Tổng quan về mạng máy tính và mạng cục bộ

Chương 1: Tổng quan mạng máy tính mạng cục Mạng máy tính 1.1 Giới thiệu mạng máy tính 1.1.1 Lịch sử mạng máy tính Internet bắt nguồn từ đề án ARPANET (Advanced Research Project Agency Network) khởi năm 1969 Bộ Quốc phòng Mỹ (American Department of Defense) Đề án ARPANET với tham gia số trung tâm nghiên cứu, đại học Mỹ (UCLA, Stanford, ) nhằm mục đích thiết kế mạng WAN (Wide Area Network) có khả tự bảo tồn chống lại phá hoại phân mạng chiến tranh nguyên tử Đề án dẫn tới đời nghi thức truyền IP (Internet Protocol) Theo nghi thức này, thông tin truyền đóng thành gói liệu truyền mạng theo nhiều đường khác từ người gửi tới nơi người nhận Một hệ thống máy tính nối mạng gọi Router làm nhiệm vụ tìm đường tối ưu cho gói liệu, tất máy tính mạng tham dự vào việc truyền liệu, nhờ phân mạng bị phá huỷ Router tìm đường khác để truyền thông tin tới người nhận Mạng ARPANET phát triển sử dụng trước hết trường đại học, quan nhà nước Mỹ, đó, trung tâm tính toán lớn, trung tâm truyền vô tuyến điện vệ tinh nối vào mạng, sở này, ARPANET nối với khắp vùng giới Tới năm 1983, trước thành công việc triển khai mạng ARPANET, Bộ quốc phòng Mỹ tách phân mạng giành riêng cho quân đội Mỹ(MILNET) Phần lại, gọi NSFnet, quản lý NSF (National Science Foundation) NSF dùng siêu máy tính để làm Router cho mạng, lập tổ chức không phủ để quản lý mạng, chủ yếu dùng cho đại học nghiên cứu toàn giới Tới năm 1987, NSFnet mở cửa cho cá nhân cho công ty tư nhân (BITnet), tới năm 1988 siêu mạng mang tên INTERNET Tuy nhiên năm 1988, việc sử dụng INTERNET hạn chế dịch vụ truyền mạng (FTP), thư điện tử(E-mail), truy nhập từ xa(TELNET) không thích ứng với nhu cầu kinh tế đời sống hàng ngày INTERNET chủ yếu dùng môi trường nghiên cứu khoa học giảng dạy đại học Trong năm 1988, trung tâm nghiên cứu nguyên tử Pháp CERN(Centre Européen de Recherche Nuclaire) đời đề án Mạng nhện giới WWW(World Wide Web) Đề án này, nhằm xây dựng phương thức sử dụng INTERNET, gọi phương thức Siêu văn (HyperText) Các tài liệu hình ảnh trình bày ngôn ngữ HTML (HyperText Markup Language) phát hành INTERNET qua hệ chủ làm việc với nghi thức HTTP (HyperText Transport Protocol) Từ năm 1992, phương thức làm việc đưa thử nghiêm INTERNET Rất nhanh chóng, công ty tư nhân tìm thấy qua phương thức cách sử dụng INTERNET kinh tế đời sống Vốn đầu tư vào INTERNET nhân lên hàng chục lần Từ năm 1994 INTERNET trở thành siêu mạng kinh doanh Số công ty sử dụng INTERNET vào việc kinh doanh quảng cáo lên gấp hàng nghìn lần kể từ năm 1995 Doanh số giao dịch thương mại qua mạng INTERNET lên hàng chục tỉ USD năm 1996 Với phương thức siêu văn bản, người sử dụng, qua phần mềm truy đọc (Navigator), tìm đọc tất tài liệu siêu văn công bố nơi giới (kể hình ảnh tiếng nói) Với công nghệ WWW, bước vào giai đoạn mà thông tin có bàn làm việc Mỗi công ty người sử dụng, phân phối trang cội nguồn (Home Page) hệ chủ HTTP Trang cội nguồn, siêu văn gốc, để tự tìm tới tất siêu văn khác mà người sử dụng muốn phát hành Địa trang cội nguồn tìm thấy từ khắp nơi giới Vì vậy, xí nghiệp, trang cội nguồn trở thành văn phòng đại diện điện tử INTERNET Từ khắp nơi, khách hàng xem quảng cáo liên hệ trực tiếp với xí nghiệp qua dòng siêu liên (HyperLink) siêu văn Tới năm 1994, điểm yếu INTERNET khả lập trình cục bộ, máy nối vào mạng không đồng không tương thích Thiếu khả này, INTERNET dùng việc phát hành truyền thông tin không dùng để xử lý thông tin Trong năm 1994, hãng máy tính SUN Corporation công bố ngôn ngữ mới, gọi JAVA(cafe), cho phép lập trình cục INTERNET, chương trình JAVA gọi thẳng từ siêu văn qua siêu liên (Applet) Vào mùa thu năm 1995, ngôn ngữ JAVA thức đời, đánh dấu bước tiến quan trọng việc sử dụng INTERNET Trước hết, chương trình JAVA, chạy máy khách (Workstation) máy chủ (server) Điều cho phép sử dụng công suất tất máy khách vào việc xử lý số liệu Hàng triệu máy tính (hoặc vi tính) thực lúc chương trình ghi siêu văn máy chủ Việc lập trình INTERNET cho phép truy nhập từ trang siêu văn vào chương trình xử lý thông tin, đặc biệt chương trình điều hành quản lý thông tin xí nghiệp phương thức làm việc này, gọi INTRANET Chỉ năm 1995-1996, hàng trăm nghìn dịch vụ phần mềm INTRANET phát triển Nhiều hãng máy tính phần mềm Microsoft, SUN, IBM, Oracle, Netscape, phát triển kinh doanh hàng loạt phần mềm hệ thống phần mềm để phát triển ứng dụng INTERNET / INTRANET 1.1.2 Giới thiệu mạng máy tính Mạng máy tính hay hệ thống mạng (tiếng Anh: Computer Network hay Network System), tập hợp máy tính tự hoạt kết nối thông qua phương tiện truyền dẫn để nhằm cho phép chia sẻ tài nguyên: máy in, máy fax, tệp tin, liệu 1.1.3 Định nghĩa mạng mục đích kết nối mạng a Định nghĩa mạng máy tính Mạng máy tính tập hợp máy tính độc lập (autonomous) kết nối với thông qua đường truyền vật lý tuân theo quy ước truyền thông nhằm mục đích chia sẻ tài nguyên máy tính, đó: - Máy tính độc lập máy tính có khả khởi động, vận hành tắt máy mà không cần có điều khiển hay chi phối máy tính khác - Đường truyền vật lý môi trường truyền tín hiệu vật lý (có thể hữu tuyến vô tuyến) - Các quy ước truyền thông sở để máy tính nói chuyện với yếu tố quan trọng hàng đầu nói công nghệ mạng máy tính Các thành phần mạng máy tính bao gồm: - Các thiết bị đầu cuối (end system): Là thiết bị có khả kết nối vào mạng máy tính máy tính, PDA, - Môi trường truyền dẫn (media): Là môi trường mà thao tác truyền thông thực qua Môi trường truyền dẫn loại dây dẫn (dây cáp), sóng điện từ (kết nối không dây) - Giao thức truyền thông (protocol): Là quy tắc, quy định cách trao đổi liệu thiết bị mạng máy tính b Mục đích kết nối mạng máy tính Việc nối máy tính thành mạng từ lâu trở thành nhu cầu khách quan : - Có nhiều công việc chất phân tán thông tin, xử lý hai đòi hỏi có kết hợp truyền thông với xử lý sử dụng phương tiện từ xa - Chia sẻ tài nguyên mạng cho nhiều người sử dụng 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 thời điểm cần có nhiều người sử dụng, truy cập vào sở liệu 1.2 Đặc trưng kỹ thuật mạng máy tính 1.2.1 Đường truyền Là thành tố quan trọng mạng máy tính, phương tiện dùng để truyền tín hiệu điện tử máy tính Các tín hiệu điệu tử thông tin, liệu biểu thị dạng xung nhị phân (ON_OFF), tín hiệu truyền máy tính với thuộc sóng điện từ, tuỳ theo tần số mà ta dùng đường truyền vật lý khác Đặc trưng đường truyền giải thông biểu thị khả truyền tải tín hiệu đường truyền Thông thuờng người ta hay phân loại đường truyền theo hai loại: - Đường truyền hữu tuyến (các máy tính nối với dây cáp mạng) - Đường truyền vô tuyến: máy tính truyền tín hiệu với thông qua sóng vô tuyền với thiết bị điều chế/giải điều chế đầu mút 1.2.2 Kỹ thuật chuyển mạch Là đặc trưng kỹ thuật chuyển tín hiệu nút mạng, nút mạng có chức hướng thông tin tới đích mạng, có kỹ thuật chuyển mạch sau: - Kỹ thuật chuyển mạch kênh: Khi có hai thực thể cần truyền thông với chúng thiết lập kênh cố định trì kết nối hai bên ngắt liên lạc Các liệu truyền theo đường cố định - Kỹ thuật chuyển mạch thông báo: thông báo đơn vị liệu người sử dụng có khuôn dạng quy định trước Mỗi thông báo có chứa thông tin điều khiển rõ đích cần truyền tới thông báo Căn vào thông tin điều khiển mà nút trung gian chuyển thông báo tới nút đường dẫn tới đích thông báo - Kỹ thuật chuyển mạch gói: thông báo chia thành nhiều gói nhỏ gọi gói tin (packet) có khuôn dạng qui định trước Mỗi gói tin chứa thông tin điều khiển, có địa nguồn (người gửi) địa đích (người nhận) gói tin Các gói tin thông báo gởi qua mạng tới đích theo nhiều đường khác 1.2.3 Kiến trúc mạng Kiến trúc mạng máy tính (network architecture) thể cách 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 cho mạng hoạt động tốt Khi nói đến kiến trúc mạng người ta muốn nói tới hai vấn đề hình trạng mạng (Network topology) giao thức mạng (Network protocol) - Network Topology: Cách kết nối máy tính với mặt hình học mà ta gọi tô pô mạng Các hình trạng mạng là: hình sao, hình bus, hình vòng - Network Protocol: Tập hợp quy ước truyền thông thực thể truyền thông mà ta gọi giao thức (hay nghi thức) mạng Các giao thức thường gặp : TCP/IP, NETBIOS, IPX/SPX, 1.2.4 Hệ điều hành mạng Hệ điều hành mạng phần mềm hệ thống có chức sau: - Quản lý tài nguyên hệ thống, tài nguyên gồm: + Tài nguyên thông tin (về phương diện lưu trữ) hay nói cách đơn giản quản lý tệp Các công việc lưu trữ tệp, tìm kiếm, xoá, copy, nhóm, đặt thuộc tính thuộc nhóm công việc + Tài nguyên thiết bị Điều phối việc sử dụng CPU, ngoại vi để tối ưu hoá việc sử dụng - Quản lý người dùng công việc hệ thống Hệ điều hành đảm bảo giao tiếp người sử dụng, chương trình ứng dụng với thiết bị hệ thống - Cung cấp tiện ích cho việc khai thác hệ thống thuận lợi (ví dụ FORMAT đĩa, chép tệp thư mục, in ấn chung ) Các hệ điều hành mạng thông dụng hệ điều hành Microsoft, Unix, Linus, Novell, 1.3 Phân loại mạng máy tính Có nhiều cách phân loại mạng khác tuỳ thuộc vào yếu tố chọn dùng để làm tiêu phân loại, thông thường người ta phân loại mạng theo tiêu chí sau: - Khoảng cách địa lý mạng - Kỹ thuật chuyển mạch mà mạng áp dụng - Hệ điều hành mạng sử dụng - Kiến trúc mạng Tuy nhiên thực tế nguời ta thường phân loại theo hai tiêu chí 1.3.1 Phân loại theo khoảng cách địa lý Nếu lấy khoảng cách địa lý làm yếu tố phân loại mạng ta có mạng cục bộ, mạng đô thị, mạng diện rộng, mạng toàn cầu - Mạng cục (LAN - Local Area Network): mạng cài đặt phạm vi tương đối nhỏ hẹp nhà, xí nghiệp với khoảng cách lớn máy tính mạng vòng vài km trở lại - Mạng đô thị (MAN - Metropolitan Area Network): mạng cài đặt phạm vi đô thị, trung tâm văn hoá xã hội, có bán kính tối đa khoảng 100 km trở lại - Mạng diện rộng (WAN - Wide Area Network): mạng có diện tích bao phủ rộng lớn, phạm vi mạng vượt biên giới quốc gia chí lục địa - Mạng toàn cầu (GAN - Global Area Network): mạng có phạm vi trải rộng toàn cầu 1.3.2 Phân loại theo kỹ thuật chuyển mạch Nếu lấy kỹ thuật chuyển mạch làm yếu tố để phân loại có: mạng chuyển mạch kênh, mạng chuyển mạch thông báo mạng chuyển mạch gói - M ạng chuyển mạch kênh (circuit switched network): Khi có hai thực thể cần truyền thông với chúng thiết lập kênh cố định trì kết nối hai bên ngắt liên lạc Các liệu truyền theo đường cố định Nhược điểm chuyển mạch kênh tiêu tốn thời gian để thiết lập kênh truyền cố định hiệu suất sử dụng mạng không cao - M ạng chuyển mạch thông báo (message switched network): Thông báo đơn vị liệu người sử dụng có khuôn dạng quy định trước Mỗi thông báo có chứa thông tin điều khiển rõ đích cần truyền tới thông báo Căn vào thông tin điều khiển mà nút trung gian chuyển thông báo tới nút đường dẫn tới đích thông báo Như nút cần phải lưu giữ tạm thời để đọc thông tin điều khiển thông báo, thấy thông báo không gửi cho tiếp tục chuyển tiếp thông báo Tuỳ vào điều kiện mạng mà thông báo chuyển theo nhiều đường khác Ưu điểm phương pháp là: + Hiệu suất sử dụng đường truyền cao không bị chiếm dụng độc quyền mà phân chia nhiều thực thể truyền thông + Mỗi nút mạng lưu trữ thông tin tạm thời sau chuyển thông báo đi, điều chỉnh để làm giảm tình trạng tắc nghẽn mạng + Có thể điều khiển việc truyền tin cách xếp độ ưu tiên cho thông báo + Có thể tăng hiệu suất sử dụng giải thông mạng cách gắn địa quảng bá (broadcast addressing) để gửi thông báo đồng thời tới nhiều đích Nhược điểm phương pháp là: Không hạn chế kích thước thông báo dẫn đến phí tổn lưu giữ tạm thời cao ảnh hưởng đến thời gian trả lời yêu cầu trạm - M ạng chuyển mạch gói (packet switched network): Ở thông báo chia thành nhiều gói nhỏ gọi gói tin (packet) có khuôn dạng qui định trước Mỗi gói tin chứa thông tin điều khiển, có địa nguồn (người gửi) địa đích (người nhận) gói tin Các gói tin thông báo gởi qua mạng tới đích theo nhiều đường khác Phương pháp chuyển mạch thông báo chuyển mạch gói gần giống Điểm khác biệt gói tin giới hạn kích thước tối đa cho nút mạng (các nút chuyển mạch) xử lý toàn gói tin nhớ mà lưu giữ tạm thời đĩa Bởi nên mạng chuyển mạch gói truyền liệu hiệu so với mạng chuyển mạch thông báo Tích hợp hai kỹ thuật chuyển mạch kênh chuyển mạch gói vào mạng thống mạng tích hợp số ISDN (Integated Services Digital Network) 1.3.3 Phân loại theo kiến trúc mạng sử dụng Kiến trúc mạng bao gồm hai vấn đề: hình trạng mạng (Network topology) giao thức mạng (Network protocol) - Hình trạng mạng: Cách kết nối máy tính với mặt hình học mà ta gọi tô pô mạng - Giao thức mạng: Tập hợp quy ước truyền thông thực thể truyền thông mà ta gọi giao thức (hay nghi thức) 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 không phổ biến áp dụng cho mạng cục 1.3.4 Phân loại theo hệ điều hành mạng Nếu phân loại theo hệ điều hành mạng người ta chia theo mô hình mạng ngang hàng, mạng khách/chủ phân loại theo tên hệ điều hành mà mạng sử dụng: Windows NT, Unix, Novell 1.4 Giới thiệu mạng máy tính thông dụng 1.4.1 M ạng cục Một mạng cục (LAN - Local Area Network) kết nối nhóm máy tính thiết bị kết nối mạng lắp đặt phạm vị địa lý giới hạn, thường nhà khu công sở Mạng cục có đặc tính sau: - Tốc độ truyền liệu cao - Phạm vi địa lý giới hạn - Sở hữu quan/tổ chức 1.4.2 M ạng diện rộng kết nối LAN TO LAN Mạng diện rộng (WAN - Wide Area Network) kết nối mạng LAN, mạng diện rộng trải phạm vi vùng, quốc gia lục địa chí phạm vi toàn cầu - Tốc độ truyền liệu không cao - Phạm vi địa lý không giới hạn - Thường triển khai dựa vào công ty truyền thông, bưu điện dùng hệ thống truyền thông để tạo dựng đường truyền - Một mạng WAN sở hữu tập đoàn/tổ chức mạng kết nối nhiều tập đoàn/tổ chức LAN WAN Link LAN LAN Hình 1.1 Kết nối LAN to LAN 1.4.3 Liên mạng Internet Với phát triển nhanh chóng công nghệ đời liên mạng INTERNET, là: - Là mạng toàn cầu - Là kết hợp vô số hệ thống truyền thông, máy chủ cung cấp thông tin dịch vụ, máy trạm khai thác thông tin - Dựa nhiều tảng truyền thông khác nhau, giao thức TCP/IP - Là sở hữu chung toàn nhân loại - Càng ngày phát triển mãnh liệt 1.4.4 M ạng Intranet Thực mạng INTERNET thu nhỏ vào quan/công ty/tổ chức hay bộ/ngành, , giới hạn phạm vi người sử dụng, có sử dụng công nghệ kiểm soát truy cập bảo mật thông tin Được phát triển từ mạng LAN, WAN dùng công nghệ INTERNET 1.5 M ạng cục kiến trúc mạng cục 1.5.1 M ạng cục Tên gọi “mạng cục bộ” xem xét từ quy mô mạng Tuy nhiên, đặc tính mạng cục thực tế, quy mô mạng định nhiều đặc tính công nghệ mạng Sau số đặc điểm mạng cục bộ: - Mạng cục có quy mô nhỏ, thường bán kính vài km Đặc điểm cho phép không cần dùng thiết bị dẫn đường với mối liên hệ phức tạp - Mạng cục thường sở hữu tổ chức Điều dường quan trọng thực tế điều quan trọng để việc quản lý mạng có hiệu - Mạng cục có tốc độ cao lỗi Trên mạng rộng tốc độ nói chung đạt vài Kbit/s Còn tốc độ thông thường mạng cục 10, 100 Kb/s tới với Gigabit Ethernet, tốc độ mạng cục đạt 1Gb/s Xác suất lỗi thấp 1.5.2 Kiến trúc mạng cục a Mạng hình Mạng hình có tất trạm kết nối với thiết bị trung tâm có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ trạm chuyển đến trạm đích Tuỳ theo yêu cầu truyền thông mạng mà thiết bị trung tâm chuyển mạch (switch), chọn đường (router) phân kênh (hub) Vai trò thiết bị trung tâm thực việc thiết lập liên kết điểm-điểm (point-to-point) trạm Ưu điểm: Thiết lập mạng đơn giản, dễ dàng cấu hình lại mạng (thêm, bớt trạm), dễ dàng kiểm soát khắc phục cố, tận dụng tối đa tốc độ truyền đường truyền vật lý Nhược điểm: Độ dài đường truyền nối trạm với thiết bị trung tâm bị hạn chế (trong vòng 100m, với công nghệ nay) Hình 1.2 Kết nối hình b M ạng trục tuyến tính (Bus) Trong mạng trục tất trạm phân chia đường truyền chung (bus) Đường truyền giới hạn hai đầu hai đầu nối đặc biệt gọi terminator Mỗi trạm nối với trục qua đầu nối chữ T (T-connector) thiết bị thu phát (transceiver) Khi trạm truyền liệu tín hiệu quảng bá hai chiều bus, tức trạm lại thu tín hiệu trực tiếp Đối với bus chiều tín hiệu phía, lúc terminator phải thiết kế cho tín hiệu phải dội lại bus trạm mạng thu nhận tín hiệu Như với topo mạng trục liệu truyền theo liên kết điểm-đa điểm (point-to-multipoint) hay quảng bá (broadcast) Hình 1.3 Kết nối trục tuyến tính - Ưu điểm: Chi phí thấp, dễ thiết kế - Nhược điểm: Tính ổn định nút mạng hỏng toàn mạng bị ngừng hoạt động c M ạng hình vòng Hình 1.4 Kết nối vòng Trên mạng hình vòng tín hiệu truyền vòng theo chiều Mỗi trạm mạng nối với vòng qua chuyển tiếp (repeater) có nhiệm vụ nhận tín hiệu chuyển tiếp đến trạm vòng Ví dụ 128.4.70.9 địa IP Do tổ chức độ lớn mạng liên mạng khác nhau, người ta chia địa IP thành lớp ký hiệu A,B,C, D, E với cấu trúc xác định: Hình 2.3 Cách xác định địa IP Các bit byte dùng để định danh lớp địa (0-lớp A; 10 lớp B; 110 lớp C; 1110 lớp D; 11110 lớp E) - Lớp A cho phép định danh tới 126 mạng (sử dụng byte đầu tiên), với tối đa 16 triệu host (3 byte lại, 24 bits) cho mạng Lớp dùng cho mạng có số trạm cực lớn Tại lại có 126 mạng dùng bits? Lí đầu tiên, 127.x (01111111) dùng cho địa loopback, thứ bit byte 0, 1111111(127) Dạng địa lớp A (network number host.host.host) Nếu dùng ký pháp thập phân cho phép đến 126 cho vùng đầu, đến 255 cho vùng lại - Lớp B cho phép định danh tới 16384 mạng (10111111.11111111.host.host), với tối đa 65535 host mạng Dạng lớp B: Nếu dùng ký pháp thập phân cho phép 128 đến 191 cho vùng đầu, đến 255 cho vùng lại - Lớp C cho phép định danh tới 2.097.150 mạng tối đa 254 host cho mạng Lớp dùng cho mạng có trạm Lớp C sử dụng bytes đầu định danh địa mạng (110xxxxx) Dạng lớp C: Nếu dùng dạng ký pháp thập phân cho phép 129 đến 233 cho vùng đầu từ đến 255 cho vùng lại - Lớp D dùng để gửi IP datagram tới nhóm host mạng Tất số lớn 233 trường đầu thuộc lớp D - Lớp E dự phòng để dùng tương lai Như địa mạng cho lớp: A: từ đến 126 cho vùng đầu tiên, 127 dùng cho địa loopback, B từ 128.1.0.0 đến 191.255.0.0, C từ 192.1.0.0 đến 233.255.255.0 Ví dụ: 192.1.1.1 địa lớp C có địa mạng 192.1.1.0, địa host 200.6.5.4 địa lớp C có địa mạng 200.6.5, địa mạng 150.150.5.6 địa lớp B có địa mạng 150.150.0.0, địa host 5.6 9.6.7.8 địa lớp A có địa mạng 9.0.0.0, địa host 6.7.8 128.1.0.1 địa lớp B có địa mạng 128.1.0.0, địa host 0.1 Subneting: Trong nhiều trường hợp, mạng chia thành nhiều mạng (subnet), lúc đưa thêm vùng subnetid để định danh mạng Vùng subnetid lấy từ vùng hostid, cụ thể đốivới lớp A, B, C sau: Hình 2.4 Bổ sung vùng SubnetID Ví dụ: 17.1.1.1 địa lớp A có địa mạng 17, địa subnet 1, địa host 1.1 129.1.1.1 địa lớp B có địa mạng 129.1, địa subnet 1, địa host 1.3 Cấu trúc gói liệu IP IP giao thức cung cấp dịch vụ truyền thông theo kiểu “không liên kết” (connectionless) Phương thức không liên kết cho phép cặp trạm truyền nhận không cần phải thiết lập liên kết trước truyền liệu không cần phải giải phóng liên kết không nhu cầu truyền liệu Phương thức kết nối "không liên kết" cho phép thiết kế thực giao thức trao đổi liệu đơn giản (không có chế phát khắc phục lỗi truyền) Cũng độ tin cậy trao đổi liệu loại giao thức không cao Các gói liệu IP định nghĩa datagram Mỗi datagram có phần tiêu đề (header) chứa thông tin cần thiết để chuyển liệu (ví dụ địa IP trạm đích) Nếu địa IP đích địa trạm nằm mạng IP với trạm nguồn gói liệu chuyển thẳng tới đích; địa IP đích không nằm mạng IP với máy nguồn gói liệu gửi đến máy trung chuyển, IP gateway để chuyển tiếp IP gateway thiết bị mạng IP đảm nhận việc lưu chuyển gói liệu IP hai mạng IP khác Có thể mô tả cấu trúc gói liệu IP gồm thành phần: Hình 2.5 Cấu trúc gói liệu TCP/IP Trong đó: - VER (4 bits): Chỉ Version hành IP cài đặt - HLEN (4 bits): Chỉ độ dài phần tiêu đề (Internet Header Length) datagram, tính theo đơn vị word (32 bits) Nếu trường độ dài mặc định phần tiêu đề từ - Type of service (8 bits): cho biết thông tin loại dịch vụ mức ưu tiên gói IP, có dạng cụ thể sau: Trong đó: Precedence (3 bits): thị quyền ưu tiên gửi datagram, cụ thể là: 111 Network Control (cao nhất) 011- flash 110 Internetwork Control 101 CRITIC/ECP 100 Flas Override D - Delay (1 bit) : độ trễ yêu cầu D = độ trễ bình thường 010 Immediate 001 Priority 000 Routine (thấp nhất) D = độ trễ thấp T - Throughput (1 bit): số thông lượng yêu cầu T = thông lượng bình thường T = thông lượng cao R - Reliability (1 bit): độ tin cậy yêu cầu R = độ tin cậy bình thường R = độ tin cậy cao - Total Length (16 bits): độ dài toàn datagram, kể phần header (tính theo đơn vị bytes), vùng liệu datagram dài tới 65535 bytes - Identification (16 bits): với tham số khác (Source Address Destination Address) tham số dùng để định danh cho datagram khoảng thời gian liên mạng - Flags (3 bits): Liên quan đến phân đoạn (fragment) datagram Cụ thể Bit 0: reserved chưa sử dụng lấy giá trị Bit 1: (DF) = (may fragment) (Don’t Fragment) Bit 2: (MF) = (Last Fragment) (More Fragment) - Fragment Offset (13 bits): Chỉ vị trí đoạn (fragment) datagram, tính theo đơn vị 64 bits, có nghĩa đoạn (trừ đoạn cuối cùng) phải chứa vùng liệu có độ dài bội 64 bits - Time To Live (TTL-8 bits): Quy định thời gian tồn gói liệu liên mạng để tránh tình trạng datagram bị quẩn mạng Giá trị đặt lúc bắt đầu gửi giảm dần gói liệu xử lý điểm đường gói liệu (thực chất router) Nếu giá trị trước đến đích, gói liệu bị huỷ bỏ - Protocol (8 bits): Chỉ giao thức tầng nhận vùng liệu trạm đích (hiện thường TCP UDP cài đặt IP) - Header checksum (16 bits): Mã kiểm soát lỗi sử dụng phương pháp CRC (Cyclic Redundancy Check) dùng để đảm bảo thông tin gói liệu truyền cách xác (mặc dù liệu bị lỗi) Nếu việc kiểm tra thất bại, gói liệu bị huỷ bỏ nơi xác định lỗi Cần ý IP không cung cấp phương tiện truyền tin cậy không cung cấp cho ta chế để xác nhận liệu truyền điểm nhận điểm trung gian Giao thức IP chế Error Control cho liệu truyền đi, chế kiểm soát luồng liệu (flow control) - Source Address (32 bits): Địa trạm nguồn - Destination Address (32 bits): Địa trạm đích - Option (có độ dài thay đổi) sử dụng số trường hợp, thực tế chúng dùng Option bao gồm bảo mật, chức định tuyến đặc biệt - Padding (độ dài thay đổi): vùng đệm, dùng để đảm bảo cho phần header kết thúc mốc 32 bits - Data (độ dài thay đổi): vùng liệu có độ dài bội bits, tối đa 65535 bytes 1.4 Phân mảnh hợp gói IP Các gói liệu IP phải nhúng khung liệu tầng liên kết liệu tương ứng, trước chuyển tiếp mạng Quá trình nhận gói liệu IP diễn ngược lại Ví dụ, với mạng Ethernet tầng liên kết liệu trình chuyển gói liệu diễn sau Khi gửi gói liệu IP cho mức Ethernet, IP chuyển cho mức liên kết liệu thông số địa Ethernet đích, kiểu khung Ethernet (chỉ liệu mà Ethernet mang IP) cuối gói IP Tầng liên kết số liệu đặt địa Ethernet nguồn địa kết nối mạng tính toán giá trị checksum Trường type kiểu khung 0x0800 liệu IP Mức liên kết liệu chuyển khung liệu theo thuật toán truy nhập Ethernet Một gói liệu IP có độ dài tối đa 65536 byte, hầu hết tầng liên kết liệu hỗ trợ khung liệu nhỏ độ lớn tối đa gói liệu IP nhiều lần (ví dụ độ dài lớn khung liệu Ethernet 1500 byte) Vì cần thiết phải có chế phân mảnh phát hợp thu gói liệu IP Hình 2.6 Nguyên tắc phân mảnh gói liệu IP Độ dài tối đa gói liệu liên kết MTU (Maximum Transmit Unit) Khi cần chuyển gói liệu IP có độ dài lớn MTU mạng cụ thể, cần phải chia gói số liệu IP thành gói IP nhỏ để độ dài nhỏ MTU gọi chung mảnh (fragment) Trong phần tiêu đề gói liệu IP có thông tin phân mảnh xác định mảnh có quan hệ phụ thuộc để hợp thành sau Ví dụ: Ethernet hỗ trợ khung có độ dài tối đa 1500 byte Nếu muốn gửi gói liệu IP gồm 2000 byte qua Ethernet, phải chia thành hai gói nhỏ hơn, gói không giới hạn MTU Ethernet (Hình 2.6) P dùng cờ MF (3 bit thấp trường Flags phần đầu gói IP) trường Flagment offset gói IP (đã bị phân đoạn) để định danh gói IP phân đoạn vị trí phân đoạn gói IP gốc Các gói chuỗi phân mảnh có trường giống Cờ MF gói đầu chuỗi phân mảnh gói cuối gói phân mảnh Quá trình hợp diễn ngược lại với trình phân mảnh Khi IP nhận gói phân mảnh, giữ phân mảnh vùng đệm, nhận hết gói IP chuỗi phân mảnh có trường định danh Khi phân mảnh nhận, IP khởi động đếm thời gian (giá trị ngầm định 15s) IP phải nhận hết phân mảnh trước đồng hồ tắt Nếu không IP phải huỷ tất phân mảnh hàng đợi thời có trường định danh Khi IP nhận hết phân mảnh, thực hợp gói phân mảnh thành gói IP gốc sau xử lý gói IP bình thường IP thường thực hợp gói hệ thống đích gói 1.5 Định tuyến IP Có hai loại định tuyến: - Định tuyến trực tiếp: Định tuyến trực tiếp việc xác định đường nối hai trạm làm việc mạng vật lý - Định tuyến không trực tiếp Định tuyến không trực tiếp việc xác định đường nối hai trạm làm việc không nằm mạng vật lý vậy, việc truyền tin chúng phải thực thông qua trạm trung gian gateway Để kiểm tra xem trạm đích có nằm mạng vật lý với trạm nguồn hay không, người gửi phải tách lấy phần địa mạng phần địa IP Nếu hai địa có địa mạng giống datagram truyền trực tiếp; ngược lại phải xác định gateway, thông qua gateway chuyển tiếp datagram Khi trạm muốn gửi gói liệu đến trạm khác phải đóng gói datagram vào khung (frame) gửi frame đến gateway gần Khi frame đến gateway, phần datagram đóng gói tách IP routing chọn gateway tiếp dọc theo đường dẫn đến đích Datagram sau lại đóng gói vào frame khác gửi đến mạng vật lý để gửi đến gateway đường truyền tiếp tục datagram truyền đến trạm đích Chiến lược định tuyến: Trong thuật ngữ truyền thống TCP/IP có hai kiểu thiết bị, cổng truyền (gateway) trạm (host) Các cổng truyền có vai trò gửi gói liệu, trạm không Tuy nhiên trạm nối với nhiều mạng định hướng cho việc lưu chuyển gói liệu mạng lúc đóng vai trò hoàn toàn gateway Các trạm làm việc lưu chuyển gói liệu xuyên suốt qua bốn lớp, cổng truyền chuyển gói đến lớp Internet nơi định tuyến đường để chuyển tiếp gói liệu Các máy truyền liệu đến máy khác nằm mạng vật lý Các gói từ A1 cần chuyển cho C1 hướng đến gateway G1 G2 Trạm A1 truyền gói đến gateway G1 thông qua mạng A Sau G1 truyền tiếp đến G2 thông qua mạng B cuối G2 truyền gói trực tiếp đến trạm C1, chúng nối trực tiếp với thông qua mạng C Trạm A1 đến gateway nằm sau G1 A1 gửi gói số liệu cho mạng B C đến gateway cục G1 dựa vào gateway để định hướng tiếp cho gói liệu đến đích Theo cách trạm C1 trước tiên gửi gói đến cho G2 G2 gửi tiếp cho trạm mạng A mạng B Hình vẽ sau mô tả việc dùng gateway để gửi gói liệu: Hình 2.7 Định tuyến hệ thống Việc phân mảnh gói liệu: Trong trình truyền liệu, gói liệu (datagram) truyền thông qua nhiều mạng khác Một gói liệu (datagram) nhận từ mạng lớn để truyền gói đơn mạng khác, loại cấu trúc mạng cho phép đơn vị truyền cực đại (Maximum Transmit Unit - MTU), khác Đây kích thước lớn gói mà chúng truyền Nếu gói liệu nhận từ mạng mà lớn MTU mạng khác cần phân mảnh thành gói nhỏ hơn, gọi fragment Quá trình gọi trình phân mảnh Dạng fragment giống dạng gói liệu thông thường Từ thứ hai phần header chứa thông tin để xác định fragment cung cấp thông tin để hợp fragment lại thành gói ban đầu Trường identification dùng để xác định fragment thuộc gói liệu Một số giao thức điều khiển 2.1 Giao thức ICMP ICMP ((Internet Control Message Protocol) giao thức điều khiển mức IP, dùng để trao đổi thông tin điều khiển dòng số liệu, thông báo lỗi thông tin trạng thái khác giao thức TCP/IP Ví dụ: - Điều khiển lưu lượng liệu (Flow control): gói liệu đến nhanh, thiết bị đích thiết bị định tuyến gửi thông điệp ICMP trở lại thiết bị gửi, yêu cầu thiết bị gửi tạm thời ngừng việc gửi liệu - Thông báo lỗi: trường hợp địa đích không tới hệ thống gửi thông báo lỗi "Destination Unreachable" - Định hướng lại tuyến đường: thiết bị định tuyến gửi thông điệp ICMP "định tuyến lại" (Redirect Router) để thông báo với trạm nên dùng thiết bị định tuyến khác để tới thiết bị đích Thông điệp dùng trạm nguồn mạng với hai thiết bị định tuyến - Kiểm tra trạm xa: Một trạm gửi thông điệp ICMP "Echo" để kiểm tra xem trạm có hoạt động hay không Sau mô tả ứng dụng giao thức ICMP thực việc định tuyến lại (Redirect): Hình 2.8 Định tuyến giao thức ICMP Ví dụ: Giả sử host gửi gói liệu IP tới Router R1 Router R1 thực việc định tuyến R1 router mặc định host R1 nhận gói liệu tìm bảng định tuyến tìm thấy tuyến tới R2 Khi R1 gửi gói liệu tới R2 R1 phát gửi gói liệu giao diện mà gói liệu đến (là giao diện mạng LAN mà host hai Router nối đến) Lúc R1 gửi thông báo ICMP Redirect Error tới host, thông báo cho host nên gửi gói liệu đến R2 tốt Tác dụng ICMP Redirect mọt host với nhận biết tối thiểu định tuyến xây dựng lên bảng định tuyến tốt theo thời gian Host bắt đầu với tuyến mặc định (có thể R1 R2 ví dụ trên) lần tuyến mặc định dùng với host đến R2 Router mặc định gửi thông báo Redirect phép host cập nhật bảng định tuyến cách phù hợp Khuôn dạng thông điệp ICMP redirect sau: Hình 2.9 Dạng thông điệp ICMP direct Có bốn loại thông báo ICMP redirect khác với giá trị mã (code) bảng sau: Hình 2.10 Bảng loại định hướng lại gói liệu ICMP Redirect xảy hai Router R1 R2 nằm mạng với host nhận direct 2.2 Giao thức ARP giao thức RARP Địa IP dùng để định danh host mạng tầng mạng mô hình OSI, chúng địa vật lý (hay địa MAC) trạm mạng cục (Ethernet, Token Ring, ) Trên mạng cục hai trạm liên lạc với chúng biết địa vật lý Như vấn đề đặt phải thực ánh xạ địa IP (32 bits) địa vật lý (48 bits) trạm Giao thức ARP (Address Resolution Protocol) xây dựng để chuyển đổi từ địa IP sang địa vật lý cần thiết Ngược lại, giao thức RARP (Reverse Address Resolution Protocol) dùng để chuyển đổi địa vật lý sang địa IP Các giao thức ARP RARP phận IP mà IP dùng đến chúng cần a Giao thức ARP Giao thức TCP/IP sử dụng ARP để tìm địa vật lý trạm đích Ví dụ cần gửi gói liệu IP cho hệ thống khác mạng vật lý Ethernet, hệ thông gửi cần biết địa Ethernet hệ thống đích để tầng liên kết liệu xây dựng khung gói liệu Thông thường, hệ thống lưu giữ cập nhật bảng thích ứng địa IP-MAC chỗ (còn gọi bảng ARP cache) Bảng thích ứng địa cập nhật người quản trị hệ thống tự động giao thức ARP sau lần ánh xạ địa thích ứng Khuôn dạng gói liệu ARP mô tả hình: Hình 2.11 Mô tả khuôn dạng gói ARP Trong đó: - Data link type: cho biết loại công nghệ mạng mức liên kết (ví dụ mạng Ethernet trường có giá trị 01) - Network type: cho biết loại mạng (ví dụ mạng IPv4, trường có giá trị 080016) - Hlen (hardware length): độ dài địa mức liên kết (6 byte) - Plen (Protocol length): cho biết độ dài địa mạng (4 byte) - Opcode (operation code): mã lệnh yêu cầu: ; mã lệnh trả lời - Sender data link: địa mức liên kết thiết bị phát gói liệu - Sender network : địa IP thiết bị phát - Tagret data link: yêu cầu địa mức liên kết cần tìm (thông thường điền thiết bị gửi yêu cầu); trả lời địa mức liên kết thiết bị gửi yêu cầu - Tagret network : yêu cầu địa IP mà địa mức liên kết tương ứng cần tìm; trả lời địa IP thiết bị gửi yêu cầu Mỗi cần tìm thích ứng địa IP - MAC, tìm địa MAC tương ứng với địa IP trước tiên bảng địa IP - MAC hệ thống Nếu không tìm thấy, sử dụng giao thức ARP để làm việc Trạm làm việc gửi yêu cầu ARP (ARP_Request) tìm thích ứng địa IP-MAC đến máy phục vụ ARP - server Máy phục vụ ARP tìm bảng thích ứng địa IP MAC trả lời ARP_Response cho trạm làm việc Nếu không, máy phục vụ chuyển tiếp yêu cầu nhận dạng quảng bá cho tất trạm làm việc mạng Trạm có trùng địa IP yêu cầu trả lời với địa MAC Tóm lại tiến trình ARP mô tả sau: Hình 2.12 Tiến trình ARP Trong đó: IP yêu cầu địa MAC Tìm kiếm bảng ARP Nếu tìm thấy trả lại địa MAC Nếu không tìm thấy, tạo gói ARP yêu cầu gửi tới tất trạm Tuỳ theo gói liệu trả lời, ARP cập nhật vào bảng ARP gửi địa MAC cho IP b Giao thức RARP Giao thức RAPP hay Reverse ARP (Reverse Address Resolution Protocol) giao thức giải thích ứng địa AMC - IP Quá trình ngược lại với trình giải thích ứng địa IP - MAC mô tả trên, nghĩa cho trước địa mức liên kết, tìm địa IP tương ứng 2.3 Giao thức lớp truyền tải - Transport Layer 2.3.1 Giao thức TCP Giao thức TCP (Transmission Control Protocol) giao thức “có liên kết” (connection - oriented), nghĩa cần thiết lập liên kết (logic), cặp thực thể TCP trước chúng trao đổi liệu với Giao thức TCP cung cấp khả truyền liệu cách an toàn máy trạm hệ thống mạng Nó cung cấp thêm chức nhằm kiểm tra tính xác liệu đến bao gồm việc gửi lại liệu có lỗi xảy Giao thức TCP cung cấp chức sau: Thiết lập, trì, kết thúc liên kết hai trình Phân phát gói tin cách tin cậy Đánh số thứ tự (sequencing) gói liệu nhằm truyền liệu cách tin cậy Cho phép điều khiển lỗi Cung cấp khả đa kết nối với trình khác trạm nguồn trạm đích định thông qua việc sử dụng cổng Truyền liệu sử dụng chế song công (full-duplex) 2.3.2 Cấu trúc gói liệu TCP Một gói liệu TCP (TCP segment) mô tả bao gồm thành phần: - Source port (16 bits): Số hiệu cổng trạm nguồn - Destination port (16 bits): Số hiệu cổng trạm đích - Sequence Number (32 bits): Số hiệu byte segment trừ bit SYN thiết lập Nếu bit SYN thiết lập Sequence Number số hiệu khởi đầu (ISN) byte liệu ISN +1 - Acknowlegment: Vị trí tương đối byte cuối nhận thực thể gửi gói ACK cộng thêm Giá trị trường gọi số thu Trường kiểm tra bit ACK=1 Hình 2.13 Khuôn dạng TCP segment - Data offset (4 bits): Số tượng từ 32 bit TCP header Tham số vị trí bắt đầu vùng liệu - Reserved (6 bits): Dành để dùng tương lai Phải thiết lập - Control bits: Các bit điều khiển - URG: Vùng trỏ khẩn (Urgent Pointer) có hiệu lực - ACK: Vùng báo nhận (ACK number) có hiệu lực - PSH: Chức Push PSH=1 thực thể nhận phải chuyển liệu cho ứng dụng tức thời - RST: Thiết lập lại (reset) kết nối - SYN: Đồng hoá số hiệu tuần tự, dùng để thiết lập kết nối TCP - FIN: thông báo thực thể gửi kết thúc gửi liệu - Window (16 bits): cấp phát credit để kiểm soát luồng liệu (cơ chế sổ) Đây số lượng byte liệu, byte vùng ACK number, mà trạm nguồn sẵn sàng để nhận - Checksum (16 bits): Mã kiểm soát lỗi (theo phương pháp CRC) cho toàn segment (header + data) - Urgent pointer (16 bits): Con trỏ trỏ tới số hiệu byte theo sau liệu khẩn, cho phép bên nhận biết độ dài liệu khẩn Vùng có hiệu lực bit URG thiết lập - Options (độ dài thay đổi): Khai báo option TCP, có độ dài tối đa vùng TCP data segment - Padding (độ dài thay đổi) : phần chèn thêm vào header để bảo đảm phần header kết thúc mốc 32 bits Phần thêm gồm toàn số - TCP data (độ dài thay đổi) : chứa liệu tầng trên, có độ dài tối đa ngầm định 536 bytes Giá trị điều chỉnh cách khai báo vùng options Một tiến trình ứng dụng host truy nhập vào dịch vụ TCP cung cấp thông qua cổng (port) sau: Một cổng kết hợp với địa IP tạo thành socket liên mạng TCP cung cấp nhờ liên kết logic cặp socket Một socket tham gia nhiều liên kết với socket xa khác Trước truyền liệu hai trạm cần phải thiết lập liên kết TCP chúng kết thúc phiên truyền liệu liên kết giải phóng Cũng giống giao thức khác, thực thể tầng sử dụng TCP thông qua hàm dịch vụ nguyên thuỷ (service primitives), hay gọi lời gọi hàm (function call) Hình 2.14 Cổng truy nhập dịch vụ TCP 2.3.3 Thiết lập kết thúc kết nối TCP a Thiết lập kết nối Thiết lập kết nối TCP thực sở phương thức bắt tay ba bước (Tree way Handsake) hình 2.11 Yêu cầu kết nối tiến trình trạm khởi tạo, cách gửi gói TCP với cờ SYN=1 chứa giá trị khởi tạo số ISN client Giá trị ISN số byte không dấu tăng kết nối yêu cầu (giá trị quay tới giá trị 232) Trong thông điệp SYN chứa số hiệu cổng TCP phần mềm dịch vụ mà tiến trình trạm muốn kết nối (bước 1) Mỗi thực thể kết nối TCP có giá trị ISN số tăng theo thời gian Vì kết nối TCP có số hiệu cổng địa IP dùng lại nhiều lần, việc thay đổi giá trị INS ngăn không cho kết nối dùng lại liệu cũ (stale) truyền từ kết nối cũ có địa kết nối Khi thực thể TCP phần mềm dịch vụ nhận thông điệp SYN, gửi lại gói SYN giá trị ISN đặt cờ ACK=1 trường hợp sẵn sàng nhận kết nối Thông điệp chứa giá trị ISN tiến trình trạm trường hợp số thu để báo thực thể dịch vụ nhận giá trị ISN tiến trình trạm (bước 2) Tiến trình trạm trả lời lại gói SYN thực thể dịch vụ thông báo trả lời ACK cuối Bằng cách này, thực thể TCP trao đổi cách tin cậy giá trị ISN bắt đầu trao đổi liệu Không có thông điệp ba bước chứa liệu gì; tất thông tin trao đổi nằm phần tiêu đề thông điệp TCP (bước 3) Hình 2.15 Quá trình kết nối theo bước b Kết thúc kết nối Khi có nhu cầu kết thúc kết nối, thực thể TCP, ví dụ cụ thể A gửi yêu cầu kết thúc kết nối với FIN=1 Vì kết nối TCP song công (full-duplex) nên nhận yêu cầu kết thúc kết nối A (A thông báo hết số liệu gửi) thực thể B tiếp tục truyền số liệu B không số liệu để gửi thông báo cho A yêu cầu kết thúc kết nối với FIN=1 Khi thực thể TCP nhận thông điệp FIN sau gửi thông điệp FIN mình, kết nối TCP thực kết thúc