MẠNG MÁY TÍNH
Tổng quan về mạng máy tính
1.1.1 Khái niệm mạng máy tính
Mạng máy tính là hệ thống bao gồm nhiều máy tính và thiết bị đầu cuối được kết nối qua các đường truyền hữu tuyến hoặc vô tuyến, cho phép trao đổi thông tin và chia sẻ tài nguyên như phần cứng, phần mềm và dữ liệu.
1.1.2 Tác dụng của mạng máy tính
Tài nguyên chung trong mạng bao gồm thiết bị, chương trình và dữ liệu, cho phép mọi thành viên dễ dàng tiếp cận mà không cần biết vị trí cụ thể của chúng.
Tăng cường độ tin cậy cho hệ thống là điều cần thiết, giúp dễ dàng bảo trì máy móc và lưu trữ dữ liệu hiệu quả Khi xảy ra sự cố, việc khôi phục dữ liệu diễn ra nhanh chóng, đảm bảo tính liên tục trong công việc Ngoài ra, nếu một trạm làm việc gặp trục trặc, người dùng có thể dễ dàng chuyển sang sử dụng các trạm khác để duy trì hoạt động.
Nâng cao chất lượng và hiệu quả khai thác thông tin là rất quan trọng, vì khi thông tin được sử dụng chung, người dùng có thể tổ chức lại công việc một cách hiệu quả hơn Điều này đáp ứng nhu cầu của hệ thống ứng dụng kinh doanh hiện đại, cung cấp sự thống nhất giữa các dữ liệu và tăng cường năng lực xử lý thông qua việc kết hợp các bộ phận phân tán Hơn nữa, việc này cũng giúp tăng cường truy cập tới các dịch vụ mạng khác nhau đang được cung cấp trên toàn cầu.
Phân loại mạng máy tính
1.2.1 Phân loại theo khoảng cách địa lý
* Mạng cục bộ LAN (Local Area Network)
Mạng LAN là loại mạng cơ bản nhất trong lĩnh vực công nghệ thông tin, cho phép nhiều máy tính kết nối với nhau trong một không gian hạn chế như tòa nhà, trường học hoặc cơ quan, với khoảng cách giữa các thiết bị tối đa chỉ vài chục km.
Mạng Lan có đặc điểm:
- Toàn bộ mạng đƣợc đặt tại một vị trí duy nhất
- Tốc độ truyền dữ liệu lớn: 100Mb/s
Kết nối được thực hiện qua các môi trường truyền thông tốc độ cao, ví dụ nhƣ cáp đồng trục hay cáp quang
* Mạng đô thị MAN (Metropolitan Area Network)
MAN là mạng đƣợc cài đặt trong phạm vi một đô thị hoặc một trung tâm kinh tế - xã hội có bán kính khoảng 100 km trở lại
MAM là giải pháp tối ưu cho mạng LAN với hàng ngàn người dùng, không giới hạn ở một địa điểm mà kết nối nhiều trụ sở gần nhau MAN sử dụng đường truyền thuê bao tốc độ cao qua mạng điện thoại hoặc các phương tiện khác, cho phép truy cập tài nguyên mạng từ nhiều vị trí địa lý khác nhau.
* Mạng diện rộng WAN (Wide Area Network)
WAN, hay mạng diện rộng, là hệ thống kết nối máy tính trong nội bộ của một quốc gia hoặc giữa các quốc gia trong cùng một châu lục Kết nối này thường được thực hiện thông qua các công nghệ mạng tiên tiến, cho phép truyền tải dữ liệu và thông tin một cách hiệu quả trên khoảng cách lớn.
* Mạng GAN (Global Area Network)
Mạng toàn cầu, kết nối máy tính từ các châu lục khác nhau Thông thường kết nối này đƣợc thực hiện thông qua mạng viễn thông và vệ tinh
1.2.2 Phân loại theo kỹ thuật chuyển mạch
* Mạng chuyển mạch kênh (Cicuit – switched Network)
Trong mạng, khi hai thực thể cần trao đổi thông tin, một kênh cố định sẽ được thiết lập và duy trì cho đến khi một bên ngắt liên lạc Dữ liệu chỉ được truyền qua kênh này.
Phương pháp chuyển mạch kênh có hai nhược điểm chính:
- Tiêu tốn thời gian để thiết lập kênh cố định
Hiệu suất sử dụng đường truyền kém do kênh thường bị bỏ không khi hai bên đã hết thông tin cần truyền, trong khi các thực thể khác không được phép sử dụng kênh này.
* Mạng chuyển mạch thông báo (Message – swithed Network)
Thông báo là đơn vị thông tin được người sử dụng quy định với khuôn dạng cụ thể Mỗi thông báo chứa vùng thông tin điều khiển, chỉ định đích đến của nó Sau khi được lưu trữ tạm thời, các nút trung gian sẽ chuyển tiếp thông báo, đọc thông tin điều khiển để xác định đường dẫn và đích đến Tùy thuộc vào điều kiện mạng, các thông báo có thể được gửi qua những con đường khác nhau.
Phương pháp chuyển mạch thông báo có một số ưu điểm hơn so với phương pháp chuyển mạch kênh:
- Hiệu suất sử dụng đường truyền cao do được phân chia giữa nhiều thực thể
- Mỗi nút mạng có thể lưu trữ thông báo đến khi đường truyền rỗi mới gửi thông báo đi, do đó giảm đƣợc tình trạng tắc nghẽn mạng
- Có thể điều khiển đƣợc việc truyền tin bằng cách sắp xếp thứ tự ƣu tiên cho thông báo…
Phương pháp này có nhược điểm là kích thước lớn của thông báo có thể làm giảm thời gian và chất lượng truyền tin, do bị ảnh hưởng bởi độ trễ trong việc lưu trữ và xử lý thông tin tại mỗi nút.
* Mạng chuyển mạch gói (Packet – switched Network)
Trong mạng, dữ liệu được chia thành các gói tin (packet) có cấu trúc định sẵn Mỗi gói tin chứa thông tin điều khiển, bao gồm địa chỉ nguồn và địa chỉ đích, giúp xác định vị trí gửi và nhận dữ liệu.
Phương pháp chuyển mạch gói là một cải tiến so với phương pháp chuyển mạch thông báo, vì nó giới hạn kích thước gói tin để các nút có thể xử lý trực tiếp trong bộ nhớ mà không cần lưu trữ tạm thời trên đĩa Điều này giúp tăng tốc độ truyền tải thông tin qua mạng, từ đó nâng cao hiệu suất truyền tin của hệ thống mạng.
Vấn đề lớn nhất của mạng là việc tập hợp các gói tin để khôi phục thông tin gốc của người sử dụng, đặc biệt khi các gói tin được gửi qua nhiều đường khác nhau Để giải quyết vấn đề này, cần cài đặt cơ chế đánh dấu gói tin và phục hồi các gói tin bị lỗi hoặc mất trong quá trình truyền.
Topo mạng máy tính
Topo mạng là phương pháp kết nối các máy tính, bao gồm việc sắp xếp các thành phần mạng theo một cấu trúc hình học nhất định và cách thức kết nối chúng.
Mạng máy tính chủ yếu được chia thành hai loại: điểm - điểm (point to point) và điểm - đa điểm (point to multipoint), hay còn gọi là mạng quảng bá (broadcast) Đối với mạng cục bộ, có ba cấu hình chính thường gặp: bus (đường trục), star (hình sao) và ring (vòng).
Cấu hình mạng ảnh hưởng đến khả năng của mạng Chọn cấu hình có thể tác động đến:
- Loại thiết bị mạng cần
- Các khả năng của thiết bị
- Sự phát triển của mạng
- Cách thức quản lý mạng
Cấu hình Bus là dạng mạng đơn giản và phổ biến nhất, trong đó các máy tính được kết nối theo một đường thẳng với cáp chính Mỗi máy trạm sử dụng đầu nối chữ T hoặc bộ thu phát để kết nối vào Bus Khi một máy trạm gửi dữ liệu, tín hiệu sẽ được phát ra theo cả hai chiều của Bus Để tránh tín hiệu phản hồi trong cáp, cần có một bộ kết thúc (Terminator) ở mỗi đầu của cáp.
Máy tính trong mạng Bus giao tiếp bằng cách truyền dữ liệu đến một máy tính cụ thể và đưa thông tin đó lên cáp dưới dạng tín hiệu điện tử.
Dữ liệu mạng được truyền dưới dạng tín hiệu điện tử đến tất cả các máy tính trong mạng, nhưng chỉ những máy tính có địa chỉ khớp với mã hóa trong tín hiệu gốc mới chấp nhận thông tin Mỗi lần chỉ có một máy tính có thể gửi thông điệp, dẫn đến hiệu suất mạng bị ảnh hưởng bởi số lượng máy tính kết nối vào đường cáp chính Khi số lượng máy tính trên bus tăng lên, số lượng máy tính chờ gửi dữ liệu cũng tăng theo, làm giảm hiệu suất hoạt động của mạng.
Bus là một cấu hình mạng thụ động, trong đó các máy tính chỉ lắng nghe dữ liệu đang được truyền tải mà không tham gia vào việc chuyển tiếp dữ liệu giữa các máy tính Nếu một máy tính gặp sự cố, nó sẽ không ảnh hưởng đến quá trình truyền dữ liệu của các máy tính khác trên mạng.
Dội tín hiệu xảy ra khi dữ liệu được gửi qua toàn mạng, di chuyển từ đầu này đến đầu kia của cáp Nếu tín hiệu không bị chặn lại tại địa chỉ đích, nó sẽ dội qua lại trong dây cáp, gây cản trở cho các máy tính khác trong việc gửi tín hiệu Để khắc phục tình trạng này, mỗi đầu cáp hở cần được lắp đặt một Terminator để hấp thụ các tín hiệu tự do, giúp thông cáp và cho phép các máy tính khác gửi tín hiệu một cách hiệu quả.
Khi cáp mạng bị đứt hoặc một đầu cáp không còn kết nối, tín hiệu sẽ không được truyền đến terminator, dẫn đến việc toàn bộ mạng ngừng hoạt động Dù các máy tính trên mạng vẫn có thể hoạt động độc lập, chúng sẽ không thể giao tiếp với nhau.
Trong cấu hình mạng Star, tất cả các máy tính được kết nối với một thiết bị trung tâm gọi là HUB hoặc SWITCH Tín hiệu từ máy tính gửi được truyền qua thiết bị này đến tất cả các máy tính trong mạng Mạng Star mang lại lợi ích về tài nguyên và quản lý tập trung, nhưng nếu thiết bị trung tâm gặp sự cố, toàn bộ mạng sẽ ngừng hoạt động.
Hub là thiết bị dùng để tập trung lưu lượng thông tin trên mạng cục bộ thông qua một điểm kết nối duy nhất Nếu có sự cố đứt cáp trên mạng sử dụng Hub, chỉ khu vực bị đứt sẽ bị ảnh hưởng, trong khi phần còn lại của mạng vẫn hoạt động bình thường.
Do mỗi máy tính đƣợc nối với thiết bị trung tâm nên cấu hình này cần rất nhiều cáp Song cũng có thể dễ dàng mở rộng mạng
Mạng Ring kết nối các máy tính theo hình vòng tròn, không có điểm hở, với tín hiệu truyền đi theo một chiều theo chiều kim đồng hồ Khác với mạng Bus thụ động, mỗi máy tính trong mạng Ring hoạt động như một bộ chuyển tiếp, khuếch đại tín hiệu và chuyển tiếp đến máy tính tiếp theo Tuy nhiên, sự cố ở một máy tính sẽ ảnh hưởng đến toàn bộ mạng do tín hiệu phải đi qua từng máy.
Các phương pháp truy nhập đường truyền vật lý
1.4.1 CSMA/CD –phương pháp đa truy nhập sử dụng sóng mang có phát hiện xung đột
Phương pháp truy cập ngẫu nhiên cho topo dạng Bus là sự cải tiến của phương pháp CSMA (Carrier Sense Multiple Access), còn được gọi là LBT (Listen Before Talk) Nguyên tắc của phương pháp này là trước khi một trạm truyền dữ liệu, nó phải lắng nghe để xác định xem đường truyền có rỗi hay không Nếu đường truyền rỗi, trạm sẽ tiến hành truyền dữ liệu theo khuôn dạng chuẩn Ngược lại, nếu đường truyền đang bận do một trạm khác đang truyền dữ liệu, trạm đó sẽ phải thực hiện theo một trong ba giải thuật đã được xác định.
(1) Trạm tạm rút lui, chờ một khoảng thời gian ngẫu nhiên nào đó rồi bắt đầu nghe đường truyền
(2) Trạm tiếp tục nghe đến khi đường truyền rỗi thì truyền dữ liệu đi với xác suất bằng 1
(3) Trạm tiếp tục nghe đến khi đường truyền rỗi thì truyền dữ liệu đi với xác suất bằng p
Một nhược điểm của giải thuật này là các trạm chỉ có khả năng nghe trước khi phát tín hiệu, dẫn đến việc không phát hiện được xung đột trong quá trình truyền dữ liệu Điều này khiến cho các trạm tiếp tục gửi dữ liệu mà không hay biết về sự xung đột, gây lãng phí băng thông Để khắc phục vấn đề này, quy tắc CSMA/CD hoặc LWT (Listen While Talk - Nghe trong khi nói) đã được bổ sung nhằm phát hiện xung đột hiệu quả hơn.
Khi một trạm đang truyền dữ liệu, nó vẫn lắng nghe đường truyền để phát hiện xung đột Nếu có xung đột xảy ra, trạm lập tức ngừng truyền nhưng vẫn phát tín hiệu sóng thêm một thời gian để đảm bảo tất cả các trạm trên mạng nhận biết sự cố Sau đó, trạm sẽ chờ một khoảng thời gian ngẫu nhiên trước khi thử truyền lại theo quy tắc của CSMA.
Phương pháp này dựa trên nguyên lý cấp phát quyền truy cập đường truyền cho các trạm cần truyền dữ liệu thông qua một thẻ bài lưu chuyển trên vòng logic Khi một trạm nhận thẻ bài, nó có quyền sử dụng đường truyền trong một khoảng thời gian nhất định để truyền một hoặc nhiều đơn vị dữ liệu Sau khi hết dữ liệu hoặc thời gian cho phép, trạm phải chuyển thẻ bài cho trạm tiếp theo trong vòng logic Việc đầu tiên là thiết lập vòng logic với các trạm có nhu cầu truyền dữ liệu theo một chuỗi thứ tự, trong đó trạm cuối cùng sẽ nối tiếp trạm đầu tiên Mỗi trạm biết địa chỉ của trạm kề trước và sau, và thứ tự trên vòng logic có thể khác với thứ tự vật lý Các trạm không có nhu cầu truyền dữ liệu sẽ không được đưa vào vòng logic và chỉ có thể nhận dữ liệu.
Việc thiết lập vòng logic trong chương trình không khó, nhưng duy trì nó theo trạng thái thực tế của mạng lại là một thách thức lớn Để thực hiện điều này, cần đảm bảo các chức năng cụ thể được thực hiện một cách hiệu quả.
Cần xem xét định kỳ các trạm nằm ngoài vòng logic để bổ sung vào vòng logic khi có nhu cầu truyền dữ liệu.
Khi một trạm không còn nhu cầu truyền dữ liệu, việc loại bỏ nó khỏi vòng logic là cần thiết để tối ưu hóa việc điều khiển truy cập bằng thẻ bài.
Quản lý lỗi là một yếu tố quan trọng trong hệ thống, nơi có thể xảy ra một số lỗi như trùng địa chỉ, khi hai trạm cùng nghĩ đến lượt của mình, hoặc đứt vòng, khi không có trạm nào nghĩ đến lượt của mình.
- Khởi tạo vòng logic: khi cài đặt mạng hoặc sau khi đứt vòng cần phải khởi tạo vòng logic
Phương pháp này sử dụng thẻ bài để cấp phát quyền truy cập đường truyền, nhưng khác với phương pháp token bus, thẻ bài được lưu chuyển theo vòng vật lý mà không cần thiết lập vòng logic.
Thẻ bài là một đơn vị dữ liệu đặc biệt với một bit biểu diễn trạng thái sử dụng (bận/rỗi) Khi một trạm muốn truyền dữ liệu, nó phải chờ đến khi nhận thẻ bài rỗi, sau đó đổi bit trạng thái thành bận và gửi dữ liệu cùng thẻ bài Khi thẻ bài không còn rỗi, các trạm khác phải chờ để truyền dữ liệu Dữ liệu đến trạm đích sẽ được sao lại và tiếp tục theo vòng cho đến khi quay về trạm nguồn, nơi dữ liệu sẽ được xóa và thẻ bài được đổi thành rỗi để các trạm khác có thể sử dụng Quá trình quay về trạm nguồn cũng tạo ra cơ chế báo nhận (ACK), cho phép trạm đích gửi thông báo về kết quả tiếp nhận dữ liệu.
Trong phương pháp này cần giải quyết 2 vấn đề có thể dẫn đến phá vỡ hệ thống:
- Việc mất thẻ bài làm cho trên vòng không còn thẻ bài để chuyển nữa
- Thẻ bài bận lưu chuyển không ngừng trên vòng.
Kiến trúc và giao thức mạng máy tính
Khi mạng máy tính ra đời, các nhà thiết kế tự do chọn kiến trúc mạng riêng, dẫn đến tình trạng không tương thích giữa các mạng do phương pháp truy cập và giao thức khác nhau Sự gia tăng nhu cầu trao đổi thông tin đã khiến điều này trở thành một trở ngại không thể chấp nhận Để khắc phục, các nhà sản xuất và nhà nghiên cứu đã hợp tác thông qua các tổ chức chuẩn hóa quốc tế để xây dựng khung chuẩn về kiến trúc mạng, làm cơ sở cho việc thiết kế và chế tạo sản phẩm mạng.
In 1977, the International Organization for Standardization (ISO) established a subcommittee to develop a framework for standardization By 1984, ISO successfully created a reference model for connecting open systems.
Open Systems Interconnection – OSI Reference model)
Mô hình OSI chia mạng thành 7 tầng (layer)
Nhóm tầng thấp trong mô hình mạng, bao gồm tầng vật lý, liên kết dữ liệu, mạng và vận chuyển, có vai trò quan trọng trong việc truyền dữ liệu qua mạng Những tầng này chịu trách nhiệm cho việc đóng gói, dẫn đường, kiểm tra và truyền từng nhóm dữ liệu mà không quan tâm đến loại dữ liệu từ tầng trên Chức năng chính của các tầng này là đảm bảo dữ liệu được gửi đi một cách hiệu quả và chính xác.
Nhóm tầng cao bao gồm session, presentation và application, chủ yếu tập trung vào việc đáp ứng nhu cầu của người sử dụng trong việc triển khai ứng dụng trên mạng Các ứng dụng này được hỗ trợ thông qua các phương tiện truyền thông từ các nhóm tầng thấp.
Hệ thống kết nối mở OSI cho phép truyền thông tin giữa các hệ thống và mạng khác nhau, sử dụng nhiều giao thức khác nhau Nó có khả năng thông báo và chuyển đổi giữa các giao thức thông qua các chương trình, đảm bảo sự giao tiếp hiệu quả trong môi trường mạng đa dạng.
* Chức năng của các tầng trong mô hình OSI
Tầng vật lý đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp các phương tiện truyền tin và quy trình khởi động, duy trì, cũng như huỷ bỏ các liên kết vật lý Nó chịu trách nhiệm chuyển tải các bit thông tin qua các kênh truyền thông, đồng thời quy định các chuẩn giao diện cơ, điện và thủ tục liên quan đến môi trường vật lý.
Tầng liên kết dữ liệu đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải thông tin qua các liên kết vật lý, đảm bảo tính tin cậy của dữ liệu thông qua các cơ chế đồng bộ hóa, kiểm soát lỗi và quản lý luồng dữ liệu hiệu quả.
Tầng liên kết có nhiệm vụ chuyển đổi các gói tin ở mức mạng thành khung tin (frame) và gửi chúng xuống tầng vật lý Đồng thời, tầng này cũng xử lý các thông báo từ trạm thu Khung tin bao gồm các trường như địa chỉ, kiểm tra, dữ liệu và kiểm tra lỗi.
Nhiệm vụ chính của tầng 2 là khởi tạo và tổ chức các frame và xử ký các thông tin liên quan tới frame
Tầng mạng có vai trò quan trọng trong việc gán địa chỉ và chọn đường truyền cho các gói dữ liệu Nó cung cấp dịch vụ định tuyến, giúp xác định tuyến đi của dữ liệu từ nguồn đến đích dựa trên các điều kiện mạng, độ ưu tiên dịch vụ và các yếu tố khác.
Tầng giao vận đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ tin cậy và toàn vẹn dữ liệu khi truyền từ nơi gửi đến nơi nhận, thông qua cơ chế kiểm tra lỗi từ các tầng bên dưới Ngoài ra, tầng giao vận còn chịu trách nhiệm tạo ra nhiều kết nối cụ bộ trên một kết nối mạng, thực hiện ghép kênh (multiplexing), phân chia thời gian xử lý (time sharing) và cắt hợp dữ liệu.
Tầng phiên đảm nhiệm việc thiết lập, duy trì, đồng bộ hóa và hủy bỏ các phiên làm việc, với yêu cầu liên kết được thiết lập thông qua các cuộc đối thoại và trao đổi các thông số điều khiển.
Dùng tầng giao vận đển cung cấp các dịch vụ nâng cao cho phiên làm việc nhƣ: kiểm soát các cuộc hội thoại, quản lý thẻ bài (token)
Tầng trình diễn đảm bảo rằng các hệ thống cuối có thể giao tiếp hiệu quả, bất chấp việc chúng sử dụng các biểu diễn dữ liệu khác nhau.
- Tầng ứng dụng: là tầng cao nhất trong mô hình OSI, là ranh giới giứ môi trường kết nối các hệ thống mở và các tiến trình ứng dụng
1.5.2 Các giao thức chuẩn của OSI
Mỗi thực thể truyền thông tương tác với các thực thể ở tầng trên và dưới thông qua một giao diện, bao gồm nhiều điểm truy cập dịch vụ Thực thể ở tầng N-1 cung cấp dịch vụ cho thực thể ở tầng N bằng cách gọi các hàm dịch vụ nguyên thủy Bốn hàm nguyên thủy này được sử dụng để xác định sự tương tác giữa các tầng kề nhau.
Yêu cầu được gửi từ người sử dụng dịch vụ ở tầng N+1 trong hệ thống A nhằm kích hoạt thủ tục của giao thức ở tầng N Yêu cầu này được cấu thành từ một hoặc nhiều đơn vị dữ liệu (PDU) để truyền tới B.
Khi PDU được nhận, tầng N của B sẽ thông báo yêu cầu lên tầng N+1 thông qua hàm nguyên thủy Indication Tiếp theo, Response từ tầng N+1 của B sẽ được gửi xuống tầng N để thực hiện thủ tục giao thức, nhằm trả lời cho A.
CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRÊN MẠNG
Các khái niệm
2.1.1 Định tuyến, bảng định tuyến
Định tuyến (routing) là phương pháp xác định đường đi tối ưu cho việc vận chuyển gói tin từ nguồn đến đích trong mạng Intranet và Internet Chức năng này được thực hiện bởi các thiết bị lớp 3 (network) trong mô hình OSI, chủ yếu là bộ định tuyến Router Mỗi Router cần xây dựng một bảng định tuyến (routing table) chứa thông tin cần thiết để tìm ra con đường hiệu quả nhất đến đích.
Khi router nhận một gói tin, nó sẽ loại bỏ phần header của lớp 2 để xác định địa chỉ đích ở lớp 3 Sau khi có địa chỉ đích lớp 3, router sẽ tìm kiếm tuyến đường phù hợp trong bảng định tuyến.
Khi có tuyến đường tới đích, Router sẽ chuyển packet ra cổng tương ứng và đóng gói packet xuống lớp 2 theo loại đường truyền Sau đó, packet được truyền dưới dạng bit qua môi trường truyền dẫn cho đến khi đến đích.
- Trong trường hợp không tìm thấy đường đến mạng đích, Router sẽ huỷ packet đó và gửi một gói ICMP network unreachable về nơi đã gửi packet
Bảng định tuyến là một bảng lưu trữ thông tin về các tuyến đường đến các mạng, được lưu trong RAM của Router Nó có thể được xây dựng theo hai cách: thủ công bởi người quản trị (định tuyến tĩnh) hoặc thông qua các giao thức định tuyến (định tuyến động).
Bảng định tuyến của mỗi giao thức khác nhau là khác nhau, nhƣng có thể bao gồm những thông tin sau:
+ Địa chỉ đích của mạng, mạng con của hệ thống
+ Địa chỉ IP củauRouter chặng kế tiếp phải đến
+ Cổng đi đến Router kế tiếp
+ Mặt nạ mạng của địa chỉ đích
+ Thời gian từ khi Router cập nhật lần cuối
Metric là chỉ số mà giao thức định tuyến sử dụng để xác định con đường tối ưu nhất Mỗi giao thức định tuyến có thể áp dụng nhiều loại metric khác nhau, và chúng được kết hợp để tạo thành một metric tổng quát, đặc trưng cho liên kết Một số metric phổ biến thường được sử dụng bao gồm:
Chiều dài tuyến đường (Path Length) là một chỉ số cơ bản và phổ biến trong mạng máy tính Trong Router, chiều dài tuyến đường được xác định bằng số lượng Hop giữa nguồn và đích, trong đó mỗi Hop đại diện cho một liên kết giữa hai router.
Độ tin cậy (reliability) là khái niệm thể hiện mức độ ổn định của một liên kết, thường được đo bằng tần số bit lỗi Khái niệm này phản ánh khả năng hoạt động liên tục và đáng tin cậy của hệ thống kết nối.
Độ trễ là thời gian cần thiết để chuyển một gói dữ liệu từ nguồn đến đích, và nó chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như khoảng cách vật lý, băng thông của liên kết, cũng như sự đụng độ và tranh chấp đường truyền Do đó, độ trễ trở thành một chỉ số quan trọng trong các thuật toán định tuyến.
+ Bandwith (băng thông): là một metric quan trọng để đánh giá đường truyền Băng thông chỉ lưu lượng dữ liệu tối đa có thể truyền trên liên kết
2.1.2 Giao thức định tuyến, giao thức được định tuyến a) Giao thức định tuyến (Routing Protocol): là giao thức mà Router sử dụng để trao đổi thông tin định tuyến với các Router khác
Giao thức định tuyến được cài đặt trên các Router nhằm xây dựng bảng định tuyến, đảm bảo tính tương thích giữa các bảng Routing table và xác định các đường đi đến các mạng.
Các giao thức định tuyến đƣợc chi làm 2 loại:
+ Giao thức định tuyến nội vùng: Rip, OSPF, IGRP, EIGRP + Giao thức định tuyến ngoại vùng: BGP
Các chức năng của giao thức định tuyến:
- Học thông tin định tuyến về các mạng từ Router kế cận
- Quảng bá thông tin định tuyến về các mạng đến các Router kế cận
- Nếu có nhiều hơn một tuyến đường đến một mạng, chọn tuyến đường tốt nhất dựa vào metric
Khi sơ đồ mạng thay đổi do tuyến đường bị hỏng hoặc bổ sung mạng mới, các router sẽ phân tích tình huống, quảng bá thông tin về những thay đổi cho các router khác, và từ đó chọn con đường tốt nhất cho mỗi mạng Quá trình này được gọi là hội tụ định tuyến, và khả năng hội tụ nhanh mà không gây ra vòng lặp là yếu tố quan trọng khi lựa chọn giao thức định tuyến Giao thức định tuyến là giao thức dùng để hướng dẫn gói dữ liệu, cung cấp thông tin về địa chỉ lớp mạng để đảm bảo gói dữ liệu có thể truyền từ host này sang host khác dựa trên cấu trúc địa chỉ đó.
Các giao thức đƣợc định tuyến gồm có:
+ Internet Protocol (IP) + Internetwork Packet Exchange (IXP)
2.1.3 Khoảng cách quản lý (Administrative Distance (AD))
AD (Administrative Distance) là chỉ số đánh giá độ tin cậy của thông tin định tuyến mà Router nhận từ các Router hàng xóm Giá trị của AD là một số nguyên từ 0 đến 255, trong đó 0 thể hiện độ tin cậy cao nhất và 255 chỉ ra rằng tuyến đường này không được sử dụng để vận chuyển thông tin.
Khi một Router nhận thông tin định tuyến, nó sẽ đánh giá thông tin này và thêm tuyến hợp lệ vào bảng định tuyến Việc đánh giá thông tin định tuyến dựa vào độ tin cậy (AD), và nếu Router được cài đặt nhiều hơn một giao thức định tuyến, tuyến đường có AD nhỏ hơn sẽ được ưu tiên sử dụng.
Mỗi giao thức định tuyến có một giá trị AD tương ứng:
+ Kết nối trực tiếp: 0 + Tuyến đường tĩnh: 1 + Rip: 120
Phân loại giao thức định tuyến
Có 2 loại giao thức định tuyến: giao thức định tuyến véc tơ khoảng các (Distance Vector) và giao thức định tuyến trạng thái đường liên kết (Link State) Việc tìm ra tuyến đường tốt nhất đưa vào bảng định tuyến của các giao thức định tuyến được thực hiện dựa trên các thuật toán tìm đường đi ngắn nhất giữa 2 đỉnh
2.2.1 Thu ật toán tìm đường đi ngắn nhất a) Bài toán:
Cho đồ thị G : V là tập các đỉnh thuộc đồ thị; E là tập các cạnh của đồ thị Kí hiệu c(u,v) là độ dài của cạnh nối giữa 2 đỉnh u và v
Cho s, t là 2 đỉnh của đồ thị Tìm đường đi ngắn nhất từ đỉnh s đến đỉnh t b) Ý tưởng chung của các thuật toán tìm đường đi ngắn nhất
- Dò tìm bằng cách thử đi qua các đỉnh trung gian
Nếu phát hiện ra rằng đường đi qua đỉnh trung gian ngắn hơn đường đi hiện tại, hệ thống sẽ cập nhật lộ trình mới và điều chỉnh các thông số liên quan.
- Thường sử dụng 2 mảng để lưu trữ tạm thời
D(v): độ dài đường đi ngắn nhất từ s tới v T(v): lưu trữ đỉnh nằm trước v trên đường ngắn nhất từ s đến v c) Thuật toán Bellman-Ford
For all u là lân cận của v do
* Ví dụ minh họa: Cho sơ đồ mạng nhƣ sau Mỗi nút là 1 Router
Dùng thuật toán Bellman-Ford tìm đường đi từ nút u đến các nút còn lại:
Ta có bảng định tuyến của Router tại nút u sẽ nhƣ sau:
Network Nethop Cost v v 2 w x 3 x x 1 y x 2 z x 4 d) Thuật toán Dijkstra
T=V-{s}; “Tập đánh dấu các đỉnh đã chọn”
- Tìm đỉnh u T thỏa mãn D[u] nhỏ nhất;
* Ví dụ minh họa: Với sơ đồ mạng nhƣ trên
Thuật toán Dijkstra tìm đường đi từ nút u tới các nút còn lại
Ta có bảng định tuyến cho Router tại nút u:
2.2.2 Giao thức định tuyến Véc tơ khoảng cách (Distance Vector) a) Giới thiệu cơ bản về định tuyến Vector khoảng cách
Thuật ngữ Distance Vector bao gồm hai thành phần chính: Distance, nghĩa là khoảng cách (metric) đến đích, và Vector, tức là hướng đi đến đích, được xác định bởi next-hop của tuyến đường.
Với thuật toán Distance Vector, mỗi Router chỉ cần biết 2 yếu tố khi chọn đường: chọn theo hướng nào, khoảng cách tới đích là bao nhiêu
Trong ví dụ trên tất cả những gì Router R1 biết về mạng X là 3 vectơ: hướng của vectơ chỉ next hop, chiều dài vector chỉ metric
Thuật toán định tuyến Véc tơ khoảng cách được thiết kế để xác định tuyến đường tối ưu đến đích bằng cách sử dụng phương pháp tìm đường đi ngắn nhất từ một đỉnh đến tất cả các đỉnh khác trên đồ thị Bellman – Ford Giao thức này hoạt động bằng cách chia sẻ thông tin về khoảng cách và tuyến đường giữa các nút trong mạng, giúp tối ưu hóa quá trình định tuyến và đảm bảo dữ liệu được truyền tải hiệu quả nhất.
Các giao thức Distance Vector cập nhật định tuyến bằng cách gửi toàn bộ bảng định tuyến đến các Router kết nối trực tiếp Bảng định tuyến này chứa thông tin về đường đi tới mạng đích, bao gồm khoảng cách (metric) và địa chỉ của trạm kế tiếp (nexthop).
Khi tất cả các Router đã cập nhật đầy đủ thông tin về các tuyến đường đến các mạng đích, chúng ta nói rằng mạng đã hội tụ Thời gian được sử dụng trong giao thức Distance Vector đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
- Update time: khoảng thời gian gửi định kỳ thông tin định tuyến của Router tới tất cả các router hàng xóm
Thời gian không hợp lệ là khoảng thời gian cần thiết để xác định một tuyến đường không còn hợp lệ Thời gian này bắt đầu khi thời gian Holddown không nhận được bản cập nhật Sau khoảng thời gian này, hệ thống sẽ gửi thông báo đến tất cả các Router hàng xóm rằng tuyến đường đó đã không còn hợp lệ.
Thời gian holddown là giá trị quan trọng được sử dụng khi thông tin về tuyến đường thay đổi Khi nhận được thông tin mới, Router sẽ đưa tuyến đường vào trạng thái holddown, tức là không gửi hay nhận quảng bá về tuyến đường đó trong suốt thời gian này Sau khoảng thời gian holddown, Router mới bắt đầu nhận và gửi thông tin lại về tuyến đường Mục đích của giá trị này là để giảm thiểu thông tin sai mà Router có thể học được.
Flush time là khoảng thời gian từ khi tuyến đường ở trạng thái không hợp lệ cho đến khi tuyến đường bị xóa khỏi bảng định tuyến Thời gian Invalid phải nhỏ hơn Flush time để Router có thể thông báo cho Router hàng xóm về trạng thái không hợp lệ của tuyến đường Lỗi vòng lặp định tuyến cũng là một vấn đề cần lưu ý trong quá trình này.
Lỗi vòng lặp định tuyến có thể xảy ra khi bảng định tuyến trên các Router chƣa đƣợc cập nhật do quá trình hội tụ chậm
Trước khi mạng 1 gặp sự cố, tất cả các Router trong hệ thống đều có thông tin chính xác về cấu trúc mạng và bảng định tuyến Khi đó, chúng ta nói các Router đã hội tụ Giả sử Router C lựa chọn đường đến mạng 1 thông qua Router B, với khoảng cách là 3 hops.
+ Ngay khi mạng 1 bị lỗi, Router E liền gửi thông tin cập nhật cho Router
A Router A ngay lập tức ngƣng việc định tuyến đến mạng 1 Nhƣng Router B,
C, D vẫn tiếp tục việc này vì chúng vẫn chƣa biết gì về mạng 1 bị lỗi Sau đó Router A cập nhật thông tin về mạng 1 cho Router B và D Router B, D lập tức ngƣng định tuyến các gói tin tới mạng 1
Tại thời điểm cập nhật định kỳ của Router C, thông tin gửi đến Router D vẫn bao gồm đường tới mạng 1 qua Router B Router D sau đó cập nhật bảng định tuyến, cho phép gửi thông tin về đường tới mạng 1 qua chính nó đến Router B và E Quá trình này tiếp tục diễn ra tại Router B và E, dẫn đến việc các gói tin từ C tới mạng 1 bị gửi vòng qua C -> B -> A -> D -> C Để tránh tình trạng vòng lặp định tuyến trong giao thức Distance Vector, cần áp dụng các phương pháp hiệu quả.
* Phương pháp định nghĩa giá trị tối đa
Các giao thức Distance Vector sử dụng số hop để cập nhật thông tin định tuyến Khi router gửi bảng định tuyến, số hop sẽ tăng lên, cho phép xác định khoảng cách đến các mạng khác.
1 Nếu vòng lặp vô hạn xảy ra thì số hop cũng sẽ tăng vô hạn
Để ngăn chặn vòng lặp vô hạn, giao thức định tuyến Distance Vector thiết lập giá trị tối đa cho số hop Khi số hop vượt quá giá trị này, vòng lặp sẽ dừng lại và thông tin cập nhật sẽ bị Router từ chối Nếu số hop vượt quá giới hạn tối đa, mạng sẽ được coi là không thể truy cập.
* Phương pháp miền phân tách (split horizone)
Một nguyên nhân khác gây ra vòng lặp định tuyến là khi Router gửi lại thông tin mà nó vừa nhận cho chính Router đã gửi thông tin đó.
Trong ví dụ vừa nêu ở phần trên vì Router A cập nhật thông tin định tuyến từ Router D là có đường đến mạng 1 nên xảy ra vòng lặp
Các giao thức định tuyến trên mạng
2.3.1 Khái niệm AS (Autonomous System - Hệ tự quản)
AS là một tập hợp các mạng hoạt động theo cùng một cơ chế quản trị định tuyến, dưới sự kiểm soát của một tổ chức Ví dụ, một công ty có thể tạo và tài trợ cho mạng của riêng mình, hoặc một chính phủ cũng có thể quản lý một AS Thêm vào đó, mỗi nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP) thường được xem là một AS.
Routing protocols operating within an Autonomous System (AS) are known as Interior Gateway Protocols (IGP) In contrast, protocols designed to exchange routes between routers across multiple ASes are referred to as Exterior Gateway Protocols (EGP).
Mỗi Hệ thống Tự trị (AS) được gán một số gọi là chỉ số AS (ASN - AS number) Tương tự như địa chỉ IP công cộng, ICANN chịu trách nhiệm cấp phát ASN trên toàn cầu Hình ảnh dưới đây minh họa ba nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP) sử dụng giao thức IGP (OSPF và EIGRP) trong mạng nội bộ và BGP giữa các AS.
* Mục đích của giao thức định tuyến và hệ AS
Giao thức định tuyến có vai trò quan trọng trong việc xây dựng và duy trì bảng định tuyến, chứa thông tin về các mạng khác và các cổng giao tiếp trên Router Router sử dụng giao thức này để quản lý thông tin nhận được từ các Router khác, đảm bảo việc truyền tải dữ liệu hiệu quả giữa các mạng.
Giao thức định tuyến cập nhật thông tin về các con đường, từ đó lựa chọn con đường tối ưu để đưa vào bảng định tuyến và loại bỏ những con đường không còn sử dụng Router sử dụng thông tin trong bảng định tuyến để chuyển tiếp các gói tin của các giao thức đã được định tuyến.
Hệ tự quản AS chia nhỏ toàn bộ mạng toàn cầu thành nhiều mạng nhỏ nhằm tăng cường khả năng quản lý Mỗi AS được cấp một số ASN duy nhất, không trùng lặp với bất kỳ AS nào khác, và có cơ chế quản trị riêng biệt.
2.3.2 Các giao thức định tuyến nội vùng IGP
2.3.2.1 RIP (Routing Information Protocol) a) Giới thiệu
RIP, hay giao thức định tuyến véc tơ khoảng cách, gửi toàn bộ bảng định tuyến đến tất cả các cổng hoạt động mỗi 30 giây Giao thức này sử dụng Metric là hop count để xác định tuyến đường tốt nhất đến đích, và áp dụng thuật toán Bellman-Ford để xây dựng bảng định tuyến.
Rip đƣợc phát triển vào những năm 1970 bởi Xerox Năm 1988 đƣợc công bố chính thức trong RFC 1058 b) Các giá trị về thời gian
+ Flush time: 240 giây c) Hoạt động của Rip
All RIP packets are encapsulated in UDP segments, with both the source and destination ports set to 520 RIP defines two types of messages.
+ Request message: đƣợc sử dụng để gửi một yêu cầu tới router hàng xóm để gửi update
+ Reponse message: mang thông tin update
Router giử broadcast bản tin Request ra tất cả các cổng đang hoạt động, đƣợc các Request message rồi gửi Response message chứa toàn bộ bảng định tuyến
* Xử lý thông tin update của router:
Sau khi hoàn thành bảng định tuyến khởi động, router sẽ cập nhật thông tin về các tuyến đường đến các mạng khác Nếu một tuyến đường mới có hop count nhỏ hơn tuyến đường đã tồn tại trong bảng, tuyến đường cũ sẽ bị thay thế Ngược lại, nếu hop count lớn hơn, tuyến đường mới sẽ bị bỏ qua Cấu trúc gói tin của RIP được gọi là định dạng thông điệp RIP.
The RIP packet structure includes a command field, a version field, and can accommodate up to 25 route entries Each route entry consists of an address family identifier, an IP address, and a metric indicating the hop count.
Các trường cụ thể trong bản tin của RIP:
+ Trường command gồm 8 bít: trường này có giá trị là 1 nếu gói tin là Request message, có giá trị 0 nếu là Response message
+ Trường version gồm 8 bít: có giá trị 1 nếu là Rip V1,
+ Trường Family address 16 bít: có giá trị 2 nếu routed protocol đƣợc sử dụng là IP
+ Trường IP address gồm 32 bít: là địa chỉ đich của tuyến đường + Trường metric gồm 32 bít: là hop count của tuyến đường
- Kích thước phần header của RIP: 32 bít
- Kích thước của mỗi Route: 5*320 bít
- Kích thước header của UDP là 64 bít
- Kích thước tối đa của gói tin là : 32+20*160+64296 bit = 412byte d) Cấu hình Rip
Vào mode Configure của Router, sau đó dùng lệnh:
+ Router(config)# Router Rip (cho phép Router sử dụng giao thức Rip)
+ Router(config-router)# Network x.y.z.w (trong đó x.y.z.w là mạng đang kết nối trực tiếp với Router)
2.3.2.2 IGRP (Interior Gateway Routing Protocol) a) Giới thiệu về IGRP
IGRP là giao thức định tuyến véc tơ khoảng cách độc quyền đƣợc phát tố: Bandwith, Delay, Load, Reliability, Maximum transfer unit (MTU); mặc định là Bandwidth và delay
IGRP không áp dụng hopcount trong chỉ số metric của mình, nhưng vẫn theo dõi được hopcount trong quá trình hoạt động Mạng sử dụng IGRP có thể mở rộng đến 255 hop.
Mỗi lần tuyến đường được cập nhật thì thông số này được khởi động lại c) Metric của IGRP
Metric của IGRP là sự tổ hợp của 5 thành phần: Bandwith, Delay, Load, Reliability, Maximum transfer unit (MTU)
Băng thông (bandwidth) là chỉ số đo lường khả năng truyền tải dữ liệu của đường truyền, được tính bằng kilobit trên giây (kbps) Thông số này có thể được điều chỉnh bởi người quản trị và không phản ánh chính xác băng thông thực tế của đường truyền.
Delay là thời gian cần thiết để truyền một bit đến đích, được đo bằng micro giây Đây là một thông số tĩnh có thể được điều chỉnh bởi người quản trị.
- Load: phần băng thông sử dụng trên đường truyền Load có giá trị từ 1
255 (giá trị 255 có nghĩa là sử dụng 100%)
Độ tin cậy (Reliability) được đo bằng số lượng gói tin đến đích mà không bị hỏng, với giá trị dao động từ 1 đến 255 Giá trị 255 tương ứng với 100% gói tin được truyền tải mà không gặp lỗi.
Công thức tính metric của IGRP:
Metric = (K1*Bandwith +(K2*Bandwith)/(256-Load)+K3*Delay) * (K5/Reliability +K4)
(Trong đó: Ki là các hằng số Theo ngầm định K1=K3=1; K2=K4=K5=0) c) Hoạt động của IGRP
IGRP gửi gói tin broadcast Request tới tất cả các Router kết nối trực tiếp khi khởi động, đồng thời cập nhật thông tin mà nó nhận được.