến. Trong mạng Internet thì các gói được xử lý chính xác và không phân biệt nội dung các gói. Kích thước các gói tối đa là 128 byte. Thành phần của gói : Chương 1 : Tổng quan về Internet 2 Khi gói tin đến các địa chỉ cần thiết, các số thứ tự được sử dụng để sắp xếp các gói theo đúng thứ tự ban đầu khi nó được chuyển đi. 1.3 Mô hình tham chiếu OSI : 1.3.1 Giới thiệu : Mô hình tham chiếu OSI là mô hình liên kết các hệ thống mở. Hệ thống mở là hệ thống có các cơ chế thông tin đã được chuẩn hoá và không mang đặc trưng riêng của nhà sản xuất. 1.3.2 Kiến trúc OSI : 1.3.2.1 Nguyên tắc xây dựng : Để xây dựng mô hình OSI, ISO cũng dựa trên kiến trúc phân tầng được trình bày ở trên dựa trên các nguyên tắc sau : • Để đơn giản cần hạn chế số lượng các tầng. • Chia ranh giới giữa các tầng sao cho các chức năng khác nhau được tách biệt nhau, và các tầng sử dụng các công nghệ khác nhau cũng khác biệt nhau. • Các chức năng giống nhau được đặt vào cùng một tầng. • Chọn ranh giới giữa các tầng theo kinh nghiệm đã được chứng tỏ là thành công. • Các chức năng được định vị sao cho có thể nâng cấp, thiết kế tại từng tầng mà ảnh hưởng ít nhất đến tầng sát nó. • Tạo ranh giới giữa các tầng sao cho có thể chuẩn hoá các giao diện tương ứng. • Tạo các tầng sao cho dữ liệu được xử lý một cách khác biệt. Cờ Điều khiển Thông tin Cờ Kiểm tra Hình 1.1 : Cấu trúc đơn giản của gói tin. Chương 1 : Tổng quan về Internet 3 • Mỗi tầng chỉ giao diện với tầng trên và dưới nó. 1.3.2.2 Kiến trúc và chức năng các tầng trong OSI : Dựa vào các nguyên tắc trên, mô hình OSI được chia làm 7 tầng, mỗi tầng chỉ thực hiện một chức năng là nhận dữ liệu từ tầng bên trên để chuyển giao xuống cho tầng bên dưới và ngược lại. Khi đi đến một tầng mới gói tin sẽ được đóng thêm một phần đầu đề khác và được xem như là gói tin của tầng mới, công việc trên sẽ tiếp diễn cho tới khi gói tin được truyền lên đường dây mạng để đến bên nhận. 1.3.2.2.1 Tầng vật lý (Physical) : Chức năng chính là truyền tải chuỗi bit từ đầu cuối này đến đầu cuối khác. Các thuật ngữ liên quan như đặc tính điện, tốc độ, môi trường truyền dẫn, mode truyền tải, chuẩn kết nối….. 1.3.2.2.2 Tầng liên kết dữ liệu (Data link) : Chức năng chính là cung cấp khả năng truyền dữ liệu tin cậy qua môi trường truyền dẫn. Các thuật ngữ liên quan như đơn vị dữ liệu “khung”, địa chỉ MAC, điều khiển lỗi, điều khiển luồng…… Hình 1.2 : Mô hình 7 lớp OSI. Chương 1 : Tổng quan về Internet 4 1.3.2.2.3 Tầng mạng (Network) : Cung cấp một kết nối và khả năng chọn đường giữa các host trong môi trường liên mạng. Các thuật ngữ liên quan bao gồm gói tin, tuyến, bảng định tuyến, giao thức định tuyến, địa chỉ IP….. 1.3.2.2.4 Tầng giao vận (Transport) : Cung cấp chức năng tạo, giám sát, giải phóng một kết nối ảo khả dụng từ đầu cuối đến đầu cuối, phân bổ các phân mảnh đến các ứng dụng. Các thuật ngữ liên quan như phân mảnh và tái hợp luồng dữ liệu, giám sát lỗi, khôi phục lỗi…. 1.3.2.2.5 Tầng phiên (Session) : Thực hiện chức năng thiết lập, quản lý, giải phóng phiên thông tin giữa hai host, đồng bộ hóa việc hội thoại của quá trình trình diễn và quản lý việc trao đổi thông tin. Các thuật ngữ liên quan như điều khển hội thoại, điểm đồng bộ…… 1.3.2.2.6 Tầng trình diễn (Presentation) : Cung cấp khả năng mã hóa thông tin của lớp ứng dụng để sao cho thông tin này hoàn toàn có thể đọc được tại đầu còn lại. Các thuật ngữ liên quan như khuôn dạng dữ liệu, chuyển đổi dữ liệu, nén dữ liệu, mã hóa dữ liệu….. 1.3.2.2.7 Tầng ứng dụng (Application) : Cung cấp ứng dụng trực tiếp cho người ứng dụng sử dụng dịch vụ mạng. Các thuật ngữ liên quan như truyền file, thư điện tử….. Chương 1 : Tổng quan về Internet 5 1.4 Họ giao thức TCP/IP : 1.4.1 Giới thiệu : TCP/IP thực chất là một họ giao thức cùng làm việc với nhau để cung cấp phương tiện truyền thông liên mạng, hay nói cách khác TCP/IP là một phần mềm được sử dụng trên Internet để truyền thông tin từ máy này sang máy khác và từ mạng này sang mạng khác. 1.4.2 Kiến trúc và chức năng các tầng trong TCP/IP : TCP/IP gồm 4 tầng như sau : 1.4.2.1 Tầng ứng dụng : Là phần giao tiếp với người dùng để cung cấp các dịch vụ trên mạng. Lớp ứng dụng cho phép việc truy xuất các dịch vụ hiện diện trên toàn mạng TCP/IP. 1.4.2.2 Tầng truyền tải (Transport) : Nhiệm vụ chính của tầng truyền tải là cung cấp đường thông tin giữa các trình ứng dụng. Tầng truyền tải phân chia dòng dữ liệu cần truyền đi thành các đơn vị dữ liệu nhỏ hơn (gói dữ liệu) và chuyển chúng cùng với địa chỉ đích đến tầng thấp hơn để thực hiện quá trình phân phối dữ liệu trong mạng. Hình 1.3 : Cấu trúc các tầng trong TCP/IP. Chương 1 : Tổng quan về Internet 6 1.4.2.3 Tầng Internet (Internet Layer) : Xử lý các tiến trình thông tin giữa các mạng khác nhau. Tầng Internet sẽ thực hiện các chức năng thiết lập đường đi giữa các mạng cũng như thực hiện việc phân phối các gói dữ liệu trên mạng. 1.4.2.4 Tầng giao tiếp mạng (Network Interface Layer) : Là tầng giao tiếp giữa các cấu trúc luận lý bên trên với các kết nối vật lý bên dưới, tầng giao tiếp mạng có nhiệm vụ tiếp nhận các gói dữ liệu từ lớp Internet. 1.5 Sự tương quan giữa OSI và họ giao thức TCP/IP : 1.6 Một số giao thức trong IP : 1.6.1 Giao thức TCP (Transmission Control Protocol) : 1.6.1.1 Giới thiệu : TCP là một giao thức điều khiển có liên kết (connection - oriented), nghĩa là cần phải thiết lập liên kết (logic) giữa một cặp thực thể TCP trước khi chúng trao đổi dữ Ứng dụng Trình bày Phiên SNMP TFTP DNS BOOTP FTP TELNET SMTP POP Ứng dụng Vận chuyển UDP TCP Vận chuyển Mạng IP-ICMP-RAP-RARP Mạng Liên kết dữ liệu Thiết bị giao diện mạng Vật lý Phương tiện truyền dẫn Giao diện mạng Mô hình OSI Các giao thức Mô hình TCP/IP Hình 1.4 : So sánh mô hình OSI và TCP/IP. Chương 1 : Tổng quan về Internet 7 liệu với nhau. TCP cung cấp dịch vụ tầng truyền dẫn có độ tin cậy cao, TCP bao gồm điều khiển luồng và phát hiện lỗi. Tốc độ gói có thể tăng hay giảm phụ thuộc mức tải của mạng. 1.6.1.2 Khuôn dạng của một TCP segment : Bít 0-3 Bít 4-7 Bít 8-11 Bít 12-15 Bít 16-19 Bít 20-23 Bít 27-27 Bít 28-31 Cổng nguồn Cổng đích Số trình tự Số xác nhận THL Dự phòng Cờ Kích thước cửa sổ Mã kiểm tra lỗi Con trỏ khẩn 1.6.1.3 Thủ tục kết nối TCP : Đầu tiên một host khởi động cầu nối bằng cách gởi một gói chỉ ra số tuần tự khởi động x của nó, với một bit nào đó trong phần header được đặt ở trạng thái chỉ ra yêu cầu kết nối. Bước 2, host khác nhận gói này ghi lại số tuần tự x, phúc đáp bằng một báo nhận x+1, và bao hàm cả chỉ số tuần tự khởi động y riêng của nó. Chỉ số báo nhận x+1 Hình 1.5 : Khuôn dạng của một TCP segment Hinh 1.6 : Thủ tục thiết lập tuyến. Chương 1 : Tổng quan về Internet 8 có nghĩa là nó đã nhận tất cả các gói có số tuần tự x đến và đang mong nhận gói có số tuần tự x+1. 1.6.2 Giao thức UDP (User Data Protocol) : 1.6.2.1 Giới thiệu : UDP là một giao thức phi kết nối (connectionless protocol) đảm bảo truyền thông end-to-end của dữ liệu.UDP không có chức năng thiết lập và giải phóng kết nối, không cung cấp cơ chế báo nhận, không sắp xếp tuần tự các đơn vị dữ liệu đến và có thể dẫn đến tình trạng dữ liệu mất hoặc trùng dữ liệu mà không có thông báo cho người gởi. 1.6.2.2 Khuôn dạng của một UDP datagram : 1.6.3 Giao thức IP : 1.6.3.1 Giới thiệu : IP là một giao thức liên lạc không kết nối (connectionless), có nghĩa là nó không cần có giai đoạn thiết lập và hủy bỏ kết nối, nó nhận dữ liệu từ tầng cao hơn, sau đó gắn thêm một header rồi chuyển xuống tầng thấp hơn. Dịch vụ quan trọng nhất của IP là gởi các gói tin đến đích một cách chính xác. Source port Destination port Message length Checksum DATA 0 15 16 31 Hình 1.7: Khuôn dạng của UDP datagram. Chương 1 : Tổng quan về Internet 9 1.6.3.2 Mào đầu của gói IP : 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 Version IHL TOS Total length Identification Flags Fragment offset TTL Protocol Header checksum Source IP address Destination IP address Options and padding : : : 1.6.4 Giao thức ARP (Address Resolution Protocol) : Giao thức ARP được dùng để phân giải các địa chỉ mạng. Trước khi gởi một IP datagram, IP cần có địa chỉ phần cứng (còn gọi là địa MAC) của trạm đích. ARP được dùng để lấy địa chỉ phần cứng của đích khi đã biết địa chỉ IP đích. 1.6.5 Giao thức RARP (Reverse Address Resolution Protocol) : RARP là giao thức phân giải địa chỉ ngược, chuyển đổi địa chỉ MAC thành địa chỉ IP, RARP được sử dụng để xác định địa chỉ IP khi máy khởi động. Hình 1.8 : Tiêu đề của IP v.4 Hình 1.9 : Giao thức chuyển đổi địa chỉ RAP. Chương 1 : Tổng quan về Internet 10 1.6.6 Giao thức ICMP (Internet Control Message Protocol) : ICMP là giao thức thông báo điều khiển Internet được sử dụng để gởi cho nơi phát các thông báo liên quan đến gói tin. ICMP được sử dụng để thông báo lỗi, không có chức năng sửa lỗi.Nếu gói tin IP được phân chia thành các gói nhỏ hơn thì khi xảy ra lỗi, ICMP chỉ thông báo lỗi của phân đoạn đầu tiên. ICMP không thông báo với các gói tin không có các địa chỉ IP nguồn, các gói tin có địa chỉ IP đích được phát đồng loạt (multicast) hay địa chỉ quảng bá (broadcast). 1.7 Địa chỉ IP : 1.7.1 Giới thiệu : Mỗi trạm trong mạng đều được đặc trưng bởi một số hiệu nhất định gọi là địa chỉ IP (Internet Address). Loại (Type) Mã (Code) Tổng kiểm tra (Checksum) Dữ liệu (Data) Tiêu đề ICMP 0 8 16 IP header ICMP header Data IP datagram Xác định loại bản tin Cho biết mã lỗi tuỳ thuộc vào loại bản tin Mã kiểm tra cho toàn bộ bản tin ICMP Chứa thông tin cụ thể đối với mỗi loại bản tin ICMP Hình 1.10 : Định dạng bản tin ICMP. Chương 1 : Tổng quan về Internet 11 Local Address(16 bits) Network(14 bits)10 Network(7 bits)0 Local Address(24 bits) 110 Local Address(8 bits) Multicast Address(8 bits)1110 Reserved1111 Lớp A Lớp B Lớp C Lớp D Lớp E 0 8 16 24 31 Hình 1.11 : Phân lớp trong địa chỉ IP. Network(21 bits) Đó là dãy số nhị phân 32 bit (với IP v.4)) được thực thi trong phần mềm dùng để định danh duy nhất và toàn cục một host hoặc một router trên mạng. Địa chỉ IP là duy nhất theo nghĩa mỗi địa chỉ định danh một và chỉ một thiết bị (host hoặc router) trên liên mạng. Hai thiết bị trên Internet không bao giờ có cùng địa chỉ IP. Tuy nhiên một thiết bị có thể có nhiều địa chỉ IP nếu chúng được kết nối tới nhiều mạng vật lý. 1.7.2 Phân lớp trong địa chỉ IP : Địa chỉ IP được chia làm 5 lớp A,B,C,D,E, cấu trúc các lớp khác nhau : • Lớp A : Cho phép định danh tới 126 mạng với 16 triệu host trên mỗi trạm. Lớp này dành cho các mạng với số trạm cực lớn. • Lớp B : Cho phép định danh tới 16384 mạng với tối đa 65534 host trên mỗi mạng. Trong địa chỉ lớp B, hai byte dùng để định nghĩa địa chỉ mạng và hai byte sau dùng để định nghĩa địa chỉ trạm. Lớp này dùng cho các công ty cỡ vừa, những công ty có số lượng máy tính tương đối lớn. • Lớp C : Cho phép định danh khoảng 2 triệu mạng với tối đa 254 host trên mỗi mạng. Lớp này dùng cho các mạng có ít trạm. Chương 1 : Tổng quan về Internet 12 • Lớp D : Được dùng để gởi các IP datagram tới một nhóm các host trong liên mạng. Lớp D được định nghĩa cho truyền đa hướng, trong lớp này không có địa chỉ mạng và địa chỉ trạm. • Lớp E : Được dùng dự phòng cho các mục đích đặc biệt. 1.8 Kết luận chương : Đứng trước tốc độ tăng trưởng lưu lượng và những hạn chế từ thiết kế của mạng Internet trong quá khứ, theo dự báo của các chuyên gia không gian địa chỉ Internet sẽ bị cạn kiệt vào khoảng năm 2005 và 2015. Các bảng định tuyến không có khả năng quản lý và duy trì thông tin theo yêu cầu cho tất cả các mạng. Biện pháp giải quyết đó là phát triển giao thức mới thay thế IPv.4 bằng IPv.6, thay vì không gian địa chỉ 32 bits tăng lên 124 bits. Hàng loạt đổi mới được xây dựng trong IPv.6 như bỏ đi một số trường trong mào đầu gói tin nhằm tiết kiệm băng thông, thay thế các trường checksum và độ dài bằng các trường mới để đảm bảo QoS tốt hơn.