Bài giảng kỹ thuật mạng máy tính

Trang 13 Phânloại mạngMạng cục bộ LAN Local Area Network• LAN có dây: Sử dụng các loại cáp• LAN khơng dây gọi là Wireless LAN WLAN sửdụng các loại sóng• Quy mơ nhỏ, phạm vi hoạt động hẹp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

KHOA KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

-  -

BÀI GIẢNG

KỸ THUẬT MẠNG MÁY TÍNH

TS Nguyễn Duy Thông

Tài liệu lưu hành nội bộ

Giới thiệu Mạng máy tính

Khái niệmGiao thứcKiến trúc mạngPhương thức chuyển mạch

Khái niệm mạng máy tính

 Mạng máy tính là một tập hợp nhiều máy tính

và các thiết bị đầu cuối được kết nối với nhau

bằng các thiết bị trung gian theo giao thức

được quy định nhằm trao đổi thông tin, chia

sẻ phần cứng, phần mềm và dữ liệu với nhau.

Lợi ích của mạng máy tính

 Tập trung tài nguyên tại một số máy và chia sẻ cho nhiều máy khác.

 Khắc phục sự trở ngại về mặt địa lý.

 Tăng chất lượng và hiệu quả khai thác thông tin.

 Cho phép thực hiện những ứng dụng tin học phân tán.

 Tăng độ an toàn, tin cậy của hệ thống nhờ khả năng thay thế khi có sự cố

 Phát triển các công nghệ trên mạng.

Ví dụ về mạng máy tính

 Mạng Internet

 Mạng Ethernet

 Mạng LAN không dây: 802:11

 Hệ thống mạng của một doanh nghiệp

 Hệ thống thu vé tự động

 Hệ thống mạng của công ty chứng khoán

Mạng internet

 Các thiết bị đầu cuối (host

~ end systems) chạy các

Xử lý tập trung hay phân tán

 Mạng điện thoại công cộng, tập

trung: mạng xử lý mọi thứ

 Máy tính có khả năng lớn hơn

• Hầu hết các chức năng tập trung ở mạng máy tính

• Mạng: Truyền dữ liệu

Giao thức

Là cách thức trao đổi thông tin

Giao thức (tt)

• Protocol: Quy tắc để truyền thông

• Gửi một thông điệp với yêu cầu hoặc thông tin

• Nhận một thông điệp với thông tin, sự kiện hoặc hành động

• Định nghĩa khuôn dạng và thứ tự truyền, nhận thông điệp giữa các thực thể

trên mạng hoặc các hành động tương ứng khi nhận được thông điệp

• Ví dụ về giao thức mạng: TCP, UDP, IP, HTTP, Telnet, SSH, Ethernet,

Giao thức (tt)

Các thành phần chính của một giao thức bao gồm:

- Cú pháp: định dạng dữ liệu, phương thức mã hoá và các mức tín hiệu

- Ngữ nghĩa: thông tin điều khiển, điều khiển lưu lượng và xử lý lỗi

Hình: Cấu trúc tiêu đề của giao thức IP

Các chức năng của giao thức

• Đóng gói

• Phân đoạn và tổng hợp

• Điều khiển liên kết

• Liên kết có hướng (Connection Oriented)

• Liên kết không có hướng (Connectionless)

• Giám sát

• Điểu khiển lưu lượng

• Stop and Wait

• Window size

• Điều khiển lỗi

• Đồng bộ hóa

• Địa chỉ hóa

Phương tiện truyền dẫn

• Kết nối có dây: phương tiện truyền dẫn có thể là cáp đồng (cáp xoắn kép, cápđồng trục, cáp UTP …) truyền tín hiệu điện hoặc cáp sợi quang để truyền ánhsáng

• Kết nối không dây: phương tiện truyền dẫn là bầu khí quyển hoặc không gian,hoặc củng có thể là sóng vô tuyến

Phân loại mạng

Mạng cục bộ LAN (Local Area Network)

• LAN có dây: Sử dụng các loại cáp

• LAN không dây gọi là Wireless LAN (WLAN) sử

dụng các loại sóng

• Quy mô nhỏ, phạm vi hoạt động hẹp

• Tốc độ truyền dữ liệu cao đến hàng Gbps

• Cấu trúc mạng có thể là hình BUS, RING hay

STAR …

Đặc điểm:

• LAN máy khách/ máy chủ

• LAN ngang hàng

Phân loại mạng

Mạng đô thị MAN (Motropolitan Area Network): MAN được tạo nên

từ nhiều mạng LAN kết nối với nhau trong phạm vi thành phố hay đô thị

• Có phạm vi hoạt động vừa phải, có thể

mở rộng lên đến 50 đến 70 dặm

• Các sites phân tán rộng khắp để bao phủ

hết diện tích của khu vực đô thị

• Cung cấp kết nối tốc độ cao đến hàng

trăm Mbps, thậm chí là Gbps

• Cung cấp kết nối đơn giữa các LAN

Phân loại mạng

• Mạng diện rộng WAN (Wide Area Network): Kết nối các máy

tính trong nội bộ các quốc gia hay giữa các quốc gia trong cùng châu

lục

-• Có khả năng bao phủ vùng địa lý vi rộng

lớn

• Bảo mật khá tốt, khả năng truy cập cao

• Hoạt động với tốc độ thấp hơn LAN

• Truy nhập tới WAN bị hạn chế - một LAN

chỉ có một liên kết WAN được chia sẻ

bởi nhiều thiết bị

• Lỗi truyền cao

• Mạng tích số hợp đa dịch vụ ISDN (Integrated Services Digital Network).

• Mạng X25 và chuyển mạch khung Frame Relay

• Phương thức truyền không đồng bộ ATM (Asynchronous Transfer Mode)

• Mạng hội tụ- mạng thế hệ sau NGN (Next Generation Network)

Cấu trúc mạng

• Là cấu trúc hình học không gian của mạng, là cách bố trí vị trí vật lý các

node và cách thức kết nối chúng lại với nhau

• Sơ đồ cấu trúc vật lý của mạng thể hiện đường đi của phương tiện

truyền dẫn để đến được các thiết bị mạng

• Có hai loại cấu trúc mạng:

 Cấu trúc vật lý (physical topology)

 Cấu trúc logic (logical topology)

• Các thông số cần cân nhắc khi lựa chọn cấu trúc mạng:

 Chi phí (Cost).

 Khả năng mở rộng (Scalability).

 Băng thông (Bandwidth).

 Khả năng lắp đặt và xử lý sự cố (Installation – Troubleshooting)

Cấu trúc BUS

• Tất cả các node truy nhập chung trên một

đường truyền vật lý (gọi là trunk hoặc

backbone) có điểm đầu và cuối

• Hoạt động theo kiểu quảng bá

• Nhược điểm: Khó xử lý sự cố; Khó cách ly khi sự cố xảy ra; Khả năng mở rộng

thấp  Hạn chế node mới tham gia vào mạng

Cấu trúc RING

• Là cấu trúc mà trong đó các máy trạm được kết nối với

nhau và cùng truy nhập chung trên một đường truyền vật

lý có dạng đường

• Tín hiệu được lưu chuyển trên vòng theo một chiều duy

nhất, theo liên kết điểm - điểm Tại mỗi thời điểm chỉ có

một node được truyền dữ liệu

• Mỗi máy trạm có nhiệm vụ tái tạo hoặc khuếch đại tín

hiệu trước khi truyền đến các nút khác Các gói dữ liệu

được truyền ở tốc độ cao

• Không có sự xung đột  ít phải truyền lại

• Dễ dàng cô lập các sự cố với thiết bị và cáp

• Không cần các bộ terminator

Cấu trúc Star

• Các trạm kết nối với một thiết bị trung tâm có chức năng điều khiển toàn bộ

hoạt động của mạng Dữ liệu được truyền theo các liên kết điểm - điểm

Thiết bị trung tâm có thể là một bộ chuyển mạch, một bộ chọn đường hoặc

đơn giản là một HUB

• Trung tâm sẽ:

 Xác định cặp địa chỉ gửi - nhận được phép chiếm đường

truyền và trao đổi thông tin với nhau.

 Theo dõi và xử lý sai quá trình trao đổi thông tin.

 Thông báo trạng thái của mạng.

• Ưu điểm:

 Hoạt động mạng vẫn bình thường nếu một máy trạm có lỗi.

 Có thể mở rộng hoặc thu hẹp tùy theo yêu cầu sử sụng.

Cấu trúc logic

• Cấu trúc logic định nghĩa cách thức để thiết bị có thể truyền các gói dữ liệu

qua mạng Có hai kiểu cơ bản: RING và BUS

• Mạng vật lý dạng BUS  logical BUS

• Mạng vật lý dạng RING  logical RING

• Mạng vật lý START  Có thể là logical BUS hoặc logical RING

Kiểu liên kết truyền

• Kiểu điểm- điểm: Kênh truyền vật lý sẽ thiết lập kết nối giữa hai node có

nhu cầu trao đổi thông tin Node trung gian sẽ tiếp nhận và lưu giữ thông

tin Cấu trúc này gọi là mạng lưu và gửi tiếp (Store - and - Forward)

 Ưu điểm: Ít khả năng đụng độ thông tin (Collision).

 Nhược điểm: hiệu suất sử dụng đường truyền thấp; chiếm dụng nhiều tài nguyên; độ

trễ lớn; tiêu tốn nhiều thời gian để thiết lập đường truyền và xử lý tại các node.

• Kiểu quảng bá: Thông tin sẽ được gửi từ một node đến tất cả các node

còn lại trong mạng

 Ưu điểm: Hiệu suất sử dụng đường truyền cao

 Nhược điểm: Bị xung đột

Chuyển mạch kênh

vs.

Chuyển mạch gói

Chuyển mạch kênh vs Chuyển mạch gói

• Chuyển mạch kênh

 Trao đổi dữ liệu sử dụng một kênh riêng

 Mỗi liên kết sử dụng một kênh Tài nguyên cho kênh đó không được sử

dụng bởi người khác trừ khi đóng liên kết

• Chuyển mạch gói

 Dữ liệu được chia thành các gói nhỏ (packets), và được chuyển qua

mạng

 Nhiều liên kết có thể chia sẻ một kênh

 Internet (với giao thức IP - Internet Protocol) sử dụng chuyển mạch gói

Chuyển mạch kênh

• Tài nguyên được gán riêng cho mỗi kênh

• Duy trì kết nối trong suốt quá trình 2 thực thể trao đổi thông tin

• Các yêu cầu khác được sử dụng sau khi kênh được giải phóng

Chuyển mạch gói

• Các gói tin chứa nhiều thông tin khác nhau có thể cùng truyền

trên một tuyến liên mạng

• Định tuyến gói tin qua mạng nhanh và hiệu quả hơn

Chuyển mạch kênh vs Chuyển mạch gói

• Chuyển mạch kênh

 Mỗi kênh chỉ dùng cho duy nhất 1 liên kết

 Bảo đảm băng thông (cần cho các ứng dụng audio/video)

 Lãng phí nếu liên kết đó không sử dụng hết khả năng của kênh

• Chuyển mạch gói

 Tăng hiệu quả sử dụng băng thông

 Tốt cho các dạng dữ liệu đến ngâu nhiên, không định trước

 Hạn chế: Tắc nghẽn làm trễ và mất gói tin, không bảo đảm băng thông

Truyền thông hướng liên kết vs không

liên kết

• Truyền thông hướng liên kết (Connection Oriented)

 Dữ liệu được truyền qua một liên kết đã được thiết lập

 Ba giai đoạn: Thiết lập liên kết, truyền dữ liệu, Hủy bỏ liên kết

 Tin cậy

• Truyền thông không liên kết (Connectionless)

 Không thiết lập liên kết, chỉ có giai đoạn truyền dữ liệu

 Không tin cậy - “Best effort”

Phương tiện truyền dẫn

Phương tiện hữu tuyến Phương tiện vô tuyến

Cáp đồng

• Cáp đồng được sử dụng trong hầu hết các mạng LAN

• Có nhiều loại cáp đồng khác nhau, mỗi loại có những ưu và nhược điểm

khác nhau Việc lựa chọn cáp cần phải xem xét ba vấn đề cơ bản:

 Tốc độ truyền dẫn của cáp

 Phương pháp truyền dẫn: là số

hay tương tự, là băng cơ sở(baseband) hay băng thôngrộng (broadband)

 Khoảng cách truyền dẫn tối đa

để đảm bảo chất lượng tínhiệu

• Thường sử dụng để lắp đặt mạng hình BUS (các loại mạng LAN cục bộ

Thick Ethernet, Thin Ethernet) và mạng hình sao (mạng ARCnet)

Các loại cáp đồng trục

Loại cáp Bậc cáp Độ dày Khoảng cách (max) Tốc độ truyền Connector

Cáp xoắn đôi

 Cáp xoắn có vỏ bọc cách điện (Shield Twisted Pair – STP)

• Loại cáp STP thường có tốc độ truyền vào khoảng 16 Mbps trong loại mạngToken Ring

• Với chiều dài 100m tốc độ đạt 155 Mbps (lý thuyết là 500 Mbps)

 Loại cáp không có vỏ bọc UTP (Unshield Twisted Pair)

• Cáp UTP không có lớp cách điện bên ngoài nên rất nhạy cảm với EMI, khảnăng chống nhiễu bên ngoài kém hơn STP

• Tốc độ truyền khoảng 100 Mbps

• Đặc tính suy hao như cáp đồng, giới hạn độ dài tối đa 100m

Cáp UTP

Sự khác nhau giữa các loại cáp

Chuẩn T568A và T568B

Cáp thẳng – cáp chéo – cáp rollover

Cáp Rollover

 Cáp Rollover thường được

sử dụng để kết nối thiết bị

đầu cuối máy tính với cổng

bảng điều khiển của bộ định

tuyến.

Sợi đơn mode – đa mode

Sợi đơn mode – đa mode

dùng cho phát thanh thương mại sóng trung (535 – 1605 kHz).

Cũng được dùng cho dẫn đường hàng hải và hàng không.

3

-30 MHz 100m-10m Tần số cao HF

dùng trong thông tin vô tuyến 2 chiều với mục đích thông tin ở

cự ly xa xuyên lục địa, liên lạc hàng hải, hàng không, nghiệp dư, phát thanh quảng bá

Băng thông

 Băng thông của một đường truyền là miền tần số (giới hạn thấp và

tần số giới hạn cao) mà đường truyền đó có thể đáp ứng được

 Băng thông là hữu hạn.

 Băng thông không phải miễn phí.

 Băng thông là yếu tố chính để phân tích – đánh giá hiệu suất

của mạng, thiết kế mạng mới và kết nối Internet.

 Nhu cầu sử dụng băng thông ngày càng tăng.

Băng thông (tt)

 Băng thông số (digital bandwidth) xác định bằng lượng thông tin

truyền từ điểm này sang điểm khác trong một khoảng thời gian cho

trước.

 Băng thông thực tế của một mạng được xác định dựa trên nhiều

yếu tố: thuộc tính của phương tiện vật lý và công nghệ được chọn

để thực hiện quá trình báo hiệu và phát hiện tín hiệu mạng.

 Băng thông của cáp phụ thuộc vào chiều dài của cáp Cáp ngắn

sẽ có băng thông cao và ngược lại

Thông lượng (throughput)

 Thông lượng của đường truyền là số lượng các bit (chuỗi bit) được

truyền đi trong một giây hay là tốc độ truyền dữ liệu tức thời của

kênh truyền tại một thời điểm nào đó

 Nếu tập tin này có tất cả là L bit, và thời gian nhận được toàn bộ tập

tin (L bit) là T giây, thì ta có thông lượng trung bình của quá trình

truyền tập tin này là bằng L/T bit/giây (bps).

Thông lượng (tt)

• Rs < Rc Thông lượng trung bình?

• Rs> Rc Thông lượng trung bình?

- Nút thắt cổ chai

Đường truyền m à tại đó giới hạn toàn bộ băng thông của tuyến

Ví dụ thông lượng

10 liên kết chia sẽ một đường R

Thông tin hữu ích - Goodput

 Là đại lượng xác định dữ liệu có ích được truyền trên mạng trong

một đơn vị thời gian

goodput = throughput - (overhead cho việc thiết lập phiên, ACK và đóng gói)

Application Presentation Session Transport Network Data Link Physical

Application Presentation Session Transport Network Data Link Physical

Application Data

Data Data Data

Data

Network Header

Data

Network Header

Frame Header

Frame Trailer

1 0 1 0 1 0 0 0 1 1

1 0 0 End Node Goodput End Node

Suy hao (Attenuation)

 Là đại lượng đo sự suy yếu của các tín hiệu trên đường truyền

Thông thường suy hao được đo lường bằng đơn vị decibel (dB)

hoặc điện áp và có thể xảy ra do nhiều nguyên nhân khác nhau

Nguyên nhân là do tín hiệu bị méo hoặc bị yếu đi

in

out V

V log 20

Vì sao bị trễ hay mất gói?

Các gói tin phải xếp hàng trong bộ định tuyến!

• Tốc độ đến của các gói tin vượt quá khả năng đường ra

Nguyên nhân gây trễ

Nguyên nhân gây trễ

Tổng thời gian trễ

• dproc = Processing delay

• dqueue = queuing delay

• d = propagation delay

Trễ hàng đợi

• R= băng thông (bps)

• L= độ dài gói tin (bits)

• a= tốc độ đến của gói tin

Lưu lượng đến = La/R

La/R ~ 0: trễ hàng đợi nhỏ

•La/R -> 1: trễ lớn dần lên

•La/R > 1: quá khả năng, trễ vô

cùng

Độ trễ và đường đi thực tế trên internet

• Làm thế nào để biết đường đi và độ trễ?

end-to-end.

• For all i:

Tracert

Mất gói (loss)

• Hàng đợi (vùng đệm) của mỗi đường truyền có kích

thước giới hạn

• Gói tin nào tới hàng đợi đầy sẽ bị mất, gói tin bị mất có

thế được truyền lại hoặc không.

Các phương pháp truy nhập

đường truyền

Time Division Multiplexing

PollingCSMAToken BusToken Ring

ALOHA

Time Division Multiplexing (TDM)

 Thời gian của đường truyền

chia thành các khoảng thời

gian cố định được gọi là khe

thời gian (time slot)

 Các trạm sẽ được truyền

trong khoảng thời gian được

phân bổ cho nó

 Nếu trạm không có dữ liệu để

truyền, thì time slot của nó sẽ

bị lãng phí

Time Division Multiplexing (TDM)

 Kích thước của mỗi khe thời gian được giữ sao

cho mỗi trạm có đủ thời gian cho các tác vụ sau:

đích

Kích thước của Time Slot

Time Division Multiplexing (TDM)

Kích thước của Time Slot

Size of Time Slot = T_prop+ T_trans T_trans: Transmission delayT_prop: Propagation delay

 Để kích thước các khe thời gian là hằng số, giả sử rằng:

 Tất cả các trạm gửi các gói có kích thước bằng nhau

 Các trạm có T_trans là hằng số

 Giả sử T_prop là lớn nhất để các trạm có đủ thời gian truyền hết gói tin của

nó

Efficiency (η) = Useful Time / Total Time

Useful time: T_trans (Transmission delay)

Time Division Multiplexing (TDM)

Hiệu quả truyền tin

Efficiency (η) = 𝑻𝒕𝒓𝒂𝒏𝒔

𝑻𝒕𝒓𝒂𝒏𝒔 + 𝑻𝒑𝒓𝒐𝒑

 Kích thước khe thời gian trong TDM = 𝑇𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠 + 𝑇𝑝𝑟𝑜𝑝

 Hiệu quả băng thông / Băng thông sử dụng/ Thông lượng =

Efficiency (η) × 𝐵𝑊

 Hiệu quả băng thông tối đa = Tổng số trạm x BW cho 1 trạm

Time Division Multiplexing (TDM)

Nhược điểm

 Nếu trạm không có dữ liệu truyền thì kênh

truyền sẽ lãng phí  Giảm hiệu quả băng thông

TDM – Bài tập 1

 Cho biết trễ lan truyền T_prop và trễ truyền T_trans đều

là 1ms, với bang thông là 4Mbps Hỏi:

1. Tìm hiệu quả truyền tin?

2. Tìm hiệu quả băng thông?

3. Số trạm tối đa có thể kết nối với mạng nếu mỗi trạm yêu cầu

băng thông 2 Kbps?

Polling (Bỏ phiếu)

 Một cuộc bỏ phiếu được tiến

hành đối với tất cả các trạm

muốn gửi dữ liệu.

 Thuật toán bỏ phiếu chọn

một trong các trạm để gửi dữ

liệu.

 Trạm được chọn sẽ gửi dữ

liệu đến đích.

 Sau khi trạm đã chọn đã gửi

dữ liệu, chu kỳ sẽ lặp lại.

Polling (Bỏ phiếu)

 𝑻𝒑𝒐𝒍𝒍 là thời gian bỏ phiếu

 𝑻𝒔𝒆𝒏𝒅 là thời gian gửi dữ

liệu đi, bao gồm thời gian

𝑻𝒕𝒓𝒂𝒏𝒔 𝒗à 𝑻𝒑𝒓𝒐𝒑

Hiệu quả truyền tin

Efficiency (η) = Useful TimeTotal Time

Useful time: 𝑻𝒕𝒓𝒂𝒏𝒔

Useless time: 𝑻𝒑𝒓𝒐𝒑 + 𝑻𝒑𝒐𝒍𝒍

𝑻𝒕𝒓𝒂𝒏𝒔 + 𝑻𝒑𝒓𝒐𝒑 + 𝑻𝒑𝒐𝒍𝒍