Bài giảng chương 3: Mạng máy tính

CHƯƠNG III MẠNG MÁY TÍNH 3.1. Tổng quan về mạng máy tính Mạng máy tính gồm các máy tính, cáp mạng, Card mạng, các thiết bị mạng khác,... được kết nối lại thành một hệ thống và cùng với hệ điều hành mạng, hệ thống này có thể được sử dụng để làm việc như một đơn thể. Dữ liệu máy tính truyền đi trên mạng là các dữ liệu số. Một mạng máy tính cần đảm bảo các nguyên tắc: Phải có một chuẩn thống nhất để các máy tính nhận biết được nhau khi ở cùng trên một mạng và xác định được hướng truyền thông tin trên mạng. Thông tin không bị mất mát và sai sót trên đường truyền. Thông tin phải được truyền nhanh chóng, kịp thời chính xác. Ích lợi của kết nối Mạng máy tính : Giúp con người làm tăng hiệu quả công việc. Có thể liên lạc với nhau mà không cần tính đến không gian và thời gian. Có thể tổ chức trao đổi, chuyên đề, đào tạo từ xa... 3.2. các thiết bị mạng Các máy tính đóng vai trò trạm làm việc (Workstation) dùng cho người sử dụng mạng . Một hoặc nhiều máy Server của mạng là máy chia sẻ tài nguyên cho các máy trạm. Các máy in mạng dùng chung cho tất cả các Workstation. Hub hoặc Switch hoặc MAU là các thiết bị trung tâm của mạng. Router (phân tuyến) Bridge (cầu) đó là các thiết bị điều phối các tuyến truyền dữ liệu giữa các mạng. Cáp mạng, Card mạng,.... 3.3. Cấu trúc của mạng máy tính Mạng máy tính được cấu thành từ hai phần cơ bản: Cấu trúc vật lý và cấu trúc lôgic 3.3.1. Cấu trúc vật lý Bao gồm tất cả các thiết bị cứng: Máy tính, Card mạng (NetWork Interface Card Viết tắt NIC ), Cáp mạng (Network cable), Hub, Switch, .. để kết nối thành mạng. Có 3 kiểu cấu trúc vật lý: Bus, Sao (Star) và Ring (Ring và FDDI = Fiber Distributed Data Interface) Hình 3.3.1-1 Bus 3.3.1.1. Mạng Bus (Bus network) Kiểu kết nối của mạng Bus là kiểu kết nối nối tiếp (như mạng Autobus chạy điện - dây dẫn điện đóng vai trò cáp mạng, các bến là các máy tính, máy in,...) và dùng cáp đồng trục (như cáp TV). - Ưu điểm Mạng bus có cấu trúc đơn giản. Khi các máy tính đã được nối thành mạng thì chỉ cần cài hệ điều hành cho mạng, là ta sẽ có một mạng hoạt động được ngay. - Nhược điểm Do kết nối giữa các máy tính là nối tiếp nên chỉ cần một mối kết nối nào đó giữa hai máy nào đó bị trục trặc là toàn bộ hệ thống mạng máy ngừng hoạt động. 3.3.1.2. Mạng hình sao (Star network) Mạng Star có dùng một thiết bị gọi chung là bộ tập trung (Concentrator) Hub, hoặc là Switch, hoặc MAU để cho các máy tính, và thiết bị khác trong mạng nối trực tiếp với nó. Star dùng cáp xoắn có chân cắm (như cáp và đầu cắm điện thoại) Hình 3.3.1-2. Star Hub - Ưu điểm Mạng hình sao có thể thêm hoặc bớt một số máy hoặc có hỏng hóc trên một mối nối nào đó thì mạng vẫn hoạt động mà không ảnh hưởng gì đến các máy khác trong mạng. - Nhược điểm Khi trong mạng có nhiều máy máy tính kết nối sẽ dễ tắc nghẽn, vì thực chất bộ tập trung là nơi chứa segment của mạng Bus. 3.3.1.3. Mạng vòng (Ring network). Hình 3.3.1-3. Ring Ring Cách kết nối các thiết bị phần cứng giống như mạng sao, nhưng không sử dụng Hub hoặc Switch mà thiết bị trung tâm là MAU (Multistation Access Unit). Cách thức hoạt động của MAU cũng giống như Hub nhưng được sử dụng trong giao thức truyền số liệu kiểu Token Ring, cáp được dùng thường là cáp xoắn hoặc cáp quang. 3.3.1.4. Mạng FDDI (Fiber Distributed Data Interface) Hình 3.3.1-4. FDDI Dual home R1 R2 Dùng cáp quang, cấu hình tương tự Token Ring nhưng ở đây có một điểm khác biệt. Trong FDDI một máy tính có thể kết nối đồng thời với 2 thiết bị trung tâm để đề phòng một trong hai tuyến kết nối có sự cố thì mạng vẫn hoạt động bình thường. Các máy tính được nối đồng thời với nhiều thiết bị trung tâm gọi là máy Dual Homed. Tốc độ truyền của FDDI rất nhanh, độ an toàn cao nhưng giá thành đắt, nên thường được dùng trong các hệ thống lớn chạy các ứng dụng cao cấp như ngân hàng, trung tâm chứng khoán, an ninh quốc phòng... 3.3.2. Cấu trúc logic Cấu trúc logic quy định các quy tắc truyền dữ liệu trên đường truyền. Có 4 cấu trúc thông dụng nhất: Ethernet, Token Ring, FDDI và ATM. 3.3.2.1. Cấu trúc Ethernet Ethernet dùng kỹ thuât thâm nhập nhiều mối bằng cảm nhận sóng mang có dò xung đột ( CSMA/CD -Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) để đề phòng trục trặc cho mạng khi có hai thiết bị đồng thời cùng cố thâm nhập vào mạng. Trong môi trường CSMA/CD các máy trong mạng đều phải lắng nghe kênh truyền trước khi gửi gói dữ liệu, chỉ khi nào thấy đường truyền im lặng thì mới gửi gói dữ liệu của mình đi. Khi có hai máy tính cùng gửi gói dữ liệu lên đường truyền , thì cả hai máy đều cảm thấy có xung đột nên đều dừng truyền, chờ một thời gian nhất định ngẫu nhiên rồi truyền lại. Nhờ đó mà giảm được xung đột trên đường truyền. 3.3.2.2.Cấu trúc Token Ring Quyền được truyền trên mạng token ring dựa trên việc sở hữu một thẻ token. Token là một khung nhỏ chạy quanh mạng cho đến khi một trạm có nhu cầu chuyển tải lấy được khung này. Trạm này chuyển token này thành một khung bình thường để truyền dữ liệu. Sau đó khung này được chuyển tiếp trên đường vòng. Trong suốt thời gian này, không có token nào trên mạng, vì thế không có trạm nào khác có thể truyền dữ liệu. Vì token ring không có vấn đề tranh chấp giống như Ethernet, nó là xác định, nghĩa là có thể dự đoán thời gian và độ trì hoãn, rất hữu ích khi gởi thông tin nhạy bén như audio hay video thời gian thực. Ưu điểm Ưu điểm của mạng Token Ring là giải quyết được hoàn toàn vấn đề xung đột đường truyền. Nhược điểm Nhược điểm của mạng Token Ring là khi có số máy tính quá nhiều trên mạng thì tại một thời điểm sẽ có rất nhiều máy phải chờ để nhận Token, vì vậy làm giảm hiệu quả của mạng. 3.3.2.3. Cấu trúc FDDI FDDI là công nghệ mạng cao tốc do ủy ban X3T9.5 của ANSI phát triển. Ban đầu được thiết kế cho cáp quang nhưng ngày nay nó cũng hỗ trợ cáp đồng với khoảng cách ngắn hơn. Chuẩn này được dùng phổ biến trên mạng LAN. FDDI có tốc độ 10Mbit/s và dùng đồ hình vòng kép dự phòng, hỗ trợ 500 nút với khoảng cách cực đại 100km. Với khoảng cách này FDDI cũng được dùng cho mạng MAN (Metropolitan Area Network). FDDI dùng phương pháp truy cập token-passing (truyền token). Một khung token được truyền qua mạng từ trạm nàyđến trạm khác; khi một trạm cần truyền dữ liệu, nó giữ lấy token này. Sau đó trạm này truyền một khung và “tháo vòng” để xóa khung sau khi nó di chuyển giáp vòng. Một cơ chế điều khiển được dùng để tránh tình trạng một trạm nào đó giữ token quá lâu. 3.3.2.4. Cấu trúc ATM (Asynchronous Transfer Mode = Kiểu truyền tải bbất đồng bộ) ATM là một công nghệ mạng tốc độ-cao được thiết kế để dùng cho cả mạng cục bộ (LAN) và mạng diện rộng (WAN). Nó là công nghệ chuyển mạch hướng kết nối, nghĩa là một mạch dành riêng được thiết lập giữa hai hệ thống cuối trước khi một phiên liên lạc có thể bắt đầu. Star1 Star2 Hình 3.4.1-1.LAN nối hai starnetwork Thông tin được truyền dưới dạng các cell xuyên qua một giàn lưới chuyển mạch. Một cell là một gói thông tin chiều dài-cố định, hoàn toàn đối lập với một khung - một gói thông tin có chiều dài biến đổi. Khác biệt giữa chiều dài cố định và biến đổi là điểm cốt lõi đối với những gì ATM cung cấp. 3.4. Các kiểu mạng 3.4.1. Mạng cục bộ LAN (Local Area Network) Mạng LAN là một hệ thống thông tin dùng chung với nhiều máy tính được kết nối với nhau. Mạng LAN chỉ giới hạn trong cục bộ. Tính cục bộ là do đặc trưng điện tử của mạng chứ không phải là do mạng cục bộ đầu tiên được thiết kế để dành cho các phòng ban, mặc dù lý do sau mô tả chính xác mạng cục bộ. 3.4.2. Mạng trung tâm MAN (Metropolitan Area Network) LAN1 LAN2 Hình 3.4.2-1.MAN gồm 2 LAN Truyền thông MAN là mạng đường trục bao phủ một khu vực đô thị và thường được quản lý theo quy định của chính quyền địa phương hay chính phủ. Công ty điện thoại, các dịch vụ cáp, và những nhà cung cấp khác cung cấp dịch vụ MAN cho các công ty cần xây dựng mạng bao phủ những khu vực đô thị. Việc kết nối vào MAN thông qua cầu nối và router trên đường T1, ISDN (Integrated Services Digital Network) hay những liên kết tương tự. Một số công ty cung cấp những kết nối thẳng vào MAN, không qua đường truyền cục bộ. Một DSU (data service unit) sẽ chuyển đổ những gói LAN thành các khối 53 byte theo tiêu chuẩn DQDB. Kích thước khối phù hợp với mạng ATM (Asynchronous Transfer Mode) và B-ISDN (Broadband-Integrated Services Digital Network). Cả hai dạng mạng này đều cho phép tốc độ truyền thay đổi theo yêu cầu và có thể dùng phương tiện truyền bằng cáp quang. Một kết nối MAN tiêu biểu bao gồm một bộ chuyển mạch hỗ trợ âm thanh, video và quá trình truyền dữ liệu trên LAN. Khách hàng cần có thiết bị thích ứng (gọi là đơn vị giao diện mạng khách hàng - customer network interface unit - CNIU) ở nhà và kết nối với một cơ quan cung cấp dịch vụ MAN qua đường truyền cho thuê đáp ứng được yêu cầu về dữ liệu. CNIU có giao diện tương thích hỗ trợ phục vụ chuyển mạch cho điện thoại số và những dịch vụ đẳng thời khác. 3.4.3. Mạng diện rộng WAN (Wide Area Network) LAN2 MAN gồm LAN1 và LAN2 Truyền thông Truyền thông LAN1 Hìmh 3.4.3-1. WAN gồm một MAN và LAN3 Một mạng máy tính sử dụng truyền thông cự ly xa, tốc độ cao hoặc dùng vệ tinh để kết nối các máy tính, vượt xa hơn cự li hoạt động của mạng cục bộ. WAN là sự kết nối các LAN và các MAN ở các vị trí địa lý xa nhau thành một mạng dùng đường truyền tốc độ cao như T1/T3 là các dịch vụ đường truyền T cung cấp kỹ thuật dồn (multiplex) để chuyển các kênh thoại bội qua đường liên tỉnh số hóa. Các dịch vụ nàycũng được dùng để truyền dữ liệu. Các mức đường truyền phổ biến nhất là T1 và T3. Đường T1 hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu 1.544 Mbit/s, đường T3 hỗ trợ tốc độ 45Mbit/s. Đường T4 có tốc độ 274.176 Mbit/s. T1 có thể cung cấp 24 kênh truyền âm sử dụng kỹ thuật số, có nghĩa là công ty điện thoại cung cấp cho doanh nghiệp 1 đường dây T1 với 24 cuộc gọi riêng lẻ, thay vì cung cấp 24 đường dây điện thoại. WAN thường được dùng trong các trường hợp cần đảm bảo cho tất cả mọi người sử dụng hợp pháp đều có thể truy cập vào một khối lượng rất lớn thông tin dùng chung như các CSDL hoặc các hệ thống rút tiền tự động của ngân hàng…. WAN bao giờ cũng cần phải có thiết bị phân tuyến Router để phân tuyến dữ liệu đến đúng LAN hoặc MAN cần đến. 3.5. Truyền dữ liệu trên mạng Để truyền dữ liệu nhị phân qua một đường dây, các chữ số nhị phân tạo nên mỗi phần tử truyền đi phải được chuyển thành các tín hiệu điện. Ví dụ có thể truyền mỗi bít nhị phân 1 bằng cách đặt lên đường dây biên độ điện thế +V và truyền mỗi bít nhị phân 0 biên độ điện thế -V. Khi nhận được các tín hiệu điện thế này, thiết bị thu sẽ dịch +V thành 1 và -V thành 0. Trong thực tế, các tín hiệu được truyền đi bị suy giảm và méo dạng bởi môi trường truyền, đôi khi bộ thu không thể phân biệt tín hiệu nhận được là 1 hay là 0. Mức độ suy giảm và méo dạng chịu ảnh hưởng mhiều nhất bởi 3 đặc điểm: Loại môi trường truyền, tốc độ bít đang truyền và cự ly giữa thiết bị truyền và thiết bị thu (cả hai thiết bị thường được gọi chung là DTE (Data Terminal Equipment - thiết bị đầu cuối dữ liệu). Vì sự suy giảm và méo dạng trong các loại môi trường truyền và các thành phần vật lý khác nhau là khác nhau, nên các tiêu chuẩn quốc tế đã được định nghĩa cho giao tiếp giữa hai loại chủng loại thiết bị dữ liệu. Các chuẩn này không chỉ định nghĩa các mức tín hiệu điện được dùng mà còn chỉ ra cách thức áp dụng và ý nghĩa của bất kỳ tín hiệu điều khiển nào cùng với các tiêu chuẩn được dùng tại giao tiếp vật lý. Các tiêu chuần được đưa ra bởi hai tổ chức là ITU-T (International Telecommunication Union - Telecommunication Sector: Liên hợp viễn thông quốc tế - Lĩnh vực viễn thông) trước đây tại Châu Âu chính là CCITT(Consultative Committee for International Telephony and Telegraphy) và tại Mỹ là EIA (Electrical Industries Association: hiệp hội công nghiệp điện tử). 3.5.1. Môi trường truyền Môi trường truyền là môi trường vật chất để tín hiệu có thể truyền được từ nơi phát đến nơi thu. Mọi sự liên lạc giữa hai thiết bi đầu cuối – TE (Terminal Equipement) đều phải thông qua môi trường truyền. Có hai loại môi trường cơ bản là môi trường định hướng và môi trường không định hướng. Trong môi trường định hướng thì sóng điện từ truyền theo con đường vật lý như cáp song hành, đồng trục, cáp quang,…Còn trong môi trường không định hướng là truyền lan – qua không khí, qua nước,... Đường nối trực tiếp là đường truyền giữa hai TE mà tín hiệu được phát và nhận trực tiếp – không phải qua thiết bị trung gian nào trừ Repeater (bộ khuyếch đại). Đường nối trực tiếp tạo ra giữa các máy thu và các máy phát theo các quan hệ 1-1, 1-n hoặc n-n 3.5.2. Các đường truyền định hướng - Hai dây không xoắn Hai dây cách ly nhau và không xoắn vào nhau. Loại đường dây này thích hợp cho kết nối 2 thiết bị cách nhau đến 50m dùng cho việc truyền tốc độ nhỏ hơn 19,2Kbps. Tín hiệu là mức điện thế hay cường độ dòng điện. Đường hai dây không xoắn thường phải tránh nhiễu xuyên âm do các dây dẫn để kề nhau và phải tránh các loại nhiễu khác thâm nhập vào như tín hiệu do bức xạ điện từ,.... Vì máy thu hoạt động trên cơ sở phân biệt mức chênh lệch điện thế giữa hai dây, điều này dẫn đến đọc sai tín hiệu gốc làm hạn chế cự ly và tốc độ truyền của tín hiệu. - Các đường dây xoắn đôi. Có thể loại bỏ các tín hiệu nhiễu của đường truyền hai đây không xoắn bằng cách dùng cáp xoắn đôi, tức là một cặp dây xoắn lại với nhau làm nhiệm vụ dây tín hiệu và dây nối đất. Như vậy khi có một tín hiệu xâm nhập đường truyền thì sẽ xâm nhập cả hai dây, do đó mức chênh lệch điện thế giữa hai dây sẽ không thay đổi (do sự triệt tiêu lẫn nhau của tín hiệu xâm nhập). Hơn nữa, nếu có nhiều cặp xoắn trong cùng một cáp thì việc xoắn của mỗi cặp cũng làm giảm nhiễu xuyên âm. - Các đường dây đồng trục. Với dây xoắn đôi sẻ xẩy ra hiện tượng hiệu ứng lớp ngoài, tức là khi tốc độ truyền cao, dòng điện chạy trên đường dây có khuynh hướng chỉ chạy ở lớp ngoài của dây dẫn, do đó một phần rất ít của đường dây có sẵn được sử dụng. Điều này làm tăng trở kháng của các đường dây truyền tín hiệu có tần số cao, dẫn đến suy giảm năng lượng tín hiệu. Mặt khác với tần số cao thì năng lượng của tín hiệu bị tiêu hao nhiều do ảnh hưởng của bức xạ. Vì vậy người ta dùng cáp đồng trục để làm giảm thiếu hai ảnh hưởng trên khi có yêu cầu truyền với tốc độ từ 1Mbps trở lên. Trong cáp đồng trục thì dây tín hiệu là một dây dẫn (hay một búi dây) còn dây đất là lưới dây dẫn viền quanh dây tín hiệu, cả hai dây được được cách ly bởi lớp cách điện và được bọc bởi một lớp bảo vệ. - Các đường cáp quang. Cáp quang gồm một sợi thủy tinh trong suốt lớn hơn sợi tóc một tí. Các photon đi qua sợi thủy tinh này với điện trở không đáng kể. Lõi của cáp quang là dioxide silic thuần chất. Bạn có thể quấn cáp quanh người, chiếu sáng ở một đầu và thấy ánh sáng ở đầu kia. Cáp đồng thì ngược lại, gặp phải các vấn đề như độ suy giảm, dung kháng và nhiễu xuyên kênh (crosstalk). Cáp quang có sức chịu đựng với trường điện từ và không tạo ra bức xạ. Điều nàyrất cần cho những nơi có nhu cầu bảo đảm mức an toàn cao nhất. Cáp đồng bức xạ năng lượng nên dễ bị theo dõi và dễ mắc rẽ để trộm tin. Còn cáp quang thì rất khó làm các việc đó. Cáp quang còn có cự li truyền dài hơn nhiều so với cáp đồng. Hình 3.5.3-1. Đường truyền vệ tinh Thông tin được truyền qua cáp quang bằng các xung ánh sáng laser. Các tín hiệu điện tử 0 và 1 trên máy tính được chuyển sang tín hiệu quang 0 và 1. Một diode bức xạ ánh sáng ở một đầu cáp sẽ chiếu những tín hiệu này dọc theo đường cáp. Ở đầu kia, bộ tách sóng quang thu thập ánh sáng và chuyển đổi thành các tín hiệu điện tử để truyền qua mạng cáp đồng. Ánh sáng chiếu được từ đầu nàyđến đầu kia. Lớp phủ, bằng thủy tinh bao quanh lõi là một thành phần quan trọng. Giống như tấm gương, nó phản chiếu ánh sáng trở lại lõi. Khi ánh sáng đi qua cáp, nó phản chiếu trên lớp phủ theo nhiều cách. 3.5.3. Các đường truyền không định hướng - Đường truyền vệ tinh Hệ thống truyền thông vệ tinh nhận và truyền tín hiệu giữa các trạm trên trái đất và vệ tinh trong không gian. Các loại vệ tinh là: địa tĩnh (geosynchronous sattellite) ở quỹ đạo cao, vệ tinh LEO (Low Earth Orbit satellite: vệ tinh ở quỹ đạo thấp), và các vệ tinh ở quỹ đạo tầm trung. LEO gần với mặt đất và ít tiêu hao năng lượng, vì vậy có thể hỗ trợ các loại thiết bị truyền thông cầm tay. Vệ tinh địa tĩnh được đặt trên quỹ đạo cố định ở độ cao 22.300 dặm so với mặt đất, vệ tinh này nhận các tín hiệu “tải lên” (uplink) từ các đài phát ở mặt đất (hoặc các vệ tinh khác) và tải các tín hiệu này xuống đất (downlink) (hoặc tới các vệ tinh khác). Downlink bao phủ một vùng được gọi là footprint, vùng này có thể rất rộng hoặc chỉ là một vùng tập trung. Các vệ tinh này thường được dùng cho việc truyền hình ảnh. Quỹ đạo địa tĩnh là lý tưởng vì các vệ tinh này luôn ở trạng thái đồng bộ với một vị trí xác định và di chuyển với vận tốc bằng vận tốc quay của trái đất. Hình 3.5.3-2. Truyền viba - Đường truyền viba Sóng vi ba có dải tần cao hơn 1000 MHz. (Trong lò vi ba chúng ta dùng hàng ngày cũng có một ống điện tử tạo ra sóng 2,45 GHz để làm nóng vỉ lò.) Hệ thống truyền thông bằng vi ba có thể truyền dữ liệu qua không khí và những nơi quang đãng, và nó là phương pháp truyền đuờng dài được dùng nhiều nhất ở Mỹ. Tần số truyền từ 2 - 25 GHz, có băng thông lớn khi dùng trong truyền đường ngắn của những mạng cá nhân. Truyền thông vi ba rất được quan tâm khi không thể dùng cáp và khi giữa hai điểm truyền là một đường thẳng ví dụ như: - Vệ tinh đến mặt đất. - Giữa hai tòa nhà trong thành phố. - Qua những vùng rộng lớn không thể đặt cáp như sa mạc, hồ lớn, đầm lầy. Một hệ thống truyền thông vi ba bao gồm hai anten trực diện với chùm năng lượng vi ba được bố trí theo cấu hình điểm-điểm. Hình 3.5.3-3. Tần số thấp tượng hoáấp Base Station Các anten cần phải hướng về nhau, để truyền và nhận các̀ chùm tia rất tập trung của nhau. Mặt cong của trái đất hạn chế khoảng cách giữa hai anten, do đó anten càng đặt trên cao thì khoảng cách tối đa giữa chúng càng lớn. Một anten đặt trên một tháp nhà cao 300 bộ thì chỉ có thể truyền cho anten cách xa nó 50 dặm. Dĩ nhiên, đó là trong trường hợp các chướng ngại vật như các tòa nhà, núi không tồn tại giữa hai anten này. Đường truyền vô tuyến tần số thấp Một trạm phát vô tuyến được gọi là trạm cơ bản (Base Station) được kết nối hữu tuyến và nằm giữa các máy tính phân tán. Trạm cơ bản phát tín hiệu đến các máy tính đặt trong vùng phủ sóng của trạm cơ bản. Khi phạm vi rộng và dùng đường vô tuyến tần số tháp, ngươì ta hay dùng cấu trúc đa tạm theo kiểu cấu trúc tế bào 3.6. đóng gói dữ liệu Dữ liệu được chuyển đi dưới dạng những gói có kích thước như nhau gọi là Datagram hoặc là gói dữ liệu. Kỹ thuật biến đổi dữ liệu thành các gói để truyền lên mạng được gọi là đóng gói dữ liệu. Đó là một trong những kỹ thuật hết sức quan trọng trong môi trường mạng. Có thể xem đóng g