Tầng Mạng và Định tuyến
Tầng mạng di chuyển các gói tin từ máy chủ nguồn đến máy chủ đích qua nhiều liên kết và mạng, kết hợp một mặt phẳng dữ liệu (data plane) chuyển tiếp từng gói tin tại mỗi bộ định tuyến với một mặt phẳng điều khiển (control plane) tính toán các tuyến đường mà các gói tin đó đi theo.
Definition
Tầng mạng là tầng giao thức chịu trách nhiệm phân phối gói tin từ máy chủ đến máy chủ qua một liên mạng, cung cấp việc đánh địa chỉ, chuyển tiếp gói tin trong các bộ định tuyến (mặt phẳng dữ liệu), và xác định tuyến đường trên toàn mạng (mặt phẳng điều khiển).
Scope
Lĩnh vực này bao gồm liên mạng (internetworking): Giao thức Internet (IP) cùng với việc đánh địa chỉ và chuyển tiếp của nó, các thuật toán định tuyến (trạng thái liên kết và vector khoảng cách) tính toán các đường dẫn, tổ chức định tuyến thành các giao thức nội miền và liên miền (bao gồm BGP giữa các hệ thống tự trị), và mô hình mạng được định nghĩa bằng phần mềm (software-defined networking) gần đây hơn, tách mặt phẳng điều khiển sang các bộ điều khiển tập trung logic. Nó phân biệt mặt phẳng dữ liệu theo từng gói tin với mặt phẳng điều khiển tính toán tuyến đường, và loại trừ các dịch vụ đầu cuối của tầng vận chuyển bên trên nó và việc phân phối từng chặng của tầng liên kết bên dưới nó.
Sub-topics
Core questions
- Một bộ định tuyến chuyển tiếp gói tin đến đích như thế nào, và có gì trong bảng chuyển tiếp?
- Địa chỉ IP được cấu trúc và phân bổ như thế nào, và cách hoạt động của phân mạng (subnetting) và CIDR?
- Các thuật toán trạng thái liên kết và vector khoảng cách tính toán đường dẫn chi phí thấp nhất như thế nào?
- Tại sao định tuyến được chia thành các giao thức nội miền và giao thức liên miền BGP?
- Mạng được định nghĩa bằng phần mềm thay đổi nơi và cách các quyết định định tuyến được đưa ra như thế nào?
Key concepts
- Giao thức Internet (IP)
- Đánh địa chỉ IP, phân mạng (subnetting) và CIDR
- Bảng chuyển tiếp và khớp tiền tố dài nhất
- Định tuyến trạng thái liên kết
- Định tuyến vector khoảng cách
- Hệ thống tự trị
- Giao thức Cổng Biên (BGP)
- Mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu
- Mạng được định nghĩa bằng phần mềm
- Dịch địa chỉ mạng (NAT)
Key theories
- Tách biệt mặt phẳng dữ liệu và mặt phẳng điều khiển
- Tầng mạng được phân tách thành một mặt phẳng dữ liệu nhanh chóng chuyển tiếp từng gói tin đến theo một bảng chuyển tiếp, và một mặt phẳng điều khiển tính toán các bảng đó thông qua các giao thức định tuyến; mạng được định nghĩa bằng phần mềm còn tiến xa hơn bằng cách tập trung hóa mặt phẳng điều khiển.
- Định tuyến đường dẫn chi phí thấp nhất
- Các thuật toán định tuyến mô hình hóa mạng như một đồ thị có trọng số và tính toán các đường dẫn ngắn nhất: các thuật toán trạng thái liên kết (Dijkstra) cung cấp cho mỗi bộ định tuyến một cái nhìn đầy đủ về cấu trúc liên kết, trong khi các thuật toán vector khoảng cách (Bellman-Ford) trao đổi ước tính với các nút lân cận và hội tụ lặp đi lặp lại.
- Định tuyến liên miền dựa trên chính sách
- Định tuyến giữa các hệ thống tự trị được quản lý độc lập được điều chỉnh bởi Giao thức Cổng Biên, giao thức này truyền bá thông tin khả năng tiếp cận và cho phép mỗi mạng áp dụng các ưu tiên kinh doanh và chính sách thay vì chỉ các số liệu đường dẫn ngắn nhất.
Clinical relevance
Tầng mạng là tầng làm cho Internet toàn cầu trở thành một hệ thống có thể truy cập duy nhất: mọi gói tin đi qua Internet đều được các bộ định tuyến IP chuyển tiếp, và các quyết định của BGP giữa hàng chục nghìn hệ thống tự trị xác định khả năng kết nối toàn cầu. Mạng được định nghĩa bằng phần mềm hiện đang là nền tảng cho các mạng đám mây và trung tâm dữ liệu lớn, cho phép các nhà khai thác lập trình kỹ thuật lưu lượng và cách ly một cách tập trung. Việc cạn kiệt địa chỉ đã thúc đẩy quá trình chuyển đổi từ IPv4 sang IPv6.
History
Giao thức Internet được quy định trong RFC 791 (1981) như là hạt nhân không kết nối, nỗ lực tốt nhất của kiến trúc TCP/IP. Các giao thức định tuyến nội bộ như RIP và OSPF và giao thức bên ngoài BGP đã phát triển để quản lý định tuyến khi Internet mở rộng quy mô. Đề xuất OpenFlow năm 2008 đã khởi xướng mạng được định nghĩa bằng phần mềm bằng cách phơi bày bảng chuyển tiếp của bộ chuyển mạch cho một bộ điều khiển bên ngoài, định hình lại cách các mạng lớn được xây dựng và quản lý.
Debates
- Mặt phẳng điều khiển phân tán so với điều khiển SDN tập trung
- Định tuyến truyền thống phân tán việc tính toán tuyến đường trên tất cả các bộ định tuyến để tăng tính mạnh mẽ và tự chủ, trong khi mạng được định nghĩa bằng phần mềm tập trung hóa điều khiển để tăng khả năng lập trình và tối ưu hóa toàn cầu; cuộc tranh luận vẫn tiếp diễn về sự cân bằng phù hợp giữa tập trung hóa, khả năng mở rộng và khả năng phục hồi.
Key figures
- Vinton Cerf
- Robert Kahn
- Jon Postel
- Nick McKeown
- Jennifer Rexford
Related topics
Seminal works
- kurose2021
- rfc791
- mckeown2008
Frequently asked questions
- Sự khác biệt giữa chuyển tiếp và định tuyến là gì?
- Chuyển tiếp là hành động cục bộ, theo từng gói tin, di chuyển một gói tin từ cổng đầu vào đến cổng đầu ra bằng cách sử dụng bảng chuyển tiếp, và nó diễn ra với tốc độ cao trong mặt phẳng dữ liệu. Định tuyến là quá trình trên toàn mạng để tính toán nội dung của các bảng chuyển tiếp đó, được thực hiện bởi các thuật toán và giao thức định tuyến trong mặt phẳng điều khiển.
- Tại sao IPv6 được giới thiệu?
- Không gian địa chỉ 32 bit của IPv4, khoảng bốn tỷ địa chỉ, trở nên không đủ khi các thiết bị kết nối Internet gia tăng. IPv6 sử dụng địa chỉ 128 bit để cung cấp một không gian lớn hơn rất nhiều, cùng với việc đơn giản hóa tiêu đề và hỗ trợ tích hợp cho các tính năng như tự động cấu hình.