Chương 2: Các khái niệm cơ bản

CHƯƠNG 2: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Trước khi khảo sát cách truyền dữ liệu từ thiết bị này đến thiết bị khác, một vấn đề quan trọng là ta phải hiểu mối quan hệ giữa các thiết bị thông tin. Có năm khái niệm chung để cung cấp về các mối quan hệ cơ bản giữa các thiết bị thông tin. Đó là: Cấu hình đường dây Tôpô mạng Chế độ truyền Các loại mạng Các kết nối liên mạng 2.1CẤU HÌNH ĐƯỜNG DÂY Cấu hình đường dây là phương thức để hai hay nhiều thiết bị mắc vào kết nối. Kết nối là đường truyền thông tin vật lý để truyền dữ liệu từ thiết bị này sang thiết bị khác. Để dễ hiểu, hãy xem đường truyền là đường thẳng kết nối hai điểm. Để có thể tạo thông tin, thì hai thiết bị phải được liên kết theo một cách nào đó với đường truyền. Có hai phương thức có thể là: điểm nối điểm và điểm nối nhiều điểm (như hình 1). Cấu hình đường dây nhằm định nghĩa phương thức kết nối thông tin với nhau: 2.1.1Cấu hình điểm nối điểm (point to point): Cấu hình điểm nối điểm cung cấp kết nối được dành riêng cho hai thiết bị. Toàn dung lượng kênh được dùng cho truyền dẫn giữa hai thiết bị này. Hầu hết cấu hình điểm nối điểm đều dùng dây hay cáp để nối hai điểm, ngoài ra còn có thể có phương thức kế nối qua sóng thí dụ như vi ba hay vệ tinh (xem hình 2). Một thí dụ đơn giản là việc dùng bộ remote để điều khiển TV, tức là ta đã thiết lập kết nối điểm điểm giữa hai thiết bị dùng đường hồng ngoại. 2.1.2Cấu hình đa điểm (multipoint): Cấu hình điểm nối đa điểm (còn gọi là multipoint hay multidrop) là kết nối nhiều hơn hai thiết bị trên một đường truyền. Trong môi trường kết nối đa điểm, dung lượng kênh được chia sẻ, theo không gian hay theo thời gian; tức là theo cấu hình phân chia theo không gian hay cấu hình phân chia theo thời gian (xem hình3). 2.2.TÔPÔ MẠNG Thuật ngữ tôpô mạng nói đến phương thức mạng được bố trí, về mặt luận lý hoặc vật lý. Có 2 hoặc nhiều thiết bị được kết nối trên một tuyến (kết nối-link); Có 2 hoặc nhiều tuyến tạo ra tôpô. Tôpô của mạng là biểu diễn hình học các mối quan hệ của tất cả các tuyến và thiết bị đang kết nối (thường được gọi là các nút) tới các thiết bị khác. Có 5 dạng tôpô cơ bản là: lưới, sao, cây, bus, và vòng (xem hình 2.4) Tôpô định nghĩa các sắp xếp vật lý hay luận lý của kết nối trong mạng. Năm phương thức vừa nêu mô tả cách mà thiết bị trong mạng được kết nối với nhau hơn là sắp xếp chúng theo vật lý. Thí dụ, khi nói về tôpô sao thì không có nghĩa là các thiết bị phải được sắp xếp vật lý chung quanh hub theo hình sao. Khi xem xét lựa chọn tôpô thì phải xem xét thêm về cấp bậc liên quan của các thiết bị được kết nối. Có hai quan hệ có thể là: đồng cấp (peer to peer) trong đó thiết bị chia sẻ kết nối ngang hàng với nhau, phương thức sơ cấp-thứ cấp (primary-secondary), ở đó một thiết bị điều khiển lưu thông và các thiết bị còn lại phải truyền qua nó. Tôpô vòng và lưới thường thích hợp với truyền dẫn đồng cấp, trong khi đó tôpô sao và cây thường thích hợp cho truyền dẫn sơ cấp- thứ cấp. Còn tôpô bus thích hợp cho cả hai dạng. 2.2.1.LƯỚI (Mesh): Trong dạng này, mỗi thiết bị có một kết nối điểm đối điểm chuyên dụng (dedicated) tới từng thiết bị còn lại. Một mạng lưới kết nối đầy đủ sẽ có n(n-1)/2 kênh vật lý nhằm kết nối n thiết bị. Nhằm thực hiện được nhiều kết nối dạng này, mỗi thiết bị cần có (n-1) cổng vào/ra (I/O: input/output) như vẽ ở hình 2.5. Cấu hình lưới có nhiều ưu điểm so với các dạng mạng khác: Thứ nhất, việc sử dụng các kết nối điểm đối điểm chuyên dụng đảm bảo mỗi kết nối chỉ truyền dẫn dữ liệu của riêng mình, nên không xuất hiện vấn đề lưu thông, điều đó có thể xảy ra ở một tuyến có nhiều thiết bị cùng chia sẻ. Thứ hai, tôpô lưới rất bền vững. Khi một kết nối bị hỏng thì không thể ảnh hưởng lên toàn mạng được. Một ưu điểm nữa là tính riêng tư hay vấn đề an ninh. Khi dùng đường truyền riêng biệt thì chỉ có hai thiết bị trong kết nối dùng được thông tin này, các thiết bị khác không thể truy cập vào kết nối này được. Cuối cùng, kết nối điểm-điểm cho phép phát hiện và tách lỗi rất nhanh. Có thể điều khiển lưu thông để tránh các đường truyền nghi ngờ bị hỏng. Nhà quản lý dễ dàng phát hiện chính xác nơi bị hỏng để nhanh chóng tìm ra nguyên nhân và có biện pháp khắc phục. Khuyết điểm lớn nhất của mạng dạng lưới là số lượng dây và nối dây quá lớn do số cổng I/O, do mỗi thiết bị phải được kết nối với nhau, nên chi phí lắp đặt phần cứng sẽ tăng cao. Do đó, cấu hình lưới chỉ được dùng rất giới hạn, thí dụ như đường trục (backbone) kết nối các máy tính lớn (mainframe) trong một mạng hỗn hợp với nhiều cấu hình khác. Thí dụ 1: Công ty dùng mạng lưới kết nối đủ gồm 8 máy. Tính tổng số cáp phải kết nối, số cổng tại mỗi máy. Giải: Công thức n(n-1)/2 cho ta: Số kết nối n(n-1)/2 = 8(8 – 1)/2 = 28 Số cổng cho mỗi thiết bị: (n-1 )= (8 – 1)= 7 2.2.2 SAO (Star): Dạng này mỗi thiết bị có kết nối điểm - điểm với một điều khiển trung tâm, gọi là Hub. Các thiết bị không trực tiếp kết nối với nhau mà phải qua sự điều khiển của hub (xem hình 2.6). Cấu hình sao ít tốn kém hơn so với lưới. Trong dạng sao, mỗi thiết bị chỉ cần một kết nối và chỉ cần một cổng I/O dể kết nối với các thiết bị khác. Điều này làm cho việc thiết lập dễ dàng hơn và việc cấu trúc lại mạng cũng đơn giản hơn, ít lắp đặt dây hơn, việc di chuyển, loại bỏ một thiết bị khỏi mạng cũng dễ dàng hơn do chỉ liên quan đến thiết bị và hub. Một ưu điểm nữa là tính bền vững cao. Nếu một kết nối hỏng, chỉ có một kết nối bị ảnh hưởng, các thiết bị khác vẫn hoạt động bình thường. Điều này cho phép quá trình phát hiện lỗi dễ dàng. Khi hub còn hoạt động, thì nó vẫn có thể được dùng để giám sát bài toán kết nối và loại kết nối hỏng ra khỏi mạng. Tuy nhiên, trong cấu hình này thì mỗi thiết bị vẫn phải có kết nối với hub nên trong mạng này vấn đề nối dây vẫn còn lớn so với một số mạng khác (thí dụ cây, vòng hay bus). 2.2.3 CÂY (Tree): Đây là biến thể của dạng sao, trong đó các nút của cây được kết nối với hub trung tâm để kiểm soát lưu thông trong mạng. Tuy nhiên, không phải tất cả các thiết bị đều được mắc vào hub trung tâm. Phần lớn các thiết bị được nối với hub phụ mà bản thân lại được nối với hub trung tâm như hình 7. Hub trung tâm của cây được gọi là hub tích cực. Một hub tích cực bao gồm bộ lặp (repeater), tạo khả năng mở rộng cự ly của mạng. Hub phụ có thể là tích cực hoặc thụ động, chỉ nhằm cung cấp những kết nối vật lý đơn giản giữa các thiết bị. Ưu điểm và khuyết điểm của topo cây thường là tương tự như dạng sao. Khi thêm vào các hub phụ, làm cho mạng có hai ưu điểm. Thứ nhất, cho phép thêm nhiều thiết bị được kết nối với hub trung tâm và có thể tăng cự ly tín hiệu di chuyển trong mạng. Thứ hai, cho phép mạng phân cách và tạo mức ưu tiên của các máy tính khác nhau. Một trong những thí dụ cơ bản là mạng truyền hình cáp, với mức độ rẽ nhánh của mạng từ tổng đài chính và chia ra đến mạng phân phối theo nhiều cấp khác nhau. 2.2.4.BUS: Các dạng mạng vừa nêu đều thích hợp cho cấu trúc điểm- điểm, trong cấu hình bus thì lại là dạng nhiều điểm. Một đường cáp dài được gọi là trục (backbone) nhằm kết nối mọi thiết bị trong mạng (xem hình 8) Các nút được nối với cáp bus thông qua nhánh rẻ (drop line) và điểm nối (tap). Nhánh rẻ là kết nối giữa thiết bị và cáp chính thông qua điểm nối. Khi tín hiệu qua cáp thường bị tổn hao do nhiệt và do yếu tố rẻ nhánh, từ đó có giới hạn về điểm nối má cáp chính có thể hỗ trợ được và cự ly giữa các điểm nối này với nhau. Ưu điểm của cấu hình bus là vấn đề dễ lắp đặt cũng như thay đổi vị trí lắp đặt thiết bị. Khuyết điểm là việc phát hiện và phân cách hỏng hóc. Một bus được thiết kế nhằm để tăng tính hiệu quả trong lắp đặt, tuy nhiên cũng khó gắn thêm thiết bị vào. Các điểm nối có thể tạo tín hiệu phản xạ làm giảm chất lượng tín hiệu truyền trong bus. Yếu tố này có thể được khống chế bằng cách giới hạn số lượng và cự ly thích hợp của các điểm nối hay phải thay thể đường trục. Ngoài ra, khi có lỗi hay đứt cáp thì toàn mạng sẽ bị ngừng truyền dẫn tín hiệu do vòng bị hỏng có thể tạo sóng phản xạ lên đường trục, tạo nhiễu loạn trên toàn mạng. 2.2.5.VÒNG (Ring): Trong cấu hình này, mỗi thiết bị chỉ nối điểm - điểm với hai thiết bị bên phải và bên trái của nó. Tín hiệu di chuyển trong vòng theo một chiều, từ thiết bị này sang thiết bị khác, cho đến khi đến đích. Mỗi thiết bị trong mạng cũng là một bộ lặp (chuyển tiếp - repeater) như hình 2.9. Mạng vòng thì thường tương đối dễ thiết lập và tái cấu trúc, do mỗi thiết bị chỉ được kết nối với hai thiết bị kề cận (về mặt vật lý cũng như luận lý). Khi thêm một thiết bị thì chỉ phải di chuyển hai kết nối. Điều phải quan tâm là vấn đề môi trường truyền và lưu thông trong mạng (chiều dài mạng tối đa, và số thiết bị trong mạng). Đồng thời, việc phát hiện lỗi cũng tương đối đơn giản. Thông thường trong mạng, tín hiệu di chuyển, khi một thiết bị bị hỏng, thì sẽ xuất hiện tín hiệu báo động, thông báo cho người quản lý mạng về hỏng hóc và vị trí hỏng hóc này. Tuy nhiên, việc di chuyển của tín hiệu trong mạng chỉ theo một chiều là một yếu điểm, khi mạng bị đứt thì toàn mạng sẽ dừng hoạt động, điều này có thể được cải thiện dùng vòng đối ngẫu hay các chuyển mạch để ngắn mạch vùng bị hỏng hóc. Thí dụ 2: Trong thí dụ 1, nếu các thiết bị này lại được mắc theo mạng vòng thay vì sao, cho biết số kết nối cần có: Giải: Để kết nối n thiết bị, ta cần n cáp nối, như thế cần 8 dây nối cho 8 thiết bị 2.2.6.TÔPÔ HỖN HỢP (Hybrid Topologies): Kết hợp cấu hình nhiều mạng con để thành một mạng lớn như hình 10. 2.3.CHẾ ĐỘ TRUYỀN DẪN Thuật ngữ này nhằm định nghĩa chiều lưu thông của tín hiệu giữa hai thiết bị được kết nối với nhau. Có 3 dạng: đơn công (simplex), bán song công (half-duplex) và song công (full-duplex) như hình 2.11. Đơn công (simplex): Thông tin một chiều, một chỉ phát và một chỉ thu như hình 2.12. Bán song công (half-duplex): Hai chiều nhưng mỗi lần chỉ thực hiện một chức năng, nếu phát thì không thu và nếu thu thì không phát (hình 2.13). Song công (full-duplex): Hai chiều đúng nghĩa (hình 2.14). 2.4. CÁC DẠNG MẠNG Hiện nay, khi nói đến mạng thì người ta nghĩ ngay đến: mạng cục bộ (LAN; local area network), mạng MAN (metropolitain area network) và mạng WAN (wide area network) như hình 2.15. 2.4.1 Mạng LAN: Ban đầu được dùng kết nối các thiết bị trong một văn phòng nhỏ, một tòa nhà, hay khuôn viên trường đại học (xem hình 2.16). Tuy theo nhu cầu, mạng LAN có thể chỉ gồm hai máy tính và một máy in trong một văn phòng, cho đến việc mở rộng với nhiều văn phòng và các thiết bị thoại, hình ảnh và ngoại vị khác. Hiện nay, cự ly của mạng LAN thường giới hạn trong khoảng vài km. LAN được thiết kế cho phép chia sẻ tài nguyên giữa các máy tính và máy chủ. Tài nguyên này có thể là phần cứng (thí dụ máy in) hay phần mềm (các chương trình ứng dụng) và dữ liệu. Ngoài kích thước thì mạng LAN còn phân biệt với các mạng khác từ phương pháp cấu hình mạng cũng như môi trường truyền dẫn.Thông thường, trong mạng LAN chỉ dùng một môi trường truyền dẫn. Cấu hình thường dùng la bus, vòng và sao. Tồc độ truyền dẫn từ 4 đến 16 Mbps trong các mạng LAN truyền thống, hiện nay tốc độ này có thể lên đến 100 Mbps với hệ thống có thể lên đến tốc độ gigabit. 2.4.2 Mạng MAN: Được thiết kế để hoạt động trong toàn cấp thành phố, nó có thể là một mạng như mạng truyền hình cáp, hay có thể là mạng kết nối nhiều mạng LAN thành mạng lớn hơn, như hình 2.17. 2.4.3 Mạng WAN: Cung cấp truyền dẫn dữ liệu, hình ảnh , thoại, và video trong diện rộng bao gồm quốc gia, lục địa và toàn cầu (hình 2.18). 2.5 LIÊN MẠNG Khi kết nối nhiều mạng, ta có kết nối liên mạng (internetwork hay internet). Chú ý là internet này không phải là Internet là một dạng mạng toàn cầu đặc biệt, xem hình 2.19. TỪ KHÓA VÀ Ý NIỆM CƠ BẢN Active hub Backbone Bus toppology Duplex mode Full – duplex mode Half – duplex Hub Hybrid topology internet (internetwork) Internet Line configuration Link Local area network (LAN) Mesh topology Metropolitain area network (MAN) Multidrop line configuration Multipoint line configuration Node Passive hub Peer – to – peer relationship Point – to – point line configuration Primary – secondary relationship Ring topology Simplex mode Star topology Topology Tree topology Wide area network (WAN) TÓM TẮT Cấu hình đường dây là quan hệ giữa các thiết bị thông tin với đường truyền thông tin. - Trong cấu hình điểm nối điểm, chỉ có hai thiết kết nối với nhau mà thôi. - Trong cấu hình nhiều điểm, ba hay nhiều thiết bị được kết nối với nhau. Tôpô là phương thức sắp xếp vật ý hay luận lý trong mạng. Các thiết bị có thể được bố trí thành dạng lưới, sao, cây, bus, vòng và hổn hợp. Có ba phương thức truyền dẫn thường gặp là: đơn công, bán song công và song công. - Truyền dẫn đơn công chỉ đi theo một chiều mà thôi. - Truyền dẫn bán song công thì theo hai chiều, nhưng mỗi lần chỉ có một việc (phát thì không thu, và ngược lại). - Song công là hai chiều thu phát cùng một lúc. Các mạng được chia thành: LAN, MAN và WAN. LAN: mạng cục bộ. MAN: mạng trong một thành phố. WAN: mạng toàn cầu. PHẦN LUYỆN TẬP Câu hỏi ôn tập: Có bao nhiêu phương pháp tôpô trong cấu hình đường dây? Định nghĩa ba chế độ truyền dẫn? Cho biết ưu điểm của các dạng cấu hình mạng? Ưu điểm của phương pháp nhiều điểm so với điểm - điểm? Cho biết các yếu tố cơ bản nhằm xác định các hệ thống thông tin là LAN, MAN hay WAN. Cho biết hai dạng cấu hình đường dây? Cho biết 5 dạng tôpô mạng? Phân biệt giữa quan hệ đồng cấp và quan hệ sơ cấp - thứ cấp? Trình bày các khuyết điểm của các tôpô mạng? Trình bày công thức tính số dây nối cần thiết để thiết lập lưới, sao, cây, bus và hỗn hợp? Phân loại 5 tôpô mạng theo cấu hình đường dây? Có n thiết bị trong mạng, cho biết số dây nối cần thiết để thiết lập lưới, sao, cây, bus và hỗn hợp? Khác biệt giữa hub trung tâm và hub phụ là gì? Giữa hub tích cực và hub thụ động là gì? Chúng quan hệ với nhau như thế nào? Yếu tố giới hạn kích thước mạng bus là gì? Trình bày phương pháp phát hiện hỏng hóc về cáp nối trong các tôpô mạng? Kết nối liên mạng là gi? Internet là gì? CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM Cho biết topo mạng nào cần có bộ điều khiển trung tâm hay hub: Lưới Sao Bus Vòng Topo nào có kết nối nhiều điểm: Lưới Sao Bus Vòng Cho biết dạng kết nối thông tin giiữa bàn phím và máy tính là : Đơn công Bán song công Song công Tự động Mạng có 25 máy tính, cho biết tôpô nào có nối dây nhiều nhất: Lưới Sao Bus Vòng Mạng cây là biến thể của mạng Lưới Sao Bus Vòng Truyền hình là một thí dụ về phương thức truyền dẫn Đơn công Bán song công Song công Tự động Cho biết dạng tôpô mạng nào mà khi có n thiết bị, mỗi thiết bị cần thiết phải có (n-1) cổng I/O: Lưới Sao Bus Vòng Dạng kết nối nào chỉ định kết nối giữa hai thiết bị: Điểm - điểm Nhiều điểm Sơ cấp Thứ cấp Trong dạng kết nối nào mà nhiều hơn hai thiết bị chia sẻ đường truyền Điểm - điểm Nhiều điểm Sơ cấp Thứ cấp Trong dạng truyền dẫn nào mà dung lượng kênh truyền được chia sẻ với tất cả các thiết bị trong mỗi thời gian Đơn công Bán song công Song công Tất cả sai Nhà xuất bản MacKenzie Publishing, với tổng hành dinh đặt tại London và nhiều văn phòng đặt tại Châu Á, Âu, Nam Mỹ, có thể đã được kết nối dùng mạng: LAN MAN WAN Tất cả đều sai Văn phòng công ty A có hai máy tính kết nối với một máy in, như thế họ dùng mạng: LAN MAN WAN Tất cả đều sai Cho biết dạng tôpô mạng thích hợp với cấu hình điểm - điểm: Lưới Vòng Sao Tất cả đều đúng Trong dạng kết nối nào mà đường truyền chỉ dùng cho hai thiết bị Sơ cấp Thứ cấp Chỉ định Tất cả đều sai Trong tôpô mạng lưới, quan hệ giữa một thiết bị với một thiết bị là: Sơ cấp đến đồng cấp Đồng cấp đến sơ cấp Sơ cấp đến thứ cấp Đồng cấp Trong tôpô mạng nào mà khi cáp đứt thì mạng ngừng hoạt động Lưới Cây Bus Sao Một mạng dùng nhiều hub thì có cấu hình dạng Lưới Cây Bus Sao Trong mạng nào thì tính riêng tư và vấn đề bảo mật thông tin yếu nhất: Lưới Cây Bus Sao BÀI TẬP Giả sử có 6 thiết bị được kết nối theo mạng lưới: có bao nhiêu cáp cần để thiết lập mạng? mỗi thiết bị cần bao nhiêu cổng I/O? Cho biết tôpô mạng trong hình 2.20: Cho biết tôpô mạng trong hình 2.21: Cho biết tôpô mạng trong hình 2.22: Cho biết tôpô mạng trong hình 2.23: Cho biết tôpô mạng trong hình 2.24: Trong hình 2.25, cho biết mạng nào có dạng vòng: Trong bốn dạng mạng sau, cho biết hậu quả nếu kết nối hỏng: Năm thiết bị kết nối theo dạng lưới Năm thiết bị kết nối theo dạng sao (không tính hub) Năm thiết bị kết nối theo dạng bus Năm thiết bị kết nối theo dạng vòng Vẽ mạng hỗn hợp có trục là mạng sao và 3 mạng vòng. Vẽ mạng hỗn hợp có trục là mạng vòng và 2 mạng bus. Vẽ mạng hỗn hợp có trục là mạng bus kết nối với hai mạng trục là mạng vòng. Mỗi mạng vòng nối 3 mạng sao. Vẽ mạng hỗn hợp có trục chính là mạng sao kết nối với hai mạng trục là mạng bus. Mỗi mạng bus nối 3 mạng vòng. Một mạng gồm 4 máy tính, nếu chỉ còn bốn đoạn cáp nối, thử cho biết dạng mạng thích hợp nhất trong trường hợp này? Giả sử muốn thêm hai thiết bị mới vào trong một mạng hiện hữu với 5 thiết bị, Khi dùng mạng lưới thì cần bao nhiêu cáp nối? Khi dùng mạng vòng thì cần bao nhiêu cáp nối? Năm máy tính được kết nối theo cấu hình nhiều điểm, cáp chỉ có thể truyền 100.000bps. Nếu tất cả các máy tính đều có dữ liệu cần gởi, cho viết tốc độ trung bình của mỗi máy tính là bao nhiêu? Khi dùng điện thoại kết nối với thuê bao khác, cho biết lúc này là kết nối điểm - điểm hay nhiều điểm? giải thích? Cho biết các phương thức truyền dẫn thích hợp nhất (đơn công, bán song công và song công) trong các trường hợp sau: Máy tính với màn hình Đàm thoại giữa 2 người Đài truyền hình