mô hình OSI và TCP/IP

tài liệu về mô hình OSI và TCP/IP

Lời giới thiệu

Trong hai thập kỷ đã qua, các mạng máy tính đã có một sự phát triển rất lớn cả

về số lợng cũng nh về kích thớc Tuy nhiên, có rất nhiều mạng máy tính đợc thiết kế dựa trên các sự hỗ trợ khác nhau của cả phần cứng và phần mềm Nh là một tất yếu, rất nhiều các mạng máy tính trở nên không tơng thích với nhau và điều đó trở thành một hạn chế đối với các mạng máy tính khi sử dụng các phơng thức khác nhau để thông tin với nhau Để chỉ ra vấn đề này, tổ chức tiêu chuẩn quốc tế ISO

(International Standard Ognization) đã nghiên cứu rất nhiều các mô hình mạng ISO

đã nhận ra rằng, điều cần thiết để tạo ra một mô hình mạng máy tính để có thể trợ giúp các nhà thiết kế mạng hoàn thiện các mạng máy tính hơn, để giữa các mạng có thể liên kết và làm việc cùng với nhau

Bằng một nỗ lực toàn diện nhằm chuẩn hoá tất cả các cấp độ của việc truyền thông trong mạng máy tính, tổ chức ISO đã phát triển một mô hình mạng đ ợc gọi là

mô hình tham chiếu OSI (Open System Interconnect: Mô hình kết nối các hệ thống

mở) Mô hình này chia việc truyền thông giữa một ngời dùng hoặc một ứng dụng có thể thông tin với một ngời dùng hoặc một ứng dụng khác qua một mạng thành 7 cấp

độ luận lý (7 lớp) Bằng cách làm việc với các lớp trong mô hình tham chiếu OSI, bạn

có thể nghiên cứu các thiết bị nào hoạt động tại mỗi lớp khi các gói tin đi qua chúng

từ nguồn đến đích

Nh chúng ta đã biết, mạng LAN là một mạng có tốc độ cao, lỗi dữ liệu xảy ra thấp, đợc sử dụng bao trùm một khu vực địa lý nhỏ liên quan với nhau (có thể lên đến vài km) LAN kết nối với các máy trạm, các thiết bị ngoại vi, thiết bị đầu cuối trong một toà nhà, hay giới hạn trong một khu vực địa lý Mặc dù việc gửi dữ liệu tới mọi thiết bị trên mạng có thể hoạt động nh một mạng nhỏ liên kết, nhng ta dễ dàng nhận thấy rằng, mạng càng lớn thì càng có nhiều dữ liệu đợc lu thông Điều này nói nên một vấn đề hết sức phức tạp, bởi vì tại một thời điểm thì chỉ có một gói tin đợc truyền

ở trên dây cáp Nếu chỉ có một sợi cáp kết nối với mỗi thiết bị trên mạng, thì dòng dữ liệu trên mạng sẽ bị chậm lại Các thiết bị mạng đợc sản xuất để sử dụng cho việc kết nối mạng Khi các mạng muốn tăng về kích thớc, thì các thiết bị mạng sẽ đợc sử dụng để kết nối chúng lại Các thiết bị mạng có thể điều khiển đợc lu lợng thông tin

và có thể làm tăng tốc độ của luồng dữ liệu trên mạng

Phần 1: Mô hình OSI và Tcp/ip

Chơng 1:

Mô hình tham chiếu OSI

1 Vài nét về mô hình tham chiếu OSI:

Mô hình tham chiếu OSI đợc chia thành 7 lớp, nó cho phép bạn thấy đợc các chức năng của mạng trong mỗi lớp Quan trọng hơn, bạn có thể sử dụng nó để hiểu rõ hơn thông tin đi trên mạng nh thế nào Thêm vào đó bạn còn có thể hình dung rằng thông tin hay các gói tin đi từ các chơng trình ứng dụng(nh các bảng tính, tài liệu ) qua môi trờng mạng(nh mạng nối với nhau bằng dây dẫn) tới chơng trình ứng dụng khác đặt ở máy tính khác trên cùng một mạng

2 7 lớp của mô hình tham chiếu OSI:

Vấn đề về việc trao đổi thông tin giữa hai máy tính đợc chia thành 7 vấn đề nhỏ trong mô hình tham chiếu OSI để dễ quản lý hơn Mỗi vấn đề trong 7 vấn đề nhỏ

đợc đặc trng bởi một lớp riêng của nó trong mô hình 7 lớp của mô hình tham chiếu OSI (nh hình 1):

 Lớp Trình ứng dụng (The Application layer)

 Lớp Biểu diễn thông tin (The Presentation layer)

 Lớp Hội (The Sessionlayer)

 Lớp Vận chuyển (The Transport layer)

 Lớp Mạng (The Network layer)

 Lớp Liên kết dữ liệu (The Data Link layer)

 Lớp Vật lý (The Physical layer)

Với cơ cấu nh vậy, qua mô hình tham chiếu OSI bạn có thể hiểu đợc các gói tin đi qua một mạng máy tính nh thế nào và các thiết bị nào hoạt động ở mỗi lớp khi các gói tin đi qua Với kết quả nh vậy, bạn có thể hiểu đợc các sự cố xảy ra trên mạng trong chuỗi gói tin đợc truyền đi Mỗi lớp OSI là một tập hợp các chức năng

mà nó đảm nhiệm đối với các gói tin đi qua từ một điểm nguồn đến một điểm đích trên một mạng

Hình 1: 7 lớp của mô hình OSI

 Nó chia việc truyền thông trên mạng thành những công việc nhỏ hơn, thành những phần đơn giản hơn để cho ta dễ dàng phát triển nó

 Nó làm cho các chuẩn hoá của các thành phần mạng dễ dàng hơn khi cho phép nhiều nhà cung cấp thiết bị hỗ trợ và phát triển

 Nó cho phép phần cứng và phần mềm trên các mô hình mạng khác nhau có thể liên lạc đợc với nhau

 Nó ngăn chặn các biến đổi trong một lớp để tránh ảnh hởng sang các lớp khác,

do đó chúng có thể phát triển một cách nhanh chóng và an toàn hơn

 Nó chia việc truyền thông trên mạng thành những công việc nhỏ hơn để khi nghiên cứu và tìm hiểu nó dễ dàng hơn

4 Chức năng của các lớp trong mô hình tham chiếu OSI:

a Các lớp ở mức cao

Có 3 mức cao trong mô hình tham chiếu OSI đợc đề cập đến nh là lớp

Application Hình 2 sẽ chỉ ra những lớp ở mức cao và cung cấp các thông tin về các

chức năng của chúng

S e s s io n

T r a n s p o r t

N e t w o r k

D a t a L in k

P h y s ic a l

P r e s e n t a t io n

A p p lic a t io n U s e r I n t e r f a c e

V í d ụ

T e ln e t

H T T P

A S C I I

E B C D I C

J P E G

Hình 2: Các lớp ở mức cao với giao diện ngời dùng, định dạng dữ liệu, và truy cập các trình ứng

dụng

 Lớp 7: Lớp Application

Lớp Application là lớp gần với ngời dùng nhất Nó cung cấp các dịch vụ về

mạng, nh truy cập file, in ấn, truy cập đến các trình ứng dụng ngời dùng Nó khác với các lớp khác ở chỗ nó không cung cấp các dịch vụ cho bất kỳ lớp OSI nào khác, nó chỉ cung cấp các dịch vụ cho các trình ứng dụng bên ngoài mô hình OSI Các lớp

Application luôn luôn đợc thiết lập để chờ mọi ngời kết nối tới Nó cũng đợc thiết lập

để cho phép các thủ tục bị lỗi có thể hồi phục và điều khiển toàn bộ dữ liệu Nếu bạn muốn nhớ về lớp 7 này càng ngắn gọn càng tốt, hãy nghĩ ngay đến bộ trình

duyệt(Browsers)

 Lớp 6: Lớp Presentation

Lớp Presentation đảm bảo rằng thông tin từ lớp Application của một hệ thống gửi đi thì nó sẽ đợc lớp Application của hệ thống khác có thể hiểu(đọc) đợc Nếu cần thiết, lớp Presentation sẽ chuyển đổi giữa các định dạng dữ liệu phức tạp bằng cách

sử dụng một định dạng phổ biến hơn Lớp này cũng chịu trách nhiệm về việc nén và bảo mật dữ liệu Nếu bạn muốn nhớ về lớp 6 này càng ngắn gọn càng tốt càng tốt, hãy nghĩ ngay đến một kiểu định dạng dữ liệu phổ biến nhất

 Lớp 5: Lớp Sesssion

Nh tên của nó đã bao hàm, lớp Session đợc thiết lập, quản lý và hoàn thành các phần việc thông tin giữa các máy tính chủ (host) Lớp Session cung cấp các dịch vụ của nó cho lớp Presentation Đồng thời nó cũng giao tiếp giữa hai lớp Presentation của hai máy tính chủ (host) và quản lý việc trao đổi dữ liệu giữa chúng Ngoài ra lớp Session này còn có các qui tắc nhất định, nó còn đợc dự phòng để việc truyền dữ liệu

có hiệu quả, cung cấp dịch vụ, Nếu bạn muốn nhớ về lớp 5 này càng ngắn gọn càng tốt, hãy nghĩ đến các cuộc đối thoại và các cuộc nói chuyện

b Các lớp ở mức thấp hơn

Bốn lớp ở mức thấp hơn trong mô hình OSI chỉ rõ dữ liệu đợc truyền qua một mạng vật lý bằng các thiết bị liên mạng nh thế nào, muốn tới trạm cuối nh thế nào, và

cuối cùng là tới lớp Application Hình 3 tóm tắt chức năng cơ bản của bốn lớp này

Hình 3: Các lớp ở mức thấp hơn chịu trách nhiệm đa dữ liệu qua các phơng tiện vật

lý

 Lớp 4: Lớp Transport

Lớp Transport thực hiện việc chia dữ liệu ra thành những phần nhỏ hơn tại hệ

thống máy tính gửi dữ liệu và tại hệ thống máy tính nhận dữ liệu, dữ liệu sẽ đợc tập

hợp lại thành một chuỗi dữ liệu Đờng biên giữa lớp Transport và lớp Session có thể

coi nh là đờng biên giữa các giao thức ứng dụng và giao thức hàng đợi dữ liệu Khi

các lớp: Application, Presentation, và Session có liên quan đến việc đa ra đợc dữ

liệu, thì 4 lớp ở mức thấp hơn liên quan đến việc truyền dữ liệu đi

Lớp Transport cung cấp một dịch vụ truyền dữ liệu để bảo vệ cho các lớp ở mức cao

bằng cách truyền đi các thông tin bổ xung(nh thông tin về giao thức, địa chỉ máy tính gửi, nhận ) Đặc biệt, nh việc truyền một cách chính xác nh thế nào giữa hai máy

tính chủ thì có liên quan đến lớp Transport Nhằm cung cấp các dịch vụ truyền thông, lớp Transport thiết lập, duy trì, và kết nối tới các mạch định hớng một cách

chính xác Nhằm cung cấp dịch vụ một cách chuẩn xác thì việc truyền, phát hiện và hồi phục lỗi, kiểm soát hàng đợi thông tin đã đợc sử dụng Nếu bạn muốn nhớ về lớp

4 này càng ngắn gọn càng tốt, thì hãy nghĩ đến việc kiểm soát lu lợng và độ tin cậy

 Lớp 3: Lớp Network

Lớp Network là một lớp phức tạp, nó cung cấp các kết nối và lựa chọn đờng

dẫn giữa các hệ thống của hai máy tính chủ, nó có thể định vị về mặt vật lý đối với các mạng độc lập Nếu bạn muốn nhớ về lớp 3 này càng ngắn gọn càng tốt, hãy nghĩ

đến việc lựa chọn đờng dẫn, định tuyến, và địa chỉ logic

 Lớp 2: Lớp Data Link

Lớp Data Link hỗ trợ dữ liệu đi qua một kết nối vật lý Làm nh vậy, lớp Data Link có liên quan đến phần địa chỉ vật lý(đối lập với logic), mô hình mạng(đôi khi

đ-ợc gọi là địa chỉ logic), truy cập các phơng tiện truyền thông mạng, và phát hiện lỗi Nếu bạn muốn nhớ về lớp 2 này càng ngắn gọn càng tốt, hãy nghĩ đến các cấu trúc và việc kiểm soát truy cập các phơng tiện

 Lớp 1: Lớp Physical

Lớp Physical đợc định nghĩa là các phần thuộc về điện, cơ khí, thủ tục, và các

đặc điểm chức năng đối với việc hoạt động, duy trì, và ngừng hoạt động của các thiết

bị vật lý giữa đầu cuối hệ thống Ví dụ đặc trng nh, các mức điện áp, thời gian thay

đổi điện áp, tỷ lệ dữ liệu ở dạng vật lý, khoảng cách truyền tối đa, các kết nối vật lý,

và những thứ khác tơng tự, các thuộc tính đợc định nghĩa bởi các đặc điểm của lớp

Physical Nếu bạn muốn nhớ về lớp 1 này càng ngắn gọn càng tốt, hãy nghĩ đến các

tín hiệu và các phơng tiện truyền thông

5 Việc đặt tên cho dữ liệu tại mỗi lớp của mô hình OSI

Đối với các gói tin để đi từ nguồn đến đích, thì mỗi lớp của mô hình OSI tại nguồn phải liên lạc với lớp ngang hàng với nó ở điểm đích Dạng thông tin này đợc

gọi là truyền thông ngang hàng (peer-to-peer communication) Trong quá trình này,

mỗi giao thức của lớp trao đổi thông tin đợc gọi là giao thức các đơn vị dữ liệu

PDU(Protocol Data Units) giữa các lớp ngang hàng nhau Cụ thể là lớp Network cung cấp dịch vụ cho lớp Transport Lớp này biểu diễn dữ liệu rồi chuyển xuống cho lớp Network, lớp này có nhiệm vụ truyền dữ liệu qua liên mạng Nó thực hiện nhiệm

vụ này bằng cách đóng gói dữ liệu rồi dán Header lên gói tin Header chứa thông tin

yêu cầu về thủ tục truyền dẫn, nh thông tin về giao thức, về địa chỉ logic của máy

tính nguồn và đích Lớp Data Link cung cấp dịch vụ cho lớp Network Nó đóng gói thông tin lớp Network thành một khung(Frame), Header của Frame chứa thông

tin yêu cầu hoàn tất các chức năng kết nối dữ liệu (ví dụ nh các địa chỉ vật lý) Đồng

thời thông tin của Header trong tầng Data Link đợc xác định và nó chỉ có ý nghĩa đối

với các thiết bị đợc kết nối trực tiếp

Lớp Physical cũng cung cấp một dịch vụ tới lớp Data Link Lớp Physical mã

hoá khung liên kết dữ liệu thành một mẫu gồm các số 0 và 1 (các bit) để truyền đi trên môi trờng mạng (thờng là mạng dây dẫn) Sau đó các bit đợc truyền tới thiết bị kết nối trực tiếp

A p p lic a t io n

P r e s e n t a t io n

S e s s io n

T r a n s p o r t

N e t w o r k

D a t a L in k

P h y s ic a l

D a t a s t r e a m

D a t a s t r e a m

D a t a s t r e a m

1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 1

A p p lic a t io n

P r e s e n t a t io n

S e s s io n

T r a n s p o r t

N e t w o r k

D a t a L in k

P h y s ic a l

D a t a D a t a

N e t w o r k h e a d e r D a t a

F r a m e N e t w o r k D a t a F r a m e

H e a d e r H e a d e r T r a i l e r

Hình 4: Lớp thấp hơn thực hiện việc thu thập thông tin rồi đa vào trong header và trailer cùng với

dữ liệu để gửi đi qua mạng

Chơng 2:

TCP/IP

Mặc dù mô hình tham chiếu OSI đợc công nhận một cách toàn diện nhng lịch

sử và kỹ thuật của hệ thống mở chuẩn mạng Internet là giao thức kiểm soát đờng

truyền TCP (Transmission Control Protocol) và giao thức mạng Internet IP(Internet Protocol) Mô hình tham chiếu OSI và giao thức hàng đợi TCP/IP tạo nên khả năng

thông tin dữ liệu giữa hai máy tính ở bất kỳ đâu trên thế giới với tốc độ truyền xấp xỉ tốc độ ánh sáng Bộ giao thức TCP/IP có một ý nghĩa rất quan trọng trong việc thông tin trên mạng

1 Các lớp của mô hình tham chiếu TCP/IP

Bộ quốc phòng Mỹ DoD(Departmant of Defense) đã tạo ra mô hình tham

chiếu TCP/IP, bởi vì DoD muốn tạo ra một mạng có thể tồn tại đợc ở bất cứ điều kiện nào, muốn các gói tin đó đợc truyền đi liên tục dới bất kỳ điều kiện nào, từ một điểm bất kỳ đến một điểm bất kỳ khác Mặc dù đây là vấn đề hết sức khó khăn nhng điều mang lại là việc tạo ra mô hình tham chiếu TCP/IP làm chuẩn mực cho sự phát triển của mạng Internet

Mô hình TCP/IP có 4 lớp:

 Lớp ứng dụng(Application)

 Lớp vận chuyển (Transport)

 Lớp Internet

 Lớp truy cập mạng (Network Access)

a Lớp Application

Các nhà thiết kế mô hình TCP/IP cảm thấy rằng các giao thức ở mức cao hơn

nên bao gồm cả lớp Session và lớp Presentation để cho chi tiết hơn Đơn giản là vì chúng tạo ra lớp Application mà lớp này quản lý các giao thức bậc cao, đa ra đợc việc

biểu diễn, mã hoá và kiểm soát giao tiếp TCP/IP kết hợp với tất cả các trình ứng dụng liên quan đến việc tạo ra một lớp, và đảm bảo dữ liệu này đợc đóng gói một cách chính xác trong lớp tiếp theo

b Lớp Transport

Lớp Transport điển hình xử lý các công việc một cách tin cậy nh kiểm soát

luồng thông tin và thực hiện quá trình truyền lại Một trong những giao thức của nó

là giao thức kiểm soát đờng truyền (TCP) nó cung cấp các hớng giải quyết rất mềm dẻo và hoàn hảo để tạo ra độ tin cậy cao trong việc điều khiển luồng thông tin trên mạng TCP là một giao thức kết nối có định hớng Nó hỗ trợ giao tiếp giữa nguồn và

đích trong khi đang đóng gói thông tin ở lớp Application thành các đơn vị gọi là Segment Kết nối có hớng không có nghĩa là một mạch vật lý tồn tại giữa các máy

tính đang thông tin với nhau (đó có thể là chuyển mạch) Nó không có nghĩa rằng các

Segment trong lớp 4 phải vào và ra giữa hai máy tính chủ để thiết lập một kết nối logic trớc khi dữ liệu đợc truyền đi Lớp này đôi khi cũng đợc gọi là lớp Host to Host.

c Lớp Internet

Mục đích của lớp Internet là gửi các gói tin từ điểm nguồn đến bất kỳ mạng nào trong các mạng làm việc và gửi các gói tin đó đến đợc đích tuỳ thuộc vào đờng dẫn và các mạng mà nó chuyển gói tin đến Giao thức đợc chọn để quản lý lớp này

đ-ợc gọi là giao thức Internet (IP) Đờng dẫn tốt nhất sẽ đđ-ợc xác định và chuyển mạch gói xuất hiện ở lớp này

d Lớp truy cập mạng

Tên của lớp này mang ý nghĩa rất rộng, đôi khi nó lại tỏ ra nh là hai lớp vậy (giống nh trong mô hình OSI) Lớp truy cập mạng có liên quan đến tất cả các lớp khác mà một gói tin yêu cầu đi qua một kết nối vật lý từ một thiết bị này tới một thiết

bị khác Nó bao gồm các chi tiết về công nghệ mạng LAN, WAN, và tất cả các chi

tiết trong lớp Physical và Data link trong mô hình OSI.

2 Mô hình OSI và TCP/IP

Nếu bạn so sánh mô hình OSI và mô hình TCP/IP, bạn có thể nhận thấy rằng chúng

có những điểm giống và khác nhau (xem hình 2.13) sau đây:

Giống nhau:

 Đều có các lớp

 Đều có lớp ứng dụng, mặc dù chúng có các dịch vụ rất khác nhau

 Cả hai lớp mạng và vận chuyển đều có thể so sánh đợc với nhau

 Công nghệ chuyển mạch gói (không phải là chuyển mạch) chỉ là ảo

 Các chuyên gia về mạng cần biết cả hai mô hình này

Khác nhau:

 TCP/IP nhóm chức năng hai lớp Presentation và lớp Session thành một lớp Application.

 TCP/IP nhóm hai lớp Data Link và Physical lại thành một lớp

 TCP/IP đơn giản hơn vì nó có ít lớp hơn

 Các giao thức TCP/IP là các giao thức chuẩn mà Internet đã phát triển, nên mô hình TCP/IP rất đợc tin cậy bởi ngay chính các giao thức của nó Ngợc lại, các mạng tiêu chuẩn không xây dựng dựa trên các giao thức của mô hình OSI, mặc

dù nó đợc sử dụng nh một cuốn sách chỉ dẫn



Hình 2.13: Comparison of the OSI model and the TCP/IP model

Kết luận:

Trong phần 1 này chúng ta đã nghiên cứu về mô hình tham chiếu OSI là một kiến trúc mô tả các chuẩn mạng giúp đạt đợc sự tơng thích và khả năng kết nối giữa rất nhiều chủng loại các công nghệ mạng khác nhau

Đóng gói dữ liệu là quá trình mà dữ liệu nào đã đợc gói với một giao thức

riêng, Header và có thể có Trailer trớc khi nó đợc đa lên mạng Trong thông tin

mạng ngang hàng , mỗi giao thức của lớp trao đổi thông tin đợc gọi là giao thức các

đơn vị dữ liệu (PDUs) với các lớp ngang hàng

Bạn cũng đã nghiên cứu về mô hình TCP/IP và nó đợc so sánh với mô hình OSI nh thế nào Bây giờ chúng ta đã có những kiến thức cơ bản về mô hình OSI và có thể có một cái nhìn sâu hơn về mạng trong phần tiếp theo

Phần 2: Mạng cục bộ (LAN)

Chơng 1:

LAN

Trong phần 2 này, chúng ta sẽ tìm hiểu về các mô hình mạng, các thiết bị cơ

bản của mạng LAN(local area network), các thiết bị mạng nào hoạt động tại mỗi lớp

của mô hình OSI và các gói tin đi qua mỗi thiết bị nh thế nào khi chúng đi qua các lớp của mô hình OSI

1 Các mô hình mạng:

Mô hình định nghĩa cấu trúc của mạng Định nghĩa về mô hình mạng bao gồm hai phần: mô hình vật lý - là cách bố trí thực của dây cáp (phơng tiện thông tin), và mô hình logic - là định nghĩa cho các máy chủ truy cập nh thế nào vào các phơng tiện truyền thông Các mô hình vật lý đang đợc sử dụng phổ biến hiện nay là dạng

kiến trúc mạng đờng trục (Bus), mạng hình sao(Star), mạng vòng(Ring), mạng hình sao mở rộng(Extended Star), và mạng hình lới(Mesh)

M ô h ì n h B u s

M ô h ì n h S t a r

M ô h ì n h R i n g

M ô h ì n h S t a r m ở r ộ n g

M ô h ì n h H i e r a c h i c a l

M ô h ì n h M e s h

Hình 5: Mô hình vật lý của các kiểu cấu trúc mạng LAN

 Mô hình Bus – Sử dụng một đoạn cáp làm trục chính, tất cả các máy tính đều

kết nối trực tiếp vào đây

 Mô hình Ring – Kết nối một máy tính tới máy tiếp theo, và máy tính cuối

cùng đợc kết nối với máy đầu tiên Nh vậy là đã tạo ra đợc một vòng cáp kết nối vật lý

 Mô hình Star – Kết nối tất cả cáp tới một điểm tập trung trung tâm Điểm này thờng sử dụng một Hub hay một Switch.

 Mô hình Extended Star – Sử dụng mô hình Star Nó liên kết các mạng Star riêng lẻ lại với nhau bằng cách kết nối qua Hubs/ Switches, mỗi mạng con đợc

kết nối tới một máy tính chủ để kiểm soát việc thông tin trên mạng

 Mô hình Mesh - Mỗi máy tính đều có các kết nối riêng tới các máy tính khác Một phần của mạng mô hình Mesh có ảnh hởng tới thiết kế của mạng Internet,

bởi vì sẽ có rất nhiều đờng đi tới bất kỳ một máy tính nào