Bài Giảng Mạng Máy Tính

Trường Đại học Sư phạm Khoa Tin học Chương NHẬP MƠN MẠNG MÁY TÍNH Ngày nay, nhu cầu sử dụng máy tính khơng ngừng tăng lên số lượng ứng dụng, đặc biệt phát triển hệ thống mạng máy tính, kết nối máy tính lại với thơng qua mơi trường truyền tin để chia sẻ tài nguyên mạng góp phần làm tăng hiệu ứng dụng tất lĩnh vực khoa học kĩ thuật, kinh tế, quân sự, văn hoá Sự kết hợp máy tính với hệ thống truyền thơng (communication) đặc biệt viễn thông (telecommunication) tạo chuyển biến có tính cách mạng vấn đề tổ chức khai thác sử dụng hệ thống máy tính Từ hình thành mơi trường trao đổi thơng tin tập trung, phân tán, cho phép đồng thời nhiều người trao đổi thông tin với cách nhanh chóng hiệu từ vị trí địa lý khác Các hệ thống gọi mạng máy tính (computer networks) Mạng máy tính trở thành lĩnh vực nghiên cứu, phát triển quan trọng bảo đảm truyền tin đáng tin cậy, xác, phù hợp tốc độ đảm bảo an tồn thơng tin mạng ý nghĩa mạng máy tính 1.1 Lịch sử phát triển mạng máy tính Trước năm 1970 bắt đầu hình thành máy tính nối với thành mạng thiết bị đầu cuối liệu kết nối trực tiếp vào máy tính trung tâm để tận dụng tài nguyên chung, khai thác liệu, giảm giá thành truyền số liệu, sử dụng tiện lợi nhanh chóng Cùng với thời gian xuất máy tính Mini máy tính cá nhân (Personal Computer) tăng yêu cầu truyền số liệu máy tính - trạm đầu cuối (Terminal) ngược lại, hình thành nhiều mạng cục bộ, mạng diện rộng phạm vi lớn Do mạng máy tính ngày phát triển để đáp ứng với nhu cầu người sử dụng Sự hình thành mạng máy tính mơ tả sau: Ban đầu kết nối thiết bị đầu cuối trực tiếp đến máy tính lớn, phát triển ngày nhiều trạm nên chúng kết nối thành nhóm qua tập trung nối đến máy chủ trung tâm Trong giai đọan máy tính trung tâm có chức quản lý truyền tin qua ghép nối điều khiển cứng để tăng sức mạnh quản lý toàn hế thống trước liệu đưa đến máy tính trung tâm người ta thay ghép nối, quản lý đường truyền máy tính MINI Bộ tiền xử lý gắn chặt với trung tâm, xử lý ngọai vi đưa vào máy chủ trạm đầu cuối thông minh Trong giai đọan cuối đưa vào mạng truyền tin cho phép xây dựng mạng máy tính rộng lớn Giáo trình Mạng máy tính Trường Đại học Sư phạm Khoa Tin học Máy tính trung tâm Bộ tiền xử lý Các nút mạng Bộ tập trung Bộ tập trung Hình 1.1: Mơ hình mạng tổng qt Mạng truyền tin bao gồm nút truyền tin đường dây truyền tin nối nút để đảm bảo vận chuyển tin Các thiết bị đầu cuối, thiết bị tập trung, tiền xử lý máy tính ghép nối vào nút mạng Trong giai đọan xuất trạm đầu cuối thơng minh mà ngày liên kết với máy Mini Chức máy tính trung tâm: - Xử lý chương trình ứng dụng, phân chia tài nguyên ứng dụng - Quản lý hàng đợi trạm đầu cuối Chức tiền xử lý: - Điều khiển mạng truyền tin (đường dây, lưu trữ tập tin, trạm đầu cuối) - Điều khiển chuyển ký tự lên đường dây, bổ sung hay bỏ ký tự đồng Chức tập trung: quản lý truyền tin, đầu cuối Tiền xử lý, lưu trữ số liệu, điều khiển giao dịch Chức thiết bị đầu cuối: - Quản lý truyền tin, thủ tục truyền tin, ghép nối với người sử dụng - Điều khiển truy nhập số liệu lưu trữ số liệu Do số lượng trạm đầu cuối ngày tăng, nối trực tiếp với máy tính trung tâm, tốn vật liệu nối ghép, quản lý nặng nề, không tương xứng với nhiệm vụ máy tính, hiệu suất thấp nên đưa tập trung để khắc phục nhược điểm 1.2 ý nghĩa mạng máy tính Giáo trình Mạng máy tính Trường Đại học Sư phạm Khoa Tin học Mạng máy tính mang lại cho xã hội lợi ích vơ to lớn, việc kết nối máy tính thành mạng nhằm vào mục đích sau: - Chia sẻ tài nguyên - Cho phép trao đổi thơng tin máy tính cách xa - Tăng hiệu khai thác, xử lý thông tin độ tin cậy hệ thống - Tăng tốc xử lý liệu Tổng quan mạng máy tính 2.1 Các thành phần mạng máy tính 2.1.1 Đường truyền vật lý Đường truyền vật lý dùng để vận chuyển tín hiệu điện tử máy tính Tất tín hiệu biểu thị liệu dạng xung nhị phân Có hai loại đường truyền: Hữu tuyến (cable), vơ tuyến (wireless) sử dụng việc kết nối mạng Đường truyền hữu tuyến gồm có cáp đồng trục, cáp xoắn đơi, cáp sợi quang, đường truyền vơ tuyến gồm có: sóng Radio, sóng cực ngắn (viba), tia hồng ngoại (infrared) Tất tín hiệu truyền máy tính có dạng sóng điện từ có tần số trãi từ tần số cực ngắn đến tia hồng ngoại Tùy theo tần số sóng điện từ mà dùng đường truyền vật lý khác để truyền Đường truyền vật lý có đặc trưng sau: giải thông, thông lượng, độ suy hao, độ nhiễu từ + Giải thông (bandwidth) đường truyền độ đo phạm vi tần số mà đáp ứng + Thông lượng (throughput) đường truyền tốc độ truyền liệu đường truyền đó, tính số bit/giây + Độ suy hao độ đo độ suy yếu tín hiệu đường truyền Cáp dài độ suy hao lớn + Độ nhiễu điện từ làm nhiễu tín hiệu đường truyền Hiện hai loại đường truyền hữu tuyến vô truyến sử dụng việc kết nối mạng máy tính * Các loại đường truyền hữu tuyến + Cáp xoắn đôi (twisted pair): đôi dây cáp xoắn vào bọc lớp vỏ chống nhiễu Tùy thuộc vào khả chống nhiễu mà cáp xoắn đơi có thơng lượng từ 64Kbps đến vài chục Mbps + Cáp đồng trục (coaxial cable): cáp truyền thơng tin chun dụng cho tín hiệu có phổ rộng thích nghi tốt với u cầu cao tốc Thông lượng cực đại cho loại đường truyền hàng trăm Mbps + Cáp quang học (fiber optic cable): cáp sợi thủy tinh dùng để dẫn ánh sáng Thơng lượng tối đa đạt đến 1000Mbps * Các loại đường truyền vơ tuyến Giáo trình Mạng máy tính Trường Đại học Sư phạm Khoa Tin học Chủ yếu sử dụng loại sóng sau + Sóng Radio + Sóng cực ngắn (Viba) + Các hệ thống hồng ngoại 2.1.2 Kiến trúc mạng Kiến trúc mạng máy tính thể cách ghép nối máy tính với tập hợp quy tắc, quy ước mà tất thực thể tham gia truyền thông mạng phải tuân theo để đảm bảo mạng hoạt động tốt Cách ghép nối máy tính gọi hình trạng (Topolopy) mạng tập hợp quy tắc, quy ước gọi giao thức (Protocol) * Topo mạng Có hai kiểu nối mạng chủ yếu là: điểm - điểm (point to point) quảng bá (broadcast hay point to multipoint) Theo kiểu điểm - điểm, đường truyền nối cặp nút với nút có trách nhiệm lưu trữ tạm thời sau chuyển tiếp liệu đích Do cách thức làm việc nên mạng kiểu gọi mạng “lưu chuyển tiếp” (store and forward) Hình 1.2 cho số dạng Topo mạng Điểm - Điểm: Hình Hình chu trình Hình Hình 1.2: Cấu hình mạng kiểu điểm - điểm Hình đầy đủ Theo kiểu quảng bá, tất nút phân chia chung đường truyền vật lý Dữ liệu gữi từ nút tiếp nhận tất nút lại, cần địa đích liệu để nút vào kiểm tra xem liệu có phải hay khơng Hình Ring Hình Bus Hình vệ tinh Radio Hình 1.3: Cấu hình mạng kiểu điểm - nhiều điểm Giáo trình Mạng máy tính Trường Đại học Sư phạm Khoa Tin học * Giao thức mạng(Protocol) Việc trao đổi thông tin, cho dù đơn giản nhất, phải tuân theo quy tắc định Việc truyền tín hiệu mạng cần phải có quy tắc, quy ước nhiều mặt, từ khuôn dạng (cú pháp, ngữ nghĩa) liệu thủ tục gửi, nhận liệu, kiểm soát hiệu quả, chất lượng truyền tin xử lý lỗi Yêu cầu xử lý trao đổi thơng tin người sử dụng cao quy tắc nhiều phức tạp Tập hợp tất quy tắc, quy ước gọi giao thức (Protocol) mạng Rõ ràng mạng sử dụng giao thức khác tùy lựa chọn người thiết kế, nhiên tổ chức chuẩn hóa quốc tế đưa số giao thức chuẩn dùng nhiều mạng khác để thuận lợi cho việc kết nối chung 2.2 Phân loại mạng máy tính Có nhiều cách phân loại mạng khác nhau, tùy theo yếu tố chọn để làm tiêu phân loại 2.2.1 Phân loại mạng theo khoảng cách địa lý Nếu lấy “khoảng cách địa lý” để làm yếu tố để phân loại ta có loai sau: + Mạng cục (LAN: Local Area Network): mạng cài đặt trọng phạm vi tương đối nhỏ (ví dụ quan, công ty, trường học ) + Mạng đô thị (MAN: Metropolitan Area Network): mạng cài đặt phạm vi thành phố, trung tâm kinh tế, phạm vi địa lý hàng trăm Km + Mạng diện rộng (WAN: Wide Area Network): phạm vi hoạt động mạng vượt qua biên giới quốc gia, khu vực + Mạng toàn cầu (VAN: Vast Area Network): phạm vi mạng trải rộng khắp lục địa trái đất Khoảng cách địa lý có tính chất tương đối, đặc biệt thời đại ngày nay, với tiến phát triển công nghệ truyên dẫn quản lý mạng ranh giới khoảng cách địa lý mạng trở nên mờ nhạt Tuy nhiên sau người ta thường quan niệm chung cách đồng lọai thành lọai sau: WAN mạng lớn diện rộng, hệ mạng truyền thơng trao đổi liệu với phạm vi lớn có khỏang cách xa quốc gia hay quốc tế LAN mạng cục bố trí phạm vi hẹp quan, Bộ, Nghành Một số mạng LAN nối lại với để tạo thành mạng LAN lớn 2.2.2 Phân loại mạng theo kĩ thuật chuyển mạch Giáo trình Mạng máy tính Trường Đại học Sư phạm Khoa Tin học Nếu lấy kĩ thuật chuyển mạch làm yếu tố để phân loại phân chia mạng thành: Mạng chuyển mạch kênh, mạng chuyển mạch thơng báo, mạng chuyển mạch gói * Mạng chuyển mạch kênh (Cirucuit - Switched - Network) Đây mạng hai thực thể muốn liên lạc với chúng tạo kênh cứng, cố định trì liên tục hai thực thể ngắt liên lạc mạng điện thoại Phương pháp chuyển mạch có hai nhược điểm chính: + Hiệu xuất sử dụng đường truyền khơng cao có kênh bị bỏ không + Tiêu tốn thời gian cho việc thiết lập kênh cố định hai thực thể Data Data A S2 S4 Data S1 B S6 S3 S5 Hình 1.4: Mơ hình mạng chuyển mạch kênh * Mạng chuyển mạch thông báo (Message Switched Network) Các nút mạng vào địa đích “thơng báo” để chọn nút đường dẫn tới đích Như nút cần lưu trữ tạm thời đọc tin nhận được, quản lý việc chuyển tiếp thông báo Tùy thuộc vào điều kiện mạng mà thơng báo khác gửi đường khác Phương pháp chuyển mạch thơng báo có ưu điểm sau: + Hiệu suất sử dụng đường truyền cao khơng bị chiếm dụng độc quyền mà phân chia nhiều thực thể + Mỗi nút mạng lưu trữ thông báo kênh truyền rỗi chuyển thơng báo đi, giảm tình trạng tắc nghẽn mạng + Có thể điều khiển truyền tin cách xếp mức độ ưu tiên thông báo Trong mạng chuyển mạch thơng báo ta tăng hiệu suất sử dụng giải thông mạng cách gán địa quảng bá cho thông báo để gửi đồng thời đến nhiều đích khác Nhược điểm chủ yếu trường hợp thông báo có kích thước lớn bị lỗi, phải truyền thơng báo lại nên hiệu suất không cao Phương pháp thích hợp với phương pháp truyền thư tín điện tử (Electronic mail) Message S4 S1 S6 S2 S7 S3 S8 S5 Hình 1.4: Mơ hình mạng chuyển Giáo trình Mạng máymạch tínhthơng báo Trường Đại học Sư phạm Khoa Tin học * Mạng chuyển mạch gói (Packet Switched Network) Trong trường hợp thơng báo chia thành nhiều gói tin (Packet) khác nhau, độ dài khoảng 256 byte, có khn dạng quy định Các gói tin chứa thơng tin điều khiển, có địa nguồn địa đích Các gói tin thơng báo gửi nhiều đường khác + Mạng chuyển mạch gói có hiệu suất cao mạng chuyển mạch thơng báo kích thước gói tin hạn chế cho nút mạng xử lý tồn gói tin nhớ mà không cần lưu trữ tạm thời đĩa, mạng chuyển gói tin nhanh + Mỗi đường truyền chiếm thời gian ngắn dùng đường để đến đích khả đồng bit cao + Tuy nhiên, thời gian truyền tin ngắn nên thời gian chuyển mạch lớn tốc dộ truyền khơng cao địi hỏi thời gian chuyển mạch cực ngắn + Việc tập hợp gói tin để tạo lại để thơng báo khó khăn, đặc biệt trường hợp gói truyền theo nhiều đường khác S1 2 S4 1 S6 3 S2 S7 S3 S5 2 S8 Hình 1.5: Mơ hình mạng chuyển mạch gói Do có nhiều ưu điểm mềm dẽo hiệu suất cao nên chuyển mạch gói dùng phổ biến Việc tổ hợp hai kĩ thuật chuyển mạch kênh chuyển mạch gói mạng thống gọi tắc ISDN (Intergrated Service Digital Network) xu hướng phát triển nay, mạng dịch vụ tích hợp số 2.2.3 Phân loại mạng theo kiến trúc mạng Nếu lấy kiến trúc mạng làm yếu tố để phân loại phân chia mạng thành: Mạng điểm - điểm mạng điểm - nhiều điểm Mạng điểm - điểm: mạng hình sao, hình chu trình, hình đầy đủ Mạng điểm - nhiều điểm: mạng hình Bus, hình Ring vệ tinh Radio Giáo trình Mạng máy tính Trường Đại học Sư phạm Khoa Tin học * Ngịai ra, ta phân lọai theo cách “Khai thác liệu” mạng Nếu xem xét mạng theo cách khai thác liệu mạng mạng chia thành hai kiểu - Mạng ngang hàng (peer to peer): kiểu máy tính nối lại với nhau, máy sử dụng tài ngun máy ngược lại, khơng có máy coi máy chủ - Mạng chủ/khách (server/client): máy gọi máy chủ (server), máy có cài đặt phần mềm hệ điều hành mạng (NETWARE SYSTEM), máy có chức điều khiển phân chia việc khai thác tài nguyên theo yêu cầu máy khác Thuật ngữ CLIENT dùng để máy người khai thác hệ thống mạng Mỗi người khai thác mạng phải sử dụng máy tính có nối với máy chủ để khai thác mạng, máy gọi client Kiến trúc phân tầng mơ hình OSI 3.1 Kiến trúc phân tầng * Ý nghĩa kiến trúc phân tầng Để giảm phức tạp việc thiết kế cài đặt mạng, hầu hết mạng máy tính phân tích, thiết kế theo quan điểm phân tầng (layering) Sự phân tầng giao thức quan trọng cung cấp hiểu biết sâu sắc thành phần giao thức khác cần thiết cho mạng Kiến trúc phân tầng mạng máy tính có ý nghĩa đặc biệt thể vấn đề nêu sau đây: + Dễ dàng công tác thiết kế, xây dựng cài đặt mạng máy tính, hệ thống thành phần coi cấu trúc đa tầng + Mỗi tầng xây dựng sở tầng kế liền trước Như vậy, tầng hiểu tầng cung cấp dịch vụ cho tầng + Số lượng, tên gọi chức tầng người thiết kế mạng máy tính cụ thể quy định + Giao thức, vấn đề kĩ thuật cơng nghệ cho tầng tiến hành khảo sát, nghiên cứu triển khai độc lập  Mô hình tổng quát kiến trúc phân tầng Hệ thống A Tầng N Hệ thống B Giao thức tầng N Tầng N Tầng Giao thức tầng Tầng Tầng Giao thức tầng Tầng Giáo trình Mạng Đường truyền vật lýmáy tính Trường Đại học Sư phạm Khoa Tin học Mơ hình tổng qt cơng cụ cho phép hình dung cách bao quát kiến trúc phân tầng mạng máy tính hệ thống mở Trong mơ hình trên, giả sử máy A hệ thống gởi máy B hệ thống nhận q trình truyền thơng tin từ A sang B qua tầng theo chiều sau: Tầng NA > > Tầng 1A > Đường truyền vật lý > Tầng 1B > > Tầng NB Giữa hai tầng đồng mức (ngang nhau) hai hệ thống A B phải tồn tập giao thức thủ tục, hai tầng liền kề hệ thống đặc trưng giao diện (Interfaces) 3.2 Mơ hình OSI (Open System Interconnection) Trước đây, nhà thiết kế tự lựa chọn kiến trúc mạng riêng mình, từ dẫn đến tình trạng khơng tương thích mạng như: phương pháp truy cập đường truyền khác nhau, sử dụng họ giao thức khác nhau, v.v Vì vậy, mạng máy tính khác trao đổi thông tin với Khi nhu cầu trao đổi thơng tin lớn trở ngại khơng thể chấp nhận Do đó, cần phải xây dựng khung chuẩn kiến trúc mạng làm cho nhà nghiên cứu thiết kế mạng tạo sản phẩm mở mạng để dễ sản xuất sử dụng Như vậy, loại máy tính hãng ghép nối với loại máy tính hãng khác đồng thời mở khả chọn lựa loại thiết bị nhiều hãng khác Vì vậy, tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế (International Organization for Standardization, viết tắt ISO) xây dựng Mơ hình tham chiếu cho việc kết nối hệ thống mở (Reference Model for Open Systems Interconnection hay gọn là: OSI Reference Model) Mơ hình OSI dùng làm sở để kết nối hệ thống mở phục vụ cho ứng dụng phân tán Để xây dựng mơ hình OSI, ISO xuất phát từ kiến trúc phân tầng dựa nguyên tắc chủ yếu sau đây: + Giới hạn số lượng tầng mức cần thiết + Mô tả dịch vụ tầng đơn giản tốt + Chức công nghệ khác tách biệt, chức giống nằm chung tầng + Khi hiệu chỉnh chức hay giao thức tầng, tầng khác không bị ảnh hưởng theo + Có thể chia tầng thành nhiều tầng hay huỷ bỏ tầng Giáo trình Mạng máy tính Trường Đại học Sư phạm Khoa Tin học Kết mơ hình OSI gồm có tầng, đơi cịn gọi mơ hình tầng Mỗi tầng đặc trưng tên gọi số hiệu tầng Ví dụ: Tầng mơ hình tầng Liên kết liệu Application Ứng dụng Giao thức tầng Presentation Giao thức tầng Trình diễn Session Giao thức tầng Phiên Transport Giao thức tầng Giao vận Network Giao thức tầng Mạng Data Link Giao thức tầng Liên kết liệu Physical Vật lý Hệ thống A Giao thức tầng Đường truyền vật lý Hệ thống A Hình 1.6: Mơ hình phân tầng OSI * Chức khái quát tầng mơ hình OSI - Tầng vật lý: cung cấp phương tiện truyền tin, thủ tục khởi động, trì, hủy bỏ liên kết vật lý cho phép truyền dịng liệu dịng bit Nói cách khác mức Vật lý đảm bảo cho yêu cầu thiết bị máy tính, thiết bị đầu cuối, bus truyền tin - Tầng liên kết liệu: thiết lập, trì, hủy bỏ liên kết liệu, kiểm sóat luồng liệu, khắc phục sai sót Ví dụ: Giao thức BSC/Basic Mode, HDLC, SDLC, LAPB, LAPD - Tầng mạng: định rõ thủ tục cho chức định tuyến, điều khiển độ lưu lượng, thiết lập gọi kết thúc thông tin người sử dụng mạng, cắt hợp liệu cần Ví dụ: Giao thức IPX ,X.25PLP, IP - Tầng giao vận: thực việc truyền liệu, kiểm soát lỗi luồng liệu hai đầu nút (end to end) Thực ghép kênh cắt/hợp liệu cần Ví du : Giao thức SPX, TCP, UDP - Tầng phiên: định rõ thông tin từ trình đến q trình kia, khơi phục lỗi, đồng phiên Lớp phiên có nhiệm vụ thiết lập (và hủy bỏ) kênh thông tin (đối thoại) hai thực thể giao thức lớp ứng dụng thông tin giao dịch mạng đầy đủ - Tầng trình diễn: liên quan đến việc biểu diễn (cú pháp) số liệu chuyển hai tiến trình ứng dụng thơng tin Để có kết nối hệ thống mở nghĩa, số dạng cú pháp liệu trừu tượng phổ biến Giáo trình Mạng máy tính 10