Chương 4 Mô hình TCP/IP

Mô hình TCP/IP Nội dung Giới thiệu mô hình kiến trúc TCP/IP và một số giao thức cơ bản của TCP/IP. Đánh địa chỉ IPv4. Hạn chế của giao thức IPv4 và nguyên nhân ra đời IPv6. Các lớp địa chỉ IPv6 Sự ra đời của mô hình TCP/IP Vào cuối những năm 60, ARPANET ra đời. Đầu những năm 1980, họ giao thức TCP/IP ra đời và được đưa làm giao thức chuẩn cho mạng ARPANET và các mạng của DoD mang tên DARPA Internet Protocol suit, thường được gọi là TCP/IP. Thuật ngữ “Internet” xuất hiện vào khoảng năm 1974. Năm 1987, NFSnet liên kết các trung tâm siêu tính của toàn liên bang ra đời với tốc độ 1.5Mbit/s thay vì 56Kbit/s của ARPANET. Mô hình TCP/IP và OSI Network Access Layer Cung cấp cho hệ thống phương thức truyền dữ liệu trên các tầng vật lý khác nhau của mạng. Định nghĩa cách thức truyền các khối dữ liệu (datagram) IP. Các giao thức lớp này biết các cấu trúc vật lý mạng ở dưới nó (cấu trúc gói số liệu, cấu trúc địa chỉ …) để định dạng (nhúng các gói IP vào frames, ánh xạ địa chỉ IP  MAC) chính xác dữ liệu sẽ được truyền trong từng loại mạng cụ thể. Internet Layer Cung cấp một địa chỉ logic cho giao diện vật lý mạng. Hỗ trợ các ánh xạ giữa địa chỉ MAC do Network Access Layer cung cấp với địa chỉ IP bằng giao thức ARP và RARP. Các vấn đề có liên quan đến xác định lỗi và các tình huống bất thường liên quan đến IP được giao thức ICMP thống kê và báo cáo. Gồm các giao thức cơ bản: IP, ICMP, IGMP Transport Layer Ứng với Transport Layer trong mô hình OSI, tầng Host to Host thực hiện kết nối hai hosts trên mạng bằng giao thức: TCP và UDP. TCP cung cấp một luồng dữ liệu tin cậy giữa hai trạm. UDP cung cấp dịch vụ đơn giản hơn cho lớp ứng dụng. Nó chỉ gửi các gói dữ liệu từ trạm này đến trạm kia mà không đảm bảo các gói tin đến được đích. Application Layer Là lớp trên cùng của mô hình TCP/IP, bao gồm các tiến trình và các ứng dụng nhằm cung cấp cho người sử dụng để truy cập mạng. Trong các ứng dụng mà lớp này cung cấp, phổ biến nhất là Telnet, dịch vụ truyền file FTP, E-mail, Web … Họ giao thức TCP/IP Xử lý dữ liệu trong TCP/IP Giao thức IP (Internet Protocol) Mục đích của giao thức liên mạng IP là cung cấp khả năng liên kết các mạng con thành liên mạng để truyền dữ liệu. IP là giao thức không liên kết. Do vậy, độ tin cậy của phương thức này là không cao, đồng thời không duy trì bất kì thông tin nào về những datagram đã gửi đi. Các gói dữ liệu IP được định nghĩa là các datagram Cấu trúc IPv4 packet Địa chỉ IPv4 Hiện nay, mạng Internet dùng hệ thống địa chỉ IPv4 (32 bit) để địa chỉ hoá logic các nút mạng. Hệ thống địa chỉ này được thiết kế mềm dẻo nhờ sự phân lớp. Có 5 lớp địa chỉ IP: A, B, C, D, E. Một số giao thức thường gặp: - ARP: ánh xạ địa chỉ IP thành địa chỉ MAC. - RARP: ánh xạ địa chỉ MAC thành địa chỉ IP. - ICMP: truyền các thông báo điều khiển (tình trạng lỗi trên mạng...) giữa các GW hoặc trạm của liên mạng. Giao thức TCP TCP là một giao thức hướng liên kết (connection oriented). TCP cung cấp khả năng truyền dữ liệu một cách an toàn giữa các máy trạm trong hệ thống. TCP nhận thông tin từ lớp trên, chia dữ liệu thành nhiều gói theo độ dài quy định và chuyển các gói tin xuống cho các giao thức lớp mạng để định tuyến. Đơn vị dữ liệu trong giao thức TCP được gọi là segment ( đoạn dữ liệu). Cấu trúc TCP segment Thiết lập kết nối trong TCP Giải phóng kết nối trong TCP Điều khiển lưu lượng trong TCP (1) Cơ chế cửa sổ động. - Độ lớn của cửa sổ bằng số lượng các gói dữ liệu được gửi liên tục mà không cần chờ ACK cho từng gói dữ liệu đó. - Độ lớn cửa sổ quyết định hiệu suất trao đổi dữ liệu trong mạng. - Giao thức TCP cho phép thay đổi độ lớn của sổ một cách động, phụ thuộc vào độ lớn bộ đệm thu của thực thể TCP nhận. Điều khiển lưu lượng trong TCP (2) Cơ chế phát lại thích nghi. - Để đảm bảo kiểm tra và khắc phục lỗi trong trao đổi dữ liệu, TCP phải có cơ chế đồng hồ kiểm tra phát (Time Out - Tout) và cơ chế phát lại (Retransmission) mềm dẻo, phụ thuộc vào thời gian trễ thực của môi trường truyền dẫn cụ thể. - Thời gian trễ toàn phần RTT (Round Trip Time) tính từ lúc phát đến khi nhận được gói dữ liệu, là yếu tố quyết định Tout  Tout ≥ RTT. Điều khiển tắc nghẽn trong TCP Hiện tượng tắc nghẽn dữ liệu thể hiện ở việc gia tăng thời gian trễ của dữ liệu khi chuyển qua mạng. Để hạn chế khả năng dẫn đến tắc nghẽn dữ liệu trong mạng, điều khiển lưu lượng dựa trên việc thay đổi độ lớn của sổ phát. Giao thức UDP - Là giao thức không liên kết. - Không có chức năng thiết lập và giải phóng liên kết, cơ chế ACK, không sắp xếp tuần tự các đơn vị dữ liệu đến và có thể dẫn đến tình trạng mất hoặc trùng dữ liệu mà không thông báo lỗi cho người gửi  UDP không cung cấp các dịch vụ giao vận tin cậy như giao thức TCP. - Có cơ chế gán và quản lý port number để định danh duy nhất các ứng dụng chạy trên một trạm của mạng. Cấu trúc của UDP datagram UDP datagram có cấu trúc và tham số đơn giản hơn nhiều so với TCP segment. Port number trong TCP và UDP Giao thức ICMP - ICMP là giao thức điều khiển của tầng IP, sử dụng để trao đổi các thông tin điều khiển dòng dữ liệu, thông báo lỗi và các thông tin trạng thái khác của bộ giao thức TCP/IP. - Điều khiển lưu lượng (Flow Control). - Thông báo lỗi. - Định hướng lại các tuyến (Redirect Router). - Kiểm tra các trạm ở xa: ICMP echo. Thông điệp của giao thức ICMP - Các thông điệp truy vấn: Giúp cho người quản trị mạng nhận các thông tin xác định từ một node mạng khác. - Các thông điệp thông báo lỗi: Liên quan đến các vấn đề mà bộ định tuyến hay trạm phát hiện ra khi xử lý gói IP. ICMP sử dụng địa chỉ IP nguồn để gửi thông điệp thông báo lỗi cho node nguồn của gói IP. Giao thức ARP ARP dùng để tìm địa chỉ MAC của trạm đích. Tiến trình của ARP gồm các bước như sau: - IP yêu cầu địa chỉ MAC. - Tìm kiếm trong bảng ARP. - Nếu tìm thấy sẽ trả lại địa chỉ MAC. - Nếu không tìm thấy, tạo gói ARP yêu cầu và gửi tới tất cả các trạm. - Tuỳ theo gói tin trả lời, ARP cập nhật vào bảng ARP và gửi địa chỉ MAC. Giao thức RARP RARP là giao thức phân giải địa chỉ ngược. Quá trình này ngược lại với quá trình ARP  RARP được sử dụng để xác định địa chỉ IP khi biết địa chỉ vật lý MAC. Máy A cần biết địa IP của nó, nó gửi quảng bá gói tin RARP Request chứa địa chỉ MAC của nó trong toàn mạng. Mọi máy trong mạng đều có thể nhận gói tin này nhưng chỉ có Server mới trả lại RARP Reply chứa địa chỉ IP của máy A. Dải địa chỉ IPv4 Cấu trúc địa chỉ IPv4 Địa chỉ IP bao gồm hai phần: - Địa chỉ mạng (network address/network ID). - Địa chỉ máy (host address/host ID). Phân loại địa chỉ IPv4 Các dải IPv4 thông dụng Network prefixes Prefix length là số lượng bits trong địa chỉ cho phép xác định network portion/network ID. Xét địa chỉ có dạng như sau 172.16.4.0 /24. /24 chính là prefix length, độ dài này cho biết: - 24 bits đầu tiên là địa chỉ mạng (network ID). - 8 bits còn lại là phần host (host ID). Tùy thuộc vào số lượng host trên một mạng mà prefix length sẽ được gán khác nhau dải địa chỉ host và địa chỉ broadcast cho mạng sẽ thay đổi. Network prefixes Unicast transmission Multicast transmission Broadcast transmission Subnet mask Subnet mask cũng gồm 32 bits và được chia thành 4 octet giống như địa chỉ IP. Subnet mask được tạo ra bằng cách đặt giá trị nhị phân “1” cho mỗi vị trí bit biểu diễn netID và đặt giá trị “0” cho mỗi vị trí bit biểu diễn hostID. Khởi tạo Subnet mask Example Subnet mask Sử dụng subnet mask xác định netID cho host 172.16.132.70/20. Subnetting - Để thuận tiện cho việc quản lý và định hướng dữ liệu trên mạng, người ta thường tổ chức mạng IP theo cơ chế địa chỉ phân cấp: mỗi mạng được chia nhỏ thành nhiều mạng con. - Mỗi mạng con chịu trách nhiệm định tuyến cho các gói IP trong mạng của mình. Để linh hoạt trong việc phân chia mạng con thì địa chỉ mạng có thể mở rộng sang các bit địa chỉ máy.  kỹ thuật phân chia mạng con (Subnetting). Tính toán số lượng subnets Các subnets được tạo ra bằng cách mượn một hoặc nhiều bits trong hostID để tạo ra subnet mask dài hơn cho netID. Số lượng host bits được mượn càng nhiều thì số lượng subnetworks được tạo ra càng lớn. Với mỗi bit mượn, số lượng subnetworks sẽ tăng gấp đôi. - Số lượng subnets được xác định bằng: 2m - Số lượng hosts trong mỗi Subnets: 2(n – m) – 2 n: số lượng host bits; m: số bit mượn Example 1: 2 subnets Example 2: 4 subnets Example 3