Tổng quan mạng máy tính

Tổng quan mạng máy tính Định nghĩa Mạng máy tính là một tập hợp nhiều máy tính điện tử và các thiết bị đầu cuối được kết nối với nhau bằng các thiết bị trung gian nhằm trao đổi thông tin, chia sẻ phần cứng, phần mềm và dữ liệu với nhau. Mạng máy tính gồm các phần cứng, các giao thức mạng và các phần mềm mạng. Lợi ích của mạng máy tính Tập trung tài nguyên tại một số máy và chia sẻ cho nhiều máy khác. Khắc phục sự trở ngại về mặt địa lý. Tăng chất lượng và hiệu quả khai thác thông tin. Cho phép thực hiện những ứng dụng tin học phân tán. Tăng độ an toàn, tin cậy của hệ thống nhờ khả năng thay thế khi có sự cố. Phát triển các công nghệ trên mạng. Thành phần của MMT. Giao thức mạng (Protocols) Định nghĩa giao thức mạng (Protocol) Các thực thể của mạng muốn trao đổi thông tin với nhau phải bắt tay, đàm phán về một số thủ tục, quy tắc. Tập quy tắc hội thoại được gọi là giao thức mạng (Protocols), bao gồm: Cú pháp: định dạng dữ liệu, phương thức mã hoá và các mức tín hiệu. Ngữ nghĩa: thông tin điều khiển, điều khiển lưu lượng và xử lý lỗi. Chức năng giao thức mạng Đóng gói. Phân đoạn và hợp lại. Điều khiển liên kết. Giám sát. Điều khiển lưu lượng. Điều khiển lỗi. Đồng bộ hoá. Địa chỉ hoá. Phương tiện truyền dẫn Các loại kết nối cơ bản Phân loại mạng Theo khoảng cách địa lý Mạng máy tính có thể được phân bổ trên một khu vực nhất định hoặc có thể trong một quốc gia hay toàn cầu. Dựa vào phạm vi phân bố, có thể chia MMT thành các loại như sau: Mạng cục bộ LAN (Local Area Network). Mạng đô thị MAN (Metropolitan Area Network). Mạng diện rộng WAN (Wide Area Network). Mạng toàn cầu GAN (Global Area Network) Mạng cục bộ LAN (Local Area Network) Mạng cục bộ LAN thực hiện kết nối các máy tính đơn lẻ thành mạng nội bộ, tạo khả năng trao đổi thông tin và chia sẻ tài nguyên trong cơ quan, xí nhiệp... Có hai loại mạng LAN: - LAN có dây (sử dụng các loại cáp). - LAN không dây – WLAN (sử dụng sóng cao tần hay tia hồng ngoại). Mạng cục bộ LAN - Quy mô của mạng nhỏ, phạm vi hoạt động vào khoảng 1km. - Công nghệ truyền dẫn trong LAN thường là quảng bá (Broadcast), gồm một cáp đơn nối tất cả các máy. Tốc độ truyền dữ liệu cao (10÷100 Mbps,Gbps), thời gian trễ nhỏ (cỡ 10μs), độ tin cậy cao, tỷ số lỗi bit từ 10-8 đến 10-11. - Cấu trúc tôpô của mạng đa dạng. Mạng đô thị MAN (Metropolitan Area Network) Kết nối các máy tính trong phạm vi thành phố (bán kính vài km). MAN hoạt động theo kiểu quảng bá, LAN to LAN. Mạng cung cấp các dịch vụ thoại, phi thoại và truyền hình cáp. Mạng diện rộng WAN (Wide Area Network) Kết nối các máy tính trong nội bộ các quốc gia hay giữa các quốc gia trong cùng châu lục. Thông thường các kết nối này được thực hiện thông qua mạng viễn thông. Các WAN có thể được kết nối với nhau thành GAN hay tự nó đã là GAN. Cáp quang biển và vệ tinh được dùng cho việc truyền dữ liệu trong mạng WAN. Mạng diện rộng WAN (Wide Area Network) Mạng diện rộng WAN (Wide Area Network) Đặc trưng cơ bản của một mạng WAN: - Hoạt động trên phạm vi một quốc gia hoặc trên toàn cầu. - Tốc độ truyền dữ liệu thấp so với LAN. - Lỗi truyền cao. Mạng tích hợp số đa dịch vụ ISDN (Integrated Services Digital Network); mạng X25 và Frame Relay; ATM (Asynchronous Transfer Mode); NGN (Next Generation Network). Mạng toàn cầu GAN (Global Area Network) Liên mạng (internet) là mạng của các mạng con, là một tập các mạng LAN, WAN, MAN độc lập được kết nối lại với nhau nhằm: - Giảm lưu thông trên mạng. - Tối ưu hoá hiệu năng. - Đơn giản hoá việc quản trị mạng. - Hiệu quả hơn so với WAN có phạm vi hoạt động lớn, chi phí giảm, hiệu năng liên mạng tăng và độ phức tạp của việc quản lý nhỏ hơn Theo cấu trúc mạng (Topology) (1) Topology là cấu trúc hình học không gian của mạng. Thực chất đây là cách bố trí vị trí vật lý các node và cách thức kết nối chúng lại với nhau. Có hai kiểu cấu trúc mạng: - Kiểu điểm - điểm (Point to Point). - Kiểu quảng bá (Multi Point). Theo cấu trúc mạng (Topology) (2) - Kiểu điểm - điểm (Point to Point). Đường truyền nối từng cặp node lại với nhau theo một cấu trúc hình học xác định. Một kênh truyền vật lý sẽ được thiết lập giữa 2 node có nhu cầu trao đổi thông tin. Chức năng các node trung gian: tiếp nhận, lưu tạm thời và gửi thông tin sang node tiếp theo khi đường truyền rỗi. Cấu trúc điểm - điểm gọi là mạng lưu và gửi tiếp (Store - and - Forward). Theo cấu trúc mạng (Topology) (3) - Kiểu điểm - điểm (Point to Point). Ưu điểm của cấu hình này là ít khả năng đụng độ thông tin (Collision). Nhược điểm của nó là hiệu suất sử dụng đường truyền thấp, chiếm dụng nhiều tài nguyên, độ trễ lớn, tiêu tốn nhiều thời gian để thiết lập đường truyền và xử lý tại các node. Vì vậy tốc độ trao đổi thông tin thấp. Theo cấu trúc mạng (Topology) (4) - Kiểu điểm - điểm (Point to Point). Theo cấu trúc mạng (Topology) (5) - Kiểu đa điểm hay quảng bá (Broadcast) Tất cả các node cùng truy nhập một đường truyền vật lý. Một thông điệp truyền từ một node nào đó sẽ được tất cả các node còn lại tiếp nhận và kiểm tra địa chỉ đích có phải của nó hay không. Cần thiết phải có cơ chế để giải quyết vấn đề đụng độ thông tin (Collision) hay tắc nghẽn (Congestion) thông tin trên đường truyền trong các mạng hình BUS và hình RING Theo cấu trúc mạng (Topology) (6) - Kiểu đa điểm hay quảng bá (Broadcast) Theo phương pháp chuyển mạch (1) - Mạng chuyển mạch kênh (Circuit Switched Network). - Mạng chuyển mạch gói (Packet Switched Network). Theo phương pháp chuyển mạch (2) Mạng chuyển mạch kênh: - Thiết lập kết nối giữa 2 thực thể bằng một đường truyền vật lý. - Duy trì kết nối trong suốt quá trình 2 thực thể trao đổi thông tin. - Giải phóng kết nối. Nhược điểm: cần nhiều thời gian để thiết lập kênh truyền, vì vậy thời gian thiết lập kênh chậm và xác suất kết nối không thành công cao. Theo phương pháp chuyển mạch (3) Mạng chuyển mạch gói: Message người sử dụng được chia thành nhiều gói nhỏ (Packet) có độ dài quy định. Độ dài gói tin cực đại (Maximum Transfer Unit - MTU) trong các mạng khác nhau là khác nhau. Các gói tin có thể truyền độc lập trên nhiều tuyến hướng đến đích và các gói tin của nhiều thông điệp khác nhau có thể cùng truyền trên một tuyến liên mạng. Theo phương pháp chuyển mạch (4) Mạng chuyển mạch gói: Tại mỗi node, các gói tin được tiếp nhận, lưu trữ, xử lý tại bộ nhớ, không cần phải lưu trữ tạm thời trên bộ nhớ ngoài (như đĩa cứng) và được chuyển tiếp đến node kế tiếp. Định tuyến các gói tin qua mạng nhanh hơn và hiệu quả hơn. Kiến trúc phân tầng và chuẩn hóa mạng Cơ sở xuất hiện kiến trúc đa tầng Sự khác biệt về kiến trúc mạng gây trở ngại cho người sử dụng khi kết nối liên mạng, ảnh hưởng đến sản xuất và sử dụng sản phẩm mạng. Cần xây dựng mô hình chuẩn làm cơ sở cho các nhà nghiên cứu và thiết kế mạng tạo ra các sản phẩm mở về mạng và tạo điều kiện cho việc phát triển và sử dụng mạng.  các tổ chức tiêu chuẩn quốc tế đã ra đời. Các tổ chức tiêu chuẩn - ISO (International Standards Organization). Mô hình OSI (Open Systems Interconnection) là sản phẩm điển hình của tổ chức này. - CCITT (International Telegraphand Telephone Consultative Commintte) – hiện nay là ITU. Là tổ chức bao gồm các cơ quan Bưu chính Viễn thông của các nước. Các sản phẩm được gọi là các khuyến nghị (Recommendation) - IEEE (Institute of Electronical And Electronic Engineers). Mô hình kiến trúc đa tầng (1) Các mạng máy tính được thiết kế và cài đặt theo quan điểm có cấu trúc đa tầng. Mỗi thành phần của mạng được xem như một hệ thống gồm nhiều tầng và mỗi tầng bao gồm một số chức năng truyền thông. Các tầng được chồng lên nhau, số lượng và chức năng của các tầng phụ thuộc vào các nhà sản xuất và thiết kế. Mô hình kiến trúc đa tầng (2) Các quy tắc phân tầng (1) - Không định nghĩa quá nhiều tầng, số lượng tầng, vai trò và chức năng của các tầng trong mỗi hệ thống của mạng là như nhau, không quá phức tạp khi xác định và ghép nối các tầng. Chức năng các tầng độc lập với nhau và có tính mở. - Xác định rõ mối quan hệ giữa các tầng kề nhau (gọi là giao diện - Interface). Mối quan hệ này quy định những thao tác và dịch vụ cơ bản mà tầng kề dưới cung cấp cho tầng kề trên và số các tương tác qua lại giữa hai tầng kề nhau là nhỏ nhất. Các quy tắc phân tầng (2) - Xác định mối quan hệ giữa các đồng tầng để thống nhất về các phương thức hoạt động trong quá trình truyền thông, mối quan hệ đó là tập các quy tắc và các thoả thuận trong hội thoại giữa các hệ thống, gọi là giao thức (protocol). - Dữ liệu không được truyền trực tiếp từ tầng thứ i của hệ thống phát sang tầng thứ i của hệ thống nhận (trừ tầng thấp nhất- tầng vật lý). Các quy tắc phân tầng (3) Trong mỗi một tầng có một hoặc nhiều thực thể (Entity) hoạt động. Các thực thể có thể là một tiến trình (Process) trong một hệ đa xử lý, hoặc có thể là một chương trình con. Các thực thể truyền thông với các thực thể tầng trên và tầng dưới nó thông qua các điểm truy nhập dịch vụ trên các giao diện SAP (Service Access Point). Nguyên tắc truyền thông đồng tầng (1) Để truyền thông đồng tầng, gói tin khi chuyển xuống qua các tầng sẽ được bổ sung thêm vào phần đầu bằng thông tin điều khiển của tầng (gọi là Header)  quá trình đóng gói (Encapsulation). Bên nhận sẽ diễn ra quá trình ngược lại: khi đi qua các tầng, gói tin sẽ tách thông tin điều khiển thuộc nó trước khi chuyển dữ liệu lên tầng trên quá trình giải đóng gói Decapsulation Nguyên tắc truyền thông đồng tầng (2) Đơn vị dữ liệu được sử dụng trong các tầng gồm: - Thông tin điều khiển giao thức PCI (Protocol Control Information. - Đơn vị dữ liệu dịch vụ SDU (Service Data Unit). - Đơn vị dữ liệu giao thức PDU (Protocol Data Unit). PDU = PCI + SDU Dịch vụ và chất lượng dịch vụ (1) Dịch vụ là tập các thao tác sơ cấp hay là các hàm nguyên thủy mà một tầng cung cấp cho tầng trên nó. Dịch vụ liên quan đến 2 tầng kề nhau. Quá trình cung cấp dịch vụ thông qua các điểm truy nhập SAP trên các giao diện tầng. Có hai loại dịch vụ: - Dịch vụ hướng liên kết (Connection Oriented) - Dịch vụ không liên kết (Connectionless). Dịch vụ và chất lượng dịch vụ (2) Dịch vụ hướng liên kết (Connection Oriented). Là dịch vụ theo mô hình điện thoại. Các dịch vụ và giao thức trong các mô hình OSI thực hiện truyền thông 3 giai đoạn: - Thiết lập liên kết. - Truyền dữ liệu. - Giải phóng liên kết. Dịch vụ và chất lượng dịch vụ (3) Dịch vụ không liên kết (Connectionless). Loại dịch vụ này không cần thiết lập liên kết logic và một đơn vị dữ liệu được truyền là độc lập với các đơn vị dữ liệu trước hoặc sau nó. Loại dịch vụ này theo mô hình bưu điện: mỗi bản tin hay mỗi bức thư cần có một địa chỉ cụ thể bên nhận. Mô hình kết nối các hệ thống mở OSI (1) Tổ chức ISO đã lập ra một tiểu ban nhằm phát triển một khung chuẩn về kiến trúc mạng. Năm 1984, mô hình tham chiếu OSI ra đời. Mô hình OSI là một tập các mô tả chuẩn cho phép các máy tính khác nhau giao tiếp với nhau theo cách “mở”, tức là khả năng 2 hệ thống khác nhau có thể kết nối để trao đổi thông tin với nhau nếu chúng tuân thủ mô hình tham chiếu và các chuẩn liên quan. Mô hình kết nối các hệ thống mở OSI (2) Mô hình OSI là mô hình căn bản về các tiến trình truyền thông, là cơ sở chung để các hệ thống khác nhau có thể liên kết và truyền thông được với nhau. Mô hình OSI tổ chức các giao thức truyền thông thành 7 tầng, mỗi một tầng giải quyết một phần hẹp của tiến trình truyền thông theo nhiều giao thức khác nhau (tùy vào nhu cầu). Mô hình kết nối các hệ thống mở OSI (3) Quá trình xử lý các ứng dụng được thực hiện trong các hệ thống mở, trong khi vẫn duy trì được các hoạt động kết nối giữa các hệ thống. Thiết lập kênh logic nhằm thực hiện việc trao đổi thông tin giữa các thực thể. Mô hình kết nối các hệ thống mở OSI (4) Mô hình OSI sử dụng hai loại giao thức cơ bản: - Giao thức hướng liên kết (Connection- Oriented). - Giao thức không liên kết (Connectionless). Mô hình kết nối các hệ thống mở OSI (5) Lớp ứng dụng (Application Layer) - Xác định giao diện giữa người sử dụng và môi trường OSI. - Gồm nhiều giao thức, cung cấp phương tiện để người sử dụng truy cập vào môi trường mạng và cung cấp các dịch vụ phân tán. Mô hình kết nối các hệ thống mở OSI (6) Lớp trình bày (Presentation Layer). - Giải quyết các vấn đề liên quan đến cú pháp và ngữ nghĩa của thông tin được truyền. - Tầng trình bày chịu trách nhiệm chuyển đổi dữ liệu gửi đi trên mạng từ một loại biểu diễn này sang một loại khác. Để đạt được điều đó nó cung cấp một dạng biểu diễn truyền thông chung cho phép chuyển đổi từ dạng biểu diễn cục bộ sang biểu diễn chung và ngược lại. Mô hình kết nối các hệ thống mở OSI (7) Lớp phiên (Session Layer). - Tầng phiên cho phép người sử dụng trên các máy khác nhau thiết lập, duy trì, huỷ bỏ và đồng bộ phiên truyền thông giữa họ với nhau. - Dịch vụ phiên cung cấp liên kết giữa 2 đầu cuối sử dụng dịch vụ phiên sao cho dữ liệu được trao đổi một cách đồng bộ và khi kết thúc sẽ giải phóng liên kết. Mô hình kết nối các hệ thống mở OSI (8) Lớp vận chuyển (Transport Layer) (1) Mô hình kết nối các hệ thống mở OSI (9) Lớp vận chuyển (Transport Layer) (2) Là tầng cao nhất có liên quan đến các giao thức trao đổi dữ liệu giữa các hệ thống mở, kiểm soát việc truyền dữ liệu từ đầu cuối đến đầu cuối. - Chia các gói tin lớn thành các gói tin nhỏ hơn trước khi gửi đi và đánh số các gói tin và đảm bảo chúng chuyển theo đúng thứ tự. - Là tầng cuối cùng chịu trách nhiệm về mức độ an toàn trong truyền dữ liệu giao thức tầng này phụ thuộc nhiều vào bản chất của tầng mạng Mô hình kết nối các hệ thống mở OSI (10) Lớp vận chuyển (Transport Layer) (3) - Tracking phiên giao tiếp đơn giữa các ứng dụng trên hosts nguồn và đích. - Phân đoạn và quản lý các đoạn dữ liệu. - Sắp xếp các đoạn dữ liệu trên. - Nhận dạng các loại ứng dụng khác nhau. - Điều khiển các cuộc hội thoại (Thiết lập phiên, Giao nhận tin cậy, Giao nhận đúng trật tự, Điều khiển luồng) Mô hình kết nối các hệ thống mở OSI (11) Lớp mạng (Network Layer) (1) Mô hình kết nối các hệ thống mở OSI (12) Lớp mạng (Network Layer) (2) - Đảm bảo truyền tin thông suốt giữa hai node đầu cuối trong mạng. - Điều khiển tắc nghẽn (Congestion Control) dựa trên bốn quá trình cơ bản: Đánh địa chỉ (Addressing). Đóng gói (Encapsulation). Định tuyến (Routing). Giải đóng gói (Decapsulation). Mô hình kết nối các hệ thống mở OSI (13) Lớp liên kết dữ liệu (Data link Layer) (1) Mô hình kết nối các hệ thống mở OSI (14) Lớp liên kết dữ liệu (Data link Layer) (2) Thực hiện thiết lập các liên kết, duy trì và huỷ bỏ các liên kết dữ liệu. Kiểm soát lỗi và kiểm soát lưu lượng. Lớp liên kết dữ liệu gồm: - Lớp con LLC: định nghĩa các tiến trình phần mềm cung cấp các dịch vụ cho các giao thức lớp mạng. - Lớp con MAC: định nghĩa các tiến trình truy nhập phương tiện được thực hiện bằng phần cứng. Mô hình kết nối các hệ thống mở OSI (15) Lớp liên kết dữ liệu (Data link Layer) (3) Mô hình kết nối các hệ thống mở OSI (16) Lớp liên kết dữ liệu (Data link Layer) (4) Mô hình kết nối các hệ thống mở OSI (17) Lớp liên kết dữ liệu (Data link Layer) (5) Mô hình kết nối các hệ thống mở OSI (18) Lớp vật lý (Physical layer) (1) - Là lớp thấp nhất trong mô hình 7 lớp OSI. Các thực thể tầng giao tiếp với nhau qua một đường truyền vật lý. - Xác định các chức năng, thủ tục về điện, cơ, quang để kích hoạt, duy trì và giải phóng các kết nối vật lý giữa các hệ thống mạng. - Các chuẩn trong lớp vật lý là chuẩn xác định giao diện người sử dụng và môi trường mạng. Mô hình kết nối các hệ thống mở OSI (19) Lớp vật lý (Physical layer) (2) Mô hình kết nối các hệ thống mở OSI (20) Lớp vật lý (Physical layer) (3) Lớp vật lý thực hiện 3 chức năng: - Phương tiện vật lý. Là các thiết bị phần cứng về điện, các loại cáp (cáp đồng, cáp quang), sóng vô tuyến và các đầu nối (connector) để tạo và mang tín hiệu đặc trưng cho các bits. - Mã hóa. - Tạo tín hiệu Mô hình kết nối các hệ thống mở OSI (21) Lớp vật lý (Physical layer) (4) Mô hình kết nối các hệ thống mở OSI (22) Lớp vật lý (Physical layer) (5) Mô hình kết nối các hệ thống mở OSI (23) Lớp vật lý (Physical layer) (6) Mô hình kết nối các hệ thống mở OSI (24) Đặc trưng cơ bản của đường truyền. Với một kênh truyền dẫn có băng tần nhất định, chỉ có thể truyền dẫn được một dòng thông tin số có tốc độ giới hạn bởi công thức Nyquist (chỉ tính trong trường hợp không có nhiễu). Công thức Shannon – Hartley (có nhiễu): Các mô hình chuẩn hoá khác (1) - Systems Nework Architecture (SNA). - Internetwork Packet Exchange/Sequenced Packet Exchange (IPX/SPX). - AppleTalk. - Digital Network Architectur (DNA). - Họ IEEE 802 (Institute of Electrical and Electronic Engineer). - TCP/IP (Transmission Control Protocol/ Internet Protocol). Các mô hình chuẩn hoá khác (2) Các mô hình xử lý dữ liệu (1) Mô hình Client-Server. Các mô hình xử lý dữ liệu (2) Mô hình ngang hàng (Peer-to-Peer).