1. Tầng Vật Lý – Physical Layer
Dù tầng vật lý không xác định phương tiện sử dụng, nhưng nó liên hệ với mọi mặt truyền và nhận dữ liệu trên mạng truyền thông. Tầng này không đòi hỏi dây cáp truyền là bạc, đồng hay vàng. Đặc biệt là nó liên hệ với việc nhận và truyền “bit”(là đơn vị thông tin hoặc dung lượng nhớ). Tầng này xác nhận vài tính chất của mạng vật lý sau đây:
Kết cấu vật lý của mạng (Physical topology)
Đặc điểm về cơ cấu và điện để dùng (điện thế trên phương tiện truyền dẫn)
Truyền bít, mã hóa và đếm (bộ đếm) giờ.
Tầng này đề ra những yêu cầu về những phương tiện kỹ thuật cần thiết trên phương diện vật lý và qui định về khoảng cách kết nối giữa máy nhận và máy nhận, cũng như qui định về các chuẩn của các vật dùng để kết nối (các đầu nối ) ví dụ như đầu nối RJ45, BNC connector, DB9, DB25…
Ở tầng vật lý sẽ có một số các thiết bị hoạt động ở tầng này như sau:
Các thiết bị như: Repeater, HUB…Cũng nói thêm ra đây một số khái niệm của các thiết bị này để chúng ta dễ hiểu rõ hơn.
Thiết bị Repeater-Bộ chuyển tiếp:
Thiết bị này chỉ đơn thuần là khuếch đại tín hiệu lên khi tín hiệu này đang suy yếu và đi ngang nó. Có nghĩa là, khi tín hiệu truyền đi xa sẽ yếu dần nên bộ chuyển tiếp này sẽ phục hồi lại các tín hiệu bằng cách khuếch đại lên, nhằm để duy trì tín hiệu được truyền đi xa hơn, điều này cũng có nghĩa là chúng ta sẽ sử dụng Repeater để làm tăng thêm chiều dài, khoảng cách giữa máy nhận và máy gửi khi có nhu cầu.
Bộ chuyển tiếp chạy ở tầng vật lý vì tầng trên nó không cần phục hồi tín hiệu. Nghĩa là nó chỉ chuyển đơn vị thông tin (bit) dữ liệu cho dù khung dữ liệu có bị hỏng hóc, bị lỗi, nhiệm vụ chính của nó chỉ là giúp mạng tăng lực truyền thông trên khoảng cách có hạn. Ưu điểm để sử dụng thiết bị này là giá thành rẻ.
Thiết bị HUB
Thiết bị này chúng ta thường hay thấy được sử dụng trong mạng LAN, bởi nhiệm vụ chính của nó cũng gần giống như thiết bị Repeater, là chỉ có trách nhiệm khuyếch đại tín hiệu khi tín hiệu bị suy giảm, tuy nhiên vẫn có rất nhiều nhược điểm, mà cụ thể nhược điểm lớn nhất là nó không thể kiểm soát được các thông tin bị lỗi đi ngang qua nó và tín hiệu truyền qua HUB thì được HUB truyền đi ở cơ chế toàn mạng (Broad cast).
2. Tầng Liên Kết Dữ Liệu – DataLink
Như ở tầng vật lý, chúng ta đều thấy các máy truyền thông điệp cho nhau bằng đơn vị bit, tuy nhiên, quá trình truyền không đơn giản chỉ chuyển đơn vị thông tin bít mà nó còn phải trải qua rất nhiều thao tác để làm sao các bit thông tin này phải là các bit có đầy đủ ý nghĩa. Tầng liên kết dữ liệu tiếp nhận thông điệp gọi là frames từ tầng ở trên nó, việc đầu tiên của tầng Data link là gỡ các frame thành những đơn vị thông tin (bít) để truyền tải đi và rồi ráp các bít đó lại thành frame ở bên máy nhận.
Tầng này cũng có trách nhiệm là định địa chỉ, kiểm soát sai số, kiểm đường nối đơn giữa mạng và thiết bị. Ngoài ra nó còn đảm trách nhiều nhiệm vụ phức tạp khác, kết hợp với định địa chỉ và giao gói qua chương trình vận chuyển qua mạng liên kết.
Theo tiêu chuẩn IEEE 802 của Viện Công Nghệ Điện và Điện Tử, chia tầng Data link thành 2 lớp phụ (con) như sau:
Điều khiển phương tiện truy cập-Media Access Control (MAC), nhiệm vụ của lớp MAC là điều khiển đa thiết bị, chia sẽ cùng một phương tiện truyền thông thông tin và gồm cả phương pháp kiểm đường truyền dẫn hoặc điều khiển cách truyền dữ liệu từ một thiết bị như card mạng NIC (Network Interface Card). Lớp này cũng cung cấp thông tin địa chỉ để liên lạc giữa các thiết bị mạng.
Điều khiển liên kết lôgíc-Logical Link Control (LLC), lớp liên kết phụ này được lập nên để duy trì liên kết với các thiết bị thông tin. Lớp này cũng nhận biết được thông tin sẽ truyền đi qua các thiết bị mạng khác nhau protocol như thế nào để đóng gói các frame cho tương ứng.
Để hiểu rõ hơn, kỹ hơn tầng Data link này thì chúng ta hãy khảo sát qua các quá trình truy cập phần cứng, định địa chỉ cũng như quá trình kiểm soát lỗi và luồng tại tầng này như thế nào.
2.1 Truy cập phần cứng tại tầng Data link
Như đã trình bày, lớp phụ MAC của Data link sẽ có trách nhiệm điều khiển việc truyền dữ liệu qua card mạng, do đó để truy cập mạng qua bộ card thích ứng ở tầng liên kết dữ liệu gồm phương pháp điều khiển truy cập kiểm đường truyền dẫn hoặc chuyển thẻ bài (token) và mạng tôpô (topoloy). Tầng này cũng điều khiển phương pháp truyền dẫn đồng bộ hoặc không đồng bộ.
2.2 Địa chỉở tầng Data link
Các thiết bị phần cứng tại tầng liên kết dữ liệu đều có một địa chỉ, địa chỉ đó gọi là địa chỉ thiết bị vật lý-physical device address, là địa chỉ liên kết với phần cứng trong máy tính.
Các tiêu chuẩn được ứng dụng trong một mạng quyết định khổ địa chỉ vì nó kết hợp với cách truy cập môi trường truyền dẫn, các địa chỉ vật lý thường được gọi chung là địa chỉ MAC-Media Access Control.
Do đặc thù của LAN là các gói tin sẽ được truyền đi cho tất cả các thiết bị trong mạng. Nên khi nhận được thông điệp của gói tin thì các thiết bị này đều đọc bên trong mỗi khung dữ liệu (frame) để xác định địa chỉ mà khung đó gửi đến có phải cho mình hay không. Nếu địa chỉ đích trong khung phù hợp với địa chỉ vật lý của thiết bị mạng đó thì khung sẽ được chấp nhận, ngược lại, thì phần còn lại của khung sẽ không được chấp nhận. Đây chỉ là trường hợp tổng quát cho tất cả các loại thiết bị truyền dẫn, ngoại trừ thông tin được quảng bá bởi các thiết bị Router, Bridge. Vì chúng sử dụng địa chỉ vật lý để điều chỉnh đường đi của khung, nên các thiết bị này dùng để liên kết các thiết bị tại tầng Data Link.
2.3 Điều khiển lỗi và luồng tại tầng DataLink
Điều khiển luồng: Sẽ xác định lượng dữ liệu truyền dẫn trong một khoảng thời gian nhất định, việc này nhằm kiểm soát các thiết bị gửi cùng một lúc quá nhiều gói tin đến máy nhận.
Điều khiển lỗi: Sẽ kiểm tra lỗi trong các khung thu được và yêu cầu phát lại khung đó.
Việc điều khiển lỗi trong mạng thông tin thường xuất hiện ở một vài lớp khác nhau trong mô hình OSI, tuy nhiên tại tầng liên kết dữ liệu việc kiểm lỗi là rõ nhất nhằm đảm bảo các gói tin đến được nơi cần đến một cách chính xác.
Và hình vẽ minh họa sau đây để dễ hình dung ra một khung dữ liệu tại tầng Data link như thế nào.
Trong đó:
MAC Header gồm: Source MAC–MAC của máy gửi, Destination MAC–MAC của máy nhận.
IP Header gồm: Source IP-IP của máy gửi, Destination IP-IP của máy nhận.
TCP gồm: Quy định protocol, Port, kiểu truyền là TCP hay UDP
DATA: là nội dung gói tin cần gửi đi
Trailer: Chứa các thông tin dùng để kiểm tra lỗi, điều khiển luồng và điều khiển lỗi. Ví dụ: Một máy A (MAC A, IP A) gửi mail cho máy B (MAC B, IP B) thì bên trong khung sẽ có dạng như sau:
3. Tầng Mạng – Network
Tầng liên kết dữ liệu liên quan đến việc thông tin giữa các thiết bị trên cùng một mạng. Các địa chỉ vật lý sử dụng là các khung dữ liệu địa chỉ, mỗi thiết bị sẽ chịu trách nhiệm giám sát một mạng và nhận các khung đến thiết bị đó.
Tầng mạng giữ nhiệm vụ thông tin với các thiết bị trên mạng khác để tạo thành sự liên kết mạng. Vì liên kết mạng có thể được xây dựng với nhiều mạng khác nhau. Tầng mạng sử dụng thuật toán định tuyến (router) để đưa các gói tin từ mạng gốc đến mạng đích. Trong tầng mạng mỗi thiết bị được gắn cho một địa chỉ mạng để định tuyến gói tin, nó sẽ kiểm soát quá trình định địa chỉ và phân phối gói tin trên mạng.
Về căn bản, tầng mạng chịu tránh nhiệm phân phát các gói dữ liệu từ đầu này sang đầu kia (end- to-end, từ nguồn đến đích), trong khi tầng liên kết dữ liệu lại chịu trách nhiệm phân phát gói dữ liệu từ nút này sang nút khác (hop-to-hop, giữa hai nút mạng trung gian có đường liên kết (link) trực tiếp).
Tầng mạng cung cấp các phương tiện có tính chức năng và qui trình để truyền các chuỗi dữ liệu có độ dài đa dạng từ nguồn tới đích, qua một hay nhiều mạng máy tính, trong khi vẫn duy trì chất lượng dịch vụ (quality of service) đòi hỏi bởi tầng vận chuyển. Tầng mạng thi hành chức năng định tuyến, điều khiển lưu lượng dữ liệu, phân đoạn và hợp đoạn mạng (network segmentation/desegmentation), và kiểm soát lỗi (error control).
Tầng mạng xử lý việc truyền thông dữ liệu trên cả đoạn đường từ nguồn đến đích, và đồng thời truyền bất cứ tin tức gì, từ bất cứ nguồn nào tới bất cứ đích nào mà chúng ta cần. Nếu ở tầng mạng mà chúng ta không liên lạc được với một địa điểm nào đấy, thì chúng ta chẳng còn cách nào để có thể liên lạc được với nó.
3.1 Định Địa Chỉ Trên Mạng:
Khi đã tìm ra địa chỉ vật lý của tầng liên kết dữ liệu, thì đó chỉ đơn giản là mới xác định được một thiết bị trên mạng. Trong các mạng lớn, việc phân bố dữ liệu mạng bằng địa chỉ vật lý không thực tế (giả sử nếu bộ thích ứng mạng phải kiểm tra từng gói gửi đến bất kỳ nơi nào trên Internet để tìm địa chỉ vật lý). Nó sẽ yêu cầu một phương pháp định tuyến (router) và lọc bỏ gói tin để giảm giao thông mạng và thời gian truyền dẫn. Tầng mạng sử dụng địa chỉ mạng logic để định tuyến cho các gói tin đến mạng nhất định trên mạng liên kết.
Địa chỉ mạng logic được áp dụng trong suốt cấu hình mạng. Người thiết kế mạng phải đảm bảo tính chất duy nhất của mỗi địa chỉ mạng.
Tầng mạng còn cung cấp một địa chỉ dịch vụ gồm: Địa chỉ vật lý và địa chỉ mạng logic trong khung dữ liệu. Ví dụ sau đây sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn địa chỉ này:
Giả sử có địa chỉ: 2Bis Đinh Tiên Hoàng, F. ĐaKao, Q.1, HCM…khi, nói đến địa chỉ này về bưu chính thì tất cả các thông tin đó được xem là địa chỉ. Nhưng, trong mạng, các thành phần khác nhau tạo thành địa chỉ đều có tên. Địa chỉ điều khiển truy cập môi trường truyền (MAC) tương tự số nhà 2Bis, địa chỉ mạng là tên đường-Đinh Tiên Hoàng, các thông tin liên quan như F ĐaKao, Q1, HCM…trong trường hợp này như địa chỉ mạng logic. Để phục vụ việc chuyển một lá thư nào đó đến số nhà này thì sẽ có mã dịch vụ, và có thể giả sử như sau: 404, 2Bis, Đinh Tiên Hoàng, F ĐaKao, Q1, HCM, như thế thì được gọi là địa chỉ dịch vụ.
3.2 Phân Phối Gói Tin
Một gói tin được truyền từ một máy nguồn trên mạng LAN và qua một loạt các phân đoạn mạng LAN khác để đến máy đích thì tầng mạng có trách nhiệm giám sát quá trình chọn đường truyền và phân phối gói tin đến đích, có thể ví dụ như chúng ta chạy xe đến cơ quan, chúng ta có thể thay đổi tuyến đường khác nhau vì các sự cố trên đường như kẹt xe, hoặc thay đổi công việc, dựa theo đó chúng ta phải chọn tuyến đường đi cho thích hợp.
Một số thuật toán định tuyến trên tầng mạng:
Chuyển mạch kênh (Circuit switching)
Chuyển mạch tin (Message switching)
Chuyển mạch gói (Packet switching)
3.2.1 Chuyển mạch kênh:
Thiết lập đường truyền cố định trong suốt quá trình truyền, cũng giống như thiết bị chuyển mạch của tổng đài, nó thiết lập một đường truyền giữa 2 thuê bao, nó tạo tuyến khi 2 thiết bị bắt đầu giao tiếp. Các đường truyền phải đảm bảo độ tin cậy và tốc độ, nó cung cấp cho các thiết bị một băng tần xác định nhưng có nhược điểm sau:
Quá trình thiết lập kết nối các thiết bị lâu.
Các tín hiệu khác không thể chia sẽ đường truyền đã lập. Vì vậy hiệu quả sử dụng dải băng thông kém. Điều này có thể sánh như việc đối thoại khi bạn đang sử dụng một đường dây thì người khác không thể dùng mặc dù bạn không truyền dữ liệu.
Các mạng chuyển mạch kênh cần đảm bảo độ rộng băng tần, vì vậy kiểu này thường có giá thành cao.
3.2.2 Chuyển mạch tin:
Chuyển mạch tin xem mỗi bản tin hoàn toàn riêng biệt. Mỗi bản tin mang địa chỉ của nơi đến và tại mỗi nút của chuyển mạch sử dụng thông tin này để chuyển bản tin đến nút khác. Chuyển mạch tin được lập trình với các thông tin liên quan đến các nút chuyển mạch trong mạng khác để chuyển tin đến đích. Tùy thuộc vào điều kiện mạng mà các bản tin được gửi đi theo các đường khác nhau.
Chuyển mạch tin thường được dùng trong thư điện tử vì việc phân phối thư cho phép thời gian trễ, chuyển mạch tin thường sử dụng các thiết bị có giá thành thấp và truyền trên những kênh có tốc độ thấp, một số ứng dụng của nó như: định giờ làm việc, định lịch.
Ưu điểm:
Các thiết bị thông tin có thể dùng chung kênh dữ liệu để nâng cao hiệu suất sử dụng dải tần.
Có khả năng lưu trữ bản tin đến khi nó có kênh truyền, vì vậy giảm mật độ ùn tắc trên mạng.
Thứ tự ưu tiên của bản tin dùng để điều khiển giao thông mạng.
Định địa chỉ thông tin quảng bá sử dụng độ rộng dãi tần mạng hiệu quả nhờ việc phân phối thông tin đến nhiều đích.
Nhược điểm chính của nó là không phù hợp với các ứng dụng thự tế như truyền dữ liệu, truyền thanh.
3.2.3 Chuyển mạch gói:
Bản tin được chia thành các phần nhỏ gọi là các gói. Mỗi gói gồm thông tin địa chỉ nguồn, đích để chúng có thể tự định tuyến.
Chuyển mạch gói gần giống với chuyển mạch tin nhưng các nút phân biệt các gói tin có cỡ giới hạn để các nút chuyển mạch quản lý dữ liệu trong bộ nhớ. Như vậy các nút chuyển mạch không cần lưu giữa gói trên bộ nhớ lâu nên tuyến đường của gói tin qua mạng sẽ nhanh và hiệu quả hơn so với chuyển mạch tin.
Có hai phương pháp chuyển mạch gói: Chuyển gói dữ liệu và chuyển mạch ảo
Chuyển gói dữ liệu:
Mỗi gói tin được định tuyến độc lập với nhau, mỗi nút chuyển mạch xác định phần mạng sử dụng ở bước tiếp theo của tuyến. Nó có khả năng chuyển mạch qua các nút bận để đạt được tốc độ truyền gói nhanh.
Chuyển mạch gói đáp ứng yêu cầu truyền lượng tin lớn và kích thước khung nhỏ để phù hợp với tầng vật lý.
Chuyển mạch ảo:
Hoạt động dựa trên sự thiết lập một liên kết giữ hai thiết bị thông tin. Khi bắt đầu một phiên kết nối, các thiết bị thỏa thuận các kích cỡ gói tin, từ đó nó tạo tạo ra một kênh ảo là đường truyền định trước qua mạng. Kênh ảo này luôn được duy trì đến khi ngừng thông tin, chúng được phân biệt bằng việc lập một kênh logic “ảo” là mạng xử lý như qua một kênh vật lý đã được lập giữa các thiết bị, thật sự không có kênh như vậy nên mạng sẽ có giao diện kết nối vật lý đến các thiết bị cuối kênh.
Chuyển mạch ảo có ưu điểm sau:
Sử dụng hiệu quả dãi thông để nhiều thiết bị có thể định tuyến gói tin qua các kênh trên mạng. Tại một thời điểm nó có thể định tuyến cho nhiều thiết bị đích hoặc điều chỉnh tuyến để đạt hiệu quả cao nhất.
Vì bản tin không được lưu trữ tại các nút nên thời gian truyền sẽ ngắn hơn so với chuyển mạch tin.
3.3 Định hướng kết nối (connection-oriented) và phi kết nối connectionless)