Giáo trình Mạng máy tính (Phần I)

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 TỬ, TRUYỀN THÔNG) TP. HỒ CHÍ MINH, 09 - 2018 (LƯU HÀNH NỘI BỘ) i MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .......................................... 1 1.1. MẠNG ĐIỆN BÁO ........................................................................................ 1 1.2. MẠNG ĐIỆN THOẠI ................................................................................... 1 1.3. MẠNG HƯỚNG ĐẦU CUỐI ....................................................................... 2 1.4. MẠNG MÁY TÍNH ...................................................................................... 2 1.5. PHÂN LOẠI .................................................................................................. 4 1.6. LỢI ÍCH MẠNG MÁY TÍNH...................................................................... 7 CHƯƠNG 2: CÁC THIẾT BỊ MẠNG .......................... 9 2.1. CÁC LOẠI CÁP ............................................................................................ 9 2.2. CÁC THIẾT BỊ GHÉP NỐI ...................................................................... 11 2.3. CÁC THIẾT BỊ MẠNG THÔNG DỤNG ................................................. 14 2.4. KẾT NỐI ...................................................................................................... 20 2.5. PHẦN MỀM MẠNG MÁY TÍNH ............................................................. 25 2.6. MÔ HÌNH OSI ............................................................................................ 28 CHƯƠNG 3: ĐỊA CHỈ IP ............................................ 35 3.1. CẤU TRÚC ĐỊA CHỈ IP ............................................................................ 35 3.2. PHÂN LỚP IP ............................................................................................. 36 3.3. ÝNGHĨA CÁC NETID, HOSTID, NETMASK, SUBNETMASK ......... 38 3.4. PHÂN MẠNG CON .................................................................................... 40 CHƯƠNG 4: GIAO THỨC TCP/IP ........................... 44 4.1. GIỚI THIỆU CHUNG ................................................................................ 44 4.2. GIAO THỨC IP .......................................................................................... 45 4.3. NHIỄU TRONG BỘ THU QUANG .......................................................... 54 4.4. GIAO THỨC TCP ...................................................................................... 57 4.5. GIAO THỨC UDP ...................................................................................... 60 CHƯƠNG 5: ĐỊNH TUYẾN ....................................... 62 5.1. GIỚI THIỆU CHUNG ................................................................................ 62 5.2. CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN THIẾT KẾ TẦNG MẠNG .............. 62 5.3. GIẢI THUẬT CHỌN ĐƯỜNG ................................................................. 66 ii 5.4. LIÊN MẠNG ............................................................................................... 80 CHƯƠNG 6: CÁC DỊCH VỤ MẠNG ......................... 88 6.1. GIỚI THIỆU CHUNG ................................................................................ 88 6.2. DỊCH VỤ HTTP .......................................................................................... 88 6.3. DỊCH VỤ EMAIL ....................................................................................... 90 6.4. DỊCH VỤ DNS ............................................................................................. 95 6.5. DỊCH VỤ FTP ............................................................................................. 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................... 100 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. MẠNG ĐIỆN BÁO Mạng điện báo sử dụng hệ thống mã Morse để mã hóa thông tin cần truyền đi. Mã Morse sử dụng hai tín hiệu là tít và te (ký hiệu bằng dấu chấm (•) và dấu gạch ngang (-)). Mỗi một ký tự latin sẽ được mã hóa bằng một chuỗi tíc/te riêng biệt, có độ dài ngắn khác nhau. Để truyền thông tin đi,bên gởi sẽ lần lượt mã hóa từng ký tự của thông điệp thành mã Morse, bên nhận sau đó sẽ thực hiện quá trình giải mã. Văn bản được truyền đi được gọi là một thông điệp (message) hay một thư tín (Telegram). Vào năm 1851 mạng thư tín đầu tiên được sử dụng để nối hai thành phố London và Paris. Sau đó không lâu, hệ thống mạng này được mở rộng toàn châu Âu.Cấu trúc của mạng gồm có hai thành phần là Trạm điện báo (Telegraph Station) và Trạm chuyểnđiện báo ( Telegraph Switching Station) được nối lại với nhau bằng hệ thống dây truyền dẫn. Trạm điện báo là nơi cho phép truyền và nhận các thông điệp dưới dạng các mã Morse, thông thường được thể hiện bằng âm thanh tít và te. Để truyền và nhận thông tin cần có một điện báo viên thực hiện quá trình mã hóa và giải mã thông tin truyền/nhận. Vì không thể nối trức tiếp tất cả các trạm điện báo lại với nhau, người ta sử dụng các Trạm chuyển điện báo để cho phép nhiều trạm điện báo sử dụng chung một đường truyền để truyền tin. Tại mỗi trạm chuyển điện báo có một thao tác viên chịu trách nhiệm nhận các điện báo gởi đến, xác định đường đi để chuyển tiếp điện báo về nơi nhận. Nếu đường truyền hướng về nơi nhận đang đuợc sử dụng để truyền một điện báo khác, thao tác viên sẽ lưu lại điện báo này để sau đó truyền đi khi đường truyền rãnh. Để tăng tốc độ truyền tin, hệ thống Baudot thay thế mã Morse bằng mã nhị phân 5 bits (có thể mã hóa cho 32 ký tự). Các trạm điện báo cũng được thay thế bằng các máy têlêtíp (teletype terminal) cho phép xuất / nhập thông tin dạng ký tự. Hệ thống sử dụng kỹ thuật biến điệu (Modulation) và đa hợp (Multiplexing) để truyền tải thông tin. 1.2. MẠNG ĐIỆN THOẠI Mạng điện thoại cho phép truyền thông tin dưới dạng âm thanh bằng cách sử dụng hệ thống truyền tín hiệu tuần tự. H1.1 Mạng chuyển mạch Mạng điện thoại hoạt động định hướng nối kết (circuit switching), tức thiết lập đường nối kết tận hiến giữa hai bên giao tiếp trước khi thông tin được truyền đi. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 2 1.3. MẠNG HƯỚNG ĐẦU CUỐI Đây là mô hình của các hệ thống máy tính lớn (Main Frame) vào những năm của thập niên 1970.Hệ thống gồm một máy chủ mạnh (Host) có năng lực tính toán cao được nối kết với nhiều thiết bị đầu cuối đần độn (Dumb terminal) chỉ làm nhiệm vụ xuất nhập thông tin, giao tiếp với người sử dụng. H1.2 Mạng hướng đầu cuối 1.4. MẠNG MÁY TÍNH Mạng máy tính là mạng của hai hay nhiều máy tính được nối lại với nhau bằng một đường truyền vật lý theo một kiến trúc nào đó. Mạng có thể có kiến trúc đơn giản hoặc phức tạp gồm nhiều mạng đơn giản nối lại với nhau. H1.3 Mạng máy tính Mô hình mạng máy tính thường gặp : + Mô hình khách hàng – người phục vụ (Client - Server) + Mô hình mạng ngang hàng ( peer to peer ) 1.4.1. Mô hình khách hàng – người phục vụ Trong mô hình mạng khách chủ có một hệ thống máy tính cung cấp các tài nguyên và dịch vụ cho cả hệ thống mạng sử dụng gọi là các máy chủ (server). Một hệ thống máy tính sử dụng các tài nguyên và dịch vụ này được gọi là máy khách (client). CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3 Máy tính client sẽ gởi các yêu cầu (request) đến máy tính server để yêu cầu server thực hiện công việc gì đó. Chẳng hạn khi người dùng duyệt web trên mạng Internet, trình duyệt web sẽ gởi yêu cầu đến web server đề nghị web server gởi về trang web tương ứng.Máy tính server khi nhận được một yêu cầu từ client gởi đến sẽ phân tích yêu cầu để hiểu được client muốn đều gì, để thực hiện đúng yêu cầu của client. Server sẽ gởi kết quả về cho client trong các thông điệp trả lời (reply). Ví dụ, khi web server nhận được một yêu cầu gởi đến từ trình duyệt web, nó sẽ phân tích yêu cầu để xác định xem client cần nhận trang web nào, sau đó mở tập tin html tương ứng trên đĩa cứng cục bộ của nó để gởi về trình duyệt web trong thông điệp trả lời.Một số ứng dụng được xây dựng theo mô hình client / server như: www, mail, ftp,... H1.4 Mô hình mạng khác chủ Dựa vào chức năng có thể chia thành các loại server như sau: + File Server : phục vụ các yêu cầu hệ thống tập tin. + Print Server : phục vụ các yêu cầu in ấn. + Mail Server : cung cấp các dịch vụ về gửi nhận email. + Web Server : cung cấp các dịch vụ về web. + Database Server : cung cấp các dịch vụ về lưu trữ, tìm kiếm thông tin. Ưu điểm : do dữ liệu được lưu trữ tập trung nên dễ bảo mật, backup và đồng bộ với nhau.Tài nguyên và dịch vụ tập trung nên dễ chia sẻ và quản lý, có thể phục vụ cho nhiều ngừơi dùng. Khuyết điểm : các server chuyên dụng rất đắt tiền, cần có nhà quản trị cho hệ thống. 1.4.2. Mô hình mạng ngang hàng Mạng ngang hành cung cấp việc kết nối cơ bản giữa các máy tính nhưng không có bất kỳ một máy tính nào đóng vai trò phục vụ. Một máy tính trên mạng có thể vừa là client, vừa là server. Trong môi trường này, người dùng trên từng máy tính chịu trách nhiệm điều hành và chia sẻ các tài nguyên cuả máy tính mình. Mô hình này chỉ phù hợp với các tổ chức nhỏ, số người giới hạn (thông thường nhỏ hơn 10 người), và không quan tâm đến vấn đề bảo mật. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 4 H1.5 Mô hình mạng ngang hàng Ưu điểm : do mô hình đơn giản nên dễ cài đặt, tổ chức và quản trị, chi phí thiết bị thấp. Khuyết điểm : không cho phép quản lý tập trung nên dữ liệu phân tán, khả năng bảo mật thấp, rất dễ bị xâm nhập. Các tài nguyên không được sắp xếp nên rất khó định vị và tìm kiếm. 1.5. PHÂN LOẠI MẠNG MÁY TÍNH 1.5.1. Phạm vi địa lí Mạng máy tính có thể phân bố trên một vùng lãnh thổ nhất định và có thể phân bố trong phạm vi một quốc gia hay quốc tế. dựa vào phạm vi phân bố của mạng người ta có thể phân ra các loại mạng như sau:  Mạng cục bộ LAN (Local Area Network): là mạng được lắp đặt trong phạm vi hẹp, khoảng cách giữa các nút mạng nhỏ hơn 10km. LAN thường được sử dụng trong nội bộ cơ quan, xí nghiệp, trường học, các LAN có thể được kết nối nhau thành WAN.  Mạng đô thị MAN (Metropolitan Area Network): là mạng được cài đặt trong pham vi một đô thị hoặc một trung tâm kinh tế - xã hội có bán kính 100km trở lại. mạng diện rộng WAN (Wide Area Network): phạm vi của mạng có thể vượt qua biên giới quốc gia và thậm chí cả châu lục.  Mạng toàn cầu GAN (Global Area Network): là mạng được thiết lặp trên phạm vi trải rộng khắp các châu lục trên trái đất. Thông thường thường kết nối thông qua mạng viễn thông và vệ tinh. Trong các khái niệm trên WAN và LAN là hai khái niệm được sư dụng nhiều nhất. 1.5.2. Phương pháp chuyển mạch  Mạng chuyển mạch kênh (circuit – switched network): CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 5 Trong trường hợp này khi có hai trạm cần trao đổi thông tin với nhau thì giữa chúng sẽ được thiết lặp một kênh (circuit) cố định và duy trì cho đến khi một trong bên ngắt liên lạc. Các dữ kiệu chỉ được truyền theo con đường cố định H1.6  Mạch chuyển mạng kênh Mạng chuyển mạch kênh có tốc độ truyền cao và an toàn nhưng hiệu xuất sử dụng đường truyền thấp vì có lúc kênh bị bỏ không do cả hai bên đều hết thông tin cần truyền trong khi các trạm khác không được phép sử dụng kênh truyền này và phải tiêu tốn thời gian thiết lặp con đường (kênh) cố định giữa hai trạm. Mạng điện thoại là ví dụ điển hình của mạng chuyển mạch kênh.  Mạch chuyển mạch gói (packet – switched network): Phương pháp này mỗi thông báo được chia thành nhiều phần nhỏ hơn gọi là các gói tin (packet) có khuôn dạng quy định trước. Mỗi gói tin cũng chứ các thông tin điều khiển, trong đó có địa chỉ nguồn (người gửi) và đích (người nhận) của gói tin. Các gói tin về một thông báo nào đó có thể được gửi đi qua mạng để đến đích bằng nhiều con khác nhau. Căn cứ vào số thứ tự các gói tin được tái tạo thành thông tin ban đầu. Phương pháp chuyển mạch bản tin và phương pháp chuyển mạch gói là gần giống nhau. Điểm kkhasc biệt là các gói tin được gới hạn kích thước tối đa sao choc ác nút mạng có thể xử lí toàn bộ thông tin trong bộ nhớ mà khôn cần hải lưu trữ tạm thời trên đĩa. Nên mạn chuyển mạch gói truyền các gói tin qua mạng nhanh hơn và hiệu quả hơn so với chuyển mạch bản tin. 1.5.3. Đồ hình mạng – TOPO mạng Topology củ mạng là cấu trúc hình học không gian mà thực chất là cách bố trí phần tử của mạng cũng như cách nối giữa chúng với nhau. Thông thường mạng có 3 dạng cấu trúc: mạng dạng hình sao (Star topology), mạng dạng vòng (Ring topology) và mạng dạng tuyến (Linear Bus topology). Ngoài 3 dạng cấu hình kể trên còn có một số dạng khác biến tướng từ ba dạng này như mạng dạng cây, mạng dạng hình sao-vòng, mạng hình hỗn hợp,  Mạng hình sao (Star topology): Mạng sao bao gồm một bộ kết nối trung tâm và các nút. Các nút này là các trạm đầu cuối, các máy tính và các thiết bị khác của mạng. Bộ kết nối trung tâm của mạng điều phối mọi hoạt động trong mạng. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 6 H1.7  Cấu trúc mạng hình sao Mạng dạng sao cho phép kết nối các máy tính vào một bộ trung tâm bằng cáp, giải pháp này cho phép nối trực tiếp máy tính với bộ tập trung không cần thông qua trục bus, nên tránh các yếu tố ngừng trệ mạng. Mô hihf kết nối dạng sao này đã trở nên hêt sức phổ biến. Với việc sử dụng các bộ tập trung hoặc chuyển mạch, cấu trúc sao có thể được mở rộng bằng cách tối chức nhiều mức phân cấp, do đó dễ dàng trong việc quản lí và vận hành.  Mạng dạng vòng (Ring topology): Mạng dạng này bố trí theo mạng xoay vòng, đường dây cáp được thiết kế làm thành vòng tròn khép kín, tín hiệu chạy quanh theo một vòng nào đó. Các nút truyền tín hiệu cho nhau mỗi thời điểm chỉ được một nút mà thôi. Dữ liệu truyền đi phải có kềm theo một địa chỉ cụ thể của mỗi trạm tiếp nhận. H1.8  Mạch dạng vòng  Mạng dạng Bus (Bus Topology): Thực hiện theo cách bố trí theo hàng, các máy tính và các thiết bị khác. Các nút đều được nối về với nhau trên một trục đường dây cáp chính để truyền tải tín hiệu. Tất cả các nút đều được sử dụng chung đường dây cáp chính này. Ở hai đầu dây cáp được bịt bởi một thiết bị gọi là terminatior. Các tín hiệu và dữ liệu khi truyền đi đều mang theo địa chỉ nơi đến. H1.9  Mạch dạng Bus CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 7  Mạch dạng kết hợp: Là mạng kết hợp dạng sao và tuyến (star/bus topology): cấu hình mạng dạng này có bộ phận tách tín hiệu (spitter) giữ vai trò thiết bị trung tâm, hệ thống dây cáp mạng có thể chọn hoặc Ring topology hoặc Linear Bus topology. Ưu điểm của cấu hình này là mạng có thể gồm nhiều nhomslamf việc ở cách xa nhau. , ARCNET là mạng kết hợp Star/Bus topology. Cấu hình dạng này đưa lại sự uyển chuyển trong việc bố trí đường dây tương thích dễ dàng đối với bất kì nơi nào. Kết hợp cấu hình sao và vòng (Star/Ring topology). Cấu hình dạng kết hợp Star/Ring topology, có một thẻ bài liên lạc được chuyển vòng quanh một cái bộ tập trung. 1.6. LỢI ÍCH CỦA MẠNG MÁY TÍNH + Mạng tạo khả năng dùng chung tài nguyên cho các người dùng: Vấn đề là làm cho các tài nguyên trên mạng như chương trình, dữ liệu và thiết bị, đặc biệt là các thiết bị đắt tiền, có thể sẵn dùng cho mọi người trên mạng mà không cần quan tâm đến vị trí thực của tài nguyên và người dùng. Về mặt thiết bị, các thiết bị chất lượng cao thường đắt tiền, chúng thường được dùng chung cho nhiều người nhằm giảm chi phí và dễ bảo quản. Về mặt chương trình và dữ liệu, khi được dùng chung, mỗi thay đổi sẽ sẵn dùng cho mọi thành viên trên mạng ngay lập tức. Điều này thể hiện rất rõ tại các nơi như ngân hàng, các đại lý bán vé máy bay... + Mạng cho phép nâng cao độ tin cậy: Khi sử dụng mạng, có thể thực hiện một chương trình tại nhiều máy tính khác nhau, nhiều thiết bị có thể dùng chung. Điều này tăng độ tin cậy trong công việc vì khi có máy tính hoặc thiết bị bị hỏng, công việc vẫn có thể tiếp tục với các máy tính hoặc thiết bị khác trên mạng trong khi chờ sửa chữa. + Mạng giúp cho công việc đạt hiệu suất cao hơn: Khi chương trình và dữ liệu đã dùng chung trên mạng, có thể bỏ qua một số khâu đối chiếu không cần thiết. Việc điều chỉnh chương trình (nếu có) cũng tiết kiệm thời gian hơn do chỉ cần cài đặt lại trên một máy. Về mặt tổ chức, việc sao chép dữ liệu phòng hờ tiện lợi hơn do có thể giao cho chỉ một người thay vì mọi người phải tự sao chép phần của mình. + Tiết kiệm chi phí: Việc dùng chung các hiết bị ngoại vi cho phép giảm chi phí trang bị tính trên số người dùng. Về phần mềm, nhiều nhà sản xuất phần mềm cung cấp cả những ấn bản cho nhiều người dùng, với chi phí thấp hơn tính trên mỗi người dùng. + Tăng cường tính bảo mật thông tin: Dữ liệu được lưu trên các máy phục vụ tập tin (file server) sẽ được bảo vệ tốt hơn so với đặt tại các máy cá nhân nhờ cơ chế bảo mật của các hệ điều hành mạng. + Việc phát triển mạng máy tính đã tạo ra nhiều ứng dụng mới: Một số ứng dụng có ảnh hưởng quan trọng đến toàn xã hội: khả năng truy xuất các chương trình và dữ liệu từ xa, khả năng thông tin liên lạc dễ dàng và hiệu quả, tạo môi trường giao tiếp thuận lợi giữa những người dùng khác nhau, khả năng tìm kiếm thông tin nhanh chóng trên phạm vi toàn thế giới,... CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 8 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 1 Câu 1: Trình bày ưu, nhược điểm và vẽ các đồ hình mạng (topo): Start, Ring, Bus. Câu 2: Trình bày và phân biệt các loại mạng máy tính: LAN, WAN, MAN, GAN. Câu 3: Trình bày và so sánh ưu, nhược điểm của mô hình server-client và peer to peer. Câu 4: Trình bày đặc điểm của các phương pháp truyền thông: unicast, anycast, multicast, broadcast. Nêu ưu nhược điểm của các phương pháp này. Câu 5: Trình bày các lợi ích chính của mạng máy tính. CHƯƠNG 2: CÁC THIẾT BỊ MẠNG 9 CHƯƠNG 2 CÁC THIẾT BỊ MẠNG 2.1. CÁC LOẠI CÁP 2.1.1.Cáp xoắn đôi (Twisted pair cable) H2.1 Cáp xoắn đôi Cáp xoắn đôi là cáp gồm hai dây đồng xoắn để tránh gây nhiễu cho các đôi dây khác, có thể kéo dài tới vài km mà không cần khuyếch đại. Cáp xoắn có hai loại: - Loại có bọc kim loại để tăng cường chống nhiễu gọi là cáp STP (Shield Twisted Pair). Tốc độ lý thuyết 500Mbps, thực tế khoảng 155Mbps, với đường chạy 100m; tốc độ phổ biến 16Mbps (Token Ring) H2.2 Cáp STP H2.3 Cáp UTP - Loại không bọc kim gọi là UTP (UnShield Twisted Pair), chất lượng kém hơn STP nhưng rất rẻ. Cáp UTP được chia làm 5 hạng tuỳ theo tốc độ truyền. Cáp loại 5 có thể truyền với tốc độ 100Mb/s rất hay dùng trong các mạng cục bộ vì vừa rẻ vừa tiện sử dụng. Cáp loại 5E và loại 6 có tốc độ đạt đến 1000Mbps.Cáp này có 4 đôi dây xoắn nằm trong cùng một vỏ bọc. 2.1.2. Cáp đồng trục (Coaxial cable) Là cáp mà hai dây của nó có lõi lồng nhau, lõi ngoài là lưới kim loại. , Khả năng chống nhiễu rất tốt, giá thành thấp. Có cáp đồng trục gầy (thin coaxial cable) và cáp đồng trục béo (thick coaxial cable). CHƯƠNG 2: CÁC THIẾT BỊ MẠNG 10 H2.4 Cáp đồng trục + Cáp đồng trục gầy, ký hiệu RG-58AU, được dùng trong chuẩn mạng Ethernet 10Base2. Sử dụng đầu nối chữ T và đầu BNC để kết nối các đoạn cáp. H2.5 Đầu nối BNC và đầu nối chữ T + Cáp đồng trục béo, ký hiệu RG-11,được dùng trong chuẩn mạng 10Base5. Để đấu nối các đoạn cáp phải dùng một đầu chuyển dổi Transceivẻ và kết nối với máy tính thông qua cổng AUI. H2.6 Kết nối cáp Thicknet vào máy tính 2.1.3. Cáp quang Dùng để truyền các xung ánh sáng trong lòng một sợi thuỷ tinh phản xạ toàn phần. Môi trường cáp quang rất lý tưởng vì: - Xung ánh sáng có thể đi hàng trăm km mà không giảm cuờng độ sáng. - Băng thông cho phép đến 2Gbps. - An toàn và bí mật - Không bị nhiễu điện từ Chỉ có hai nhược điểm là khó nối dây và giá thành cao. Để phát xung ánh sáng người ta dùng các đèn LED hoặc các diod laser.Để nhận người ta dùng các photo diode , chúng sẽ tạo ra xung điện khi bắt được