Giáo trình Mạng máy tính (Phần 1)

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CAO THẮNG KHOA ĐIỆN TỬ - TIN HỌC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG TRƯƠNG QUANG TRUNG THÁI NGỌC ANH KHÔI NGUYỄN ĐỨC ANH GIÁO TRÌNH MẠNG MÁY TÍNH (GIÁO TRÌNH DÙNG CHO HỆ CAO ĐẲNG NGÀNH CNKT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ, CHUYÊN NGÀNH CNKT ĐIỆN TỬ; CAO ĐẲNG NGHỀ ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP) TP. HỒ CHÍ MINH, 09 - 2018 (LƯU HÀNH NỘI BỘ) i MỤC LỤC CHƯƠNG 1 TRUYỀN SỐ LIỆU .................................................................................... 1 1.1. CHUYỂN ĐỔI TƯƠNG TỰ-TƯƠNG TỰ ...................................................... 1 1.2. CHUYỂN ĐỔI TƯƠNG TỰ-SỐ ..................................................................... 4 1.3. CHUYỂN ĐỔI SỐ-TƯƠNG TỰ ..................................................................... 8 1.4. CHUYỂN ĐỔI SỐ-SỐ ................................................................................... 12 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ MẠNG MÁY TÍNH .................................................. 20 2.1. MẠNG ĐIỆN BÁO ........................................................................................ 20 2.2. MẠNG ĐIỆN THOẠI .................................................................................... 20 2.3. MẠNG HƯỚNG ĐẦU CUỐI ........................................................................ 20 2.4. MẠNG MÁY TÍNH ....................................................................................... 21 2.5. PHÂN LOẠI MẠNG MÁY TÍNH ................................................................. 23 2.6. LỢI ÍCH CỦA MẠNG MÁY TÍNH .............................................................. 26 CHƯƠNG 3 CÁC THIẾT BỊ MẠNG ............................................................................ 28 3.1. CÁC LOẠI CÁP ............................................................................................. 28 3.2. CÁC THIẾT BỊ GHÉP NỐI ........................................................................... 30 3.3. CÁC THIẾT BỊ MẠNG THÔNG DỤNG ...................................................... 33 3.4. KẾT NỐI ........................................................................................................ 39 3.5. PHẦN MỀM MẠNG MÁY TÍNH ................................................................. 44 3.6. MÔ HÌNH OSI ............................................................................................... 47 CHƯƠNG 4 ĐỊA CHỈ IP ............................................................................................... 54 4.1. CẤU TRÚC ĐỊA CHỈ IP................................................................................ 54 4.2. PHÂN LỚP IP ................................................................................................ 55 4.3. Ý NGHĨA CÁC NETID, HOSTID, NETMASK, SUBNETMASK .............. 57 4.4. PHÂN MẠNG CON ....................................................................................... 59 CHƯƠNG 5 GIAO THỨC TCP/IP ................................................................................ 63 5.1. GIỚI THIỆU CHUNG.................................................................................... 63 5.2. GIAO THỨC IP.............................................................................................. 64 5.3. NHIỄU TRONG BỘ THU QUANG .............................................................. 73 5.4. GIAO THỨC TCP .......................................................................................... 76 5.5. GIAO THỨC UDP ......................................................................................... 78 ii CHƯƠNG 6 CÁC DỊCH VỤ MẠNG ............................................................................ 81 6.1. GIỚI THIỆU CHUNG.................................................................................... 81 6.2. DỊCH VỤ HTTP ............................................................................................. 81 6.3. DỊCH VỤ EMAIL .......................................................................................... 83 6.4. DỊCH VỤ DNS ............................................................................................... 88 6.5. DỊCH VỤ FTP ................................................................................................ 90 CHƯƠNG 1: TRUYỀN SỐ LIỆU 1 CHƯƠNG 1 TRUYỀN SỐ LIỆU Như đã biết thì thông tin cần được chuyển thành tín hiệu trước khi được truyền dẫn trong môi trường truyền tin. Phương thức chuyển đổi thông tin thì phụ thuộc vào định dạng ban đầu của thông tin cũng như format được phần cứng sử dụng. Một tín hiệu đơn giản thì không thể mang thông tin một cách đơn giản mà nhất thiết phải chuyển đổi tín hiệu sao cho máy thu có thể nhận dạng được theo phương thức mà máy phát gởi đi. Một trong những phương thức truyền đi là chuyển các mẫu này thành các bit 1 và 0 như trong mã ASCII (American Standard Code for Information Interchange). Dữ liệu lưu trữ trong máy tính theo dạng 1 và 0, để chuyển các tín hiệu này đi (từ trong máy tín ra hay ngược lại) thì dữ liệu thường phải được chuyển đổi từ tín hiệu digital sang tín hiệu digital hay là quá trình chuyển đổi số-số. Đôi khi, ta phải chuyển đổi từ tín hiệu analog sang tín hiệu digital (như trong trường hợp điện thoại) nhằm giảm nhiễu, quá trình này được gọi là chuyển đổi analog-digital hay còn gọi là lượng tử hóa tín hiệu analog. Trong một trường hợp khác, ta cần chuyển một tín hiệu digital trong một môi trường dành cho tín hiệu analog, quá trình này được gọi là chuyển đổi digital-analog hay còn gọi là điều chế một tín hiệu số. Thông thường thì một tín hiệu analog được gởi đi cự ly xa trong một môi trường analog, tức là tín hiệu cần được điều chế ở tần số cao, quá trình này được gọi là chuyển đổi analog – analog , hay còn gọi là điều chế tín hiệu analog. 1.1. CHUYỂN ĐỔI TƯƠNG TỰ-TƯƠNG TỰ Đây là phương pháp chuyển đổi tín hiệu analog sang dạng analog khác để có thể truyền dẫn được. Hình 1.1 Có ba phương pháp là AM (Amplitude Modulation), FM (Frequency Modulation) và PM (Phase Modulation). Hình 1.2 AM (Amplitude Modulation): CHƯƠNG 1: TRUYỀN SỐ LIỆU 2 Trong phương thức này, sóng mang được điều chế sao cho biên độ thay đổi theo tín hiệu điều chế, trong khi các giá trị tần số và góc pha được giữ không đổi nhu vẽ ở hình 41, trong đó tín hiệu điều chế trở thành đường bao của sóng mang. Hình 1.3 Băng thông của tín hiệu AM: Băng thông của tín hiệu AM thì bằng hai lần băng thông của tín hiệu điều chế và bao phủ vùng xung quanh tần số trung tâm của sóng mang (xem hình 1.4, trong đó vẽ phổ của tín hiệu). Băng thông của tín hiệu audio thường là 5 KHz. Như thế các đài phát thanh AM cần băng thông tối thiểu là 10 KHz. Trong thực tế, FCC (Federal Communication Commission) cho phép mỗi đài AM có băng thông là 10 KHz. Các đài AM phát các tần số sóng mang từ 530 đến 1700 KHz (1,7 MHz). Tuy nhiên các tần số phát này phải được phân cách với ít nhất là 10 KHz (một băng thông AM) nhằm tránh giao thoa. Nếu một đài phát dùng tần số 1100 KHz, thì tần số sóng mang kế không được phép bé hơn 1110 KHz. CHƯƠNG 1: TRUYỀN SỐ LIỆU 3 Hình 1.4 FM (Frequency Modulation): Trong phương thức này, thì tần số sóng mang được điều chế theo biên độ tín hiệu điều chế (audio). Giá trị biên độ đỉnh và pha của sóng mang được giữa không đổi. Băng thông tín hiệu FM: Băng thông FM là 10 lần băng thông của tín hiệu điều chế và tương tự như băng thông tín hiệu AM, băng thông này cũng bao trùm tần số trung tâm của sóng mang như vẽ ở hình 1.6. Băng thông của tín hiệu audio khi phát theo chế độ stereo thường là 15 KHz. Mỗi đài phát FM cần một băng thông tối thiểu là 150 KHz. Cơ quan FCC cho phép 200 KHz (0,2 MHz) cho mỗi đài nhằm dự phòng các dải tần bảo vệ (guard band). Các chương trình phát FM phát trong dải tần từ 88 đến 108 MHz, các đài phải được phân cách ít nhất 200 KHz để tránh trùng lắp sóng. Trong tầm từ 88 đến 108 MHz, có khả năng có 100 kênh FM, trong đó có thể dùng cùng lúc 50 kênh như vẽ ở hình 1.7. CHƯƠNG 1: TRUYỀN SỐ LIỆU 4 Hình 1.5 Hình 1.6 Hình 1.7 PM (Phase Modulation): Nhằm đơn giản hóa yêu cầu của phần cứng, đôi khi PM được dùng thay thế FM trong một số hệ thống, theo đó góc pha của sóng mang được điều chế theo biên độ tín hiệu điều chế, trong khi biên độ và tần số của sóng mang được giữ không đổi. 1.2. CHUYỂN ĐỔI TƯƠNG TỰ-SỐ Đôi khi ta cũng cần rời rạc hóa tín hiệu tương tự, thí dụ như khi gởi tín hiệu thoại qua đường dây dài, do tín hiệu số có tính chống nhiễu tốt hơn so với tín hiệu analog. Quá trình này được gọi là chuyển đổi tương tự - số hay còn gọi là quá trình số hóa tín hiệu analog. Điều này cho phép giảm thiểu khối lượng lớn các giá trị trong thông tin của tín hiệu analog để có thể được biểu diễn thành luồng tín hiệu số mà không bị thất thoát thông tin. Hình 1.12 minh họa bộ chuyển đổi tương tự - số, còn được gọi là bộ codec (coder – decoder). CHƯƠNG 1: TRUYỀN SỐ LIỆU 5 Hình 1.8 Trong chuyển đổi tương tự - số, ta biểu diễn các thông tin có trong tín hiệu liên tục thành chuỗi các tín hiệu số (1 hay 0). PAM (Pulse Amplitude Modulation): Bước đầu tiên trong chuyển đổi tương tự - số là điều chế biên độ - xung (PAM: pulse amplitude modulation). Kỹ thuật này lấy tín hiệu analog, lấy mẫu và tạo ra chuỗi xung là kết quả của phần lấy mẫu này. Phương pháp lấy mẫu này được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghệ khác thông tin số liệu. Tuy nhiên, phương pháp PAM là bước đầu của phương pháp biến đổi tương tự -số, được gọi là PCM (pulse code modulation). Hình 1.9 PAM dùng một kỹ thuật gọi là lấy mẫu và giữ (sample and hold). PAM không được dùng trong thông tin số với lý do là tuy đã rời rạc hóa nhưng tín hiệu PAM cũng chứa quá nhiều thành phần biện độ với các giá trị khác nhau (vẫn còn là dạng analog), như thế cần có một phương pháp khác thích hợp hơn, gọi là PCM. PCM (Pulse Coded Modulation): PCM chuyển tín hiệu PAM sang tín hiệu số, như thế cần có thêm một bước lượng tử hóa (quantalization), là phương thức gán các giá trị chung cho các tín hiệu ở trong cùng một mức. CHƯƠNG 1: TRUYỀN SỐ LIỆU 6 Hình 1.10 Hình 1.10 trình bày một phương thức đơn giản để gán các giá trị dấu và xuất cho các mẫu lượng tử. Mỗi giá trị được chuyển sang giá trị bay bit nhị phân tương ứng, bit thứ tám nhằm biểu thị dấu. Hình 1.11 Các bit nhị phân này được biến thành tín hiệu số dùng một trong các phương pháp chuyển đổi số - số đã thảo luận ở chương trước. Hình 1.12 vẽ kết quả của phương pháp điều chế xung mã PCM của một tín hiệu số được chuyển theo mã unipolar, trong hình chỉ vẽ giá trị 3 mẫu đầu. Hình 1.12 CHƯƠNG 1: TRUYỀN SỐ LIỆU 7 PCM được thực hiện theo 4 bước: lấy mẫu và giữ (PAM), lượng tử hóa, mã hóa nhị phân và mã hóa số - số. Hình 1.13 minh họa quá trình này. PCM là phương pháp lấy mẫu tín hiệu được dùng trong số hóa tín hiệu thoại trong truyền dẫn T-line trong hệ thống viễn thông Bắc Mỹ. Hình 1.13 Tốc độ lấy mẫu (sampling rate) Theo định lý Nyquist, để bảo đảm độ chính xác khi khôi phục tín hiệu tín hiệu analog nguyên thủy dùng phương pháp PAM thì tốc độ lấy mẫu phải ít nhất hai lần tần số cao nhất của tín hiệu gốc. Thí dụ, để có thể lấy mẫu tín hiệu thoại có tần số cao nhất 4000Hz, ta cần có tốc độ lấy mẫu là 8000 mẫu/ giây. Theo định lý Nyquist thì tốc độ lấy mẫu phải ít nhất lớn hơn hai lần tần số tín hiệu cao nhất. Tốc độ lấy mẫu hai lần lớn hơn tần số x HZ tức là tín hiệu phải được lấy mẫu tại (½) x giây. Dùng thí dụ lấy mẫu tín hiệu thoại, tức là một mẫu cho mỗi (1/8000) giây. Hình 1.14 CHƯƠNG 1: TRUYỀN SỐ LIỆU 8 1.3. CHUYỂN ĐỔI SỐ-TƯƠNG TỰ Chuyển đổi số-tương tự hay điều chế số-tương tự là quá trình thay đổi một đặc tính của tín hiệu analog dựa trên thông tin của tín hiệu số (0 và 1). Khi truyền dữ liệu từ một máy tính sang máy tính khác dùng đường dây điện thoại công cộng, thì ta truyền tín hiệu số của máy tính, nhưng do dây điện thoại lại mang tín hiệu analog, nên nhất thiết phải chuyển đổi tín hiệu số này. Tín hiệu số cần được điều chế dùng tín hiệu analog để thể hiện hai giá trị phân biệt của tín hiệu số. Hình 1.15 Như ta đã biết thì tín hiệu sin được định nghĩa từ ba đặc tính: biên độ, tần số và góc pha. Trong truyền số liệu thì quan tâm đến các phương pháp sau: ASK (amplitude shift keying), FSK (frequency shift keying), PSK (phase shift keying). Ngoài ra còn có phương thức thứ tư là QAM (quadrature amplitude modulation) là phương thức điều chế rất hiệu quả dùng trong các modem. Hình 1.16 ASK (amplitude shift keying): Phương pháp này được trình bày trong hình 1.17, với các bit 1 và 0 làm thay đổi biên độ của tín hiệu sóng mang, trong đó tốc độ truyền tín hiệu ASK bị giới hạn bởi các đặc tính vật lý của môi trường truyền. CHƯƠNG 1: TRUYỀN SỐ LIỆU 9 Hình 1.17 Điều không may là truyền dẫn ASK thường rất nhạy cảm với nhiễu. Nhiễu này thường là các tín hiệu điện áp xuất hiện trên đường dây từ các nguồn tín hiệu khác ảnh hưởng được lên biên độ của tín hiệu ASK. Ngoài ra, còn có một phương pháp ASK thông dụng và được gọi là OOK (on-off keying). Trong OOK thì có một giá trị bit tương đương với không có điện áp. Điều này cho phép tiết kiệm đáng kể năng lượng truyền tin. Băng thông dùng cho ASK: Khi phân tích phổ tín hiệu điều chế ASK, ta có giá trị phổ vẽ ở hình 1.18 trong đó có các yếu tố quan trọng là sóng mang fc ở giữa, các giá trị fc – Nbaud/2 và fc + Nbaud/2 ở hai biên. Hình 1.18 FSK (frequency shift keying): Trong phương pháp này, tần số của tín hiệu sóng mang thay đổi để biểu diễn các bit 1 và 0, trong khi biên độ và góc pha được giữ không thay đổi như vẽ ở hình 1.19. FSK tránh được hầu hết các dạng nhiễu của ASK. Do máy thu chỉ quan tâm đến yếu tố thay đổi tần số trong một chu kỳ, nên bỏ qua được các gia nhiễu điện áp. Yếu tố giới hạn lên FSK là khả năng vật lý của sóng mang. CHƯƠNG 1: TRUYỀN SỐ LIỆU 10 Hình 1.19 Băng thông của FSK: Do FSK dịch chuyển giữa hai tần số sóng mang, nên cũng đơn giản trong phân tích chúng như hai tần số cùng tồng tại. Có thể nói rằng phổ FSK chính là tổ hợp của hai phổ ASK tập trung quanh fC0 và fC1. Băng thông cần thiết để truyền dẫn FSK chính là tốc độ baud của tín hiệu cộng với độ dịch tần số (sai biệt giữa hai tần số sóng mang): BW = (fC0 . fC1)+ Nbaud Tuy chỉ có hai tần số sóng mang, nhưng quá trình điều chế cũng tạo ra tín hiệu hỗn hợp là tổ hợp của nhiều tín hiệu đơn giản, với các tần số khác nhau. Hình 1.20 PSK (phase shift keying): Trong phương pháp này thì pha của sóng mang thay đổi để biểu diễn các bit 1 và 0. Các giá trị biên độ đỉnh và tần số đều không đổi. CHƯƠNG 1: TRUYỀN SỐ LIỆU 11 Hình 1.21 Phương thức vừa trình bày thường được gọi là 2-PSK hay BSK, do ta chỉ dùng hai góc pha khác nhau (0 độ và 180 độ). Hình 1.22 làm rõ hơn quan hệ giữa góc pha và các bit. Một dạng sơ đồ khác, được gọi là giản đồ trạng thái – pha được vẽ ở hình 1.22. Hình 1.22 Băng thông dùng cho PSK: Băng thông tối thiểu dùng cho truyền dẫn PSK thì tương tự như của ASK, tuy nhiên tốc độ bit tối đa thì lớn hơn nhiều lần. Tức là tuy có cùng tốc độ baud tối đa giữa ASK và PSK, nhung tốc độ bit của PSK dùng cùng băng thông này có thể lớn hơn hai hay nhiều lần. Hình 1.23 . CHƯƠNG 1: TRUYỀN SỐ LIỆU 12 1.4. CHUYỂN ĐỔI SỐ-SỐ Mã hóa hay chuyển đổi số-số là phương pháp biểu diễn tín hiệu số bằng tín hiệu số. Thí dụ, khi ta chuyển dữ liệu từ máy tính sang máy in, thì dữ liệu gốc và dữ liệu truyền đều ở dạng số. Trong phương pháp này thì các bit 1 và 0 được chuyển đồi thành chuỗi xung điện áp để có thể truyền qua đường dây. Hình 1.24 Tuy có nhiều cơ chế chuyển đổi số-số, ta chỉ quan tâm đến các dạng thường dùng trong truyền tin, như vẽ ở hình 1.25, trong đó bao gồm unipolar, polar, và bipolar. Unipolar chì có một dạng, polar có 3 dạng NRZ, RZ và biphase. Bipolar có 3 dạng AMI, B8ZS, và HDB3. Hình 1.25 Unipolar: là dạng đơn giản nhất và nguyên thủy nhất. Cho dù đây là dạng đã lạc hậu, nhưng tính chất đơn giản của nó luôn là tiền đề cho các ý niệm về phát triển các hệ thống phức tạp hơn, đồng thời phương pháp này cũng giúp ta nhìn thấy nhiều vấn đề trong truyền số liệu phải giải quyết. Hệ thống truyền số liệu hoạt động trên cơ sở gởi các tín hiệu điện áp trong môi trường kết nối, thường là dây dẫn hay cáp. Trong nhiều dạng mã hóa, một mức điện áp biểu thị cho giá trị nhị phân 0 và một mức khác cho giá trị 1. Cực tính của xung tùy thuộc vào giá trị điện áp là dương hay âm. Mã hóa đơn cực (unipolar) là phương pháp chỉ dùng một dạng cực tính, thường thì cực tính này biểu diễn một giá trị nhị phân, thường là 1, còn giá trị điện áp không thường dùng cho giá trị bit 0. Hình 1.3 trình bày về ý tưởng của mã hóa đơn cực. Trong thí dụ này thì bit 1 mang giá trị điện áp dương còn bit không thì tương ứng với giá trị điện áp 0, điều này làm cho phương pháp trở nên đơn giản và rẻ. CHƯƠNG 1: TRUYỀN SỐ LIỆU 13 Hình 1.26 Thành phần DC: Trị trung bình của mã đơn cực thì khác không, tạo ra thành phần điện áp DC trên đường truyền. Khi tín hiệu tồn tại thành phần DC (tức là có tần số bằng 0) thì không thể đi xuyên qua môi trường truyền được. Vấn đề đồng bộ (synchronization): Khi tín hiệu truyền có giá trị không thay đổi thì máy thu không thể xác định được thời gian tồn tại của một bit. Như thế cần có vấn đề đồng bộ khi truyền một chuỗi nhiều bit 1 hay bit 0 bằng phương pháp đơn cực do không có thay đổi trong giá trị điện áp truyền. Vấn đề đồng bộ thật khó giải quyết trong phương pháp này, hướng giải quyết có thể làm dùng thêm một dây dẫn để truyền tín hiệu đồng bộ giúp máy thu biết về thời khỏang của từng bit. Tuy nghiên phương pháp này là không thực tế, do làm gia tăng chi phí và không kinh tế, nên thực tế phương pháp này không dùng trong truyền tín hiệu số. Polar: Phương pháp mã hóa polar dùng hai mức điện áp: một có giá trị dương và một có giá trị âm, như thế có khả năng loại trừ được thành phần DC. Trong các phương pháp như Manchester hay Manchester vi sai, thì mỗi bit đều có thành phần điện áp dương hay âm, nên loại trừ hoàn toàn được thành phần DC Có nhiều phương pháp mã polar, ta chỉ khảo sát 3 dạng thông dụng nhất là : NRZ (nonreturn to zero); RZ (return to zero), và biphase. NRZ gồm hai dạng: NRZ-L (nonreturn to zero – level) và NRZ – I (nonreturn to zero – invert). Trong biphase có hai phương pháp. Thứ nhất, Manchester, là phương pháp dùng trong mạng ehternet LAN, và dạng thứ hai Manchester vi sai, thường được dùng trong Token Ring LAN. Hình 1.27 NRZ (Nonreturn to Zero) CHƯƠNG 1: TRUYỀN SỐ LIỆU 14 Trong phương pháp này, mức tín hiệu luôn luôn có giá trị là dương hay âm. Có hai dạng như sau: NRZ – L: mức tín hiệu phụ thuộc vào cách biểu diễn của bit. Gía trị điện áp cao thường biểu diễn bit 0, và giá trị điện áp âm thường là bit 1 (hay ngược lại); như thế mức tín hiệu phụ thuộc vào trạng thái của bit. Vấn đề đặt ra là khi tồn tại một chuỗi dữ liệu gồm nhiều bit 1 hay bit 0. Máy thu nhận được một chuỗi tín hiệu liên tục và có thể nhận ra được là bao nhiêu bit nhờ đồng hộ của máy thu, có thể được hay không được đồng bộ với đồng hồ máy phát. Hình 1.28 NRZ – I: Trong phương pháp này, sự thay đổi cực tính của mức điện áp biểu diễn cho bit 1. Phương pháp này tốt hơn so với NRZ-L do khả năng đồng bộ do sự thay đổi của của tín hiệu khi có bit 1. Như thế khi truyền một chuỗi gồm nhiều bit 1, thì vấn đề đồng bộ đã được giải quyết, còn chuỗi bit 0 thì vẫn còn là vấn đề. Hình 1.28 minh họa các biểu diễn NRZ-L và NRZ-I cho cùng chuỗi dữ liệu. Trong phương pháp NRZ-L; các giá trị điện áp dương dùng cho bit 0 và âm dùng cho bit 1. Trong phương pháp NRZ-I máy thu nhận ra bit 1 khi có sự thay đổi mức điện áp. RZ (Return to Zero) Khi xuất hiện một chuỗi bit 1 hay 0 liên tiếp thì máy thu có thể nhận lầm, như thế nhấ