Tổng quan mạng máy tính
Lịch sử mạng máy tính
Internet bắt nguồn từ dự án ARPANET (Advanced Research Project Agency Network), khởi động năm 1969 bởi Bộ Quốc phòng Mỹ Mục tiêu của ARPANET là thiết kế một mạng WAN (Wide Area Network) có khả năng tự bảo tồn trước sự phá hoại từ chiến tranh nguyên tử, với sự tham gia của các trung tâm nghiên cứu và đại học như UCLA và Stanford Dự án này đã dẫn đến sự phát triển của giao thức truyền IP (Internet Protocol), cho phép thông tin được chia thành các gói dữ liệu và truyền qua nhiều đường khác nhau từ người gửi đến người nhận Các Router trong hệ thống mạng đảm nhận việc tìm đường đi tối ưu cho các gói dữ liệu, đảm bảo tính khả dụng ngay cả khi một phần mạng bị hư hại Ban đầu, ARPANET được sử dụng chủ yếu trong các trường đại học và cơ quan nhà nước Mỹ, sau đó mở rộng kết nối với các trung tâm tính toán lớn và các trạm truyền vô tuyến, tạo nền tảng cho mạng lưới toàn cầu ngày nay.
Năm 1983, Bộ Quốc phòng Mỹ đã tách một phân mạng riêng cho quân đội mang tên MILNET, trong khi phần còn lại được gọi là NSFnet và do Quỹ Khoa học Quốc gia (NSF) quản lý NSF đã sử dụng 5 siêu máy tính làm Router cho mạng và thành lập một tổ chức phi lợi nhuận để quản lý, chủ yếu phục vụ cho các trường đại học và nghiên cứu cơ bản toàn cầu Đến năm 1987, NSFnet đã mở cửa cho cá nhân và các công ty tư nhân (BITnet), và đến năm 1988, siêu mạng này chính thức được gọi là INTERNET.
Đến năm 1988, việc sử dụng INTERNET chủ yếu còn hạn chế trong các dịch vụ như FTP, E-mail và TELNET, không đáp ứng được nhu cầu kinh tế và đời sống hàng ngày INTERNET lúc bấy giờ chủ yếu phục vụ cho môi trường nghiên cứu khoa học và giảng dạy tại các trường đại học Năm 1988, tại CERN (Trung tâm Nghiên cứu Nguyên tử Pháp), dự án Mạng nhện thế giới WWW được ra đời, nhằm phát triển một phương thức mới sử dụng INTERNET thông qua công nghệ Siêu văn bản (HyperText).
Tài liệu và hình ảnh được trình bày bằng ngôn ngữ HTML (HyperText Markup Language) và được phát hành trên INTERNET thông qua giao thức HTTP (HyperText Transport Protocol) Phương thức này đã được thử nghiệm trên INTERNET từ năm 1992.
Các công ty tư nhân đã nhanh chóng nhận ra tiềm năng của INTERNET trong kinh tế và đời sống, dẫn đến việc đầu tư vào nền tảng này gia tăng đáng kể Kể từ năm 1994, INTERNET đã trở thành một siêu mạng kinh doanh, mở ra nhiều cơ hội mới cho các doanh nghiệp.
Kể từ năm 1995, số lượng công ty áp dụng Internet trong kinh doanh và quảng cáo đã tăng lên hàng nghìn lần Đến năm 1996, doanh số giao dịch thương mại qua Internet đạt hàng chục tỷ USD.
Với công nghệ siêu văn bản và phần mềm truy cập (Navigator), người dùng có khả năng tìm kiếm và đọc tất cả các tài liệu siêu văn bản trên toàn thế giới, bao gồm cả hình ảnh và âm thanh Nhờ vào công nghệ WWW, mọi thông tin giờ đây đều có thể được truy cập ngay trên bàn làm việc của bạn Mỗi công ty hoặc cá nhân sẽ nhận được một trang cội nguồn riêng để phục vụ cho việc tìm kiếm thông tin.
Trang chủ trên hệ chủ HTTP là siêu văn bản gốc, cho phép người dùng dễ dàng truy cập vào tất cả các siêu văn bản khác Địa chỉ của trang cội nguồn có thể được tìm thấy toàn cầu, giúp cho doanh nghiệp trở thành văn phòng đại diện điện tử trên INTERNET Khách hàng từ khắp nơi có thể xem quảng cáo và liên hệ trực tiếp với doanh nghiệp thông qua các siêu liên (HyperLink) trong siêu văn bản.
Đến năm 1994, INTERNET gặp phải một điểm yếu lớn là thiếu khả năng lập trình cục bộ do các máy kết nối không đồng bộ và không tương thích Điều này khiến INTERNET chỉ có thể được sử dụng để phát hành và truyền thông tin mà không thể xử lý thông tin Tuy nhiên, vào năm 1994, SUN Corporation đã giới thiệu ngôn ngữ lập trình JAVA, cho phép lập trình cục bộ trên INTERNET thông qua các chương trình JAVA gọi từ siêu văn bản qua các siêu liên (Applet) Đến mùa thu năm 1995, JAVA chính thức ra đời, đánh dấu một bước tiến quan trọng trong việc sử dụng INTERNET, khi các chương trình JAVA được chạy trên máy khách thay vì trên máy chủ.
Việc sử dụng công suất của hàng triệu máy tính để xử lý dữ liệu đồng thời thông qua một chương trình trên siêu văn bản trong máy chủ đã trở thành hiện thực Lập trình trên INTERNET cho phép truy cập từ một trang siêu văn bản vào các chương trình xử lý thông tin, đặc biệt là các phần mềm điều hành và quản lý thông tin doanh nghiệp, được gọi là INTRANET Từ năm 1995-1996, hàng trăm nghìn dịch vụ phần mềm INTRANET đã được phát triển, với sự tham gia của nhiều công ty công nghệ lớn như Microsoft, SUN, IBM, Oracle và Netscape, cung cấp các phần mềm hệ thống và cơ bản cho ứng dụng INTERNET/INTRANET.
Giới thiệu mạng máy tính
2.1 Định nghĩa mạng máy tính
*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 yêu cầu sự kết hợp giữa truyền thông và xử lý thông tin, đặc biệt là những công việc có tính chất phân tán Điều này bao gồm cả việc xử lý thông tin và sử dụng các phương tiện từ xa để nâng cao hiệu quả công việc.
- 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 các máy tính độc lập được liên kết với nhau qua các đường truyền vật lý, tuân thủ 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 đóng vai trò quan trọng trong việc giúp các máy tính giao tiếp hiệu quả với nhau Chúng là nền tảng thiết yếu cho sự kết nối và tương tác trong hệ thống mạng.
4 công nghệ mạng máy tính
2.2 Mục đích của việc kết nối mạng
Việc nối máy tính thành mạng từ lâu đã trở thành một nhu cầu khách quan vì:
Nhiều công việc hiện nay có tính chất phân tán, liên quan đến thông tin hoặc xử lý dữ liệu, 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.
Đặc trưng cơ bản của mạng máy tính
Một mạng máy tính có các đặc trưng kỹ thuật cơ bản như sau:
Đường truyền là thành phần thiết yếu trong mạng máy tính, đóng vai trò truyền tải các tín hiệu điện tử giữa các máy tính Các tín hiệu này, được thể hiện dưới dạng xung nhị phân (ON_OFF), chứa đựng thông tin và dữ liệu Tín hiệu truyền giữa các máy tính thuộc sóng điện từ, và tùy thuộc vào tần số, có thể sử dụng các loại đường truyền vật lý khác nhau Giải thông là đặc trưng cơ bản của đường truyền, phản ánh 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 cáp mạng)
Đường truyền vô tuyến cho phép các máy tính giao tiếp với nhau thông qua sóng vô tuyến, sử dụng thiết bị điều chế và giải điều chế ở các đầu mút để truyền tín hiệu hiệu quả.
Kỹ thuật chuyển tín hiệu giữa các nút trong mạng là một yếu tố quan trọng, giúp các nút mạng định hướng thông tin đến đích cụ thể 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: Khi có hai thực thể cần truyền thông với nhau thì giữa chúng sẽ thiết lập một kênh cố định và duy trì
5 kết nối đó cho tới khi hai bên ngắt liên lạc Các dữ liệu chỉ truyền đi theo con đường cố định đó
Kỹ thuật chuyển mạch thông báo là phương pháp sử dụng các đơn vị dữ liệu có cấu trúc định trước, gọi là thông báo 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 tới nút kế tiếp trên đường dẫn đến đích.
Kỹ thuật chuyển mạch gói là phương pháp trong đó mỗi thông báo được chia thành nhiều gói tin nhỏ, tuân theo khuôn dạng qui định Mỗi gói tin không chỉ chứa dữ liệu mà còn bao gồm thông tin điều khiển, như địa chỉ nguồn (người gửi) và địa chỉ đích (người nhận) Đặc biệt, các gói tin thuộc cùng một thông báo có thể được gửi qua mạng đến đích bằng nhiều con đường khác nhau.
Kiến trúc mạng máy tính là cấu trúc xác định cách kết nối các máy tính và thiết lập các quy tắc, quy ước mà mọi thực thể tham gia truyền thông trên mạng cần tuân thủ, nhằm đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu cho mạng.
Khi nói đến kiến trúc của mạng người ta muốn nói tới hai vấn đề là hình trạng mạng (Network topology) và giao th ức mạng (Network protocol)
- Network Topology: Cách k ết nối các máy tính với nhau về mặt hình học mà ta gọi là tô pô của mạng
Các hình trạng mạng cơ bản đó là: hình sao, hình bus, hình vòng
Giao thức mạng là tập hợp các quy ước truyền thông giữa các thực thể trong mạng, thường 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 của hệ thống, các tài nguyên này gồm:
+ Tài nguyên thông tin (về phương diện lưu trữ) hay nói một cách
6 đơn giản là quản lý tệp Các công việc về lưu trữ tệp, tìm kiếm, xoá, copy, nhóm, đặt các thuộc tính đều thuộc nhóm công việc này
+ 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 tác vụ trên hệ thống là nhiệm vụ quan trọng của hệ điều hành, giúp đảm bảo sự giao tiếp hiệu quả giữa người sử dụng, ứng dụng và các thiết bị trong 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
chính được chọn dùng để làm chỉ tiêu phân loại, thông thường người ta phân loại mạng theo các tiêu chí như sau
- 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
4.1 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, 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 trên nhiều địa điểm, thậm chí vượt qua biên giới quốc gia.
Mạng toàn cầu ( GAN - Global Area Network ) : là mạng có phạm vi trải rộng toàn cầu
4.2 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 được thiết lập để duy trì kết nối cho đến khi một bên ngắt liên lạc Dữ liệu chỉ được truyền qua con đường này, tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp chuyển mạch kênh là thời gian thiết lập kênh truyền cố định lâu và hiệu suất sử dụng mạng không cao.
Mạng chuyển mạch thông báo (message switched network) :
Thông báo là đơn vị dữ liệu có cấu trúc cố định, chứa thông tin điều khiển xác định đích đến Dựa trên thông tin này, các nút trung gian có thể chuyển tiếp thông báo đến nút tiếp theo Mỗi nút phải tạm giữ thông báo để đọc thông tin điều khiển; nếu không phải là đích của thông báo, nó sẽ tiếp tục chuyển tiếp Tùy thuộc vào điều kiện mạng, thông báo có thể đi qua nhiều con đường khác nhau, mang lại sự linh hoạt cho quá trình truyền tải.
- 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:
Kích thước không bị giới hạn của thông báo dẫn đến chi phí lưu giữ tạm thời tăng cao, ảnh hưởng đến thời gian phản hồi yêu cầu từ các trạm.
Mạng chuyển mạch gói là một loại mạng trong đó thông báo được chia thành các gói tin nhỏ theo định dạng quy định trước Mỗi gói tin không chỉ chứa dữ liệu mà còn có thông tin điều khiển, bao gồm địa chỉ nguồn và địa chỉ đích Điều đặc biệt là các gói tin thuộc cùng một thông báo có thể được gửi qua nhiều con đường khác nhau trong mạng đến đích.
Phương pháp chuyển mạch thông báo và chuyển mạch gói có sự tương đồng, nhưng khác nhau ở chỗ kích thước tối đa của gói tin được giới hạn, giúp các nút mạng xử lý gói tin trong bộ nhớ mà không cần lưu trữ tạm thời Điều này làm cho mạng chuyển mạch gói truyền dữ liệu hiệu quả hơn so với mạng chuyển mạch thông báo Mạng tích hợp số ISDN (Integrated Services Digital Network) kết hợp hai kỹ thuật chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói thành một mạng thống nhất.
4.3 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
4.4 Phân loại theo hệ điều hành mạng
Phân loại hệ điều hành mạng có thể được thực hiện theo hai mô hình chính: mạng ngang hàng và mạng khách/chủ Ngoài ra, việc phân loại cũng có thể dựa trên tên gọi của các hệ điều hành cụ thể.
9 mạng sử dụng: Windows NT, Unix, Novell
Mô hình OSI
Mô hình tham khảo OSI
Để giảm độ phức tạp trong thiết kế mạng, các mạng được tổ chức theo cấu trúc đa tầng, mỗi tầng xây dựng dựa trên tầng trước và cung cấp dịch vụ cho tầng cao hơn Mỗi tầng có hai mối quan hệ: theo chiều ngang và chiều dọc Quan hệ ngang đảm bảo các máy tính đồng tầng có thể giao tiếp với nhau thông qua giao thức Trong khi đó, quan hệ dọc giữa các tầng kề nhau xác định các thao tác và dịch vụ mà tầng dưới cung cấp cho tầng trên Sự không tương thích giữa các mạng gây khó khăn cho người sử dụng, do đó, cần có một mô hình chuẩn để các nhà nghiên cứu và thiết kế mạng phát triển sản phẩm mở Vào tháng 3/1977, tổ chức tiêu chuẩn Quốc tế đã đề ra mục tiêu kết nối các hệ thống sản phẩm khác nhau và vào năm 1984, mô hình OSI (Open System Interconnections) với 7 tầng đã được công bố.
Tầng 1 (tầng vật lý-Physical): cung cấp các phương tiện truyền tin, thủ tục khởi động, duy trì huỷ bỏ các liên kết vật lý cho phép truyền các dòng dữ liệu dở dòng bit
Tầng 2 (tầng liên kết dữ liệu-Data Link): thiết lập, duy trì, huỷ bỏ các liên kết dữ liệu kiểm soát luồng dữ liệu, phát hiện và khắc phục các sai sót 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 (tầng phiên-Session): thiết lập, duy trì đồng bộ hoá và huỷ bỏ các phiên truyền thông Liên kết phiên phải được thiết lập thông qua 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 (tầng áp dụng-Application): là giao diện giữa người và môi trường hệ thống mớ Xử lý ngữ nghĩa thông tin, tầng này cũng có chức năng cho phép truy cập và quản chuyển giao tệp, thư tín điện tử
Thủ tục truyền tin trên mạng dựa vào các giao thức đã được quy định trước, với việc liên lạc diễn ra ở các lớp cấp thấp trên mỗi máy và dần dần truyền lên các lớp thích hợp Mô hình 7 mức OSI, mà chúng ta đã tìm hiểu, cho thấy cách thức hoạt động của mạng thông qua dòng lưu chuyển yêu cầu truy cập vào tài nguyên mạng qua bảy lớp phân biệt Yêu cầu này bắt đầu từ lớp trên cùng và khi di chuyển xuống, nó được chuyển đổi từ một lời gọi API trong ứng dụng thành chuỗi xung mã hóa để truyền tải thông tin nhị phân đến thiết bị đích.
Mạng máy tính sử dụng các xung điện, quang, từ, vi ba hoặc tần số sóng vô tuyến để truyền dữ liệu Quá trình mã hóa cho phép 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 dữ liệu đến đích, nó sẽ được giải mã theo chiều ngược lại cho đến khi đến được lớp chức năng tương đương trên máy tính đích Kết quả là hai máy tính có thể giao tiếp và hoạt động độc lập như thể chúng đang sử dụng cùng một tài nguyên Mô hình OSI không quy định giao thức cụ thể nào cho việc truyền dữ liệu, cũng như không chỉ định thiết bị nào được sử dụng, mà chỉ cung cấp một khung để các thiết bị tuân theo nhằm đảm bảo thông tin được truyền tải chính xác Vậy, quá trình đóng gói dữ liệu để truyền qua mạng diễn ra như thế nào?
Dữ liệu lưu thông trên mạng được chia thành hai nhóm: yêu cầu từ máy tính nguồn và phản hồi từ nơi nhận Gói dữ liệu (packet) là đơn vị cơ bản của dữ liệu mạng, và để thông tin di chuyển qua mạng, nó phải trải qua một chồng giao thức với các quá trình đóng gói Các phương thức đóng gói phụ thuộc vào khuôn dạng và lược đồ biểu diễn của từng giao thức trong mỗi lớp của chồng giao thức Mỗi gói chứa yêu cầu hoặc phản hồi, địa chỉ mạng, và cơ chế kiểm tra lỗi để đảm bảo gói đến đích nguyên vẹn Ngoài ra, còn có cơ chế kiểm soát dòng để điều chỉnh tốc độ gửi gói Các thông tin này được chứa trong khung dữ liệu do các lớp khác nhau của mô hình OSI tạo ra Khi gói di chuyển qua các lớp, các giao thức sẽ thêm vào phần đầu đề và có thể nối thêm phần đuôi với các trường thông tin.
Trước khi tiến hành truyền dữ liệu, cần thiết lập kết nối giữa hai thực thể ở cùng tầng, nơi chúng sẽ thương lượng về các tham số sử dụng trong quá trình truyền Quá trình này đảm bảo rằng dữ liệu được truyền đi một cách hiệu quả và chính xác.
Dữ liệu được gửi hoặc nhận từ lớp 7 (Application) trong mô hình OSI, sau đó được chuyển xuống lớp 6 (Presentation) để bắt đầu quá trình bao gói Tại đây, dữ liệu được bao lại trong một phần đầu đề, chứa thông tin nhận diện cần thiết cho việc 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 gắn thêm đầu đề, cho phép dữ liệu được phân thành các mảnh nhỏ hơn để quản lý hiệu quả Khi đến lớp 2 (Data Link), dữ liệu được lắp ráp thành các khung với phần đầu và phần cuối, rồi được chuyển xuống lớp 1 (Physical) để truyền tải qua mạng Khi các khung đến đích, quá trình này được lặp lại theo chiều ngược lại, gọi là tách bỏ liên kết, nơi các phần đầu và phần cuối được tháo ra và so sánh Trong mạng chuyển mạch gói, dữ liệu có thể được truyền theo phương pháp có liên kết hoặc không liên kết, với các gói dữ liệu được truyền độc lập theo một con đường xác định, mỗi gói chứa địa chỉ đích riêng.
Nghiên cứu về mô hình OSI bắt đầu vào năm 1971 tại ISO với mục tiêu kết nối các sản phẩm của các nhà sản xuất khác nhau Ưu điểm nổi bật của OSI là khả năng cung cấp giải pháp cho vấn đề truyền thông giữa các máy tính không đồng nhất Hai hệ thống khác nhau có thể giao tiếp hiệu quả nếu chúng tuân thủ những điều kiện chung nhất định.
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, tạo thành một cấu trúc phân tầng rõ ràng Đây là khung chuẩn giúp các tiêu chuẩn mạng khác nhau tương thích với nhau Mô hình OSI xác định các lĩnh vực hoạt động của mạng mà các tiêu chuẩn mạng có thể tác động vào, do đó, nó được coi là 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
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 được trao đổi qua liên kết này, giúp nâng cao độ an toàn trong quá trình truyền dữ liệu.
Giao thức không liên kết là loại giao thức mà trước khi truyền dữ liệu, không cần thiết lập một kết nối logic Mỗi gói tin được gửi đi một cách độc lập, không phụ thuộc vào các gói tin trước đó hoặc sau đó.
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 các hệ thống thương lượng là quá trình thảo luận 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 gửi đi kèm với các cơ chế kiểm soát và quản lý, bao gồm kiểm soát lỗi, kiểm soát luồng dữ liệu, và cắt/hợp dữ liệu Những cơ chế này nhằm nâng cao độ tin cậy và hiệu quả của việc truyền tải thông tin.
Hủy bỏ liên kết (logic) giúp giải phóng tài nguyên hệ thống đã được cấp phát cho liên kết, cho phép sử dụng lại cho các liên kết khác Trong trường hợp giao thức không liên kết, chỉ có một giai đoạn truyền dữ liệu duy nhất diễn ra.
Gói tin trong giao thức mạng là đơn vị thông tin quan trọng, được sử dụng để liên lạc và chuyển giao dữ liệu giữa các máy tính Khi một máy tính gửi thông điệp, nó sẽ được chia thành các gói tin tại nguồn và sau đó được kết hợp lại thành thông điệp ban đầu khi đến đích Mỗi gói tin không chỉ chứa dữ liệu mà còn có thể bao gồm các yêu cầu phục vụ và thông tin điều khiển, giúp đảm bảo quá trình truyền tải diễn ra hiệu quả.
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 thực hiện chức năng nhận dữ liệu từ tầng trên và chuyển giao xuống tầng dưới, đồng thời cũng thực hiện ngược lại Chức năng này bao gồm việc gắn thêm và gỡ bỏ phần đầu (header) của các gói tin trước khi chúng được truyền đi Mỗi gói tin bao gồm phần đầu và phần dữ liệu; khi đến một tầng mới, gói tin sẽ được đóng thêm một phần đầu mới và trở thành gói tin của tầng đó Quá trình này tiếp tục cho đến khi gói tin được truyền đến bên nhận qua mạng.
Tại bên nhận, các gói tin sẽ được gỡ bỏ phần đầu ở từng tầng tương ứng, đây là 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
Tầng vật lý (Physical layer) là tầng đầu tiên trong mô hình OSI, chịu trách nhiệm mô tả các đặc điểm vật lý của mạng như loại cáp, đầu nối, và chiều dài tối đa của cáp Ngoài ra, tầng này cũng cung cấp thông tin về đặc tính điện của tín hiệu truyền tải dữ liệu giữa các thiết bị 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 gán ý nghĩa cụ thể nào Ý nghĩa của các bit được truyền qua tầng vật lý sẽ được xác định ở các tầng cao hơn trong mô hình này.
Tiêu chuẩn Ethernet cho cáp xoắn đôi 10 baseT quy định các đặc trưng điện, kích thước và dạng đầu nối, cùng với độ dài tối đa của cáp Tầng vật lý không có gói tin riêng, do đó không có phần đầu chứa thông tin điều khiển; dữ liệu được truyền dưới dạng dòng bit Giao thức tầng vật lý xác định phương thức truyền (đồng bộ hoặc phi đồng bộ) và tốc độ truyền giữa các tầng vật lý.
Các giao thức tầng vật lý được phân loại thành hai loại 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 phân tách các xâu bit biểu diễn ký tự Điều này cho phép ký tự được truyền đi bất kỳ lúc nào mà không cần quan tâm đến tín hiệu đồng bộ trước đó.
Phương thức truyền đồng bộ yêu cầu sự đồng bộ giữa máy gửi và máy nhận, 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 Điều này giúp máy nhận nhận diện dữ liệu đang được truyền đến hoặc đã hoàn tất.
3.2 Lớp liên kết dữ liệu
Tầng liên kết dữ liệu là tầng quan trọng trong mạng, nơi gán ý nghĩa cho các bít được truyền Tầng này quy định các định dạng, kích thước và địa chỉ của máy gửi và nhận cho mỗi gói tin Nó cũng xác định cơ chế truy cập thông tin và phương tiện gửi gói tin, đảm bảo rằng gói tin đến được đúng người nhận đã định.
Tầng liên kết dữ liệu sử dụng hai phương thức kết nối máy tính: "một điểm - một điểm" và "một điểm - nhiều điểm" Phương thức "một điểm - một điểm" thiết lập các đường truyền riêng biệt để kết nối từng cặp máy tính, trong khi phương thức "một điểm - nhiều điểm" cho phép một máy tính kết nối với nhiều máy khác cùng lúc.
- nhiều điểm " tất cả các máy phân chia chung một đường truyền vật lý
Tầng liên kết dữ liệu đóng vai trò quan trọng trong việc phát hiện và sửa lỗi, đảm bảo rằng dữ liệu nhận được hoàn toàn giống với dữ liệu đã gửi Khi một gói tin gặp lỗi không thể sửa, tầng này cần thông báo cho bên gửi biết để thực hiện việc gửi lại gói tin đó.
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 bộ mã chuẩn như ASCII hoặc EBCDIC, trong khi giao thức hướng bit sử dụng cấu trúc nhị phân (xâu bit) để xây dựng các phần tử của giao thức Khi dữ liệu được nhận, giao thức hướng bit tiếp nhận từng bit một một cách tuần tự.
Tầng mạng (network layer) có nhiệm vụ kết nối các mạng khác nhau thông qua việc tìm đường (routing) cho các gói tin, giúp chúng di chuyển từ mạng này sang mạng khác một cách hiệu quả.
Nó xác định việc chuyển hướng và vạch đường cho các gói tin trong mạng, giúp chúng đi qua nhiều chặng để đến đích cuối cùng Luôn tìm kiếm các tuyến truyền thông không tắc nghẽn, nó đảm bảo rằng các gói tin được gửi đi một cách hiệu quả và nhanh chóng.
Tầng mạng cung cấp các phương tiện truyền tải gói tin qua mạng, bao gồm cả mạng của mạng (network of network), và cần đáp ứng nhiều kiểu mạng cũng như dịch vụ khác nhau Hai chức năng chính của tầng mạng là chọn đường (routing) và chuyển tiếp (relaying) Tầng mạng rất quan trọng trong việc liên kết các mạng khác nhau, như mạng Ethernet và mạng Token Ring, thông qua bộ tìm đường để chuyển gói tin giữa các mạng Trong mạng chuyển mạch gói, các nút chuyển mạch được kết nối qua các liên kết dữ liệu, và gói dữ liệu được truyền từ hệ thống này sang hệ thống khác phải đi qua chuỗi các nút Mỗi nút nhận gói dữ liệu từ đường vào và chuyển tiếp nó đến đường ra, thực hiện chức năng chọn đường và chuyển tiếp tại mỗi nút trung gian.
Việc chọn đường là quá trình xác định con đường để truyền tải dữ liệu từ trạm nguồn đến trạm đích Kỹ thuật chọn đường cần thực hiện hai chức năng chính: xác định lộ trình tối ưu và đảm bảo dữ liệu được truyền đi một cách hiệu quả.
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
Việc cập nhật thông tin về mạng là rất quan trọng, vì nó giúp người dùng chọn lựa đường đi hiệu quả Mạng lưới luôn biến động, do đó, việc thường xuyên cập nhật thông tin là cần thiết để đảm bảo sự chính xác và hiệu quả trong quá trình sử dụng.
Mô hình chuyển vận các gói tin trong mạng chuyễn mạch gói
Người ta có hai phương thức đáp ứng cho việc chọn đường là phương thức xử lý tập trung và xử lý tại chỗ
Tô pô mạng : 24 1 Mạng cục bộ
Kiến trúc mạng cục bộ
Trong mạng trục, tất cả các trạm đều chia sẻ một đường truyền chung gọi là bus Đường truyền chính được kết thúc bởi hai đầu nối đặc biệt gọi là terminator Mỗi trạm kết nối với đường trục chính thông qua đầu nối chữ T (T-connector) hoặc thiết bị thu.
Khi một trạm truyền dữ liệu tín hiệu được quảng bá trên cả hai chiều của bus, mọi trạm còn lại đều có thể thu nhận tín hiệu đó trực tiếp Đối với bus một chiều, tín hiệu chỉ đi theo một hướng, do đó các terminator cần được thiết kế để phản xạ tín hiệu trở lại trên bus, giúp tất cả các trạm trên mạng có thể nhận tín hiệu Như vậy, trong cấu trúc mạng, dữ liệu được truyền qua các liên kết điểm-đa điểm hoặc quảng bá.
Dễ thiết kế, chi phí thấp
Tính ổn định kém, chỉ một nút mạng hỏng là toàn bộ mạng bị ngừng hoạt động
Mạng hình sao là cấu trúc mạng mà tất cả các trạm được kết nối với một thiết bị trung tâm, có nhiệm vụ nhận và chuyển tín hiệu đến trạm đích Thiết bị trung tâm có thể là bộ chuyển mạch, bộ chọn đường hoặc bộ phân kênh, tùy thuộc vào yêu cầu truyền thông Vai trò chính của thiết bị này là thiết lập các liên kết điểm-điểm giữa các trạm, mang lại sự linh hoạt và hiệu quả trong việc quản lý dữ liệu.
Thiết lập mạng đơn giản giúp dễ dàng cấu hình lại, cho phép thêm hoặc bớt các trạm một cách linh hoạt Điều này cũng tạo điều kiện thuận lợi cho việc kiểm soát và khắc phục sự cố, đồng thời tối ưu hóa tốc độ truyền dữ liệu.
Nhược điểm: Độ dài đường truyền nối một trạm với thiết bị trung tâm bị hạn chế (trong vòng 100m, với công nghệ hiện nay)
Trong mạng hình vòng, tín hiệu được truyền đi theo một chiều duy nhất qua các trạm kết nối với vòng thông qua bộ chuyển tiếp (repeater) Bộ chuyển tiếp này nhận tín hiệu và chuyển tiếp đến trạm tiếp theo, tạo thành chuỗi liên kết điểm-điểm Để quản lý quyền truyền dữ liệu, cần có giao thức điều khiển cho các trạm có nhu cầu Để nâng cao độ tin cậy, có thể lắp đặt thêm các vòng dự phòng, đảm bảo rằng nếu vòng chính gặp sự cố, vòng phụ sẽ được sử dụng.
Mạng hình vòng có những ưu và nhược điểm tương tự như mạng hình sao, nhưng yêu cầu giao thức truy cập mạng phức tạp hơn.
2.4 Mạng kết nối hỗn hợp
Kiểu kết nối mạng là sự kết hợp của nhiều hình thức khác nhau, chẳng hạn như cấu trúc phân tầng theo hình cây, trong đó các HUB có thể được kết nối theo kiểu bus Từ các HUB này, các thiết bị được kết nối theo hình sao, tạo ra một hệ thống mạng linh hoạt và hiệu quả.
Các phương pháp truy cập đường truyền vật lý
Trong mạng cục bộ, tất cả các trạm đều kết nối trực tiếp vào đường truyền chung, điều này có nghĩa là tín hiệu từ một trạm sẽ được truyền đến các trạm khác trên mạng.
Khi nhiều trạm cùng gửi tín hiệu lên đường truyền đồng thời, tín hiệu sẽ bị chồng lên nhau và hỏng Do đó, cần có phương pháp tổ chức chia sẻ đường truyền hiệu quả để đảm bảo việc truyền thông diễn ra suôn sẻ.
Có hai phương pháp chia sẻ đường truyền chung thường được dùng trong các mạng cục bộ:
Truy nhập đường truyền ngẫu nhiên theo yêu cầu là một phương pháp quan trọng, tuy nhiên cần lưu ý đến việc sử dụng luân phiên Trong trường hợp nhiều trạm cùng truyền tin dẫn đến tín hiệu bị trùm lên nhau, cần thực hiện việc truyền lại để đảm bảo chất lượng tín hiệu.
- Có cơ chế trọng tài để cấp quyền truy nhập đường truyền sao cho không xảy ra xung đột
Giao thức CSMA (Carrier Sense Multiple Access) là một phương pháp đa truy nhập phổ biến trong các mạng cục bộ Giao thức này áp dụng phương pháp chia thời gian, trong đó thời gian được chia thành các khoảng đều đặn và các trạm chỉ được phép phát tín hiệu vào đầu mỗi khoảng thời gian.
Mỗi trạm sử dụng thiết bị để nghe tín hiệu trên đường truyền, nhằm xác định xem đường truyền có rỗi hay không Chỉ khi đường truyền rỗi, trạm mới tiến hành truyền dữ liệu Phương pháp này được gọi là LBT (Nghe trước khi nói).
Khi phát hiện xung đột, các trạm sẽ phải phát lại Có một số chiến lược phát lại như sau:
Giao thức CSMA 1-kiên trì cho phép trạm truyền ngay khi phát hiện kênh rỗi Tuy nhiên, nếu xảy ra xung đột, trạm sẽ chờ một khoảng thời gian ngẫu nhiên trước khi truyền lại Điều này dẫn đến xác suất truyền khi kênh rỗi là 1, từ đó giao thức này được gọi là CSMA 1-kiên trì.
Giao thức CSMA không kiên trì cho phép trạm kiểm tra trạng thái của kênh; nếu kênh rỗi, trạm sẽ tiến hành truyền dữ liệu Ngược lại, nếu kênh đang bận, trạm sẽ ngừng nghe trong một khoảng thời gian ngẫu nhiên trước khi thử lại Phương pháp này giúp nâng cao hiệu suất sử dụng kênh truyền.
Giao thức CSMA p-kiên trì cho phép trạm truyền dữ liệu khi đường truyền rỗi, nhưng với xác suất p < 1 Điều này có nghĩa là ngay cả khi đường rỗi, trạm vẫn có thể chờ đợi và thực hiện việc truyền ở thời điểm tiếp theo với xác suất q = 1 - p.
Giải thuật (1) hiệu quả trong việc giảm xung đột khi hai trạm cần truyền dữ liệu nhận thấy đường truyền bận, dẫn đến việc chúng sẽ tạm dừng và chờ trong các khoảng thời gian ngẫu nhiên khác nhau trước khi tiếp tục nghe đường truyền Tuy nhiên, nhược điểm của giải thuật này là có thể gây ra thời gian không sử dụng đường truyền sau mỗi lần truyền dữ liệu.
Giải thuật (2) nhằm giảm thiểu thời gian "chết" bằng cách cho phép một trạm truyền dữ liệu ngay sau khi cuộc truyền trước đó kết thúc Tuy nhiên, nếu có nhiều trạm cùng chờ để truyền dữ liệu, nguy cơ xảy ra xung đột sẽ tăng cao.
Giải thuật (3) với giá trị p được họn hợp lý có thể tối thiểu hoá được cả khả năng xung đột lẫn thời gian "chết" của đường truyền
Xung đột trong mạng thường xảy ra do độ trễ truyền dẫn, khi các trạm chỉ "nghe" trước khi truyền dữ liệu mà không "nghe" trong quá trình truyền Kết quả là, mặc dù có xung đột, các trạm vẫn không nhận biết và tiếp tục truyền dữ liệu Để phát hiện xung đột hiệu quả hơn, giao thức CSMA/CD đã bổ sung các quy tắc cần thiết.
Khi một trạm truyền dữ liệu, nó liên tục "nghe" đường truyền để phát hiện xung đột Nếu xảy ra xung đột, trạm ngay lập tức ngừng việc truyền để tiết kiệm thời gian và giải phóng băng thông Đồng thời, trạm vẫn tiếp tục gửi tín hiệu trong một khoảng thời gian để đảm bảo rằng tất cả các trạm trên mạng đều nhận biết được sự kiện này Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc "nghe" trong khi truyền dữ liệu để phát hiện và xử lý các xung đột kịp thời.
Trạm sẽ chờ một khoảng thời gian ngẫu nhiên trước khi thử truyền lại dữ liệu theo quy tắc CSMA Giao thức này được gọi là CSMA có phát hiện xung đột (CSMA/CD) và được sử dụng phổ biến trong mạng LAN và MAN.
Phương pháp cấp phát quyền truy nhập đường truyền dựa trên nguyên lý sử dụng thẻ bài lưu chuyển trong một vòng logic giữa các trạm có nhu cầu truyền dữ liệu Khi một trạm nhận thẻ bài, nó có quyền sử dụng đường truyền trong một khoảng thời gian nhất định để truyền một hoặc nhiều đơn vị dữ liệu Sau khi hoàn thành việc truyền hoặc khi thời gian hết, trạm đó phải chuyển thẻ bài cho trạm tiếp theo Việc đầu tiên cần thực hiện là thiết lập vòng logic, hay vòng ảo, bao gồm các trạm được sắp xếp theo một chuỗi thứ tự cụ thể.
Mỗi trạm trong vòng logic sẽ nhận biết địa chỉ của trạm trước và sau nó, với thứ tự các trạm có thể khác biệt so với thứ tự vật lý Các trạm không có nhu cầu truyền dữ liệu sẽ không được phép tham gia vào vòng logic.
Trong ví dụ trên, các trạm A, E nằm ngoài vòng logic do đó chỉ có thể tiếp nhận được dữ liệu dành cho chúng
