CCNA1 : Chapter 5 OSI Network Layer

CCNA1 : CCNA Exploration Network Fundamentals – 4.0

Chapter 5 OSI Network Layer

>IPv4Network Layer: Communication from Host to Host

-Layer 3 uses four basic processes:

1. Addressing : Network layer จะต้องจัดหาวิธีการสำหรับ addressing ให้ end devices
2. Encapsulation :  มีการประกอบข้อมูลที่ได้รับมา กับส่วนควบคุมซึ่งอยู่ส่วนหัวของข้อมูลเรียกว่า Header เรียกว่า packet
3. Routing : การหาเส้นทางจากต้นทางไปยังปลายทาง โดยจะมี router เป็นอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อระหว่างเน็ตเวิร์กช่วยในการหาเส้นทางไปยังปลายทาง
4. Decapsulation : เมื่อแพกเกตมาถึงปลายทางจะมีการตรวจสอบความถูกต้องของ address ถ้า address นั้นถูกต้อง จะทำการถอด header ออก

– โปรโตคอลที่ใช้ Internet Protocol version 4 (IPv4), Internet Protocol version 6 (IPv6), Novell Internetwork, Packet Exchange (IPX), AppleTalk, Connectionless Network Service (CLNS/DECNet)

IPv4: Example Network Layer Protocol

– ลักษณะพื้นฐานของ IPv4

1. Connectionless : ไม่มีการสร้างการติดต่อกันก่อนการส่งแพ็กเกต
2. Best Effort (unreliable) : ไม่มี overhead ในการยืนยันการส่งของแพ็กเกต
3. Media Independent : Operates independently of the medium carrying the data.

The IPv4 Protocol – Connectionless

–  บริการแบบ Connectionless นั้นแพ็กเกตที่จะต้องถูกส่งออกไปนั้นสามารถส่งไปได้เลยไม่จำเป็นที่จะต้องมีการสร้างการติดต่อระหว่างโพรเซสกันก่อน แต่ละแพ็กเกตอาจจะไม่ได้เดินทางไปเส้นทางเดียวกัน ทำให้มีโอกาสที่จะไปถึงผู้รับไม่พร้อมกันและไม่เรียงลำดับกัน เมื่อไปถึงผู้รับแล้วจะไม่มีการตอบรับกลับจากผู้รับ ซึ่งจะทำให้ผู้ส่งไม่สามารถทราบได้ว่าผู้รับได้รับแพ็กเกตแล้วหรือไม่ ตัวอย่างเช่น UDP
– บริการแบบ Connection-oriented  นั้น ทั้งผู้ส่งและผู้รับจะต้องมีการสร้างการติดต่อกันก่อน จึงจะสามารถส่งข้อมูลกันได้ เมื่อเสร็จแล้วจะต้องมีการยกเลิกการติดต่อ ตัวอย่างเช่น TCP

The IPv4 Protocol – Best Effort

– หน้าที่ของ Network Layer คือส่งแพกเกตระหว่าง host โดยจะไม่สนใจชนิดของการติดต่อทีอยู่ภายในแพกเกต
– การให้บริกา่รแบบ Best Effort จะทำให้ Unreliable ซึ่ง Unreliable หมายความว่าื IP ไม่มีความสามารถในการจัดการ,เอาคืน แพกเก็ตที่ไม่ได้ส่งหรือถูกรบกวน
– header of an IP packet : ไม่มีการรับประกันการส่ง, ไม่มีการตอบรับกลับของการส่ง, ไม่มีการควบคุุมความผิดพลาด, ไม่มีการติดตามแพกเกต ดังนั้นจึงไม่มีความเป็นไปได้สำหรับ  packet retransmissions

The IPv4 Protocol – Media Independent

– Network layer ไม่ได้เป็นสนใจกับลักษณะของสื่อของแพกเกตที่จะส่ง โดยแพ็กเกตสามารถส่งผ่านสื่อได้หลายสื่อ เช่น electrically over cable, as optical signals over fiber, or wirelessly as radio signals.
– คุณลักษณะหลักของสื่อที่ใ้ช้ใน Network Layer พิจารณาคือ ขนาดมากสุดของ PDU ที่สื่อสามารถที่จะส่งได้ โดย คุณลักษณะนี้อ้างถึง Maximum Transmission Unit (MTU)
– ส่วนของการควบคุมการสื่อสารระหว่าง Data Link layer และ the Network layer คือการสร้างขนาดมากสุดสำหรับแพกเกต Data Link layer จะ่ส่ง MTU ขึ้นไปยัง Network layer แล้ว Network layer จะทำการพิจารณาขนาดมากสุดที่จะสามารถสร้างแพกเกตได้
– ใน intermediary device ( router) จะต้องการการแบ่งแพกเกตเวลาที่จะส่ง กระบวณการนี้เรียกว่า fragmentation

IPv4 Packet: Packaging the Transport Layer PDU

– Transport layer จะทำการเพิ่ม Segment header ให้กับ Data ทำให้ segment สามารถตรวจสอบและส่งใหม่ได้
– Network layer จะทำการเพิ่ม IP herder ทำให้แพกเกตสามารถไปยังปลายทางได้
– ใน TCP/IP based Network , Network layer PDU is IP Packet

IPv4 Packet Header

– VER
– IHL
– Type-of-Service (ToS)
– Packet Length
– Identification
– Flags
– Fragmentation Offset
– Time-to-Live (TTL)
– Protocol
– Header checksum
– IP Source Address
– IP Destination Address
– Option

>Networks: Dividing Hosts into Groups

Seperating Hosts into  Common Groups

– เน็ตเวิร์กขนาดใหญ่จะถูกแบ่งให้มีขนาดเล็กลงเพื่อทำให้เชื่อมต่อถึงกันได้ เน็ตเวิร์กขนาดเล็กนี้มักจะถูกเรียกว่า subnetworks หรือ subnets
– การแบ่งเน็ตเวิร์กนั้นขึ้นกับ usage facilitates ที่ส่งผลกระทบกับการจัดสรรปันส่วนของทรัพยากรของเน็ตเวิร์ก และ สิทธิ์ในการเข้าถึงทรัพยากรนั้นๆ
– ผู้เชี่ยวชาญทางเน็ตเวิร์กต้องการความสมดุลของจำนวน host บนเน็ตเวิร์กกับจำนวนของ traffic จากผู้ใช้

Why Separate Hosts into Networks? – Performance

– Large numbers of hosts connected to a single network can produce volumes of data traffic that may stretch, if not overwhelm, network resources such as bandwidth and routing capability.
– เมื่อมี host จำนวนมากเชื่อมต่อกันในเน็ตเวิร์กเดียว สามารถสร้างจำนวนของ data traffic ที่อาจจะขยายออก ถ้าไม่

Why Separate Hosts into Networks? – Security

–  การแบ่งเน็ตเวิร์กขึ้นกับการเข้าถึงของผู้ใช้ หมายความถึง ความปลอดภัยในการสื่อสารและข้อมูลจากการไม่มีสิทธิ์เข้าถึงโดยผู้ใช้ภายในองค์กรและภายนอกองค์กร
– ความปลอดภัยระหว่างเน็ตเวิร์คทำผ่าน intermediary device (router หรือ firewall appliance) ที่เขตนอกสุดของเน็ตเวิร์ก

Why Separate Hosts into Networks? – Address Management

– การแบ่งเน็ตเวิร์กขนาดใหญ่ทำให้ host ที่ต้องการสื่อสารถูกรวมกลุ่มกัน เป็นการลด overhead ที่ไม่จำเป็นของ host ทั้งหมดที่ต้องการรู้ address
– สำหรับเส้นทางอื่น host ต้องการรู้เพียง address ของ intermediary device ที่ส่งแพ็กเกตไป ซึ่ง intermediary device นั้นเรียกว่า gateway โดย gateway คือ router บนเน็ตเวิร์กที่ทำหน้าที่เป็นทางออกจากเน็ตเวิร์ก

How Do We Separate Hosts into Networks? – Hierachical Addressing

– Hierarchical address มีลักษณะเฉพาะที่ระบุของแต่ละhost มันจะมี level ที่ช่วยในการส่งแพ็กเกตผ่าน internetworks ซึ่งทำให้เน็ตเวิร์กสามารถจะแบ่งได้โดยขึ้นกับแต่ละlevel นั้น

Dividing Networks from Networks

– การทำ Subnetting เป็นการนำเอา Network Address ที่มีอยู่ 1 Address มาแบ่งซอยออกเป็นหลาย ๆ Sub-Network Address เพื่อให้สามารถนำไปกำหนดให้กับเน็ต เวิร์กแต่ละเซกเมนต์ (Segment) ได้
– หลักการของการทำ Subnet มีอยู่ว่าเราต้องขอยืมเอา bit ในตำแหน่งที่แต่เดิมเคยเป็น Host Address มาใช้เป็น Sub-network Address ด้วยการแก้ไขค่า Subnet Mask ให้เป็นค่าใหม่ที่เหมาะสม

>Routing: How Data Packets Are Handled

Device Parameters: Supporting Communication Outside the Network

– ในการสื่อสารกับอุปกรณ์ในเครือข่ายอื่น host จะใช้ address ของ gateway ในการส่งแพ็กเกตออกนอกเครือข่าย
– เราเตอร์ต้องการเส้นทางที่ระบุเส้นทางในการส่งแพ็กเกตต่อไป ซึ่งเรียกว่า next-hop address ถ้าเส้นทางถูกเราเตอร์ใช้ เราเตอร์จะส่งแพ็กเกตไปยัง next-hop router ที่เสนอเส้นทางที่ไปยังเครือข่ายปลายทาง

IP Packets: Carrying Data End to End

– IP packet ถูกสร้างที่ Layer 3 เพื่อส่งไปยัง Layer 4 PDU
– ถ้าปลายทางอยู่ในเครือข่ายเดียวกับต้นทาง การส่งแพ็กเกตหว่าง host ไม่ต้องใช้เราเตอร์
– ถ้ามีการสื่อสารระหว่าง host ที่อยู่คนละเครือข่ายกัน local network จะส่งแพ็กเกตจากต้นทางไปยัง gateway router เราเตอร์จะพิจารณา network portion เพื่อค้นหาเส้นทางแล้วส่งไปยังเส้นทางที่เหมาะสม ถ้าปลา่ยทางติดกับเราเตอร์โดยตรง แพ็กเกตจะถูกส่งตรงไปยัง host นั้น แต่ถ้าปลายทางไม่ได้ติดกับเราเตอร์นั้น แพ็กเกตจะถูกส่งต่อไปยังเราเตอร์ถัดไป

Gateway: The Way Out of the Network

– Gateway หรือที่รู้จักในนาม default gateway ถูกใช้ในการส่งแพ็กเกตออกนอกเครือข่าย ถ้า network portion of the destination address ของแพ็กเกตต่างจาก host แพ็กเกตนั้นต้องการจะส่งออกนอกเครือข่าย จึงต้องส่งแพ็กเกตไปยัง gateway โดย gateway นี้คือrouter interface ที่เชื่อกับเครือข่ายภายใน
– default gateway ถูกปรับแต่งบน host โดยในระบบ Window จะใช้ Internet Protocol (TCP/IP) Properties tools ในการใส่ค่า default gateway IPv4 address โดยที่ host ของ IPv4 address และgateway address ต้องอยู่ในเครือข่ายเดียวกัน

Route: A Path to a Network

– เส้นทางใน routing table จะต้องประกอบด้วย

1. Destination network :  เราเตอร์จะทำการ  match destination address ใน packet header ด้วย destination network ของเส้นทางในrouting table
2. Next-hop : แพ็กเกตจะถูกส่งมายัง next-hop router ที่เลิือกโดยเส้นทางนั้น
3. Metric : ถ้ามีสองเส้นหรือมากกว่าที่ไปยังปลายทางเดียวกัน จะใช้ Metric ในการตัดสินใจในการหาเส้นทางไป

– default route จะถูกใช้เมื่อเครือข่ายปลายทางไม่ถูกแสดงโดยเส้นทางอื่นใน routing table

Destination Network

– Destination network แสดงใน routing table หรือเรียกว่าเส้นทาง โดยเป็นตัวแทนของ range ของ host addresses, network
– Default route เป็นเส้นทางที่จะเหมาะกับเครือข่ายปลายทางทั้งหมด ในเครือข่าย IPv4 จะใช้ 0.0.0.0 เป็น default route โดย default route จะถูกใ้ช้ส่งแพ็กเกตเมื่อไม่มีเส้นทางใน routing table สำหรับเครือข่ายปลายทาง

Next Hop: Where the Packet Goes Next

– Next-hop เป็น address ของอุปกรณ์ที่จะส่งแพ็กเกตต่อไป สำหรับ host บนเครือข่าย address ของ default gateway (router interface) คือ next-hop สำหรับทุกแพ็กเกตที่มีเส้นทางไปยังเครือข่ายอื่น

Packet Forwarding: Moving the Packet Toward Its Destination

– สิ่งเราเตอร์จะทำกับแพ็กเกต คือ ส่งไปยังเราเตอร์ถัดไป หรือ ส่งไปยังปลายทาง หรือ ทิ้งแพ็กเกตนั้น
– แพ็กเกตที่มาถึง router’s interfaces จะถูก router’s interfaces  ที่ชั้น Data Link layer (Layer 2) PDU
– ถ้า routing table ไม่มีเส้นทางที่จะส่งแพ็กเกตไป แพ็กเกตนั้นจะถูกส่งไปยัง interface ที่ระบุโดย default route โดย default route รู้จักในนามของ Gateway of Last Resort.

>Routing Processes: How Routes Are Learned

Routing Protocols – Sharing the Routes

– router จะสามารถหาเส้นทางของการส่งแพ็กเกตได้จะต้องมี ตารางหาเส้นทาง (Routing Table) เมื่อมีแพ็กเกตต้องการส่งออกไปหรือรับเข้ามา router จะตรวจสอบจากตารางหาเส้นทางก่อนว่าจะสามารถส่งไปยังปลายทางได้อย่างไร ซึ่งตารางหาเส้นทางนี้ควรจะเป็นเส้นทางที่สั้นที่สุดที่แพ็กเกตต้องเดินทางไป
– router แต่ละตัวไม่จะเป็นต้องรู้เส้นทางการส่งทั้งหมด เพียงแต่รู้ว่าจะส่งต่อไป next hop ที่ไหนเพื่อให้ถึงปลายทาง

Static Routing

– ข้อมูลในตารางหาเส้นทางแบบสเตติกนั้น จะถูกสร้างโดยผู้ควบคุมเครือข่าย ซึ่งจะต้องป้อนข้อมูลการหาเส้นทางลงไปในตาราง ดังนั้นตารางนี้จึงไม่สามารถปรับปรุงอัตโนมัติได้
– ตารางหาเส้นทางแบบสเตติกจะใช้สำหรับเครือข่ายขนาดเล็กที่ไม่ค่อยมีการเปลี่ยนแปลงมากนัก หรือใช้สำหรับระบบทดสอบ แต่จะไม่เหมาะกับเครือข่ายขนาดใหญ่ เช่น อินเตอร์เนต

Dynamic Routing

– ตารางหาเส้นทางแบบไดนามิกนี้จะสามารถถูกปรับปรุงได้โดยอัตโนมัติ โดยการใช้โพรโตคอลหาเส้นทาง อย่างเช่น Routing Information Protocol (RIP), Enhanced Interior Gateway Routing Protocol (EIGRP), Open Shortest Path First (OSPF)
– โพรโตคอลหาเส้นทางจะประกอบไปด้วยทั้งกฏและวิธีกา่รที่เราเตอร์ในอินเตอร์เนตบอกกับเราเตอร์อื่นๆ ถึงการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้น ดังนั้นจึงต้องมีการแชร์ข้อมูลซึ่งกันและกัน
– ในการอัพเดต routing table แบบนี้มีค่าใช้จ่ายคือ

1. การเปลี่ยนข้อมูลของเส้นทางเพิ่ม overhead ซึ่งใช้ network bandwidth
2. ข้อมูลของเส้นทางที่ได้รับถูกดำเนินการอย่างครอบคลุมโดย protocols อย่าง EIGRP และ OSPF เพื่อที่จะสร้าง routing table ซึ่งหมายถึงเราเตอร์ใช้งานโพรโตคอลเหล่านี้เพื่อต้องการมีประสิทธิภาพในการทำงานทั้ง การสร้าง protocol’s algorithms และ การแสดงหาเส้นทางในการส่งแพ็กเกตได้อย่างถูกเวลา