Luận văn Thạc sĩ Công nghệ thông tin: Giải pháp cổng biên dịch địa chỉ mạng cho các giao thức giao vận dùng cho ứng dụng hội thảo video từ xa trên internet

Chia sẻ: Dopamine Grabbi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:83

Thêm vào BST

Báo xấu

40
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn đề cập nghiên cứu và giải quyết ở đây là xây dựng một hệ thống cổng biên dịch địa chỉ mạng, giúp cung cấp một địa chỉ IP duy nhất cho mỗi thành phần xử lý của hệ thống, đồng thời giúp phân tải xử lý các giao dịch cho các ứng dụng nội bộ để giao tiếp với hệ thống bên ngoài. Hệ thống này đã được áp dụng cho các ứng dụng viễn thông lớn đang triển khai tại tập đoàn Viettel, đặc biệt là hệ thống 5G Core, một hệ thống mạng tiên tiến nhất hiện nay. Mời các bạn tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Công nghệ thông tin: Giải pháp cổng biên dịch địa chỉ mạng cho các giao thức giao vận dùng cho ứng dụng hội thảo video từ xa trên internet

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ──────── * ─────── NGUYỄN TIẾN UY GIẢI PHÁP CỔNG BIÊN DỊCH ĐỊA CHỈ MẠNG CHO CÁC GIAO THỨC GIAO VẬN DÙNG CHO ỨNG DỤNG HỘI THẢO VIDEO TỪ XA TRÊN INTERNET LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI 06 – 2021
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ──────── * ─────── NGUYỄN TIẾN UY GIẢI PHÁP CỔNG BIÊN DỊCH ĐỊA CHỈ MẠNG CHO CÁC GIAO THỨC GIAO VẬN DÙNG CHO ỨNG DỤNG HỘI THẢO VIDEO TỪ XA TRÊN INTERNET NGÀNH : CÔNG NGHỆ THÔNG TIN CHUYÊN NGÀNH : HỆ THỐNG THÔNG TIN MÃ SỐ : 8480104.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN ĐÌNH VIỆT HÀ NỘI 06 – 2021
LỜI CAM ĐOAN Với mục đích học tập, nghiên cứu để nâng cao kiến thức và trình độ chuyên môn nên tôi đã làm luận văn này một cách nghiêm túc và hoàn toàn trung thực. Trong luận văn tôi có sử dụng một số tài liệu tham khảo của một số tác giả. Tôi đã chú thích và nêu ra trong phần tài liệu tham khảo ở cuối luận văn. Tôi xin cam đoan và chịu trách nhiệm về nội dung và sự trung thực trong luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ của mình. Hà Nội, ngày 06 tháng 06 năm 2021 Nguyễn Tiến Uy 3
LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trường Đại Học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội, đặc biệt là các thầy cô của khoa Công Nghệ Thông Tin đã truyền đạt cho tôi những kiến thức, kinh nghiệm vô cùng quý báu trong suốt thời gian qua. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS. Nguyễn Đình Việt – giảng viên khoa Công Nghệ Thông tin – Trường Đại học Công Nghệ đã tận tình giúp đỡ, trực tiếp chỉ bảo và hướng dẫn tận tình trong suốt quá trình làm luận văn. Cuối cùng, tôi xin được cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã động viên, đóng góp ý kiến và giúp đỡ trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Do thời gian, kiến thức và kinh nghiệm của tôi còn hạn chế nên luận văn có thể vẫn còn những sai sót. Tôi hy vọng sẽ nhận được những ý kiến nhận xét, góp ý của các thầy cô giáo và các bạn để luận văn được hoàn hiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 06 tháng 06 năm 2021 Nguyễn Tiến Uy 4
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................................... 3 LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................................. 4 MỤC LỤC ...................................................................................................................................... 5 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ..................................................................... 7 DANH MỤC HÌNH VẼ................................................................................................................ 10 DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................................... 11 MỞ ĐẦU ...................................................................................................................................... 12 CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................................. 14 1.1. Mạng Internet ..................................................................................................................... 14 1.1.1. Tổng quan mạng Internet [1] ....................................................................................... 14 1.1.2. Bộ giao thức Internet TCP/IP [2] ................................................................................ 14 1.1.3. Định tuyến trong mạng Internet [3] ............................................................................. 20 1.1.4. Lưu lượng mạng [4]..................................................................................................... 24 1.2. Giao thức IPv4 và IPv6 ...................................................................................................... 25 1.2.1. IPv4 [5][12] ................................................................................................................. 25 1.2.2. IPv6 [6][13] ................................................................................................................. 30 1.2.3. So sánh IPv6 với IPv4 [7]............................................................................................ 34 1.3. Các giao thức áp dụng trong biên dịch địa chỉ mạng ......................................................... 36 1.3.1. Giao thức TCP [8][14] ................................................................................................. 36 1.3.2. Giao thức UDP [9][15] ................................................................................................ 39 1.3.3. Giao thức SCTP [10][16] ............................................................................................ 40 1.4. Các vấn đề mà luận văn nghiên cứu và giải quyết ............................................................. 42 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TUYẾN VÀ BIÊN DỊCH ĐỊA CHỈ MẠNG ................. 44 2.1. Giới thiệu phương pháp...................................................................................................... 44 2.2. Áp dụng phương pháp ........................................................................................................ 45 2.2.1. Bước 1: Khởi tạo tài nguyên xử lý hệ thống (initProcessSystem) .............................. 46 2.2.2. Bước 2: Thiết lập địa chỉ IP của cổng biên dịch địa chỉ mạng (initNatIP) .................. 47 5
2.2.3. Bước 3: Thiết lập bảng cấu hình thông tin định tuyến và biên dịch địa chỉ mạng (establishNatCfg) ................................................................................................................... 47 2.2.4. Bước 4: xác định địa chỉ MAC cho các địa chỉ IP tương tác với Hệ thống (updateMAC) ............................................................................................................................................... 50 2.2.5. Bước 5: xử lý gói tin nhận được để định tuyến và biên dịch địa chỉ mạng (natProcessing) ............................................................................................................................................... 51 CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG THỰC TẾ VÀ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC ............................................. 55 3.1. Hệ thống thử nghiệm 5G Core được áp dụng .................................................................... 55 3.2. Tổ chức hoạt động của hệ thống ........................................................................................ 57 3.3. Giao diện quản lý giám sát hệ thống .................................................................................. 61 3.4. Kết quả xử lý các nghiệp vụ ............................................................................................... 65 3.4.1. Luồng xử lý khi hệ thống nội bộ có vai trò là máy khách ........................................... 65 3.4.2. Luồng xử lý khi hệ thống nội bộ có vai trò là máy chủ ............................................... 67 3.4.3. Luồng xử lý cho các ứng dụng hội thảo video từ xa trên Internet ............................... 68 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................................................................... 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................................ 71 PHỤ LỤC...................................................................................................................................... 72 1. Quyết định chấp nhận đơn đăng ký sáng chế từ cục sở hữu trí tuệ ................................... 72 2. Tờ khai đăng ký sáng chế “Phương pháp định tuyến và biên dịch địa chỉ mạng” ............ 73 6
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu viết tắt Thuật ngữ đầy đủ Giải thích 5G 5 Generation Thế hệ mạng di động thứ 5. Là phần xử lý lõi các dịch vụ trên hệ 5G Core 5G Core thống mạng di động 5G. Là một giao thức truyền thông sử dụng để ARP Address Resolution Protocol tìm địa chỉ MAC ở tầng liên kết dữ liệu khi cho địa chỉ IP của máy chủ. Phương pháp để tổng hợp nhiều cạc mạng Bond Bond thành một cạc mạng lôgic duy nhất. Phương pháp định tuyến liên miền dùng CIDR Classless Inter-Domain Routing địa chỉ IP không phân lớp. Là một thuật toán tổng kiểm phổ biến CRC32 được sử dụng để phát hiện lỗi dữ liệu. DNS Domain Name System Hệ thống tên miền. Là một dự án phần mềm mã nguồn mở, nó bao gồm các thư viện để tăng tốc khối DPDK Data Plane Development Kit lượng công việc xử lý gói tin và chạy trên nhiều kiến trúc bộ xử lý CPU. Là một hệ thống viễn thông cung cấp dữ EPC Evolved Packet Core liệu và thoại hội tụ trên mạng 4G. FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền tập tin. GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp. Là một nhóm các giao thức truyền thông GTP GPRS Tunnelling Protocol dựa trên IP cho mạng GPRS. GTPv2 GPRS Tunnelling Protocol Là giao thức GTP phiên bản 2. 7
Giao thức điều khiển liên kết dữ liệu mức HDLC High-Level Data Link Control cao. HTTP HyperText Transfer Protocol Giao thức truyền tải siêu văn bản. Internet Assigned Numbers IANA Tổ chức cấp phát số hiệu Internet. Authority Internet Corporation for ICANN Tập đoàn Internet cấp số và tên miền. Assigned Names and Numbers Internet Control Message ICMP Giao thức bản tin điều khiển Internet. Protocol Lực lượng chuyên trách về kỹ thuật IETF Internet Engineering Task Force Internet. Internet Group Management IGMP Giao thức quản lý nhóm Internet. Protocol Là một kiến trúc khung cho việc truyền đa IMS IP Multimedia Subsystem phương tiện dựa trên IP. IPSEC Internet Protocol Security Giao thức IP có bảo mật. Thuật toán so khớp chuỗi Knuth–Morris– KPM Knuth–Morris–Pratt algorithm Pratt. LAN Local Area Network Mạng máy tính cục bộ. MAC Media Access Control Điều khiển truy cập phương tiện truyền. Phương pháp ánh xạ một không gian địa chỉ IP vào một không gian địa chỉ IP khác NAT Network address translation cho gói tin khi chúng được truyền qua một thiết bị định tuyến. Một giao thức báo hiệu được sử dụng NGAP NG Application Protocol trong mạng 5G. 8
Network Interface NIC Bộ điều khiển giao diện mạng. Controller/Card Open Systems Interconnection Mô hình tham chiếu kết nối các hệ thống OSI Model Model mở. Packet Forwarding Control PFCP Giao thức điều khiển chuyển tiếp gói. Protocol Public switched telephone PSTN Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng. network RSVP Resource Reservation Protocol Giao thức dành riêng tài nguyên. RTP Real-time Transport Protocol Giao thức giao vận thời gian thực. Giao thức giao vận điều khiển luồng, là Stream Control Transmission SCTP một giao thức truyền thông ở tầng giao Protocol vận của bộ giao thức mạng. SMTP Simple Mail Transfer Protocol Giao thức truyền tải thư điện tử đơn giản Giao thức điều khiển truyền, là một trong TCP Transmission Control Protocol các giao thức chính của bộ giao thức Internet. Giao thức dữ liệu người dùng, là một UDP User Datagram Protocol trong các giao thức chính của bộ giao thức Internet. 9
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1: Mô hình TCP/IP và OSI ......................................................................... 15 Hình 1-2: Truyền thông giữa các thực thể giao thức trong mạng TCP/IP ............. 16 Hình 1-3: Việc đóng gói gói tin của các tầng giao thức TCP/IP ............................ 16 Hình 1-4: Cơ chế định tuyến unicast ...................................................................... 22 Hình 1-5: Cơ chế định tuyến Broadcast ................................................................. 22 Hình 1-6: Cơ chế định tuyến Multicast .................................................................. 23 Hình 1-7: Cơ chế định tuyến Anycast .................................................................... 23 Hình 1-8: Cơ chế định tuyến Geocast .................................................................... 24 Hình 1-9: Định dạng tiêu đề IPv4 .......................................................................... 26 Hình 1-10: Sự phân rã của biểu diễn địa chỉ IPv4.................................................. 29 Hình 1-11: Cấu trúc tiêu đề gói tin IPv6 ................................................................ 31 Hình 1-12: Tiêu đề mở rộng IPv6 .......................................................................... 33 Hình 1-13: Cấu trúc tiêu đề gói tin TCP ................................................................ 36 Hình 1-14: Các thành tính toán lên tổng kiểm tra tại tầng TCP ............................. 38 Hình 1-15: Cấu trúc tiêu đề gói tin UDP ................................................................ 39 Hình 1-16: Cấu trúc gói tin SCTP .......................................................................... 40 Hình 1-17: Cơ chế Multihoming ............................................................................ 42 Hình 2-1: Mô hình tổng quan hệ thống cổng biên dịch địa chỉ mạng .................... 44 Hình 2-2: Cơ chế hoạt động của hệ thống cổng biên dịch địa chỉ mạng................ 46 Hình 3-1: Mô hình mạng 5G .................................................................................. 56 Hình 3-2: Hệ thống thử nghiệm 5G Core ............................................................... 57 Hình 3-3: Thư mục hệ thống cổng biên dịch địa chỉ mạng .................................... 58 Hình 3-4: Giám sát thông tin tài nguyên xử lý ....................................................... 64 Hình 3-5: Luồng giao tiếp gói tin qua cổng biên dịch ........................................... 66 Hình 3-6: Danh sách gói tin UDP gửi nhận tại cổng biên dịch. ............................. 67 Hình 3-7: Luồng giao tiếp gói tin qua cổng biên dịch ........................................... 68 Hình 3-8: Ứng dụng hội thảo video từ xa thông qua nền tảng 5G Core Viettel .... 69 Hình A-1: Quyết định từ cục Sở hữu trí tuệ ........................................................... 72 Hình A-2: Tờ khai đăng ký sáng chế...................................................................... 76 10
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1: Thứ tự tiêu đề tiện ích mở rộng IPv6 trong một gói tin ........................ 33 Bảng 1-2: Bảng so sánh IPv4 với IPv6 .................................................................. 34 Bảng 2-1: Bảng cấu hình quy tắc định tuyến ......................................................... 48 Bảng 2-2: Bảng lưu trữ dữ liệu ánh xạ cổng dịch chuyển ...................................... 49 Bảng 3-1: Cấu hình phần cứng thử nghiệm hệ thống............................................. 57 Bảng 3-2: Bảng cấu hình quy tắc định tuyến cho hệ thống thử nghiệm 5G Core.. 59 Bảng 3-3: Xử lý nghiệp vụ tại cổng biên dịch khi ứng dụng nội bộ là Client. ...... 65 Bảng 3-4: Xử lý nghiệp vụ tại cổng biên dịch khi ứng dụng nội bộ là Server. ...... 67 11
MỞ ĐẦU Hiện nay, khi phát triển các hệ thống phần mềm, rất nhiều hệ thống yêu cầu phải có sự tương tác, trao đổi gói tin giữa nhiều thành phần nút mạng độc lập. Điều này được thể hiện rất rõ trong các sản phẩm phần mềm viễn thông, như tại Viettel nơi Tôi công tác, hầu hết các hệ thống phần mềm thì đều phải có sự tương tác với nhiều thành phần nút mạng xử lý khác nhau. Đặc biệt như dự án 5G Core mà tôi đang tham gia xây dựng, để xử lý được các dịch vụ của khách hàng như các dịch vụ thoại, các dịch vụ kết nối Internet như các ứng dụng hội thảo video từ xa trên Internet, … thì hệ thống phải tương tác với nhiều hệ thống trong mạng viễn thông khác. Yêu cầu đặt ra trong các kết nối giữa các hệ thống nút mạng khác nhau là các thành phần của hệ thống 5G Core chỉ được khai báo thông tin của một địa chỉ IP duy nhất phục vụ trao đổi bản tin với các nút mạng tương tác với mình, tuy nhiên để đảm bảo năng lực xử lý của mình, các thành phần của hệ thống 5G Core sẽ phải được xử lý phân tán trên nhiều máy chủ khác nhau giúp phân tải xử lý hệ thống. Do đó hệ thống cần có một nút mạng đóng vai trò giao tiếp tập trung với các hệ thống bên ngoài, khi đó vừa đáp ứng được yêu cầu chỉ có một địa chỉ duy nhất giao tiếp với các hệ thống bên ngoài, vừa đảm bảo được năng lực xử lý của hệ thống. Do vậy vấn đề luận văn đề cập nghiên cứu và giải quyết ở đây là xây dựng một hệ thống cổng biên dịch địa chỉ mạng, giúp cung cấp một địa chỉ IP duy nhất cho mỗi thành phần xử lý của hệ thống, đồng thời giúp phân tải xử lý các giao dịch cho các ứng dụng nội bộ để giao tiếp với hệ thống bên ngoài. Hệ thống này đã được áp dụng cho các ứng dụng viễn thông lớn đang triển khai tại tập đoàn Viettel, đặc biệt là hệ thống 5G Core, một hệ thống mạng tiên tiến nhất hiện nay, nó là nền tảng để cho phép triển khai các ứng dụng thời gian thực, được áp dụng rộng rãi trong các lĩnh vực của xã hội, điển hình như các ứng dụng hội thảo video từ xa trên Internet với hình ảnh mượt mà và trôi trải hầu như không cảm nhận có độ trễ. Luận văn có bố cục gồm 3 chương: Chương 1: Cơ sở lý thuyết Chương này giới thiệu về Internet, bộ giao thức Internet TCP/IP, việc định tuyến trong mạng Internet và lưu lượng mạng. Tiếp theo sẽ giới thiệu về giao thức IPv4, IPv6 và các vấn đề và giải pháp IPv4. Sau đó sẽ trình bày các vấn đề mà luận văn nghiên cứu và giải quyết. 12
Chương 2: Phương pháp định tuyến và biên dịch địa chỉ mạng Chương này trình bày chi tiết về giải pháp định tuyến và biên dịch địa chỉ mạng, các chức năng và cơ chế xử lý của hệ thống. Chương 3: Áp dụng thực tế và kết quả đạt được Chương này sẽ trình bày các ứng dụng thực tế cho hệ thống nghiên cứu và các kết quả tương ứng. Cuối cùng là một số kết luận và hướng phát triển trong tương lai. 13
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1. Mạng Internet 1.1.1. Tổng quan mạng Internet [1] Internet là hệ thống mạng máy tính toàn cầu sử dụng bộ giao thức TCP/IP để kết nối các mạng và các thiết bị. Nó là một mạng lưới bao gồm mạng tư nhân, công cộng, học thuật, doanh nghiệp và chính phủ trên phạm vi địa phương đến toàn cầu, được liên kết bởi các đường truyền theo các công nghệ truyền dẫn khác nhau, có thể là có dây, không dây và quang học. Internet cung cấp một loạt các tài nguyên và dịch vụ thông tin, chẳng hạn như các tài liệu siêu văn bản được liên kết với nhau và các ứng dụng của World Wide Web (WWW), thư điện tử, điện thoại, chia sẻ tệp và đặc biệt các ứng dụng mạng xã hội đang rất phát triển hiện nay. Hầu hết các phương tiện truyền thông truyền thống, bao gồm điện thoại, phát thanh, truyền hình, thư giấy và báo chí được định hình lại, xác định lại hoặc thậm chí bị loại bỏ. Qua Internet, nhiều dịch vụ mới như email, VoIP, truyền hình Internet, hội thảo video từ xa trên Internet, âm nhạc trực tuyến, báo kỹ thuật số và các trang web truyền phát video đã xuất hiện và trở nên phổ biến. Báo, sách và xuất bản in khác đang thích ứng với công nghệ trang web hoặc được định hình lại thành blog, web feed và tổng hợp tin tức trực tuyến. Internet đã cho phép và tăng tốc các hình thức tương tác cá nhân mới thông qua tin nhắn tức thời, diễn đàn Internet và mạng xã hội. Mua sắm trực tuyến đã tăng theo cấp số nhân cho cả các nhà bán lẻ lớn và các doanh nghiệp nhỏ và doanh nhân, vì nó cho phép các công ty mở rộng sự hiện diện sản phẩm của họ để phục vụ thị trường lớn hơn hoặc thậm chí bán hàng hóa và dịch vụ hoàn toàn trực tuyến. Các dịch vụ từ doanh nghiệp đến doanh nghiệp và tài chính trên Internet ảnh hưởng đến chuỗi cung ứng trên toàn bộ các ngành công nghiệp. 1.1.2. Bộ giao thức Internet TCP/IP [2] Bộ giao thức Internet là mô hình khái niệm và tập hợp các giao thức truyền thông được sử dụng trong Internet và các mạng máy tính tương tự. Nó thường được gọi là TCP/IP vì các giao thức nền tảng trong bộ này là giao thức điều khiển truyền (TCP) và giao thức Internet (IP). Bộ giao thức Internet cung cấp các quy tắc về việc truyền dữ liệu end-to-end, cách dữ liệu sẽ được đóng gói, định địa chỉ, truyền, định tuyến và nhận. Chức năng này được tổ 14
chức thành bốn lớp trừu tượng, phân loại tất cả các giao thức liên quan theo phạm vi mạng. Các tầng gia thức và chức năng của chúng so với mô hình OSI được thể hiện trong Hình 1-1. TCP/IP Model OSI Model 7 Application Application 6 Presentation 5 Session Transport 4 Transport Network 3 Network 2 Data Link Network Access Layer 1 Physical Hình 1-1: Mô hình TCP/IP và OSI Truyền thông giữa các thực thể giao thức trong mạng TCP/IP được miêu tả theo Hình 1-2. Gói tin khi được gửi từ lớp ứng dụng xuống các lớp phía dưới sẽ được đóng gói thêm các thành phần dữ liệu mà tầng giao thức quản lý, được gọi là header, việc đóng gói và xử lý gói tin qua các chồng giao thức TCP/IP được thể hiện trong Hình 1-3. 15
Hình 1-2: Truyền thông giữa các thực thể giao thức trong mạng TCP/IP Hình 1-3: Việc đóng gói gói tin của các tầng giao thức TCP/IP Lớp truy cập mạng (Network Access Layer) Lớp này tương ứng với sự kết hợp của Lớp liên kết dữ liệu và Lớp vật lý của mô hình OSI. Nó tìm kiếm địa chỉ phần cứng và các giao thức có trong lớp này cho phép truyền dữ liệu vật lý. 16
Các giao thức của lớp liên kết hoạt động trong phạm vi kết nối mạng cục bộ mà máy chủ được gắn vào. Chế độ này được gọi là liên kết dữ liệu (data link) và là lớp thành phần thấp nhất của bộ giao thức. Liên kết bao gồm tất cả các máy chủ có thể truy cập được mà không cần qua bộ định tuyến. Do đó, kích thước của liên kết được xác định bởi thiết kế phần cứng mạng. Về nguyên tắc, TCP/IP được thiết kế để độc lập với phần cứng và có thể được thực hiện trên hầu hết mọi công nghệ lớp liên kết. Điều này không chỉ bao gồm triển khai phần cứng mà còn bao gồm các lớp liên kết ảo như mạng riêng ảo và đường hầm mạng. Lớp truy cập mạng được sử dụng để di chuyển các gói giữa các giao diện lớp MAC (Ethernet) của hai máy chủ khác nhau trên cùng một liên kết. Quá trình truyền và nhận các gói tin trên liên kết có thể được điều khiển trong trình điều khiển thiết bị cho card mạng, cũng như trong phần mềm tương tác trực tiếp với phần cứng (firmware) hoặc bởi các chipset chuyên dụng. Các chức năng này bao gồm: Đóng khung tin (frame), để chuẩn bị các gói tin ở lớp Ethernet để truyền, và cuối cùng là truyền các khung đến lớp vật lý và qua một phương tiện truyền dẫn. Mô hình TCP/IP bao gồm các thông số kỹ thuật để dịch các phương pháp đánh địa chỉ mạng được sử dụng trong bộ giao thức Internet sang các địa chỉ lớp liên kết, chẳng hạn như địa chỉ lớp điều khiển truy cập phương tiện truyền (MAC). Tuy nhiên, tất cả các khía cạnh khác bên dưới mức đó đều được giả định là tồn tại và không được xác định rõ ràng trong mô hình TCP/IP. Lớp Network hay còn gọi là lớp Internet Kết nối Internet yêu cầu gửi dữ liệu từ mạng nguồn đến mạng đích. Quá trình này được gọi là định tuyến và được hỗ trợ bởi địa chỉ máy chủ và nhận dạng bằng cách sử dụng hệ thống địa chỉ IP phân cấp. Lớp Internet cung cấp một phương tiện truyền dữ liệu không đáng tin cậy giữa các máy chủ đặt trên các mạng IP có khả năng khác nhau bằng cách chuyển tiếp các gói dữ liệu tới một bộ định tuyến next-hop thích hợp để chuyển tiếp tới đích của nó. Lớp Internet có trách nhiệm gửi các gói qua nhiều mạng tiềm năng. Với chức năng này, lớp Internet có thể kết nối Internet các mạng IP khác nhau và về cơ bản nó thiết lập Internet. Lớp Internet không phân biệt giữa các giao thức lớp giao vận khác nhau. IP mang dữ liệu cho nhiều loại giao thức lớp trên khác nhau, ví dụ: Giao thức thông báo điều khiển 17
Internet (ICMP) và Giao thức quản lý nhóm Internet (IGMP) lần lượt có giá trị với trường giao thức ở lớp Internet tương ứng là 1 và 2. Giao thức Internet là thành phần chính của lớp Internet và nó xác định hai địa chỉ IP để xác định các máy chủ mạng và định vị chúng trên mạng. Lớp giao vận (Transport Layer) Lớp giao vận thiết lập các kênh dữ liệu cơ bản mà các ứng dụng sử dụng để trao đổi dữ liệu theo nhiệm vụ cụ thể. Lớp này thiết lập kết nối từ máy chủ đến máy chủ dưới dạng các dịch vụ truyền thông điệp đầu cuối độc lập với mạng bên dưới và không phụ thuộc vào cấu trúc dữ liệu người dùng và logic nghiệp vụ trao đổi thông tin. Kết nối ở lớp giao vận có thể được phân loại là hướng kết nối, được thực hiện trong TCP hoặc không kết nối, được thực hiện trong UDP. Các giao thức trong lớp này có thể cung cấp khả năng kiểm soát lỗi, phân đoạn (segmentation), kiểm soát luồng, kiểm soát tắc nghẽn và định địa chỉ ứng dụng (theo số cổng). Với mục đích cung cấp các kênh truyền dẫn theo quy trình cụ thể cho các ứng dụng, lớp này thiết lập khái niệm về cổng mạng. Đây là một cấu trúc logic được đánh số và được phân bổ cụ thể cho từng kênh giao tiếp mà ứng dụng cần. Đối với nhiều loại dịch vụ, số cổng này đã được tiêu chuẩn hóa để các máy khách có thể xử lý các dịch vụ cụ thể của máy chủ mà không cần đến các dịch vụ thư mục hoặc dịch vụ khám phá liên quan. Vì IP chỉ cung cấp dịch vụ phân phối gói tin với nỗ lực tốt nhất (Best-Effort), nên một số giao thức lớp giao vận được bổ sung một số cơ chế để cung cấp dịch vụ giao vận tin cậy. TCP là một giao thức hướng kết nối giải quyết nhiều vấn đề về độ tin cậy trong việc cung cấp luồng byte đáng tin cậy:  Dữ liệu được gửi/nhận theo thứ tự;  Dữ liệu được đảm bảo tính đúng đắn;  Dữ liệu trùng lặp bị loại bỏ;  Các gói bị mất hoặc bị loại bỏ được gửi lại;  Điều khiển lưu lượng và tắc nghẽn. 18
Giao thức truyền điều khiển luồng (SCTP) mới hơn cũng là một cơ chế truyền tải hướng kết nối đáng tin cậy. Nó được định hướng theo luồng thông điệp, không phải theo luồng byte như TCP và cung cấp nhiều luồng được ghép kênh trên một kết nối duy nhất. Nó cũng cung cấp hỗ trợ thực hiện multihoming, trong đó một đầu kết nối có thể được biểu diễn bằng nhiều địa chỉ IP (đại diện cho nhiều giao diện vật lý), sao cho nếu một trong những đường đó bị lỗi, kết nối không bị gián đoạn. Độ tin cậy cũng có thể đạt được bằng cách sử dụng giao thức liên kết dữ liệu đáng tin cậy như điều khiển liên kết dữ liệu mức cao (HDLC). Giao thức UDP (User Datagram Protocol) là một giao thức phi kết nối, giống như IP, nó là một giao thức không đáng tin cậy. UDP thường được sử dụng cho các ứng dụng đa phương tiện, truyền trực tuyến (âm thanh, video, thoại qua IP, v.v.), trong đó việc truyền gói tin đến đúng giờ quan trọng hơn độ tin cậy hoặc cho các ứng dụng kiểu truy vấn/phản hồi đơn giản như tra cứu DNS, trong đó chi phí thiết lập kết nối đáng tin cậy có độ lớn không tương xứng. Giao thức giao vận thời gian thực (RTP) là một giao thức ứng dụng sử dụng giao thức UDP và được thiết kế cho dữ liệu thời gian thực như phương tiện truyền trực tuyến. Các ứng dụng tại bất kỳ địa chỉ mạng nhất định nào được phân biệt bằng cổng TCP hoặc UDP của chúng. Theo quy ước, một số cổng thường dùng được dành sẵn cho các ứng dụng cụ thể. Lớp ứng dụng (Application layer) Lớp ứng dụng bao gồm các giao thức được hầu hết các ứng dụng sử dụng để cung cấp dịch vụ người dùng hoặc trao đổi dữ liệu ứng dụng qua các kết nối mạng được thiết lập bởi các giao thức cấp thấp hơn. Chúng có thể bao gồm một số dịch vụ hỗ trợ mạng cơ bản như các giao thức để định tuyến và cấu hình máy chủ. Ví dụ về giao thức lớp ứng dụng bao gồm Giao thức truyền siêu văn bản - HTTP, Giao thức truyền tệp -FTP, Giao thức truyền thư đơn giản - SMTP và giao thức cấu hình máy chủ động - DHCP. Dữ liệu được mã hóa theo giao thức lớp ứng dụng được đóng gói thành các đơn vị giao thức tầng giao vận (chẳng hạn như các thông điệp TCP hoặc UDP), đến lượt nó sử dụng các giao thức tầng thấp hơn để thực hiện truyền dữ liệu thực tế. 19
Mô hình TCP/IP không xem xét các chi tiết cụ thể của việc định dạng và trình bày dữ liệu, cũng như không xác định các lớp bổ sung giữa các lớp ứng dụng và truyền tải như trong mô hình OSI (các lớp trình bày và phiên). Các chức năng như vậy là lĩnh vực của các thư viện và giao diện lập trình ứng dụng. Các giao thức lớp ứng dụng thường coi các giao thức lớp giao vận (và thấp hơn) như hộp đen cung cấp kết nối mạng ổn định để giao tiếp, mặc dù các ứng dụng thường nhận thức được các phẩm chất chính của kết nối lớp giao vận như địa chỉ IP điểm cuối và cổng những con số. Các giao thức lớp ứng dụng thường được liên kết với các ứng dụng máy khách-máy chủ cụ thể và các dịch vụ phổ biến có số cổng nổi tiếng được dành riêng. Ví dụ: Giao thức truyền siêu văn bản sử dụng cổng máy chủ 80 và Telnet sử dụng cổng máy chủ 23. Khách hàng kết nối với dịch vụ thường sử dụng cổng tạm thời, tức là số cổng chỉ được chỉ định trong thời gian giao dịch một cách ngẫu nhiên hoặc từ một phạm vi cụ thể được định cấu hình trong ứng dụng. Lớp giao vận và các lớp cấp thấp hơn không quan tâm đến các chi tiết cụ thể của các giao thức lớp ứng dụng. Các bộ định tuyến và bộ chuyển mạch thường không kiểm tra lưu lượng được đóng gói, thay vào đó chúng chỉ cung cấp một đường dẫn cho nó. Tuy nhiên, một số ứng dụng tường lửa và điều chỉnh băng thông phải diễn giải dữ liệu ứng dụng. Một ví dụ là giao thức dành riêng tài nguyên (RSVP). Đôi khi cũng cần thiết cho việc truyền tải trình dịch địa chỉ mạng (NAT) để xem xét tải trọng của ứng dụng. Lớp ứng dụng trong mô hình TCP/IP thường được so sánh tương đương với sự kết hợp của lớp thứ năm – Session (Phiên), thứ sáu – Presentation (Trình bày) và thứ bảy (Ứng dụng) của mô hình OSI. Hơn nữa, mô hình TCP/IP phân biệt giữa giao thức người dùng và giao thức hỗ trợ. Các giao thức hỗ trợ cung cấp dịch vụ cho hệ thống cơ sở hạ tầng mạng. Các giao thức người dùng được sử dụng cho các ứng dụng người dùng thực tế. Ví dụ, FTP là một giao thức người dùng và DNS là một giao thức hỗ trợ. 1.1.3. Định tuyến trong mạng Internet [3] Định tuyến là quá trình chọn một đường dẫn tối ưu (theo một số tiêu chí nhất định) cho lưu lượng trong một mạng hoặc giữa và qua nhiều mạng. Nói chung, định tuyến được thực hiện trong nhiều loại mạng, bao gồm cả mạng chuyển mạch kênh, chẳng hạn như 20