Giáo trình Mạng máy tính cung cấp cho người học những kiến thức như: giới thiệu chung về mạng máy tính; mô hình tham chiếu OSI; tô pô mạng; Cáp mạng và vật tải truyền; giới thiệu giao thức TCP/IP; khắc phục sự cố mạng. Mời các bạn cùng tham khảo!
Lịch sử mạng máy tính
Mục tiêu: Trình bày được sự hình thành và phát triển của mạng máy tính
Vào giữa những năm 50, những thế hệ máy tính đầu tiên với bóng đèn điện tử ra đời, có kích thước lớn và tiêu tốn nhiều năng lượng Dữ liệu được nhập vào máy tính thông qua các tấm bìa đã được đục lỗ, mỗi tấm bìa tương ứng với một dòng lệnh, trong đó mỗi cột chứa ký tự cần thiết Các tấm bìa này được đưa vào thiết bị đọc bìa, cho phép thông tin được chuyển vào trung tâm xử lý, và kết quả được in ra bằng máy in Thiết bị đọc bìa và máy in đóng vai trò là các thiết bị vào ra (I/O) cho máy tính Sau đó, các thế hệ máy tính mới được phát triển, cho phép một máy tính trung tâm kết nối với nhiều thiết bị vào ra, thực hiện liên tục các chương trình khác nhau.
Với sự phát triển của ứng dụng máy tính, các phương pháp nâng cao khả năng giao tiếp với máy tính trung tâm đã được nghiên cứu và đầu tư đáng kể Vào giữa những năm 60, một số nhà chế tạo máy tính đã thành công trong việc phát triển thiết bị truy cập từ xa Một trong những phương pháp này bao gồm việc cài đặt thiết bị đầu cuối ở vị trí xa trung tâm tính toán, kết nối với trung tâm thông qua đường dây điện thoại.
6 thiết bị xử lý tín hiệu (thường gọi là Modem) gắn ở hai đầu và tín hiệu được truyền thay vì trực tiếp thì thông qua dây điện thoại
Hình 1.1: Mô hình truyền dữ liệu từ xa đầu tiên
Các thiết bị đầu cuối ban đầu bao gồm máy đọc bìa, máy in, thiết bị xử lý tín hiệu và các thiết bị cảm nhận Việc kết nối từ xa giữa chúng có thể được thực hiện qua nhiều khu vực khác nhau, đánh dấu sự ra đời của những hệ thống mạng đầu tiên.
Trong quá trình phát triển thiết bị đầu cuối từ xa, các nhà khoa học đã giới thiệu nhiều thiết bị điều khiển nhằm nâng cao khả năng tương tác giữa người dùng và máy tính Một trong những sản phẩm quan trọng là hệ thống thiết bị đầu cuối 3270 của IBM, bao gồm màn hình, hệ thống điều khiển và thiết bị truyền thông kết nối với trung tâm tính toán Được ra mắt vào năm 1971, hệ thống 3270 giúp mở rộng khả năng tính toán từ trung tâm máy tính đến các khu vực xa xôi Để giảm tải cho máy tính trung tâm và số lượng kết nối với thiết bị đầu cuối, IBM cùng các công ty máy tính khác đã phát triển nhiều thiết bị hỗ trợ.
Thiết bị kiểm soát truyền thông nhận tín hiệu từ các kênh truyền thông, gom chúng thành byte dữ liệu và chuyển đến máy tính trung tâm để xử lý Ngoài ra, thiết bị này còn truyền tín hiệu phản hồi từ máy tính trung tâm đến các trạm xa Việc sử dụng thiết bị này giúp giảm thời gian xử lý trên máy tính trung tâm và phát triển các thiết bị logic đặc trưng.
Thiết bị kiểm soát nhiều đầu cuối cho phép quản lý đồng thời nhiều thiết bị, chỉ cần máy tính trung tâm kết nối với một thiết bị kiểm soát Điều này mang lại lợi ích lớn khi thiết bị kiểm soát ở xa máy tính, vì chỉ cần một đường điện thoại để phục vụ cho nhiều thiết bị đầu cuối.
Hình 1.2: Mô hình trao đổi mạng của hệ thống 3270
Vào giữa những năm 1970, các thiết bị đầu cuối đã được phát triển với phương pháp kết nối qua cáp, giúp nâng cao tốc độ truyền dữ liệu và kết hợp khả năng tính toán của nhiều máy tính Đến những năm 1980, hệ thống đường truyền tốc độ cao đã được thiết lập tại Bắc Mỹ và Châu Âu, dẫn đến sự ra đời của các nhà cung cấp dịch vụ truyền thông với tốc độ nhanh hơn nhiều so với đường dây điện thoại Với chi phí thuê bao hợp lý, người dùng có thể kết nối máy tính và hình thành các mạng rộng khắp Các nhà cung cấp dịch vụ đã xây dựng mạng lưới đường truyền dữ liệu giữa các thành phố, cung cấp dịch vụ cho những người xây dựng mạng mà không cần phải tự xây dựng hạ tầng truyền thông.
Vào năm 1974, IBM đã ra mắt một loạt thiết bị đầu cuối dành cho ngân hàng và thương mại, cho phép truy cập đồng thời vào máy tính dùng chung qua mạng cáp Việc kết nối các máy tính trong một khu vực nhỏ như tòa nhà giúp giảm chi phí cho thiết bị và phần mềm Điều này đã thúc đẩy đầu tư vào nghiên cứu khả năng sử dụng chung môi trường truyền thông và tài nguyên máy tính.
Vào năm 1977, Datapoint Corporation đã ra mắt hệ điều hành mạng "Attached Resource Computer Network" (gọi tắt là Arcnet), cho phép kết nối máy tính và trạm đầu cuối qua cáp mạng Arcnet được coi là hệ điều hành mạng cục bộ đầu tiên.
Kể từ khi máy tính cá nhân trở nên phổ biến, nhiều công ty đã giới thiệu sản phẩm của mình Sự gia tăng nhanh chóng số lượng máy tính trong văn phòng và cơ quan đã tạo ra nhu cầu kết nối chúng, điều này không chỉ cần thiết mà còn mang lại hiệu quả cao cho người sử dụng.
Trong thời đại hiện nay, với sự bùng nổ thông tin, nhu cầu xử lý thông tin ngày càng gia tăng Mạng máy tính đã trở thành một phần thiết yếu trong nhiều lĩnh vực như khoa học, quân sự, quốc phòng, thương mại, dịch vụ và giáo dục Ở nhiều nơi, mạng không chỉ đơn thuần là công cụ mà đã trở thành nhu cầu thiết yếu Việc kết nối các máy tính thành mạng mang lại cho chúng ta những khả năng mới mẻ và to lớn.
Sử dụng tài nguyên chung trong mạng cho phép mọi thành viên truy cập vào các thiết bị, chương trình và dữ liệu mà không cần quan tâm đến vị trí của chúng Điều này tạo ra sự thuận tiện và hiệu quả trong việc chia sẻ tài nguyên giữa các người dùng.
Tăng cường độ tin cậy của hệ thống thông qua việc dễ dàng bảo trì máy móc và sao lưu dữ liệu Khi xảy ra sự cố, dữ liệu có thể được khôi phục nhanh chóng Nếu một trạm làm việc gặp trục trặc, người dùng có thể chuyển sang sử dụng các trạm khác để đảm bảo hoạt động liên tục.
Nâng cao chất lượng và hiệu quả khai thác thông tin là điều cần thiết, bởi khi thông tin được sử dụng chung, người dùng có khả năng tổ chức lại công việc một cách hiệu quả hơn Điều này giúp đáp ứng tốt hơn các nhu cầu của hệ thống ứng dụng kinh doanh hiện đại.
Cung cấp sự thống nhất giữa các dữ liệu
Tăng cường năng lực xử lý thông qua việc kết hợp các bộ phận phân tán giúp nâng cao hiệu suất Đồng thời, việc này cũng cải thiện khả năng truy cập vào các dịch vụ mạng đa dạng đang được cung cấp trên toàn cầu.
Giới thiệu mạng máy tính
Mục tiêu: Mô tả được các đặc trưng cơ bản của mạng máy tính
2.1 Định nghĩa mạng máy tính và mục đích của việc kết nối mạng:
*Nhu cầu của việc kết nối mạng máy tính:
Việc nối máy tính thành mạng từ lâu đã trở thành một nhu cầu khách quan vì:
Nhiều công việc hiện nay mang tính chất phân tán, liên quan đến thông tin hoặc xử lý, đòi hỏi sự kết hợp giữa truyền thông và việc sử dụng các phương tiện từ xa.
- Chia sẻ các tài nguyên trên mạng cho nhiều người sử dụng tại một thời điểm (ổ cứng, máy in, ổ CD ROM )
- Nhu cầu liên lạc, trao đổi thông tin nhờ phương tiện máy tính
- Các ứng dụng phần mềm đòi hòi tại một thời điểm cần có nhiều người sử dụng, truy cập vào cùng một cơ sở dữ liệu
* Định nghĩa mạng máy tính
Mạng máy tính là một hệ thống gồm nhiều máy tính độc lập được kết nối với nhau qua các đường truyền vật lý, tuân theo các quy tắc giao tiếp nhất định.
Khái niệm máy tính độc lập được hiểu là các máy tính không có máy nào có khả năng khởi động hoặc đình chỉ một máy khác
Các đường truyền vật lý được hiểu là các môi trường truyền tín hiệu vật lý (có thể là hữu tuyến hoặc vô tuyến)
Các quy ước truyền thông là nền tảng cho việc các máy tính giao tiếp với nhau, đóng vai trò quan trọng trong công nghệ mạng máy tính.
2.2 Đặc trưng kỹ thuật của mạng máy tính:
Một mạng máy tính có các đặc trưng kỹ thuật cơ bản như sau:
Đường truyền là thành phần quan trọng trong mạng máy tính, chịu trách nhiệm truyền tải các tín hiệu điện tử giữa các máy tính Các tín hiệu này, được biểu thị dưới dạng xung nhị phân (ON_OFF), chứa thông tin và dữ liệu Mọi tín hiệu giữa các máy tính đều thuộc dạng sóng điện từ, và tùy thuộc vào tần số, chúng ta có thể sử dụng các loại đường truyền vật lý khác nhau Giải thông của đường truyền là đặc trưng cơ bản, biểu thị khả năng truyền tải dữ liệu của nó.
10 tải tín hiệu của đường truyền
Thông thường người ta hay phân loại đường truyền theo hai loại:
- Đường truyền hữu tuyến: các máy tính được nối với nhau bằng các dây cáp mạng
Đường truyền vô tuyến cho phép các máy tính giao tiếp với nhau thông qua sóng vô tuyến, sử dụng các thiết bị điều chế và giải điều chế ở cả hai đầu kết nối.
Kỹ thuật chuyển tín hiệu giữa các nút trong mạng đóng vai trò quan trọng trong việc định hướng thông tin đến đích mong muốn Hiện nay, có nhiều phương pháp chuyển mạch khác nhau được áp dụng để tối ưu hóa quá trình này.
Kỹ thuật chuyển mạch kênh thiết lập một kênh cố định giữa hai thực thể cần truyền thông, duy trì kết nối cho đến khi hai bên ngắt liên lạc Dữ liệu sẽ được truyền qua con đường cố định này, đảm bảo tính ổn định trong quá trình giao tiếp.
Kỹ thuật chuyển mạch thông báo là phương pháp truyền tải dữ liệu, trong đó thông báo được định nghĩa là đơn vị dữ liệu có cấu trúc cụ thể Mỗi thông báo chứa thông tin điều khiển, xác định đích đến của nó Dựa vào thông tin này, các nút trung gian có khả năng chuyển tiếp thông báo đến nút tiếp theo trên đường đi đến đích.
Kỹ thuật chuyển mạch gói chia nhỏ mỗi thông báo thành các gói tin theo khuôn dạng quy định Mỗi gói tin chứa thông tin điều khiển, bao gồm địa chỉ nguồn và địa chỉ đích Các gói tin của cùng một thông báo có thể được gửi qua nhiều con đường khác nhau đến đích.
Kiến trúc mạng máy tính định nghĩa cách kết nối các máy tính và thiết lập các quy tắc, quy ước mà tất cả các thực thể trong mạng phải tuân thủ để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu của mạng.
Khi nói đến kiến trúc của mạng người ta muốn nói tới hai vấn đề là hình trạng mạng (network topology) và giao thức mạng (network protocol)
- Network topology: Các kết nối các máy tính với nhau về mặt hình học mà ta gọi là tô pô của mạng
Giao thức mạng là tập hợp các quy ước truyền thông giữa các thực thể trong mạng, được gọi là giao thức hoặc nghi thức Một số giao thức phổ biến bao gồm TCP/IP, NETBIOS và IPX/SPX.
Hệ điều hành mạng là một phần mềm hệ thống có các chức năng sau:
Quản lý tài nguyên hệ thống bao gồm hai loại chính: tài nguyên thông tin và tài nguyên thiết bị Tài nguyên thông tin liên quan đến việc quản lý tệp, bao gồm các công việc như lưu trữ, tìm kiếm, xóa, sao chép, nhóm và đặt thuộc tính Trong khi đó, tài nguyên thiết bị tập trung vào việc điều phối sử dụng CPU và các thiết bị ngoại vi nhằm tối ưu hóa hiệu suất sử dụng.
Hệ điều hành đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý người dùng và các tác vụ trên hệ thống, đảm bảo sự giao tiếp hiệu quả giữa người sử dụng, các chương trình ứng dụng và thiết bị phần cứng.
Hệ thống cung cấp nhiều tiện ích hỗ trợ khai thác dễ dàng, bao gồm FORMAT đĩa, sao chép tệp và thư mục, cùng với in ấn chung Các hệ điều hành phổ biến hiện nay bao gồm Windows NT, Windows 9X, Windows 2000, Unix và Novell.
Phân loại mạng máy tính
Mục tiêu: Phân loại và xác định đuợc các kiểu thiết kế mạng máy tính thông dụng
Mạng có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau, tùy thuộc vào yếu tố chính được chọn làm tiêu chí phân loại Thông thường, các tiêu chí phân loại mạng bao gồm: kích thước, phạm vi địa lý, công nghệ sử dụng và mục đích hoạt động.
- Khoảng cách địa lý của mạng
- Kỹ thuật chuyển mạch mà mạng áp dụng
- Hệ điều hành mạng sử dụng
Tuy nhiên trong thực tế nguời ta thường chỉ phân loại theo hai tiêu chí đầu tiên
3.1 Phân loại mạng theo khoảng cách địa lý :
Nếu lấy khoảng cách địa lý làm yếu tố phân loại mạng thì ta có mạng cục bộ, mạng đô thị, mạng diện rộng, mạng toàn cầu
Mạng cục bộ (LAN - Local Area Network) là loại mạng được thiết lập trong không gian hạn chế, chẳng hạn như trong một tòa nhà hoặc một xí nghiệp, với khoảng cách tối đa giữa các máy tính không vượt quá vài km.
Mạng đô thị (MAN - Metropolitan Area Network) là loại mạng được thiết lập trong giới hạn của một đô thị hoặc trung tâm văn hóa xã hội, với bán kính tối đa khoảng 100 km.
Mạng diện rộng (WAN - Wide Area Network) là loại mạng có phạm vi bao phủ rộng lớn, có khả năng kết nối các thiết bị và hệ thống thông tin qua nhiều quốc gia và thậm chí cả các lục địa.
Mạng toàn cầu ( GAN - Global Area Network ) : là mạng có phạm vi trải rộng toàn cầu
3.2 Phân loại theo kỹ thuật chuyển mạch:
Nếu lấy kỹ thuật chuyển mạch làm yếu tố chính để phân loại sẽ có: mạng chuyển mạch kênh, mạng chuyển mạch thông báo và mạng chuyển mạch gói
Mạch chuyển mạch kênh (circuit switched network) :
Khi hai thực thể cần giao tiếp, một kênh cố định sẽ được thiết lập để duy trì kết nối cho đến khi ngắt liên lạc Dữ liệu chỉ được truyền qua con đường này, nhưng nhược điểm của chuyển mạch kênh là thời gian thiết lập kênh lâu và hiệu suất mạng không cao.
Mạng chuyển mạch thông báo (message switched network) :
Thông báo là đơn vị dữ liệu của người sử dụng với khuôn dạng quy định trước, chứa thông tin điều khiển chỉ rõ đích cần truyền tới Dựa vào thông tin này, các nút trung gian có thể chuyển tiếp thông báo tới nút kế tiếp trên con đường đến đích Mỗi nút tạm thời lưu giữ thông báo để đọc thông tin điều khiển; nếu không phải là đích, nó sẽ tiếp tục chuyển tiếp Tùy thuộc vào điều kiện mạng, thông báo có thể được chuyển đi qua nhiều con đường khác nhau, mang lại ưu điểm cho phương pháp này.
- Hiệu suất sử dụng đường truyền cao vì không bị chiếm dụng độc quyền mà được phân chia giữa nhiều thực thể truyền thông
Mỗi nút mạng có khả năng lưu trữ thông tin tạm thời trước khi chuyển tiếp thông báo, giúp điều chỉnh và giảm thiểu tình trạng tắc nghẽn trên mạng.
- Có thể điều khiển việc truyền tin bằng cách sắp xếp độ ưu tiên cho các thông báo
- Có thể tăng hiệu suất sử dụng giải thông của mạng bằng cách gắn địa chỉ quảng bá (broadcast addressing) để gửi thông báo đồng thời tới nhiều đích
Nhược điểm của phương pháp này là:
Việc không giới hạn kích thước thông báo dẫn đến chi phí lưu trữ tạm thời tăng cao và ảnh hưởng tiêu cực đến thời gian phản hồi yêu cầu từ các trạm.
Mạng chuyển mạch gói (packet switched network) là hệ thống trong đó mỗi thông báo được chia thành nhiều gói tin nhỏ, có cấu trúc quy định trước Mỗi gói tin bao gồm thông tin điều khiển, bao gồm địa chỉ nguồn (người gửi) và địa chỉ đích (người nhận) Điều đặc biệt là các gói tin của cùng một thông báo có thể được gửi đến đích qua nhiều lộ trình khác nhau trong mạng.
Phương pháp chuyển mạch thông báo và chuyển mạch gói có nhiều điểm tương đồng, nhưng khác biệt chính nằm ở kích thước tối đa của các gói tin Kích thước này được giới hạn để các nút mạng có thể xử lý toàn bộ gói tin trong bộ nhớ mà không cần lưu trữ tạm thời trên đĩa Do đó, mạng chuyển mạch gói truyền dữ liệu hiệu quả hơn so với mạng chuyển mạch thông báo.
Tích hợp hai kỹ thuật chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói vào trong một mạng thống nhất được mạng tích hợp số ISDN (Integated Services Digital Network)
3.3 Phân loại theo kiến trúc mạng sử dụng:
Kiến trúc của mạng bao gồm hai vấn đề: hình trạng mạng (Network topology) và giao thức mạng (Network protocol)
Hình trạng mạng: Cách kết nối các máy tính với nhau về mặt hình học mà ta gọi là tô pô của mạng
Giao thức mạng: Tập hợp các quy ước truyền thông giữa các thực thể truyền thông mà ta gọi là giao thức (hay nghi thức) của mạng
Khi phân loại theo topo mạng người ta thường có phân loại thành: mạng hình sao, tròn, tuyến tính
Phân loại theo giao thức mà mạng sử dụng người ta phân loại thành mạng : TCP/IP, mạng NETBIOS
Tuy nhiên cách phân loại trên không phổ biến và chỉ áp dụng cho các mạng cục bộ
3.4 Phân loại theo hệ điều hành mạng:
Mạng có thể được phân loại dựa trên hệ điều hành, bao gồm các mô hình như mạng ngang hàng và mạng khách/chủ, hoặc theo tên hệ điều hành mà mạng sử dụng, chẳng hạn như Windows NT, Unix và Novell.
Giới thiệu các mạng máy tính thông dụng nhất
Mục tiêu: Giới thiệu đặc trưng của một số mạng máy tính hiện nay đang được sử dụng phổ biến nhất trong nước và trên thế giới
Mạng cục bộ (LAN) là hệ thống kết nối giữa một nhóm máy tính và thiết bị mạng trong một khu vực địa lý hạn chế, thường là trong một tòa nhà hoặc khu văn phòng.
Mạng cục bộ có các đặc tính sau:
- Tốc độ truyền dữ liệu cao
- Phạm vi địa lý giới hạn
- Sở hữu của một cơ quan/tổ chức
4.2 Mạng diện rộng với kết nối LAN TO LAN:
Mạng diện rộng (WAN) là sự kết nối của nhiều mạng LAN, có khả năng mở rộng trên một vùng, quốc gia hoặc thậm chí toàn bộ lục địa.
14 thậm chí trên phạm vi toàn cầu
- Tốc độ truyền dữ liệu không cao
- Phạm vi địa lý không giới hạn
- Thường triển khai dựa vào các công ty truyền thông, bưu điện và dùng các hệ thống truyền thông này để tạo dựng đường truyền
- Một mạng WAN có thể là sở hữu của một tập đoàn/tổ chức hoặc là mạng kết nối của nhiều tập đoàn/tỗ chức
Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ là sự ra đời của liên mạng INTERNET,
- Là một mạng toàn cầu
- Là sự kết hợp của vô số các hệ thống truyền thông, máy chủ cung cấp thông tin và dịch vụ, các máy trạm khai thác thông tin
- Dựa trên nhiều nền tảng truyền thông khác nhau, nhưng đều trên nền giao thức TCP/IP
- Là sở hữu chung của toàn nhân loại
- Càng ngày càng phát triển mãnh liệt
Mạng nội bộ là một phiên bản thu nhỏ của INTERNET, được áp dụng trong các cơ quan, công ty, tổ chức hoặc bộ/ngành, với phạm vi người sử dụng được giới hạn Nó sử dụng các công nghệ kiểm soát truy cập và bảo mật thông tin, phát triển từ các mạng LAN và WAN dựa trên công nghệ INTERNET.
CÂU HỎI ÔN TẬP
1 Hiểu thế nào là mạng máy tính Hãy trình bày tóm tắt chức năng các thành phần chủ yếu của một mạng máy tính ?
2 Hãy phát biểu các lợi ích khi kết nối các máy tính thành mạng
Hình 1.3:Mạng diện rộng với kết nối LAN
3 Trình bày nguyên tắc hoạt động của mạng chuyển mạch kênh (Circuit Switched Networks)
4 Trình bày nguyên tắc hoạt động của mạng chuyển mạch gói (Packet Switched Networks) Vì sao nói kỹ thuật chuyển mạch gói có hiệu suất kênh truyền cao, vì sao ?
5 Vì sao mạng chuyển mạch gói có tốc độ trao đổi thông tin nhanh hơn tốc độ trao đổi thông tin trong mạch chuyển mạch tin báo?
6 Hiểu thế nào là mạng cục bộ LAN (Local Area Networks) và nêu các đặc trưng cơ bản của nó
7 Hiểu thế nào là mạng đô thị MAN (Metropolitan Area Networks) và nêu đặc trưng cơ bản của nó
8 Hiểu thế nào là mạng diện rộng WAN và nêu những đặc trưng của mạng diện rộng ?
Mô hình tham khảo OSI
Mô hình OSI (Open System Interconnections) được thiết kế để giảm độ phức tạp trong việc xây dựng mạng, với cấu trúc đa tầng gồm 7 tầng, mỗi tầng dựa trên tầng trước và cung cấp dịch vụ cho tầng cao hơn Hai loại quan hệ trong mô hình này là quan hệ theo chiều ngang, cho phép các máy tính đồng tầng giao tiếp thông qua các giao thức, và quan hệ theo chiều dọc, liên kết các tầng kề nhau thông qua giao diện ghép nối Sự không tương thích giữa các mạng khác nhau đã thúc đẩy nhu cầu xây dựng một mô hình chuẩn, nhằm kết nối các sản phẩm từ nhiều nhà sản xuất khác nhau Vào tháng 3 năm 1977, tổ chức tiêu chuẩn quốc tế đã bắt đầu nghiên cứu kết nối hệ thống mở, dẫn đến việc công bố mô hình OSI vào năm 1984, nhằm thúc đẩy sự chuẩn hóa trong lĩnh vực viễn thông và tin học.
Tầng 1, hay còn gọi là tầng vật lý, đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp các phương tiện truyền tin và thủ tục cần thiết để khởi động, duy trì và hủy bỏ các liên kết vật lý Tầng này cho phép truyền tải các dòng dữ liệu dưới dạng bit, đảm bảo sự kết nối hiệu quả trong hệ thống mạng.
Tầng 2, hay còn gọi là tầng liên kết dữ liệu (Data Link), có chức năng thiết lập, duy trì và huỷ bỏ các liên kết dữ liệu Tầng này kiểm soát luồng dữ liệu, đồng thời phát hiện và khắc phục các sai sót trong quá trình truyền tin.
- Tầng 3 (tầng mạng-Network): chọn đường truyền tin trong mạng, thực hiện kiểm soát luồng dữ liệu, khắc phục sai sót, cắt hợp dữ liệu
- Tầng 4 (tầng giao vận-Transport): kiểm soát giữa các nút của luồng dữ liệu, khắc phục sai sót, có thể thực hiện ghép kênh và cắt hợp dữ liệu
Tầng 5, hay còn gọi là tầng phiên (Session), có nhiệm vụ thiết lập, duy trì đồng bộ hóa và hủy bỏ các phiên truyền thông Việc liên kết phiên được thực hiện thông qua các cuộc đối thoại và các tham số điều khiển.
- Tầng 6 (tầng trình dữ liệu-Presentation): biểu diễn thông tin theo cú pháp dữ liệu của người sử dụng Loại mã sử dụng và vấn đề nén dữ liệu
Tầng 7, hay còn gọi là tầng áp dụng, đóng vai trò là giao diện giữa người dùng và môi trường hệ thống mạng Tầng này không chỉ xử lý ngữ nghĩa thông tin mà còn cho phép truy cập và quản lý việc chuyển giao tệp cũng như thư tín điện tử.
Hình 2.1: Mô hình 7 mức OSI
Thủ tục truyền tin trên mạng dựa vào các giao thức đã được quy định, với quá trình liên lạc diễn ra từ lớp thấp nhất trên mỗi máy và dần dần lên các lớp cao hơn Mô hình 7 mức OSI đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu cách thức hoạt động của mạng Yêu cầu truy cập tài nguyên mạng bắt đầu từ lớp trên cùng và được truyền xuống qua bảy lớp phân biệt, đảm bảo sự xử lý chính xác và hiệu quả của thông tin.
Quá trình chuyển đổi từ một lời gọi API trong ứng dụng thành chuỗi xung mã hoá cho phép truyền tải thông tin nhị phân đến thiết bị khác trên mạng Những xung này có thể được truyền qua các phương tiện như điện, quang, từ, vi ba hoặc sóng vô tuyến Quá trình mã hoá giúp các lớp cụ thể của mô hình OSI trên máy tính nguồn giao tiếp với các lớp tương ứng trên máy tính đích thông qua các giao thức Khi đến đích, dữ liệu sẽ được giải mã theo chiều ngược lại cho đến khi đạt đến lớp chức năng tương đương trên máy tính đích Kết quả là hai máy có thể giao tiếp và hoạt động độc lập như thể chúng là những tài nguyên được kết nối mạng Mô hình OSI không chỉ định giao thức hay thiết bị cụ thể nào để truyền dữ liệu, mà chỉ cung cấp khung để các thiết bị khác nhau đảm bảo thông tin được truyền đúng cách qua mạng.
Dữ liệu lưu thông trên mạng được chia thành hai nhóm chính: yêu cầu từ máy tính nguồn và phản hồi từ máy chủ Đơn vị cơ bản của dữ liệu mạng là gói dữ liệu (packet), mà để truyền tải thông tin qua mạng, nó phải đi qua một chồng giao thức, trải qua quá trình đóng gói và đóng gói lại Cách thức đóng gói phụ thuộc vào các khuôn dạng và lược đồ biểu diễn quy định cho từng giao thức ở mỗi lớp trong chồng giao thức Mỗi gói dữ liệu chứa yêu cầu hoặc phản hồi, địa chỉ mạng, cơ chế kiểm tra lỗi, và kiểm soát dòng để đảm bảo gói đến đích trong tình trạng nguyên vẹn và không bị gửi đi quá nhanh Sự phân phối có đảm bảo, kiểm tra lỗi, và kiểm soát dòng được cung cấp thông qua thông tin trong các khung dữ liệu từ các lớp khác nhau của mô hình OSI Khi gói dữ liệu di chuyển qua các lớp của mô hình OSI, nó sẽ được thêm vào các phần đầu đề và có thể có phần đuôi với các trường thông tin bổ sung.
Trước khi truyền dữ liệu, cần thiết lập kết nối giữa hai thực thể ở cùng tầng, nơi họ sẽ thương lượng về các tham số sử dụng Quá trình truyền bắt đầu từ lớp 7 (Application), lớp cao nhất của mô hình OSI, sau đó dữ liệu được chuyển xuống lớp 6 (Presentation) để bắt đầu quá trình bao gói Tại đây, dữ liệu được bao trong một phần đầu đề chứa thông tin nhận diện và hỗ trợ chuyển tiếp Khi dữ liệu tiếp tục đi qua các lớp 5 (Session), 4 (Transport) và 3 (Network), các giao thức tại mỗi lớp sẽ thêm một phần đầu đề khác, đảm bảo quá trình truyền dữ liệu diễn ra suôn sẻ.
Mô hình OSI gồm 7 lớp, cho phép dữ liệu được chia thành các mảnh nhỏ hơn để dễ quản lý Khi dữ liệu đến lớp 2 (Data Link), các giao thức tại đây sẽ lắp ráp dữ liệu thành các khung bằng cách thêm phần đầu và phần cuối, sau đó chuyển xuống lớp 1 (Physical) để truyền tải qua mạng Khi các khung đến đích, quá trình này được lặp lại, gọi là tách bỏ liên kết, nơi các phần đầu và phần cuối được gỡ bỏ và so sánh Trong mạng chuyển mạch gói, dữ liệu có thể được truyền theo phương pháp có liên kết hoặc không có liên kết Nếu không có liên kết, các gói dữ liệu được truyền độc lập với nhau, mỗi gói chứa địa chỉ đích xác định Nghiên cứu về OSI bắt đầu vào năm 1971 với mục tiêu kết nối sản phẩm từ các nhà sản xuất khác nhau, hứa hẹn giải quyết vấn đề truyền thông giữa các máy tính khác nhau một cách hiệu quả nếu tuân thủ các điều kiện chung.
Chúng cài đặt cùng một tập các chức năng truyền thông
Các chức năng đó được tổ chức thành cùng một tập các tầng các tầng đồng mức phải cung cấp các chức năng như nhau
Các tầng đồng mức khi trao đổi với nhau sử dụng chung một giao thức
Mô hình OSI phân chia các khía cạnh của mạng máy tính thành bảy tầng theo cách phân tầng Đây là một khung giúp các tiêu chuẩn mạng khác nhau có thể tương thích với nhau Mô hình OSI xác định những khía cạnh nào của hoạt động mạng có thể được điều chỉnh bởi các tiêu chuẩn khác nhau, do đó, nó có thể coi là một tiêu chuẩn cho các tiêu chuẩn mạng.
* Nguyên tắc sử dụng khi định nghĩa các tầng hệ thống mở
Sau đây là các nguyên tắc mà ISO quy định dùng trong quá trình xây dựng mô hình OSI
Không định nghĩa quá nhiều tầng để việc xác định và ghép nối các tầng không quá phức tạp
- Tạo các ranh giới các tầng sao cho việc giải thích các phục vụ và số các tương tác qua lại hai tầng là nhỏ nhất
- Tạo các tầng riêng biệt cho các chức năng khác biệt nhau hoàn toàn về kỹ thuật sử dụng hoặc quá trình thực hiên
- Các chức năng giống nhau được đặt trong cùng một tầng
- Lựa chọn ranh giới các tầng tại các điểm mà những thử nghiệm trong quá khứ thành công
- Các chức năng được xác định sao cho chúng có thể dễ dàng xác định lại, và các nghi thức của chúng có thể thay đổi trên mọi hướng
- Tạo ranh giới các tầng mà ở đó cần có những mức độ trừu tượng khác nhau trong việc sử dụng số liệu
- Cho phép thay đổi các chức năng hoặc giao thức trong tầng không ảnh hưởng đến các tầng khác
- Tạo các ranh giới giữa mỗi tầng với tầng trên và dưới nó.
Các giao thức trong mô hình OSI
Mục tiêu: Trình bày các giao thức hiện có trong mô hình OSI
Trong mô hình OSI có hai loại giao thức chính được áp dụng: giao thức có liên kết (connection - oriented) và giao thức không liên kết (connectionless)
Giao thức có liên kết yêu cầu thiết lập một liên kết logic trước khi truyền dữ liệu giữa hai tầng đồng mức Các gói tin sẽ được trao đổi qua liên kết này, giúp nâng cao độ an toàn trong quá trình truyền dữ liệu.
Giao thức không liên kết cho phép truyền dữ liệu mà không cần thiết lập liên kết logic trước, với mỗi gói tin được gửi đi một cách độc lập, không phụ thuộc vào các gói tin trước hoặc sau.
Như vậy với giao thức có liên kết, quá trình truyền thông phải gồm 3 giai đoạn phân biệt:
Thiết lập liên kết logic giữa hai thực thể đồng mức trong hai hệ thống thương lượng là quá trình thỏa thuận về các tham số sẽ được sử dụng trong giai đoạn truyền dữ liệu tiếp theo.
Truyền dữ liệu là quá trình mà trong đó dữ liệu được chuyển giao kèm theo các cơ chế kiểm soát và quản lý như kiểm soát lỗi, kiểm soát luồng dữ liệu, và cắt/hợp dữ liệu Những cơ chế này nhằm tăng cường độ tin cậy và hiệu quả trong việc truyền tải thông tin.
Hủy bỏ liên kết là quá trình giải phóng tài nguyên hệ thống đã được cấp phát cho liên kết, cho phép sử dụng lại cho các liên kết khác Đối với các giao thức không liên kết, chỉ có một giai đoạn truyền dữ liệu duy nhất.
Gói tin trong giao thức mạng là đơn vị thông tin thiết yếu cho việc truyền tải dữ liệu giữa các máy tính Khi các máy tính trao đổi thông điệp, chúng được phân thành các gói tin tại máy nguồn Tại điểm đến, những gói tin này sẽ được kết hợp lại để tái tạo thông điệp ban đầu Mỗi gói tin có thể chứa yêu cầu phục vụ, thông tin điều khiển và dữ liệu cần thiết cho quá trình truyền tải.
Hình 2.3: Phương thức xác lập các gói tin trong mô hình OSI
+ Hdr : phần đầu cảu gói tin
+ Trl (Trailer) : Phần kiểm tra lỗi (Tầng liên kết dữ liệu)
+ Data: Phần dữ liệu của gói tin
Trong mô hình mạng phân tầng, mỗi tầng chỉ thực hiện chức năng nhận dữ liệu từ tầng trên và chuyển giao xuống tầng dưới, cũng như ngược lại Chức năng này liên quan đến việc gắn thêm và gỡ bỏ phần đầu (header) của các gói tin trước khi chúng được truyền đi Cụ thể, mỗi gói tin bao gồm phần đầu và phần dữ liệu; khi gói tin đi đến một tầng mới, nó sẽ được thêm một phần đầu mới và được coi là gói tin của tầng đó Quá trình này tiếp diễn cho đến khi gói tin được truyền qua mạng đến tay người nhận.
Tại bên nhận, các gói tin được xử lý bằng cách gỡ bỏ phần đầu ở mỗi tầng tương ứng, điều này phản ánh nguyên lý cơ bản của mọi mô hình phân tầng.
Chú ý: Trong mô hình OSI phần kiểm lỗi của gói tin tầng liên kết dữ liệu đặt ở cuối gói tin
Các chức năng chủ yếu của các tầng của mô hình OSI
Mục tiêu: Trình bày được nguyên tắc hoạt động và chức năng của từng lớp trong mô hình OSI
Tầng vật lý (Physical layer) là tầng đầu tiên trong mô hình OSI, chịu trách nhiệm mô tả các đặc trưng vật lý của mạng, bao gồm loại cáp kết nối thiết bị, các đầu nối sử dụng và chiều dài tối đa của cáp Ngoài ra, tầng này còn cung cấp các đặc trưng điện cho tín hiệu truyền dữ liệu qua cáp giữa các máy tính trong mạng, kỹ thuật nối mạch điện và tốc độ truyền dẫn của cáp.
Tầng vật lý trong mô hình OSI chỉ định các tín hiệu dưới dạng giá trị nhị phân 0 và 1 mà không cung cấp ý nghĩa cụ thể nào cho chúng Ý nghĩa của các bit được truyền tải qua tầng vật lý sẽ được xác định ở các tầng cao hơn trong mô hình này.
Tiêu chuẩn Ethernet 10 baseT quy định các đặc điểm điện của cáp xoắn đôi, kích thước và hình dạng của đầu nối, cũng như chiều dài tối đa cho phép của cáp.
Tầng vật lý khác biệt với các tầng khác ở chỗ không có gói tin riêng và không có phần đầu (header) chứa thông tin điều khiển; dữ liệu được truyền dưới dạng dòng bit Giao thức tầng vật lý quy định phương thức truyền (đồng bộ hoặc phi đồng bộ) và tốc độ truyền giữa các thiết bị.
Các giao thức tầng vật lý được phân loại thành hai nhóm chính: giao thức sử dụng phương thức truyền thông dị bộ (asynchronous) và giao thức sử dụng phương thức truyền thông đồng bộ (synchronous).
Phương thức truyền dị bộ cho phép gửi dữ liệu mà không cần tín hiệu đồng bộ giữa máy gửi và máy nhận Trong quá trình truyền, máy gửi sử dụng các bit đặc biệt START và STOP để tách biệt các xâu bit biểu diễn ký tự Điều này cho phép mỗi ký tự được truyền đi bất kỳ lúc nào, không cần phải phụ thuộc vào các tín hiệu đồng bộ trước đó.
Phương thức truyền đồng bộ yêu cầu sự đồng bộ giữa máy gửi và máy nhận, trong đó sử dụng các ký tự đặc biệt như SYN (Synchronization) và EOT (End Of Transmission) hoặc đơn giản là một "cờ" (flag) để đánh dấu giữa các dữ liệu Những tín hiệu này giúp máy nhận nhận diện được dữ liệu đang được truyền đến hoặc đã được truyền xong.
3.2 Tầng 2: Liên kết dữ liệu (Data link)
Tầng liên kết dữ liệu (data link layer) là tầng chịu trách nhiệm gán ý nghĩa cho các bít truyền trên mạng, quy định định dạng, kích thước và địa chỉ của máy gửi và nhận cho mỗi gói tin Tầng này cũng xác định cơ chế truy cập thông tin trên mạng và phương tiện gửi gói tin, đảm bảo gói tin được chuyển đến đúng người nhận đã định.
Tầng liên kết dữ liệu sử dụng hai phương thức kết nối máy tính, bao gồm phương thức "một điểm - một điểm" và phương thức "một điểm - nhiều điểm".
Phương thức "một điểm - một điểm" cho phép thiết lập các đường truyền riêng biệt để kết nối các cặp máy tính với nhau, mang lại sự ổn định và hiệu quả trong việc truyền tải dữ liệu.
- nhiều điểm " tất cả các máy phân chia chung một đường truyền vật lý
Tầng liên kết dữ liệu đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu bằng cách phát hiện và sửa lỗi cơ bản, giúp dữ liệu nhận được giống hoàn toàn với dữ liệu gửi đi Khi phát hiện gói tin có lỗi không thể sửa, tầng này sẽ thông báo cho nơi gửi biết để thực hiện việc gửi lại gói tin.
Các giao thức tầng liên kết dữ liệu được chia thành hai loại chính: giao thức hướng ký tự và giao thức hướng bit Giao thức hướng ký tự dựa trên các ký tự đặc biệt của các bộ mã chuẩn như ASCII hoặc EBCDIC, trong khi giao thức hướng bit sử dụng cấu trúc nhị phân để xây dựng các phần tử của giao thức, với dữ liệu được tiếp nhận từng bit một.
Tầng mạng (network layer) có nhiệm vụ kết nối các mạng bằng cách tìm đường (routing) cho các gói tin từ mạng này đến mạng khác Nó xác định hướng đi và quản lý quá trình chuyển tiếp các gói tin, có thể phải qua nhiều chặng để đến đích cuối cùng Tầng mạng luôn tìm kiếm các tuyến truyền thông không bị tắc nghẽn nhằm đảm bảo gói tin được gửi đến đúng nơi.
Tầng mạng cung cấp các phương tiện để truyền gói tin qua mạng, bao gồm cả mạng của mạng (network of network), do đó cần tương thích với nhiều kiểu mạng và dịch vụ khác nhau Hai chức năng chính của tầng mạng là chọn đường (routing) và chuyển tiếp (relaying) Tầng mạng đóng vai trò quan trọng khi kết nối các mạng khác nhau, như mạng Ethernet và mạng Token Ring, yêu cầu sử dụng bộ tìm đường để chuyển gói tin giữa các mạng Trong mạng chuyển mạch gói, các gói dữ liệu được truyền từ hệ thống này sang hệ thống khác thông qua chuỗi các nút, mỗi nút nhận gói từ đường vào và chuyển tiếp tới đường ra, thực hiện chức năng chọn đường và chuyển tiếp tại mỗi điểm.
Việc chọn đường là quá trình xác định con đường tối ưu để truyền tải dữ liệu, chẳng hạn như gói tin, từ trạm nguồn đến trạm đích Kỹ thuật chọn đường cần thực hiện hai chức năng chính: đảm bảo dữ liệu được gửi đi một cách hiệu quả và tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên mạng.
- Quyết định chọn đường tối ưu dựa trên các thông tin đã có về mạng tại thời điểm đó thông qua những tiêu chuẩn tối ưu nhất định
Hình 2.4: Phương thức liên kết dữ liệu
CÂU HỎI ÔN TẬP
1 Trình bày tổng quát về khái niệm kiến trúc đa tầng và các quy tắc phân tầng Hiểu thế nào là quan hệ ngang và quan hệ dọc trong kiến trúc N tầng?
2 Trình bày các nguyên tắc truyền thông đồng tầng?
3 Giao diện tầng, quan hệ các tầng kề nhau và dịch vụ
4 Trình bày vai trò & chức năng tầng mạng (Network Layer)
5 Trình bày vai trò & chức năng tầng vận chuyển (Transport Layer)
6 Trình bày vai trò & chức năng tầng liên kết dữ liệu (Data link Layer)
7 Giao thức tầng vật lý khác với giao thức các tầng khác như thế nào ?
8 Trình bày tóm tắt tắt quá trình yêu cầu thiết lập liên kết của các thực thể đồng
