Khoa học máy tính - Chương 6: Lớp mạng

Trường Cao Đẳng CNTT Hữu Nghị Việt Hàn Khoa KHOA HỌC MÁY TÍNHChương 6 – Lớp MẠNGLớp mạng liên quan đến việc nhận gói dữ liệu từ nguồn phát dữ liệu đến đích nhận. Để đến được đích nhận, dữ liệu có thể phải đi qua nhiều đoạn trung gian dọc theo đường truyền. Đây là chức năng chủ yếu khác với lớp liên kết dữ liệu chỉ có nhiệm vụ vận chuyển gói dữ liệu từ đầu cuối này đến đầu cuối khác. Thực chất, lớp mạng là lớp đầu tiên có nhiệm vụ truyền dữ liệu từ nguồn- đến- đích.6.1 Chức năng của lớp mạng6.2 Các kỹ thuật định tuyến trong lớp mạng6.3 Điều khiển tắc nghẽn6.4 Chất lượng dịch vụ6.5 Giao thức lớp mạng của mạng Internet 6.1 Chức năng của lớp mạng 6.1.1 Chuyển mạch lưu-chuyển gói dữ liệu Một gói dữ liệu được gửi từ một trạm đến Bộ định tuyến gần nhất hoặc trên cùng một mạng LAN hoặc trên đường liên kết dữ liệu. Gói dữ liệu này được lưu trữ cho đến khi toàn bộ gói dữ liệu đến để trường kiểm tra lỗi thực hiện kiểm tra. Sau đó nó được chuyển đến Bộ định tuyến tiếp theo trên đường truyền cho đến khi đến được đích nhận. Cơ chế này được gọi là chuyển mạch lưu-chuyển gói dữ liệu 6.1 Chức năng của lớp mạng6.1.1 Chuyển mạch lưu-chuyển gói dữ liệu Mỗi gói tin khi đi từ nguồn đến đích có thể qua nhiều trạm trung gian. Tại mỗi trạm trung gian có thể có hơn một con đường đến đích. Gói tin được chuyển đi trên con đường phù hợp nhất bởi trạm trung gian. Chức năng này được gọi là định tuyến và thiết bị trên được gọi là bộ định tuyến6.1 Chức năng của lớp mạng6.1.2 Cung cấp dịch vụ cho Lớp giao vận: Lớp mạng có nhiệm vụ cung cấp các dịch vụ cho lớp giao vận ở tại giao diện của lớp mạng và lớp giao vận. Các dịch vụ này được thiết kế theo các nguyên tắc sau:Các dịch vụ phải độc lập với công nghệ ứng dụng trong các Bộ định tuyến.Lớp giao vận phải độc lập với số lượng, chủng loại và cấu hình của các Bộ định tuyến.Địa chỉ mạng đưa lên cho lớp giao vận phải có cùng một hệ thống địa chỉ, ngay cả trong cùng một mạng LAN6.1.3 Thực hiện dịch vụ truyền dữ liệu không kết nốiĐể thực hiện dịch vụ truyền dữ liệu không kết nối, các gói dữ liệu được chèn vào mạng con và được định tuyến một cách độc lập đến đầu cuối, không cần cài đặt phức tạp. Đối với trường hợp này, các gói dữ liệu được gọi là các datagram và các mạng con được gọi là các mạng con datagram (datagram subnet). 6.1 Chức năng của lớp mạngThuật toán dùng để quản lý các bảng định tuyến và đưa ra quyết định định tuyến được gọi là thuật toán định tuyến. 6.1 Chức năng của lớp mạng6.1.4 Thực hiện dịch vụ truyền dữ liệu có kết nốiĐể thực hiện dịch vụ truyền dữ liệu có kết nối, người ta phải thiết lập một kênh truyền từ nguồn đến đích trước khi gửi dữ liệu đi. Kênh kết nối này được gọi là các mạch ảo (VC), tương tự như việc thiết lập các mạch điện vật lý của hệ thống điện thoại. Trong trường hợp này mạng con được gọi là các mạng con mạch ảo. 6.1 Chức năng của lớp mạngÝ nghĩa của các mạch ảo là tránh được việc phải lựa chọn các tuyến mới cho các gói dữ liệu. Khi kênh dữ liệu đã được thiết lập, kênh dữ liệu từ nguồn đến đích này được sử dụng để thiết lập kết nối và bảng định tuyến sẽ được chứa trong kênh dữ liệu này. 6.2 Các kỹ thuật định tuyến trong lớp mạng 6.2.1 Tổng quan về định tuyếnChức năng quan trọng nhất của lớp mạng là dẫn đường cho các gói dữ liệu từ trạm nguồn đến trạm đích. Trong hầu hết các mạng con, các gói yêu cầu đa bước nhảy (multiple hops) để tạo nên tuyến đi trừ các mạng quảng bá. Tuy nhiên trong mạng quảng bá, nếu nguồn và đích ở trên cùng một mạng thì ta cũng phải quan tâm đến việc định tuyến dữ liệu. Như vậy, kỹ thuật định tuyến và cấu trúc dữ liệu mà chúng sử dụng là 2 yếu tố quan trọng khi thiết kế định tuyến.Kỹ thuật định tuyến (theo nghĩa bao gồm cả thuật toán định tuyến, các tiêu chuẩn thực hiện và sự cập nhật thông tin) là một phần của phần mềm lớp mạng có nhiệm vụ quyết định chọn một đường ra mà gói dữ liệu sẽ được truyền trên đó.6.2 Các kỹ thuật định tuyến trong lớp mạngThuật toán tìm đường đi là quy trình để quyết định định tuyến ra khỏi nút mạng nhằm gửi gói dữ liệu đi tới nút khác.Nếu mạng con sử dụng mạch ảo thì các quyết định định tuyến được tạo ra khi một kênh ảo mới được thiết lập. Sau đó các gói dữ liệu chỉ đi theo một đường đã được thiết lập và định tuyến này gọi là định tuyến phiên.Nếu một mạng con sử dụng các gói dữ liệu (Datagram) thì quyết định định tuyến phải được tạo thêm một lần nữa khi các gói dữ liệu đến, bởi vì tuyến đường tốt nhất có thể đã thay đổi kể từ khi cập nhật lần cuối cùng. 6.2 Các kỹ thuật định tuyến trong lớp mạng6.2.2 Các yêu cầu kỹ thuật định tuyếnĐịnh tuyến là sự lựa chọn một con đường để truyền một đơn vị dữ liệu (một gói dữ liệu chẳng hạn) từ trạm nguồn đến trạm đích của nó. Một kỹ thuật định tuyến phải thực hiện 2 chức năng sau đây:1. Quyết định định tuyến theo những tiêu chuẩn (tối ưu) nào đó.2. Cập nhập thông tin định tuyến. 6.2 Các kỹ thuật định tuyến trong lớp mạngCó rất nhiều kỹ thuật định tuyến khác nhau. Sự phân biệt giữa chúng chủ yếu căn cứ vào các yếu tố liên quan đến 2 chức năng trên. Các yếu tố đó thường là:a. Sự phân tán của các chức năng định tuyến trên các nút của mạng.b. Sự thích nghi với trạng thái hiện hành của mạng.c. Các tiêu chuẩn (tối ưu) để định tuyến.Dựa trên yếu tố (a) ta có kỹ thuật định tuyến tập trung hoặc phân tán. Dựa trên yếu tố (b) ta có kỹ thuật định tuyến không thích nghi (định tuyến tĩnh) hoặc định tuyến thích nghi (định tuyến động).6.2 Các kỹ thuật định tuyến trong lớp mạngCuối cùng, các kỹ thuật định tuyến cùng loại cũng có thể phân biệt bởi yếu tố (c). Tiêu chuẩn (tối ưu) để định tuyến được xác định bởi người quản lý hoặc người thiết kế mạng, nó có thể là:Độ trễ trung bình của việc truyền gói dữ liệu.Số lượng nút trung gian giữa nguồn và đích của gói dữ liệu.Độ an toàn của việc truyền tin.Chi phí truyền tin.Việc chọn tiêu chuẩn (tối ưu) định tuyến phụ thuộc vào đặc điểm của mạng (băng thông, mục đích sử dụng ....). Các tiêu chuẩn có thể thay đổi theo thời gian do sự thay đổi các đặc điểm của mạng.6.2 Các kỹ thuật định tuyến trong lớp mạng6.2.3 Kỹ thuật định tuyến tập trung và định tuyến phân tánKỹ thuật định tuyến tập trungKỹ thuật này được đặc trưng bởi sự tồn tại của một (hoặc vài) trung tâm điều khiển mạng thực hiện việc định tuyến sau đó gửi các bảng định tuyến tới tất cả các nút dọc theo tuyến đã được chọn đó. Trong trường hợp này, thông tin tổng thể của mạng cần dùng cho việc định tuyến chỉ được cất giữ tại trung tâm điều khiển mạng. 6.2 Các kỹ thuật định tuyến trong lớp mạngCác nút mạng có thể không gửi bất cứ thông tin nào về trạng thái của chúng tới trung tâm, hoặc gửi theo định kỳ, hoặc chỉ gửi khi xảy ra một sự kiện nào đó. Trung tâm điều khiển sẽ cập nhập các bảng định tuyến dựa trên các thông tin nhận được đó.Kỹ thuật định tuyến phân tánTrong kỹ thuật này không tồn tại các trung tâm điều khiển. Quyết định định tuyến được thực hiện tại mỗi nút của mạng. Điều này đòi hỏi việc trao đổi thông tin giữa các nút, tùy theo mức độ thích nghi của giải thuật được sử dụng.6.2 Các kỹ thuật định tuyến trong lớp mạng6.2.4 Kỹ thuật định tuyến thích nghi và không thích nghiKỹ thuật định tuyến không thích nghi (định tuyến tĩnh)Kỹ thuật này có thể là định tuyến tập trung hoặc phân tán nhưng nó không đáp ứng với mọi sự thay đổi trên mạng. Việc định tuyến được thực hiện mà không có sự trao đổi thông tin, không đo lường và không cập nhập thông tin. Tiêu chuẩn (tối ưu) để định tuyến và bản thân tuyến được chọn một lần cho toàn cuộc, không hề có sự thay đổi giữa chúng. Kỹ thuật định tuyến này rất đơn giản, do vậy được sử dụng rộng rãi, đặc biệt trong các mạng tương đối ổn định ít có thay đổi về sơ đồ và lưu lượng trên mạng. 6.2 Các kỹ thuật định tuyến trong lớp mạng b- Kỹ thuật định tuyến thích nghi ( kỹ thuật định tuyến động):Kỹ thuật này thu hút sự quan tâm đặc biệt những nhà thiết kế mạng do khả năng đáp ứng với các trạng thái khác nhau của mạng. Đây là một yếu tố rất quan trọng, đặc biệt đối với các ứng dụng thời gian thực trong đó yếu cầu đầu tiên của người sử dụng mạng là phải có khả năng cung cấp được các tuyến khác nhau để dự phòng sự cố và thích nghi nhanh chóng với các thay đổi trên mạng. Mức độ thích nghi này được đặc trưng bởi sự trao đổi thông tin định tuyến trong mạng. Mỗi nút (hoặc trung tâm điều khiển trong trường hợp kỹ thuật tập trung) hoạt động một cách độc lập với thông tin riêng của mình để thích nghi với sự thay đổi của mạng theo một phương pháp nào đó. 6.2 Các kỹ thuật định tuyến trong lớp mạngỞ mức độ cao hơn, thông tin về trạng thái của mạng có thể được cung cấp từ các nút láng giềng hoặc từ tất cả các nút khác. Thông thường, các thông tin được đo lường và sử dụng cho việc định tuyến bao gồm:Trạng thái của đường truyền.Độ trễ truyền dẫn.Mức độ lưu thông.Các tài nguyên khả dụng. 6.2 Các kỹ thuật định tuyến trong lớp mạngKhi có sự thay đổi trên mạng (ví dụ, thay đổi do sự cố hoặc do sự phục hồi của một nút mạng v.v...) các thông tin trên cần phải được cập nhật. Thực tế cho thấy rằng phần lớn các kỹ thuật định tuyến phân tán và thích nghi đáp ứng nhanh với các “dữ liệu lành” nhưng lại đáp ứng chậm đối với các “dữ liệu xấu”. Chẳng hạn, thông tin về sự cố của một đường truyền nằm trên một tuyến đã chọn đôi khi không được truyền với tốc độ cần thiết làm cho các gói dữ liệu vẫn được gửi đến đường truyền đó gây nên hiện tượng tắc nghẽn, chúng ta cần phải có các giải pháp cho vấn đề này.Ngoài ra, kỹ thuật định tuyến phân tán và thích nghi còn có một số vấn đề khác. Ví dụ như các gói dữ liệu bị quẩn trong mạng và không bao giờ đến được đích. 6.2 Các kỹ thuật định tuyến trong lớp mạng6.2.5 Một số kỹ thuật định tuyến khác a- Định tuyến phân cấpKhi số nút mạng tăng lên đáng kể, các bảng định tuyến tăng lên. Bộ định tuyến không chỉ tốn kém bộ nhớ mà còn chiếm nhiều thời gian CPU và băng thông để gửi các báo cáo trạng thái về chúng. Do đó định tuyến phải được phân cấp kiểu như mạng điện thoại.Khi định tuyến phân cấp sử dụng các Bộ định tuyến được phân chia thành những cụm khác nhau mà ta gọi là vùng, mỗi Bộ định tuyến biết cách định tuyến các gói dữ liệu đến các đích trong vùng của nó, nhưng không biết gì về cấu trúc bên trong của vùng khác. Khi những mạng khác nhau được ghép nối với nhau thì coi mỗi mạng như là một vùng phân cách. Điều này nhằm giải phóng các Bộ định tuyến trong một mạng khỏi bận tâm đến cấu trúc của các mạng khác. 6.2 Các kỹ thuật định tuyến trong lớp mạng b- Định tuyến cho máy trạm di độngTrong tương lai, số lượng các người dùng di động cùng với các ứng dụng của nó sẽ tăng lên rất nhiều, do đó, việc định tuyến cho các máy trạm di động cũng là một vấn đề cần được quan tâm. Đối với người dùng di động, mạng luôn luôn cấp một địa chỉ cố định cho người dùng này để xác định vị trí của họ. Do đó, việc định tuyến trong hệ thống này thực chất là định tuyến các gói dữ liệu đến máy trạm có địa chỉ cố định nói trên. 6.2 Các kỹ thuật định tuyến trong lớp mạng c- Định tuyến quảng bá (broadcast routing)Việc truyền tất cả các gói tới tất cả các đích đồng thời gọi là truyền quảng bá (broadcasting). Có nhiều phương pháp truyền quảng bá khác nhau như:1. Gửi các gói dữ liệu đến mỗi đích mà không yêu cầu một đặc trưng nào từ mạng con đối với nguồn. Đây là phương pháp quảng bá đơn giản nhất. 2. Phương pháp định tuyến đa đích (Multi-destination Routing): với phương pháp này, mỗi gói dữ liệu chứa hoặc là danh sách các đỉnh hoặc là một bản đồ bit chỉ báo đến các đích mong muốn. 6.2 Các kỹ thuật định tuyến trong lớp mạngKhi một gói dữ liệu đến tại một Bộ định tuyến, Bộ định tuyến đó kiểm tra tất cả các đích để xác định một tập các đường ra mà chúng sẽ cần tới (một đường ra là cần thiết nếu nó là tuyến đường tốt nhất tới ít nhất một điểm trong đích). Bộ định tuyến tạo ra một bản sao mới của gói dữ liệu cho mỗi đường ra được sử dụng, chứa trong mỗi gói dữ liệu chỉ là các đích mà chúng đến. Do đó, số đích của các gói dữ liệu giảm dần. Sau một số đủ các hops, mỗi gói dữ liệu sẽ chỉ mang một đích và khi đó có thể coi như một gói dữ liệu thông thường. Trong định tuyến đa đích các gói dữ liệu được đánh địa chỉ riêng rẽ, trừ các gói dữ liệu đi theo cùng tuyến đường đến cùng một đích.6.2 Các kỹ thuật định tuyến trong lớp mạng3. Phương pháp dùng cây khung “Sink tree” đối với Bộ định tuyến khởi đầu quảng bá hoặc bất kỳ cây khung thích hợp khác cho Bộ định tuyến.Một cây khung là một đồ thị con của mạng con chứa tất cả các Bộ định tuyến, nhưng không có chu trình. Nếu mỗi Bộ định tuyến biết một đường nào đó trong đường dọc theo cây khung, nó có thể sao một gói dữ liệu mới quảng bá ra tất cả những đường của cây khung trừ đường nó đến. Phương pháp này sử dụng băng thông tốt hơn và số gói dữ liệu cần thiết tạo ra là cực tiểu tuyệt đối. Vấn đề còn lại là Bộ định tuyến phải có thông tin về vài cây khung mà nó có thể áp dụng được.Thông tin có thể có sẵn (như định tuyến trạng thái liên kết) hoặc không có sẵn (như định tuyến vecto khoảng cách). 6.2 Các kỹ thuật định tuyến trong lớp mạng4. Định tuyến đa điểm theo nhóm (multicast routing): Để thực hiện Multicast, trước hết phải biết cách quản lý nhóm, việc kết nối và tách rời khỏi nhóm. Các Bộ định tuyến cần biết chủ của chúng thuộc nhóm nào. Muốn vậy hoặc là nhóm thông báo cho các Bộ định tuyến biết về các thành viên cũng như sự thay đổi của các thành viên trong nhóm, hoặc là các Bộ định tuyến phải hỏi các chủ của chúng một cách định kỳ. Các Bộ định tuyến thông báo tới các Bộ định tuyến lân cận của nó, vì thế thông tin được lan truyền qua mạng con6.2 Các kỹ thuật định tuyến trong lớp mạng6.2.6 Các giải thuật tìm đường tối ưuBài toán tìm đường đi “tối ưu” (theo tiêu chuẩn “tối ưu” được chọn) trong số các con đường tồn tại giữa 2 điểm đã được giải quyết từ lâu và thuần túy toán học. Các giải thuật đó có thể áp dụng vào kỹ thuật định tuyến trong mạng với một số ít thay đổi cho phù hợp với bối cảnh từng ứng dụng. Yêu cầu của giải thuật khi áp dụng cần phải:Chính xác, đơn giản.Vững vàng, ổn định.Công bằng, tối ưu. Các giải thuật tìm đường đi phải có khả năng thay đổi cấu hình và đường vận chuyển để không phải khởi động lại mạng khi có một nút hỏng hoặc phải ngừng hoạt của các máy trạm.6.2 Các kỹ thuật định tuyến trong lớp mạng6.2.6.1 Thuật toán định tuyến không thích nghi:Trong phần mô phỏng các thuật toán định tuyến không thích nghi ta sẽ xem xét đến thuật toán Dijkstra (1959) còn gọi là thuật toán tìm đường đi ngắn nhất (Shortest Path Routing), thuật toán Dijkstra cải tiến, thuật toán định luồng cơ sở và một số ứng dụng của chúng trong việc định tuyến tối ưu.6.2 Các kỹ thuật định tuyến trong lớp mạnga. Thuật toán tìm đường đi ngắn nhất (thuật toán Dijkstra - 1959)Đồ thị trong thuật toán này gồm các điểm đại diện cho mỗi Bộ định tuyến của mạng, cung giữa 2 điểm của đồ thị là đường đi giữa 2 Bộ định tuyến trong mạng. Việc định tuyến đi giữa 2 nút trong mạng là tìm đường đi ngắn nhất giữa chúng. Mỗi nút được gán nhãn với khoảng cách của nó tới nguồn. Bắt đầu các nút là vô tận, rồi nguồn xét các nút cạnh nó, các nút này sẽ có nhãn hoặc dự kiến hoặc xác định. Các nhãn có thể thay đối, phản ánh con đường tốt hơn, khi phát hiện nhãn là con đường ngắn nhất từ nguồn tới nút, thì nó là cố định (permanent) và sau đó không thay đổi. 6.2 Các kỹ thuật định tuyến trong lớp mạngMỗi nút có chứa một nhãn với độ dài từ nút nguồn cho tới nó. Lúc ban đầu, thì đường đi này chưa được biết, vì vậy tất cả các nút được gán là vô cực. Thuật toán sẽ tìm ra đường đi và xử lý chúng, mỗi nhãn có sự thay đổi, phản ánh đường đi. Một nhãn sẽ chứa hoặc là nhãn tạm hoặc là nhãn cố định. Đầu tiên, tất cả các nhãn sẽ là nhãn tạm, khi các nhãn được tìm ra thì nó sẽ đại diện cho một nút trên đường đi từ nguồn tới nó, nhãn đó sẽ được gán nhãn cố định và không thay đổi về sau.6.2 Các kỹ thuật định tuyến trong lớp mạngb. Thuật toán Dijsktra sử dụng cho định tuyến tập trungCùng với dữ liệu đầu vào như thuật toán trên, nhưng thuật toán này được mô tả như sau: Gọi C là tập hợp các đỉnh chưa được chọn, S là tập hợp các đỉnh được chọn. Tại mỗi thời điểm, tập S chứa các đỉnh mà khoảng cách nhỏ nhất từ nguồn đến chúng đã được xác định. Khi đó tập C chứa các đỉnh còn lại. Giải thuật bắt đầu tập S chứa đỉnh nguồn, khi giải thuật kết thúc thì tập S chứa tất cả các đỉnh của đồ thị. Tại mỗi bưóc ta chọn một đỉnh của tập C mà khoảng cách từ nguồn đến đích này là nhỏ nhất và đưa vào tập S. Ta nói rằng đường đi từ nguồn đến đích khác là riêng biệt nếu tất cả các đỉnh trung gian trên đường này đều nằm ở trong tập S. Tại mỗi bước của giải thuật, một mảng 1 chiều D dùng để chứa chiều dài đường đi riêng biệt.6.2 Các kỹ thuật định tuyến trong lớp mạngc. Thuật toán Dijkstra sử dụng cho định tuyến phân tánThuật toán này dựa trên một dãy các bước lặp. Một tập đặc biệt các đỉnh được xây dựng bằng cách cộng thêm một đỉnh trong một bước lặp. Thủ tục gán nhãn được thực hiện trong mỗi lần lặp đó. Trong thủ tục gán nhãn này, đỉnh w được gán nhãn bằng độ dài đường đi ngắn nhất từ a đến w chỉ đi qua các đỉnh thuộc tập đặc biệt. Đỉnh được thêm vào là đỉnh có nhãn nhỏ nhất so với các đỉnh chưa có trong tập đó.6.2 Các kỹ thuật định tuyến trong lớp mạng6.2.6.2 Thuật toán định tuyến thích nghi Trong phần này trình bày áp dụng của thuật toán Định tuyến vector khoảng cách để cập nhật những bảng định tuyến cho những nút mạng và thuật toán liên kết trạng thái.Thuật toán Định tuyến vector khoảng cách Dữ liệu vào là bảng định tuyến những nút lân cận đối với một nút muốn cập nhật bảng định tuyến và độ trễ từ nút đó đến những nút lân cận. Một bảng định tuyến mới sẽ được cập nhật cho nút này đến tất cả các nút khác thông qua những nút lân cận. 6.2 Các kỹ thuật định tuyến trong lớp mạngGiả sử muốn cập nhật bảng định tuyến cho nút J, và giả sử muốn cập nhật đường đi từ J đến C xem thử sẽ đi qua trạm nào, ta thấy độ trễ từ J qua nút I đến C là ngắn nhất, nên đường đi từ J đến C phải đi qua nút I.Trong mạng, các trạm có một bảng định tuyến như vậy và thường được cập nhật thông qua các bảng định tuyến của các trạm lân cận, sự cập nhật này có thể được thực hiện một cách tự động thông qua một giao thức. (Ví dụ, giao thức RIP, thường được sử dụng trong một số hệ điều hành mạng như Windows NT Server, các Bộ định tuyến chạy giao thức này đều đăng phát quảng bá bảng định tuyến của nó 2 lần/phút, bất cứ nút làm việc nào chạy RIP sẽ nhận được thông tin này và tự động cập nhật vào bảng định tuyến của mình).6.3 Điều khiển tắc nghẽn6.3.1 Tắc nghẽnKhi có quá nhiều gói dữ liệu trong mạng hay một phần của mạng làm cho hiệu suất của mạng giảm đi vì các nút mạng không còn đủ khả năng lưu trữ, xử lý, gửi đi và chúng bắt đầu bị mất các gói dữ liệu. Hiện tượng này gọi là sự tắc nghẽn trong mạng.Nguyên nhân:Hàng đợi bị đầy (phải lưu tệp, phải tạo các bảng ...) do khả năng xử lí của nút mạng kém.Hàng đợi bị đầy khi thông tin vào nhiều hơn khả năng của đường ra, mặc dù tốc độ xử lí của nút nhanh.6.3 Điều khiển tắc nghẽn6.3.2 Chống tắc nghẽnMặc dù đã sử dụng cơ chế kiểm soát luồng dữ liệu nhằm tránh tình trạng tắc nghẽn trên mạng nhưng trong thực tế thì nó vẫn cứ xảy ra và người ta phải dự kiến các giải pháp thích hợp để tránh tắc nghẽn. Nhiệm vụ giải quyết tắc nghẽn này thường dành cho lớp mạng. Có thể dùng một số biện pháp sau đây:Dành sẵn các bộ đệm chỉ để dùng khi xảy ra ùn tắc. Phương pháp này đã được dùng trong mạng ARPANET nhưng hiệu quả không cao vì bản thân bộ nhớ đệm cũng nhanh chóng ùn tắc.6.3 Điều khiển tắc nghẽnGắn cho các gói dữ liệu một thời gian “sống” xác định trước, nếu quá thời gian đó thì chúng bị hủy. Tuy nhiên giải pháp này khá nguy hiểm vì có thể hủy bỏ các gói dữ liệu ngay khi chúng vừa đạt đích. Tuy nhiên, đây cũng là một biện pháp ngăn chặn được hiện tượng tắc nghẽn thường được sử dụng. Đơn giản hơn, ta có thể loại bỏ các gói dữ liệu muốn đi qua một liên kết đã quá tải. Giao thức Lớp giao vận sẽ chịu trách nhiệm truyền lại các gói dữ liệu bị loại bỏ đó.6.3 Điều khiển tắc nghẽnTrong các mạng dùng mạch ảo như là mạng X25, sự ùn tắc có thể do mở ra quá nhiều VC qua một nút. Cần phải đóng bớt một số để tránh ùn tắc. Lớp mạng chịu trách nhiệm mở lại các VC đó khi không còn nguy cơ tắc nghẽn nữa.Ngoài ra còn có các biện pháp sau:Bố trí khả năng vận chuyển, lưu trữ, xử lý của mạng lớn hơn so với yêu cầu.Hủy bỏ các gói dữ liệu bị tắc nghẽn quá thời hạn.Hạn chế số gói dữ liệu vào mạng nhờ cơ chế cửa sổ.Chặn đường vào của các gói dữ liệu khi mạng quá tải.6.3 Điều khiển tắc nghẽn6.3.3 Điều khiển tắc nghẽn ở mạng con mạch ảoCác phương pháp điều khiển tắc nghẽn được mô tả ở trên về chủ yếu là ngăn ngừa tắc nghẽn ở nơi xảy ra hơn là việc xử lý tắc nghẽn. Trong phần này, chúng ta sẽ mô tả một vài phương pháp để điều khiển (xử lý) tắc nghẽn trong mạng con mạch ảo.Một phương pháp được sử dụng rộng rãi để giữ cho tắc nghẽn vừa xảy ra không diễn biến xấu đó là điều khiển nơi nhận (admission control). Một khi có tín hiệu tắc nghẽn, không một mạch ảo nào được thiết lập cho tới khi vấn đề được giải quyết. Do đó, việc cố gắng thiết lập một lớp giao vận mới là không xảy ra. Tương tự như trong hệ thống điện thoại, khi chuyển mạch quá tải, nó cũng áp dụng điều khiển đầu nhận, cho ngừng quay số.6.3 Điều khiển tắc nghẽnMột phương pháp khác là cho phép thiết lập mạch ảo nhưng sẽ lưu ý tất cả các mạch ảo này khi di chuyển quanh khu vực có sự cố.6.3 Điều khiển tắc nghẽnGiả sử một máy trạm gắn với Bộ định tuyến A muốn kết nối với máy trạm gắn với Bộ định tuyến B. Đây là liên kết sẽ đi qua một trong những Bộ định tuyến bị tắc nghẽn. Để tránh tình trạng này, chúng ta có thể sử dụng mạng con như hình (b), bỏ qua các Bộ định tuyến bị tắc nghẽn và tất cả các đường nối đến chúng. Đường không liền nét từ A đến B (hình b) là đường có thể đi của mạch ảo để tránh những Bộ định tuyến bị tắc nghẽn. 6.3 Điều khiển tắc nghẽnMột phương pháp khác liên quan điều khiển tắc nghẽn ở mạng con mạch ảo là thỏa thuận giữa máy chủ và mạng con khi thiết lập mạch ảo. Sự thỏa thuận này thường chỉ định rõ dung lượng, chất lượng dịch vụ yêu cầu và một số tham số khác. Mạng con sẽ lưu giữ thông tin thỏa thuận này dọc đường dẫn khi mạch được thiết lập. Theo cách này tắc nghẽn chắc chắn không xảy ra ở những mạch ảo mới bởi vì khi thiết lập mạch ảo mới, tất cả các thông tin cần thiết nêu trên phải bảo đảm có sẵn. 6.4 Chất lượng dịch vụChất lượng dịch vụ được đặc trưng bởi một số tham số đặc biệt như sau:Thời gian thiết lập liên kết: là thời gian từ khi gửi yếu cầu tới thời điểm nhận được xác nhận liên kết.Xác suất không thành công của thiết lập liên kết: là tỷ lệ yêu cầu liên kết không được chấp nhận trong một thời hạn tối đa.Lưu lượng kết nối: là số byte hữu ích có thể truyền trong 1 giây.Thời gian chuyển tiếp: là thời gian giữa thời điểm người sử dụng dịch vụ của lớp giao vận gửi một tin báo và thời điểm lớp giao vận đầu thu nhận được. Đánh giá theo hai chiều.6.4 Chất lượng dịch vụTỷ lệ lỗi: là tỷ số giữa dữ liệu bị lỗi (mất) trên tổng số dữ liệu được truyền trong một chu kỳ cho trước.Xác xuất sự cố truyền: là tỷ số giữa thời gian có sự cố trong một chu kỳ quan sát.Thời gian hủy liên kết: là thời gian từ khi một người sử dụng phát yêu cầu hủy liên kết đến khi liên kết được hủy thật sự tại đầu cuối từ xa.Xác xuất lỗi khi hủy liên kết: là tỷ số yêu cầu hủy liên kết không được thực hiện trong thời gian lớn nhất.6.4 Chất lượng dịch vụKhả năng bảo vệ: là khả năng của người sử dụng cấm thiết bị đầu cuối bên ngoài chen vào hoặc do giao thoa trên đường dây hoặc do thay đổi dữ liệu truyền.Thông số ưu tiên: cho phép người sử dụng có quyền ưu tiên cao hơn được phục vụ đối với một liên kết.Thông số hủy bỏ: để lớp giao vận tự quyết định hủy liên kết do tắc nghẽn hay do các vấn đề bên trong mạng.Người sử dụng khi yêu cầu liên kết sẽ gửi tất cả các thông số với các giá trị yêu cầu hay giá trị tối thiểu tới lớp giao vận và bắt đầu quá trình đàm thoại về các tham số đó6.5 Giao thức lớp mạng của mạng Internet6.5.1 Giao thức IP a. Giới thiệuGiao thức Internet (IP) là giao thức lớp mạng dùng để truyền dữ liệu qua các mạng kết hợp. Giao thức IP được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu sau:Thiếp lập hệ thống mạng có thể kết nối được các loại máy tính, các thiết bị định tuyến được chế tạo từ các nhà sản xuất khác nhau. Đáp ứng được sự phát triển nhanh chóng của các loại mạng khác nhau đồng thời thừa kế được công nghệ mạng cũ.Hỗ trợ dịch vụ truyền dữ liệu có kết nối và không kết nối cho các tầng trên. 6.5 Giao thức lớp mạng của mạng InternetGiao thức IP cung cấp phương thức truyền các Datagram trên một mạng kết hợp bất kỳ. Cũng giống như một khung dữ liệu trong mạng vật lý. Khái niệm Datagram bao gồm hai phần phần đầu IP header (nơi chứa các thông tin cần thiết cho việc truyền dữ liệu như địa chỉ nguồn , đích...) và phần dữ liệu ( Unit of Data). IP headerUnit of DataDatagram6.5 Giao thức lớp mạng của mạng InternetMỗi Datagram được truyền độc lập với nhau, do vậy thứ tự các Datagram nhận được có thể khác thứ tự các Datagram lúc phát đi. Giao thức IP không chịu trách nhiệm về việc các Datagram sẽ được truyền đến đích an toàn hay không. Giao thức IP chỉ có trách nhiệm về truyền các Datagram càng nhanh càng tốt, các Datagram có thể bị mất trong quá trình truyền do các nguyên nhân sau đây:Xuất hiện bit lỗi trong quá trình truyền.Sự quá tải của các bộ đệmChưa tìm được đường truyền nào tới đích6.5 Giao thức lớp mạng của mạng InternetTất cả các biện pháp nhằm đảm bảo các Datagram được truyền đến đích một cách an toàn, đầy đủ và khôi phục các dữ liệu đã mất đều do TCP đảm nhiệm. 6.5 Giao thức lớp mạng của mạng Internetb. Ý nghĩa của giao thức IP (Internet Protocol).Giao thức IP là giao thức có cơ chế truyền dữ liệu không kết nối, có độ tin cậy thấp. Giao thức IP có 3 ý nghĩa quan trọng:Giao thức IP định nghĩa đơn vị cơ sở dữ liệu truyền đi trên mạng Internet thông qua một kết nối TCP/IP. Nói một cách khác là nó xác định định dạng chính xác của tất cả dữ liệu khi truyền qua mạng Internet.Phần mềm IP thực hiện chức năng định tuyến (routing) cho phép chọn một con đường để gửi dữ liệu đi.6.5 Giao thức lớp mạng của mạng InternetCùng với độ chính xác, đặc tả chính xác của định dạng dữ liệu và việc định tuyến, Giao thức IP bao gồm một tập hợp các quy tắc thể hiện cơ chế truyền dữ liệu không kết nối và có độ tin cậy thấp. Các quy tắc này đặc trưng cho cách mà máy tính và bộ định tuyến xử lý các gói dữ liệu, làm thế nào và khi nào thì các thông điệp lỗi phát sinh, và dưới những điều kiện nào thì các gói dữ liệu được hủy bỏ. 6.5 Giao thức lớp mạng của mạng Internet c. Khuôn dạng dữ liệu của giao thức IP (IP Datagram).Bản tin ở lớp giao vận có độ dài 64 Kbytes được chuyển xuống lớp mạng. Giao thức IP cắt bản tin này thành các gói nhỏ gửi đi (IP datagram). Khi đến nơi nhận, chúng được tập hợp lại bởi lớp giao vận để tạo lại bản tin ban đầu.Một IP Datagram gồm có phần mào đầu (Header) và phần dữ liệu (Data). Phần mào đầu có một phần cố định là 20 byte và một phần tùy ý có độ rộng thay đổi như minh họa ở hình vẽ 6.5 Giao thức lớp mạng của mạng InternetVersion (4--bit) : Chỉ phiên bản của IP hiện hành được cài đặt, để đảm bảo tính tương thích.IHL (4-bit): Chỉ độ dài phần đầu, để đảm bảo có thể nâng cấp, thêm các thành phần vào cho cấu trúc mà không làm ảnh hưởng đến các phần khác.6.5 Giao thức lớp mạng của mạng InternetTotal length (16-bit): Trường này chứa độ dài của Datagram (bao gồm header và Data) đo bằng byte. Do số bit của trường này là 16 bit nên độ dài lớn nhất có thể là 65535 byte. IP chuẩn yêu cầu tất cả các máy phải có khả năng nhận Datagram có độ dài 576 byte.Flags (3-bit): liên quan đến phân đọan các datagramHeader checksum (16-bit): mã kiểm sóat lỗi CRC.Options: lựa chọn chứa danh sách địa chỉ của Bộ định tuyến mà datagram đi quaPadding: là vùng đệm.6.5 Giao thức lớp mạng của mạng InternetProtocol (8-bit): chỉ giao thức tầng trên kế tiếp TCP hay UDPTime to Live (8-bit): Trường Time-to-live (TTL) chứa số giây lớn nhất có thể (nhiều nhất là 255 giây) mà Datagram được phép tồn tại trong mạng trước khi tới đích, bất cứ một Datagram nào không tới đích trong khoảng thời gian TTL thì sẽ bị loại bỏ.Identification (16-bit): định danh duy nhất cho một datagram DF (Don’t Fragment), MF (More Fragment): không sử dụng, kích thước 1 bit6.5 Giao thức lớp mạng của mạng InternetFragment Offset (13-bit): chỉ vị trí của đọan ở trong datagram. Các trường Indentification, Fragment Offset đóng một vai trò quan trọng trong quá trình phân đoạn (ở đầu phát) và ghép nối ở máy nhận, trường Indentification chứa nội dung cho phép máy nhận biết được phân đoạn của Datagram có thuộc một Datagram hay không.Type of service (8-bit): đặc tả các tham số về dịch vụ như độ trễ, thông lượng, quyền ưu tiên, độ tin cậy. 6.5 Giao thức lớp mạng của mạng InternetTrường này chứa thông tin về quyền ưu tiên truyền các Datagram và những ảnh hưởng có thể xảy ra trong quá trình truyền các Datagram đó. Trường này có độ dài 8 bit, IP chuẩn không yêu cầu chỉ ra các hành động cụ thể dựa trên các giá trị của trường Type of Service. IP chỉ định sử dụng nó trong việc thiết lập các tùy chọn cho các mạng con mà nó sẽ truyền qua trong bước nhảy tới.