Bài giảng nhập môn mạng máy tính

GIÁO TRÌNH MẠNG MÁY TÍNH Ths Đào Ngọc Tú MỤC LỤC MỤC LỤC .1 CHƯƠNG NHẬP MƠN MẠNG MÁY TÍNH 1.1 MỞ ĐẦU 1.2 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN .5 1.2.1 Lịch sử phát triển 1.2.2 Các yếu tố mạng máy tính 1.2.2.1 Đường truyền vật lý .8 1.2.2.2 Kiến trúc mạng máy tính .9 1.2.3 Phân loại mạng máy tính 11 1.2.3.1 Theo khoảng cách địa lý 11 1.2.3.2 Dựa theo kỹ thuật chuyển mạch 11 1.2.3.3 Phân loại theo kiến trúc mạng 14 1.3 KIẾN TRÚC PHÂN TẦNG VÀ MƠ HÌNH OSI 14 1.3.1 Kiến trúc phân tầng .14 1.3.2 Một số khái niệm 15 1.3.3 Mơ hình OSI .16 1.3.3.1 Giới thiệu .16 1.3.3.2 Chức tầng mơ hình OSI 17 1.3.3.3 Các dịch vụ hàm .19 1.3.4 Các mơ hình chuẩn hố khác 22 1.3.4.1 Mơ hình TCP/IP 22 1.3.4.2 Mơ hình SNA 23 1.4 HỆ ĐIỀU HÀNH MẠNG 25 1.4.1 Đặc điểm quy định chức hệ điều hành mạng 25 1.4.2 Các tiếp cận thiết kế cài đặt 26 1.4.3 Các kiểu hệ điều hàng mạng .27 1.4.3.1 Kiểu ngang hàng (peer-to-peer) 28 1.4.3.2 Kiểu hệ điều hành mạng có máy chủ (server based network) 28 1.4.3.3 Mơ hình khách/chủ (client/server) .29 1.4.4 Các chức hệ điều hành mạng 31 1.5 KẾT NỐI LIÊN MẠNG 32 1.5.1 Các tiếp cận .32 1.5.2 Giao diện kết nối 33 1.6 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 33 CHƯƠNG KIẾN TRÚC PHÂN TẦNG OSI 34 2.1 TẦNG VẬT LÝ (PHYSICAL) 34 2.1.1 Vai trò chức tầng vật lý .34 2.1.2 Các chuẩn cho giao diện vật lý 35 2.2 TẦNG LIÊN KẾT DỮ LIỆU (DATA LINK) 36 2.2.1 Vai trò chức tầng liên kết liệu 36 2.2.2 Các giao thức tầng liên kết liệu .37 2.2.3 Các giao thức hướng ký tự 37 2.2.4 Các giao thức hướng bit 41 2.3 TẦNG MẠNG (NETWORK) 43 2.3.1 Vai trò chức tầng mạng 43 2.3.2 Các kỹ thuật chọn đường mạng máy tính 44 2.3.2.1 Tổng quan 44 2.3.2.2 Các giải thuật tìm đường tối ưu 45 2.3.3 Tắc nghẽn mạng 47 2.3.4 Giao thức X25 PLP .48 2.3.5 Công nghệ chuyển mạch nhanh 50 2.3.5.1 Mạng chuyển mạch khung – Frame Relay (FR) 50 2.3.5.2 Kỹ thuật ATM .51 2.3.6 Dịch vụ OSI cho tầng mạng 52 2.4 TẦNG GIAO VẬN (TRANSPORTATION) 52 2.4.1 Vai trò chức tầng Giao vận .52 2.4.2 Giao thức chuẩn cho tầng Giao vận 52 2.4.3 Dịch vụ OSI cho tầng Giao vận 53 2.5 TẦNG PHIÊN (SESSION) 53 2.5.1 Vai trò chức tầng Phiên 53 2.5.2 Dịch vụ OSI cho tầng Phiên .54 2.5.3 Giao thức chuẩn cho tầng Phiên 54 2.6 TẦNG TRÌNH DIỄN (PRESENTATION) .54 2.6.1 Vai trò chức tầng Trình diễn 54 2.6.2 Dịch vụ OSI cho tầng Trình diễn 54 2.6.3 Giao thức chuẩn cho tầng Trình diễn 54 2.7 TẦNG ỨNG DỤNG (APPLICATION) 55 2.7.1 Vai trò chức tầng Ứng dụng 55 2.7.2 Chuẩn hoá tầng ứng dụng 55 2.8 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 55 CHƯƠNG MẠNG CỤC BỘ – MẠNG LAN 56 3.1 ĐẶC TRƯNG MẠNG CỤC BỘ .56 3.2 KIẾN TRÚC MẠNG CỤC BỘ .56 3.2.1 Topology .56 3.2.1.1 Hình (star) 56 3.2.1.2 Hình vịng (ring) 57 3.2.1.3 Dạng đường thẳng (Bus) .57 3.3.2 Đường truyền vật lý 59 3.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUY NHẬP ĐƯỜNG TRUYỀN VẬT LÝ 60 3.3.1 Giới thiệu 60 3.3.2 Phương pháp CSMA/CD 61 3.3.3 Phương pháp Token Bus 62 3.3.4 Phương pháp Token Ring 63 3.3.5 So sánh phương pháp 64 3.4 PHẦN CỨNG VÀ CÁC THIẾT BỊ MẠNG .65 3.4.1 Thiết bị cấu thành mạng máy tính 65 3.4.2 Các thiết bị ghép nối mạng 66 3.5 CÁC CHUẨN LAN 67 3.5.1 Chuẩn Ethernet 67 3.5.1.1 10BASE-5 68 3.5.1.2 10BASE-2 69 3.5.1.3 10BASE-T 70 3.5.2 Token Ring 72 3.5.3 FDDI (Fiber Distributed Data Interface) 73 3.5 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 73 CHƯƠNG NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN CỦA MẠNG MÁY TÍNH 74 4.1 KIỂM SỐT LỖI 74 4.1.1 Phương pháp phát lỗi với bít chẵn lẻ 74 4.1.2 Phương pháp mã sửa sai Hamming 74 4.1.3 Phương pháp mã dư vòng (CRC) .75 4.2 ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG VÀ ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN .76 4.2.1 Các khái niệm 76 4.2.2 Điều khiển lưu lượng theo chế cửa sổ trượt 77 4.2.3 Điều khiển tắc nghẽn 79 4.2.3.1 Hiện tượng tắc nghẽn 79 4.2.3.2 Các giải pháp điều khiển tắc nghẽn 80 4.3 AN TỒN THƠNG TIN TRÊN MẠNG 81 4.3.1 Giới thiệu .81 4.3.2 Các lớp bảo mật mạng .82 4.3.3 Bảo vệ liệu mật mã 83 4.3.3.1 Quy trình mật mã 84 4.3.3.2 Phương pháp đổi chỗ 85 4.3.3.3 Phương pháp thay 86 4.3.3.4 Phương pháp sử dụng chuẩn mật mã (DES) .87 4.3.3.4 Phương pháp sử dụng khóa cơng khai (Public key) 89 4.3.3.5 So sánh phương pháp mật mã .93 4.5 Đánh giá hiệu mạng 94 4.5.1 Khái niệm hiệu độ đo hiệu mạng 94 4.5.2 Tầm quan trọng việc đánh giá hiệu mạng máy tính 95 4.5.3 Các phương pháp đánh giá hiệu mạng .95 4.6 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 97 CHƯƠNG TCP/IP VÀ INTERNET 98 5.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ INTERNET 98 5.1.1 Lịch sử phát triển mạng Internet giao thức TCP/IP 98 5.1.2 Sự tăng trưởng Internet 99 5.2 KIẾN TRÚC MẠNG INTERNET 100 5.2.1 Mơ hình TCP/IP 100 5.2.2 Họ giao thức TCP/IP .102 5.3 GIAO THỨC TCP 103 5.3.1 Giới thiệu 103 5.3.2 Cấu trúc gói số liệu TCP 103 5.3.3 Thiết lập kết thúc kết nối TCP .105 5.3.3 Điều khiển lưu lượng TCP 105 5.3.3.1 Khởi động chậm .105 5.3.3.2 Tính thời gian cách thơng minh 107 5.3.3.3 Tránh tắc nghẽn .108 5.3.4 Giao thức UDP (User Datagram protocol) .111 5.4 GIAO THỨC LIÊN MẠNG IP 112 5.4.1 Giới thiệu 112 5.4.2 Cấu trúc gói số liệu IP 112 5.4.3 Các lớp địa IP 114 5.4.4 Các bước thực giao thức IP 115 5.5 PHÂN CHIA MẠNG CON .116 5.6 ĐỊA CHỈ IPV6 117 5.7 INTRANET VÀ INTERNET 117 5.8 MỘT SỐ ỨNG DỤNG TRÊN INTERNET 117 5.9 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 117 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 118 CHƯƠNG NHẬP MƠN MẠNG MÁY TÍNH 1.1 MỞ ĐẦU Mạng máy tính phát sinh từ nhu cầu muốn chia sẻ, dùng chung tài nguyên cho phép giao tiếp trực tuyến (online) ứng dụng đa phương tiện mạng Tài nguyên gồm có tài nguyên phần mềm (dữ liệu, chương trình ứng dụng, ) tài nguyên phần cứng (máy in, máy quét, CD ROM,.) Giao tiếp trực tuyến bao gồm gửi nhận thông điệp, thư điện tử Các ứng dụng đa phương tiện phát thanh, truyền hình, điện thoại qua mạng, hội thảo trực tuyến, nghe nhạc, xem phim mạng Trước mạng máy tính sử dụng, người ta thường phải tự trang bị máy in, máy vẽ thiết bị ngoại vi khác cho riêng Để dùng chung máy in người phải thay phiên ngồi trước máy tính nối với máy in Khi nối mạng tất người ngồi vị trí khác có quyền sử dụng máy in Sự kết hợp máy tính với hệ thống truyền thông, đặc biệt viễn thông, tạo cách mạng vấn đề tổ chức khai thác sử dụng hệ thống máy tính Mơ hình tập trung dựa máy tính lớn thay mơ hình máy tính đơn lẻ kết nối lại để thực cơng việc, hình thành môi trường làm việc nhiều người sử dụng phân tán, cho phép nâng cao hiệu khai thác tài nguyên chung từ vị trí địa lý khác Các hệ thống gọi mạng máy tính Mạng máy tính ngày trở thành lĩnh vực nghiên cứu phát triển ứng dụng cốt lõi Công nghệ thông tin Các lĩnh vực nghiên cứu phát triển ứng dụng mạng: kiến trúc mạng, nguyên lý thiết kế, cài đặt ứng dụng mạng 1.2 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.2.1 Lịch sử phát triển Cuối năm 60 xuất mạng xử lý gồm trạm cuối (terminal) thụ động nối vào máy xử lý trung tâm Máy tính trung tâm đảm nhiệm tất việc từ xử lý thông tin, quản lý thủ tục truyền liệu, quản lý đồng trạm cuối, quản lý hàng đợi, xử lý ngắt từ trạm cuối, Mô hình bộc lộ yếu điểm như: tốn nhiều vật liệu (đường truyền) để nối trạm với trung tâm, máy tính trung tâm phải làm việc nhiều dẫn đến tải Để giảm nhẹ nhiệm vụ máy tính trung tâm người ta gom trạm cuối vào gọi tập trung (hoặc dồn kênh) trước chuyển trung tâm Các có chức tập trung tín hiệu trạm cuối gửi đến vào đường truyền Sự khác hai thiết bị thể chỗ: − Bộ dồn kênh (multiplexor): có khả truyền song song thông tin trạm cuối gửi trung tâm − Bộ tập trung (concentrator): khơng có khả này, phải dùng đệm để lưu trữ tạm thời liệu Trong hệ thống này, liên lạc trạm cuối với phải qua máy tính trung tâm, khơng nối trực tiếp với Ỉhệ thống khơng gọi mạng máy tính mà gọi mạng xử lý (hình 1.1) Máy tính trung tâm PC Bộ tiền xử lý Bộ tập trung/ dồn kênh PC PC PC PC PC Bộ tập trung PC PC PC Hình 1.1 Mạng xử lý với tiền xử lý Từ cuối năm 70, máy tính nối trực tiếp với để tạo thành mạng máy tính nhằm phân tán tải hệ thống tăng độ tin cậy PC Bộ tiền xử PC Bộ tiền xử lý PC Bộ tiền xử lý PC PC PC PC PC Bộ tập trung PC PC PC Hình 1.2 Mạng máy tính- nối trực tiếp tiền xử lý Cũng năm 70 xuất khái niệm mạng truyền thơng (communication network), thành phần nút mạng (Node), gọi chuyển mạch (switching unit) dùng để hướng thông tin tới đích Các nút mạng nối với đường truyền gọi khung mạng Các máy tính xử lý thông tin người sử dụng (host) trạm cuối (terminal) nối trực tiếp vào nút mạng để cần trao đổi thơng tin qua mạng Bản thân nút mạng thường máy tính nên đồng thời đóng vai trị máy người sử dụng Vì khơng phân biệt khái niệm mạng máy tính mạng truyền thơng (Xem hình 1.3) T T H Nút mạng Chú thích: T (Terminal): thiết bị đầu cuối H H (Host): máy chủ, máy trạm T T H T Hình 1.3 Một mạng truyền thơng Các máy tính kết nối thành mạng nhằm đạt mục đích sau: - Chia sẻ tài nguyên có giá trị cao (thiết bị, chương trình, liệu, ) khơng phụ thuộc vào khoảng cách địa lý tài nguyên người sử dụng - Tăng độ tin cậy hệ thống: có khả thay xảy cố máy tính 1.2.2 Các yếu tố mạng máy tính Mạng máy tính định nghĩa: mạng máy tính tập hợp máy tính nối với đường truyền vật lý theo kiến trúc Như có hai khái niệm mà cần phải làm rõ, đường truyền vật lý kiến trúc mạng máy tính 1.2.2.1 Đường truyền vật lý Đường truyền vật lý dùng để chuyển tín hiệu máy tính Các tín hiệu biểu thị giá trị liệu dạng xung nhị phân (on - off) Tất tín hiệu thuộc dạng sóng điện từ (trải từ tần số sóng radio, sóng ngắn, tia hồng ngoại) Ứng với loại tần số sóng điện tử có đường truyền vật lý khác để truyền tín hiệu Hiện có hai loại đường truyền: + Đường truyền hữu tuyến: cáp đồng trục, cáp đơi dây xoắn (có bọc kim, không bọc kim), cáp sợi quang + Đường truyền vơ tuyến: radio, sóng cực ngắn, tia hồng ngoại — Cáp đồng trục dùng để truyền tín hiệu số mạng cục làm mạng điện thoại đường dài Cấu tạo gồm có sợi kim loại trung tâm bọc lớp cách điện lưới kim loại chống nhiễu Ở vỏ bọc cách điện Sợi kim loại trung tâm lưới kim loại làm thành hai sợi dẫn điện đồng trục Hình 1.4 Cáp đồng trục Có hai loại cáp đồng trục khác với định khác kỹ thuật thiết bị ghép nối kèm: cáp đồng trục mỏng (giá thành rẻ, dùng phổ biến), cáp đồng trục béo (đắt hơn, có khả chống nhiễu tốt hơn, thường dung liên kết mạng môi trường công nghiệp) — Cáp đôi dây xoắn: sử dụng rộng rãi mạng điện thoại kéo dài hàng số mà khơng cần khuyếch đại Cấu tạo gồm nhiều sợi kim loại cách điện với Các sợi đôi xoắn lại với nhằm hạn chế nhiễu điện từ Có hai loại cáp xoắn đơi sử dụng nay: cáp có bọc kim loại (STP), cáp khơng bọc kim loại (UTP) — Cáp sợi quang: cáp truyền dẫn sóng ánh sáng, có cấu trúc tương tự cáp đồng trục với chất liệu thuỷ tinh Tức gồm dây dẫn trung tâm (một bó sợi thuỷ tinh plastic truyền dẫn tín hiệu quang) bọc lớp áo có tác dụng phản xạ tín hiệu trở lại để giảm mát tín hiệu Có hai loại cáp sợi quang là: single-mode (chỉ có đường dẫn quang nhất), multi-mode (có nhiều đường dẫn quang) Cáp sợi quang có độ suy hao tín hiệu thấp, khơng bị ảnh hưởng nhiễu điện từ hiệu ứng điện khác, khơng bị phát thu trộm, an tồn thông tin mạng bảo đảm Tuy nhiên cáp sợi quang khó lắp đặt, giá thành cao Sóng cực ngắn thường dùng để truyền trạm mặt đất vệ tinh Chúng để truyền tín hiệu quảng bá từ trạm phát tới nhiều trạm thu — — Sóng hồng ngoại: Mơi trường truyền dẫn sóng hồng ngoại mơi trường định hướng, diện hẹp thích hợp cho mạng diện hẹp bán kính từ 0.5m đến 20 m, với thiết bị bị di chuyển Tốc độ truyền liệu xung quanh 10Mbps Sóng radio: mơi trường truyền dẫn sóng radio mơi trường định hướng mạng diện rộng với bán kính 30 km Tốc độ truyền liệu hàng chục Mbps — Liên quan đến đường truyền vật lý có khái niệm sau: - Băng thơng (cịn gọi dải thông - bandwidth): Băng thông khái niệm quan trọng hệ thống truyền thông Hai phương pháp xem xét băng thơng có tầm quan trọng nghiên cứu mạng băng thông tương tự (analog) băng thông số (digital) Băng thông tương tự độ đo phạm vi tần số mà đường truyền đáp ứng hệ thống điện tử dùng kỹ thuật tương tự Đơn vị đo lường cho băng thông tương tự Hz, hay số chu kỳ giây Ví dụ, băng thơng cáp điện thoại 400-4000Hz, có nghĩa truyền tín hiệu với tần số nằm phạm vi từ 400 đến 4000Hz Băng thông số đo lường lượng thông tin tối đa từ nơi đến nơi khác thời gian cho trước Đơn vị đo lường băng thơng số bít/giây (bps) bội Kilơbit/giây (kbps), Megabit/giây (Mbps), Gigabit/giây (Gbps), Terabit/giây (Tbps) Băng thông cáp truyền phụ thuộc vào độ dài cáp Cáp dài băng thơng giảm Do thiết kế mạng phải rõ độ dài chạy cáp tối đa, ngồi giới hạn dố chất lượng truyền tín hiệu khơng cịn bảo đảm - Thơng lượng (throughput): thơng lượng lượng thông tin thực truyền qua đơn vị thời gian Cũng băng thông, đơn vị thông lượng bps bội nó: Kbps, Mbps, Gbps, Gbps, Tbps Trong mạng LAN băng thơng cho phếp 100Mbps, điều khơng có nghĩa người dùng mạng di chuyển thực 100 Megabit liệu giây Điều điều kiện vô lý tưởng Do nhiều lý do, thông lượng thường nhỏ nhiều so với băng thông số tối đa môi trường mạng - Hiệu suất sử dụng đường truyền (utilization): Đại lượng đặc trưng cho hiệu suất phục vụ đường truyền mạng Nó đo tỷ lệ % thơng lượng băng thông đường truyền - Độ trễ (delay): độ trễ thời gian cần thiết để truyền gói tin từ nguồn đến đích Độ trễ thường đo miligiây (ms), giây (s) Độ trễ phụ thuộc vào băng thơng mạng Băng thơng lớn độ trễ nhỏ - Độ suy hao độ đo yếu tín hiệu đường truyền Nó phụ thuộc vào độ dài cáp Cịn độ nhiễu từ gây tiến ồn điện từ bên ngồi làm ảnh hưởng đến tín hiệu đường truyền 1.2.2.2 Kiến trúc mạng máy tính 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 Tài Liệu - Giáo trình Mạng máy tính • • • • • • • • • • • Seq number = số thứ tự byte data so với byte đầu dòng liệu thực thể gửi Giá trị ban đầu = ISN+1 (Initial Sequence Number) ACK: Byte nhận (stt byte cuối nhận + 1) TCP header length: đơn vị 32 bit; data offset Resered = 0: để dùng tương lai Flags (6): – URG =1: có sử dụng trường Urgent pointer – ACK =1: trường Ack – PSH =1: thực thể nhận y/c chuyển segment – RST =1: Reset kết nối; từ chối kết nối v.v – SYN =1: đồng trường Seq , dùng để thiết lập kết nối TCP – FIN =1: thông báo thực thể gửi kết thúc việc gửi số liệu Window size: Độ lớn cửa sổ nhận, cho bên sender biết gửi tiếp byte, tính từ byte biên nhận (ack) Checksum: checksum TCP segment + Pseudo header Trước tính, trường = (Tổng word 16 bit kiểu bù 1, kết thu lại tính bù XOR) Urgent pointer: byte trường data TCP segment cần xử lý Options: Các tuỳ chọn Hiện tuỳ chọn dùng MSS (Maximum Segment Size) Giá trị default = 536 byte payload + 20 byte header = 556 byte Pad (ở hình slide trước khơng vẽ): chèn thêm để chiều dài trường Options bội 32 bit Data: số liệu ứng dụng TCP Hình 5.6 Cấu trúc gói tin TCP segment 104 Tài Liệu - Giáo trình Mạng máy tính 5.3.3 Thiết lập kết thúc kết nối TCP Thiết lập kết nối Bắt tay bước (Three-way Handshake): • A yêu cầu kết nối, gửi CONNECTION REQUEST TPDU: – SYN=1, Seq = x (ISN) – Source port number, Destination port number • B nhận được, gửi lại ACK TPDU ACK (x+1), SYN=1, Seq = y (ISN) • A biên nhận ACK TPDU B ACK (y+1), Seq = x Lưu ý ISN: • • Mỗi thực thể kết nối TCP sử dụng ISN (32 bit) riêng ISN tăng theo thời gian, nhằm tránh kết nối dùng nhầm segment bị “ôi” Kết thúc kết nối • • Đơn giản việc thiết lập kết nối Có hai kiểu kết thúc kết nối: – Asymmetric release: giống hệ thống điện thoại – Symmetric release: xử lý kết nối kết nối hướng riêng biệt, kết nối giải phóng riêng biệt 5.3.3 Điều khiển lưu lượng TCP Giao thức TCP xây dựng dựa khái niệm Cerf Kahn đưa Đó giao thức hướng kết nối, kiểu đầu cuối - đầu cuối, tin cậy, thiết kế phù hợp với kiến trúc phân lớp giao thức Giao thức TCP cung cấp sựtruyền thông tin cậy hai tiến trình chạy hai máy tính mạng khác kết nối với Giao thức TCP có khả gửi nhận liên tiếp đơn vị liệu chiều dài thay đổi, gọi phân đoạn (segment), phân đoạn đóng gói “phong bì” tạo nên gói số liệu IP Khi thiết kế TCP người ta giả thiết TCP nhận dịch vụ vận chuyển gói số liệu khơng tin cậy (khơng có biên nhận cho gói số liệu) giao thức tầng bên cung cấp Về nguyên tắc, TCP phải có khả hoạt động bên miền rộng hệ thống truyền thông, từ mạng có đường truyền cố định, tới mạng chuyển mạch gói mạng chuyển mạch cứng Dưới đây, chúng tơi trình bày tóm tắt thuật tốn người ta đề xuất để khắc phục nguyên nhân dẫn đến vi phạm nguyên lý “Bảo tồn gói số liệu” 5.3.3.1 Khởi động chậm Thuật tốn khởi động chậm (SS, Slow Start) (hình 4.6) khắc phục nguyên nhân thứ dẫn tới việc vi phạm ngun lý “Bảo tồn gói số liệu”: Tăng dần lượng liệu vận chuyển mạng để đạt tới cân Thuật tốn trình bày cụ thể sau: 105 Tài Liệu - Giáo trình Mạng máy tính − Bổ sung thêm tham số cửa sổ tắc nghẽn cwnd (congestion window) vào tập trạng thái kết nối − Khi bắt đầu phát bắt đầu lại việc phát sau có gói số liệu bị mất, đặt cwnd gói số liệu − Mỗi nhận biên nhận mới, tăng cwnd lên gói số liệu − Khi gửi, gửi số lượng gói số liệu kích thước cửa sổ mà hai bên thoả thuận cwnd Thực ra, theo chế khởi động chậm, cửa sổ tăng lên theo hàm mũ, đạt tới kích thước W sau thời gian RTT.log2W, RTT thời gian W tính đơn vị gói số liệu Điều có nghĩa cửa sổ mở đủ nhanh để ảnh hưởng không đáng kể đến hiệu năng, đường truyền có tích số dải thơng x độ trễ lớn Theo thuật toán này, người gửi truyền liệu với tốc độ cao gấp đôi giá trị cực đại đường truyền Chính vậy, giai đoạn khởi động chậm cần phải kết thúc cửa sổ W đạt tới ngưỡng định Hình 5.7 minh hoạ tăng cửa sổ chế khởi động chậm Trục thời gian cắt thành đoạn có chiều dài khoảng thời gian RTT, đoạn chồng lên theo chiều đứng, hướng trên-dưới ứng với chiều tăng thời gian Các gói số liệu biểu diễn hình chữ nhật màu xám, bên số thứ tự gói số liệu Các hình vng nhỏ, khơng tơ màu, có đánh số, biểu diễn cho gói số liệu biên nhận tương ứng Trên hình vẽ thấy rõ, có biên nhận trở về, hai gói số liệu phát ra: gói tương ứng với biên nhận (vì biên nhận cho biết có gói số liệu rời khỏi mạng, cần gửi gói chỗ cho nó), cịn gói thứ hai biên nhận làm tăng cửa sổ lên đơn vị gói số liệu Hai gói số liệu vẽ chồng lên nhau, thể chúng cần phát đồng thời, nhiên, thực tế phát chúng lần lượt, gói số liệu phát đi, gói số liệu lại cửa sổ phải nằm chờ hàng đợi Khi cửa sổ mở rộng đến kích thước W, hàng đợi có đến 2xW gói số liệu xếp hàng chờ gửi Hình 5.7 Sự tăng cửa sổ chế khởi động chậm 106 Tài Liệu - Giáo trình Mạng máy tính 5.3.3.2 Tính thời gian cách thơng minh Tính thời gian cách thông minh cách khắc phục nguyên nhân thứ hai dẫn tới việc vi phạm nguyên lý “Bảo toàn gói số liệu”, việc đưa vào mạng gói tin trước có gói tin cũ khỏi mạng Như trình bày tiểu mục 1.3.2.2, có hai sai lầm dẫn đến nguyên nhân thứ hai này, cách giải chúng trình bày Cách giải sai lầm thứ nhất: tính ước lượng thời gian lọc dải thông thấp để tránh cho đại lượng khỏi thăng giáng mạnh nhằm trì cân Đặc tả cho giao thức TCP, RFC-793 gợi ý tính ước lượng thời gian sau: RTT ←α.RTT+(1-α).M (1) Trong RTT ước lượng thời gian trung bình, M số đo thời gian nhận từ gói số liệu biên nhận gần α hệ số làm trơn lọc, giá trị mà người ta gợi ý nên sử dụng α=0.9 Sau ước lượng RTT cập nhật, thời gian hết để phát lại gói số liệu tiếp theo, RTO (retransmit timeout) tính sau: RTO = β.RTT (2) Cần phải chọn β cho việc phát lại hết không bị sai lầm thăng giáng thời gian khứ hồi; nghĩa làm cho xác suất thời gian gói tin lớn RTO nhỏ Chính vậy, β cần chọn khơng q nhỏ, dẫn đến việc phát lại vội vàng, gói tin mạng; β khơng chọn q lớn, dẫn đến việc phát lại chậm trễ, gói tin bị từ lâu, mà bên gửi chờ cho hết phát lại Trong phiên TCP cài đặt đầu tiên, người ta thường chọn β số cố định Tuy nhiên, nghiên cứu thực nghiệm sau cho thấy rằng, RTT thăng giáng miền tương đối rộng, khơng nên chọn β theo cách đơn giản Cơng trình đề xuất việc cải tiến thuật tốn tính RTO Jacobson cơng bố năm 1988 Ông đề xuất cách làm cho β xấp xỉ tỉ lệ với độ lệch chuẩn hàm mật độ xác suất thời gian đến biên nhận Cụ thể là, sử dụng độ lệch trung bình ước lượng rẻ (cheap estimator) độ lệch chuẩn Thuật tốn địi hỏi phải tính biến độ lệch làm trơn D, sau: D = α.D + (1-α).|RTT-M| (3) Trong đó, tham số RTT M hoàn toàn tương tự biểu thức (1), cịn α khơng thiết phải có giá trị tham số α biểu thức Jacobson rằng, D khơng hồn tồn giống độ lệch chuẩn, xấp xỉ đủ tốt Cách tính D nhằm đạt tốc độ cao nhất, sử dụng phép tính cộng, trừ dịch số nguyên Ngày nay, phiên TCP sử dụng thuật tốn tính thời gian hết để phát lại sau: RTO = RTT + 4.D (4) 107 Tài Liệu - Giáo trình Mạng máy tính Sử dụng hệ số có hai ưu điểm, thứ việc nhân với thực phép dịch, có tốc độ thực cao; thứ hai là, xác suất gói tin biên nhận chậm RTO nhỏ, bỏ qua Cách giải sai lầm thứ hai: rút lui theo hàm mũ Đây cách giải đắn, theo chế khởi động chậm, cửa sổ gửi tăng lên theo hàm mũ, cần phải rút lui theo cách cho đủ nhanh có dấu hiệu tắc nghẽn TCP đặt đồng hồ phát lại khoảng thời gian rút lui khoảng tăng gấp đơi lần bị hết liên tiếp Thuật toán Slow Start (SS): − Thực thể phát sử dụng thêm biến: + cwnd (congestion window) - kích thước cửa sổ phát + ssthresh (ss threshhold) - giới hạn cwnd, vượt qua Ỉ tắc nghẽn − Bắt đầu phát, cwnd := 1, tốc độ “an tồn nhất” − Nhận ack, tăng cwnd lên để thăm dị (Additive Increase) + Khơng tăng cwnd q Window Size mà bên nhận thông báo + Thực chất, cwnd tăng lên theo hàm mũ (theo thời gian) − Khi cwnd ≥ ssthresh, chuyển sang CA Hình 5.8 Thuật tốn Slow Start (SS) 5.3.3.3 Tránh tắc nghẽn Thuật toán tránh tắc nghẽn (CA, Congestion Avoidance) (hình 4.7) nhằm khắc phục nguyên nhân thứ ba dẫn tới việc vi phạm nguyên lý “Bảo tồn gói số liệu” Một chiến lược ránh tắc nghẽn đề xuất bao gồm hai thành phần: thứ sách mạng: mạng phải có khả gửi tín hiệu đến cho thực thể cuối kết nối (endpoint), báo cho chúng biết tắc nghẽn xảy xảy ra; thứ hai sách endpoint: endpoint phải có sách giảm lưu lượng đưa vào mạng nhận tín hiệu báo tăng thêm lưu lượng đưa vào mạng không nhận tín hiệu báo Chính sách endpoint tắc nghẽn: thích ứng với đường truyền Đó sách tăng theo cấp số cộng, giảm theo cấp số nhân, sách giải thích sau: − Mỗi xảy kiện hết giờ, đặt giá trị cửa sổ tắc nghẽn cwnd phần hai giá trị cửa sổ thời Đó giảm theo cấp số nhân − Mỗi nhận biên nhận cho gói số liệu mới, tăng cwnd thêm lượng 1/cwnd, tăng theo cấp số cộng (Trong giao thức TCP, kích thước cửa sổ kích thước gói số liệu tính byte, tăng nói 108 Tài Liệu - Giáo trình Mạng máy tính chuyển thành maxseg*maxseg/cwnd, maxseg kích thước gói số liệu cực đại cwnd cửa sổ tắc nghẽn, tính bytes) − Khi gửi, gửi số gói số liệu số bé hai số: kích thước cửa sổ mà bên nhận đề nghị cwnd Trong thực tế, thuật toán Khởi động chậm (SS) Tránh tắc nghẽn (CA) triển khai thực với thuật toán, thuật toán cài đặt Tahoe TCP - phiên TCP Chính sách mạng tắc nghẽn Đó sách làm cho mạng, cụ thể gateways gửi tín hiệu báo tắc nghẽn tới máy tính mạng sớm tốt, đừng sớm, tránh cho mạng khỏi bị thiếu lưu lượng vận chuyển Gateway phải làm cơng việc loại bỏ gói số liệu để báo cho thực thể gửi gói số liệu rằng: chúng sử dụng phần tài ngun mạng dành cho chúng Chính thế, thuật toán gateway làm giảm tắc nghẽn sửa đổi giao thức giao vận máy tính mạng, để thực việc tránh tắc nghẽn Đồng thời máy tính mạng có triển khai thực tránh tắc nghẽn nhận phần dải thơng hợp lý dành cho bị số lượng tối thiểu gói số liệu Bởi tắc nghẽn tăng lên theo hàm mũ, việc phát sớm quan trọng Nếu tắc nghẽn phát sớm, cần vài điều chỉnh nhỏ cửa sổ người gửi giải vấn đề; ngược lại, phải điều chỉnh nhiều để mạng chuyển hết đống gói số liệu tắc nghẽn mạng ngồi Tuy nhiên, chất ln thăng giáng mạnh lưu lượng, phát tắcnghẽn sớm cách tin cậy việc khó Thuật tốn Congestion Avoidance (CA): y Dấu hiệu tắc nghẽn: RTT tăng Timeout, giá trị mà thực thể gửi sử dụng để phán đốn gói tin bị Nhận nhiều (3) Dup Ack (biên nhận lặp), điều cho biết có nhiều gói tin khơng thứ tự đến đích, nghĩa có gói tin bị y cwnd := cwnd + 1/cwnd với ack y Khi phát dấu hiệu tắc nghẽn: + ssthresh := cwnd/2, cwnd := + RTO = RTO * (Exponential backoff) + Ỉ SS Hình 5.9 Thuật toán Congestion Avoidance 109 Tài Liệu - Giáo trình Mạng máy tính Nhận xét: Trong giai đoạn CA, cwnd tăng tuyến tính: + Đảm bảo tận dụng băng thơng sử dụng + Vẫn thăm dị tiếp khả sử dụng băng thơng nhiều cwnd bị giảm theo cấp số nhân (Multiplicative Decreased) Hình 5.10 Minh hoạ thuật tốn SS CA Thuật toán Fast Retransmit (FRTX): − Sau nhận Dupack (>=3), TCP thực phát lại nhanh, không chờ bị Timeout, sau chuyển SS − Đây cách “dự đốn thơng minh” rằng, gói tin bị Hình 5.11 Giao thức Tahoe TCP 110 Tài Liệu - Giáo trình Mạng máy tính Thuật tốn Fast Recovery (FRCV): Cải tiến FRTX: thực FRTX xong CA không SS: − ssthresh := cwnd/2, khơng nhỏ (gói tin) − cwnd := cwnd + Bên gửi “đoán”: dupack ứng với gói tin nhận − Với dupack nhận thêm, tăng cwnd := cwnd + Hình 5.12 Giao thức Reno TCP 5.3.4 Giao thức UDP (User Datagram protocol) − Không hướng nối (connectionless) − Không bảo đảm (unreliable): khơng có chế kiểm tra STT phát, thu kiểm sốt lỗi Ỉ Ưu điểm: đơn giản − Dành cho ứng dụng: + Trong việc phân phát tin nhanh chóng quan trọng việc phân phối tin xác: Email, v.v + Muốn tự cung cấp chức flow control error control − Thống kê thực tế cho thấy: 99% gói tin UDP vận chuyển đến đích khơng bị lỗi Cấu trúc gói số liệu UDP − Tương tự cấu trúc TCP segment − “Header giả” giúp thưc thể IP xây dựng IP packet − Lenght Pseudo header: độ dài tồn gói số liệu UDP, kể “Pseudo header” − Lenght UDP segment: độ dài UDP segment, = − Checksum: tính cho tồn gói số liệu UDP 111 Tài Liệu - Giáo trình Mạng máy tính 5.4 GIAO THỨC LIÊN MẠNG IP 5.4.1 Giới thiệu Đặc trưng công nghệ: Connectionless = Datagram − Không phải thiết lập; giải phóng kết nối − Packets theo đường khác − Không có chế phát hiện/khắc phục lỗi truyền → Giao thức đơn giản, độ tin cậy không cao Các chức chính: – – – – Định nghĩa khn dạng gói liệu (IP packet) Định nghĩa phương thức đánh địa IP Chon đường (Routing) Cắt/hợp liệu (Fragmentation/ Reassembly) 5.4.2 Cấu trúc gói số liệu IP • • • Hình 5.13 Cấu trúc gói tin IPv4 Version (4 bit): IPv4 IPv6 IHL (IP packet Header Length) (4 bit): đơn vị word 32 bit – Min = (khơng có thêm trường tuỳ chọn) – Max = 15 (trường tuỳ chọn 40 byte) – Đối với số tuỳ chọn, thí dụ để ghi đường mà packet qua, 40 byte nhỏ, dùng Trường Type of service (8 bits): Dịch vụ mức ưu tiên – Ý nghĩa người ta thay đổi chút năm qua – Có thể có nhiều cách kết hợp khác độ tin cậy tốc độ Đối với tiếng nói số hố, việc phân phát nhanh quan trọng phân phát xác Đối với FTP, việc truyền khơng có lỗi quan trọng việc truyền nhanh – Bản thân trường lại bao gồm số trường, tính từ trái qua phải sau: 112 Tài Liệu - Giáo trình Mạng máy tính + Precedence (3 bit đầu tiên): quyền ưu tiên; = normal, , = network control packet + Cờ D, T R (3 bit tiếp theo): cho phép host quan tâm (cần) đến tập hợp {Delay, Throughput Reliability} Trong thực tế, router lờ toàn trường Type of service + bit lại chưa dùng đến • • • • • • Trường Total Length (16 bits): Tổng chiều dài packet, kể header lẫn data, đơn vị = byte – Max = 65535 byte – Hiện giới hạn chấp nhận – Với mạng Gigabit tương lai cần đến datagram lớn Trường Identification (16 bit): từ định danh datagram (IP packet) – Dùng cho host đích xác định mảnh (fragment) thuộc datagram – Tất mảnh datagram có giá trị trường Identification Trường Flags (2 bits): dùng cho trình Fragmentation/ Reassembly – Sau trường Identification bit không dùng đến Flags gồm trường bit DF MF – DF (Don't Fragment): lệnh cho router đừng có phân mảnh datagram • Datagram phải tránh mạng có kích thước packet nhỏ • Tất máy yêu cầu chấp nhận việc phân mảnh đến 576 byte nhỏ – MF (More Fragments): Tất mảnh datagram, trừ mảnh cuối phải có bit MF=1 → để biết tất mảnh datagram đến đích Trường Fragment offset (13 bits): cho biết khoảng cách tương đối gói tin IP gói tin bị phân mảnh – Tất mảnh datagram, trừ mảnh cuối phải có chiều dài bội số bytes - đơn vị sở mảnh – 13 bit nên số mảnh lớn datagram 8192 Trường Time to live – TTL (8 bits): đếm thời gian sống packet – Khi TTL= 0, packet bị loại bỏ packet cảnh báo gửi cho bên nguồn → Ngăn chặn datagram lang thang (nếu bảng chọn đường có lúc bị hỏng) – Giả thiết đơn vị giây → max = 255s; thường đặt = 30s – Phải giảm chặng (hop) giảm nhiều lần đứng xếp hàng thời gian dài router – Thực tế, đếm chặng Trường Protocol (8 bits): Chỉ loại số liệu giao thức mức nằm trường Data – Cho biết cần trao datagram cho trình tầng transport + Một khả TCP + Nhưng UDP trình khác – Việc đánh số giao thức phạm vi toàn cầu, toàn Internet, định nghĩa chuẩn RFC 1700 113 Tài Liệu - Giáo trình Mạng máy tính • • • • Trường Header checksum (16 bits): – Tính riêng cho header, giúp phát lỗi phát sinh nhớ router – Được tính lại chặng (hop), sau chặng có trường bị thay đổi (trường TTL) – Cách tính: cộng tất 16-bit halfwords sử dụng số dạng bù 1; sau lấy bù kết (phép toán XOR → tốc độ cao) Trường Source address, Destination address (32 bit): – Địa IP bên gửi nhận – Mỗi địa bao gồm: địa mạng địa host mạng Trường Options: Tạo lối thoát cho version sau: – Bổ sung thêm thơng tin khơng có version – Thí nghiệm thử ý tưởng để tránh việc phải dành (allocate) bit header cho thông tin cần đến – Chiều dài thay đổi: (15 – 5) x 32 bits – Mỗi Option bắt đầu mã byte tuỳ chọn – Hiện thời có tuỳ chọn (option) định nghĩa + Security (an ning): Chỉ mức độ bí mật datagram + Strict source routing: Chỉ đường đầy đủ để theo + Loose source routing: Chỉ danh sách router không bỏ qua + Record route: Buộc router gắn địa IP vào + Timestamp: Buộc router gắn địa IP timestamp vào – Tuy nhiên khơng phải router hỗ trợ tất tuỳ chọn – Padding: Được chèn thêm cho chiều dài Header = bội 32 bits Trường Data (32 bits): Số liệu giao thức tầng 5.4.3 Các lớp địa IP Hình 5.14 Cấu trúc địa IP − Mỗi địa IP (IPv4) gồm 32 bits, chia thành vùng, Class + Netid + Hostid, máy nối mạng phải có địa IP Internet − Những máy nối với nhiều mạng có địa IP khác mạng 114 Tài Liệu - Giáo trình Mạng máy tính − Được chia thành lớp: A, B, C, D E (dự trữ), cấu trúc lớp địa rõ hình − Cách viết địa Internet: số thập phân có chấm (Dotted Decimal Notation), tức có dạng x.y.z.t, x, y, z, t có giá trị từ 0-255 (mỗi số tương ứng với bits) − Để tránh đụng độ, địa mạng NIC (Network Information Center) gán Theo cấu trúc trên: y Lớp A cho phép định danh tới 126 mạng, với số máy tối đa tới 16 triệu máy mạng Lớp dùng cho mạng có số máy cực lớn y Lớp B cho phép định danh tới 16384 mạng, mạng cho phép tối đa 65535 y Lớp C cho phép định danh tới triệu mạng, với tối đa 254 host mạng Lớp dùng cho mạng nhỏ y Lớp D dùng để gửi nhóm host mạng (địa broadcast) y Lớp E lớp dự phòng cho tương lai Để nhận dạng lớp địa chỉ cần nhìn vào octet địa IP (giá trị x cấu trúc x.y.z.t) Thật vậy, lớp A có x ∈ 1÷126, lớp B có x ∈ 128÷191, lớp C có x ∈ 192÷223, lớp D có x ∈ 224÷239, lớp E có x ∈ 240÷255 Một số địa IP đặc biệt Dưới số địa đặc biệt, không dùng để cấp phát cho host: • 0.0.0.0: Dùng cho host khởi động • Netid = 0: dùng cho host khơng biết địa mạng • Hostid = 1: địa quảng bá mạng cục định danh phần Netid, nghĩa máy gửi gói tin đến địa có dạng này, tất máy mạng nhận • 127.xx.yy.zz: packet gửi tới địa không đưa lên đường truyền, mà xử lý cục giống packet đến Cho phép gửi packet đến mạng cục mà người gửi khơng cần biết địa Hình 5.15 Các địa IP đặc biệt 5.4.4 Các bước thực giao thức IP (đang tiếp tục bổ sung) 115 Tài Liệu - Giáo trình Mạng máy tính 5.5 PHÂN CHIA MẠNG CON Những ích lợi việc phân chia mạng - Dễ quản lý (vì số trạm hơn) - Hạn chế miền quảng bá, tăng hiệu truyền thơng mạng Ví dụ: mạng LAN có 10 máy, dùng mạng lớp C có miền quảng bá tới 254 host, dùng subnet mask miền quảng bá giảm xuống, hiệu mạng tăng lên - Tăng cường mức độ bảo mật mức thấp cho LAN: mạng có danh sách truy cập, theo danh sách mạng cho phép hay từ chối truy cập vào - Có thể bán cho thuê đại không dùng đến: công ty sử hữu mạng lớn lớp A, B khơng dùng hết số địa họ, họ bán cho thuê chúng Áp dụng: phân chia mạng 132.198.0.0 thành 14 mạng Subnet mask xây dựng từ số bít phần Netid cộng với phần mượn từ Hostid (số bit mược tối đa số bit phần Hostid - 2) Tuỳ theo số lượng mạng ta mượn số bit n tương ứng, mượn n bit từ Hostid ta phân chia mạng Ta thấy 132.198.0.0 mạng thuộc lớp B Để phân chia thành 14 mạng con, ta cần mượn bit phần Hostid, subnet mask là: 1111 1111 1111 1111 1111 0000 0000 0000 Hay 255.255.224.0 Sau bảng địa dùng riêng không cấp cho host mạng thực việc phân chia trên: Mạng Địa mạng Địa broadcast 132.198.16.0 132.198.31.255 132.198.32.0 132.198.47.255 132.198.48.0 132.198.63.255 132.198.64.0 132.198.79.255 132.198.80.0 132.198.95.255 132.198.96.0 132.198.111.255 132.198.112.0 132.198.127.255 132.198.128.0 132.198.143.255 132.198.144.0 132.198.159.255 10 132.198.160.0 132.198.175.255 11 132.198.176.0 132.198.191.255 12 132.198.192.0 132.198.207.255 13 132.198.208.0 132.198.223.255 14 132.198.224.0 132.198.239.255 116 Tài Liệu - Giáo trình Mạng máy tính 5.6 ĐỊA CHỈ IPV6 (đang tiếp tục bổ sung) 5.7 INTRANET VÀ INTERNET (đang tiếp tục bổ sung) 5.8 MỘT SỐ ỨNG DỤNG TRÊN INTERNET (đang tiếp tục bổ sung) 5.9 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP (đang tiếp tục bổ sung) 117 Tài Liệu - Giáo trình Mạng máy tính DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Thúc Hải, “Mạng máy tính hệ thống mở”, NXB Giáo dục, 1999 [2] Nguyễn Đình Việt, Nghiên cứu phương pháp đánh giá cải thiện hiệu giao thức TCP cho mạng máy tính, Luận án tiến sĩ, Khoa Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà nội, 2003 [3] Nguyễn Hồng Sơn, “Giáo trình hệ thống mạng máy tính, CCNA Semester 1”, NXB Lao động- Xã hội, 2005 [4] Nguyễn Đình Việt, Slides giảng mơn học “Truyền số liệu Mạng máy tính”, Đại học Cơng nghệ, Đại học Quốc gia Hà nội [5] Đào kiến Quốc, “Bài giảng mạng LAN”, ĐH Công nghệ, ĐH Quốc gia Hà nội 118 ... dụng - Tăng độ tin cậy hệ thống: có khả thay xảy cố máy tính 1.2.2 Các yếu tố mạng máy tính Mạng máy tính định nghĩa: mạng máy tính tập hợp máy tính nối với đường truyền vật lý theo kiến trúc Như... phim mạng Trước mạng máy tính sử dụng, người ta thường phải tự trang bị máy in, máy vẽ thiết bị ngoại vi khác cho riêng Để dùng chung máy in người phải thay phiên ngồi trước máy tính nối với máy. .. trúc mạng máy tính 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