TỔNG QUAN VỀ MẠNG MÁY TÍNH
Lịch sử mạng máy tính
Máy tính thập niên 1940 là những thiết bị cơ - điện tử cồng kềnh và dễ hỏng Tuy nhiên, sự ra đời của transistor bán dẫn vào năm 1947 đã mở ra cơ hội phát triển máy tính nhỏ gọn và đáng tin cậy hơn.
Vào năm 1950, các máy tính mainframe sử dụng chương trình ghi trên thẻ đục lỗ đã được áp dụng tại nhiều học viện lớn, mang lại nhiều lợi ích nhờ khả năng lập trình Tuy nhiên, việc phát triển các chương trình dựa trên thẻ đục lỗ cũng gặp không ít khó khăn.
Cuối thập niên 1950, sự ra đời của mạch tích hợp (IC) với nhiều transistor trên một mẫu bán dẫn nhỏ đã đánh dấu một bước tiến lớn trong việc phát triển máy tính, giúp chúng trở nên mạnh mẽ, nhanh chóng và nhỏ gọn hơn.
IC có thể chứa hàng triệu transistor trên một mạch
Vào cuối thập niên 1960, đầu thập niên 1970, các máy tính nhỏ được gọi là minicomputer bắt đầu xuất hiện
Năm 1977, công ty máy tính Apple Computer giới thiệu máy vi tính gọi là máy tính cá nhân (personal computer - PC)
Năm 1981, IBM giới thiệu máy tính cá nhân đầu tiên, đánh dấu bước ngoặt quan trọng trong công nghệ Sự phát triển và thu nhỏ ngày càng tinh vi của các mạch tích hợp (IC) đã thúc đẩy việc sử dụng máy tính cá nhân rộng rãi hơn trong hộ gia đình và doanh nghiệp.
Vào giữa thập niên 1980, người dùng máy tính bắt đầu chia sẻ tập tin qua modem bằng cách kết nối với các máy tính khác theo kiểu điểm nối điểm Khái niệm này được mở rộng với các máy tính trung tâm truyền tin, gọi là sàn thông báo, nơi người dùng có thể gửi, nhận thông điệp và tải lên, tải xuống tập tin Tuy nhiên, hệ thống này có hạn chế về hướng truyền tin và chỉ phục vụ những người biết đến sàn thông báo, đồng thời yêu cầu mỗi kết nối phải có một modem, dẫn đến khó khăn khi số lượng kết nối gia tăng.
Trong các thập niên 1950, 1970, 1980 và 1990, Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ đã phát triển mạng diện rộng WAN với độ tin cậy cao cho mục đích quân sự và khoa học, khác biệt với công nghệ truyền tin điểm nối điểm.
Mạng cho phép nhiều máy tính kết nối với nhau qua các đường dẫn khác nhau, xác định cách dữ liệu di chuyển giữa các máy tính Thay vì chỉ giao tiếp với một máy tính tại một thời điểm, mạng có khả năng thông tin với nhiều máy tính đồng thời qua một kết nối Đặc biệt, mạng diện rộng (WAN) của Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ đã phát triển thành Internet như chúng ta biết hôm nay.
Giới thiệu mạng máy tính
1.2.1 Định nghĩa mạng máy tính
Mạng máy tính là tập hợp các máy tính và thiết bị ngoại vi kết nối với nhau qua các phương tiện truyền dẫn như cáp, sóng điện từ và tia hồng ngoại, nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị.
1.2.2 Mục đích của việc kết nối mạng
Trong kỹ thuật mạng, việc quan trọng nhất là vận chuyển dữ liệu giữa các máy Nói chung sẽ có hai phương thức là:
Mạng quảng bá (broadcast network) là một loại kênh truyền thông cho phép mọi máy tính trong mạng chia sẻ thông tin Khi một máy tính gửi đi một gói tin (packet), gói tin này sẽ được phát đến tất cả các máy tính khác trong mạng Mỗi gói tin đều có một địa chỉ xác định để chỉ rõ máy tính mà nó muốn gửi đến.
Mạng điểm nối điểm (point-to-point) bao gồm nhiều kết nối giữa các cặp máy tính, cho phép gói tin truyền từ nguồn đến đích thông qua các máy trung gian Có thể có nhiều lộ trình với độ dài khác nhau, tùy thuộc vào số lượng máy trung gian giữa máy nguồn và máy đích Thuật toán định hướng định tuyến đóng vai trò quan trọng trong việc xác định đường đi hiệu quả trong kỹ thuật này.
1.2.3 Đặc trƣng kỹ thuật của mạng máy tính
Một mạng máy tính có các đặc trưng kỹ thuật cơ bản như sau:
Đường truyền là phương tiện truyền tải tín hiệu điện tử giữa các máy tính, trong đó thông tin và dữ liệu được biểu thị dưới dạng xung nhị phân (ON_OFF) Tất cả tín hiệu truyền giữa các máy tính đều thuộc 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, thể hiện khả năng truyền tải tín hiệu của nó.
Thông thuờng người ta hay phân loại đường truyền theo hai loại:
- Đường truyền hữu tuyến (các máy tính được nối với nhau bằng các dây dẫn tín hiệu)
Đường truyền vô tuyến cho phép các máy tính giao tiếp với nhau thông qua tín hiệu sóng vô tuyến, sử dụng các thiết bị điều chế và giải điều chế ở hai đầu mút.
Kỹ thuật chuyển tín hiệu giữa các nút trong mạng đóng vai trò quan trọng trong việc hướng thông tin đến đích Hiện nay, có nhiều kỹ thuật 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 giao tiếp, duy trì kết nối cho đến khi một trong hai bên ngắt liên lạc Dữ liệu chỉ được truyền qua con đường đã được xác định trước đó.
Kỹ thuật chuyển mạch thông báo liên quan đến việc sử dụng thông báo, một đơn vị dữ liệu của người sử dụng với khuôn dạng quy định trước Mỗi thông báo chứa thông tin điều khiển, chỉ rõ đích cần truyền tới Dựa vào thông tin này, các nút trung gian có khả năng chuyển tiếp thông báo đến nút kế tiếp trên con đường dẫn tới đích.
Kỹ thuật chuyển mạch gói chia mỗi thông báo thành nhiều gói tin nhỏ theo khuôn dạng quy định trước Mỗi gói tin bao gồm thông tin điều khiển, trong đó có 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 con đường khác nhau trong mạng.
Kiến trúc mạng máy tính mô tả cách kết nối các máy tính và các quy tắc, quy ước mà tất cả các thực thể trong mạng cần tuân theo để đảm bảo hoạt động hiệu quả 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: Cách kết nối các máy tính với nhau về mặt hình học mà ta gọi là tôpô của mạng
Các hình trạng mạng cơ bản đó là: hình sao, hình bus, hình vòng
- Network Protocol: Tập hợp các quy ước truyền thông giữa các thực thể truyền thông mà ta gọi là giao thức (hay nghi thức) của mạng
Các giao thức thường gặp nhất là : TCP/IP, NETBIOS, IPX/SPX,
Hệ điều hành mạng là một phần mềm hệ thống có các chức năng sau:
- Quản lý tài nguyên của hệ thống, các tài nguyên này gồm:
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 thiết lập thuộc tính cho tệp Quản lý tệp hiệu quả giúp tối ưu hóa quy trình làm việc và nâng cao khả năng truy cập thông tin.
+ Tài nguyên thiết bị Điều phối việc sử dụng CPU, các ngoại vi để tối ưu hoá việc sử dụng
- Quản lý người dùng và các công việc trên hệ thống
Hệ điều hành đảm bảo giao tiếp giữa người sử dụng, chương trình ứng dụng với thiết bị của hệ thống
- Cung cấp các tiện ích cho việc khai thác hệ thống thuận lợi (ví dụ FORMAT đĩa, sao chép tệp và thư mục, in ấn chung )
Các hệ điều hành mạng thông dụng nhất hiện nay là: WindowsNT, Windows9X, Windows 2000, Unix, Novell.
Phân loại mạng máy tính
Mạng có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau, tùy thuộc vào yếu tố chính được sử dụng làm tiêu chí phân loại Thông thường, các tiêu chí phân loại mạng bao gồm: kích thước, phương thức kết nối, địa lý và mục đích sử dụng.
- Khoảng cách địa lý của mạng
- Kỹ thuật chuyển mạch mà mạng áp dụng
- Hệ điều hành mạng sử dụng
Mạng cục bộ, hay còn gọi là LAN, được xác định chủ yếu bởi quy mô của nó, nhưng không chỉ dừng lại ở đó Quy mô mạng ảnh hưởng đến nhiều đặc tính và công nghệ liên quan đến mạng cục bộ Dưới đây là một số đặc điểm nổi bật của mạng cục bộ.
- Mạng cục bộ có quy mô nhỏ, thường là bán kính dưới vài km
- Mạng cục bộ thường là sở hữu của một tổ chức Thực tế đó là điều khá quan trọng để việc quản lý mạng có hiệu quả
Mạng cục bộ sở hữu tốc độ cao và độ tin cậy cao hơn so với mạng rộng, thường chỉ đạt vài trăm Kbit/s đến Mb/s Trong khi đó, tốc độ thông thường trên mạng cục bộ đạt 10, 100 Mbit/s, và hiện nay đã phát triển tới Gigabit Ethernet.
Cách kết nối các máy tính với nhau về mặt hình học mà ta gọi là tôpô của mạng Có hai kiểu nối mạng chủ yếu đó là :
- Nối kiểu điểm - điểm (point - to - point): các đường truyền nối từng cặp nút với nhau, mỗi nút “lưu và chuyển tiếp” dữ liệu
Nối kiểu điểm - nhiều điểm (point-to-multipoint hay broadcast) cho phép tất cả các nút chia sẻ một đường truyền vật lý, gửi dữ liệu đến nhiều nút cùng lúc và kiểm tra gói tin dựa trên địa chỉ.
Kiểu tôpô của mạng cục bộ và mạng rộng có sự khác biệt rõ rệt, với mạng cục bộ tập trung vào sự liên kết giữa các máy tính, trong khi mạng rộng kết nối thông qua các bộ dẫn đường và kênh viễn thông.
Mạng hình sao là một cấu trúc mạng trong đó tất cả các trạm được kết nối với một thiết bị trung tâm Thiết bị này có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ các trạm và chuyển tiếp đến trạm đích Tuy nhiên, độ dài đường truyền giữa một trạm và thiết bị trung tâm bị giới hạn trong khoảng 100m theo công nghệ hiện nay.
Hình 1.1 Kết nối hình sao
- Mạng trục tuyến tính (Bus):
Trong mạng trục, tất cả các trạm đều chia sẻ một đường truyền chung gọi là bus Đường truyền chính được kết thúc ở hai đầu bằng các đầu nối đặc biệt gọi là terminator Mỗi trạm kết nối với trục chính thông qua đầu nối chữ T (Tconnector) hoặc thiết bị thu phát (transceiver).
Hình 1.2 Mạng kết nối kiểu Bus
Hình 1.3 Sơ đồ mạng vòng Ring
Trong mạng hình vòng, tín hiệu được truyền theo một chiều duy nhất Mỗi trạm kết nối với vòng thông qua bộ chuyển tiếp (repeater), do đó cần có giao thức điều khiển để cấp phát quyền truyền dữ liệu cho các trạm có nhu cầu.
1.3.2 Mạng đô thị MAN (Metropolitan Area Network)
Mạng đo thị MAN hoạt động theo kiểu quảng bá giữa các mạng LAN, cung cấp dịch vụ thoại, phi thoại và truyền hình cáp Trong mạng MAN, có thể sử dụng một hoặc hai đường truyền vật lý mà không cần thực thể chuyển mạch Dựa trên tiêu chuẩn DQDB (Distributed Queue Dual Bus - IEEE 802.6), hai cáp đơn được sử dụng để kết nối tất cả các máy tính, cho phép các máy bên trái và bên phải giao tiếp thông qua thông tin vận chuyển trên đường BUS.
Hình 1.4 Cấu trúc mạng đô thị MAN
1.3.3 Mạng diện rộng WAN (Wide Area Networks) Đặc trưng cơ bản của một mạng WAN:
- Hoạt động trên phmj vi một quốc gia hoặc trên toàn cầu
- Tốc độ truyền dữ liệu thấp so với mạng cục bộ
Hình 1.5 Cấu trúc một mạng diện rộng WAN
Một số mạng diện rộng điển hình
- Mạng tích số hợp đa dịch vụ ISDN (Integrated Sevices Digital Network)
- Mạng X25 và chuyên khung Frame Relay
- Mạng hội tụ - mạng thế hệ sau NGN (Next Generation Network)
1.3.4 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) là một loại mạng trong đó hai thực thể thiết lập một kênh cố định và duy trì kết nối này cho đến khi một trong hai bên quyết định ngắt liên lạc.
Mạng chuyển mạch thông báo (message switched network) là một hệ thống truyền dữ liệu, trong đó thông báo được gửi đến điểm đích mà không cần thiết lập kênh truyền cố định Thông qua thông tin tiêu đề, các nút mạng có khả năng xử lý và chuyển tiếp thông báo đến đúng địa chỉ.
Mạng chuyển mạch gói là một hệ thống trong đó mỗi thông báo được chia thành nhiều gói tin nhỏ hơn, mỗi gói tin có cấu trúc quy định sẵn Các gói tin này chứa thông tin điều khiển, bao gồm địa chỉ nguồn và địa chỉ đích Đặc biệt, các gói tin của cùng một thông báo có thể được gửi qua nhiều con đường khác nhau trên mạng đến đích.
1.3.4.1 Mạng chuyển mạch kênh (Ciruit Switched Networks)
Trước khi tiến hành trao đổi thông tin, hệ thống cần thiết lập một kết nối vật lý giữa hai thực thể Nếu thực thể đích đang bận, kết nối này sẽ bị hủy bỏ.
- Duy trì kết nối trong suốt quá trình hai thực thể trao đổi thông tin
Giải phóng kết nối là quá trình hủy bỏ kết nối sau khi dữ liệu đã được truyền xong, giúp giải phóng các tài nguyên đã chiếm dụng và sẵn sàng phục vụ cho các yêu cầu kết nối khác.
Nhược điểm của việc thiết lập kênh truyền là tốn nhiều thời gian, dẫn đến quá trình kết nối chậm và xác suất thành công không cao Khi không còn thông tin để truyền, kênh sẽ bị bỏ trống, trong khi các thực thể khác lại có nhu cầu sử dụng.
1.3.4.2 Mạng chuyển mạch gói (Packet Switched Networks)
Các mô hình xử lý dữ liệu
Mô hình Client-Server là cấu trúc mạng phân chia các thao tác thành hai phần chính: Client và Server Phía Client cung cấp giao diện cho người dùng để yêu cầu dịch vụ, trong khi phía Server tiếp nhận các yêu cầu từ Client và cung cấp dịch vụ một cách liên tục Mô hình này giúp tối ưu hóa việc truy cập và sử dụng các dịch vụ mạng.
Chương trình Server hoạt động trên máy chủ, sẵn sàng tiếp nhận yêu cầu từ Client Trong khi đó, chương trình Client được khởi động độc lập và gửi yêu cầu đến Server Sau khi xử lý yêu cầu, Server trở lại trạng thái chờ để nhận các yêu cầu tiếp theo từ Client.
Hình 1.6 Mô hình Client - Server
Trong mô hình Client - Server nhiều lớp, quá trình xử lý được phân tán trên ba lớp với các chức năng riêng biệt, phù hợp cho việc tổ chức hệ thống thông tin trên mạng internet/intranet Mô hình ba lớp giúp khắc phục những hạn chế của mô hình hai lớp, cho phép các cơ sở dữ liệu được cài đặt trên máy chủ Web Server và truy cập không hạn chế từ các ứng dụng và số lượng người dùng.
Lớp khách (Client) cung cấp dịch vụ trình bày (Presentation Services), cho phép người dùng tương tác với lớp giao dịch qua trình duyệt như Internet Explorer hoặc Netscape để thao tác và xử lý dữ liệu.
Lớp giao dịch (Business) cung cấp dịch vụ quản lý và khai thác cơ sở dữ liệu, với các thành phần trước đây cài đặt trên lớp khách giờ được chuyển sang lớp giao dịch.
Lớp dữ liệu cung cấp dịch vụ tổ chức và lưu trữ các hệ cơ sở dữ liệu quan hệ, sẵn sàng cung cấp dữ liệu cho lớp giao dịch Đặc trưng nổi bật của lớp này là ngôn ngữ SQL được sử dụng để tìm kiếm và truy vấn dữ liệu.
1.4.2 Mô hình ngang hàng (Perr - to - Perr)
Trong mô hình mạng ngang hàng, tất cả các máy tính vừa là máy chủ vừa là máy khách, chia sẻ tài nguyên mà không phụ thuộc lẫn nhau Mạng thường được tổ chức thành các nhóm làm việc (Workgroup) và không yêu cầu quá trình đăng nhập tập trung; người dùng đã đăng nhập vào mạng có thể truy cập tất cả tài nguyên Tuy nhiên, việc truy cập vào các tài nguyên này phụ thuộc vào quyền chia sẻ của người dùng, do đó, có thể cần mật khẩu để truy cập các tài nguyên đã được chia sẻ.
Mô hình lai: (Hybrid) Sự kết hợp giữa Client - Server và Perr - to - Perr Phần lớn các mạng máy tính trên thế giới sử dụng mô hình này
Các phương pháp truy cập đường truyền vật lý
Trong mạng cục bộ, các trạm kết nối trực tiếp vào đường truyền chung Khi nhiều trạm gửi tín hiệu cùng lúc, tín hiệu sẽ bị chồng chéo và hỏng Do đó, cần có phương pháp tổ chức chia sẻ đường truyền để đảm bảo việc truyền thông diễn ra chính xác.
Có hai phương pháp chia sẻ đường truyền chung thường được dùng trong các mạng cục bộ:
Truy cập đường truyền ngẫu nhiên theo yêu cầu là một phương pháp quan trọng trong mạng máy tính, trong đó cần sử dụng luân phiên để tránh tình trạng tín hiệu bị chồng chéo do nhiều trạm truyền tin cùng lúc Khi xảy ra hiện tượng này, dữ liệu sẽ được truyền lại Giao thức truy cập CSMA/CD là một ví dụ điển hình cho phương pháp này.
Cơ chế trọng tài trong việc cấp quyền truy nhập đường truyền giúp ngăn chặn xung đột, với một ví dụ tiêu biểu là giao thức truy cập Tokenring.
Chuẩn hoá mạng máy tính
Khi thiết kế giao thức mạng, các nhà thiết kế có sự tự do trong việc lựa chọn kiến trúc, dẫn đến tình trạng không tương thích giữa các mạng máy tính Sự không tương thích này gây cản trở cho việc tương tác giữa các giao thức mạng khác nhau Để đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng tăng, việc xây dựng một khung chuẩn về kiến trúc mạng trở nên cần thiết, cung cấp căn cứ cho các nhà thiết kế và chế tạo thiết bị mạng.
For this reason, the International Organization for Standardization (ISO) has developed a reference model for connecting open systems, known as the Open Systems Interconnection (OSI) model.
Interconnection) Mô hình này là cơ sở cho việc kết nối các hệ thống mở phục vụ cho các ứng dụng phân tán.
Mô hình tham chiếu OSI
Mô hình OSI được biểu diễn theo hình dưới đây:
Mô hình OSI được chia thành 7 lớp: lớp ứng dụng, lớp thể hiện, lớp phiên, lớp vận chuyển, lớp mạng, lớp liên kết và lớp vật lý Nó định nghĩa cấu trúc phần tiêu đề (header) của đơn vị dữ liệu và mối liên kết giữa các lớp Chức năng gắn thêm phần mào đầu giúp chuyển dữ liệu từ lớp này xuống lớp khác, trong khi việc mở gói là quá trình gỡ bỏ phần mào đầu để đưa dữ liệu lên lớp trên.
Hình 1.7 Mô hình tham chiếu OSI
* Chức năng của các tầng trong mô hình OSI:
Tầng vật lý là lớp cơ bản nhất trong mô hình OSI, chịu trách nhiệm truyền và nhận dữ liệu dưới dạng dòng bit trên phương tiện vật lý Nó mô tả các đặc tính điện, quang, cơ khí và chức năng của giao diện vật lý, đồng thời thực hiện các tín hiệu cho các lớp cao hơn trong mô hình.
Mã hóa dữ liệu là quá trình sửa đổi tín hiệu số mẫu (1 và 0) bằng cách sử dụng máy tính, nhằm tối ưu hóa các đặc tính của phương tiện vật lý và hỗ trợ đồng bộ hóa bit cũng như khung.
+ Trạng thái tín hiệu nào đại diện cho 1 nhị phân
+ Làm thế nào nhà nhận biết khi bắt đầu một chút thời gian
+ Làm thế nào nhà nhận biết delimits một khung
- Gắn với một môi trường vật lý, các khả năng điều tiết khác nhau trong môi trường:
+ Máy thu bên ngoài (MAU) sẽ được sử dụng để kết nối với?
+ Cách chân kết nối và mỗi pin được sử dụng cho gì?
- Truyền kỹ thuật: xác định xem mã bit sẽ được truyền baseband (số) hoặc tín hiệu băng thong rộng (tương tự)
- Vật lý phương tiện truyền: Truyền bit như tín hiệu điện hoặc quang phù hợp với các phương tiện vật lý và xác định:
+ Những tuỳ chọn phương tiện vật lý có thể sử dụng
+ Bao nhiêu volt/db nên được sử dụng cho một trạng thái được tín hiệu, sử dụng một phương tiện vật lý cho
Tầng liên kết dữ liệu (Data link)
Lớp liên kết dữ liệu đảm bảo truyền tải dữ liệu một cách hiệu quả bằng cách phát hiện và sửa lỗi tại từng nút trong tầng vật lý, giúp lớp phía trên truyền tải thông tin gần như không có lỗi Để đạt được điều này, lớp liên kết dữ liệu cung cấp các chức năng quan trọng.
+ Liên kết xây dựng và kết thúc: thiết lập và kết thúc hợp lý giữa các nút
+ Khung kiểm soát lưu lượng truy cập: cho nút chuyển trở lại - off khi bộ đệm khung không có sẵn
+ Khung sắp xếp thứ tự: truyền/nhận khung tuần tự
Khung thừa nhận cung cấp khả năng phát hiện và khôi phục lỗi trong lớp vật lý, đồng thời retransmitting khung mà không cần thừa nhận và xử lý các khung trùng lặp đã nhận.
+ Khung gác: tạo vào nhận dạng ra ranh giới khung
+ Khung kiểm tra lỗi: khung được kiểm tra tính toàn vẹn
+ Phương tiện quản lý truy cập: xác định khi nút có quyền để sử dụng các phương tiện vật lý
Tầng mạng điều khiển hoạt động của con và xác định đường dẫn vật lý cho dữ liệu dựa trên điều kiện mạng, ưu tiên dịch vụ và các yếu tố khác.
+ Định tuyến: lộ trình khung trong mạng
Bộ định tuyến trong mạng lớp trung gian có khả năng điều khiển lưu lượng dữ liệu bằng cách hướng tới trạm gửi khung truyền khi bộ đệm của nó đầy.
Khung phân mảnh xảy ra khi bộ định tuyến hạ lưu xác định kích thước tối đa đơn vị truyền (MTU) nhỏ hơn kích thước khung Trong trường hợp này, bộ định tuyến sẽ thực hiện việc phân mảnh và tái hợp khung để đảm bảo dữ liệu được truyền tải đúng cách.
+ Địa chỉ vật lý hợp lý ánh xạ: dịch hợp lý các địa chỉ hoặc tên vào địa chỉ vật lý
+ Mạng sử dụng kế toán: có chức năng tính toán để theo dõi khung chuyển mạng con trung gian hệ thống để tạo ra thong tin thanh toán
Tầng giao vận (Transport Layer)
Tầng giao vận cung cấp dịch vụ chuyển dữ liệu giữa người dùng, giúp các tầng trên không phải lo lắng về việc truyền dữ liệu đáng tin cậy Tầng này kiểm soát độ tin cậy của kết nối và sử dụng các giao thức có định hướng trạng thái và kết nối, cho phép theo dõi và truyền lại các gói tin bị thất bại, với TCP là một ví dụ tiêu biểu Tại tầng giao vận, thông điệp được chuyển đổi thành các gói tin TCP hoặc UDP, và được đánh dấu bằng địa chỉ port để phân biệt các ứng dụng trao đổi.
Tầng phiên trong mô hình OSI kiểm soát các phiên hội thoại giữa các máy tính, thiết lập, quản lý và kết thúc kết nối giữa ứng dụng địa phương và ứng dụng từ xa Tầng này hỗ trợ hoạt động song công, bán song công và đơn công, đồng thời thiết lập quy trình đánh dấu điểm hoàn thành để phục hồi truyền thông nhanh chóng khi xảy ra lỗi Việc đánh dấu điểm hoàn thành giúp trì hoãn, kết thúc và khởi động lại phiên Ngoài ra, tầng phiên còn có trách nhiệm ngắt nhẹ nhàng các phiên giao dịch và kiểm tra hồi phục, mặc dù đây là thành phần không có trong bộ giao thức TCP/IP.
Tầng trình diễn (Presentation layer)
Tầng trình diễn đóng vai trò là tầng dữ liệu trong mạng, chịu trách nhiệm truyền và chuyển đổi dữ liệu giữa tầng Application và định dạng chung Tại máy tính nhận, lớp này sẽ chuyển đổi định dạng chung về định dạng của tầng Application, thực hiện các chức năng quan trọng trong quá trình xử lý dữ liệu.
+ Dịch các mã kí tự từ ASCII sang EBCDIC
+ Nén dữ liệu để giảm lưu lượng dữ liệu truyền trên mạng
+ Mã hoá và giải mã dữ liệu để đảm bảo sự bảo mật trên mạng
Tầng ứng dụng (Application Layer)
Tầng ứng dụng là lớp gần gũi nhất với người dùng, cung cấp các công cụ để truy cập thông tin và dữ liệu trên mạng thông qua các ứng dụng Ví dụ điển hình của các ứng dụng trong tầng này bao gồm telnet, FTP (giao thức truyền tải tập tin), và các giao thức gửi thư điện tử như SMTP và HTTP.
Các chuẩn kết nối thông dụng nhất IEEE 802.X và ISO 8802.X
Ngoài việc chuẩn hóa mạng nói chung, một trong những kết quả quan trọng là mô hình tham chiếu OSI Đồng thời, các giao thức mạng cục bộ LAN cũng được chuẩn hóa để đảm bảo tính đồng nhất và hiệu quả trong việc truyền tải dữ liệu.
- Các chuẩn IEEE 802.x và ISO 8802.x
IEEE là tổ chức tiên phong trong chuẩn hóa mạng cục bộ thông qua đề án IEEE 802, dẫn đến sự ra đời của nhiều chuẩn thuộc họ IEEE 802.x Vào cuối những năm 80, tổ chức ISO đã tiếp nhận các chuẩn này và công nhận chúng như chuẩn quốc tế với mã hiệu ISO 8802.x.
IEEE 802.: là chuẩn đặc tả kiến trúc mạng, kết nối giữa các mạng và việc quản trị mạng đối với mạng cục bộ
IEEE 802.2 là chuẩn đặc tả tầng dịch vụ giao thức cho mạng cục bộ, trong khi IEEE 802.3 là chuẩn mạng cục bộ dựa trên Ethernet, được phát triển bởi Digital, Intel và Xerox từ năm 1980 Các chuẩn này quy định các đặc tính vật lý như 10BASE5, 10BASE2 và 10BASE-F.
IEEE 802.5: là chuẩn đặc tả mạng cục bộ với topo mạng dạng vòng
(ring) dùng thẻ bài để điều việc truy nhập đường truyền
IEEE 802.11: là chuẩn đặc tả mạng cục bộ không dây (Wireless LAN) hiện đang được tiếp tục phát triển
Ngoài ra trong họ chuẩn 802.x còn có các chuẩn IEEE 802.4, 802.6, 802.9, 802.10 và 802.12
Trong chương 1, tôi giới thiệu khái niệm về mạng máy tính và phân loại chúng theo các tiêu chí như khoảng cách địa lý, kỹ thuật chuyển mạch, hệ điều hành mạng và kiến trúc mạng Những thông tin này giúp cung cấp kiến thức cơ bản về mạng máy tính, từ đó tạo điều kiện thuận lợi cho việc khai thác hiệu quả các dịch vụ trên mạng.
Kết luận chương 1
BỘ GIAO THỨC TCP/IP
Vào tháng 6 năm 1968, Cục các dự án nghiên cứu tiên tiến (ARPA) thuộc Bộ Quốc phòng Mỹ đã khởi động dự án kết nối các trung tâm nghiên cứu lớn trên toàn quốc, đánh dấu sự ra đời của ARPANET, tiền thân của Internet hiện nay Ban đầu, mạng ARPANET sử dụng giao thức NCP (Network Control Protocol), nhưng sau đó đã được thay thế bằng bộ giao thức TCP/IP (Transfer Control Protocol/Internet Protocol) Bộ giao thức TCP/IP bao gồm các tiêu chuẩn mạng, quy định chi tiết cách thức các máy tính giao tiếp với nhau, cũng như quy tắc kết nối và định tuyến cho mạng.
Internet không chỉ đơn thuần là mạng của tất cả các mạng sử dụng giao thức IP, mà còn là một hệ thống phức tạp cho phép các mạng khác nhau kết nối với nhau thông qua các cầu nối giao thức Điều này có nghĩa là các mạng có kiến trúc khác nhau vẫn có thể tương tác và sử dụng dịch vụ Internet, miễn là chúng đồng ý với các quy ước giao tiếp Kỹ thuật Internet che giấu các chi tiết phần cứng, cho phép các hệ thống máy tính trao đổi thông tin một cách linh hoạt, bất kể kết nối vật lý của chúng.
TCP/IP có những đặc điểm sau đây đã làm cho nó trở nên phổ biến:
TCP/IP operates independently of network architecture, making it compatible with various systems such as Ethernet and Token Ring, and it can be utilized in both local area networks (LAN) and wide area networks (WAN).
TCP/IP là một giao thức mở, cho phép hoạt động trên mọi loại phần cứng và hệ điều hành Điều này làm cho TCP/IP trở thành lựa chọn lý tưởng để tích hợp các phần cứng và phần mềm khác nhau.
BỘ GIAO THỨC TCP/IP
Khái niệm mạng Internet
Vào tháng 6 năm 1968, Cục các dự án nghiên cứu tiên tiến (ARPA) thuộc Bộ Quốc phòng Mỹ đã khởi động dự án kết nối các trung tâm nghiên cứu lớn trên toàn liên bang, dẫn đến sự ra đời của ARPANET, nền tảng của Internet hiện đại Ban đầu, mạng ARPANET sử dụng giao thức NCP (Network Control Protocol), nhưng sau đó đã chuyển sang bộ giao thức TCP/IP (Transfer Control Protocol/ Internet Protocol) Bộ giao thức TCP/IP bao gồm các tiêu chuẩn mạng, quy định chi tiết cách thức giao tiếp giữa các máy tính, cũng như quy tắc kết nối và định tuyến cho mạng.
Trước đây, Internet được định nghĩa là mạng của tất cả các mạng sử dụng giao thức IP, nhưng hiện nay khái niệm này đã thay đổi Nhiều mạng với kiến trúc khác nhau có thể kết nối vào Internet thông qua các cầu nối giao thức, cho phép sử dụng đầy đủ các dịch vụ Internet Internet không chỉ đơn thuần là tập hợp các mạng liên kết, mà còn là sự kết nối giữa các mạng dựa trên các quy ước chung, cho phép máy tính giao tiếp với nhau, dù không trực tiếp kết nối Kỹ thuật Internet ẩn giấu chi tiết phần cứng của mạng và cho phép các hệ thống máy tính trao đổi thông tin một cách độc lập với các liên kết mạng vật lý.
TCP/IP có những đặc điểm sau đây đã làm cho nó trở nên phổ biến:
TCP/IP operates independently of network architectures, making it compatible with Ethernet, Token Ring, and applicable in both local area networks (LAN) and wide area networks (WAN).
Giao thức TCP/IP là chuẩn mở, cho phép hoạt động trên mọi phần cứng và hệ điều hành, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng để tích hợp các phần mềm và phần cứng khác nhau.
Mỗi máy tính trên mạng TCP/IP có một địa chỉ duy nhất, được gọi là địa chỉ toàn cầu Khi dữ liệu được gửi qua mạng, mỗi gói dữ liệu sẽ có một Header chứa địa chỉ của máy đích và địa chỉ của máy nguồn.
- Khung Client - Server: TCP/IP là khung cho những ứng dụng client - server mạnh hoạt động trên mạng cục bộ và mạng diện rộng
Giao thức TCP/IP không chỉ cho phép lập trình viên truyền dữ liệu giữa các ứng dụng trên mạng, mà còn cung cấp nhiều giao thức ứng dụng khác nhau cho các chức năng như gửi email và truyền nhận file.
Mô hình phân lớp bộ giao thức TCP/IP
Bộ giao thức TCP/IP bao gồm nhiều giao thức khác nhau ở các lớp khác nhau, không chỉ giới hạn ở TCP và IP Mỗi lớp trong mô hình này đảm nhận một chức năng riêng biệt Mô hình TCP/IP được phân chia thành 4 lớp, từ lớp ứng dụng đến lớp vật lý.
Ping SMTP FTP Telnet NNTP etc
NFS RPC DNS TFTP BOOTP etc
OPF ICMP IGMP BGP RIP
Hình 2.1 Mô hình phân lớp bộ giao thức TCP/IP
Lớp ứng dụng (Application layer): Điều khiển chi tiết từng ứng dụng cụ thể Nó tương ứng với các lớp ứng dụng, trình diễn trong mô hình
OSI bao gồm nhiều giao thức mức cao như mã hóa và điều khiển hội thoại, cùng với các dịch vụ ứng dụng như SMTP, FTP, và TFTP Hiện nay, có hàng trăm đến hàng nghìn giao thức thuộc lớp này Các chương trình ứng dụng tương tác với giao thức ở lớp vận chuyển để gửi và nhận dữ liệu Dữ liệu được truyền dưới dạng yêu cầu từ chương trình ứng dụng đến lớp vận chuyển, sau đó được xử lý và chuyển xuống lớp Internet để tìm đường đi.
Lớp vận chuyển (Transport layer) đóng vai trò quan trọng trong việc truyền thông điệp giữa các tiến trình đang chạy, đảm bảo rằng thông tin được gửi đến đúng nơi, không bị lỗi và theo thứ tự chính xác Hai giao thức chính trong lớp này là TCP (giao thức điều khiển truyền dẫn) và UDP (giao thức dữ liệu người sử dụng), mỗi giao thức có những đặc điểm và ứng dụng riêng biệt.
Lớp Internet (Internet layer) đảm nhận chức năng đánh địa chỉ và độc lập phần cứng, cho phép dữ liệu di chuyển giữa các mạng con với kiến trúc vật lý khác nhau Lớp này quản lý việc chuyển gói tin qua mạng và định tuyến gói, hỗ trợ các giao thức liên IP, khái niệm liên mạng đề cập đến mạng lớn hơn, kết nối giữa các mạng LAN Các giao thức chính của lớp Internet bao gồm IP, ICMP, ARP và RARP.
Lớp truy cập mạng (Network Access Network) cung cấp giao tiếp với mạng vật lý, bao gồm các driver thiết bị trong hệ thống vận hành và các card giao diện mạng trong máy tính Lớp này chịu trách nhiệm điều khiển phần cứng và thực hiện giao tiếp vật lý, đồng thời kiểm soát lỗi dữ liệu trên mạng Không định nghĩa một giao thức riêng, lớp này hỗ trợ tất cả các giao thức chuẩn và độc quyền như Ethernet, Token Ring, FDDI, X.25, wireless, Async, ATM, và SNA.
Các giao thức trong mô hình TCP/IP
Giao thức Internet (IP) có chức năng chuyển thông tin từ nguồn đến đích thông qua các gói tin dữ liệu (datagram) Mỗi datagram chứa địa chỉ đích, cho phép IP định tuyến gói tin theo đường đi thích hợp Các gói tin từ cùng một cặp người sử dụng có thể đi qua những tuyến thông tin khác nhau, và việc định tuyến là độc lập cho từng gói IP không lưu giữ trạng thái, do đó, sau khi datagram được gửi đi, bên gửi không còn thông tin nào về gói tin đó, dẫn đến việc không thể phát hiện các gói bị mất và có thể gây ra tình trạng lặp gói hoặc sai thứ tự gói tin.
Hình 2.2 Định tuyến khi sử dụng IP datagram
Giao thức Internet (IP) là một giao thức phi kết nối, nghĩa là không yêu cầu thiết lập đường dẫn trước khi truyền dữ liệu, với mỗi gói tin được xử lý độc lập IP chỉ kiểm tra Header của gói tin để đảm bảo địa chỉ gửi đúng, trong khi phần dữ liệu không được kiểm tra tổng Do đó, các gói tin có thể di chuyển theo nhiều hướng khác nhau để đến đích, dẫn đến việc dữ liệu trong IP datagram không được đảm bảo Để khắc phục nhược điểm về việc mất hoặc lặp gói, IP cần phụ thuộc vào các giao thức lớp cao hơn như TCP để đảm bảo truyền tin cậy.
Hình 2.3 Giao thức kết nối vô hướng
Tiêu đề IP trong lớp vận chuyển chứa thông tin bổ sung và có độ dài từ 20 đến 60 bytes, tùy thuộc vào các chức năng lựa chọn được áp dụng Cấu trúc gói IPv4 được minh họa trong hình 2.4.
Data version Hdr length Type of service Total length (bytes)
Time - to - live Protocol Header checksum
Source IP address Destination IP address
Hình 2.4 Cấu trúc gói tin IPv4
Giải thích ý nghĩa các trường:
Phiên bản giao thức IP, cụ thể là IPv4, xác định cách thức tạo datagram, giúp máy gửi, máy nhận và các bộ định tuyến thống nhất về định dạng lược đồ dữ liệu.
IP header length (độ dài tiêu đề IP): cung cấp thông tin về độ dài của tiêu đề datagram được tính theo các từ 32 bit
Trường loại phục vụ dài 8 bit bao gồm hai phần: trường ưu tiên và kiểu phục vụ Trường ưu tiên có 3 bit để gán mức ưu tiên cho datagram, cho phép điều khiển các gói tin qua mạng Các bit còn lại xác định kiểu lưu lượng datagram khi chuyển qua mạng, bao gồm đặc tính thông, độ trễ và độ tin cậy Tuy nhiên, mạng Internet không đảm bảo chất lượng dịch vụ, do đó trường này chỉ mang tính yêu cầu mà không có tính chất đòi hỏi đối với các bộ định tuyến.
Total length (tổng độ dài): trường này gồm 16 bit, nó sử dụng để xác định chiều dài của toàn bộ IP datagram
Trường nhận dạng dài 16 bit được sử dụng bởi máy chủ để phát hiện và nhóm các đoạn bị chia nhỏ của gói tin Khi kích thước của gói tin vượt quá đơn vị truyền tin lớn nhất (MTU - Maximum Transmission Unit) của môi trường truyền, các bộ định tuyến sẽ tiến hành chia nhỏ các datagram để đảm bảo quá trình truyền tải diễn ra hiệu quả.
Cờ (flags) trong mạng máy tính chứa 3 bit, với bit đầu tiên chỉ thị cho các bộ định tuyến về việc cho phép hoặc không cho phép phân đoạn gói tin Hai bit còn lại được sử dụng để điều khiển quá trình phân đoạn, phối hợp với trường nhận dạng nhằm xác định gói tin sau khi hoàn tất phân đoạn.
Fragment offset là thông tin về số lần phân mảnh của một gói tin, trong đó kích thước gói tin phụ thuộc vào mạng truyền dữ liệu Độ dài gói tin không được vượt quá giá trị MTU của môi trường truyền.
Thời gian sống (Time-to-Live) là một cơ chế quan trọng trong mạng, giúp ngăn chặn các gói tin lặp vòng Nó hoạt động như một bộ đếm ngược, đảm bảo rằng các gói tin không lưu lại quá lâu trong mạng Khi thời gian sống của một gói tin giảm xuống 0, bộ định tuyến sẽ hủy bỏ gói tin đó và gửi thông báo lỗi về trạm phát gói tin.
Protocol (giao thức): trường này được dùng để xác nhận giao thức tầng kế tiếp mức cao hơn đang sử dụng dịch vụ IP dưới dạng con số
Trường kiểm tra tổng header là một trường 16 bit trong tiêu đề IPv4, được tính toán dựa trên tất cả các trường trong tiêu đề Khi gói tin di chuyển qua các bộ định tuyến, các trường trong tiêu đề có thể bị thay đổi, do đó trường này cần được tính toán và cập nhật lại để đảm bảo độ tin cậy của thông tin định tuyến.
Địa chỉ nguồn và địa chỉ đích là thông tin quan trọng được các bộ định tuyến và gateway sử dụng để định tuyến các đơn vị số liệu, luôn đồng hành cùng với gói tin từ nguồn đến đích.
Tùy chọn và đệm có độ dài linh hoạt, được sử dụng để bổ sung thông tin lựa chọn và đảm bảo rằng các số liệu bắt đầu trong phạm vi quy định.
2.3.1.3 Phân mảnh IP và hợp nhất dữ liệu
Giao thức IP yêu cầu sử dụng các thuật toán để phân chia và hợp nhất dữ liệu Mỗi datagram được quy định một kích thước khung tối đa trên kết nối điểm - điểm, gọi là MTU Khi gói tin đi qua các mạng khác nhau với các MTU khác nhau, chúng sẽ bị phân chia theo giá trị MTU của mạng đó Việc xác định MTU phụ thuộc vào đặc điểm của mạng, nhằm đảm bảo gói tin được truyền đi với tốc độ cao nhất.
Trong quá trình di chuyển từ nguồn đến đích, một datagram có thể đi qua nhiều mạng khác nhau Mỗi Router mở gói IP datagram từ khung dữ liệu nhận được, xử lý và sau đó đóng gói lại trong một khung dữ liệu mới Các datagram được đánh số thứ tự để thuận tiện cho quá trình hợp nhất sau này Định dạng và kích cỡ của khung dữ liệu phụ thuộc vào giao thức của mạng vật lý mà nó đi qua.
Khi IP cần chuyển datagram có kích thước lớn hơn MTU, nó sẽ chia nhỏ datagram thành các mảnh (fragment) để gửi đi Các mảnh này sau đó sẽ được ghép lại tại đầu thu, phục hồi lại trạng thái ban đầu Hình 2.5 minh họa quá trình phân mảnh này.
Hình 2.5 Hiện tượng phân mảnh trong IP
