Internet Layer và các giao thức nổi bật trong mô hình TCP/IP?

Trong môi trường Internet, làm thế nào để gửi các hình ảnh hay tập tin qua một khoảng cách xa hoặc thậm chí từ các châu lục khác nhau. Đó là cách Internet Layer được áp dụng vào trong thực tế. Chức năng của nó là nối các route vật lý lại với nhau làm sao tạo ra một tuyến đường thông suốt. Khi hình ảnh hay video call của bạn được gửi đến Internet thì lúc đó Internet Layer đang phải làm việc.

1. Tổng quan về Internet Layer

• Lớp Internet là tầng thứ hai trong mô hình TCP/IP có 4 tầng.
• Vị trí của lớp Internet nằm giữa lớp Network Access và lớp Transport.
• Internet Layer đóng gói dữ liệu thành các gói dữ liệu được gọi là IP Packet, chứa thông tin nguồn và địa chỉ đích (địa chỉ logic hoặc địa chỉ IP) được sử dụng để chuyển tiếp các gói dữ liệu giữa các máy chủ và giữa các mạng.
• Internet Layer cũng chịu trách nhiệm định tuyến các IP packet .
• Internet Layer cho phép các máy chủ chèn các gói vào mạng và gửi chúng đến đích trên cùng một mạng hoặc trên một Remote network khác. Ở phía đích, các gói dữ liệu có thể xuất hiện theo thứ tự khác với thứ tự được gửi đi. Nhiệm vụ của các lớp cao hơn là sắp xếp lại chúng để đưa chúng đến các ứng dụng mạng thích hợp hoạt động ở lớp Application .
• Các giao thức chính bao gồm ở Internet Layer:
• IP (Internet Protocol)
• ICMP (Internet Control Message Protocol)
• ARP (Address Resolution Protocol)
• RARP (Reverse Address Resolution Protocol)
• IGMP (Internet Group Management Protocol).

2. Chức năng

Các chức năng của Internet Layer trong mô hình TCP/IP  tương tự như lớp Network của mô hình OSI. Nhiệm vụ cơ bản của tầng này là xử lý giao tiếp của các thiết bị trong Internet. 

• Addressing: Nó nhận được một yêu cầu để gửi gói dữ liệu từ lớp Transport cùng với một định danh của máy mà gói dữ liệu phi được gửi đến.
• Encapsulation và Routing (Đóng gói và Định tuyến): Nó đóng segment vào trong một packet, điền vào phần header của packet. Sau đó sử dụng các giao thức định tuyến để định tuyến packet đến đích hoặc điểm tiếp theo. 
• Đối với các packet - gói được xác định là thuộc cùng một mạng cục bộ. Phần mềm Internet sẽ cắt tiêu đề gói và chọn một trong các giao thức lớp vận chuyển thích hợp để xử lý chúng.
• Forwarding: Chuyển gói tin từ đầu vào router và ra cổng nào để có thể chuyển được đến đích.
• Cuối cùng, Internet Layer gửi và nhận các thông báo kiểm soát và xử lý lỗi ICMP.

3. Encapsulation và Decapsulation

Encapsulation:

• Dữ liệu từ các giao thức lớp Application được encapsulation trong Header giao thức lớp Transport (TCP hoặc UDP ). 
• Tên của data packet do TCP tạo ra được gọi là TCP Segment và tên của gói dữ liệu do UDP tạo ra được gọi là UDP datagram . 
• Tại lớp mạng, dữ liệu nhận được từ lớp trên của nó (lớp Transport) một lần nữa được Encapsulation trong Header. Lớp Internet (thường với Header IPv4 hoặc Header IPv6) và sau đó được chuyển xuống lớp dưới cùng của nó (lớp Network Access).

Decapsulation:

• Máy thu mở Header Internet Layer, sử dụng các giá trị của IP Header để xử lý dữ liệu ở Internet Layer.
• Chuyển  đến lớp Transport để xử lý tiếp.

Trong mô hình TCP/IP, PDU của Internet Layer là IP Packet (một số tài liệu gọi là Datagram).

4. Các giao thức trong Internet Layer

4.1. Internet Protocol (IP)

• Giao thức IP là một giao thức thuộc Internet Layer được sử dụng cho các mạng tham gia vào Internet. Về bản chất, Internet là các mạng cục bộ được kết nối với nhau và được kết nối bởi các bộ định tuyến (router). 
• Mục đích của IP là tiêu chuẩn hóa việc sử dụng máy chủ và bộ định tuyến từ các nhà sản xuất khác nhau. 
• Do đó, IP cho phép kết nối nhiều loại mạng với các đặc điểm khác nhau mà không làm gián đoạn hoạt động của mạng và kết nối với Internet. 
• Giao thức IP có ba nhiệm vụ chính đó là:
• Thứ nhất: Giao thức IP định nghĩa đơn vị cơ bản của Internet Layer.
• Thứ hai: Thực hiện chức năng định tuyến (routing), chọn ra con đường đi tối ưu mà dữ liệu cần gửi đi.
• Thứ ba: Điều khiển và xử lý lỗi.

4.1.1. Định dạng IP

• Trong mạng vật lý, đơn vị truyền dữ liệu là một khung hoặc frame bao gồm phần header và phần dữ liệu. Trong đó phần header cung cấp địa chỉ nguồn và  đích (vật lý). 
• Internet gọi đơn vị truyền dữ liệu của nó là IP datagram hoặc là datagram (có những tài liệu thì lại gọi là packet). 
• Cũng giống như một frame trong mạng vật lý, một datagram bao gồm 2 phần: Phần Header và phần Data.

Sau đây chúng ta cùng tìm hiểu nội dung từng trường 1 trong header của IP datagram (packet).

4.1.2. Các thành phần có trong 1 định dạng IP

• VERS (4-bit): chỉ phiên bản hiện hành của IP được sử dụng. 
• Với IP thông thường mà các bạn thấy gắn vào thiết bị phiên bản 4, phiên bản IP tiếp theo là 6.

• HLEN(4-bit): chỉ độ dài phần tiêu đề của datagram tính theo đơn vị từ (32bit).
• Độ dài tối thiểu là 5.
• Max: 60.

• Differentiated Services:(8 bit)
• Tên cũ: Service Type.
• Hiện tại được sử dụng trong quản lý QoS.

• Total Length:(16bit) xác định độ dài của toàn bộ datagram, header và data.
• Tính theo bytes.
• Max: 65535.

• Identification: Số hiệu gói tin
• Dùng để xác định một chuỗi các gói tin của 1 gói tin bị phân mảnh.

• Flags: Đề cập đến sự phân đoạn của datagram.
• Trong đó:
  • Bằng 0 có nghĩa là cho phép phân mảnh.
  • Bằng 1 là không cho phép phân mảnh.
  • Bằng 0 đây là đoạn phân mảnh cuối cùng (the last fragment).
  • Bằng 1 đây là phân đoạn tiếp theo (more fragments).
• 0: chưa sử dụng và luôn bằng 0.
• DF (Do not Fragment): 
• MF (More Fragments): 
• Fragment Offset (13 bit): chỉ vị trí của đoạn (fragment) trong datagram ban đầu. Mỗi đoạn (trừ đoạn cuối cùng) chứa vùng dữ liệu là bội số của 8 octet.
• Time to Live (8-bit):
• Độ dài đường đi gói tin có thể đi qua.
• Max:255.
• Router giảm TTL đi 1 đơn vị khi xử lý.
• Gói tin bị huỷ nếu TTL = 0.
• Protocol Number: Giao thức tầng trên
• Giao thức tầng transport.
• Các giao thức tầng Internet khác (ICMP, OSPF) cũng có trường này.

• Source IP Address (32bit): Địa chỉ IP của trạm gửi.
• Destination IP Address(32 bit): Địa chỉ IP của trạm nhận.
• Header Checksum (16 bit): Kiểm soát lỗi 16 bit theo phương pháp CRC (Cyclic Redundancy Check), chỉ áp dụng cho vùng header. Trường này luôn được cập nhật khi một gói tin đi qua router trung gian.
• Options: Khai báo các tùy chọn mà người gửi yêu cầu. 
  • Trường tùy chọn không bắt buộc có trong tất cả các datagram và được sử dụng chủ yếu  để kiểm tra lỗi mạng.
  • Option là một phần quan trọng của giao thức IP. Vì vậy tất cả các tiêu chuẩn thực hiện dựa trên IP bao gồm tiến trình xử lý trường này.
  •  Độ dài của trường Option thay đổi tuỳ thuộc vào các tham số đi kèm. 
• Padding: (8 bit) Các bit 0 sẽ được chèn vào trường này để đảm bảo phần header luôn là bội của 4.
• Data + header < 65,535 bytes.

4.1.3. Các giải thuật định tuyến của Internet Layer

Một trong những chức năng của giao thức IP là có khả năng thiết lập kết nối giữa các mạng vật lý khác nhau. Đó chính là định tuyến. Một hệ thống thực hiện chức năng này được gọi là router.

• Router: Bộ định tuyến, chuyển gói tin đến địa chỉ cần đến.
• Chuyển trực tiếp: A và B trên cùng một mạng nội bộ.
• Chuyển gián tiếp: A và B trên 2 mạng khác nhau.
• Thường các máy sử dụng bảng định tuyến. Qua đó có thể xác định được là gửi trực tiếp hay gián tiếp.

Bảng định tuyến chứa các thông tin bản ghi về định tuyến mạng:

• Giao thức định tuyến
• Địa chỉ mạng đích
• Next-hop, Metric
• Interface output

Metric là một tham số xây dựng dựa trên các đặc điểm của đường đi, thông thường là các tham số:

• Bandwidth
• Độ trễ
• Độ tin cậy
• Hop count.

Giải thuật định tuyến Link-State

• Tất cả các nút đều biết được cấu trúc mạng và chi phí của các liên kết trên mạng.
• Được thực hiện bằng cách“quảng bá trạng thái liên kết”.
• Tất cả các nút có thông tin giống nhau.
• Tính toán chi phí thấp nhất đường đi từ một nút (“nguồn”) đến tất cả các nút khác.
• Lặp: Sau k lần duyệt, sẽ biết được chi phí thấp nhất tới k đích.

Giải thuật định tuyến Distance Vector

• Phân tán: Phân tán, trong đó mỗi nút nhận thông tin từ một hoặc nhiều nút lân cận trực tiếp của nó, thực hiện các phép tính và sau đó phân phối kết quả cho các nút lân cận.
• Lặp lại: Đây là quá trình lặp lại khi quy trình của bạn tiếp tục cho đến khi không còn thông tin nào để trao đổi giữa các lân cận.
• Không đồng bộ: Không yêu cầu tất cả các nút hoạt động trong bước khóa với nhau.

Thuật toán vectơ khoảng cách là một thuật toán động. Chủ yếu được sử dụng trên ARPANET và RIP.

Mỗi bộ định tuyến duy trì một bảng khoảng cách được gọi là vectơ.

Hierarchical routing (Định tuyến phân cấp)

Những vấn đề định tuyến là với môi trường lý tưởng hoá:

• Tất cả các bộ định tuyến là đồng nhất.
• Mạng “phẳng”.

Khó có thể áp dụng với môi trường có số lượng thiết bị cực kỳ lớn:

• Quy mô: Số lượng lớn các đích
• Không thể lưu tất cả các đích trong các bảng định tuyến.
• Việc trao đổi các bảng định tuyến sẽ làm tràn các liên kết.
• Quản trị:
• Mỗi nhà quản trị mạng có thể muốn điều hành định tuyến riêng trong mạng của họ. Nếu h1 node gặp vấn đề thì việc khai báo lại các đích khó khăn nếu không có thông tin đầy đủ.

Hierarchical routing:

• Các router được tập hợp lại thành các vùng, “hệ thống tự trị” (autonomous systems - AS).
• Các router trong cùng AS sẽ chạy cùng giao thức định tuyến.
• Giao thức định tuyến “nội vùng-AS” (intra-AS).
• Các router trong các AS khác nhau có thể chạy các giao thức định tuyến intra-AS khác nhau.
• Gateway router:
• Tại route của AS riêng của nó.
• Liên kết với bộ định tuyến trong một AS khác.

4.1.4. Điều khiển và xử lý lỗi

Như chúng ta đã biết, giao thức IP cung cấp dịch vụ "unreliable - không đáng tin cậy", truyền dữ liệu connectionless thông qua chuyển mạch cho mọi bộ định tuyến để truyền dữ liệu. Mỗi gói đi từ bộ định tuyến này sang bộ định tuyến khác cho đến khi bộ định tuyến có thể chuyển tiếp gói trực tiếp đến đích cuối cùng của nó. Khi bộ định tuyến không thể chuyển tiếp gói hoặc phát hiện sự bất thường ảnh hưởng đến việc truyền dữ liệu (chẳng hạn như tắc nghẽn mạng), bộ định tuyến  phải thông báo nguồn của gói đích để ngăn chặn hoặc sửa lỗi. Do đó, cần có một cơ chế để thông báo cho người gửi về lỗi.

Internet Control Message Protocol (ICMP) được phát triển để giải quyết vấn đề này. ICMP cũng giúp các máy chủ định tuyến mạng và cho phép quản trị viên mạng theo dõi trạng thái của các nút trên mạng. Tất cả các máy chủ và bộ định tuyến phải có khả năng tạo và xử lý các thông báo ICMP đã nhận. 

4.2. Internet Control Message Protocol (ICMP)

4.2.1. Tổng quan

ICMP (Internet Control Message Protocol) là một giao thức kiểm tra các kết nối Internet Layer xem có thông nhau hay không.

ICMP được dùng để:

• Thông báo các lỗi xảy ra trong quá trình truyền đi của các gói dữ liệu trên mạng.
• Kiểm tra và quản lý các tiến trình mạng (các lệnh ping, tracert).
• Các bản tin ICMP được truyền trực tiếp trong các gói IP với trường số giao thức bằng 1. 
• Có rất nhiều trường hợp khiến cho gói tin IP bị loại bỏ: 
• Đường truyền gặp sự cố. 
• Trường hợp Time-to-Live hết hạn.
• Không phân mảnh được gói tin kích thước lớn hơn MTU cho phép.
• Khi cần loại bỏ một gói tin, một thông báo ICMP được sử dụng để báo địa chỉ gửi gói tin đến.
• Tuy nhiên, không phải trường hợp nào ICMP cũng cần phi báo lỗi. Một số trường hợp mà khi xảy ra sự cố, ICMP không cần báo lỗi:
• Định tuyến hay chuyển giao bản tin ICMP.
• Phát quảng bá hay phát theo nhóm gói tin IP.
• Các phân đoạn gói tin khác với phân đoạn đầu tiên.
• Bạn tin có địa chỉ nguồn không xác định một host duy nhất (ví dụ: 127.0.0.1, 0.0.0.0).

4.2.2. Cấu trúc ICMP message trong Internet Layer

Cấu trúc của bản tin ICMP như sau:

Thông báo ICMP được vận chuyển trong phần dữ liệu của gói IP. Mặc dù mỗi bản tin ICMP có dạng riêng của nó nhưng chúng đều bắt đầu với ba trường sau:

• TYPE (8 bit) là một số nguyên 8 bit để xác định thông điệp.
• CODE (8bit) cung cấp thêm thông tin về kiểu thông điệp.
• CHECKSUM (16 bit) ICMP sử dụng thuật giải checksum như IP, nhưng ICMP checksum chỉ tính đến thông điệp ICMP.

Hơn nữa, các thông điệp ICMP thông báo lỗi luôn luôn bao gồm phần đầu và 64bit đầu tiên của packet gây nên lỗi. Lý do có thêm phần đầu này cùng với phần đầu packet là để cho phép nơi nhận xác định chính xác hơn những giao thức nào và chương trình ứng dụng có trách nhiệm đối với packet.

Trường TYPE của ICMP xác định ý nghĩa của thông điệp cũng như định dạng của nó. Các kiểu bao gồm:

4.2.3. Ứng dụng

Ping

• Ping là 1 công cụ để kiểm tra xem có thể kết nối tới một máy chủ cụ thể nào đó hay không và ước lượng khoảng thời gian trễ để gửi gói dữ liệu.

Cú pháp:

Ý nghĩa thông báo của ping

RTT (Round Round Time) là thời gian cần thiết để một gói tin đến được máy tính đích và quay trở lại máy tính nguồn. RTT trong ping tính bằng mili giây.

• Min là số phút tối thiểu để nhận được phản hồi.
• Avg là thời gian trung bình để nhận được phản hồi.
• Max là thời gian tối đa để nhận được phản hồi .

Traceroute

Tracert (hay Traceroute) là 

• Một công cụ chuẩn đoán mạng hiển thị đường đi (route, path).
• Đo lường độ trễ của gói tin giữa nguồn và đích trên mạng IP.

Cách thức hoạt động:

• Nguồn gửi một chuỗi các gói UDP đến đích, gói đầu tiên có TTL=1 (tới router đầu tiên có giá trị là 1, gói tin không được gửi đi nữa), gói thứ 2 có TTL=2…
• Khi gói tin thứ n đến router thứ n, router sẽ huỷ gói này đi (vì TTL=0) và gửi đến nguồn một thông điệp ICMP (type 11, code 0) bao gồm tên và địa chỉ IP của router.
• Khi thông điệp ICMP này đến, nguồn ghi lại thời gian trễ tương ứng

Quá trình dừng lại khi:

• Gói UDP tới host đích.
• Đích trả về thông điệp ICMP “Port không có thực”(type 3, code 3).
• Nguồn dừng.

Tracert để làm gì?

• Biết được địa chỉ của server (là gì, ở đâu).
• Biết được tốc độ phản hồi khi gói tin đi qua các thiết bị layer 3 trên mạng.
• Biết được số thiết bị mà gói tin đã đi qua.
• Mục đích tạo các con đường tối ưu khác (yêu cầu NOC tạo đường tối ưu).
• Khi mạng chậm, không rõ nguyên nhân.

Ví dụ:

4.3. ARP và RARP

4.3.1 ARP (Address Resolution Protocol)

Tổng quan

• Trong một mạng LAN như vậy chỉ có thể hai trạm khác liên lạc được với nhau nếu họ biết địa chỉ vật lý của người khác. Vậy vấn đề đặt ra là phải có cơ chế ánh xạ giữa địa chỉ IP (32 bit) và địa chỉ vật lý (48 bit).
• Để giải quyết vấn đề trên, một giao thức ARP đã được tạo ra. Các thiết bị trong mạng LAN sử dụng ARP để tìm thông tin về địa chỉ vật lý của các thiết bị đó trên mạng. 

Ý tưởng: 

• Khi máy A muốn ghi địa chỉ IP là IB, nó phát đi một thông điệp quảng bá trên toàn mạng trong đó có chứa địa chỉ IP và MAC của A và địa chỉ IP của B. 
• Tất cả các trạm  nhận được nó, nhưng chỉ B nhận ra địa chỉ IP của nó và trả lời A bằng một thông báo chứa địa chỉ MAC của B.

Việc truyền như vậy sẽ tốn rất nhiều băng thông mạng và thậm chí có thể gây tắc nghẽn không cần thiết trong các mạng có tốc độ truyền thấp.

Do đó, mỗi trạm có một bộ đệm ARP (bộ đệm ARP) để lưu trữ các địa chỉ IP hoặc MAC được tìm thấy cuối cùng.

ARP cache

• Mỗi khi một trạm nhận được một thông điệp ARP request hoặc reply của một trạm khác, nó đều cập nhật trong ARP cache của mình. 
• Khi truyền một gói dữ liệu, trạm sẽ tìm xem trong ARP cache của nó có chứa địa chỉ MAC tương ứng hay chưa. Nếu tìm thấy, nó sẽ không phát ARP Broadcast nữa. 
• Các địa chỉ trong ARP cache sẽ bị xoá bỏ sau một khoảng thời gian nhất định.
• Trong Window dùng câu lệnh arp -a trong Command Prompt để xem ARP cache trong máy.
• ARP cache gồm 3 cột là địa chỉ IP, địa chỉ MAC, Type (static or dynamic).
• Có 2 cách cấu hình địa chỉ MAC:
• Static: Sử dụng lệnh “arp -s ip_addr mac_addr” để thêm 1 ARP static vào ARP cache.
• Dynamic: Địa chỉ MAC được đưa vào tự động khi nhận được ARP reply hoặc request.

Định dạng gói tin ARP

• Hardware type (16 bit ~ 2 byte): 
• Xác định loại Hardware.
• Thường sử dụng: Ethernet (0x0001).
• Protocol type (16 bit ~ 2 byte)
• Xác định loại giao thức ở lớp trên được sử dụng (Layer 2).
• Thường sử dụng: IPv4 (0x0800).
• Hardware size: 
• Xác định độ dài địa chỉ vật lý (MAC) trong gói tin.
• Thường có giá trị: 0x06.
• Protocol address length: 
• Xác định độ dài của địa chỉ logic của giao thức lớp Internet.
• Hiện tại IPv4 được sử dụng rộng rãi nên trường này có giá trị là 4 (0x04).
• Operation code: Xác định 1 trong 4 loại message ARP.
• ARP yêu cầu (ARP request)-1.
• ARP tr lời (ARP reply)-2.
• RARP yêu cầu (RARP request)-3.
• RARP tr lời (RARP reply)-4.

• Sender MAC address: Xác định địa chỉ MAC của máy gửi.
• Trong ARP request: Địa chỉ MAC của host gửi request.
• Trong ARP reply: Địa chỉ MAC của host mà máy gửi bên trên muốn tìm kiếm.
• Sender IP address: Địa chỉ IP máy gửi.
• Target MAC address: Xác định địa chỉ MAC máy nhận.
• Trong ARP request: Thường chưa xác định (00:00:00:00:00:00).
• Trong ARP reply: Thường là địa chỉ máy gửi bản tin ARP request lấy từ trường Sender MAC address (request).
• Target IP address: Xác định địa chỉ IP máy nhận.

4.3.2. RARP (Reverse Address Resolution Protocol)

Tổng quan về giao thức RARP trong Internet Layer

• Không giống như giao thức ARP, giao thức RARP (Reverse ARP) được sử dụng để tìm địa chỉ IP khi đã biết địa chỉ vật lý của một trạm.
• Điều này thường xảy ra khi một số trạm không có đĩa cứng để lưu địa chỉ IP của chúng. Trạm chỉ có địa chỉ vật lý, được lưu trữ trong ROM của NIC. Bạn nên tìm địa chỉ IP khi khởi động trên máy chủ quản lý địa chỉ IP.
• RARP tương tự như ARP và bao gồm 2 loại bản tin: 
• RARP (RARP Request).
• RARP reply (trả lời RARP). 

Ý tưởng: 

Khi một máy cần biết địa chỉ của nó dưới dạng quảng bá, sẽ có một máy chủ RARP trên mạng phản hồi bằng cách cung cấp cho máy của bạn một địa chỉ IP.

Cấu trúc gói tin RARP

Định dạng gói tin RARP giống hệt ARP, tương ứng trường Operation code bằng 3,4.

Hoạt động

Một số đặc điểm của giao thức RARP:

• Giao thức này xuất hiện đầu tiên trong việc giải quyết nhiệm vụ ánh xạ từ địa chỉ vật lý sang địa chỉ logic.
• Sử dụng hệ thống chỉ có địa chỉ vật lý lưu ở trong ROM của card mạng.
• Sử dụng nhiều trong các mạng LAN quy mô nhỏ, đặc biệt là trong mạng Ethernet.
• Hiện tại RARP không còn sử dụng nữa mà đã thay thế bằng giao thức DHCP.

5. So sánh Network Layer - OSI và Internet Layer - TCP/IP

Bên bài viết trên là tổng hợp của các kiến thức của tầng Internet Layer trong mô hình TCP/IP. Hiểu ngắn gọn là thuộc lớp 2 của mô hình OSI và chức năng gần giống với Network Layer của mô hình OSI. Bài viết được tinh gọn về các kiến thức của định tuyến mà Internet Layer, mô tả chi tiết về các giao thức mà Internet Layer được sử dụng trong thực tế. Từ đó các bạn dễ dàng hình dung cũng như nắm bắt được các kiến thức cần thiết về tầng Internet. Chúng tôi hy vọng nhận được các góp ý hữu ích của bạn về bài viết để hoàn thiện hơn.