Bài giảng Mạng máy tính - Nguyễn Xuân Anh

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN 1 BÀI GIẢNG MẠNG MÁY TÍNH (Dành cho sinh viên hệ Đại học chính qui chuyên ngành Công nghệ thông tin) Người biên soạn: ThS. Nguyễn Xuân Anh HÀ NỘI – 11/2012 Bài giảng Mạng máy tính – Ths. Nguyễn Xuân Anh 2 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU .............................................................................. 7 1.1 Mạng máy tính và mạng Internet ........................................................... 7 1.2 Phân loại mạng máy tính theo phạm vi địa lý ......................................... 7 1.3 Hình trạng mạng ...................................................................................... 7 1.3.1 Hình trạng vật lý ............................................................................... 7 1.3.2 Hình trạng logic ................................................................................ 8 1.3.3 Kết nối với mạng Internet ................................................................. 9 CHƯƠNG 2: KIẾN TRÚC VÀ HIỆU NĂNG MẠNG ................................. 11 2.1 Chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói ............................................... 11 2.2 Phân tầng và chức năng của các tầng .................................................... 13 2.2.1 Kiến trúc phân tầng ......................................................................... 13 2.2.2 Mô hình OSI ................................................................................... 14 2.2.2.1 Các tiến trình ngang hàng ........................................................ 15 2.2.2.2 Giao diện giữa các tầng ........................................................... 16 2.2.2.3 Tổ chức các tầng ...................................................................... 16 2.2.3 Chức năng các tầng trong mô hình OSI ......................................... 17 2.2.3.1 Tầng vật lý ............................................................................... 17 2.2.3.2 Tầng liên kết dữ liệu ................................................................ 18 2.2.3.3 Tầng mạng ............................................................................... 18 2.2.3.4 Tầng vận tải ............................................................................. 19 2.2.3.5 Tầng phiên ............................................................................... 20 2.2.3.6 Tầng trình diễn ......................................................................... 20 2.2.3.7 Tầng ứng dụng ......................................................................... 21 2.2.4 Mô hình TCP/IP .............................................................................. 21 2.2.4.1 Tầng truy nhập mạng ............................................................... 22 2.2.4.2 Tầng Internet ............................................................................ 22 2.2.4.3 Tầng vận tải ............................................................................. 22 2.2.4.4 Tầng ứng dụng ......................................................................... 23 2.2.5 So sánh mô hình OSI và mô hình TCP/IP ...................................... 24 2.3 Tên miền và địa chỉ ............................................................................... 25 2.3.1 Các dịch vụ tên miền ...................................................................... 25 2.3.1.1 Dịch vụ đặt bí danh cho máy tính ............................................ 26 2.3.1.2 Dịch vụ đặt bí danh cho máy chủ ............................................ 26 2.3.1.3 Phân tán tải .............................................................................. 26 2.3.2 Cơ chế hoạt động của dịch vụ tên miền ......................................... 27 2.3.3 Bản ghi dịch vụ tên miền ................................................................ 29 Bài giảng Mạng máy tính – Ths. Nguyễn Xuân Anh 3 2.4 Nguyên tắc thiết kế Internet .................................................................. 31 2.5 Các yếu tố tạo nên hiệu năng mạng ....................................................... 36 2.5.1 Các yếu tố đánh giá hiệu năng mạng .............................................. 36 2.5.2 Vai trò của việc đánh giá hiệu năng mạng máy tính ...................... 36 2.5.3 Các phương pháp đánh giá hiệu năng mạng................................... 37 CHƯƠNG 3: TẦNG ỨNG DỤNG ................................................................ 40 3.1 Các khái niệm và cài đặt các giao thức tầng ứng dụng ......................... 40 3.1.1 Mô hình dịch vụ của tầng ứng dụng ............................................... 40 3.1.2 Mô hình khách chủ ......................................................................... 42 3.1.3 Mô hình ngang hàng ....................................................................... 42 3.2 Các giao thức thường dùng tại lớp ứng dụng ........................................ 42 3.2.1 Giao thức truy nhập trang web HTTP ............................................ 42 3.2.1.1 Tổng quan về giao thức HTTP ................................................ 43 3.2.1.2 Khuôn dạng của bản tin HTTP ................................................ 46 3.2.1.3 Tương tác người dùng-máy chủ .............................................. 49 3.2.1.4 GET có điều kiện ..................................................................... 50 3.2.1.5 Web caches .............................................................................. 52 3.2.2 Giao thức truyền tập tin FTP .......................................................... 53 3.2.3 Giao thức chuyển thư điện tử ......................................................... 55 3.2.3.1 SMTP ....................................................................................... 57 3.2.3.2 POP3 ........................................................................................ 65 3.2.3.3 IMAP ....................................................................................... 66 3.3 Một số ứng dụng quen thuộc ................................................................. 67 3.3.1 Trình duyệt web .............................................................................. 67 3.3.2 Phần mềm đọc thư điện tử .............................................................. 69 3.3.3 Trình đa phương tiện ...................................................................... 69 3.3.4 Tiện ích Telnet, rlogin, ssh ............................................................. 69 CHƯƠNG 4: TẦNG VẬN TẢI ..................................................................... 71 4.1 Ghép kênh và phân kênh, các giao thức TCP và UDP .......................... 71 4.1.1 Ghép kênh và phân kênh ................................................................ 71 4.1.2 Giao thức TCP ................................................................................ 75 4.1.3 Giao thức UDP ............................................................................... 75 4.1.3.1 Cấu trúc dữ liệu của giao thức UDP ........................................ 77 4.1.3.2 Cách tính UDP checksum ........................................................ 77 4.2 Các nguyên lý truyền tin cậy ................................................................. 78 4.2.1 Xây dựng giao thức truyền dữ liệu tin cậy ..................................... 79 4.2.1.1 Truyền dữ liệu tin cậy trên kênh tin cậy hoàn toàn ................. 79 4.2.1.2 Truyền dữ liệu tin cây trên kênh truyền có lỗi bit ................... 79 Bài giảng Mạng máy tính – Ths. Nguyễn Xuân Anh 4 4.2.1.3 Truyền dữ liệu tin cây khi có lỗi ............................................. 83 4.3 Điều khiển lưu lượng ............................................................................. 86 4.4 Nâng cao hiệu năng bằng đường ống Pipeline ...................................... 87 4.4.1 Giao thức Go-back-N ..................................................................... 88 4.4.2 Giao thức lặp lại có lựa chọn .......................................................... 92 CHƯƠNG 5: LẬP TRÌNH SOCKET ............................................................ 97 5.1 Khái niệm về socket .............................................................................. 97 5.1.1 Mô hình client/server ...................................................................... 97 5.1.2 Các kiến trúc Client/Server ............................................................ 98 5.1.2.1 Client/Server hai tầng .............................................................. 98 5.1.2.2 Client/Server ba tầng ............................................................... 99 5.1.2.3 Kiến trúc n- tầng ..................................................................... 99 5.1.3 Mô hình truyền tin socket ............................................................... 99 5.2 Java sockets ......................................................................................... 101 5.2.1 Socket cho phía server .................................................................. 101 5.2.2 Socket cho phía Client .................................................................. 103 5.3 Máy chủ đa xử lý ................................................................................. 105 5.4 Lập trình socket với ngôn ngữ C ......................................................... 105 CHƯƠNG 6: GIAO THỨC TCP ................................................................. 107 6.1 Cấu trúc segment ................................................................................. 107 6.2 Truyền dữ liệu tin cậy .......................................................................... 108 6.3 Điều khiển luồng ................................................................................. 112 6.4 Quản lý kết nối .................................................................................... 114 6.5 Điều khiển tắc nghẽn ........................................................................... 117 CHƯƠNG 7: TẦNG MẠNG VÀ GIAO THỨC IP .................................... 121 7.1 Mô hình dịch vụ tầng mạng ................................................................. 121 7.1.1 Nguyên lý chuyển mạch tầng mạng ............................................. 122 7.1.2 Lịch sử chuyển mạch gói và chuyển mạch ảo .............................. 125 7.2 Nguyên tắc định tuyến ......................................................................... 126 7.2.1 Thuật toán định tuyến theo trạng thái đường truyền .................... 128 7.2.2 Thuật toán vector khoảng cách ..................................................... 131 7.3 Định tuyến phân cấp ............................................................................ 135 7.4 Giao thức IP ......................................................................................... 136 7.4.1 Địa chỉ IPv4 .................................................................................. 137 7.4.1.1 Vấn đề địa chỉ và định tuyến ................................................. 141 7.4.1.2 Khuôn dạng gói dữ liệu IP ..................................................... 142 7.4.1.3 Phân mảnh và hợp nhất gói tin IP .......................................... 144 7.4.2 Địa chỉ IP V6 ................................................................................ 147 Bài giảng Mạng máy tính – Ths. Nguyễn Xuân Anh 5 7.4.2.1 Định dạng gói tin IP V6 ......................................................... 147 7.4.2.2 ICMP cho IPV6 ..................................................................... 149 7.4.3 Chuyển từ IPv4 sang IPv6 ............................................................ 149 7.5 Định tuyến trên Internet ...................................................................... 149 7.5.1 Giao thức RIP ............................................................................... 150 7.5.2 Giao thức OSPF ............................................................................ 151 7.5.3 Giao thức BGP .............................................................................. 151 7.6 Các giao thức khác .............................................................................. 152 7.6.1 Giao thức ICMP ............................................................................ 152 7.6.2 Cấp phát địa chỉ IP ........................................................................ 153 7.6.2.1 Giao thức RARP .................................................................... 153 7.6.2.2 Giao thức BOOTP ................................................................. 154 7.6.2.3 Giao thức DHCP .................................................................... 154 7.7 Chuyển đổi địa chỉ ............................................................................... 155 7.7.1.1 Giao thức ARP ....................................................................... 155 7.7.1.2 Chuyển đổi địa chỉ - NAT .................................................... 156 7.8 Chia mạng ............................................................................................ 156 CHƯƠNG 8: TẦNG LIÊN KẾT ................................................................. 157 8.1 Mô hình dịch vụ tầng liên kết dữ liệu ................................................. 157 8.2 Giao thức đa truy nhập ........................................................................ 158 8.2.1 Giao thức phân chia kênh truyền .................................................. 161 8.2.2 Giao thức đa truy cập ngẫu nhiên ................................................. 162 8.2.2.1 Slotted ALOHA ..................................................................... 162 8.2.2.2 ALOHA thuần túy ................................................................. 163 8.2.2.3 Đa truy cập cảm nhận sóng mang .......................................... 164 8.3 Các công nghệ kết nối ......................................................................... 165 8.3.1 Công nghệ Ethernet ...................................................................... 165 8.3.1.1 Cấu trúc khung dữ liệu Ethernet ........................................... 166 8.3.1.2 Dịch vụ truyền số liệu không liên kết .................................... 167 8.3.1.3 Dải tần cơ sở và mã hoá Manchester ..................................... 168 8.3.1.4 CSMA/CD ............................................................................. 168 8.3.1.5 Hiệu suất Ethernet .................................................................. 170 8.3.1.6 Các công nghệ Ethernet ......................................................... 171 8.3.2 Kết nối mạng diện rộng ................................................................ 173 8.3.2.1 Giao thức PPP ........................................................................ 173 8.3.2.2 Giao thức điều khiển đường truyền PPP .............................. 176 8.4 Các thiết bị mạng nội bộ ...................................................................... 178 8.4.1 Bộ tập trung .................................................................................. 178 Bài giảng Mạng máy tính – Ths. Nguyễn Xuân Anh 6 8.4.2 Cầu nối .......................................................................................... 179 8.4.2.1 Nguyên lý lọc và chuyển tiếp ................................................ 180 8.4.2.2 Xây dựng bảng chuyển mạch ................................................ 182 8.4.2.3 Spanning Tree ........................................................................ 182 8.4.2.4 So sánh cầu nối và thiết bị định tuyến .................................. 183 8.4.2.5 Kết nối các đoạn mạng qua đường trục ................................. 185 8.4.3 Switch ........................................................................................... 185 8.5 Kết nối không dây ............................................................................... 186 8.5.1 Các mô hình kết nối mạng không dây .......................................... 187 8.5.2 Ưu và nhược điểm của kết nối không dây .................................... 188 BÀI TẬP TỔNG HỢP ...................................................................................... 190 Bài giảng Mạng máy tính – Ths. Nguyễn Xuân Anh 7 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Mạng máy tính và mạng Internet Mạng máy tính là một hệ thống bao gồm các máy tính được nối kết với nhau để trao đổi thông tin. Việc kết nối các máy tính với nhau nhằm mục đích sau:  Chia sẻ phần cứng: người sử dụng có thể dùng chung các thiết bị phần cứng như máy in, máy vẽ. Cao hơn nữa, người dùng có thể tận dụng năng lực xử lý của các máy tính khác.  Chia sẻ dữ liệu: Dữ liệu được quản lý tập trung, như vậy sẽ đảm bảo an toàn và toàn vẹn dữ liệu.  Trao đổi thông tin: việc trao đổi thông tin như thư điện tử, đăng tin lên các trang thông tin điện tử một cách dễ dàng, nhanh chóng và tiện lợi. Nếu nhiều mạng máy tính với nhau gọi là kết nối liên mạng (internet), việc kết liên mạng trên phạm vi toàn cầu đã hình thành nên mạng Internet. Sự phát triển của mạng Internet đã vượt xa những dự đoán của những người sáng lập, nó đã làm thay đổi lối sống của nhân loại. 1.2 Phân loại mạng máy tính theo phạm vi địa lý Mạng máy tính có thể được đặt trên một khu vực nhất định, ví dụ: trong một căn phòng, một tòa nhà, một quốc gia hay trên phạm vi toàn cầu. Dựa vào phạm vi phân bổ của các máy tính trong mạng người ta có thể phân ra các loại mạng, trong đó khái niệm mạng cục bộ (LAN - Local Area Network) và mạng diện rộng (WAN - Wide Area Network) thường hay được nhắc tới. Mạng cục bộ kết nối các máy tính trong một khu vực bán kính hẹp, thông thường dưới 1 Km, băng thông tương đối lớn, thường được sử dụng trong nội bộ một gia đình, cơ quan…. Mạng diện rộng kết nối các máy tính có phạm vi lớn hơn 1 Km và thường được lắp đặt dựa trên nền tảng mạng viễn thông. Mạng cục bộ thường có băng thông lớn được thiết kế để kết nối các máy tính trong một khu vực địa lý nhỏ như ở một tầng của toà nhà, hoặc trong một toà nhà.... Mạng cục bộ cho phép dùng chung những thiết bị ngoại vi như máy in, máy chiếu… và thậm chí có thể chia sẻ các tài nguyên trên mỗi máy tính như ổ đĩa, phần mềm, tài nguyên dữ liệu. 1.3 Hình trạng mạng Hình trạng mạng (Network Topology) là cấu trúc máy tính liên kết các máy tính với nhau, cần phải phân biệt hình trạng vật lý và hình trạng logic. Hình trạng vật lý trả lời cho câu hỏi các máy tính được nối với nhau như thế nào (phản ánh cấu trúc hình học của mạng). Hình trạng logic trả lời cho câu hỏi các máy tính trao đổi thông tin với nhau như thế nào (mạng vận hành theo nguyên tắc nào). 1.3.1 Hình trạng vật lý Hình trạng vật lý có 3 dạng cấu trúc cơ bản là: dạng tuyến (Bus Topology), dạng vòng (Ring Topology) và dạng hình sao (Star Topology). Từ ba dạng cấu Bài giảng Mạng máy tính – Ths. Nguyễn Xuân Anh 8 trúc cơ bản trên sẽ tạo lập các hình thạng mạng khác như: dạng hình cây (Tree), dạng hỗn hợp (Mesh),v.v.... Hình 1.1 Các hình trạng vật lý Dạng tuyến: Theo cách bố trí hành lang, tất cả các máy tính trong mạng đều được nối với nhau trên một trục đường dây cáp chính. Hai đầu mút của dây cáp được bịt bởi một thiết bị gọi là kết cuối (Terminator), kết cuối có tác dụng giữ cho các tín hiệu di chuyển trên dây giảm được suy hao. Loại dạng này dùng ít dây cáp nhất, dễ lắp đặt. Tuy nhiên, khi có sự hỏng hóc ở đoạn nào đó thì rất khó phát hiện, chỉ cần một điểm trên đường dây bị đứt sẽ ngừng hoạt động của toàn bộ mạng. Dạng vòng: Đường dây cáp được thiết kế làm thành một vòng khép kín, tín hiệu chạy quanh theo một chiều nào đó. Mạng dạng vòng tiết kiệm dây dẫn nhưng đường dây phải khép kín, nếu bị ngắt ở một nơi nào đó thì toàn bộ mạng s